【導(dǎo)讀】方案的工作原理，并指出了它在實(shí)際應(yīng)用中的局限性。文中提出了一些簡(jiǎn)單的電路修改方案，以擴(kuò)展可用工作范圍，使方案適用于高輸出電壓和低輸出電壓設(shè)計(jì)。文中還包含了使用有源鉗位正激控制器的實(shí)測(cè)應(yīng)用示例，以展示實(shí)際性能和設(shè)計(jì)中的權(quán)衡取舍。
引言
在電信基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)自動(dòng)化和汽車電子等應(yīng)用中，隨著對(duì)大電流、低電壓電源的需求日益增長(zhǎng)，對(duì)效率、熱性能和功率密度也提出了更高要求。隨著負(fù)載電流持續(xù)上升，與輸出整流相關(guān)的功率損耗在整體轉(zhuǎn)換器效率中的占比越來越大。在許多隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，次級(jí)側(cè)整流二極管成為主要瓶頸，限制了電流能力和熱性能的提升。
解決整流損耗的最有效方法之一是同步整流，即用功率MOSFET替代變壓器次級(jí)側(cè)的二極管。由此帶來的效率提升可直接轉(zhuǎn)化為功耗降低、熱裕度改善、連續(xù)輸出電流能力增強(qiáng)。
盡管具有上述優(yōu)勢(shì)，同步整流在隔離式轉(zhuǎn)換器架構(gòu)中仍面臨若干實(shí)施挑戰(zhàn)。其中之一是需要為次級(jí)側(cè)MOSFET生成合適的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)保持與初級(jí)側(cè)控制器的隔離。傳統(tǒng)解決方案通常采用專用的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器或復(fù)雜的次級(jí)側(cè)控制電路，兩者均會(huì)增加成本、復(fù)雜性和元件數(shù)量。
對(duì)于輸入電壓范圍有限的轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌ㄍǔＷ兓怀^2倍），自驅(qū)動(dòng)同步整流提供了一種簡(jiǎn)潔且低成本的替代方案。在此方案中，同步整流器的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接取自變壓器次級(jí)電壓，從而無需專用驅(qū)動(dòng)IC。當(dāng)與有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)合時(shí)，自驅(qū)動(dòng)整流尤為適用，因?yàn)閺?fù)位波形天然產(chǎn)生適合直接驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極的方波電壓。
本文探討了自驅(qū)動(dòng)同步整流在有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用原理。文章描述了基本工作機(jī)制，指出了傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式的關(guān)鍵局限，并提出了可擴(kuò)展可用輸出電壓范圍的實(shí)用電路修改方案。文中討論了使用ADI公司有源鉗位正激控制器的測(cè)試應(yīng)用實(shí)例，以說明實(shí)際性能和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。
有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器概述
有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器是傳統(tǒng)單端正激拓?fù)涞难葸M(jìn)版本，旨在提高效率并降低初級(jí)側(cè)開關(guān)器件的電壓應(yīng)力。在傳統(tǒng)正激轉(zhuǎn)換器中，變壓器復(fù)位通常通過第三個(gè)復(fù)位繞組或電阻-電容-二極管(RCD)鉗位網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。此類方案盡管可行，但會(huì)消耗磁化能量，并對(duì)初級(jí)側(cè)開關(guān)施加顯著的電壓應(yīng)力。
