什么是同步整流器?開關MOSFET較同步整流器在功率電源中的耗散如何?
什么是同步整流?
同步整流是采用通態(tài)電阻極低的專用功率MOSFET,來取代整流二極管以降低整流損耗的一項新技術。它能大大提高DC/DC變換器的效率并且不存在由肖特基勢壘電壓而造成的死區(qū)電壓。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201710/365408.htm同步整流的基本電路結構功率MOSFET屬于電壓控制型器件,它在導通時的伏安特性呈線性關系。
用功率MOSFET做整流器時,要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能,故稱之為同步整流。PS7516和PS7616是鋰電池升壓輸出5V1A,2A的同步整流升壓經(jīng)典IC,F(xiàn)P6717,F(xiàn)P6716也是鋰電池升壓輸出5V3A,5V2A中的佼佼者。
為什么要應用同步整流技術電子技術的發(fā)展,使得電路的工作電壓越來越低、電流越來越大。低電壓工作有利于降低電路的整體功率消耗,但也給電源設計提出了新的難題。開關電源的損耗主要由3部分組成:功率開關管的損耗,高頻變壓器的損耗,輸出端整流管的損耗。在低電壓、大電流輸出的情況下,整流二極管的導通壓降較高,輸出端整流管的損耗尤為突出??旎謴?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/二極管">二極管(FRD)或超快恢復二極管(SRD)可達1.0~1.2V,即使采用低壓降的肖特基二極管(SBD),也會產(chǎn)生大約0.6V的壓降,這就導致整流損耗增大,電源效率降低。
舉例說明,筆記本電腦普遍采用3.3V甚至1.8V或1.5V的供電電壓,所消耗的電流可達20A。此時超快恢復二極管的整流損耗已接近甚至超過電源輸出功率的50%。即使采用肖特基二極管,整流管上的損耗也會達到(18%~40%)PO,占電源總損耗的60%以上。因此,傳統(tǒng)的二極管整流電路已無法滿足實現(xiàn)低電壓、大電流開關電源高效率及小體積的需要,成為制約DC/DC變換器提高效率的瓶頸。
同步整流比之于傳統(tǒng)的肖特基整流技術可以這樣理解:這兩種整流管都可以看成一扇電流通過的門,電流只有通過了這扇門才能供負載使用。傳統(tǒng)的整流技術類似于一扇必須要通過有人大力推才能推開的門,故電流通過這扇門時每次都要巨大努力,出了一身汗,損耗自然也就不少了。
而同步整流技術有點類似我們通過的較高檔場所的感應門了:它看起來是關著的,但你走到它跟前需要通過的時候,它就自己開了,根本不用你自己費大力去推,所以自然就沒有什么損耗了。通過上面這個類比,我們可以知道,同步整流技術就是大大減少了開關電源輸出端的整流損耗,從而提高轉換效率,降低電源本身發(fā)熱。
在大功率電源當中,MOS器件的消耗至關重要。其很有可能關系到電源的整體效率。在之前的文章中,小編為大家介紹了一些功率耗散的方法,在本文中,小編將為大家介紹同步整流器耗散與開關MOSFET的耗散的相關知識。
什么是同步整流器?它的功耗如何?
同步整流器的耗散
對于除最大負載外的所有負載,在開、關過程中,同步整流器的MOSFET的漏源電壓通過捕獲二極管箝制。因此,同步整流器沒有引致開關損耗,使其功率耗散易于計算。需要考慮只是電阻耗散。
最壞情況下?lián)p耗發(fā)生在同步整流器負載系數(shù)最大的情況下,即在輸入電壓為最大值時。通過使用同步整流器的RDS(ON)HOT和負載系數(shù)以及歐姆定律,就可以計算出功率耗散的近似值:
PDSYNCHRONOUSRECTIFIER=[ILOAD2&TImes;RDS(ON)HOT]&TImes;[1》-)]
開關MOSFET的耗散
開關MOSFET電阻損耗的計算與同步整流器的計算相仿,采用其(不同的)負載系數(shù)和RDS(ON)HOT:PDRESISTIVE=[ILOAD2×RDS(ON)HOT]×(VOUT/VIN)
由于它依賴于許多難以定量且通常不在規(guī)格參數(shù)范圍、對開關產(chǎn)生影響的因素,開關MOSFET的開關損耗計算較為困難。在下面的公式中采用粗略的近似值作為評估一個MOSFET的第一步,并在以后在實驗室內(nèi)對其性能進行驗證:PDSWITCHING=(CRSS×VIN2×fSW×ILOAD)/IGATE。
其中CRSS為MOSFET的反向轉換電容(一個性能參數(shù)),fSW為開關頻率,而IGATE為MOSFET的啟動閾值處(柵極充電曲線平直部分的VGS)的MOSFET柵極驅(qū)動的吸收電流和的源極電流。
一旦根據(jù)成本(MOSFET的成本是它所屬于那一代產(chǎn)品的非常重要的功能)將選擇范圍縮小到特定的某一代MOSFET,那一代產(chǎn)品中功率耗散最小的就是具有相等電阻損耗和開關損耗的型號。若采用更?。ǜ欤┑钠骷瑒t電阻損耗的增加幅度大于開關損耗的減小幅度。
而采用更大[RDS(ON)低]的器件中,則開關損耗的增加幅度大于電阻損耗的減小幅度。
如果VIN是變化的,必須同時計算在VIN(MAX)和VIN(MIN)處的開關MOSFET的功率耗散。MOSFET最壞情況下功率耗散將出現(xiàn)在最小或最大輸入電壓處。耗散為兩個函數(shù)的和:在VIN(MIN)(較高的負載系數(shù))處達到最大的電阻耗散,和在VIN(MAX)(由于VIN2的影響)處達到最大的開關耗散。最理想的選擇略等于在VIN極值的耗散,它平衡了VIN范圍內(nèi)的電阻耗散和開關耗散。
如果在VIN(MIN)處的耗散明顯較高,電阻損耗為主。在這種情況下,可以考慮采用較大的開關MOSFET,或并聯(lián)多個以達到較低的RDS(ON)值。但如果在VIN(MAX)處的耗散明顯較高,則可以考慮減小開關MOSFET的尺寸(如果采用多個器件,或者可以去掉MOSFET)以使其可以更快地開關。
如果所述電阻和開關損耗平衡但還是太高,有幾個處理方式:
改變題目設定。例如,重新設定輸入電壓范圍;改變開關頻率,可以降低開關損耗,且可能使更大、更低的RDS(ON)值的開關MOSFET成為可能;增大柵極驅(qū)動電流,降低開關損耗。MOSFET自身最終限制了柵極驅(qū)動電流的內(nèi)部柵極電阻,實際上局限了這一方案;采用可以更快同時開關并具有更低RDS(ON)值和更低的柵極電阻的改進的MOSFET技術。
由于元器件選擇數(shù)量范圍所限,超出某一特定點對MOSFET尺寸進行精確調(diào)整也許不太可能,其底線在于MOSFET在最壞情況下的功率必須得以耗散。
本文主要為大家介紹了在大功率電源當中MOS器件耗散的兩種方式。通過對這兩種方式的講解,詳細大家都能夠?qū)ζ渲械囊恍╆P鍵點理解透徹。
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