电源适配器同步整流技术与传统技术对比

     微处理器等很多高速数字逻辑电路都需要低电压大电流功率变换器｡随着功率变换器输出电压的降低,整流损耗成为变换器的主要损耗｡为使变换器的转换效率提高,整流损耗必须降低｡采用低导通电阻的 MOSFET进行整流,是提高变换器效率的一种有效途径｡根据MOS-FET的控制特点,同步整流这一新型的整流技术应运而生,实现同步整流功能的 MOSFET称为同步整流器｡ MOSFET不能像二极管那样自动截止反向电流,必须控制MO)SFET的导通和关断｡ MOSFET的导通和关断取决于栅极驱动信号｡因此,必须仔细设计栅极驱动信号的大小和时序,以确保同步整流器正常工作｡按照驱动信号的不同,同步整流器有两种驱动方式:电压驱动方式和电流驱动方式｡电压驱动方式以其结构简单､经济高效而受到人们的广泛关注｡

      现今电源适配器发展的趋势是低电压､大电流,使得在次级整流电路中选用同步整流技术成为一种高效､低损耗的方法｡由于功率 MOSFET的导通电阻很低,能提高电源适配器效率,所以在采用隔离Buck电路的DC/DC变换器中已开始形成产品｡同步整流技术原理示意图如图2-36所示同步整流技术是通过控制功率M()SFET的驱动电路来利用功率MOSFET实现整流功能的技术｡一般驱动频率固定,可达200kHIz以上,门极驱动可以采用交叉耦合( cross-coupled)或外加驱动信号配合死区时间控制实现｡

     同步整流技术出现得较早,但早期的技术很难转换为产品,这是由于当时驱动技术不成熟,可靠性不高｡现在技术已逐步成熟,出现了专用同步整流驱动芯片(如IR1176等)､专用配套的低导通电阻功率MOSFET和可降低MO)SFET并联寄生二极管的导通损耗的肖特基二极管｡在产品设计中,解决分布电感对MO)SFET开关损耗影响的设计图2-36同步(倍流)整技术正在研发中,并已取得进展｡流电路原理示意图

      经过这几年的发展,同步整流技术已经成熟｡由于开发成本的原因,目前只在技术含量较高的电源适配器模块中得到应用｡如SYNQ)R,TYCO, ERICSSO)N等公司都推出了采用同步整流技术的产品｡

      现在的电源适配器模块仍主要应用在电子设备构成的系统中｡随着电子技术的发展,电子设备芯片所需的电压逐步降低,5V和3.3V早已成为主流,正向2.5V､1.5V甚至更低的方向发展｡电子设备的集成度不断提高,分布式电源适配器系统中单机功率不断增加,输出电流从早期的10~20A到现在的30~60A,并有不断增大的趋势｡同时,要求体积要不断减小｡这就为同步整流技术提供了广泛的应用需求。

  1.同步整流技术与传统技术的对比

  在传统的次级整流电路中,肖特基二极管是低电压､大电流应用的首选｡其导通压降大于4V｡但当电源适配器模块的输出电压随着电子技术发展而逐步降低时,采用肖特基二极管的电源适配器模块效率损失惊人｡在输出电压为5V时,效率可达85%左右;在输出电压为3.3V时,效率降为80%;输出电压1.5V时只有65%,应用已不现实｡

  在低输出电压应用中,同步整流技术有明显优势｡功率 MOSFET导通电流能力强,可以达到60A以上｡采用同步整流技术后,次级整流的电压降等于 MOSFET的导通压降,由MOSFET的导通电阻决定,而且控制技术的进步也降低了 MOSFET的开关损耗｡在过去几年中,用于同步整流的 MOSFET的工艺取得了突破性的进展,导通电阻下降到了原来的1/5现在,采用特殊工艺处理的 MOSFET能达到非常低的导通电阻｡如IR公司的产品IRHS- NA57064,当通导电流为45A时,其导通电阻仅为5.6m,并且已批量投放市场同步整流技术提高了次级整流效率,使生产低电压､大电流､小体积的电源适配器模块成为现实如 SYNQOR公司的TERA系列为标准半砖模块(2.3英寸×2.4英寸),采用同步整流技术其输出电压最低可到1.5V,输出电流最大可到60A,功率密度达到每立方英寸60瓦

  2.电源适配器同步整流技术的优势

  同步整流技术提高了电源适配器效率,但其意义远不只如此｡它给电源适配器模块带来了许多新的进步｡下面以 SYNQOR公司的电源适配器模块为例进行介绍｡

  SYNQOR公司采用同步整流技术生产的电源适配器模块,由于降低了功耗,达到了很高的效率(91%)｡由于功耗的降低,在结构上实现了突破性的进步,取消了散热器,采用了无基板结构在传统的电源适配器模块中,基板是标准配置,是提供散热途径的重要部件,用来安装散热器同时,将功率器件集中于基板上,与控制电路板分开,减小了发热元件对控制芯片的影响｡SYNQOR公司的电源适配器模块取消了基板和散热器｡在相同通风条件下,一样能达到所需功率这正是采用同步整流技术的成果｡它有许多显著优点:

  ①由于基板结构复杂,控制电路板､散热器及磁芯元件的安装和焊接都需要人工,增加了故障可能性,降低了生产效率｡基板结构要求功率元件与基板间必须保持良好绝缘,这正是传统电源适配器容易产生故障的地方之

  ②采用同步整流技术后,可以使用无基板开放式结构｡这样,更方便采用平面变压器等新技术,使用多层电路板上的铜箔布线作为线圈,磁芯直接嵌在多层电路板中,磁芯散热良好多层电路板上的铜箔耦合紧密,最主要的是可以由先进加工设备自动化生产,实现了电源适配器模块全部自动化生产,极大地提高了生产效率和可靠性｡平面变压器与传统变压器相比,还能够实现高功率密度,真正达到小型化

③此外,基板结构中要填充绝缘导热材料,增加了重量｡带有基板和散热器的传统电源适配器模块由于体积和重量大,抗震能力差,在电子设备的机架中阻碍空气流通,降低了风扇效能｡而采用同步整流技术的 SYNQOR电源适配器模块是开放式结构,高度仅为10mm(0.4英寸),节约了机架空间,利于通风,方便控制板上其他芯片的散热;更高的功率密度使电源适配器模块节约了在通信控制板上所占的空间;较低的功耗减少了分布式系统前端主电源适配器的负担,节约了系统投资｡

  ④采用同步整流技术后,增强了抗电磁干扰(EMI)的能力｡由于减少了基板,所以原先存在于基板和接地间以及基板和元件间的寄生电容没有了,这些寄生电容带来的较大共模干扰也消失了,提高了电源适配器抗电磁干扰的性能,如图2-37所示｡功率器件同步整流技术符合高效节能的要求,适应新一代芯片电压的要求，有着非常广阔的应用前景。但目前只有较少的公司掌握了该项技术，并且实现的成本也很高，而且还有很多应用领域未得到开拓。随着用于同步整流的 MOSFET批量投入市场，专用驱动芯片的出现，以及控制技术的不断完善，同步整流将成为一种主流电源技术，逐步应用于广泛的工业生产领域。