同步整流技術(shù)在通信電源模塊中的應(yīng)用

同步整流技術(shù)概述

　　現(xiàn)今電力電子技術(shù)在電源模塊中發(fā)展的趨勢(shì)是低電壓、大電流。使得在次級(jí)整流電路中選用同步整流技術(shù)成為一種高效、低損耗的方法。由于功率MOSFET的導(dǎo)通電阻很低，能提高電源效率，所以在采用隔離Buck電路的DC/DC變換器中已開始形成產(chǎn)品。同步整流技術(shù)原理示意圖見圖1。

　　同步整流技術(shù)是通過控制功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路，來利用功率MOSFET實(shí)現(xiàn)整流功能的技術(shù)。一般驅(qū)動(dòng)頻率固定，可達(dá)200kHz以上，門極驅(qū)動(dòng)可以采用交叉耦合(Cross-coupled)或外加驅(qū)動(dòng)信號(hào)配合死區(qū)時(shí)間控制實(shí)現(xiàn)。

同步整流技術(shù)的應(yīng)用

　　同步整流技術(shù)出現(xiàn)較早，但早期的技術(shù)很難轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品，這是由于當(dāng)時(shí)

1)驅(qū)動(dòng)技術(shù)不成熟，可靠性不高，現(xiàn)在技術(shù)已逐步成熟，出現(xiàn)了專用同步整流驅(qū)動(dòng)芯片，如IR1176等；

2)專用配套的低導(dǎo)通電阻功率MOSFET還未投放市場(chǎng)；

3)還未采用MOSFET并聯(lián)肖特基二極管以降低寄生二極管的導(dǎo)通損耗；

4)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中沒有解決分布電感對(duì)MOSFET開關(guān)損耗的影響。

　　經(jīng)過這幾年的發(fā)展，同步整流技術(shù)已經(jīng)成熟，由于開發(fā)成本的原因，目前只在技術(shù)含量較高的通信電源模塊中得到應(yīng)用。如Synqor，Tyco，EriCSSon等公司都推出了采用同步整流技術(shù)的產(chǎn)品。

　　現(xiàn)在的電源模塊仍主要應(yīng)用在通信系統(tǒng)中，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信芯片所需的電壓逐步降低，5V和3.3V早已成為主流，正向2.5V、1.5V甚至更低的方向發(fā)展。通信設(shè)備的集成度不斷提高，分布式電源系統(tǒng)中單機(jī)功率不斷增加，輸出電流從早期的10-20A到現(xiàn)在的30-60A，并有不斷增大的趨勢(shì)，同時(shí)要求體積要不斷減小。這就為同步整流技術(shù)提供了廣泛的應(yīng)用需求。

同步整流技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的對(duì)比

　　在傳統(tǒng)的次級(jí)整流電路中，肖特基二極管是低電壓、大電流應(yīng)用的首選。其導(dǎo)通壓降大于0.4V，但當(dāng)通信電源模塊的輸出電壓隨著通信技術(shù)發(fā)展而逐步降低時(shí)，采用肖特基二極管的電源模塊效率損失驚人，在輸出電壓為5V時(shí)，效率可達(dá)85%左右，在輸出電壓為3.3V時(shí)，效率降為80%，1.5V輸出時(shí)只有65%，應(yīng)用已不現(xiàn)實(shí)。

　　在低輸出電壓應(yīng)用中，同步整流技術(shù)有明顯優(yōu)勢(shì)。功率MOSFET導(dǎo)通電流能力強(qiáng)，可以達(dá)到60A以上。采用同步整流技術(shù)后，次級(jí)整流的電壓降等于MOSFET的導(dǎo)通壓降，由MOSFET的導(dǎo)通電阻決定，而且控制技術(shù)的進(jìn)步也降低了MOSFET的開關(guān)損耗。在過去三年中，用于同步整流的MOSFET工藝取得了突破性的進(jìn)展，導(dǎo)通電阻下降到了原來的1/5。現(xiàn)在，采用經(jīng)過特殊工藝處理的MOSFET，能達(dá)到非常低的導(dǎo)通電阻，如IR公司的產(chǎn)品IRHSNA57064，當(dāng)通導(dǎo)電流為45A時(shí)，其導(dǎo)通電阻僅為5.6mΩ，并且都已批量生產(chǎn)。

