低压大电流同步整流DCDC转换器设计.docx

低压大电流同步整流DCDC转换器设计.docx

《低压大电流同步整流DCDC转换器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《低压大电流同步整流DCDC转换器设计.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

低压大电流同步整流DCDC转换器设计

毕业设计（论文）

低压大电流同步整流DC/DC转换器设计

系　　　　　　别：

机电信息学院

专业名称：

电气工程及其自动化

学生姓名：

张康

学　　　　　　号：

1202030114

指导教师姓名、职称：

张成民高级工程师

完成日期2015年12月25日

低压大电流同步整流DC/DC转换器设计

摘要

进入21世纪后，微电子技术、互联网技术、集成电路，和信息技术发展得非常快速。

集成电路芯片和数字信号处理器的大规模被普及应用在手机，笔记本电脑，工作站等的场合中。

小功率的DC-DC变换器广泛的使用在计算机、各种诸如手机，笔记本电脑等便携的电子产品。

电子产品的精密化，小型化要求供电电源必须可以输出更低的电压、更大的大输出电流、而且必须保证功率密度高、效率更高、稳定性及具有快动态响应来满足以上的各种场合要求的快速、更加高效的数据处理速度。

按照低压大电流输出的DC/DC转换器的特点，我们了解到效率问题是变换器中的重要表现，经过对同步整流的原理和特点的分析，重点说明了低功率场合中自驱动同步整流的各种优势，对于自驱动同步整流，分析介绍了各种与之相结合电路拓扑后，我们发现必须给出一种新的同步整流方案，即一种新的单绕组自驱动同步整流方案，通过此方案来解决常规的自驱动同步整流方案所带有的种种局限性。

单绕组自驱动同步整流方案就是本文主要说明的方案，它具有简单性、经济性、可靠性，单绕组自驱动同步整流这种整流方案在低功率，输出低压，大电流的DC/DC变换器应用场合中使用十分合适。

自驱动同步整流的应用拓扑范围很宽，尤其适用于变压器如桥式、推挽等对称工作的拓扑。

本毕设将会进行研究分析单绕组自驱动同步整流对称半桥变换器的优点，通过对主电路设计与驱动电路设计，具体到对电路元件参数进行相关计算和元件的选择，通过软件对其进行了仿真，验证了变换器低压，大电流输出的可行性。

关键词：

直-直；变换器；小功率；同步整流；单绕组自驱动；对称半桥；系统设计

LowvoltagehighcurrentsynchronousrectificationDC/DCconverterdesign

Abstract

Inthe21stcentury,microelectronictechnology,Internettechnology,integratedcircuits,andinformationtechnologydevelopedveryquickly.Integratedcircuitchipsanddigitalsignalprocessorsscaleisuniversalapplicationinmobilephones,laptops,workstations,andsoonoccasion.Low-powerDC/DCconverterinthecomputer,communicationsandotherapplicationshavebeenwidelyused.Itspowersupplymusthavealoweroutputvoltage,outputcurrent,higherpowerdensity,higherefficiency,stability,andhasfastdynamicresponsetomeettherequirementsofvariousoccasionsoverthefaster,moreefficientdataprocessingspeed.

AccordingtoDClowvoltagehighcurrentoutputDC/DCconverterfeatures,weknowthattheconverterefficiencyisanimportantmanifestationoftheanalysisoftheprinciplesandcharacteristicsofsynchronousrectification,andhighlightsthelow-powerapplicationsineachself-drivensynchronousrectificationDominant,forself-drivensynchronousrectification,theanalysisdescribesthevariouscombinationofcircuittopologywithafter,wefounditnecessarytogiveanewsynchronousrectificationscheme,namely,anewsingle-windingself-drivensynchronousrectificationscheme,throughthisprogramstoaddresstheconventionalself-drivensynchronousrectificationprogrambroughtsomevariouslimitations.

Single-windingself-drivensynchronousrectificationschemeismainlydescribedhereinprograms,ithasasimple,economical,reliable,itisverysuitableforlow-powerlowvoltagehighcurrentoutputDC/DCconverterapplicationsoccasions.Self-drivensynchronousrectificationtopologyofawiderangeofapplications,especiallyfortransformersuchastopologybridge,push-pullandothersymmetricalwork.

