单端反激有源钳位和同步整流技术研究

桑 泉,涂俊杰,许育林

(北方通用电子集团第214研究所,江苏 苏州 215163)



单端反激有源钳位和同步整流技术研究

桑 泉*,涂俊杰,许育林

(北方通用电子集团第214研究所,江苏 苏州 215163)

有源钳位技术通常只在正激DC/DC功率电源拓扑结构中。现介绍有源钳位和同步整流技术在反激拓扑结构中的应用及研究。通过有源钳位和同步整流应用到反激式拓扑中的原理设计技术,以及厚膜和模块立体混装技术,以达到电源高效率和高功率密度的目的。通过5 V/20 W电源样品设计和组装以及模拟试验,电源样品功率密度达50.8 W/inch3,效率为89.2%,纹波为43 mV。试验样品证明反激式有源钳位和同步整流技术是提高中小功率隔离电源功率密度的最有效技术途径。

电源技术;反激有源钳位;同步整流;功率密度

在隔离DC/DC电源常规拓扑中,主功率开关管约占总损耗40%,输出整流器约占总损耗45%,变压器等磁性元件损耗约占总损耗的10%,其它部分的损耗约占5%。可见,主开关管的损耗和输出整流器的损耗占比例之和就为总损耗的85%。常规输出整流器是肖特基功率二极管,在电源输出大电流时,就有较大的前向压降,从而功率损耗较大。为解决输出整流器损耗大的问题,业界提出同步整流这一概念。应用有源钳位技术后,主开关管降低了关断电压尖峰和导通尖峰,从而降低了主开关管的功率损耗。反激拓扑中只有一个输出整流管和多个输出电容,和其它拓扑比较是元器件最少的一种拓扑,所以研究和探讨反激式有源钳位和同步整流技术对提高DC/DC开关电源功率密度具有重要意义。

1 同步整流概念

所谓同步整流是指开关MOSFET管和整流二极管开关同步。当整流二极管正向开启时,开关MOSFET管也由同步驱动信号驱动开启;当整流二极管反向关闭时,开关MOSFET管也由同步驱动信号驱动关闭[8]。因同步开关MOSFET管导通

电阻小到几个mΩ,10 A的电流流过时,也只有小于0.1 V的正向压降,和肖特基二极管压降0.5 V左右比,具有较小的正向压降,大大降低了整流器的功率损耗,从而提高了电源转换的总效率[1]。反激同步整流示意图如图1所示。

图1 反激同步整流示意图

2 有源钳位概念

图3 反激式有源钳位和同步整流芯片驱动方式

有源钳位拓扑结构是在开关电源主开关管漏极端连接一个几十nF的高压小电容,电容再通过小功率MOSFET开关管连接到输入电源上或输入电源地线上[5]。当电源工作,主开关管导通后关断时,漏极关断瞬间,关断波形的瞬间尖峰和高次谐波通过电容藕合到电源上,达到开关管漏极电压钳位的目的,使主开关管关断损耗减到最小,从而降低开关电源主开关管的功率损耗[1]。有源钳位拓扑示意图如图2所示。

图2 有源钳位拓扑示意图

3 同步整流驱动方式

3.1 同步整流次边芯片驱动方式

同步整流次边芯片驱动方式如图3所示。

图3中,原边是有源钳位驱动方式。次边N1是同步整流芯片IR1167AS,V2是同步整流开关管,T1是反激式功率主变压器。芯片IR1167AS的VD和VS脚是同步信号选取输入端,能反应1 mV的电压变化。IR1167AS的供电电路由图中的变压器绕组3、V3、R7、C1、R8构成。绕组3和绕组1的匝比为1∶1,R8和IR1167AS内部电压调节器,形成VCC供电电压为12 V～18 V,R8设计为2 kΩ,保证IR1167AS最低供电电流为2 mA。通过一电阻R5可编程设计最小开通时间,tmin=190 ns～3.6 μs。OVT脚接GND,此方式在输出电流连续模式、临界模式和断续模式都能稳定工作。通过设置OVT端接GND,设计VD和VS之间的关断电压电平约-3.5 mV[2]。

3.2 同步整流次边电流传感驱动方式

同步整流次边电流传感驱动方式如图4所示。

图4 反激式有源钳位同步整流电流传感驱动

图4中,T2为电流传感器,初级采用1匝,次级采用n匝,T2次级匝数确定次级峰值电流。当反激输出为临界模式时,T2初级电流峰值等于3Io/(1-D),D为主开关导通占空比,Io为输出平均电流。则次级峰值电流等于3Io/n(1-D)。次级峰值电流和采样电阻之积等于0.7 V时,同步整流触发开启。采样电阻一般取10 Ω左右。图中,则次级峰值电流为70 mA时,同步整流开启。如果设计输出平均电流为Io=500 mA时,同步整流开启,占空比假设为20%,那么初级峰值电流为1 875 mA左右,T2次级匝数n就等于27左右[4]。

