205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217

Раздел 16 Импульсные источники питания

Выбор полупроводниковых компонентов

Синхронное выпрямление

Напряжения питания процессоров снижаются, а уровни тока повышаются. Ядро процессора зачастую питается напряжением всего лишь 1.25 В и потребляет десятки ампер. Для питания логических схем всё шире применяется напряжение 3.3 В (вместо 5.0 В). Это значит, что потери проводимости диодов составляют значительный процент от выходной мощности. Возьмём, к примеру, 15-вольтовый диод Шотки, имеющий прямое падение напряжения 0.36 В. Если диод используется в понижающем стабилизаторе с выходным напряжением 5 В или 3.3 В при токе 15 А, он будет рассеивать 1.84 Вт в открытом состоянии и порядка 0.33 Вт в закрытом вследствие обратного тока 100 мА. В прямоходовом преобразователе используются два диода, а суммарные потери в них обоих составляют примерно 5.9 Вт. Значит, только на диодах теряется 11% мощности.

Во многих схемах без гальванической развязки в качестве ключей используются два МОП-транзистора. Необходимо, чтобы нижний транзистор открывался только после того, как полностью закроется верхний транзистор. Неперекрывающееся управление требует использования внутреннего диода нижнего МОП-транзистора. Задержка между отпираниями диода и МОП-транзистора очень мала, поэтому потери во внутреннем диоде невелики. Когда нижний МОП-транзистор полностью открывается, он закорачивает внутренний диод и весь ток течёт через него. Существуют некоторые потери вследствие эффекта обратного восстановления диода. Кроме того, скорость отпирания (dv / dt) МОП-транзистора не должна превышать номинальное значение dv / dt диода.

Такое управление МОП-ключом имитирует работу диода и называется синхронным выпрямлением, потому что ключ работает синхронно с сигналом управления коммутацией. Синхронное выпрямление может также применяться на вторичной стороне источника питания с гальванической развязкой. На Рис. 7.26 изображён типовой прямоходовой преобразователь с трансформаторным управлением выходными выпрямителями.

Типовой прямоходовой преобразователь с трансформаторным управлением синхронными выпрямителямиРис. 7.26. Типовой прямоходовой преобразователь с трансформаторным управлением синхронными выпрямителями

Применяя синхронное выпрямление в низковольтных источниках питания, можно добиться большого увеличения производительности, так как низковольтные МОП-транзисторы имеют очень малое RDS (ON). Дальнейшего повышения производительности можно достичь путём параллельного включения нескольких МОП-транзисторов, чтобы ещё в несколько раз снизить сопротивление. Сопротивление МОП-транзистора в открытом состоянии обладает положительным температурным коэффициентом, поэтому для поддержания высокой производительности следует удерживать температуру перехода как можно ниже. Важно так спроектировать управление МОП-транзистором, чтобы он работал как ключ и внутренний диод не проводил ток, иначе потери проводимости будут намного превосходить потери коммутации (кроме того, при открывании ключа он будет потреблять ток обратного восстановления внутреннего диода, что ещё понизит производительность). Малое рассеивание мощности МОП-ключами способствует дальнейшему усовершенствованию источника питания, так как становится возможным использовать печатную плату в качестве теплоотвода для МОП-транзисторов с монтажом на поверхность вместо применения алюминиевого радиатора для диодных выпрямителей.

Схема на Рис. 7.26 неудобна тем, что для управления затвором каждого из МОП-транзисторов используется отдельная обмотка трансформатора. Но, поскольку синхронное выпрямление применяется только в схемах с выходным напряжением 5 В и ниже, количество обмоток можно уменьшить. При выходных напряжениях до 5 В диапазон возможных напряжений затвор-исток оказывается ниже предельно допустимых 20 В даже в универсальном источнике питания. На Рис. 7.27 изображена схема, в которой для подачи управляющего напряжения на затворы синхронных выпрямителей используется одна вторичная обмотка.