Thisarticlewillstudyandanalyzesingle-windingself-drivensynchronousrectificationsymmetricalhalf-bridgeconvertercharacteristicsbydrivingthemaincircuitdesignandcircuitdesign,circuitelementsspecifictotherightrightparametersrelatedcalculationsandcomponentselection,throughitssoftwaresimulation,verificationofthelow-voltage,high-currentoutputoftheconverterfeasibility.

Keywords:

DC-DC;Converter;LowPower;Synchronous;RectificationSelf-Driven;Half-BridgeSystem;Design

1绪论

本文针对最新一代数据处理器、仪器仪表、网络产品相关的工控设备、通讯产品设备、电力相关设备、影音设备等等的应用场合，对各种产品的电源中的低压大电流同步整流DC/DC转换器进行了相关背景学识的介绍和转换器重要技术进行理论分析计算设计。

1.1课题背景

随着信息科技行业的高速发展，具有高速，超大规模的集成电路产品尺寸因此变得不断减小。

各种计算机设备、科研工作站、网络服务器、便携式设备例如笔记本电脑，手机等各种设备得到了快速的发展。

这些应用方式中，直流分布式电源及其系统被广泛的使用。

电源系统的关键组成部分是使用了各种各样设计的直流电源转换器。

通讯电源的发展经过通信业的快速发展壮大，开关电源处于通信系统中的最重要的位置逐渐的变成了当今通信供电系统的主流。

在这个通讯行业的领域中，一次电源是高频整流器，而二次电源是直流/直流变换器。

随着集成电路开始大规模发展壮大，电源模块逐渐变得小型化，所以需要采用新的电路拓扑结构，开关频率得以不断的升高，这些要求使得高频开关电源技术得不断的发展，不断的进步。

我们知道生活中的笔记本电脑，手机，家庭座机等计算机、通讯产品的中央处理器是由几个微处理器组成，它具有高效率的数据处理电路。

相对于电源来讲，这些数据处理电路中的特殊的负载工作的电压变得越来越低、反而电流越来越大，在各种各样的工作状态下相互转换时电流的变化率越来越高。

为了进一步提高处理器的电路数据处理速度，微处理器的频率将会进一步提高，并且集成化程度会不断发展提高，供电电压将会变得越来越低，将会使得更多的处理器会直接集成在一个同一个小小的芯片上，所以将来的处理器它的额定工作电流必然会达到几十安培，甚至l00A或者可能会更高。

