同步整流技术在通信电源模块中的应用

出处:ihafd 发布于:2012-12-22 11:58:09

  现今电力电子技术在电源模块中发展的趋势是低电压、大电流。使得在次级整流电路中选用同步整流技术成为一种高效、低损耗的方法。由于功率MOSFET的导通电阻很低,能提高电源效率,所以在采用隔离Buck电路的DC/DC变换器中已开始形成产品。同步整流技术原理示意图见图1。

  同步整流技术是通过控制功率MOSFET的驱动电路,来利用功率MOSFET实现整流功能的技术。一般驱动频率固定,可达200kHz以上,门极驱动可以采用交叉耦合(Cross-coupled)或外加驱动信号配合死区时间控制实现。

  同步整流技术的应用

  同步整流技术出现较早,但早期的技术很难转换为产品,这是由于当时

  1)驱动技术不成熟,可靠性不高,现在技术已逐步成熟,出现了专用同步整流驱动芯片,如IR1176等;

  2)专用配套的低导通电阻功率MOSFET还未投放市场;

  3)还未采用MOSFET并联肖特基二极管以降低寄生二极管的导通损耗;

  4)在产品设计中没有解决分布电感对MOSFET开关损耗的影响。

  经过这几年的发展,同步整流技术已经成熟,由于开发成本的原因,目前只在技术含量较高的通信电源模块中得到应用。如Synqor,Tyco,Ericsson等公司都推出了采用同步整流技术的产品。

  现在的电源模块仍主要应用在通信系统中,随着通信技术的发展,通信芯片所需的电压逐步降低,5V和3.3V早已成为主流,正向2.5V、1.5V甚至更低的方向发展。通信设备的集成度不断提高,分布式电源系统中单机功率不断增加,输出电流从早期的10-20A到现在的30-60A,并有不断增大的趋势,同时要求体积要不断减小。这就为同步整流技术提供了广泛的应用需求。

  同步整流技术与传统技术的对比

  在传统的次级整流电路中,肖特基二极管是低电压、大电流应用的。其导通压降大于0.4V,但当通信电源模块的输出电压随着通信技术发展而逐步降低时,采用肖特基二极管的电源模块效率损失惊人,在输出电压为5V时,效率可达85%左右,在输出电压为3.3V时,效率降为80%,1.5V输出时只有65%,应用已不现实。

  在低输出电压应用中,同步整流技术有明显优势。功率MOSFET导通电流能力强,可以达到60A以上。采用同步整流技术后,次级整流的电压降等于MOSFET的导通压降,由MOSFET的导通电阻决定,而且控制技术的进步也降低了MOSFET的开关损耗。在过去三年中,用于同步整流的MOSFET工艺取得了突破性的进展,导通电阻下降到了原来的1/5。现在,采用经过特殊工艺处理的MOSFET,能达到非常低的导通电阻,如IR公司的产品IRHSNA57064,当通导电流为45A时,其导通电阻仅为5.6毫欧,并且已经批量生产。

  同步整流技术提高了次级整流效率,使生产低电压、大电流、小体积的通信电源模块成为现实。如Synqor公司的Tera系列为标准半砖模块(2.3英寸x2.4英寸),采用同步整流技术,其输出电压可到1.5V,输出电流可到60A,功率密度达到每立方英寸60W。采用同步整流技术和肖特基二极管的电源模块效率对比。

  同步整流技术应用实例与技术优势

  同步整流技术提高了电源效率,但其意义远不只如此,它给通信电源模块带来了许多新的进步。下面结合Synqor公司的电源模块为例进行介绍。

  Synqor公司采用同步整流技术生产的通信电源模块由于降低了功耗,达到了很高的效率(91%)。

  由于功耗的降低,在结构上实现了突破性的进步,取消了散热器,采用了无基板结构。

  在传统的通信电源模块中,基板是标准配置,是提供散热途径的重要部件,用来安装散热器。同时将功率器件集中于基板上,与控制电路板分开,减小发热元件对控制芯片的影响。

  Synqor公司的电源模块取消了基板和散热器,在相同通风条件下,一样能达到所需功率,这正是采用同步整流技术的成果。有许多显著优点:

  1.由于基板结构复杂,控制电路板、散热器及磁芯元件的安装和焊接都需要人工,增加了故障可能性,降低了生产率。基板结构要求功率元件与基板间必须保持良好绝缘,这正是传统通信电源容易产生故障的地方之一。

  2.采用同步整流技术后,可以使用无基板开放式结构。这样,更方便采用平面变压器等新技术,使用多层电路板上的铜箔布线作为线圈,磁芯直接嵌在多层电路板中,磁芯散热良好,多层电路板上的铜箔耦合紧密,主要的是可以由先进加工设备自动生产,实现了电源模块全部自动化生产,极大的提高了生产率和可靠性。平面变压器与传统变压器相比,还能够实现高功率密度,真正达到小型化。

  3.此外,基板结构中要填充绝缘导热材料,增加了重量。带有基板和散热器的传统电源模块由于体积和重量大,抗震能力差,在通信设备的机架中阻碍空气流通,降低了风扇效能。而采用同步整流技术的Synqor电源模块是开放式结构,高度仅10mm(0.4英寸),节约了机架空间,利于通风,方便通信控制板上其它通信芯片的散热;更高的功率密度使电源模块节约了在通信控制板上所占的空间;较低的功耗减少了分布式系统前端主电源的负担,节约了系统投资。

  4.采用同步整流技术后,增强了抗电磁干扰(EMI)的能力。由于减少了基板,所以,原先存在于基板和接地间以及基板和元件间的寄生电容没有了,这些寄生电容带来的较大共模干扰也消失了,提高了电源抗电磁干扰的性能。

  应用前景

同步整流技术符合高效节能的要求,适应新一代芯片电压的要求,有着非常广阔的应用前景。但目前只有较少的公司掌握了该项技术,并且实现的成本也很高,而且还有很多应用领域未得到开拓。随着用于同步整流的MOSFET批量投入市场,专用驱动芯片的出现,以及控制技术的不断完善,同步整流将成为一种主流电源技术,逐步应用于广泛的工业生产领域。

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