Схема прямоходового преобразователя, в которой для управления затворами синхронных выпрямителей используется одна вторичная обмоткаРис. 7.27. Схема прямоходового преобразователя, в которой для управления затворами синхронных выпрямителей используется одна вторичная обмотка

Обратите внимание, что управление затвором МОП-транзистора свободного хода осуществляется за счёт прямого напряжения на внутреннем диоде основного выпрямительного МОП-транзистора.

Заметьте, мы используем МОП-ключ на «отрицательном» выводе трансформатора. Обычно диод помещают на «положительный» вывод трансформатора, а «отрицательный» вывод подключают к общему проводу. Оба варианта работоспособны. Обратите также внимание, что внутренние диоды МОП-транзисторов основного (выходного) выпрямителя всегда смещены в обратном направлении. Внутренний диод «неуправляемого» ключа будет проводить ток вплоть до момента открывания этого ключа (собственно, МОП-транзистора).

Проектирование схем управления МОП-транзисторными синхронными выпрямителями, особенно для сетевых источников питания с широким диапазоном входных напряжений, связано с немалыми трудностями. Поэтому многие производители выпускают ИС для высокопроизводительного синхронного выпрямления, применяемые на вторичной стороне сетевых источников питания. Фирма International Rectifier производит микросхему IR1176, которая выполняет управление МОП-транзисторами, как показано на Рис. 7.28.

Синхронное выпрямление с помощью микросхемы IR1176Рис. 7.28. Синхронное выпрямление с помощью микросхемы IR1176

Эта ИС предназначена для выходных напряжений 5 В и ниже. МОП-транзисторы конфигурируются таким образом, чтобы их внутренние диоды проводили ток до тех пор, пока они не будут шунтированы открывшимися МОП-транзисторами. Источник питания запускается с помощью двух внутренних диодов и диодов D1 и D2, образующих двухполупериодный мост. Когда VDD достигает 5 В, ИС запускается и начинает управлять ключами. В микросхеме используются внутренние перестраиваемые генераторы и схемы регулирования межимпульсного интервала для каждого МОП-транзистора. Логика управления имеет полезное свойство довольно медленно изменять коэффициент заполнения, пока источник питания отслеживает изменения нагрузки и входного напряжения. В управляемых генераторах и схемах подстройки межимпульсного интервала используются фронты и срезы сигнала на вторичной обмотке трансформатора, чтобы отслеживать изменения коэффициента заполнения с помощью фазосинхронизирующего контура.

Фирма Linear Technology производит микросхемы LT3900 и LT3901, которые для обеспечения соответствующего управления МОП-транзисторными синхронными выпрямителями используют информацию о коммутации со стороны первичной обмотки трансформатора. Типовая схема с LTC3900 изображена на Рис. 7.29.

Синхронное выпрямление с помощью микросхемы LTC3900 

 

 

 

 

 

Рис. 7.29. Синхронное выпрямление с помощью микросхемы LTC3900

Как и в случае с IR1176, внутренние диоды МОП-транзисторов будут проводить ток до тех пор, пока ИС не начнёт управлять МОП-транзисторами. Звено R1, D1, С2 предназначено для осуществления задержки в цепи управления основным ключом, чтобы микросхема LTC3900 успела получить синхронизирующую информацию, необходимую для корректной работы МОП-выпрямителей. Микросхема LTC3900 содержит таймер, отключающий управление МОП-транзисторами при потере синхросигнала. Проверяется также ток через транзистор Q3, чтобы отключать управление, как только ток в дросселе становится отрицательным.

На Рис. 7.30 изображена типовая схема с LTC3901, предназначенной для двухполупериодных цепей управления.

Типовая схема с LTC3901, предназначенной для двухполупериодных цепей управления 

 

 

 

 

 

 


Рис. 7.30. Типовая схема с LTC3901, предназначенной для двухполупериодных цепей управления

Примечательно, что в схеме управления для двухполупериодного выпрямления потребовались всего лишь два ключа без средней точки. В этой ИС имеются те же самые таймер и токоизмерительные цепи, что и в LTC3900.

205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217