4 反激有源钳位和同步整流设计实例

4.1 电路原理设计和计算

拟设计一款隔离DC/DC开关电源,要求输入电压范围:18 V～36 V;输出5 V/4 A;典型输出转换效率为90%;典型输出纹波50 mV(20 MHz带宽);外形标称尺寸为31.8 mm×20.3 mm×10.2 mm。功率密度达50 W/inch3。

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采用常规反激拓扑或正激拓扑,效率和功率密度都达不到指标要求。设计采用反激有源钳位加同步整流拓扑结构,同步整流驱动信号采用电流传感触发方式,电路拓扑示意图见图5所示。

图5中,有源钳位控制器采用LM5026有源钳位控制芯片。T1、V9、V10和控制器构成反激式有源钳位拓扑;R4,R5构成最大占空比控制电路;RT为驱动重叠时间可编程电阻;T3构成输入电流检测电路;T2构成同步整流驱动信号触发电路;V3、V4构成同步整流开关电路。

首先,进行反激变压器T1选型设计。输入电压16 V～40 V;效率按70%;输入功率Pi就是28.6 W;输出功率Po就是20 W;开关频率设定380 kHz;ΔB=0.10 T;电流密度J=9 A/mm2;PST/K为电压平均值时的变压器容量;D为最大占空比取0.5;Ae×Aw为磁芯有效截面积和窗口有效截面积之积;Kw为窗口系数。计算公式如下[2]:

PST/K=(Pi+Po)×D=48.6×0.5=24.3

Ae×Aw=(PST/K)×(106)/f×ΔB×J×Kw)

=24.3×106/380×103/0.10/9/0.8=88.8 mm2

自定制磁芯EIR14.5/5/4.9-A100的Ae×Aw=19.625×5.77=113.2 mm2(磁芯长14.5 mm,宽5 mm,高度4.9 mm),113.2 mm2大于88.8 mm2,所以自制磁芯满足变压器功率容量。

其次,进行反激式变压器T1参数计算。磁芯选EIR14.5/5/4.9-A100,最大输出功率按22 W计算,最大占空比为0.5,频率按380 kHz。

原边电流(峰峰值)IPK:[3]

最大占空比Dmax预设为0.5,最大输出功率PO设为22 W。

初级电感量Lp:

验证

=21.9 W

大于输出的20 W,可行。

初级圈数Np:(AL取100 nH)

次级圈数Ns1:

计算(5.3×0.5/18×0.5)×(7)=2.06匝;Ns1取2匝。次级供电绕组Ns2:

由于供电绕组Ns2要提供同步整流驱动电压10 V,因此Ns2取4匝。

设计输入电流检测电路。根据控制器CS脚的关断电压值为0.5 V,选取采样电阻为10 Ω左右,则T3的次边电流峰值设计为0.05 A,根据原边电流峰值最大4.9 A电流,T3原边为0.5匝,次边设计应为50匝,磁芯选择小型铁氧体磁环,电感系数为400 μH以上。初级漆包线直径取0.5 mm左右,次级漆包线直径取0.1 mm左右[6]。

设计同步整流驱动信号触发电路的变压器T2。图5中,取样电阻R1取20 Ω,取样开启电压0.7 V左右,则取样峰值电流为35 mA。设定原边峰值电流1 A时,同步整流开启。则匝比n为29,初级为1匝时,次级匝数约为29匝。初级漆包线直径取0.5 mm左右,次级漆包线直径取0.1 mm左右[7]。电路原理图如图5所示[9-10]。

4.2 电路模拟试验波形

在典型输入24 V的情况下,V9的漏极波形图见图6。V9的漏极波形图是有源钳位漏极波形,有源钳位开关管V10防止V9的漏极关断反激电压过高,降低了V9漏极的电压应力,提高了电路可靠性。

图5中变压器T1副边3通过整流管V2、R6、C4以及R7、V5构成同步整流供电电压Vc1,电压为直流10 V。在典型输入24 V的情况下,Vc1电压波形见图7。

图7 Vc1供电电压波形图(Vg驱动波形在通道2上;V3d波形在通道1上)

在典型输入24 V的情况下,V3的漏极波形和V3的栅极驱动波形如图8所示。Vc2波形为电流传感器T2感应电压波形,见图9所示。当V3的漏极开始从源极到漏极过电流开始时刻,Vc2波形就由低电平开始上升到最大电流峰值,当超过0.6 V左右时,开关管V6和V7导通,V3的栅极驱动电压波形如Vg波形,驱动同步整流管V3开启,从而实现了同步整流功能。

图8 V3d和Vg波形对比图

图9 Vc2电流传感器感应的电压波形图

4.3 产品设计结果

按本文图5电路图设计的试验PCB板,通过模拟测试,测试结果如下:

输入电压24 V;输出5.03 V;输出电流4.1 A;测试输出转换效率为89.2%;20 MHz带宽条件下,典型输出电压纹波噪声为43 mVP-P;功率密度为50.8 W/inch3。

