同步整流开关电源的工作原理及其设计分析

摘要：本文介绍了DPA426的外部引脚、内部电路及功能模块。说明了同步整流电路的基本工作原理。根据DPA426的特性给出了同步整流开关电源的设计方法和具体的设计电路，并对外围电路的设计进行了分析，最后给出了测试结果及设计注意事项应用总汇。

引言

单片开关电源集成电路具有集成度高、外围电路简单、性价比高、性能指标优良等特点，因而得到广泛的发展和应用。目前，PI公司最新推出的DPA-Switch系列电路的集成度更高，性能更优良，适用于开发低电压和大功率分布式供电系统。

同步整流(SynchronousRectification)是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET取代传统的整流二极管以降低整流损耗的技术。它能够大大提高DC/DC变换器的效率并不存在由快速恢复二极管势垒电压造成的死区电压。

同步整流的基本原理

单端正激、隔离降压同步整流的基本原理电路如图1所示，其中，Q1、Q2为功率MOSFET。该电路的工作原理为在次级电压的正半周期，Q1导通、Q2关断，在次级电压的负半周期，Q2导通、Q1关断。同步整流电路的功率损耗主要包括MOSFET的导通损耗和栅极驱动损耗，在开关频率低于1MHz时，以导通损耗为主。

正激式DC/DC变换器在功率管截止期间必须有将高频变压器复位的电路，以防止变压器磁芯饱和，一般采用C、R、VD无源箝位电路。当功率管V截止时，高频变压器初级线圈由R、VD电路构成的放电通路使变压器复位。



DPA-Switch电路的内部结构与工作原理

DPA-Switch电路是6端器件，6个引脚分别为控制端C、线路检测端L、外部设定极限电流端X、开关频率选择端F、源极S和漏极D。线路检测端可实现过压检测、欠压检测、电压反馈、远程通断和同步等功能。将开关频率选择端与源极端连接时，开关频率为400kHz，而将其连接控制端时，开关频率为300kHz。其内部原理框图如图2所示。



(1)控制电压源
用于控制电压U_C以向并联调整器和门驱动器级提供偏置电压。控制电流I_C用来调节占空比。

(2)带隙基准电压源
用于向内部提供各种基准电压，同时产生一个具有温度补偿并可调整的电流源，以保证精确设定振荡器频率和门级驱动电流。

(3)振荡器
用于产生脉宽调制器所需要的锯齿波、时钟信号及最大占空比信号(D_max)。

(4)并联调整器和误差放大器
误差放大器用于将反馈电压U_f与5.8V基准电压进行比较以输出误差电流I_r，从而在电阻R_s上形成误差电压U_r。

(5)脉宽调制器(PWM)

脉宽调制器是一个电压反馈式控制电路，具有两个功能：一是改变控制端电流I_C的大小，即调节占空比，实现脉宽调制；二是将误差电压U_r经由R_a和C_a组成的截止频率为7kHz的低通滤波器进行滤波，以在滤掉开关噪声电压后，加至PWM比较器的同相输入端，然后再与锯齿波电压U_j进行比较，从而产生脉宽调制信号U_b。

(6)门驱动级和输出级
门驱动级(F)用于驱动功率开关管(MOSFET)，使之按一定速率导通，MOSFET管的漏-源击穿电压U_ds大于700V。

(7)过流保护电路
过流比较器的反相输入端接阈值电压U_limit，同相输入端接MOSFET管的漏极。

(8)过热保护电路
当结温T_j高于135℃时，过热保护电路将关断输出级；而当结温T_j低于70℃时，电路将恢复正常工作，即电路具有滞后过热保护特性。

(9)关断/自动重启动电路
一旦出现调节失控，将立即使芯片在低占空比下工作，若故障排除，则自动重新启动电源，恢复系统正常工作。

(10)高压电流源
在启动或滞后调节模式下，高压电流源经过电子开关S给内部电路提供偏置。电源正常工作时，电子开关S改接内部电源，将高压电流源关断。

应用DPA426的开关电源设计

由DPA426控制的开关电源的设计指标为：输入直流电压范围U₁为36～75V，输出直流电压U_o为12V，输出电流I_o为8A时，输出功率P_o为96W；当输入电压为50V时，电源效率大于90%。开关电源采用同步整流和正激变换技术，使得对低电压大电流的整流效率得到显著提高。电路原理如图3所示。选择开关频率为300kHz，故应使开关频率选择端F与控制端C连接。

