同步整流控制新技术与应用
2007-09-05 13:35:10
来源：《国际电子变压器》2007年9月刊
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0 前言
众所周知，电源在计算机、工业和电信领域的应用已经得到了认可。为了优化系统应用，电源均采用了标准的工业机械结构和高性能连接技术。然而，传统的电源沿用的是传统的二极管整流技术，应用时会造成很大的功率损耗并且限制了可用输出功率。为此将应用新型的同步整流技术，即次级同步整流并带有输出电流匀流功能的集成控制器与智能整流（SmartRectifier™）IC，使其电源在效率和性能方面都有了很大的提高。值此，将二类同步整流技术的特征与应用作分析说明，于是首先对有关同步整流技术的基本状况作介绍。
1 何谓同步整流与同步整流控制
1.1 同步整流
一个N沟道功率MOSFET管的电路图形符号，它有三个极：D(漏极)、S(源极)和G(栅极)。D、S间有一个反并联二极管，还有输出结电容。功率MOSFET管作为开关使用时，驱动信号加在栅极和源极(GS)间，作为同步整流使用时虽然DS间仍类似一个开关管，但其驱动方式有自驱动和外驱动两种，为了实现同步，自驱动同步整流MOSFET管驱动信号加在栅极和漏极(GS)间。下面举一个例子，说明自驱动同步整流原理。图1表示一个正弦半波整流电路，用自驱动同步整流（SR）代替二极管D。漏极接在变压器输出同名端，栅极通过电阻R1(以防CD间电压过高)接在变压器输出的另一端。当同名端为高电位时，G为低电位，SR阻断。当同名端为低电位时，G为高位，SR开通，于是负载Ro上得到正弦半波电压，实现了整流。
图1(a)中利用变压器实现功率MOSFET管栅极驱动信号与DS极间开关同步，这种整流方式称为同步整流(SR)的原因源于此，又称为反驰式转换器整流方案.自驱动方式也比较简单，而其缺点是：开关变换器输出电路接入SR，栅极驱动电压VG未必是常数，与占空比D及输入电压Vs′有关。当占空比D及输入电压变化范围较广时，VG或太大，或太小，使SR损耗也增大。
用外驱动方式时，栅极驱动电压VG作为开关管一样；加在MOSFET管的栅源(GS)极间。它的缺点是：需要控制检测、定时逻辑、同步变压器、以及高速驱动电路等，比较复杂，价格贵，开发周期长，一定程度上限制了外驱动同步整流的广泛应用。现在人们正努力改进作为SR的功率MOSFET管的性能参数，使之适用于开关频率为1-10MHz的DC-DC变换器的整流电路。作为SR的MOSFET管，从器件设计角度考虑，有三项关键参数：损耗、体内二极管恢复时间trr及击穿电压。
而作为AC-DC反驰式转换器整流方案的选择，就在于简单的整流二极管和使用MOSFET的复杂“电流互感器”及同步整流（SR）解决方案之间(见图1(a)所示)。从系统考虑，如效率、尺寸、成本与设计的复杂性来看，意味着过去整流二极管(见图1(b)所示)是仅用于90W-120W的中低功率系统，而如今SR技术则可用于高功率系统之中。
1.2 传统与新型同步整流控制之区别
图2(a)为传统同步整流控制“电流变压器”方案，其特征是：设计复杂；需要额外电流传感器对极性检测；低效率设计。图2(b)为新型同步整流控制方案，其特征是：设计简单、准确、直接“电压水平检测”、高效率。
2 新型同步整流解决方案
2.1 次级同步整流与均流的集成控制器解决方案
2.1.1 问题的提出
最近几年，功率MOSFET的性能得到了显著提高，而这类器件的价格降低很快。由于MOSFET的开态电阻变得很低，在许多低输出电压应用电路里都利用了同步整流技术。为了提高电源的效率，设计者除了采用同步整流技术外别无选择。和购买其它类型的电源一样，用户总是想买到较新的并且在现有机架(如128.6mm×40.3mm×169.6 mm) 内功率更大的电源。而此类机架3U电源只能提供200W输出功率，如果电源的效率可以提高到85％到87％，理论上，在同样的机架内就可以装配400W输出功率的电源。而图3给出了采用同步整流技术的电源的电路方块图。
2.1.2同步整流控制器SC4910的应用(图3a为SC4910引脚图)
