提升電源轉換效率的自定時(shí)電壓檢測同步MOSFET控制方案

標簽：電源 諧振轉換器 高壓電源 直流電源 MOSFET

現代電子設備功能越來(lái)越多，設備功能的高功耗對環(huán)境的影響也越來(lái)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(zhuān)業(yè)諧振控制器可以幫助設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，要求在諧振電源內使用表面黏著(zhù)MOSFET取代帶散熱器的輸出二極管。不過(guò)，由于時(shí)序復雜性、成本和現有同步整流器解決方案欠佳的表現，迄今為止，采用這一替代方案的數量非常有限。本文將揭示自定時(shí)電壓檢測同步MOSFET控制方案如何提升電源轉換效率。

1 諧振轉換器的優(yōu)點(diǎn)

諧振轉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(wàn)伏，甚至高達幾十萬(wàn)伏特或更高。(升壓)供電，直流電源通常由前置PFC轉換器部分產(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(guò)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通的導體板上。至此，我們就可以描述電容器的基本結構：兩塊導體板(通常為金屬板)中間隔以電介質(zhì)，即構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(lái)改變交流電壓的裝置，主要構件是初級線(xiàn)圈、次級線(xiàn)圈和鐵心(磁芯)。在電器設備和無(wú)線(xiàn)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，當初級線(xiàn)圈中通有交流電流時(shí)，鐵芯(或磁芯)中便產(chǎn)生交流磁通，使次級線(xiàn)圈中感應出電壓(或電流)。它由鐵芯(或磁芯)和線(xiàn)圈組成，線(xiàn)圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線(xiàn)圈，其余的繞組叫次級線(xiàn)圈。

諧振轉換器內的半導體開(kāi)關(guān)具有軟開(kāi)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(gè)優(yōu)點(diǎn)。傳統的硬開(kāi)關(guān)轉換器往往更容易受寄生電容和漏電感的影響。這種影響表現為高頻振鈴、大電流尖峰和開(kāi)關(guān)損耗，以及不期望的電磁干擾。如果用在LCD電視內，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(huì )嚴重影響影像和聲音品質(zhì)。具有ZVS特性的諧振轉換器則不會(huì )產(chǎn)生此類(lèi)電磁干擾。在不同諧振拓撲中，對前端DC匯流排轉換來(lái)說(shuō)，LLC諧振轉換器一直是最有吸引力的拓撲結構。圖1即為該設計原理。

圖1.帶中心抽頭次級繞組的諧振LLC轉換器

使用電容與整合磁性變壓器的磁感和漏感相結合的方法，在軟開(kāi)關(guān)部份建構了一個(gè)復雜的帶降壓升壓(buck boost)轉換特性的諧振槽。 LLC諧振轉換器透過(guò)調節互補初級開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)調整輸入電壓和輸出負載。由于LCD電視電源需遵守IEC61000-3-2標準，所以在主輸入橋式整流器后采用了主動(dòng)功率因子校正(PFC)升壓預調節器。

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(guò)大電流時(shí)都會(huì )產(chǎn)生較高的正向電壓，所以諧振轉換器的輸出整流器是導通損耗的一個(gè)重要來(lái)源。因此，次級側同步整流是公認的改善傳統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(guò)同步其閘極驅動(dòng)訊號與初級側MOSFET的閘極驅動(dòng)來(lái)驅動(dòng)同步MOSFET。采用高頻變壓器將初級側MOSFET的閘極驅動(dòng)訊號傳輸到電源變壓器的次級側。但對工作在寬負載范圍的LLC諧振轉換器來(lái)說(shuō)，這種方法難以產(chǎn)生最佳化的次級側閘極驅動(dòng)訊號。這一時(shí)序上的不匹配，導致輸出電容在不連續的整流器電流間歇期放電。由輸出電容放電導致的輸出和電源變壓器之間的無(wú)功(reactive power)能流是使轉換效率低下的原因。因此，該控制方案僅限于用在為負載變化不大的應用設計諧振轉換器。

第二個(gè)控制方法是采用取自變壓器次級側的訊號驅動(dòng)同步MOSFET。感測同步MOSFET電流的方法之一是借助一個(gè)電流檢測變壓器加上一個(gè)分離比較器。然后利用比較器的輸出訊號再透過(guò)緩沖電晶體來(lái)驅動(dòng)次級側MOSFET。雖然可根據其目前電流狀態(tài)開(kāi)/關(guān)MOSFET，這種方法仍受限于很高的電路復雜性和比較器的時(shí)序延遲。最近，IC設計進(jìn)步使同步整流出現了從傳統的基于電流變壓器的檢測方法向無(wú)損耗漏極電壓感知技術(shù)(如下圖2所示)轉移的跡象。

圖2.帶類(lèi)比閘極驅動(dòng)、用于諧振轉換器漏極電壓感測的同步控制器

除了將MOSFET次級側的無(wú)功電流損耗降至最低外，這種新技術(shù)還進(jìn)一步提高了轉換效率，同時(shí)也由于不再需要電流檢測變壓器，加上拿掉了快速回應比較器，因而降低了系統成本。在力求縮小LCD電視體積趨勢的推動(dòng)下，諧振電源轉換器的優(yōu)點(diǎn)越來(lái)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體元件，使其運作在非常高的開(kāi)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(shí)電壓檢測同步MOSFET控制原理，協(xié)助LCD電視等消費電子產(chǎn)品設計實(shí)現高電源轉換效率。