通过简单设计优化同步整流直流-直流转换器的效率和电压尖峰

《通过简单设计优化同步整流直流-直流转换器的效率和电压尖峰》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、通过简单设计优化同步整流直流-直流转换器的效率和电压尖峰1.摘要日益提高的封装密度和越来越严格的能效标准（80PLUS®[1]），要求逐渐将开关电源（SMPS）的能效提高至90%以上。隔离式电源转换器的次级二极管整流产生的二极管正向损耗是主要损耗之一。因此，只有利用先进的功率只有利用最新技术的MOSFET来作为执行同步整流（SR），才可能实现更很高的能效。但是这种方法在低可以在更高开关损耗造成的轻输出负载时由于较高的开关损耗会造成的低效率，而在效率提高的同时会引起与提高效率但高压过冲超出同步整流MOSFET（以下简称SRMOSFE

2、T）的最高额定电压，因此这需要之间作出折衷。本文提出了可用于优化系统的总体能效和降低过冲电压的易于实现的设计方法，以便加快SMPS设计过程。2.引言开关电源通常借助功率二极管来实现次级端的整流级。但是，功率二极管在可流过产生较高输出电流同时，也并且会产生0.5V甚至更高的正向压降，因而会造成严重的导通传导损耗。可以利用导通电阻仅为几毫欧姆的先进功率可以利用导通电阻仅为几毫欧姆的新技术的MOSFET来降低这些损耗。采用先进的功率MOSFET能够提高系统的总体能效，特别是在电流较高的情况下。通过仔细比较这两种不同的整流方法，我们发现，

3、由MOSFET来替代功率二极管，可能造成诸如轻输出负载时的低效率或关断时的高过冲电压等问题。这是因为MOSFET的结开关电容通常比二极管的高[4]。为了克服这个缺点，必须对如何最优RDS(on)进行详尽的分析。另一个重要问题是，SRSRMOSFET的栅极时间控制定时。这个参数对电源转换器的能效和过电压尖峰有显著影响。要充分利用最新的半导体技术优势，选择适当的封装也至关重要。无引脚SMD封装可以降低封装的寄生电阻和电感，从而有助于提高能效和动态性能。3.选择最优RDS(on)要在为特定MOSFET技术中选择最优RDS(on)，从而使

4、其实现最优效率，必须找到开关损耗与传导损耗之间的最佳平衡点。在另一篇文章论文中探讨了这两种损耗的计算方法[2]。当输出负载较低时，传导损耗的影响微乎其微，而开关损耗则是主要的影响因素。随着输出负载的提高，二者之间的关系便颠倒过来，传导损耗成为主要影响因素损耗。为了便于计算特定SRSRMOSFET解决方案的最优RDS(on)取值范围，我们专门开发了一个模型，并由此提出了一个MOSFET参数——FOM（优值系数）。FOM表明了MOSFET在系统中的性能，例如FOMQg或FOMQoss。FOM表示预期的栅极驱动损耗，或表示输出电容造成的

5、损耗。由于MOSFET的电容与RDS(on)成反比，因此，FOM在特定MOSFET技术下的整个RDS(on)等级取值范围内保持不变。只要知道开关频率fsw、栅极驱动电压Vg、次级变压器电压VT、FOMQg和FOMQoss，就能计算出给定MOSFET电流IRMS时的最优RDS(on)。首先必须确定下列FOM：等式1等式2始终必须计算出相应电压时的电荷，也就是说，次级变压器电压VT时的Qoss和栅极驱动电压Vg时的Qg。用于计算功率损耗的所有公式，均可通过引入常数项，由MOSFET的RDS(on)表示。等式3等式4等式5可以为上面列出

6、的每个公式，确定下列常数项：等式6等式7等式8现在，可以计算出总的功率损耗：等式9通过计算这个公式的导数，便可得出最优RDS(on)。等式10等式11要在整个负载范围内实现均衡的效率，必须对MOSFET电流做出合理的选择。采用满负载优化，可以在输出电流较高时实现良好的效率。但是，当负载较低时，这种方法会大大降低效率，并且所需并联MOSFET的数量将多得不能接受。因此，必须找到最优MOSFET电流，以在整个输出电流范围内实现相对均衡恒定的效率值。为阐明这个问题，图1显示了不同优化方法得到的效率。图中所示效率曲线为，当变压器电压为40

7、V、栅极驱动电压为10V、开关频率为100kHz时，计算得到的12V同步整流级的效率。以75VSRMOSFET解决方案为例，计算10AMOSFET电流时的最优RDS(on)，能够在低电流时实现很高的效率，而在高电流时效率却极低。如果实现50A优化，低电流时的效率将低得不能接受，但在满负载时可以达到最高效率。因此，对该应用而言，最佳的办法是针对20A进行优化，以实现均衡的总体能效。图1.不同优化点所计算出来的同步整流级效率。4.优化缓冲网络优化系统性能的另一个途径是，合理选择和设计缓冲网络（图2）。缓冲网络的作用是负责抑制对SRSR

8、MOSFET产生的过冲电压抑制箝位[3]。以一个简单的RC缓冲网络为例，这个其与MOSFET的输出电容并联，的RC串联网络组合会造成了额外的损耗。其原因是，该缓冲电容在每个开关循环都必须进行充电和放电，从而造成开关损耗。等式12图2.RC组合与RC