工作电流的增大会使处理器拥有着严格的功率管理方式，会对这类负载的供电的电源提出非常高的要求。

现在很多国外的电力芯片科研机构，集团公司针对这类具有特殊负载的电源进行更深层次的研究，设计出电压调节模块（VRM）。

它针对这些微处理器的高要求，电压调节模块务必提供严格的低电压输出，大电流的输出，并且这类电压调节模块还得具备快速的动态响应。

直流开关电源的发展方向逐渐朝着体积小型化，模块化，智能化，数字化，频率高等几个方向发展。

从目前的各种开发的产品来说，开关电源的开关频率已经发展到数百kHz甚至到数MHz的高度。

频率的大小也决定了开关电源小型化与模块化的发展。

电源小型化，它的一个重要的指标就是功率体积比，开关电源的功率体积比逐渐从80W/in3发展到120W/in3这个高度。

模块化与小型化密不可分，模块化的发展可以使得开关电源可以十分灵活使用，同时也提高了电源的可靠性。

最主要的是可以让开关电源的生产和使用变得更加简单。

开关电源的使用简单化，维修简易化必然要求它具有智能化。

目前，随着科技大发展，不论是航空电气，还是厂房设备，还是家庭中的简单的电源，数字化的发展都可以使开关电源的元器件变少，体积变小，而且可以更加安全。

1.2电源管理概述和发展趋势

开关电源是诸如家用电视机，计算机，手机，测试仪器，生物学仪器，通讯设备等现代电力电子设备的重要组成部分。

今天的开关电源的分类不过就是交流开关电源（可以输出电能质量较高的交流电）和直流开关电源（可以输出电能质量较高的直流电）两个类别。

电力电子变换器是开关电源的核心部分。

如果按照能量转换角度划分，开关电源可以划分四个类型。

第一种便是我们常说的直·直变换器（DC-DC）,它是直流开关电源的重要的组成部分。

这种变换器可以将直流电能转换为另一种或者多种的电压直流电能。

还有一种是整流器（AC-DC转换器），又称为离线式变换器，可以把交流电转换为直流电能的转换器。

第三种就是逆变器（DC-AC变换器）。

顾名思义就是把一种直流电能转换成其他的交流电能的变换器。

它是交流开关电源和不间断电源（UPS）的重要组成部分。

最后要说的就是将一种频率的交流电直接转换为另一种恒定频率或者可以变换的交流电的交·交（AC-AC）变频器。

以上的四类变换器既可以单向变换，也可以是双向变换。

单向变换就是只能将电能从一个方向输入经过转化后从其他的方向输出。

双向变换就是电能的流动可以使双向的。

1.3开关电源叙述

1.3.1直流开关电源分类

开关电源概念的引入，首先，我们借助实际生活中的例子——便携式计算机适配器来阐述开关电源的作用，即为什么要用适配器计算机才能工作。

如果用电池给便携式计算机供电，供电的时间是有限的，电池电量用完了，计算机就不能工作了，下次要用电池给计算机供电，怎么办？

适配器的作用之一：

给电池充电。

适配器的输入电压为AC-220V，而电池电压为DC-20V，也就是AC-220V经过适配器变换得到DC-20V之后才能给电池充电。

如果不用电池给便携式计算机供电，直接用适配器给计算机供电，那么AC-220V经过适配器变换得到DC-20V，便能给便携式计算机供电，若计算机工作需要。

若计算机工作需要消耗65W（输出20V/3.25A）的能量，假设整个电路的效率为85%，那么输入端75W的能量要经过适配器传递给计算机。

适配器的作用之二：

把交流AC-220V变换成计算机工作时需要的直流电压20V和传递能量。

直流开关电源可以按照输入输出是否电气隔离分为两大类别：

第一类：

隔离式直流开关电源。

隔离式变换器可以实现输入与输出间的电气隔离，而变压器来达成电气隔离是一种常见的采用方法，变压器的本身就具有变压的功能。

第二类：

非隔离式直流开关电源。

非隔离式变换器则无法实现输入与输出间的电气隔离。

我们按照其功能和电路结构将电源管理芯片分为两种，分别为连续工作式电源以及开关电源。

一般来讲，选用电力电子器件作为开关管，通过对开关管的高频率的开通与关断控制，将一种电能形态转变成为另一种电能形态的装置被称为开关变换器。

现如今我们把开关电源分成两个类别，分别是直流开关电源以及交流开关电源。

开关电源的大规模应用得益于它具有体积小型化、重量轻、转换的效率高而发热量却比较低、整体的性能优良等特点，这是传统的连续工作电源所不具备的优点。

所以开关电源逐渐的开始在电子整机与多种多样的设备中得到极大的推广应用。

1.3.2开关电源的定义

我们知道，很多电力电子设备工作所需的电压往往低于原始的一次电源，例如家庭用电220V，蓄电池，干电池等电源。

往往需要通过降压，转换才能达到设备所需要的合适的电压。

一般来讲，凡是采用电力电子器件作为开关管，控制开关管进行不断的高频率的开通与关断，将一种电能转换为另一种电能的装置被称为开关转换器。

而开关电源（SwitchingModePowersupply．SMIPS）就是将开关变换器作为最主要的核心组成部分，通过闭环自动控制这种装置对输出电压进行稳定，并且加入保护电路等的装置。

直流开关电源就是将直直（DC-DC）转换器作为它的重要的核心部分。

1.3.3开关电源的工作原理

开关电源的工作原理如图1-1中的a图所示：

输入电压经过开关S来加至输出端。

下图中的S为一个受控开关,矩形的脉冲电压通过要求对受控的高频的开通与关断即可把不稳定的输入电压U转换成脉冲电压。

通过滤波电路经过对脉冲电压的滤波后，最后就输出了稳定的输出直流电压.

（a）电路图

（b）波形图

图1.1.开关电源工作原理图及波形图

为了更加方便的分析开关电源电路，将脉冲占空比的定义如下：

（1-1）

上式中，开关电源S开关周期用T来表示，则表示的是受控开关在一个开关周期中导通所占用的时间。

由此可知，占空比就是开关电源的导通时间与一个重复开关周期的比值。

而开关电源输出的稳定直流电压.与输入的不稳定的电压之间的关系如下表示：

=*D（1-2）

由上式中的1-1和式1-2能够看出来，若想调节输出电压，可通过转变受控开关S的导通时间，即可改变脉冲占空比D。

（假设开关周期T一定）。

这里引出电压的控制方式。

一种稳压方式叫做脉冲宽度调制（PWM），它就是在周期T不变的情况下，通过改变导通时间来完成对占空比改变。

我们知道，脉冲宽度调制PWM式的开关频率f是固定不变化的，这就可以使得滤波电路的设计变得尤为简单，可以很轻易的就可以实现滤波电路设计的最优化。

因此拓宽了脉冲宽度调制PWM式开关电源的使用范围。

另一个方式脉冲频率调制（PFM）就是保持导通时间一定，依据f=l/T这个公式，通过改变开关频率f来改变开关周期T，以此实现对脉冲占空比的D调节，最终实现直流电压输出稳定的方法。

