一款同步整流电路调试总结

一款同步整流电路调试总结

郭青   邢变丽

陕西华经微电子股份有限公司   陕西西安710065

摘要：文中针对低压大电流同步整流电路调试过程中出现的技术问题，以及解决问题的试验方法进行总结。介绍了该产品在小批量生产过程中，同步整流电路的MOS管、驱动三极管出现的问题以及解决方案。

关键词：低压大电流开关电源 ；DC/DC变换器；同步整流电路；

1 概述

随着开关电源技术的不断进步，DC/DC变换器向着高效、节能、小型化的方向不断发展。而小功率的DC/DC变换器，输出端整流方式一般采用肖特基二极管或者快恢复二极管进行整流和续流模式，在输出大电流情况下，整流管和续流管损耗非常大，造成产品的功耗大大增加，从而导致产品输出效率低，发热量大，在散热条件不充足的情况下，整流管和续流管容易造成损坏；为了降低产品损耗，提高产品的效率，同步整流技术推动了DC/DC变换器向着高效率、高功率密度的方向发展。

同步整流采用功率开关管反接来代替普通二极管实现整流，效率大大提高；为了保证MOS管能够可靠安全的工作，同步整流电路分外驱动和自驱动。外驱动同步整流需要从外加驱动电路和逻辑控制来获得栅极驱动电压，虽然控制时序比较精确，但是控制驱动电路的设计十分复杂，成本也高，而且驱动电路自身也有损耗。自驱动同步整流电路设计简单，易实现。所以本次设计选用副边绕组电压自驱式同步整流方式。

2产品的主要性能指标：

1. 输入电压：18V～36V；          

2. 输出电压：VO=5±0.15V；             

3. 输出电流：IO=20A；                     

4. 电压调整度：SV≤50mV；        

5. 负载调整度：SI≤50mV；                

6. 输出电压纹波：VP-P≤80mV；

7. 效率:η≥85％；

8. 绝缘电阻:RJ≥100MΩ；

封装形式：全密封金属外壳，平行缝焊封装。

外形尺寸：长×宽×高≤76.8mm×38.8mm×10.5mm。

环境条件：工作温度-55℃～+125℃；

3发现问题：

   为了降低产品的开关损耗，提高产品效率，该产品采用有源钳位同步整流技术，有源钳位技术实现了开关管的ZVS零电压开通，开关损耗和开关管电压应力大大减小；同时为了降低整流管和续流管的导通损耗采用同步整流技术。此方法也实现了变压器双向励磁，从而可以将变压器体积减小，同时也降低了变压器的铜损，从而使DC/DC变换器获得了90%以上的高效率。

该批产品在生产调试过程中，产品无论是空载还是满载启动时，都会发现同步整流管出现短路烧毁问题，初步判定本批MOS管的质量有问题，为解决此问题，选择替代该同步整流管，通过对多厂家的MOS管性能进行对比试验，最终确定同步整流管的型号。

在小批量产品生产测试过程中，发现有1块产品的效率偏低（86%左右），其余产品的效率一致（88%以上），什么原因造成这一块产品效率低？造成效率低的原因，无非就有以下几种可能性：首先查找分析变压器是否有气隙，通过对比测试，发现变压器完好；第二步查找开关管和钳位管是否有问题，从器件的外观和静态对比试验测试，未发现异常；第三步查找同步整流管和它的驱动电路，通过静态测试，发现效率高的产品，它的同步整流MOS管的驱动三极管和稳压管坏，反而效率低的产品驱动三极管和稳压管性能是好的。在高倍显微镜底下查看效率高的产品，发现同步整流管的驱动三极管表面良好，稳压管的外观有问题，稳压管的金丝下有个黑点（所有三极管和稳压管的金丝完好），只有通过用万用表进行测试才能发现问题，发现驱动MOS管的三极管和稳压管都烧坏，驱动三极管的集电极和发射极导通，但是通过高倍显微镜发现三极管表面良好。是什么原因造成三极管和稳压管烧坏？