相比之下，有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器采用有源復(fù)位電路，由一個(gè)鉗位電容和一個(gè)輔助開關(guān)（通常為MOSFET）組成，連接在變壓器初級(jí)繞組兩端。在主開關(guān)導(dǎo)通期間，能量從初級(jí)側(cè)傳輸?shù)酱渭?jí)側(cè)，為負(fù)載供電，同時(shí)在變壓器磁芯中建立磁化電流。當(dāng)主開關(guān)關(guān)斷時(shí)，鉗位開關(guān)導(dǎo)通，使磁化電流與鉗位電容發(fā)生諧振。此諧振過程在復(fù)位變壓器磁通的同時(shí)，將存儲(chǔ)的能量回饋至功率路徑，而非以熱量形式耗散。
這種有源復(fù)位機(jī)制具有多項(xiàng)顯著優(yōu)勢(shì)。
降低初級(jí)側(cè)開關(guān)電壓應(yīng)力：鉗位電容限制了主MOSFET的漏源極峰值電壓，使得可以使用額定電壓更低、導(dǎo)通性能更優(yōu)的器件。
零電壓開關(guān)(ZVS)：主開關(guān)與鉗位開關(guān)之間的諧振轉(zhuǎn)換可在寬工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS，顯著降低開關(guān)損耗。
改善電磁干擾(EMI)性能：軟開關(guān)和受控電壓轉(zhuǎn)換減少了高頻噪聲的產(chǎn)生。
提高最大開關(guān)頻率：較低的開關(guān)損耗使得轉(zhuǎn)換器能夠在更高頻率下運(yùn)行，從而提高功率密度。
憑借上述特性，有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器在簡(jiǎn)單的反激轉(zhuǎn)換器與更復(fù)雜的諧振拓?fù)渲g占據(jù)了有利地位。此類轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于中高功率隔離應(yīng)用中，可滿足對(duì)于效率、可靠性和熱管理的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求。
ADI有源鉗位正激控制器
LT3752/LT3752-1和LT3753是高度集成的高性能有源鉗位正激控制器，可有效減少外部元件數(shù)量、解決方案尺寸和成本。這三款器件可為單IC輸出功率高達(dá)400W的應(yīng)用提供緊湊、多功能且高效的解決方案。通過將轉(zhuǎn)換器輸出串聯(lián)堆疊，可實(shí)現(xiàn)更高的功率水平。
LT3752/LT3752-1內(nèi)置一個(gè)恒頻反激控制器，用于生成輔助電源。后臺(tái)管理電源可高效地為初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)IC提供偏置，無需從主正激變壓器的輔助繞組生成偏置電源，從而顯著降低變壓器的復(fù)雜性、尺寸和成本。
后臺(tái)管理電源可用于過驅(qū)動(dòng)INTVCC引腳，以便從芯片外部取電、提高效率、提供額外驅(qū)動(dòng)電流并優(yōu)化INTVCC電平。
LT3752可用于高達(dá)100V的輸入電壓，適用于電信中間總線轉(zhuǎn)換器和工業(yè)電源等應(yīng)用。LT3752-1將工作范圍擴(kuò)展至100V以上，專為高壓汽車電池系統(tǒng)和離線隔離電源而設(shè)計(jì)。LT3753為低電壓、大電流設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性。
這些控制器具備多項(xiàng)特性，可簡(jiǎn)化有源鉗位正激設(shè)計(jì)，包括可編程開關(guān)頻率、用于快速瞬態(tài)響應(yīng)的電流模式控制、精確的可編程伏秒鉗位以及可靠的保護(hù)功能。當(dāng)與次級(jí)側(cè)自驅(qū)動(dòng)同步整流結(jié)合使用時(shí)，這些控制器能夠以極少元件數(shù)量實(shí)現(xiàn)高效隔離電源解決方案。
自驅(qū)動(dòng)同步整流原理
基本概念
在自驅(qū)動(dòng)同步整流方案中，次級(jí)側(cè)MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接取自變壓器次級(jí)繞組上的感應(yīng)電壓。由于這些電壓與初級(jí)側(cè)開關(guān)動(dòng)作天然同步，因此可為同步整流器的導(dǎo)通和關(guān)斷提供自然時(shí)序，無需額外控制邏輯。
在有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器中，變壓器次級(jí)側(cè)產(chǎn)生兩個(gè)關(guān)鍵電壓。
正激開關(guān)波形(FSW)：對(duì)應(yīng)于主正激開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)段。
