[实用新型]同步整流控制装置及开关电源

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种开关电源，特别涉及开关电源的同步整流控制装置及基于该同步整流控制装置的开关电源。

背景技术

随着半导体器件及超大规模集成电路的快速发展，对大电流、低电压，低成本隔离开关电源的需求也随之大幅增加。正向压降只有0.3V-0.7V的肖特基二极管整流，大导通损耗成为开关电源小型化的瓶颈。为了提高低电压、大电流开关电源的效率，输出整流都采用了同步整流技术，现有技术中，普遍都是采用了三种驱动方式，变压器绕组电压自驱动型、隔离驱动型和电流驱动型

如图1所示的电路为变压器绕组自驱动型，变压器绕组自驱动型由于驱动电压是来自变压器的辅助绕组，电路简单、空间小，成本低，所以在高功率密度的模块电源应用中，绕组自驱动型被广泛的应用。但是绕组自驱动型电路由于在输出负载为空负载或轻负载的情况下，其波形如图2所示，输出电流可以过零，也就是在每个开关周期是会出现反向电流。这样就会造成开关电源的空载损耗加大或轻载效率降低。

其空载损耗变大原理为：在反激或反激类功率拓扑应用，空载或轻载情况下，变压器B值摆幅由第一象限变化到第一和第三象限，ΔB变大导致变压的磁芯损耗变大。由于有同步整流管出现了反向电流，所以增加了同步整流的关断损耗。

同理在正激或正激类的功率拓扑应用中，由于正激类的功率拓变压本来就是工作在第一和第三象限，但是其输出储能电感B值本应是只工作在第一象限的，在同步整流开关出现负向电流的时候，也同样让输出电感的B值工作到了第一和第三象限，同样增加储能电感的磁芯损耗和同步整流管的关断损耗。

因此空载损耗大和轻载效率低是绕组自驱动同步整流最大的缺点；

而采用图3所示的同步整流电路为隔离驱动型同步整流电路，其原理为采用隔离驱动变压器，从变换器的原边传输控制信号到副边，用来驱动变换器副边的同步整流整流，这种驱动电路可以克服变压器绕组自驱型的空载损耗大的缺点，但是带来的新问题是由于需要增加隔离驱动变压器及相关电路，隔离变压器由于体积比较大，成本较高，在高功率密度的模块电源中很难应用。

而采用图4所示的同步整流驱动电路为电流驱动型同步整流，其原理主要为在开关电源的副边回路里串联采样电阻或电流互感器，采集开关电源的副边电流信号，经过电压和功率放大后，用来驱动同步整流管，在空载或轻载时如果有出现电流过零的情况，由于驱动波形的电压方向就会发生变化，经过电路整理后形成有正向电流的时候有驱动波形，电流波形到零的时候，驱动电压波形也降到零，同步整流驱动就会被关断。这样就没有给输出电流过零创造条件，所以电流驱动型的同步整流电路不会出现开关电源副边电流过零，也就是不会出现同步整流绕组自驱动空载功耗变大和轻载效率变低的问题。电流驱动型同步整流根据电流采样的方法、放大的方法、控制的方法有非常多的电路形式和专利。电流型同步整流虽然克服了空载损耗大，轻载效率低的问题，但是同样不适用于高功率密度的模块电源，因为电流驱动型同步整流采用的互感器和电阻都是串联在开关电源副边的主功率回路上的，高功率密度电源的输出电流一般都是很大，在满载时会造成很大的损耗，降低了高功率模块电源的满载效率。如一个3.3V输出100W的电源在满载工作时，输出电流到30A，如果采用电阻到5mΩ会带来近5W左右的损耗，效率下降超过4％。所以采用这种驱动方案在轻载效率提升的时候降低了满载效率，得不偿失。而采用电阻或电流互感器的造成的体积变大也是高功率密度电源所不能接受的。

综上所述的三种同步整流驱动电路的优点和缺点如表一所示。

表一

高功率密度模块电源的理想同步整流为：空载或轻载功耗小、体积/成本小、满载效率高。

在隔离型开关电源中，为了实现开关电源输出电压的稳定，控制方式主要为PWM控制，又叫脉宽调整控制方式，其原理是，通过调节开关脉冲高电压时间占脉冲周期时间的比例来调节输出电压，这一比例在开关电源里定义为占空比。其具体的方式为，当输出电压升高时，负反馈电路将检测并传输这一信号给PWM控制芯片的反馈脚，反馈脚的电平发生变化，PWM控制芯片会根据这变化的电平输出对应占空比的脉冲驱动信号，让开关电源的输出电压降低，以实现稳定输出电压的目的。如果开关电源的输出电压下降时，则上述的逻辑过程则反之。

当开关电源的负载发生变化时，输出电压会发生变化，PWM控制芯片的反馈脚电平也会发生变化。

实用新型内容