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输出级的设计

作者:管理员时间2014-08-15

    输出级对功率开关产生的交流开关波形进行整流和滤波。在没有变压器隔离的拓扑(Buck、Boost、Buck-Boost和Sepic)中,直接对开关产生的交流开关信号进行整流和滤波。在变压器隔离的拓扑中,功率开关与输出级之间有一个变压器。由于电源的主要损耗是消耗在输出级上,所以输出级的设计对电源效率的影响比起其余各级来说是主要的。

    输出级主要有两种类型:用在正激式变换器的输出级和用在升压式变换器的输出级。它们的区别在于正激式输出级中,在整流器和输出滤波电容之间有个滤波电感。图28画出了常见的输出级。

                                                   图28(a.半波,b.全波,c.全桥,d.升压式)
 

在没有变压器隔离的开关电源拓扑中,整流器是直接接在功率开关管后面,输出级工作在半波模式。在有变压器隔离的拓扑中,输出级可以工作在半波模式(单晶体管正激式)(见图28a)或全波模式(推挽式、半桥和全桥)。全波式拓扑中,可以用有中间抽头的绕组(见图28b)或没有中间抽头的绕组(见图28c)。没有中间抽头时,用全桥整流电路。升压式拓扑只能用半波式输出(见图28d)。

 

    首先,设计者要选择最适合该应用场合所需的整流技术。选择采用半导体整流器件的无源整流电路,或采用功率MOSFET的同步整流电路。同步整流电路比较典型的应用是用在由电池供电的手提产品中。在这类应用中,同步整流电路通常可以把效率提高2%~8%,这对于延长电池供电时间,或对温升比较敏感的应用场合是很重要的。在现在的开关电源中,无源整流器消耗的损耗占电源总损耗的40%—60%。同步整流电路可减小导通损耗,可以把导通损耗减小90%。但同步整流电路只适用在输出电流单向的连续模式正激输出级的情况。设计者要好好权衡一下在最后应用中,提高效率与增加的驱动电路成本之间的折中关系。

无源输出级   

    无源输出级的设计就是基于传统无源半导体整流器的设计。它用在非电池供电和开关电源效率在72%~84%之间是可以接受的场合,也包括电源产生的热-量很容易解决的离线式应用场合。
    整 流技术的选择对电源的整机效率有很大的影响。整流器的选择通常是根据输入电压和输出电压来确定的。这两个因素决定了最大的反向电压,从而指明了要选用哪种 类型的整流器。从输出整流侧看的输入电压是乘以了变压器的匝数比以后的电压,而且还与二次绕组类型有关。在全波整流的输出端中,整流器的电压只是输入电压 乘以变压器的匝数比。如果是有中间抽头的二次绕组,这个电压值要乘以2。式(3- 39)给出了在一些场合下,所要求的最小反向阻断电压的关系。

         (正激式)            (39a)                           

   (反激式)            (39b)

式中,对于全波的二次侧,k取1,而对于有中间抽头的二次侧,k取2。

    超快恢复二极管有0.8~1.1V的正向导通压降和35—85ns的反向恢复时间。所有的PN二极管都有比较明显的反向恢复时间,而超快恢复二极管的反向恢复时间最短。PN二极管的反向恢复时间主要是由于二极管在加反压的瞬间,存储在PN结的载流子引起的。把这些少数载流子朝相反的方向扫出PN结需要有一定的时间。从电路上看,当二极管恢复承受反向电压的瞬间有一个反向电流流过这就等效于一个很大的瞬间功率损耗(开关电源内部的主要损耗)。当输出整流二极管承受的反向电压超过肖特基二极管耐压时,要选用超快恢复二极管。

    肖特基整流二极管有0.3~0.6V的正向导通压降和小于10ns的反向恢复时间的特性,尽管肖特基二极管具有更理想的性能,但它最大的反向阻断电压只有40~50V。这就限制了肖特基二极管只能应用在输出电压DCl5V或更低的场合。有些肖特基二极管的反向阻断电压有200V,但其特性类似PN二极管反向恢复特性,具有较大的结电容。

 

超快恢复二极管和肖特基二极管的另外一个区别就是它们的导电特性不一样。肖特基二极管有比较大的导通电阻,这就使它的导通压降随着导通电流的增大而增大,如图29中的曲线A所示。这是由硅片里的漂流区中体电阻的阻性引起的。PN型二极管的正向导通电压特性更加平直,PN结正向压降如图29中的曲线B所示。

 

 

使用全波桥式电路,会增加整流器的串联损耗,这会降低电源的整体效率。如果反向电压足够小,通常倾向于使用肖特基二极管来替换PN型二极管。肖特基二极管的优点是可以稍微减小二次绕组的尺寸, 并有比较好的反向恢复特性。

有源输出级(同步整流器)

    在一些效率要求比较高的应用场合,在大电流的输出端可以用同步整流。同步整流电路比无源整流电路复杂得多。同步整流电路使用功率MOSFET,这些MOSFET用它们内部集成的反并二极管来实现反向导通。在整流器需要导通的时候,MOSFET开通,这样就可以把正向压降降到低于0.1v。同步整流电路只能用在MOSFET体二极管流过的电流只是正向的情况,也就是电流连续模式的正激式变换器。

图30是同步整流电路在开关电源中的一般用法。                                         

                                              图30


    MOSFET一般要反并联一个小的肖特基二极管,这个二极管的电流容量大概是MOSFET电流容量的20%一30%。反并联的肖特基二极管可以防止MOSFET内部的PN型二极管导通。因为如果这个二极管导通的话,它引起的正向导通压降大,反向恢复性能差。这两方面会使电源的效率损失1%~2%。

MOSFET的栅极驱动信号要求准确。如果栅极关断太迟的话,作为主开关管的MOSFET和同步整流器的MOSFET就会同时导通,它们之间会产生冲击电流。这个没有被限制的电流会增加损耗,并很快会使电源工作实效。图31给出了同步整流器工作时的临界时序。

                                                  图31

    同步整流器隐藏着的一个损耗就是驱动MOSFET栅极的损耗。有关栅极驱动的内容可以参见功率开关和驱动部分的设计。栅极驱动本质上是把一个具有800~2800pF电容的栅极从关断状态驱动成开通状态,然后再从开通状态回到关断状态,这个过程在每个开关周期重复进行着。该损耗与开关频率和栅极电容(Ciss 和Crss )成线性关系。
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