与脉冲宽度调制（PWM）不同的是该方法的开关频率不够稳定，因此滤波电路的设计就不容易设计，最优化实现太难导致使用范围较小。

除此之外，还有一种方法改变占空比的方式就是既改变导通时间又改变开关周期T。

这种在现实中比较少用的稳压方式被称为脉冲调频调宽。

1.3.4开关电源的组成

开关电源的基本组成如图1.2所示。

开关电源的核心部分是转换器。

而DC/DC转器的作用是对功率进行转换；驱动器是开关信号的放大部分，为适合开关管的驱动要求，必须对开关信号做出放大与相应的调整；信号源发出控制信号，通过它激或自激电路方式产生控制信号，此控制信号可以是脉冲宽度调制PWM信号、也可以是脉冲频率调制PFM信号也可能是其他的信号；比较放大器来比较运算给定信号与输出反馈信号，对开关信号的幅值大小、频率高低、波形状况等进行检测。

通过驱动器改变受控开关的占空比，完成输出稳定电压值的目的。

开关电源模块还有输入滤波电路、辅助电路启动装置、过流过压保护装置、输出采样、功能指示灯等。

图1.2开关电源基本组成

DC/DC变换器的控制电路有多种形式，其中以脉冲宽度调制的PWM变换器使用较多，通过改变受控开关的导通时间来稳定输出控制波形为方波。

1.4本文主要研究的内容

本文介绍了新一代数据处理器、网络产品工业控制设备、通信设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备等应用领域，对DC/DC变换器能够输出低电压大电流进行了研究与设计。

本毕设主要研究的内容：

1.本设计对转换器中的最重要的同步整流部分进行工作原理与特点的介绍分析。

并且对整流方案中的自驱动同步整流进行详细的介绍。

2.本设计也通过各种稳态分析，主要对单绕组自驱动同步整流对称半桥转换器进行详细的研究与分析。

对同步整流管进行选择、对整流管进行损耗计算。

3.对变换器的整流方案进行了电路的分析介绍，并给出了各种仿真波形说明设计的准确性。

2同步整流原理及同步整流方案的选择

整流电路是低电压/大电流输出DC-DC转换器设计的重中之重。

在低压大电流输出的DC-DC转换器，通常使用肖特基整流管。

肖特基二极管的压降通常是0.3V-1V。

但即便是很好的肖特基二极管，它的正向导通压降也很难可以低于0.3V，直接导致整流管中导通损耗的比例占到总损耗的很大一部分。

现如今通常把MOSFET作为整流管（同步整流管），使得整流管中的导通损耗大幅度减少，从而提高了变换器的效率。

本章节首先将对同步整流技术进行理论分析，对比DC/DC变换器的特点，并结合自驱动同步整流的特点，对单绕组自驱动同步整流方案进行拓扑分析得出最佳的整流方案。

2.1同步整流的原理

2.1.1同步整流对效率的影响

在输出低压大电流的DC-DC转换器中，传统的方法是整流管采用肖特基二极管，因为二极管的正向的导通压降通常在0.3V-1V之间的范围内，导通压降的大小直接可以增大整流管的导通损耗，即便质量很好的肖特基二极管，正向的导通压降也是特别难于实现低于0.3V这个值。

所以，二极管的正向导通压降比较大，直接导致整流管的总损耗中导通损耗的比例就会占到很大一部分，现如今已不再适合选做整流管。

并且除了导通损耗，还有变压器副边绕组损耗和滤波电感绕组损耗，我们这里只分析整流管中导通压降所造成的损耗。

只分析整流管导通损耗，对变压器副边绕组损耗和滤波电感绕组损耗不做分析，变换器的效率η与整流管的压降

的关系可以用已下公式表示:

