摘要:本文介紹了同步整流技術(Synchronous Rectifier Technology)在通信電源模塊中的應用,與傳統技術進行了對比,結合實例具體分析了同步整流技術在實際產品應用中的技術優勢和發展前景.
關鍵詞: 同步整流;效率;基板結構
同步整流技術概述
現今電力電子技術在電源模塊中發展的趨勢是低電壓、大電流.使得在次級整流電路中選用同步整流技術成為一種高效、低損耗的方法.由于功率MOSFET的導通電阻很低,能提高電源效率,所以在采用隔離Buck電路的DC/DC變換器中已開始形成產品.同步整流技術原理示意圖見圖1.
同步整流技術是通過控制功率MOSFET的驅動電路,來利用功率MOSFET實現整流功能的技術.一般驅動頻率固定,可達200kHz以上,門極驅動可以采用交叉耦合(Cross-coupled)或外加驅動信號配合死區時間控制實現.
同步整流技術的應用
同步整流技術出現較早,但早期的技術很難轉換為產品,這是由于當時
1)驅動技術不成熟,可靠性不高,現在技術已逐步成熟,出現了專用同步整流驅動芯片,如IR1176等;
2)專用配套的低導通電阻功率MOSFET還未投放市場;
3)還未采用MOSFET并聯肖特基二極管以降低寄生二極管的導通損耗;
4)在產品設計中沒有解決分布電感對MOSFET開關損耗的影響.
經過這幾年的發展,同步整流技術已經成熟,由于開發成本的原因,目前只在技術含量較高的通信電源模塊中得到應用.如Synqor,Tyco,Ericsson等公司都推出了采用同步整流技術的產品.
現在的電源模塊仍主要應用在通信系統中,隨著通信技術的發展,通信芯片所需的電壓逐步降低,5V和3.3V早已成為主流,正向2.5V、1.5V甚至更低的方向發展.通信設備的集成度不斷提高,分布式電源系統中單機功率不斷增加,輸出電流從早期的10-20A到現在的30-60A,并有不斷增大的趨勢,同時要求體積要不斷減小.這就為同步整流技術提供了廣泛的應用需求.
同步整流技術與傳統技術的對比
在傳統的次級整流電路中,肖特基二極管是低電壓、大電流應用的首選.其導通壓降大于0.4V,但當通信電源模塊的輸出電壓隨著通信技術發展而逐步降低時,采用肖特基二極管的電源模塊效率損失驚人,在輸出電壓為5V時,效率可達85%左右,在輸出電壓為3.3V時,效率降為80%,1.5V輸出時只有65%,應用已不現實.
在低輸出電壓應用中,同步整流技術有明顯優勢.功率MOSFET導通電流能力強,可以達到60A以上.采用同步整流技術后,次級整流的電壓降等于MOSFET的導通壓降,由MOSFET的導通電阻決定,而且控制技術的進步也降低了MOSFET的開關損耗.在過去三年中,用于同步整流的MOSFET工藝取得了突破性的進展,導通電阻下降到了原來的1/5.現在,采用經過特殊工藝處理的MOSFET,能達到非常低的導通電阻,如IR公司的產品IRHSNA57064,當通導電流為45A時,其導通電阻僅為5.6mΩ,并且都已批量生產.
同步整流技術提高了次級整流效率,使生產低電壓、大電流、小體積的通信電源模塊成為現實.如Synqor公司的Tera系列為標準半磚模塊(2.3英寸x2.4英寸),采用同步整流技術,其輸出電壓最低可到1.5V,輸出電流最大可到60A,功率密度達到每立方英寸60W.采用同步整流技術和肖特基二極管的電源模塊效率對比如表1所示.
同步整流技術應用實例與技術優勢
同步整流技術提高了電源效率,但其意義遠不只如此,它給通信電源模塊帶來了許多新的進步.下面結合Synqor公司的電源模塊為例進行介紹.
Synqor公司采用同步整流技術生產的通信電源模塊由于降低了功耗,達到了很高的效率(91%).
由于功耗的降低,在結構上實現了突破性的進步,取消了散熱器,采用了無基板結構.
在傳統的通信電源模塊中,基板是標準配置,是提供散熱途徑的重要部件,用來安裝散熱器.同時將功率器件集中于基板上,與控制電路板分開,減小發熱元件對控制芯片的影響.
Synqor公司的電源模塊取消了基板和散熱器,在相同通風條件下,一樣能達到所需功率,這正是采用同步整流技術的成果.有許多顯著優點:
1.由于基板結構復雜,控制電路板、散熱器及磁芯元件的安裝和焊接都需要人工,增加了故障可能性,降低了生產率.基板結構要求功率元件與基板間必須保持良好絕緣,這正是傳統通信電源容易產生故障的地方之一.
2.采用同步整流技術后,可以使用無基板開放式結構.這樣,更方便采用平面變壓器等新技術,使用多層電路板上的銅箔布線作為線圈,磁芯直接嵌在多層電路板中,磁芯散熱良好,多層電路板上的銅箔耦合緊密,最主要的是可以由先進加工設備自動生產,實現了電源模塊全部自動化生產,極大的提高了生產率和可靠性.平面變壓器與傳統變壓器相比,還能夠實現高功率密度,真正達到小型化.
3.此外,基板結構中要填充絕緣導熱材料,增加了重量.帶有基板和散熱器的傳統電源模塊由于體積和重量大,抗震能力差,在通信設備的機架中阻礙空氣流通,降低了風扇效能.而采用同步整流技術的Synqor電源模塊是開放式結構,高度僅10mm(0.4英寸),節約了機架空間,利于通風,方便通信控制板上其它通信芯片的散熱;更高的功率密度使電源模塊節約了在通信控制板上所占的空間;較低的功耗減少了分布式系統前端主電源的負擔,節約了系統投資.
4.采用同步整流技術后,增強了抗電磁干擾(EMI)的能力.由于減少了基板,所以,原先存在于基板和接地間以及基板和元件間的寄生電容沒有了,這些寄生電容帶來的較大共模干擾也消失了,提高了電源抗電磁干擾的性能,如附圖2所示.
應用前景
同步整流技術符合高效節能的要求,適應新一代芯片電壓的要求,有著非常廣闊的應用前景.但目前只有較少的公司掌握了該項技術,并且實現的成本也很高,而且還有很多應用領域未得到開拓.隨著用于同步整流的MOSFET批量投入市場,專用驅動芯片的出現,以及控制技術的不斷完善,同步整流將成為一種主流電源技術,逐步應用于廣泛的工業生產領域.
摘自《國際電源商情》
