插到墻上電源插座的普通墻上適配器每年要花去用戶大約 3 美元。通過“能源之星”計(jì)劃，北美許多國家正致力于降低該費(fèi)用，以及減少制造該電源所帶來的污染。許多墻上適配器和其他低功耗隔離式電源都使用了反向轉(zhuǎn)換器，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單、成本較低。但是，反向轉(zhuǎn)換器并非以高效率見長，低輸出電壓時(shí)更是如此。在那些效率至上的應(yīng)用中，不要操之過急地將反向轉(zhuǎn)換器從備選解決方案中去除。只需運(yùn)用一些我們都知道的小技巧，就可以將反向轉(zhuǎn)換器的效率提高大約 10%。
在傳統(tǒng)的二極管整流反向轉(zhuǎn)換器中，輸出二極管整流器是產(chǎn)生功率損耗的一個(gè)重要原因。輸出二極管的平均電流等于 DC 輸出電流，而峰值電流可能是其數(shù)倍，具體情況取決于占空比。肖特基二極管的二極管正向壓降通常為 0.5V，而標(biāo)準(zhǔn) PN 結(jié)型二極管的二極管正向壓降為 0.8V。這種大正向壓降會(huì)帶來二極管中相對較高的損耗，大大降低了效率。使用同步 MOSFET 來替代二極管可極大地降低這些傳導(dǎo)損耗。圖 1 描述了標(biāo)準(zhǔn)二極管整流反向電源如何被轉(zhuǎn)換為自驅(qū)動(dòng)同步反向電源。
圖 1 自驅(qū)動(dòng)同步反向轉(zhuǎn)換
在自驅(qū)動(dòng)同步反向電源中，輸出二極管被一個(gè) N 通道 MOSFET 代替，同時(shí)必須向電源變壓器添加一個(gè)繞組以生成同步柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。相比輸出二極管整流器，該同步MOSFET的低導(dǎo)通電阻可帶來更低的傳導(dǎo)損耗，這就極大地提高了高負(fù)載電流時(shí)的效率。
二極管整流反向結(jié)構(gòu)和同步反向結(jié)構(gòu)之間存在一個(gè)根本的區(qū)別，關(guān)鍵的波形如圖 2 所示。二極管整流反向結(jié)構(gòu)的輸出二極管可阻止變壓器二次電流回流。在輕負(fù)載狀態(tài)下，當(dāng)變壓器的二次電流被完全放電至各循環(huán)末端的輸出時(shí)，這會(huì)帶來非連續(xù)電流模式 （DCM）。同步 MOSFET 使電流能夠不斷地向負(fù)極方向流動(dòng)，并使同步反向結(jié)構(gòu)始終運(yùn)行在連續(xù)電流模式 （CCM） 下，而不用考慮負(fù)載電流的大小。這種情況通常是有益的，因?yàn)榭刂骗h(huán)路增益不會(huì)像其轉(zhuǎn)入 DCM 運(yùn)行時(shí)一樣出現(xiàn)下降，從而保持全動(dòng)態(tài)性能（甚至在零負(fù)載狀態(tài)下）。同步 MOSFET 的使用會(huì)對零點(diǎn)或輕負(fù)載效率產(chǎn)生不利影響，這是由于相對較大的 AC 電流在流動(dòng)時(shí)，凈 DC 輸出電流極少甚至沒有。同這些回路電流相關(guān)的變壓器和一次側(cè) MOSFET 開關(guān)損耗比二極管整流反向結(jié)構(gòu)中的要大，其電流在輕負(fù)載條件下會(huì)減少。
圖 2 DCM 與 CCM 運(yùn)行
盡管同步 MOSFET 可極大地降低傳導(dǎo)損耗，但是它卻帶來了二極管整流反向結(jié)構(gòu)中所沒有的柵極驅(qū)動(dòng)損耗、開關(guān)損耗和直通損耗 （shoot-through loss）。柵極驅(qū)動(dòng)損耗來自每個(gè)開關(guān)周期中被充電和放電的 MOSFET 柵極的電容。MOSFET 開啟和關(guān)閉轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)出現(xiàn)開關(guān)損耗，因?yàn)槁?源電壓和漏極電流出現(xiàn)了疊加。主開關(guān)必須在次級(jí) FET 即將關(guān)閉之前開啟，這樣便產(chǎn)生了直通損耗。