从图3(b)可以看出，每处都用功率MOSFET代替了传统肖特基二极管。每个输出的次级都接了一个次级同步整流控制器SC4910，它不仅用来控制次级同步整流MOSFET，还可以通过一个栅极驱动隔离变压器来控制原级MOSFET。该次级控制器使控制系统负载和实现次级同步整流器以及负载均流非常简单。
用+5V转换器作为例子，看一下电流均流电路是如何工作的。图4中：
*当+5V转换器的多个输出端并联时，每个+5V转换器的电流共享引脚(1share)也要接在一起。这会使每个+5V转换器的控制芯片(SC4910)得到相同的ISHARE电压。
*因为每个转换器都采用电流模式控制，所以当每个+5V转换器的Vea(见图4)相同时，它们的次级输出电感会有相同的峰值电流。所以Vea值代表每个+5V转换器上输出电感的峰值电压。
*如果某一个+5V转换器(转换器1)的电流大于另一个+5V转换器(转换器2)的电流，转换器1的Vea将会大于转换器2的Vea。此时转换器1的Vss(见图4a)就会下降，从而降低它的Vea直到它等于转换器2的Vea。
*如果转换器1失效，转换器2的Ishare电压将会重新调整到一个新的电平以启动其正常工作，并且和其它运行的转换器共享电流。
*由于峰值主开关电流用于电流模式控制和电流均流控制，所以不需要用检测电阻检测次级电感平均电流。
*由于这样的电流均流电路主要利用每个转换器次级输出电感上的峰值电流来控制电感上的平均电流(=转换器输出电流)，每个转换器输出电感值之间的误差会造成每个转换器输出电流的误差。实验结果显示重载时均流误差一般在3％到7％之内。
2.1.3 功率损耗比较
再看一下一个200W 的传统电源的功率损耗和用SC4910实现同步整流的同样一个200W 电源的功率损耗。+5V和+3.3V转换器都设计为典型40A最大负载，而+12V转换器设计为典型7A最大负载。
*定量损耗分析
对传统二极管整流电源(Non Syn)和同步整流电源作定量损耗分析。从传统二极管整流和同步整流所选择的一些功率器件。将会发现同步整流转换器的功率损耗比传统二极管整流转换器的要低很多。因为传统+5V转换器光在整流和冗余二极管上的损耗要比同样的采用同步整流和冗余MOSFET的转换器上的总损耗还要大。在一个非同步整流转换器中，整流二极管和冗余二极管功耗的和大约占总功耗的2／3。另一方面，在同步整流转换器中，同步整流器和冗余MOSFET的功耗只占转换器总功耗的1／3。以200W与400W为例，传统非同步整流电源与同步整流电源的功耗和效率的对比。从中可以看出，400W的同步整流电源的功率损耗近似等于200W传统二极管整流电源的功率损耗。因此，同样是128.6mm×40.3mm×169.6 mm的机架，同步整流电源的输出功率是传统二极管整流电源输出功率的两倍。
2.2用于SR的智能同步整流（SmartRectifier™）技术
同步整流无需散热器，只需6个元器件.其图5(a)为IR1167芯片引脚与应用(反激型电流实例示意图)
2.2.1 IR 1167简介
IR1167是一片智能同步整流芯片，用于反激型电源中次级电路N沟道开关管同步整流的控制IR1167可以控制一个或多个并联的整流开关管，从而取代肖特基二级管。
该芯片的工作机理是通过检测整流开关管的漏源电压，选择合适时机，让同步整流开关管开通和关断。以下是管脚定义。
Vcc-供电电压；OVT-偏置电压调整；MOT为最小导通时间；EN-使能端；VD-FET漏极控制；VS-FET源极控制；GND-地;GATE-栅极驱动输出。
2.2.2 简单 、高效的同步整流IR1167芯片特征
与电流互感器相比，系统效率提高1％；在典型系统中，元件数目从22减少到6；降低MOSFET温度达10℃；无需电流互感器；直接连接及驱动所有30-200V MOSFET；准确、迅速，驱动能力达7A，工作频率高达500kHz；可在各种模式下工作(连续、 临界、断续)；“无散热片”的同步整流设计. 采用先迸的高压IC技术(200V高压工艺);用于控制次级同步整流，它利用“电平检测”技术，完全不依赖初级.
