一种新型降压式同步整流开关电源设计

王富强

(兰州交通大学电子与信息工程学院，甘肃兰州 730070)

电子产品的能耗问题日益突出，如何降低其待机功耗，提高供电效率成为一个亟待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电路结构简单，工作可靠性高，但仍存在体积大、铜铁消耗量大、效率低、工作温度较高以及调整范围较小的缺点。为了解决传统的线性稳压电源所产生的问题，人们将研究的重点转移到了开关电源上。我国的开关电源产品虽已得到了广泛的推广与应用，但由于传统功率器件频率和功耗的限制，导致多数开关电源产品采用频率为20 kHz以下的PWM技术，其效率仅能达到60% ～70%。

如何在减小开关电源体积的同时，提高其效率，是开关电源研究的一个重要方向。本文在应用同步整流技术的基础上，进一步加入了软开关技术来降低电路的开关损耗:一方面，应用阻抗更小的MOSFET代替传统二极管来降低整流损耗;另一方面，软开关技术的运用可以提高开关电源变换器的开关频率，从而减小了变换器的体积，增加变换器的功率密度，并降低了开关时产生的电路损耗。

1 基本原理与系统结构

文中根据电压控制模式开关电源的特点，设计了一款新型ZVT同步整流降压型变换器，其特性与具体指标如下:其是一种通用的降压型DC/DC变换器，采用电压反馈模式控制的脉冲宽度调制(PWM)方式，具有负载范围宽、总体损耗小、效率高、抗干扰能力强、低噪声、静态电流小等优点［1］。文中将主流的同步整流技术与新提出的软开关拓扑应用其中，其输入电压为电源电压12 V，输出为3.3 V的稳定电压。

如将上述拓扑结构与同步整流Buck变换器结合，便形成了ZVT同步整流Buck变换器，通过外部电路产生脉冲信号，并通过内部芯片进行脉冲延迟、欠电压检测、脉冲放大器和脉冲滤波等一系列操作，其原理框图如图1所示。

根据图1框图，调制及变换后的脉冲最终通过输出电路并按照设计的开关时间和顺序驱动3个开关。其中，信号调制电路、脉冲变换电路以及开关输出电路均可通过IC控制下的ZVT同步整流Buck变换器实现。

图1 外部电路原理框图

2 ZVT同步整流Buck变换器

在低电压、大电流输出的情况下，传统的二极管整流电路因其整流损耗已无法满足实现低电压、大电流、高效率的开关电源，更达不到小体积，这就成为制约DC/DC变换器提高效率的瓶颈［2］。而功率MOSFET作为开关管，导通电阻≤0.01Ω，可用MOSFET作为整流管代替传统的二极管，进一步提高其效率。在使用MOSFET整流时，要求栅极电压必须与被整流电压相位一致，故称为同步整流，图2为同步整流Buck电路的简化图。

图2 同步整流电路原理图

图3为同步整流Buck变换器，要实现同步整流，在设计过程中需考虑到留有一定的死区时间，用以避免S或S2同时导通，相当于开关器件直接接地导致器件上电压电流瞬间增大，使开关损坏。为产生死区时间就需要两个同步的PWM信号来驱动这两个开关，在这两个信号间互相比较，使得驱动时能产生两管间所要求的驱动时间间隔［3］，故应在设计中选择用同一芯片驱动两个开关管，在该操作的作用下，用于S2管导通的时间将会变长，从而可解决一部分由于频率增大所导致的系统异常，对于低占空比的变换器优势也将更加明显。

图3 应用IRS2181芯片的同步整流变换器原理图

在此Buck同步整流变换器中，同步整流MOSFET管是由IC控制，既由IRS2181芯片驱动和控制。因此，此驱动信号具有控制时序准确、驱动电压恒定、不受输入或输出电压影响的优点。

在图3中，此变换器脉冲产生部分使用555定时器设计了一个脉冲发生信号器，如图4所示。其中，电路由 555、VT1、VT2、R1、R2、RP1和 C1组成了一个多谐振脉冲发生器。电路中电容C1的充、放电回路独立分开，调节RP1时，电路中只改变充电放电的时间常数并不会改变电路的震荡频率。在C1充电到2/3的输入电压之前，3脚呈高电平，VT2导通，RVT1呈现较小的阻抗，调节RP1，可使占空比在2% ～98%范围内变化，而周期不变。驱动信号产生后送入IRS2181中进行处理，并进行脉冲整形和输出，然后经由HO和LO输出。基本的Buck电路只需驱动高端开关，LO端口则空闲。