開關(guān)期間，這就在變壓器中形成一個(gè)短路電路，帶來大量功率損耗。在自驅(qū)動(dòng)同步反向拓?fù)渲?，一次?cè) MOSFET 開啟向同步 MOSFET 發(fā)出關(guān)閉指令。這樣，當(dāng)同步 MOSFET 直接由電源變壓器來驅(qū)動(dòng)時(shí)，便不可能完全消除貫通電流。自驅(qū)動(dòng)同步 MOSFET 必須具有極短的關(guān)閉延遲和下降時(shí)間，才能最小化直通損耗。盡管同步 MOSFET 帶來了更多的開關(guān)損耗，但是如果設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)脑掃@種傳導(dǎo)損耗一般可以比二極管整流正向壓降損耗低很多，單是這一好處往往就能勝過其所有不利方面。
圖 3 顯示了一個(gè)具有可編程延遲的隔離柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)如何被添加到同步反向結(jié)構(gòu)中以消除直通損耗。通過柵極驅(qū)動(dòng)變壓器，可以實(shí)現(xiàn)隔離和電平變換。必須使用擁有較好驅(qū)動(dòng)輸出和可調(diào)節(jié)延遲的 PWM 控制器（例如：UCC2897），以便對一次側(cè)和二次側(cè)同步 MOSFET 進(jìn)行控制。延遲必須足夠長，以確保同步 MOSFET 能夠在一次側(cè) MOSFET 開啟以前被完全關(guān)閉。然而，延遲太長會(huì)引起一個(gè)或兩個(gè) MOSFET 上出現(xiàn)主體二極管傳導(dǎo)，并導(dǎo)致過多的功率損耗。由于最佳停滯時(shí)間取決于一次側(cè)和二次側(cè) MOSFET 延遲時(shí)間、轉(zhuǎn)換速度、電源變壓器漏電感以及柵極驅(qū)動(dòng)電路，因此可調(diào)節(jié)延遲時(shí)間控制器對最小化損耗至關(guān)重要。
圖 3 升級(jí)至隔離柵極驅(qū)動(dòng)和可編程無反應(yīng)時(shí)間
圖 4 描述了如何進(jìn)一步提高效率并利用同步 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)來控制一個(gè)有源主緩沖器。這種結(jié)構(gòu)通常被稱為有源鉗位反向結(jié)構(gòu)。在前面示意圖中，我們已經(jīng)使用 RCD 緩沖器來降低一次側(cè) MOSFET 漏-源-電壓的電壓峰值。該電壓峰值出現(xiàn)在一次側(cè) MOSFET 關(guān)閉時(shí)，這主要是由于變壓器主繞組的泄露能量造成的。RCD 緩沖器消耗了其緩沖器電阻中的這種能量。在有源鉗位反向結(jié)構(gòu)中，泄露能量由鉗位電容捕獲，并被帶至負(fù)載再循環(huán)，最后返回到輸入。這就構(gòu)成了一個(gè)實(shí)際上無損耗的緩沖器。RCD 緩沖器的漏-源極-電壓波形和一個(gè)有源鉗位的對比關(guān)系如圖 5 所示。該有源鉗位消除了高頻峰值。除消除漏能損耗以外，開關(guān)損耗和 EMI 也得到了極大降低。在許多情況下，這種有源鉗位緩沖器允許使用低漏-源-電壓額定值的一次側(cè) MOSFET，從而進(jìn)一步降低了損耗，并有可能降低 MOSFET 的成本。
圖 4 有源鉗位取代高損耗 RCD 緩沖器
圖 5 有源鉗位消除了電壓峰值
圖 6 顯示了每次二極管整流反向結(jié)構(gòu)升級(jí)對實(shí)際設(shè)計(jì)效率的提升程度。電源將一個(gè)遠(yuǎn)距通信 48VDC 輸入轉(zhuǎn)換為一個(gè) 3.5A 最大負(fù)載電流的 3.3V 輸出。將一個(gè)二極管整流器轉(zhuǎn)換為一個(gè)自驅(qū)動(dòng)同步反向結(jié)構(gòu)使最大負(fù)載效率提高超過 7%，但也確實(shí)降低了 1A 以下輸出電流的輕負(fù)載效率。這是由于同步 MOSFET 帶來了柵極驅(qū)動(dòng)損耗、開關(guān)損耗和直通損耗。如圖 7 所示，輕負(fù)載狀態(tài)下這些損耗在總損耗中占較大百分比，從而降低了輕負(fù)載的效率。使用可編程延遲消除了直通損耗，從而極大地提高了輕負(fù)載的效率，如圖 7 所示。由于其他電路損耗在同步 MOSFET 損耗中占主導(dǎo)地位，因此滿負(fù)載效率保持基本不變。最終，有源鉗位的實(shí)施提高了所有負(fù)載條件下 3.3V 電源的效率。
