关键词: 同步整流；效率；基板结构



同步整流技术概述



　　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、大电流应用的首选。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5.6mω，并且都已批量生产。


　　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，其输出电压最低可到1.5v，输出电流最大可到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如表1所示。







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，最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，如附图2所示。




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。




摘自《国际电源商情》