同步整流高性能電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計
在同步降壓轉(zhuǎn)換器中,經(jīng)過用兩個低端的MOSFET來交換肖特基二極管能夠進步效率。這兩個MOSFET必需以互補的形式驅(qū)動,在它們的導(dǎo)通間隙之間有一個很小的死區(qū)時間(dead time),以防止同時導(dǎo)通。同步FET工作在第三象限,由于電流從源極流到漏極。與之對應(yīng)的非同步轉(zhuǎn)換器相比,同步降壓轉(zhuǎn)換器總是工作在連續(xù)導(dǎo)通,即便在空載的狀況下也是。
在死區(qū)時間內(nèi),電感電流流過低端FET的體二極管(body diode)。這個體二極管通常具有十分慢的反向恢復(fù)特性,會降低轉(zhuǎn)換器的效率。能夠與低端FET并行放置一個肖特基二極管以對體二極管完成旁路,防止它影響到轉(zhuǎn)換器的性能。增加的肖特基二極管能夠比非同步降壓轉(zhuǎn)換器中的二極管低很多的額定電流,由于它只在兩個FET都關(guān)斷時的較短的死區(qū)時間(通常低于開關(guān)周期的百分之幾)內(nèi)導(dǎo)通。
同步整流的益處
在高性能、高功率的轉(zhuǎn)換器中運用SR的益處是能夠取得更高的效率、更低的功耗、更佳的熱性能,以及當(dāng)同步FET并行銜接時固有的理想電流共享特性,而且雖然采用自動組裝工藝(更高的牢靠性)但還是可進步制造良率。如上面提到的那樣,若干個MOSFET能夠并行銜接來應(yīng)對更高的輸出電流。
由于在這種狀況下有效的RDS(ON)與并行銜接的器件數(shù)量成反比,因而降低了導(dǎo)通損耗。同樣,RDS(ON)具有正的溫度系數(shù),因而FET將等量分享電流,有助于優(yōu)化在SR器件之間的熱散布,這將進步器件和PCB散熱的才能,直接改善設(shè)計的熱性能。SR帶來的其他潛在的益處包括更小的外形尺寸、開放的框架構(gòu)造、更高的環(huán)境工作溫度,以及更高的功率密度。
在低電壓應(yīng)用中,設(shè)計工程師通常增加開關(guān)頻率以減小輸出電感和電容的尺寸,以此使轉(zhuǎn)換器尺寸最小化,并降低輸出紋波電壓。假如并聯(lián)多個FET,這樣的頻率增加也會增加?xùn)艠O驅(qū)動和開關(guān)損耗,因而必需依據(jù)詳細的應(yīng)用停止設(shè)計折中。例如,在高輸入電壓、低輸出電壓的同步降壓轉(zhuǎn)換器上,由于工作條件是高端FET比低端FET具有更低的RMS電流,因而高端FET應(yīng)該選擇具有低QG和高RDS(ON)的器件。關(guān)于這個器件來說,降低開關(guān)損耗比導(dǎo)通損耗更重要。相反,低端FET承載更大的RMS電流,因而RDS(ON)應(yīng)該盡可能低。
在同步轉(zhuǎn)換器當(dāng)選擇具有更強驅(qū)動才能的控制器,經(jīng)過使FET開關(guān)所用的時間最短,將能減少開關(guān)損耗。但是,更快的上升和降落時間可產(chǎn)生高頻噪聲,這種噪聲能夠招致系統(tǒng)噪聲和EMI問題。
在死區(qū)時間內(nèi),電感電流流過低端FET的體二極管(body diode)。這個體二極管通常具有十分慢的反向恢復(fù)特性,會降低轉(zhuǎn)換器的效率。能夠與低端FET并行放置一個肖特基二極管以對體二極管完成旁路,防止它影響到轉(zhuǎn)換器的性能。增加的肖特基二極管能夠比非同步降壓轉(zhuǎn)換器中的二極管低很多的額定電流,由于它只在兩個FET都關(guān)斷時的較短的死區(qū)時間(通常低于開關(guān)周期的百分之幾)內(nèi)導(dǎo)通。
同步整流的益處
在高性能、高功率的轉(zhuǎn)換器中運用SR的益處是能夠取得更高的效率、更低的功耗、更佳的熱性能,以及當(dāng)同步FET并行銜接時固有的理想電流共享特性,而且雖然采用自動組裝工藝(更高的牢靠性)但還是可進步制造良率。如上面提到的那樣,若干個MOSFET能夠并行銜接來應(yīng)對更高的輸出電流。
由于在這種狀況下有效的RDS(ON)與并行銜接的器件數(shù)量成反比,因而降低了導(dǎo)通損耗。同樣,RDS(ON)具有正的溫度系數(shù),因而FET將等量分享電流,有助于優(yōu)化在SR器件之間的熱散布,這將進步器件和PCB散熱的才能,直接改善設(shè)計的熱性能。SR帶來的其他潛在的益處包括更小的外形尺寸、開放的框架構(gòu)造、更高的環(huán)境工作溫度,以及更高的功率密度。
在低電壓應(yīng)用中,設(shè)計工程師通常增加開關(guān)頻率以減小輸出電感和電容的尺寸,以此使轉(zhuǎn)換器尺寸最小化,并降低輸出紋波電壓。假如并聯(lián)多個FET,這樣的頻率增加也會增加?xùn)艠O驅(qū)動和開關(guān)損耗,因而必需依據(jù)詳細的應(yīng)用停止設(shè)計折中。例如,在高輸入電壓、低輸出電壓的同步降壓轉(zhuǎn)換器上,由于工作條件是高端FET比低端FET具有更低的RMS電流,因而高端FET應(yīng)該選擇具有低QG和高RDS(ON)的器件。關(guān)于這個器件來說,降低開關(guān)損耗比導(dǎo)通損耗更重要。相反,低端FET承載更大的RMS電流,因而RDS(ON)應(yīng)該盡可能低。
在同步轉(zhuǎn)換器當(dāng)選擇具有更強驅(qū)動才能的控制器,經(jīng)過使FET開關(guān)所用的時間最短,將能減少開關(guān)損耗。但是,更快的上升和降落時間可產(chǎn)生高頻噪聲,這種噪聲能夠招致系統(tǒng)噪聲和EMI問題。
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