提升電源轉(zhuǎn)換效率的自定時電壓檢測同步MOSFET控制方案

標(biāo)簽：電源 諧振轉(zhuǎn)換器 高壓電源 直流電源 MOSFET

現(xiàn)代電子設(shè)備功能越來越多，設(shè)備功能的高功耗對環(huán)境的影響也越來越大。提高電源效率是降低功耗的方法之一。諧振拓撲具有較高效率，很多大功率消費電子產(chǎn)品和計算機都采用了這種電源拓撲，比如：液晶電視、等離子電視和筆記本電腦適配器適配器.恩智浦專業(yè)諧振控制器可以幫助設(shè)計人員打造出高效的諧振電源，不僅在提高能效方面下功夫外，還特別重視電源解決方案的可靠性。

在大屏幕電視中，要求在諧振電源內(nèi)使用表面黏著MOSFET取代帶散熱器的輸出二極管。不過，由于時序復(fù)雜性、成本和現(xiàn)有同步整流器解決方案欠佳的表現(xiàn)，迄今為止，采用這一替代方案的數(shù)量非常有限。本文將揭示自定時電壓檢測同步MOSFET控制方案如何提升電源轉(zhuǎn)換效率。

1 諧振轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點

諧振轉(zhuǎn)換器由直流高壓電源高壓電源又名高壓發(fā)生器，一般是指輸出電壓在五千伏特以上的電源，一般高壓電源的輸出電壓可達幾萬伏，甚至高達幾十萬伏特或更高。(升壓)供電，直流電源通常由前置PFC轉(zhuǎn)換器部分產(chǎn)生。諧振回路(或LLC回路)由電容器電容器　　所謂電容器就是能夠儲存電荷的“容器”。只不過這種“容器”是一種特殊的物質(zhì)——電荷，而且其所存儲的正負電荷等量地分布于兩塊不直接導(dǎo)通的導(dǎo)體板上。至此，我們就可以描述電容器的基本結(jié)構(gòu)：兩塊導(dǎo)體板(通常為金屬板)中間隔以電介質(zhì)，即構(gòu)成電容器的基本模型。

Cr和帶Lr(漏電感)和Lp(勵磁電感)的變壓器變壓器　　變壓器(Transformer)是利用互感原理來改變交流電壓的裝置，主要構(gòu)件是初級線圈、次級線圈和鐵心(磁芯)。在電器設(shè)備和無線電路中，常用作升降電壓、匹配阻抗，安全隔離等。變壓器是變換電壓、電流和阻抗的器件，當(dāng)初級線圈中通有交流電流時，鐵芯(或磁芯)中便產(chǎn)生交流磁通，使次級線圈中感應(yīng)出電壓(或電流)。它由鐵芯(或磁芯)和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。

諧振轉(zhuǎn)換器內(nèi)的半導(dǎo)體開關(guān)具有軟開關(guān)特性，它獨立于負載并降低了峰值電流，因而有可能縮小電源變壓器和散熱器的體積。減少的電磁干擾(EMI)則是另一個優(yōu)點。傳統(tǒng)的硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器往往更容易受寄生電容和漏電感的影響。這種影響表現(xiàn)為高頻振鈴、大電流尖峰和開關(guān)損耗，以及不期望的電磁干擾。如果用在LCD電視內(nèi)，由于液晶面板、電源和音效卡都緊鄰彼此，所以電磁干擾污染會嚴(yán)重影響影像和聲音品質(zhì)。具有ZVS特性的諧振轉(zhuǎn)換器則不會產(chǎn)生此類電磁干擾。在不同諧振拓撲中，對前端DC匯流排轉(zhuǎn)換來說，LLC諧振轉(zhuǎn)換器一直是最有吸引力的拓撲結(jié)構(gòu)。圖1即為該設(shè)計原理。

圖1.帶中心抽頭次級繞組的諧振LLC轉(zhuǎn)換器

使用電容與整合磁性變壓器的磁感和漏感相結(jié)合的方法，在軟開關(guān)部份建構(gòu)了一個復(fù)雜的帶降壓升壓(buck boost)轉(zhuǎn)換特性的諧振槽。 LLC諧振轉(zhuǎn)換器透過調(diào)節(jié)互補初級開關(guān)的開關(guān)頻率來調(diào)整輸入電壓和輸出負載。由于LCD電視電源需遵守IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)，所以在主輸入橋式整流器后采用了主動功率因子校正(PFC)升壓預(yù)調(diào)節(jié)器。

2　如何降低功率損耗

至關(guān)重要的是，因為即使高性能的蕭特基二極管在流過大電流時都會產(chǎn)生較高的正向電壓，所以諧振轉(zhuǎn)換器的輸出整流器是導(dǎo)通損耗的一個重要來源。因此，次級側(cè)同步整流是公認(rèn)的改善傳統(tǒng)二極管整流效率的有效方法。有兩種控制方法可用。

第一種方法是透過同步其閘極驅(qū)動訊號與初級側(cè)MOSFET的閘極驅(qū)動來驅(qū)動同步MOSFET。采用高頻變壓器將初級側(cè)MOSFET的閘極驅(qū)動訊號傳輸?shù)诫娫醋儔浩鞯拇渭墏?cè)。但對工作在寬負載范圍的LLC諧振轉(zhuǎn)換器來說，這種方法難以產(chǎn)生最佳化的次級側(cè)閘極驅(qū)動訊號。這一時序上的不匹配，導(dǎo)致輸出電容在不連續(xù)的整流器電流間歇期放電。由輸出電容放電導(dǎo)致的輸出和電源變壓器之間的無功(reactive power)能流是使轉(zhuǎn)換效率低下的原因。因此，該控制方案僅限于用在為負載變化不大的應(yīng)用設(shè)計諧振轉(zhuǎn)換器。

第二個控制方法是采用取自變壓器次級側(cè)的訊號驅(qū)動同步MOSFET。感測同步MOSFET電流的方法之一是借助一個電流檢測變壓器加上一個分離比較器。然后利用比較器的輸出訊號再透過緩沖電晶體來驅(qū)動次級側(cè)MOSFET。雖然可根據(jù)其目前電流狀態(tài)開/關(guān)MOSFET，這種方法仍受限于很高的電路復(fù)雜性和比較器的時序延遲。最近，IC設(shè)計進步使同步整流出現(xiàn)了從傳統(tǒng)的基于電流變壓器的檢測方法向無損耗漏極電壓感知技術(shù)(如下圖2所示)轉(zhuǎn)移的跡象。

圖2.帶類比閘極驅(qū)動、用于諧振轉(zhuǎn)換器漏極電壓感測的同步控制器

除了將MOSFET次級側(cè)的無功電流損耗降至最低外，這種新技術(shù)還進一步提高了轉(zhuǎn)換效率，同時也由于不再需要電流檢測變壓器，加上拿掉了快速回應(yīng)比較器，因而降低了系統(tǒng)成本。在力求縮小LCD電視體積趨勢的推動下，諧振電源轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點越來越受到電視電源工程師的關(guān)注，因為它們能支援電源半導(dǎo)體元件，使其運作在非常高的開關(guān)頻率，因而有助于電源變壓器和濾波電容的小型化。本文將討論如何利用基于ZXGD3101同步控制器的自定時電壓檢測同步MOSFET控制原理，協(xié)助LCD電視等消費電子產(chǎn)品設(shè)計實現(xiàn)高電源轉(zhuǎn)換效率。