鉗位開關(guān)波形(CSW)：對(duì)應(yīng)于變壓器復(fù)位期間鉗位開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)段。
這些波形近似方波，非常適合直接驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極。通過將同步正激MOSFET和同步續(xù)流MOSFET的柵極適當(dāng)連接到這些信號(hào)，各器件可在開關(guān)周期的正確時(shí)段內(nèi)導(dǎo)通，從而模擬傳統(tǒng)二極管整流器的行為，同時(shí)大幅降低導(dǎo)通損耗。
應(yīng)用示例
圖1展示了一款5V、20A有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)用于36V至72V輸入范圍。在此示例中，有源復(fù)位電路由一個(gè)P溝道MOSFET (M2)和一個(gè)復(fù)位電容(C7)組成。鉗位電容電壓會(huì)隨占空比自動(dòng)調(diào)整，以確保在所有工作條件下變壓器都能完全復(fù)位。
圖1：采用LT1431的5V、20A有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器，用于36V至72V輸入范圍，具備自驅(qū)動(dòng)同步整流功能
由于復(fù)位波形近似方波，因此可直接用作次級(jí)側(cè)MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖2展示了用于驅(qū)動(dòng)正激和續(xù)流同步整流器的CSW和FSW波形。
這種配置無需次級(jí)側(cè)控制器或隔離式驅(qū)動(dòng)器，在實(shí)現(xiàn)高效率的同時(shí)顯著降低了成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。
圖2：自驅(qū)動(dòng)同步整流波形
傳統(tǒng)自驅(qū)動(dòng)方案的局限性
盡管自驅(qū)動(dòng)同步整流具有顯著優(yōu)勢(shì)，但傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式存在固有局限，主要源于其對(duì)變壓器次級(jí)電壓的依賴。具體而言，施加到次級(jí)側(cè)MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓與轉(zhuǎn)換器輸出電壓成正比。這種依賴關(guān)系導(dǎo)致了兩個(gè)問題工作區(qū)域。
高輸出電壓(>5V)：感應(yīng)柵極驅(qū)動(dòng)電壓可能超過MOSFET的最大VGS額定值，從而影響長(zhǎng)期可靠性或?qū)е缕骷⒓词А?/p>
低輸出電壓(<2.5V)：可用的柵極驅(qū)動(dòng)電壓可能不足以使MOSFET完全增強(qiáng)，導(dǎo)致導(dǎo)通損耗增加和效率下降。
圖3展示了這一局限，說明了在傳統(tǒng)自驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中柵極驅(qū)動(dòng)幅度如何隨輸出電壓變化。為確保在更寬的輸出電壓范圍內(nèi)可靠運(yùn)行，需要對(duì)基本拓?fù)溥M(jìn)行修改。
圖3：在傳統(tǒng)自驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，柵極驅(qū)動(dòng)幅度隨輸出電壓成比例變化
圖4：這款24V輸出自驅(qū)動(dòng)正激轉(zhuǎn)換器通過簡(jiǎn)單修改，利用DC2324A擴(kuò)展了自驅(qū)動(dòng)同步整流在高輸出電壓下的適用性
高輸出電壓應(yīng)用的改進(jìn)型自驅(qū)動(dòng)方案
當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸出電壓超過約5V時(shí)，首要任務(wù)是限制施加于同步整流MOSFET的柵源極電壓。一個(gè)簡(jiǎn)單有效的解決方案是在變壓器上增加一個(gè)專用于柵極驅(qū)動(dòng)的輔助次級(jí)繞組。
通過仔細(xì)選擇輔助繞組的匝數(shù)比，可以生成按比例縮小的次級(jí)電壓，從而確保MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)保持在安全工作范圍內(nèi)。如圖4所示，輔助繞組為正激和續(xù)流MOSFET提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓。