2.2.3 IR 1167同步整流控制过程
如图5(a)所示，当初级电路M1关断，因为M2尚未开通，次级电路中的电流通过M2的寄生二极 (类似于利用整流二极管整流的情况)。
智能整流控制技术的关键是检测整流开关管源极到漏极的电压开关管，通过比较二个电平阀值决定何时开通与关闭整流开关。当-VDS上升到VTH2时开通开关管，当-VDS下降到VTH时关闭开关管，. 图5(b)为IR1167智能整流的三个电压阀值示意图。
开关管导通后源极到漏极电压下降到R DSON ·ID，而且此时变压器漏感和初级开关管输出电容之间会产生寄生震荡，导致整流开关管上有电压振铃而会使VDS电平下降到VTHl，可能导致误关断。所以IR1167芯片内部采用专用逻辑电路(MOT和fblank)防止抖动引起的误关断和导通。
*关于反激型电源断续及连续操作模式
可以根据不同的模式(断续、连续和临界)设定IR 1167参数，控制同步整流开关 管，以仿效二极管整流在不同模式下所起的效果。通过漏极到源极的电压检测流过开关管的电流，与如图5(b)所示3个阙值电平相比较，在连续模式(CCM)， 断续模式(DCM)和临界模式(CrCM)采取相应的动作。
开通同步整流开关管在几种模式中都是相同的，主要区别在于关断同步整流开关管的时刻。现对开通过程作简介：
*开通过程
初级开关关断后，电流转移到次级的同步整流开关管的寄生二极管(此时开关管尚未开通)，这将产生一个较高的负向VDS开通电压(远高于因电流流过导通电阻产生的 压降)。此负向电压将会达到IR1167开通比较电平阙值VTH2，使同步整流开关管开通，电流流过开关管导通沟道，开通VDS压降下降。伴随这个压降下降过程的是一些电压抖动，这可能使得开关管-VDS下降到VTHl使开关管再次关断，所以IR1167芯片加入最小导通时间来防止误关断。这个最小导通时间可通过一个外部电阻设定。
同时，这个可编程的最小导通时间(MOT)限制了次级最小占空比，相当于限制了初级的最大占空比。
MOT和消隐时间在一个开关周期只出现一次， 当-VDS达到VTH3时IR 1167复位，为下一个开关周期作好准备。
*关于开关管关断
同步整流开关管开通以后，由于整流过程中的电流逐步减小，VDS绝对值也会减小，当减小刭VTHl时， 开关管关断。不同的模式关断情况也不同。
2.2.4 IR 1167 的应用
其应用领域包括利用反激型电路或谐振桥式电路的笔记本型电脑电源适配器、液晶显示器电源、迷你电脑、PDP电视及游戏电源。智能整流器为各类电源次级同步整流提供了简单、高效的解决方案。应用在120W笔记本型电脑电源适配器中，提高1％的效率，降低10℃温度，减少75％同步整流元件，同步整流系统成本降低20％。
3 结束语
同步整流电源能够在很大程度上降低功耗和提高效率。定量分析部分阐明了在相同的机架内，先进的同步整流电源的功率是传统非同步电源功率的两倍。SC4910与IR1167的先进性能相对来说比较容易实现同步整流，并且它的电流均流功能满足电源电流共享要求。
众所周知，电源在计算机、工业和电信领域的应用已经得到了认可。为了优化系统应用，电源均采用了标准的工业机械结构和高性能连接技术。然而，传统的电源沿用的是传统的二极管整流技术，应用时会造成很大的功率损耗并且限制了可用输出功率。为此将应用新型的同步整流技术，即次级同步整流并带有输出电流匀流功能的集成控制器与智能整流（SmartRectifier™）IC，使其电源在效率和性能方面都有了很大的提高。值此，将二类同步整流技术的特征与应用作分析说明，于是首先对有关同步整流技术的基本状况作介绍。
1 何谓同步整流与同步整流控制
1.1 同步整流
