摘要:本文介紹了同步整流技術(shù)(Synchronous Rectifier Technology)在通信電源模塊中的應(yīng)用,與傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了對比,結(jié)合實例具體分析了同步整流技術(shù)在實際產(chǎn)品應(yīng)用中的技術(shù)優(yōu)勢和發(fā)展前景.
關(guān)鍵詞: 同步整流;效率;基板結(jié)構(gòu)
同步整流技術(shù)概述
現(xiàn)今電力電子技術(shù)在電源模塊中發(fā)展的趨勢是低電壓、大電流.使得在次級整流電路中選用同步整流技術(shù)成為一種高效、低損耗的方法.由于功率MOSFET的導(dǎo)通電阻很低,能提高電源效率,所以在采用隔離Buck電路的DC/DC變換器中已開始形成產(chǎn)品.同步整流技術(shù)原理示意圖見圖1.
同步整流技術(shù)是通過控制功率MOSFET的驅(qū)動電路,來利用功率MOSFET實現(xiàn)整流功能的技術(shù).一般驅(qū)動頻率固定,可達(dá)200kHz以上,門極驅(qū)動可以采用交叉耦合(Cross-coupled)或外加驅(qū)動信號配合死區(qū)時間控制實現(xiàn).
同步整流技術(shù)的應(yīng)用
同步整流技術(shù)出現(xiàn)較早,但早期的技術(shù)很難轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品,這是由于當(dāng)時
1)驅(qū)動技術(shù)不成熟,可靠性不高,現(xiàn)在技術(shù)已逐步成熟,出現(xiàn)了專用同步整流驅(qū)動芯片,如IR1176等;
2)專用配套的低導(dǎo)通電阻功率MOSFET還未投放市場;
3)還未采用MOSFET并聯(lián)肖特基二極管以降低寄生二極管的導(dǎo)通損耗;
4)在產(chǎn)品設(shè)計中沒有解決分布電感對MOSFET開關(guān)損耗的影響.
經(jīng)過這幾年的發(fā)展,同步整流技術(shù)已經(jīng)成熟,由于開發(fā)成本的原因,目前只在技術(shù)含量較高的通信電源模塊中得到應(yīng)用.如Synqor,Tyco,Ericsson等公司都推出了采用同步整流技術(shù)的產(chǎn)品.
現(xiàn)在的電源模塊仍主要應(yīng)用在通信系統(tǒng)中,隨著通信技術(shù)的發(fā)展,通信芯片所需的電壓逐步降低,5V和3.3V早已成為主流,正向2.5V、1.5V甚至更低的方向發(fā)展.通信設(shè)備的集成度不斷提高,分布式電源系統(tǒng)中單機(jī)功率不斷增加,輸出電流從早期的10-20A到現(xiàn)在的30-60A,并有不斷增大的趨勢,同時要求體積要不斷減小.這就為同步整流技術(shù)提供了廣泛的應(yīng)用需求.
同步整流技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的對比
在傳統(tǒng)的次級整流電路中,肖特基二極管是低電壓、大電流應(yīng)用的首選.其導(dǎo)通壓降大于0.4V,但當(dāng)通信電源模塊的輸出電壓隨著通信技術(shù)發(fā)展而逐步降低時,采用肖特基二極管的電源模塊效率損失驚人,在輸出電壓為5V時,效率可達(dá)85%左右,在輸出電壓為3.3V時,效率降為80%,1.5V輸出時只有65%,應(yīng)用已不現(xiàn)實.
在低輸出電壓應(yīng)用中,同步整流技術(shù)有明顯優(yōu)勢.功率MOSFET導(dǎo)通電流能力強(qiáng),可以達(dá)到60A以上.采用同步整流技術(shù)后,次級整流的電壓降等于MOSFET的導(dǎo)通壓降,由MOSFET的導(dǎo)通電阻決定,而且控制技術(shù)的進(jìn)步也降低了MOSFET的開關(guān)損耗.在過去三年中,用于同步整流的MOSFET工藝取得了突破性的進(jìn)展,導(dǎo)通電阻下降到了原來的1/5.現(xiàn)在,采用經(jīng)過特殊工藝處理的MOSFET,能達(dá)到非常低的導(dǎo)通電阻,如IR公司的產(chǎn)品IRHSNA57064,當(dāng)通導(dǎo)電流為45A時,其導(dǎo)通電阻僅為5.6mΩ,并且都已批量生產(chǎn).