电路样品研制组装过程:主要通过设计多层PCB基板和单层陶瓷基板组装技术。PCB尺寸为29.5 mm×18.0 mm×0.6 mm;PCB双面布板;变压器采用磁芯EIR14.5/5/4.9-A100,磁芯绕组采用13层PCB布线绕组,制作好的变压器外形尺寸为14.5 mm×7 mm×4.9 mm;采用的金属外壳的外形标称

尺寸为31.8 mm×20.3 mm×10.2 mm,底座厚度1.2 mm,侧壁厚0.9 mm。电路结构设计,底层采用厚度0.6 mm的陶瓷基板布板,陶瓷基板流出变压器位置,变压器直接粘到底座上,开关管,整流管布局在陶瓷基板上。PCB板组装后压接在变压器上面,PCB板正面的器件高度不要超过3 mm;PCB背面除变压器位置外,组装的器件和陶瓷基板上器件的总厚度不超过4.3 mm,据此注意器件布局。所有表贴器件采用了微型封装,最后采取平行缝焊气密封装技术。最终试验产品的外形尺寸为31.8 mm×20.3 mm×10.2 mm,公差为±0.2 mm。试验样品的功率密度达50.8 W/inch3,在输出为20 W左右的DC/DC电源中,算属于高功率密度。

5 总结

本文介绍单端反激有源钳位和同步整流电源设计技术、试验结果和样品加工研制过程。反激式DC/DC电源采用有源钳位和同步整流技术,成本增高了,调试复杂,只有DC/DC电源设计高要求的情况下才加以应用。有源钳位和同步整流设计应用时,不光电路原理设计正确就可以了,需要在版图布版布局合理,版图电磁兼容性设计合理的情况下,认真调试,才能最终成功。通过本电路的理论分析和试验数据可知,单端反激式电源增加有源钳位和同步整流技术,虽然成本增加了,但提高了电源转换效率拓扑,降低了输出电压纹波噪声,提高了集成度和功率密度,同时提高了DC/DC电源的可靠性,对DC/DC电源设计技术具有较好的促进和补充作用。

[1]何希才. 新型开关电源设计与应用[M]. 北京:科学出版社,2001:151-158.

[2]黄济青. 通信高频开关电源[M]. 北京:机械工业出版社,2004:26-31.

[3]Marty Brown. 开关电源设计指南[M]. 徐德鸿,沈旭,杨成林,等译. 北京机械工业出版社,2005.

[4]谢小高,张军明,钱照明. 基于新型同步整流驱动方案的绿色电源[J]. 电工技术学报,2007,22(3):96-101.

[6]陈小敏,黄声华,万山明. 基于UC3843的反激式开关电源反馈电路的设计[J]. 电源技术应,2006,23(5):38-39.

[7]陈懿,童朝南,韩建军. 采用UC3844的反激式开关电源反馈回路的改进与设计[J]. 电子技术应用,2008(6):74-77.

[8]Marcos Prudente,LucianoLPfitscher,Gustavo Emmendoerfer,EduardoFRomaneli,Roger Gules. VoltageMultiplier Cells Applied to Non-Isolated DC-DC Converts[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2008,23(2):871-887.

[9]Wang Dong,He Xiangning,Zhao Rongxiang. ZVT Interleaved Boost Converters with Built-In Voltage Doubler and Current Auto-Balance Characteristic[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2008,23(6):2847-2584.

[10]陈敏,吴金. 采用ZVS条件控制的DC-DC同步整流技术[J]. 电子器件,2004(3):12-14.

桑泉(1971-),男,汉族,安徽省界首市人。中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心高级工程师,电源主任设计师。研究方向为隔离DC/DC开关电源混合集成技术、ZCS/ZVS控制技术等,sq214@163.com;

涂俊杰(1985-),男,河南省信阳市人,助理工程师,研究方向为DC/DC开关电源混合集成技术等,junjie0130@sina.cn;

许育林(1979-),男,湖北省武汉市人,工程师,研究方向为控制系统与设计开发等,xyl4201@126.com。

StudyofActiveClampandSynchronousRectifyingTechniquesinSingleoutofFlybackTopology

SANGQuan*,TUJunjie,XUYulin

(The Research Institute 214 of China North General Electronics Group,Suzhou Jiangsu 215163,China)

The active clamp techniques is usually used in the forwad topology of DC/DC power supply. Study of active clamp and synchronous rectifying techniques in single out of flyback topology is introduced. By means of principle,designing of active clamp and synchronous rectifying techniques apply to single out of flyback topology,mixed assembling techniques of thick flim and modules to achieve the purpose of high efficiency and high power density. By the 5 V/20 W power sample machining and simulation testing,power density of the power sample is 50.8 W/inch3,power efficiency of the power sample is 89.2%,nose ripple of the power sample is 43 mV. The power sample proves that this techniques is efficient apptoaches to increase the power density of isolation DC/DC power supply.

power supply technology;flyback active clamp techniques;synchronous rectifying;power density

2014-07-04修改日期:2014-08-18

TN86

:A

:1005-9490(2014)06-1261-06

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.049