一个N沟道功率MOSFET管的电路图形符号，它有三个极：D(漏极)、S(源极)和G(栅极)。D、S间有一个反并联二极管，还有输出结电容。功率MOSFET管作为开关使用时，驱动信号加在栅极和源极(GS)间，作为同步整流使用时虽然DS间仍类似一个开关管，但其驱动方式有自驱动和外驱动两种，为了实现同步，自驱动同步整流MOSFET管驱动信号加在栅极和漏极(GS)间。下面举一个例子，说明自驱动同步整流原理。图1表示一个正弦半波整流电路，用自驱动同步整流（SR）代替二极管D。漏极接在变压器输出同名端，栅极通过电阻R1(以防CD间电压过高)接在变压器输出的另一端。当同名端为高电位时，G为低电位，SR阻断。当同名端为低电位时，G为高位，SR开通，于是负载Ro上得到正弦半波电压，实现了整流。
图1(a)中利用变压器实现功率MOSFET管栅极驱动信号与DS极间开关同步，这种整流方式称为同步整流(SR)的原因源于此，又称为反驰式转换器整流方案.自驱动方式也比较简单，而其缺点是：开关变换器输出电路接入SR，栅极驱动电压VG未必是常数，与占空比D及输入电压Vs′有关。当占空比D及输入电压变化范围较广时，VG或太大，或太小，使SR损耗也增大。
用外驱动方式时，栅极驱动电压VG作为开关管一样；加在MOSFET管的栅源(GS)极间。它的缺点是：需要控制检测、定时逻辑、同步变压器、以及高速驱动电路等，比较复杂，价格贵，开发周期长，一定程度上限制了外驱动同步整流的广泛应用。现在人们正努力改进作为SR的功率MOSFET管的性能参数，使之适用于开关频率为1-10MHz的DC-DC变换器的整流电路。作为SR的MOSFET管，从器件设计角度考虑，有三项关键参数：损耗、体内二极管恢复时间trr及击穿电压。
而作为AC-DC反驰式转换器整流方案的选择，就在于简单的整流二极管和使用MOSFET的复杂“电流互感器”及同步整流（SR）解决方案之间(见图1(a)所示)。从系统考虑，如效率、尺寸、成本与设计的复杂性来看，意味着过去整流二极管(见图1(b)所示)是仅用于90W-120W的中低功率系统，而如今SR技术则可用于高功率系统之中。
1.2 传统与新型同步整流控制之区别
图2(a)为传统同步整流控制“电流变压器”方案，其特征是：设计复杂；需要额外电流传感器对极性检测；低效率设计。图2(b)为新型同步整流控制方案，其特征是：设计简单、准确、直接“电压水平检测”、高效率。
2 新型同步整流解决方案
2.1 次级同步整流与均流的集成控制器解决方案
2.1.1 问题的提出
最近几年，功率MOSFET的性能得到了显著提高，而这类器件的价格降低很快。由于MOSFET的开态电阻变得很低，在许多低输出电压应用电路里都利用了同步整流技术。为了提高电源的效率，设计者除了采用同步整流技术外别无选择。和购买其它类型的电源一样，用户总是想买到较新的并且在现有机架(如128.6mm×40.3mm×169.6 mm) 内功率更大的电源。而此类机架3U电源只能提供200W输出功率，如果电源的效率可以提高到85％到87％，理论上，在同样的机架内就可以装配400W输出功率的电源。而图3给出了采用同步整流技术的电源的电路方块图。
2.1.2同步整流控制器SC4910的应用(图3a为SC4910引脚图)
从图3(b)可以看出，每处都用功率MOSFET代替了传统肖特基二极管。每个输出的次级都接了一个次级同步整流控制器SC4910，它不仅用来控制次级同步整流MOSFET，还可以通过一个栅极驱动隔离变压器来控制原级MOSFET。该次级控制器使控制系统负载和实现次级同步整流器以及负载均流非常简单。
用+5V转换器作为例子，看一下电流均流电路是如何工作的。图4中：
