基于有源箝位同步整流反激电路的高效DC／DC变换器

赵杰 王毅 李媛媛

摘要 本文介绍了有源箝位技术和同步整流技术在高效DC/DC变换器设计中的技术方案，分析了反激有源箝位一同步整流电路的工作原理，并通过一款30W的DC/DC变换器仿真和电路实验结果的比对，验证了反激有源箝位一同步整流电路对于提高效率是非常有效的。

【关键词】有源箝位 同步整流 反激 高效率

1 引言

近年来，随着电子设备的不断发展，要求供电电源的体积随之小型化。特别是开关电源在航空航天技术上的应用与发展，对高效率、小体积电源的需求十分迫切。反激变换器因为电路结构简单、所用元器件少，在中小功率、小体积开关电源中应用十分广泛。在采用普通的RCD箝位、二极管整流方式的电路的反激电路中，变压器漏感的能量被电阻R消耗掉，整流二极管也消耗了相当多的能量。本文介绍一种30W功率单路输出的高效率、高功率密度DC/DC变换器的设计方案，通过采用有源箝位反激拓扑和同步整流技术，避免了变压器漏感能量的损耗，并且大大降低了整流器件上的损耗，实现了85%的高转换效率。

2 有源箝位技术和同步整流技术

2.1 有源箝位软开关技术

开关电源中常用的软开关技术包括谐振软开关技术，零电压转换（ZVS）、零电流转换技术（zcs），移相控制全桥软开关技术，有源箝位技术等。其中有源箝位技术能够储存并利用寄生参数中的能量，降低功率开关管的电压应力，提高效率，同时也减小环境发射的电磁干扰，进而提高系统的可靠性。根据箝位电路位置的不同，有源箝位分为低边箝位和高边箝位。电路示意图如图1所示。高边箝位辅助开关管为浮地驱动，驱动电路复杂，因此本电路设计采用低边箝位方式。

有源箝位反激变换器具有以下优点：

（1）箝位电容将变压器漏感中能量回馈到电源中，消除了变压器漏感引起的关断电压尖峰及损耗，并且有效减小了功率开关管上的电压应力。波形示意图如图2所示。

（2）利用谐振电感和箝位电容、寄生电容谐振可以实现主、辅开关管的零电压开通，降低了功率开关管的开关损耗，提高了效率。

在本研究之前，文献[4]已详细研究了有源箝位反激电路的工作原理，因此本文重点研究文献[4]中未采用的同步整流技术。

2.2同步整流技术

2.2.1同步整流技术和驱动电路

同步整流电路采用导通电阻极低的功率MOSFET管来代替DC/DC变换器输出电路中的整流二极管和续流二极管，可以大大减小导通压降和导通损耗。特别是对输出低压大电流的DC/DC变换器来说，肖特基整流管和续流管的导通损耗往往占据了整个电路损耗中的一大部分，通过采用同步整流技术可以显著提高电路的转换效率。

一般而言，反激电路拓扑中采用同步整流电路，其同步整流管的栅极驱动方式可以分为自驱动方式和外驱动方式两种。外驱动方式是指通过附加的逻辑控制和驱动电路，产生出随变压器副边电压作相应时序变化的驱动信号。其优点是可提供精确的控制时序，驱动信号不受输入电压或者输出电压的影响;缺点是所需要用的元件较多，电路复杂，成本较高。自驱动方式是指利用变压器副边绕组产生驱动信号，因为有源箝位反激电路的变压器副边电压波形是完整的方波，所以副边电压可以直接用作同步整流管的驱动信号，从而提供简单有效的自驱动电路。图3所示为反激同步整流自驱式驱动电路。

其工作原理是：如图4 （a）所示，每个开关周期中当原边开关管Q1 G极为高电平，Q1导通时，变压器原边绕组的电压为上正下负，变压器次级输出绕组和同步整流管02的驱动绕组电压为上负下正，此时Q2关断，变压器原边绕组开始储能，次级由输出电容Co向负载Ro提供能量;如图4（b）所示，每个开关周期中当原边开关管Q1G极为低电平，Q1关断时，变压器次级的输出绕组和Q2的驱动绕组的电压变为上正下负，Q2导通，变压器次级的输出绕组开始向负载Ro提供能量，并为输出电容Co充电。随后进入下一个周期的循环。

2.2.2 反激同步整流自驱式驱动电路的改进

在基本的反激同步整流自驱式驱动电路的基础上进行改进，利用PNP三极管的电流放大作用加快同步整流管在每个开关周期中的关断速度，能够降低同步整流管的关断损耗，提高电路的效率。另外改进后的驱动电路还可以避免同步整流管栅极承受反向电压，起到一定的保护作用。改进后的自驱式驱动电路如图5所示。

工作原理如下所述：

（1） Q2的开通过程：当Q2的驱动绕组上端为正电压时，D1导通，通过R1使02的栅极达到高电平，Q2开通;在Q2开通过程中PNP管Q3的基极比发射极电平要高，因此Q3不导通。Q2的开通过程和改进前的驱动电路相似。

（2） Q2的关断过程：当驱动绕组上端为负电压时，D1反向关断，PNP管Q3的基极比发射极的电平要低，因此03导通;利用Q3的电流放大作用，Ie=βlb，可以让驱动电路从Q2栅极上抽取的电流增大β倍，加快Q2的关断速度。从而减小Q2的关断损耗，提高效率。

