摘要:本文介绍了同步整流技术(Synchronous Rectifier Technology)在通信电源模块中的应用,与传统技术进行了对比,结合实例具体分析了同步整流技术在实际产品应用中的技术优势和发展前景.
关键词: 同步整流;效率;基板结构
同步整流技术概述
现今电力电子技术在电源模块中发展的趋势是低电压、大电流.使得在次级整流电路中选用同步整流技术成为一种高效、低损耗的方法.由于功率MOSFET的导通电阻很低,能提高电源效率,所以在采用隔离Buck电路的DC/DC变换器中已开始形成产品.同步整流技术原理示意图见图1.
同步整流技术是通过控制功率MOSFET的驱动电路,来利用功率MOSFET实现整流功能的技术.一般驱动频率固定,可达200kHz以上,门极驱动可以采用交叉耦合(Cross-coupled)或外加驱动信号配合死区时间控制实现.
同步整流技术的应用
同步整流技术出现较早,但早期的技术很难转换为产品,这是由于当时
1)驱动技术不成熟,可靠性不高,现在技术已逐步成熟,出现了专用同步整流驱动芯片,如IR1176等;
2)专用配套的低导通电阻功率MOSFET还未投放市场;
3)还未采用MOSFET并联肖特基二极管以降低寄生二极管的导通损耗;
4)在产品设计中没有解决分布电感对MOSFET开关损耗的影响.
经过这几年的发展,同步整流技术已经成熟,由于开发成本的原因,目前只在技术含量较高的通信电源模块中得到应用.如Synqor,Tyco,Ericsson等公司都推出了采用同步整流技术的产品.
现在的电源模块仍主要应用在通信系统中,随着通信技术的发展,通信芯片所需的电压逐步降低,5V和3.3V早已成为主流,正向2.5V、1.5V甚至更低的方向发展.通信设备的集成度不断提高,分布式电源系统中单机功率不断增加,输出电流从早期的10-20A到现在的30-60A,并有不断增大的趋势,同时要求体积要不断减小.这就为同步整流技术提供了广泛的应用需求.
同步整流技术与传统技术的对比
在传统的次级整流电路中,肖特基二极管是低电压、大电流应用的首选.其导通压降大于0.4V,但当通信电源模块的输出电压随着通信技术发展而逐步降低时,采用肖特基二极管的电源模块效率损失惊人,在输出电压为5V时,效率可达85%左右,在输出电压为3.3V时,效率降为80%,1.5V输出时只有65%,应用已不现实.
在低输出电压应用中,同步整流技术有明显优势.功率MOSFET导通电流能力强,可以达到60A以上.采用同步整流技术后,次级整流的电压降等于MOSFET的导通压降,由MOSFET的导通电阻决定,而且控制技术的进步也降低了MOSFET的开关损耗.在过去三年中,用于同步整流的MOSFET工艺取得了突破性的进展,导通电阻下降到了原来的1/5.现在,采用经过特殊工艺处理的MOSFET,能达到非常低的导通电阻,如IR公司的产品IRHSNA57064,当通导电流为45A时,其导通电阻仅为5.6mΩ,并且都已批量生产.
同步整流技术提高了次级整流效率,使生产低电压、大电流、小体积的通信电源模块成为现实.如Synqor公司的Tera系列为标准半砖模块(2.3英寸x2.4英寸),采用同步整流技术,其输出电压最低可到1.5V,输出电流最大可到60A,功率密度达到每立方英寸60W.采用同步整流技术和肖特基二极管的电源模块效率对比如表1所示.
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同步整流技术提高了电源效率,但其意义远不只如此,它给通信电源模块带来了许多新的进步.下面结合Synqor公司的电源模块为例进行介绍.
Synqor公司采用同步整流技术生产的通信电源模块由于降低了功耗,达到了很高的效率(91%).
由于功耗的降低,在结构上实现了突破性的进步,取消了散热器,采用了无基板结构.
在传统的通信电源模块中,基板是标准配置,是提供散热途径的重要部件,用来安装散热器.同时将功率器件集中于基板上,与控制电路板分开,减小发热元件对控制芯片的影响.
Synqor公司的电源模块取消了基板和散热器,在相同通风条件下,一样能达到所需功率,这正是采用同步整流技术的成果.有许多显著优点:
1.由于基板结构复杂,控制电路板、散热器及磁芯元件的安装和焊接都需要人工,增加了故障可能性,降低了生产率.基板结构要求功率元件与基板间必须保持良好绝缘,这正是传统通信电源容易产生故障的地方之一.
2.采用同步整流技术后,可以使用无基板开放式结构.这样,更方便采用平面变压器等新技术,使用多层电路板上的铜箔布线作为线圈,磁芯直接嵌在多层电路板中,磁芯散热良好,多层电路板上的铜箔耦合紧密,最主要的是可以由先进加工设备自动生产,实现了电源模块全部自动化生产,极大的提高了生产率和可靠性.平面变压器与传统变压器相比,还能够实现高功率密度,真正达到小型化.
3.此外,基板结构中要填充绝缘导热材料,增加了重量.带有基板和散热器的传统电源模块由于体积和重量大,抗震能力差,在通信设备的机架中阻碍空气流通,降低了风扇效能.而采用同步整流技术的Synqor电源模块是开放式结构,高度仅10mm(0.4英寸),节约了机架空间,利于通风,方便通信控制板上其它通信芯片的散热;更高的功率密度使电源模块节约了在通信控制板上所占的空间;较低的功耗减少了分布式系统前端主电源的负担,节约了系统投资.
4.采用同步整流技术后,增强了抗电磁干扰(EMI)的能力.由于减少了基板,所以,原先存在于基板和接地间以及基板和元件间的寄生电容没有了,这些寄生电容带来的较大共模干扰也消失了,提高了电源抗电磁干扰的性能,如附图2所示.
应用前景
同步整流技术符合高效节能的要求,适应新一代芯片电压的要求,有着非常广阔的应用前景.但目前只有较少的公司掌握了该项技术,并且实现的成本也很高,而且还有很多应用领域未得到开拓.随着用于同步整流的MOSFET批量投入市场,专用驱动芯片的出现,以及控制技术的不断完善,同步整流将成为一种主流电源技术,逐步应用于广泛的工业生产领域.
摘自《国际电源商情》