图4 占空比可调的定周期脉冲发生器电路图

文中应用驱动芯片采用国际整流(IR)公司的IRS2181架设驱动电路。之所以应用该芯片是由于:专有的单独逻辑接地引脚VCC对于COM瞬态电压变化具有更高的免疫力。IRS2181在芯片中采用了高度集成的电平转换技术，大幅简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，此外，提高了驱动电路的可靠性［4］。同时上管采用外部自举电容上电，使驱动电源数目较其他IC驱动明显减少，在工程上大幅缩减了控制变压器体积和电源数目，且降低了产品成本，提高了系统可靠性。

将图2中的ZVT同步整流电路进行拓扑分析，如图5所示。其中，S为主开关，S1为辅助开关，S2为同步整流开关，Lr为谐振电感，Cr为谐振电容，D为高频肖特基二极管。S1、Lr及Cr所构成的辅助谐振网络将约在1/10个周期内完成软开关的操作，此网络与主开关并联，从而构成了ZVT软开关拓扑结构［9－10］。

图5 主电路拓扑图

按照设计要求和框图结构，设计应用了两个IRS2181芯片分别驱动开关管和整流管。主开关管与整流管共用一个芯片，方便产生死区时间，避免器件因瞬间通过大电流或大电压而造成的不必要损失，辅助开关管单独应用一片芯片驱动，如图6所示。

图6 应用IRS2181芯片的ZVT同步整流变换器原理图

3 仿真及结果

在固定负载的条件下，电路利用仿真高速、用户界面友好的PSIM 6.0工具仿真［5－8］，其仿真结果如图7所示。

如图7(a)所示，在Cs两端电压为零时，主开关管S在ZVS条件下导通。电路中有一小段时间电流应力偏高，电压的最大值并未超过器件可承受的电压应力，且S的关断也是在ZVS条件下完成的，这与前面分析的电路波形基本一致。

如图7(b)所示，辅助开关管S1也是工作在软开关条件下的。S1在谐振电感Lr的作用下零电流导通，又在当流过Lr和Cr的谐振电流变为零时，在零电流的条件下关断。其反并联二极管在S1为零电流关断时导通，在谐振电流将为零时关断。而仿真波形验证了前面理论分析波形的正确性，辅助电路仅工作一小段时间，其导通时间短暂。通常其工作时间段长度＜1/10个开关周期。

如图7(c)所示，同步整流管S2当Cr完全放电后，在ZVS条件下导通。同样，其关断也是在ZVS条件下完成的。与S、S1类似，也能在器件的安全工作区工作，且与其他开关相比可在较低的功率下工作。

如图7(d)所示，肖特基二极管D仅在Cr放电给负载时，工作一小段时间，其导通和关断均在ZVS条件下完成。二极管在导通期间会产生一个可计算的导通压降，对于小功率的变换器，该压降的大小对整个电路的效率影响较大。随着半导体技术的发展，各型号的导通压降小的二极管相继出现，使相应的选择范围将更广泛。

图7 电路各主要电量仿真图

通过上述分析可知，本文提出的ZVT同步整流Buck拓扑中所有的有源或无源器件均实现了在软开关条件下工作，且本拓扑在未增加S和S1上电流或电压应力的基础上，提高了电路的整体效率。本拓扑结构简单，采用ZVT拓扑和同步整流技术后整体电路损耗锐减，易于控制实现，并可应用到其他的PWM DC/DC变换器和所有的开关电源上。在一个开关周期内多数时间均工作在PWM条件下，而辅助电路只工作约10%的时间，电路有较宽的负载范围。

4 结束语

本文在开关电源的整流部分应用阻抗更小的MOSFET代替传统二极管来降低整流损耗，提出了在电路拓扑中将ZVT软开关技术与同步整流技术相结合的方法。通过仿真实验，验证了主开关和整流开关在零电压下导通，辅助开关在零电流下导通，且所有开关的工作均是在未增加器件电流或电压应力的基础上完成。证明了本设计更适宜在低电压大电流下工作，在转换效率上也得到了大幅提高。

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