η=

（2-1）

其中η为变换器的效率，当负载电流为，

则对应的为整流管的正向导通压降；a为变换器去除整流管后导通损耗

，是其它损耗

与输入功率

的比值。

可以从上公式得知，变换器的效率主要是由整流管中压降的高低来决定。

因为输出电压的逐步降低，变换效率会随着整流管的压降

会将更加接近

而逐渐降低。

所以，整流部分中的功耗的减少，是决定低压大电流输出的DC-DC转换器的效率的关键问题所在。

现如今的技术中，用MOSFET整流管来代替传统的schottky二极管作为开关电源的整流管，它具有低导通电阻的低压功率，因此对整流管的导通损耗减少非常有效，这是同步整流技术中应用中的发展趋势。

2.1.2同步整流的由来

理论和事实都表示，设备的工作电压越来越低，设备的微处理器的工作频率越来越高，它的能量损耗则越小，因此具有更低输出电压，甚至低于1V的开关电源可以对将来的微处理器的发展做出最大的贡献。

为了提高微处理器的工作频率，加快处理数据速度和处理的能力，且能够保证微处理器能够正常的工作。

这就要求开关电源转换器的输出端可以输出足够低的电压的同时还能够输出最高100A的大电流，倘若使用肖特基二极管整流，由于肖特基二极管的导通管压降为0.3V-1V，导致器件导通消耗的功率严重。

新一代的同步整流技术（SynchronousRectification，下文简称SR）的核心就是用MOSFEET管代替肖特基二极管用于改变转换器输出端的整流。

因为导通电阻即使在整流管完全导通时电压即使再大，导通电阻也不会大幅度的增加，这样MOS管的损耗会特别的小，因此开关电源的转换效率就会变得特别大。

以图2.2中的降压型（BUCK）电路来进行说明，（a）续流整流管为schottky二极管;（b）续流整流管为MOSFET。

（a）续流整流管为schottky二极管

（b）续流整流管为MOSFET

图2.1BUCK电路

如（b）电路图，肖特基二极管在被MOSFEET代替之后。

整流管Q1关断后，为保持续流整流管能够持续的开通，所以这里就知道整流管Q2的作用，通过对其加上开通驱动信号继续驱动整流管2来保证持续续流。

只要根据电路拓扑，MOSFET的开关信号能够作出相应的变化，且开关速度能够足够快，DS（漏极和源极）间开关动作与电路要求可以保持同步，就实现整流功能。

2.1.3同步整流管的简介与选择

功率MOS管有三个引脚分别是漏极D、源极S和栅极G。

漏极与源极间有一个寄生二极管（反并联二极管），也称为体内二极管，而且还有输出结电容；栅极和源极（GS）之间加入驱动信号，电流方向是从源极S流到漏极D。

导通状态下，MOS管的伏安特性关系是线性的。

因此,功率MOS管是一种可控的开关器件,只要提供适当的驱动控制,可实现整流。

选择开关器件，不外乎根据线路上所需的电压及电流来选择某一型号。

在MOSFET作为功率器件的选择方式上，一些设计师往往只关注导通电阻值得大小，而对寄生电容如栅源电容,栅漏电容,输入电容,输出电容。

事实上，一些相关的损耗往往被忽视，但是它们会因为一些特别的情况而突出的显现出来，甚至高于导通损耗。

我们知晓MOSFET的开关速度的大小会随着开关电源的开关频率不断的升高过程中，有些容性参数如驱动电路内阻的大小对其的开关速度会影响特别大。

因此务必对这些寄生参数的各种影响做出谨慎的考虑。

实际确定SR管时，根据所采用的具体电路拓扑的特点，对基本的损耗公式作必要的调整，核算整流部分的总损耗。

根据负载电流、开关频率、体积、成本等具体要求，在相关软件计算工具的帮助下，计算出满足应用场合的最优电路参数，从而确定SR管。

2.1.4典型的同步整流电路及其工作过程

图2.3是典型的同步整流电路设计图，下图中D1是同步整流管的Q1体二极管，D2则是同步整流管Q2的体二极管，Vpri是同步整流电路器原边电压，Vsec则是变压器的副边电压。

（a）副边辅助绕组电压波形图

（b）典型的同步整流电路

图2.2辅助绕组电压波形图及同步整流电路

同步整流电路的基本工作过程是：

当Vsec1或Vsec2由正变负时，相应的MOSFET管Q1导通，Q2关断。

反之，相应的MOSFET管Q