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电源效率的新突破:LLC 输出的同步整流

发布时间:2012-06-20 来源:Future Electronics

中心议题:
  • 测试电路
  • 实施同步整流可以节省电源
  • LLC 输出的同步整流

随着“整个负载范围内都保持超高的效率”这一要求成为产品规格的一部分,设计工程师在评审 AC/DC 电源拓扑时都将减少能耗作为具体的目标。 图 1显示了一个能提供一流效率的拓扑示例。 本文由 Future Electronics(EMEA) 公司的技术项目经理John Stephens 编著,应广大 IC制造商的要求介绍了如何处理此拓扑中最后剩余的主要能耗部分:输出整流阶段。

先前对此拓扑的增强为交错式临界导通模式 (BCM) 阶段提供了优异的 PFC 控制 IC,而新 LLC 控制 IC 可以实现更高效的设计。目前,LLC 共振转换器的输出整
流阶段的损耗一般会占能耗预算成本的大部分。 为了进一步提高效率,需要使用同步整流。

来自 International Rectifier 和Diodes Inc. 公司的两款 IC 现在已被视为这一问题的潜在解决方案。 在这些设备面市之前,LLC 共振转换器的同步整流技术由于太复杂和难度太高而无法真正实施。共振 LLC 电路中的同步整流技术变为现实对于电压馈送电路,通常为 PWM 或串并联共振拓扑,电源变压器的附加线圈或抽头将足以驱动同步整流电路。

LLC 共振拓扑有所不同:由于它采用的是电流馈送式电容器负载结构,因此无法使用电源变压器波形来驱动同步整流电路。 这是因为第二个线圈上的电压在导通期间通过MOSFET 连接到输出,因此会保持线圈电压,直到 MOSFET关闭。

解决这一问题的其中一种方法是感应 MOSFET 周围的电流流动和电压。 这需要以下功能:

▪ 电流感应
▪ 电压感应
▪ 高速逻辑
▪ 高电流栅极驱动

这些感应功能以及其测量值的使用在分立元件中将极其难以实施。 幸运的是,以下两个 IC 可以替设计工程师做这项工作:Diodes Inc. 推出的 ZXGD3103 和 InternationalRectifier 推出的 IR1168。

它们均属于二次端驱动器,可以与用来替换 Schottky 二极管的 MOSFET 密切配合使用。 ZXGD3103 是要求两个 IC 的单一驱动器,而 IR1168 是仅要求一个 IC 的双驱动器。 它们都借助 MOSFET 处的漏源电压的降低来感应电流,但它们的内部工作方式不尽相同。

测试电路

为了评估这些二次端驱动器在 LLC 电源设备的输出整流中节省电源的能力,伦敦的 Future Electronics 实验室依托 Fairchild Semiconductor 开发的评估板建立了一套测试装置。 它是一种 390V 直流输入至 25V 直流输出的共振 LLC电源,能够为负载提供 200W 的电源。为了简化测试装置,仅使用了双 IR1168 的一半。 图 2 显示了满载 (F.L.) 下的波形详图,图 3 显示了 25% 满载下的波形详图。

Ch1 = Vds 反转
Ch4 = Ids 流入 Co
Math = Vgs (Ch2-Ch3)(其中 Ch2 - V dg 和 Ch3 - V ds)
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在这两个图中,令人关注的是快速栅极驱动电压。在探测到寄生二极管在 MOSFET 中的正向压降之后约 200 纳秒内,Q1 打开,减少其电压 (Ch1 - Vds)。 在这两个测试中,Q1 Vds 均高于预期。 这可能由电路电感和示波器的容量造成的。在满载情况下,栅极驱动电压在正弦电流开始减少时下降。这可能是电路的电感和 Q1 TO-220 封装的电感造成的。对布局进行改进并选择低电感的封装应该可以解决此问题。


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同上面一样,图 4 显示了测试电路满载 (F.L.) 下的波形详图,图 5 显示了 25% 满载下的波形详图 (使用 IR1168 设备)。 同 ZXGD3103 一样,IR1168 测试电路揭示了快速栅极驱动电压;在探测到寄生二极管在 MOSFET 中的正向压降之后约 200 纳秒内,Q1 打开,减少其电压 (Ch1 - Vds)。同前面一样,Q1 Vds 高于预期,可能是出于同样的原因。

在满载测试电路中,栅极驱动电压在正弦电流开始减少时早期终止,这可能是由电路的电感和 Q1 TO-220 封装的电感造成的。 与前面使用 ZXGD3103 的测试一样,对布局进行改进、减少阻抗和选择低电感的封装应该可以解决此问题。

实施同步整流可以节省多少电源?

实施同步整流的主要原因是节省电源。下表详细说明了主要相关参数。

对布局进行改进并选择低电感的MOSFET封装后,两个同步整流电路展示了更高的效率;因此,表中所示的 ZXGD3103与 IR1168 电路之间的略微差别不是严重问题。令人清楚的一点是,通过遵照制造商的应用指南,在实施设计不太完美的电路后是有可能大幅度节省电源的。

令人清楚的另一点是,大约在 25% 满载或 以上负载时才开始观察到电源节省效果。 在满载时,Schottky 二极管造成散热器温度升高,以致于需要一个小风扇才能继续工作。相反,同步整流电路中的 MOSFET 可以在不使用散热器的情况下满载工作,而且在这两种情况下,温度升高幅度很小,用手触摸时也不烫手。 这表明,通过消除散热器和风扇,有可能实现大幅度的电源节省。

总之,随着 ZXGD3103 和 IR1168 的面市,在 LLC 电路的输出阶段实施同步整流有望变得切实可行。 这种新技术似乎在 25% 满载至 100% 满载的范围内都可以实现电源节省。
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