应用于半桥LLC工业开关电源的同步整流控制器研究

应用于半桥LLC工业开关电源的同步整流控制器研究

劳锦欢林慧霞易瑞东

ABB新会低压开关有限公司劳锦欢林慧霞易瑞东

摘要：针对同步整流在半桥LLC拓扑的工业开关电源中的应用，通过对比分析IC厂家的同步整流驱动器，结合工程设计经验，提出选型、设计参考意见。

关键字：LLC；同步整流；同步整流驱动器；工业开关电源

1引言在低电压，大电流输出场合，输出整流二极管导通损耗非常大，严重影响电源效率，同步整流技术使用MOSFET替代整流二极管，在减少损耗提高效率的应用中具有明显优势。而在工业开关电源模块领域，其输出电压多为24VDC，最大电流在20A以内，故对同步整流的需求不及消费电子、PC等领域。但随着同步整流技术的发展成熟，以及客户对高效率和绿色环保的提倡，同步整流技术越来越多地应用到工业开关电源领域。

影响电源整机效率的另一重要因素是开关电源拓扑结构，半桥LLC拓扑因其宽输入和输出电压范围、全负载下初级零电压开关（ZVS）和次级零电流开关（ZCS）等优点[1]，受到广泛关注并应用于工业开关电源设计中。

半桥LLC配合同步整流是当前比较流行并有效、可行的高效率工业开关电源设计方案，基于这种结构，各电源管理芯片厂家提供了多种不同的解决方案供设计者使用，在此从工程设计角度分析对比各种方案。

2同步整流技术同步整流是使用MOSFET替代输出整流二极管，以减少导通时整流器件的电压损耗。其基本原理是利用MOSFET的体二极管做初始续流，通过检测MOSFET源漏极之间电压差来控制MOSFET的导通与关断。图1为带同步整流的半桥LLC电路典型应用[2]。

图1带同步整流的半桥LLC应用3同步整流驱动器对比电源管理解决方案IC厂家多会提供符合LLC拓扑的同步整流驱动器，表1列出全球几大厂家符合要求的驱动器和参数对比。

设计过程中选择同步整流驱动器时，需要考虑和对比以下参数：3.1支持拓扑结构同步整流驱动器支持的拓扑通常有反激，正激和半桥谐振LLC，有些厂家提供专门的芯片对应单独的拓扑结构，同时提供支持多种拓扑的芯片。支持多拓扑的驱动器通常提供更多可供客户调整的功能，如NCP4304提供对最小导通时间Min_Ton和最小关断时间Min_Toff的直接控制引脚。通常此种驱动器仅提供一路驱动输出，对于LLC拓扑，需要使用两个驱动器，这样会增加布线空间，也提高设计复杂程度。

3.2工作电压范围和驱动电压工业电源多为24V输出，最理想的设计是同步整流电路直接由输出端供电，从而避免使用线性稳压器件或辅助电源。但这不是必要条件，因为驱动器输出均有电压钳位功能，高电压输入会在芯片内分压并产生热量，故需根据实际情况设计。除TI和IR的驱动器外，其它厂家提供的芯片均能直接由24V供电。

输入电压范围影响芯片的输出钳位电压，此项参数用于选取同步整流MOSFET。MOSFET的驱动最大电压为20V，最小电压约为4V，越高的驱动电压可得到越小的导通电阻RDS（on），从而得到更高效率，但同时过高电压又会增加驱动损耗。

因此驱动电压的选择，需要根据产品输出电流等级，在计算导通损耗和驱动损耗后确定。

综上比较，TIUCC24610需要增加额外外围电路后才能应用于24V工业电源。ONSemi的NCP4304能提供两种不同后缀型号，A为12V钳位，B为6V钳位，可根据输出电流等级选取相应型号[3]。

3.3驱动通道驱动通道数跟产品成本和PCB布线有直接联系，支持多拓扑的驱动器仅提供1路驱动，应用于LLC拓扑则需要两片。而单独支持LLC拓扑的驱动器提供2路驱动，仅需一片驱动器即可。在驱动能力足够和驱动器不过热前提下，应尽量选用带2路驱动的芯片用于LLC拓扑。

3.4驱动能力同步整流MOSFET的开/关需要对MOSFETGS和GD极间电容进行充放电，要求同步整流驱动器提供足够瞬时大电流，如果驱动能力足够，可以节省增加外部驱动器件的成本和空间。

假如驱动能力不足，会影响MOSFET的开/关速度和时延，导致MOSFET发热而降低效率。

3.5工作频率需保证同步整流驱动器的最大频率大于LLC的最大工作频率，常规设计不会把频率设置得过高，但在输出短路时，LLC75电气技术2014年12期下KEXUEYUJISHU科学与技术谐振电路工作频率达到最高，需注意限制最高频率或停止同步整流。

3.6价格同步整流除使用MOSFET替代整流二极管外，还需增加驱动器及外围电路。相对于二极管整流方案，产品成本上升不少。

表2列出各厂家LLC同步整流驱动器解决方案的价格以作参考。虽然从表格数据有较大差异，但在现在同质化竞争背景下，价格的因素会被技术支持、可靠性和稳定性等弱化。

备注：1.价格选用官网每1千颗报价，时间2014-01-062.实际价格与采购数量等因素有关，此处仅作参考3.7优缺点在NCP4304应用中，需要使用补偿电感对驱动提前/延时进行补偿，以获得最大导通时间和更高效率。同时，它的最小导通和最小关断时间调整引脚也为获得最大导通时间提供方便，故它能提供较高效率。但补偿电感的调整和生产工艺控制却给实际应用带来不便，而这种追求最大效率的控制方式在宽工作频率的设计中，如输出电压调整、输出短路等特殊情况时，很容易引起MOSFET误导通而被反向电流损坏。

UCC24610因其工作电压范围不建议在24V工业电源设计中使用。

SRK2000具有最宽的工作电压范围，内部带有保守的误导通保护电路，性能和效率中规中矩，稳定性得到保证。但它DS电压检测脚DVS1，2有36V的钳位二极管，在24V电源中，DS电压达48V，这将导致钳位二极管长时间导通发热，虽然可以通过调节串联电阻限流，但电阻值同时影响导通时间，这对矛盾关系阻碍效率的进一步优化。

笔者认为Fairchild更专注于消费类电子解决方案，并且FAN6208产品手册里提供的参数和方式与其它厂家不一样，不容易作对比。在此不作为工业电源设计推荐方案。

IR是比较早涉及同步整流驱动器设计生产的厂家，提供多种驱动器供用户选择，对于LLC拓扑，除IR1168外还提供IR11682，增加了防误触发功能，提供更安全的控制。

对于同步整流驱动器选择，首先保证的是安全性和可靠性，其次才考虑效率和价格。

4结论通过分析对比不同厂家同步整流驱动器，结合工程设计经验，总结了在设计LLC半桥同步整流电路时，需要考虑的性能、参数和因素。

参考文献：[1]BoYang，F.C.Lee，A.J.Zhang，andG.Huang，LLCresonantconverterforfrontendDC/DCconversion[C].InAppliedPowerElectronicsConferenceandExposition，2002.APEC2002.SeventeenthAnnualIEEE，2002，2：1108-1112.[2]杨帆，杨柏禄，陈永真，孟丽囡.带有智能同步整流方案的LLC谐振变换器设计[A].2008中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会论文摘要集[C].2008[3]AND8460-DImplementinga12V240WPowerSupplywiththeNCP4303B，NCP1605andNCP1397B.ONSemiconductor.