在此配置中，連接到CSW和FSW節(jié)點(diǎn)的二極管可在適當(dāng)時(shí)刻可靠地關(guān)斷MOSFET。由于輔助繞組電壓低于主次級(jí)電壓，二極管在正常工作期間保持反向偏置，從而確保正確的開關(guān)行為。
這種簡(jiǎn)單修改擴(kuò)展了自驅(qū)動(dòng)同步整流在更高輸出電壓下的適用性，且不會(huì)顯著增加復(fù)雜性或成本。
低輸出電壓應(yīng)用的改進(jìn)型自驅(qū)動(dòng)方案
低輸出電壓設(shè)計(jì)面臨著不同的挑戰(zhàn)。當(dāng)VOUT降至約2.5V以下時(shí)，即使經(jīng)過匝數(shù)比優(yōu)化的次級(jí)繞組也可能無法提供足夠電壓來使同步整流MOSFET完全增強(qiáng)。在這種情況下，僅添加輔助繞組并不足夠，因?yàn)閷?dǎo)向二極管的行為會(huì)發(fā)生變化，無法維持適當(dāng)偏置。
為解決這一局限，圖5所示的改進(jìn)方案引入了額外的小信號(hào)MOSFET和一個(gè)電感，以對(duì)可用柵極驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行整形和放大。這些元件有效地將柵極驅(qū)動(dòng)幅度與輸出電壓解耦，同時(shí)保留了源自變壓器波形的正確時(shí)序。
圖5：這款0.9V、15A輸出自驅(qū)動(dòng)正激轉(zhuǎn)換器可在超低電壓、大電流應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高效同步整流
這種方法可在超低電壓、大電流應(yīng)用（例如0.9V、15A輸出轉(zhuǎn)換器）中實(shí)現(xiàn)高效同步整流，否則二極管損耗將非常高。盡管上述解決方案增加了一定復(fù)雜性，但仍比實(shí)現(xiàn)全控式次級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)得多。
實(shí)際設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)
在實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)同步整流時(shí)，必須仔細(xì)考慮多個(gè)實(shí)際因素。
MOSFET選擇：器件應(yīng)具有低RDS(ON)、適當(dāng)?shù)腣GS額定值和快速體二極管，以最小化開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的反向恢復(fù)損耗。
變壓器設(shè)計(jì)：繞組布局、漏感和耦合程度均會(huì)影響波形完整性和時(shí)序。必須仔細(xì)優(yōu)化輔助繞組，以實(shí)現(xiàn)精確的電壓縮放。
死區(qū)時(shí)間控制：雖然自驅(qū)動(dòng)方案本身可提供正確時(shí)序，但寄生延遲可能導(dǎo)致短暫的交叉導(dǎo)通或體二極管導(dǎo)通。合理的布局和元件選擇有助于減輕此類影響。
啟動(dòng)行為：在啟動(dòng)和輕載條件下，可用的柵極驅(qū)動(dòng)電壓可能會(huì)降低。確保在這些模式下穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于穩(wěn)健設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
密切關(guān)注這些細(xì)節(jié)可確保同步整流在實(shí)際應(yīng)用中充分發(fā)揮預(yù)期的效率優(yōu)勢(shì)。
結(jié)語
自驅(qū)動(dòng)同步整流是提高有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器效率和電流能力的有力手段，同時(shí)可最大限度降低成本和復(fù)雜性。通過利用變壓器衍生波形，設(shè)計(jì)人員無需專用次級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)器即可實(shí)現(xiàn)高效隔離電源。
雖然傳統(tǒng)自驅(qū)動(dòng)方案僅限于狹窄的輸出電壓范圍，但通過簡(jiǎn)單有效的修改，可將適用范圍擴(kuò)展到高電壓和低電壓輸出。結(jié)合ADI公司的有源鉗位正激控制器，此類技術(shù)能夠提供緊湊且高性能的解決方案，充分應(yīng)對(duì)現(xiàn)代電源轉(zhuǎn)換挑戰(zhàn)。