圖 6 效率對比
圖 7 損耗對比
圖 8 顯示了有源鉗位電路中兩種不同的延遲設(shè)置，以及它們是如何影響不同負(fù)載條件下的效率的。由較大 Rdel 電阻值編程獲得的較長延遲時(shí)間降低了輕負(fù)載直通損耗，從而極大地提高了輕負(fù)載效率。但是，這種長延遲時(shí)間同時(shí)也增加了同步 MOSFET 主體二極管的傳導(dǎo)時(shí)間，使?jié)M負(fù)載條件時(shí)的效率降低了 1% 左右。使用較低值 Rdel 后，滿負(fù)載同步 MOSFET 主體二極管傳導(dǎo)損耗在直通損耗中占主導(dǎo)地位。在某些情況下，人們也許必須經(jīng)由選取合適的 Rdel 值來選擇是使輕負(fù)載效率最大化，還是讓最大負(fù)載效率最大化。圖 9 所示的有源鉗位反向電源運(yùn)用了所有這些效率提升方法。這種結(jié)構(gòu)使最大負(fù)載的效率提高大約 10%，并且擁有和原始二極管整流設(shè)計(jì)差不多一樣的輕負(fù)載效率性能。
圖 8 通過調(diào)節(jié)延遲時(shí)間優(yōu)化效率
總結(jié)
如果注重輕負(fù)載效率和成本最低化，那么依靠“簡單的”二極管整流反向電路來獲得效率提高則較為困難。如果您的要求沒有那么苛刻，那么選用自驅(qū)動(dòng)同步 MOSFET 驅(qū)動(dòng)便可以最低成本實(shí)現(xiàn)較大的效率增益。在使用 UCC2897 控制器的一次側(cè) MOSFET 和二次側(cè)同步 MOSFET 之間添加可編程?hào)艠O驅(qū)動(dòng)延遲，可以提高輕負(fù)載效率。利用有源鉗位電路，已被證實(shí)與典型的二極管整流反向轉(zhuǎn)換器相比，其可提高約 10% 的滿負(fù)載效率，而在輕負(fù)載時(shí)效率會(huì)有所下降。另一個(gè)好處是在整個(gè)滿輸出負(fù)載范圍內(nèi)都保持了“連續(xù)導(dǎo)電模式”，從而保持了卓越的輕負(fù)載瞬態(tài)性能。本文敘述的每一種電路改進(jìn)方法都可降低電路損耗，但都會(huì)帶來設(shè)計(jì)成本的增加。因此，請根據(jù)您的預(yù)算來決定您要達(dá)到的環(huán)保水平！
圖 9 有源鉗位同步反向轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)
參考文獻(xiàn)
《將有源鉗位添加到同步反向電源的優(yōu)勢》，作者：John Betten 和 Brian King，摘自《EDN》雜志，2006 年12 月
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如欲了解 TI 電源解決方案的更多詳情，敬請?jiān)L問：www.power.ti.com
作者簡介
John Betten 現(xiàn)任TI 應(yīng)用工程師兼科技委員會(huì)資深成員。John 擁有 22 年的 AC/DC 和 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。John 畢業(yè)于匹茲堡大學(xué) （University of Pittsburgh），獲電子工程理學(xué)士學(xué)位。此外，他還是 IEEE 的會(huì)員。
Brian King 現(xiàn)任 TI應(yīng)用工程師兼科技委員會(huì)成員。Brian 畢業(yè)于阿肯色大學(xué) （University of Arkansas），獲電子工程理學(xué)士學(xué)位和電子工程碩士學(xué)位，現(xiàn)為 IEEE 的會(huì)員。