　　同步整流技術(shù)提高了次級(jí)整流效率，使生產(chǎn)低電壓、大電流、小體積的通信電源模塊成為現(xiàn)實(shí)。如Synqor公司的Tera系列為標(biāo)準(zhǔn)半磚模塊(2.3英寸x2.4英寸)，采用同步整流技術(shù)，其輸出電壓最低可到1.5V，輸出電流最大可到60A，功率密度達(dá)到每立方英寸60W。采用同步整流技術(shù)和肖特基二極管的電源模塊效率對(duì)比如表1所示。

同步整流技術(shù)應(yīng)用實(shí)例與技術(shù)優(yōu)勢(shì)

　　同步整流技術(shù)提高了電源效率，但其意義遠(yuǎn)不只如此，它給通信電源模塊帶來了許多新的進(jìn)步。下面結(jié)合Synqor公司的電源模塊為例進(jìn)行介紹。

　　Synqor公司采用同步整流技術(shù)生產(chǎn)的通信電源模塊由于降低了功耗，達(dá)到了很高的效率(91%)。

　　由于功耗的降低，在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了突破性的進(jìn)步，取消了散熱器，采用了無基板結(jié)構(gòu)。

　　在傳統(tǒng)的通信電源模塊中，基板是標(biāo)準(zhǔn)配置，是提供散熱途徑的重要部件，用來安裝散熱器。同時(shí)將功率器件集中于基板上，與控制電路板分開，減小發(fā)熱元件對(duì)控制芯片的影響。

　　Synqor公司的電源模塊取消了基板和散熱器，在相同通風(fēng)條件下，一樣能達(dá)到所需功率，這正是采用同步整流技術(shù)的成果。有許多顯著優(yōu)點(diǎn)：

　　1.由于基板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制電路板、散熱器及磁芯元件的安裝和焊接都需要人工，增加了故障可能性，降低了生產(chǎn)率。基板結(jié)構(gòu)要求功率元件與基板間必須保持良好絕緣，這正是傳統(tǒng)通信電源容易產(chǎn)生故障的地方之一。

　　2.采用同步整流技術(shù)后，可以使用無基板開放式結(jié)構(gòu)。這樣，更方便采用平面變壓器等新技術(shù)，使用多層電路板上的銅箔布線作為線圈，磁芯直接嵌在多層電路板中，磁芯散熱良好，多層電路板上的銅箔耦合緊密，最主要的是可以由先進(jìn)加工設(shè)備自動(dòng)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了電源模塊全部自動(dòng)化生產(chǎn)，極大的提高了生產(chǎn)率和可靠性。平面變壓器與傳統(tǒng)變壓器相比，還能夠?qū)崿F(xiàn)高功率密度，真正達(dá)到小型化。

　　3.此外，基板結(jié)構(gòu)中要填充絕緣導(dǎo)熱材料，增加了重量。帶有基板和散熱器的傳統(tǒng)電源模塊由于體積和重量大，抗震能力差，在通信設(shè)備的機(jī)架中阻礙空氣流通，降低了風(fēng)扇效能。而采用同步整流技術(shù)的Synqor電源模塊是開放式結(jié)構(gòu)，高度僅10mm(0.4英寸)，節(jié)約了機(jī)架空間，利于通風(fēng)，方便通信控制板上其它通信芯片的散熱；更高的功率密度使電源模塊節(jié)約了在通信控制板上所占的空間；較低的功耗減少了分布式系統(tǒng)前端主電源的負(fù)擔(dān)，節(jié)約了系統(tǒng)投資。

　　4.采用同步整流技術(shù)后，增強(qiáng)了抗電磁干擾(EMI)的能力。由于減少了基板，所以，原先存在于基板和接地間以及基板和元件間的寄生電容沒有了，這些寄生電容帶來的較大共模干擾也消失了，提高了電源抗電磁干擾的性能，如附圖2所示。

應(yīng)用前景

　　同步整流技術(shù)符合高效節(jié)能的要求，適應(yīng)新一代芯片電壓的要求，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。但目前只有較少的公司掌握了該項(xiàng)技術(shù)，并且實(shí)現(xiàn)的成本也很高，而且還有很多應(yīng)用領(lǐng)域未得到開拓。隨著用于同步整流的MOSFET批量投入市場(chǎng)，專用驅(qū)動(dòng)芯片的出現(xiàn)，以及控制技術(shù)的不斷完善，同步整流將成為一種主流電源技術(shù)，逐步應(yīng)用于廣泛的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。