倍流同步整流在DCDC变换器中工作原理分析

倍流同步整流在DC/DC变换器中工作原理分析

［作者：佚名转贴自：未知点击数：13 更新时间：2005-6-16 文章录入：chinlea ］摘要：在低压大电流变换器中倍流同步整流拓扑结构已经被广泛采用。就其工作原理进行了详细的分析说明，并给出了相应的实验和实验结果。

关键词：倍流整流；同步整流；直流/直流变换器；拓扑

0 引言

随着微处理器和数字信号处理器的不断发展，对芯片的供电电源的要求越来越高了。不论是功率密度、效率和动态响应等方面都有了新要求，特别是要求输出电压越来越低，电流却越来越大。输出电压会从过去的3.3V降低到1.1～1.8V之间，甚至更低[1]。从电源的角度来看，微处理器和数字信号处理器等都是电源的负载，而且它们都是动态的负载，这就意味着负载电流会在瞬间变化很大，从过去的13A /μs到将来的30A/μs～50A/μs[2]。这就要求有能够输出电压低、电流大、动态响应好的变换器拓扑。而对称半桥加倍流同步整流结构的DC/DC变换器是最能够满足上面的要求的[3]。

本文对这种拓扑结构的变换器的工作原理作出了详细的分析说明，实验结果证明了它的合理性。

1 主电路拓扑结构

主电路拓扑如图1中所示。由图1可以看出，输入级的拓扑为半桥电路，而输出级是倍流整流加同步整流结构。由于要求电路输出低压大电流，则倍流同步整流结构是最合适的，这是因为：

图1 主电路拓扑

1）变压器副边只需一个绕组，与中间抽头结构相比较，它的副边绕组数只有中间抽头结构的一半，所以损耗在副边的功率相对较小；

2）输出有两个滤波电感，两个滤波电感上的电流相加后得到输出负载电流，而这两个电感上的电流纹波有相互抵消的作用，所以，最终得到了很小的输出电流纹波；

3）流过每个滤波电感的平均电流只有输出电流的一半，与中间抽头结构相比较，在输出滤波电感上的损耗明显减小了；

4）较少的大电流连接线（high current inter-connection），在倍流整流拓扑中，它的副边大电流连接线只有2路，而在中间抽头的拓扑中有3路；

5）动态响应很好。

它唯一的缺点就是需要两个输出滤波电感，在体积上相对要大些。但是，有一种叫集成磁（integrated magnetic）的方法，可以将它的两个输出滤波电感和变压器都集成到同一个磁芯内，这样可以大大地减小变换器的体积。

2 电路基本工作原理

电路在一个周期内可分为4个不同的工作模式，如图2所示，理想的波形图如图3所示。

(a) 模式1[t0－t1]

(b) 模式2[t1－t2]

(c) 模式3[t2－t3]

(d) 模式4[t3－t4]图2 工作模式图

图3 工作波形图

L o1，L o2 2.2μH

C o1500μF/2.5V

磁芯(core) R－42216－EC

匝比(turnratio) 10：1

漏感(L k) 600nH

开关频率(f s) 310kHz

图4所示的是原边两个主管和副边同步管的门极驱动波形。通道R2表示S1的驱动波形；通道R1表示S2的驱动波形；通道1是同步管S R2的驱动波形；通道2是同步管S R1的驱动波形。由表1可以看到，变压器漏感L k=600nH。所以，在电流较小的时候，存储在漏感中的能量不是很大，因而开关管在关断后的漏感和开关管输出结电容间的振荡不是很大，图5所示的是在负载电流I o=5A时的S2漏源极v ds2的波形。

图4 门极驱动波形

图5 v ds2波形（I o=5A）

当变换器以满载I o=25A输出时，变压器原边的振荡就明显地增大。这是因为，当输出电流增大的时候，反映到原边的电流也会增大，

所以，这个时候存储在变压器漏感中的磁能就会增大，在t off期间内振荡的时间较长，幅值也较大，如图6所示。在大电流的拓扑中，这种振荡的损耗也是不可忽略的。图7给出了变换器的效率曲线图，最大值出现在I o=15A时。

图6 v ds2波形(I o=25A)

图7 效率曲线图

4 结语

对适于低压大电流的整流拓扑（倍流整流＋同步整流）的工作原理作了详细的说明，并在分析的基础上，给出了相应的实验结果。证明了这种整流拓扑在低压大电流DC/DC变换器中的合理性。随着对电源性能要求的提高，这种整流拓扑将会越来越广泛地被采用。但应该指出的是，变压器的漏感应该尽量地减小，以减少原边振荡。