同步整流技術(shù)及其在DC/DC變換器中的應(yīng)用

該電源采用漏－源通態(tài)電阻極低的SI4800型功率MOSFET做整流管，其最大漏－源電壓UDS(max)=30V，最大柵－源電壓UGS(max)=±20V，最大漏極電流為9A（25℃）或7A（70℃），峰值漏極電流可達(dá)40A，最大功耗為2.5W（25℃）或1.6W（70℃）。SI4800的導(dǎo)通時(shí)間tON=13ns（包含導(dǎo)通延遲時(shí)間td(ON)=6ns，上升時(shí)間tR=7ns），關(guān)斷時(shí)間tOFF=34ns（包含關(guān)斷延遲時(shí)間td(OFF)=23ns，下降時(shí)間tF=11ns），跨導(dǎo)gFS=19S。工作溫度范圍是－55～＋150℃。SI4800內(nèi)部有一只續(xù)流二極管VD，反極性地并聯(lián)在漏－源極之間（負(fù)極接D，正極接S），能對(duì)MOSFET功率管起到保護(hù)作用。VD的反向恢復(fù)時(shí)間trr=25ns。

功率MOSFET與雙極型晶體管不同，它的柵極電容CGS較大，在導(dǎo)通之前首先要對(duì)CGS進(jìn)行充電，僅當(dāng)CGS上的電壓超過柵－源開啟電壓〔UGS(th)〕時(shí)，MOSFET才開始導(dǎo)通。對(duì)SI4800而言，UGS(th)≥0.8V。為了保證MOSFET導(dǎo)通，用來對(duì)CGS充電的UGS要比額定值高一些，而且等效柵極電容也比CGS高出許多倍。

SI4800的柵－源電壓（UGS）與總柵極電荷（QG）的關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可知

QG=QGS＋QGD＋QOD（1）

式中：QGS為柵－源極電荷；

QGD為柵－漏極電荷，亦稱米勒（Miller）電容上的電荷；

QOD為米勒電容充滿后的過充電荷。

圖7 SI4800的UGS與QG的關(guān)系曲線

當(dāng)UGS=5V時(shí)，QGS=2.7nC，QGD=5nC，QOD=4.1nC，代入式（1）中不難算出，總柵極電荷QG=11.8nC。

等效柵極電容CEI等于總柵極電荷除以柵－源電壓，即

CEI=QG／UGS（2）

將QG=11.8nC及UGS=5V代入式（2）中，可計(jì)算出等效柵極電容CEI=2.36nF。需要指出，等效柵極電容遠(yuǎn)大于實(shí)際的柵極電容（即CEI>>CGS），因此，應(yīng)按CEI來計(jì)算在規(guī)定時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通所需要的柵極峰值驅(qū)動(dòng)電流IG（PK）。IG（PK）等于總柵極電荷除以導(dǎo)通時(shí)間，即

IG=QG／tON（3）

將QG=11.8nC，tON=13ns代入式（3）中，可計(jì)算出導(dǎo)通時(shí)所需的IG(PK)=0.91A。

同步整流管V2由次級(jí)電壓來驅(qū)動(dòng)，R2為V2的柵極負(fù)載。同步續(xù)流管V1直接由高頻變壓器的復(fù)位電壓來驅(qū)動(dòng)，并且僅在V2截止時(shí)V1才工作。當(dāng)肖特基二極管VD2截止時(shí)，有一部分能量存儲(chǔ)在共模扼流圈L2上。當(dāng)高頻變壓器完成復(fù)位時(shí)，VD2續(xù)流導(dǎo)通，L2中的電能就通過VD2繼續(xù)給負(fù)載供電，維持輸出電壓不變。輔助繞組的輸出經(jīng)過VD1和C4整流濾波后，給光耦合器中的接收管提供偏置電壓。C5為控制端的旁路電容。上電啟動(dòng)和自動(dòng)重啟動(dòng)的時(shí)間由C6決定。

輸出電壓經(jīng)過R10和R11分壓后，與可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器LM431中的2.50V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓，再通過光耦合器PC357去控制DPA424R的占空比，對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。R7、VD3和C3構(gòu)成軟啟動(dòng)電路，可避免在剛接通電源時(shí)輸出電壓發(fā)生過沖現(xiàn)象。剛上電時(shí)，由于C3兩端的電壓不能突變，使得LM431不工作。隨著整流濾波器輸出電壓的升高并通過R7給C3充電，C3上的電壓不斷升高，LM431才轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)。在軟啟動(dòng)過程中，輸出電壓是緩慢升高的，最終達(dá)到3.3V的穩(wěn)定值。

4 結(jié)語

在設(shè)計(jì)低電壓、大電流輸出的DC／DC變換器時(shí)，采用同步整流技術(shù)能顯著提高電源效率。在驅(qū)動(dòng)較大功率的同步整流器時(shí)，要求柵極峰值驅(qū)動(dòng)電流IG(PK)≥1A時(shí)，還可采用CMOS高速功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器，例如Microchip公司開發(fā)的TC4426A～TC4428A。