*当+5V转换器的多个输出端并联时，每个+5V转换器的电流共享引脚(1share)也要接在一起。这会使每个+5V转换器的控制芯片(SC4910)得到相同的ISHARE电压。
*因为每个转换器都采用电流模式控制，所以当每个+5V转换器的Vea(见图4)相同时，它们的次级输出电感会有相同的峰值电流。所以Vea值代表每个+5V转换器上输出电感的峰值电压。
*如果某一个+5V转换器(转换器1)的电流大于另一个+5V转换器(转换器2)的电流，转换器1的Vea将会大于转换器2的Vea。此时转换器1的Vss(见图4a)就会下降，从而降低它的Vea直到它等于转换器2的Vea。
*如果转换器1失效，转换器2的Ishare电压将会重新调整到一个新的电平以启动其正常工作，并且和其它运行的转换器共享电流。
*由于峰值主开关电流用于电流模式控制和电流均流控制，所以不需要用检测电阻检测次级电感平均电流。
*由于这样的电流均流电路主要利用每个转换器次级输出电感上的峰值电流来控制电感上的平均电流(=转换器输出电流)，每个转换器输出电感值之间的误差会造成每个转换器输出电流的误差。实验结果显示重载时均流误差一般在3％到7％之内。
2.1.3 功率损耗比较
再看一下一个200W 的传统电源的功率损耗和用SC4910实现同步整流的同样一个200W 电源的功率损耗。+5V和+3.3V转换器都设计为典型40A最大负载，而+12V转换器设计为典型7A最大负载。
*定量损耗分析
对传统二极管整流电源(Non Syn)和同步整流电源作定量损耗分析。从传统二极管整流和同步整流所选择的一些功率器件。将会发现同步整流转换器的功率损耗比传统二极管整流转换器的要低很多。因为传统+5V转换器光在整流和冗余二极管上的损耗要比同样的采用同步整流和冗余MOSFET的转换器上的总损耗还要大。在一个非同步整流转换器中，整流二极管和冗余二极管功耗的和大约占总功耗的2／3。另一方面，在同步整流转换器中，同步整流器和冗余MOSFET的功耗只占转换器总功耗的1／3。以200W与400W为例，传统非同步整流电源与同步整流电源的功耗和效率的对比。从中可以看出，400W的同步整流电源的功率损耗近似等于200W传统二极管整流电源的功率损耗。因此，同样是128.6mm×40.3mm×169.6 mm的机架，同步整流电源的输出功率是传统二极管整流电源输出功率的两倍。
2.2用于SR的智能同步整流（SmartRectifier™）技术
同步整流无需散热器，只需6个元器件.其图5(a)为IR1167芯片引脚与应用(反激型电流实例示意图)
2.2.1 IR 1167简介
IR1167是一片智能同步整流芯片，用于反激型电源中次级电路N沟道开关管同步整流的控制IR1167可以控制一个或多个并联的整流开关管，从而取代肖特基二级管。
该芯片的工作机理是通过检测整流开关管的漏源电压，选择合适时机，让同步整流开关管开通和关断。以下是管脚定义。
Vcc-供电电压；OVT-偏置电压调整；MOT为最小导通时间；EN-使能端；VD-FET漏极控制；VS-FET源极控制；GND-地;GATE-栅极驱动输出。
2.2.2 简单 、高效的同步整流IR1167芯片特征
与电流互感器相比，系统效率提高1％；在典型系统中，元件数目从22减少到6；降低MOSFET温度达10℃；无需电流互感器；直接连接及驱动所有30-200V MOSFET；准确、迅速，驱动能力达7A，工作频率高达500kHz；可在各种模式下工作(连续、 临界、断续)；“无散热片”的同步整流设计. 采用先迸的高压IC技术(200V高压工艺);用于控制次级同步整流，它利用“电平检测”技术，完全不依赖初级.