4试验过程：

4.1 问题复现:

驱动三极管的型号是2N2222A，稳压管是5.1V；拿出三块产品，更换这两个管芯，常温测试前，用万用表测试性能是好的，空载下三极管和稳压管性能良好，18V带载启动后进行测试，输出电压正常，三极管和稳压管都损坏；

4.2 分三步进行试验：

拿出三块产品11#，16#，20#，分别更换三极管和稳压管， 11#驱动三极管更换为3DG493，稳压管型号不变，还是5.1V; 16#驱动三极管型号不变，还是2N2222A，稳压管更换为9.1V; 20#同时更换驱动三极管和稳压管，型号分别为3DG493和9.1V;三温下三个产品进行对比试验测试，发现11#产品的半载、满载效率是最高的；16#和20#的满载效率几乎一样，20#的半载效率高一些；从三温下测试数据来看，9.1V稳压管占有优势；三个产品经过十次温冲、老化后进行测试，测试结果一样。下一步就是将3个产品的驱动三极管和稳压管都换成一样的型号。

    将三个产品的驱动三极管1.同时更换为3DG493，稳压管更换为9.1V;2.驱动三极管型号不变，还是2N2222A，稳压管更换为9.1V;3. 驱动三极管型号更换为3DG493，稳压管型号不变，还是5.1V;空载下第一种情况下的空载电流小，带半载效率几乎一样，带满载效率第一种情况下略微高一些，根据试验结果，将产品的驱动三极管更改为3DG493,稳压管更改为9.1V。

4.3失效原因

   导致三极管和稳压管失效是过电压还是过流烧毁呢？根据计算，同步整流管的漏源极最大耐压出现在输入电压最大值36V时，同步整流管承受的最大电压为18V，实际使用的MOS管漏源极最大电压65V，MOS管的VGS电压为±20V,因此出现过压烧毁的可能性小，测试过烧毁的产品，MOS管的栅极波形幅值是17V，不存在过压现象，应该是过流烧，对比mos管参数，发现别的参数基本一致，新的MOS的输入电容大；

   经过咨询MOS管生产厂家，发现Ciss的值越大，需要的启动电流越大，2N2222A的最大功耗为150mW，集电极电流最大0.8A；而3DG493 的最大功耗为500mW，集电极电流最大2A，所以带载启动时需要的启动电流大，超过三极管2N2222A集电极最大电流，从而导致2N2222A烧毁，三极管ce极导通后，所有的电压就会直接加到稳压管上，最后导致5.1V稳压管烧毁，由于MOS的VGS为±20V，所以MOS管完好。

4.4解决措施

针对产品出现的问题，我们提高驱动三极管的推动能力，根据发现的问题进行举一反三，在生产过程中发现的问题，以前批次的产品为啥未发现此类发现象，和生产MOS管的厂家进行沟通联系，他们认为国产芯片有时流片性能不稳定，导致该批批MOS管管芯的输入电容比原来管芯的输入电容大，因此，MOS管需要的推动能力比以前大一些，为了避免以后类似现象发生，必须提高MOS管的推动能力，因此更换了驱动三极管和稳压管。经过多批次产品验证未发现此类问题。

5结语

为了适应国产化产品的需求，我们需要持续改进，技术不断更新，优化产品的参数和提高产品的可靠性，使电路全方面满足产品的性能要求，经过用户检测和试用，各项技术性能指标已满足使用要求；后续产品批量生产过程中，未发生此类现象。

参考文献：

〈1〉童诗白  《模拟电子技术基础》北京：高等教育出版社，2010

〈2〉方佩敏  《最新集成电路应用指南》北京：电子工业出版社，1996

作者简介：郭青（1990-），女，工程师。研究方向：厚膜混合集成电路，DC/DC电源研发。

作者简介：邢变丽（1975-），女，工程师。研究方向：厚膜混合集成电路，DC/DC电源研发。