（3）在Q2关断过程中，因为Q2的栅极连接到PNP管03的发射极，其电压最低值不会低于Q3的集电极电压，而Q3集电极接地，因此Q2的栅极电压最低值不会小于零，不会出现负电压。而在改进前的驱动电路中，Q2关断时，驱动绕组上端的负电压会施加到02的栅极上。因此在改进前的驱动电路中，需要计算该负电压的大小，合理选取驱动绕组的匝数，确保负电压不超过Q2栅极的反向耐压值。改进后的驱动电路避免了Q2栅极出现负电压，对Q2起到一定的保护作用。

3 30W反激有源箝位同步整流DC/DC变换器设计

在一款5V6A的DC/DC变换器上我们应用了反激有源箝位和同步整流技术进行电路设计，产品的主要技术指标为：

（1）输出直流电压：5V;

（2）輸出电流：6A;

（3）输出功率：30W;

（4）转换效率：≥84%;

（5）启动过冲：50mV;

为了实现该技术指标，根据设计方案设计电路参数。

3.1 主要电路设计

3.1.1 有源箝位电路设计

有源箝位电路如图6所示。主要由钳位电容Cl、PMOS开关管03构成。

（1）箝位电容选取。箝位电容C1应取得足够大，使Cl与变压器励磁电感Lm、谐振电感Lr（主要是变压器漏感）的谐振周期远大于开关周期，这样使箝位电容两端电压基本稳定。C1越大，其两端的电压纹波△Uc，越小，主开关管Ql上电压应力也就越小，但电路的动态响应速度也会越慢。因此需要折中设计箝位电容Cl，限制ΔUc1/uc1≤5%，保证Uc，稳定时，同时兼顾电路动态响应速度。

（2） PMOS开关管选取。箝位PMOS管03的损耗主要由导通损耗、驱动损耗和开关损耗构成。箝位电路中PMOS管流过的电流小，导通损耗低，因此需综合考虑导通电阻、栅极电荷的大小，平衡导通损耗和驱动损耗选取合适的P型MOS场效应管。

3.1.2 变压器的设计

有源箝位反激变换器的变压器设计方法与普通反激变换器相似，为防止变压器磁饱和，磁罐必须带有气隙。脉宽调制器输出脉冲的最大占空比D设计值为.65，最低输入电压为Vin（miu），变压器原边绕组匝数为Np，变压器副边绕组匝数为N;，变压器原边绕组电感为L，。

（1）计算变压器原边峰值电流：

平均输入电流：

变压器峰值电流：

（2）计算变压器原边绕组电感：

（3）计算变压器原副边绕组匝比：

变压器的线径根据电流大小来选取，绕制中需要注意绕线尽量平整，减小漏感。

3.1.3同步整流电路设计

图7所示为同步整流电路。其中D1为开关二极管，R1是同步整流管Q2开通过程中的限流电阻，R2是PNP三极管03的基极限流电阻。R1在02允许的最大栅极电流范围内选取即可。

同步整流管Q2的栅极驱动电压Vdrv和输出电压Vo、驱动绕组的圈数Ndrv、变压器次级圈数Ns有关。不考虑尖峰时，可见Ndrv越大则Vdrv越高。栅极驱动电压越高，则02的通态电阻越小，导通损耗越小，但驱动损耗也会越大;栅极驱动电压越低，则Q2的通态电阻越大，导通损耗越大，驱动损耗会越小。因此同步整流管栅极驱动绕组的电压太高或者太低都不合适，需要选取合适的驱动绕组匝数Ndrv，从而获得合适的栅极驱动电压，使同步整流管Q2的驱动损耗与导通损耗之和降到最低。

设置好驱动绕组匝数后，根据变压器的匝比计算出同步整流管Q2关断期间承受的反向电压，然后根据降额要求进行选取。不考虑尖峰时，Q2承受的反向电压为：其中Ndrv为驱动绕组的匝数，Np为变压器原边的匝数，Vin为输入电压，Vo为输出电压。

3.2 电路仿真与测试结果

3.21 仿真结果

采用Saber仿真软件仿真得到的波形如图8所示，分别为启动电压波形和28V输入时功率开关管漏极电压波形，输出电壓没有启动过冲，功率开关管漏极电压波形正常，因仿真原理图中未采用有源箝位电路，功率开关管电压应力比实际采用有源箝位的大。

3.2.2 测试结果

实测波形见图9、图10。从图中可以看出，输出电压稳定值为5V，没有启动过冲;原边主功率开关管的漏极电压波形平稳，没有尖峰和振荡，实现了有源箝位的效果;次级同步整流管栅极驱动电压波形平稳，没有反向电压;DC/DC变换器工作稳定。

实测结果与设计指标对比如表1所示。效率85.6%，实测结果达到设计目标，验证了电路设计的合理性和有效性。同时表2给出了本方案指标与Interpoint公司相同功率等级DC/DC变换器指标对比，从表中数据比对可知，本电路相比Interpoint产品显著提高了效率。

4 结论

本文简要讨论了有源箝位技术和同步整流技术在反激DC/DC变换器中的应用方案，对反激同步整流自驱动电路做了改进;设计了一款30W高效DC/DC变换器，通过电路仿真和实测技术指标的比对，验证了该设计方案是合理有效的。综上，在高效DC/DC变换器设计中，采用有源箝位软开关技术和同步整流技术是非常可取的一种技术方案，特别是对于输出低压大电流的DC/DC变换器设计，可大大提高转换效率。

参考文献

[1] Abraham 1.Pressman.开关电源设计（第三版）[M].电子工业出版社，2010.

[2]张占松 蔡宣三，开关电源的原理与设计（修订版）[M].电子工业出版社，1998.

[3] Sanjaya Maniktala.精通开关电源设计[M].人民邮电出版社，2008.

[4]李媛媛等，基于有源箝位反激拓扑的高效DCDC变换器研究[J]，电子技术于软件工程，2017.