2.2.3 IR 1167同步整流控制过程
如图5(a)所示，当初级电路M1关断，因为M2尚未开通，次级电路中的电流通过M2的寄生二极 (类似于利用整流二极管整流的情况)。
智能整流控制技术的关键是检测整流开关管源极到漏极的电压开关管，通过比较二个电平阀值决定何时开通与关闭整流开关。当-VDS上升到VTH2时开通开关管，当-VDS下降到VTH时关闭开关管，. 图5(b)为IR1167智能整流的三个电压阀值示意图。
开关管导通后源极到漏极电压下降到R DSON ·ID，而且此时变压器漏感和初级开关管输出电容之间会产生寄生震荡，导致整流开关管上有电压振铃而会使VDS电平下降到VTHl，可能导致误关断。所以IR1167芯片内部采用专用逻辑电路(MOT和fblank)防止抖动引起的误关断和导通。
*关于反激型电源断续及连续操作模式
可以根据不同的模式(断续、连续和临界)设定IR 1167参数，控制同步整流开关 管，以仿效二极管整流在不同模式下所起的效果。通过漏极到源极的电压检测流过开关管的电流，与如图5(b)所示3个阙值电平相比较，在连续模式(CCM)， 断续模式(DCM)和临界模式(CrCM)采取相应的动作。
开通同步整流开关管在几种模式中都是相同的，主要区别在于关断同步整流开关管的时刻。现对开通过程作简介：
*开通过程
初级开关关断后，电流转移到次级的同步整流开关管的寄生二极管(此时开关管尚未开通)，这将产生一个较高的负向VDS开通电压(远高于因电流流过导通电阻产生的 压降)。此负向电压将会达到IR1167开通比较电平阙值VTH2，使同步整流开关管开通，电流流过开关管导通沟道，开通VDS压降下降。伴随这个压降下降过程的是一些电压抖动，这可能使得开关管-VDS下降到VTHl使开关管再次关断，所以IR1167芯片加入最小导通时间来防止误关断。这个最小导通时间可通过一个外部电阻设定。
同时，这个可编程的最小导通时间(MOT)限制了次级最小占空比，相当于限制了初级的最大占空比。
MOT和消隐时间在一个开关周期只出现一次， 当-VDS达到VTH3时IR 1167复位，为下一个开关周期作好准备。
*关于开关管关断
同步整流开关管开通以后，由于整流过程中的电流逐步减小，VDS绝对值也会减小，当减小刭VTHl时， 开关管关断。不同的模式关断情况也不同。
2.2.4 IR 1167 的应用
其应用领域包括利用反激型电路或谐振桥式电路的笔记本型电脑电源适配器、液晶显示器电源、迷你电脑、PDP电视及游戏电源。智能整流器为各类电源次级同步整流提供了简单、高效的解决方案。应用在120W笔记本型电脑电源适配器中，提高1％的效率，降低10℃温度，减少75％同步整流元件，同步整流系统成本降低20％。
3 结束语
同步整流电源能够在很大程度上降低功耗和提高效率。定量分析部分阐明了在相同的机架内，先进的同步整流电源的功率是传统非同步电源功率的两倍。SC4910与IR1167的先进性能相对来说比较容易实现同步整流，并且它的电流均流功能满足电源电流共享要求。
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