同步整流技術(shù)提高了次級整流效率,使生產(chǎn)低電壓、大電流、小體積的通信電源模塊成為現(xiàn)實.如Synqor公司的Tera系列為標(biāo)準(zhǔn)半磚模塊(2.3英寸x2.4英寸),采用同步整流技術(shù),其輸出電壓最低可到1.5V,輸出電流最大可到60A,功率密度達(dá)到每立方英寸60W.采用同步整流技術(shù)和肖特基二極管的電源模塊效率對比如表1所示.
同步整流技術(shù)應(yīng)用實例與技術(shù)優(yōu)勢
同步整流技術(shù)提高了電源效率,但其意義遠(yuǎn)不只如此,它給通信電源模塊帶來了許多新的進(jìn)步.下面結(jié)合Synqor公司的電源模塊為例進(jìn)行介紹.
Synqor公司采用同步整流技術(shù)生產(chǎn)的通信電源模塊由于降低了功耗,達(dá)到了很高的效率(91%).
由于功耗的降低,在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了突破性的進(jìn)步,取消了散熱器,采用了無基板結(jié)構(gòu).
在傳統(tǒng)的通信電源模塊中,基板是標(biāo)準(zhǔn)配置,是提供散熱途徑的重要部件,用來安裝散熱器.同時將功率器件集中于基板上,與控制電路板分開,減小發(fā)熱元件對控制芯片的影響.
Synqor公司的電源模塊取消了基板和散熱器,在相同通風(fēng)條件下,一樣能達(dá)到所需功率,這正是采用同步整流技術(shù)的成果.有許多顯著優(yōu)點:
1.由于基板結(jié)構(gòu)復(fù)雜,控制電路板、散熱器及磁芯元件的安裝和焊接都需要人工,增加了故障可能性,降低了生產(chǎn)率.基板結(jié)構(gòu)要求功率元件與基板間必須保持良好絕緣,這正是傳統(tǒng)通信電源容易產(chǎn)生故障的地方之一.
2.采用同步整流技術(shù)后,可以使用無基板開放式結(jié)構(gòu).這樣,更方便采用平面變壓器等新技術(shù),使用多層電路板上的銅箔布線作為線圈,磁芯直接嵌在多層電路板中,磁芯散熱良好,多層電路板上的銅箔耦合緊密,最主要的是可以由先進(jìn)加工設(shè)備自動生產(chǎn),實現(xiàn)了電源模塊全部自動化生產(chǎn),極大的提高了生產(chǎn)率和可靠性.平面變壓器與傳統(tǒng)變壓器相比,還能夠?qū)崿F(xiàn)高功率密度,真正達(dá)到小型化.
3.此外,基板結(jié)構(gòu)中要填充絕緣導(dǎo)熱材料,增加了重量.帶有基板和散熱器的傳統(tǒng)電源模塊由于體積和重量大,抗震能力差,在通信設(shè)備的機(jī)架中阻礙空氣流通,降低了風(fēng)扇效能.而采用同步整流技術(shù)的Synqor電源模塊是開放式結(jié)構(gòu),高度僅10mm(0.4英寸),節(jié)約了機(jī)架空間,利于通風(fēng),方便通信控制板上其它通信芯片的散熱;更高的功率密度使電源模塊節(jié)約了在通信控制板上所占的空間;較低的功耗減少了分布式系統(tǒng)前端主電源的負(fù)擔(dān),節(jié)約了系統(tǒng)投資.
4.采用同步整流技術(shù)后,增強(qiáng)了抗電磁干擾(EMI)的能力.由于減少了基板,所以,原先存在于基板和接地間以及基板和元件間的寄生電容沒有了,這些寄生電容帶來的較大共模干擾也消失了,提高了電源抗電磁干擾的性能,如附圖2所示.
應(yīng)用前景
同步整流技術(shù)符合高效節(jié)能的要求,適應(yīng)新一代芯片電壓的要求,有著非常廣闊的應(yīng)用前景.但目前只有較少的公司掌握了該項技術(shù),并且實現(xiàn)的成本也很高,而且還有很多應(yīng)用領(lǐng)域未得到開拓.隨著用于同步整流的MOSFET批量投入市場,專用驅(qū)動芯片的出現(xiàn),以及控制技術(shù)的不斷完善,同步整流將成為一種主流電源技術(shù),逐步應(yīng)用于廣泛的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域.
摘自《國際電源商情》