(1)偏置电压获取电路
本电路利用耦合电感器来获取偏置电压，主要由耦合电感器L、光耦合器U₂及二极管D₂等来实现，由于光耦合器两端的电压是可控的，故偏置电压可通过选择开关频率、旁路电容及最小负载来进行调节。调整时在最小负载或最大输入电压的情况下，控制端的最小偏置电压为8V。

(2)磁复位电路
磁复位要求漏极电压要高于输入电压，但必须保证在复位时漏极电压不能超过规定值。磁复位电路由R4和C4组成。该电路可以使高频变压器在每个开关周期后的能量迅速恢复到安全值，保证V_D>V_I。一般选择C4的电容量为3.3nF，电阻R4阻值为1～5Ω。

(3)光耦反馈电路的设计
反馈回路的稳定性直接影响着开关电源的性能，光耦合器应提供给控制端足够的电流，光耦合器的电流传输比CRT应保值在100%～200%。电路中的R9用来限制在最小CRT时的电流，R10和C10构成频率补偿网络，C14和R9能够使直流输入电压在允许范围内使环路获得最大的增益，R3和R12用来对输出电压进行采样，R3和C7构成控制端的频率补偿电路。

(4)同步整流驱动电路
同步整流驱动电路采用电容耦合技术。使用无源的RC电路驱动MOSFET整流管，可以避免栅极过电压的情况。同步整流管Q2的驱动电路是由C3、R5、R7和D1组成的。在正半周，正电经过C3和R5对Q2的栅极电容器充电，Q2迅速导通，R5用于限制栅极电流的幅度，R7为栅极下拉电阻器，在负半周时能够保证Q2可靠截止。稳压管D1的作用是限制Q2的栅极电压。同步整流管选择FAIRCHILD公司生产的NDS8410型功率MOSFET，在其内部漏-源极之间并联一个续流二极管，可防止关断时反向电动势所造成的功率管损坏。

(5)其他外围电路设计
电阻器R1用于设定欠电压/过电压值，输入电压增大值会降低最大占空比，使之U_I从36V时的75%降低到U_I为75V时的42%。为防止在输出瞬间过载时的磁芯饱和。设计时取R₁=619kΩ，U_UV=33.3V，U_OV=86V。

电阻器R3为极限电流设定电阻，取R3的阻值为18.2kΩ，所设定的极限电流为：
I′_LIMT=0.43I_LIMT=0.43×5=2.15A。

(6)高频变压器
由于电源输出功率较大，因此，高频变压器的漏感应尽量小，一般选用能够满足开关频率300kHz的MXO锰锌铁氧体材料。为便于绕制，磁芯形状可选用EI型或EE型，变压器的初级和次级绕组应相间绕制。初级绕组用4股Φ0.35的漆包线绕11匝，次级12V输出用4股Φ0.45的漆包线绕9匝，初级电感选500μH，最大漏感不超过0.8μH。

测试及分析

采用DPA426型集成控制电路和同步整流技术设计的上述开关电源模块，在输入直流电压为36～75V范围内、输出为12V/8A的情况下，测试的效率达到90%以上。

设计电路应注意以下问题

高频变压器是设计的关键，应注意选择合适的铁芯，由于实际电路的线圈匝数为整数，而理论计算会出现小数，故会出现误差。可通过调节铁芯的气隙大小改变其电感量，适当改变原边与副边的匝数可调整输出电压的精度。为了减小高频变压器的漏感，应该在整个骨架内分层交错均匀地绕制线圈。为了保证在最小输入电压的情况下也能获得额定输出电压，应尽量减小高频变压器的匝比。

由于同步整流管采用耦合电容器驱动，故选择的电容器要保证驱动电压能够达到MOSFET的开启电压。输出端的LC滤波器中的电感器应采用低损耗磁环，且滤波电容器应足够大，其等效的串联电阻值(ESR)应尽量小，一般应选用低ESR的钽电容器。

在设计印刷电路板时，DPA-Switch的S、F、C端的旁路电容器及箝位稳压管的正极必须单极接地，再经过足够宽的印制导线接输入端滤波电容器的负极，C端的旁路电容器应靠近S、C端，L、X端的引线要尽量短。

小结

由于DPA426型集成控制电路内部完全集成了PWM控制器、功率开关MOSFET及多种保护电路，所以采用其设计的开关电源具有成本低、外围线路简单、体积小、效率及可靠性高等特点。另外，应用同步整流技术也降低了整流损耗，显著提高了开关电源的效率。因此，采用上述技术设计开关电源在中功率电子设备中有广泛的应用前景。该电源已在某型飞机设备校验器中得到应用，实际工作证明：电源性能稳定，工作可靠。