中心議題：

• 自驅動同步反向轉換
• DCM 與 CCM 運行
• 升級至隔離柵極驅動和可編程無反應時間
• 有源鉗位取代高損耗 RCD 緩衝器

插到牆上電源插座的普通牆上適配器每年要花去用戶大約 3 美元。通過“能源之星”計ji劃hua，北bei美mei許xu多duo國guo家jia正zheng致zhi力li於yu降jiang低di該gai費fei用yong，以yi及ji減jian少shao製zhi造zao該gai電dian源yuan所suo帶dai來lai的de汙wu染ran。許xu多duo牆qiang上shang適shi配pei器qi和he其qi他ta低di功gong耗hao隔ge離li式shi電dian源yuan都dou使shi用yong了le反fan向xiang轉zhuan換huan器qi，因yin為wei其qi結jie構gou簡jian單dan、成cheng本ben較jiao低di。但dan是shi，反fan向xiang轉zhuan換huan器qi並bing非fei以yi高gao效xiao率lv見jian長chang，低di輸shu出chu電dian壓ya時shi更geng是shi如ru此ci。在zai那na些xie效xiao率lv至zhi上shang的de應ying用yong中zhong，不bu要yao操cao之zhi過guo急ji地di將jiang反fan向xiang轉zhuan換huan器qi從cong備bei選xuan解jie決jue方fang案an中zhong去qu除chu。隻zhi需xu運yun用yong一yi些xie我wo們men都dou知zhi道dao的de小xiao技ji巧qiao
，就jiu可ke以yi將jiang反fan向xiang轉zhuan換huan器qi的de效xiao率lv提ti高gao大da約yue 10%。

在傳統的二極管整流反向轉換器中
，輸出二極管整流器是產生功率損耗的一個重要原因。輸出二極管的平均電流等於 DC 輸出電流，而峰值電流可能是其數倍，具體情況取決於占空比。肖特基二極管的二極管正向壓降通常為 0.5V，而標準 PN 結型二極管的二極管正向壓降為 0.8V。這種大正向壓降會帶來二極管中相對較高的損耗，大大降低了效率。使用同步 MOSFET 來替代二極管可極大地降低這些傳導損耗。圖 1 描述了標準二極管整流反向電源如何被轉換為自驅動同步反向電源。

在自驅動同步反向電源中，輸出二極管被一個 N 通道 MOSFET 代替，同時必須向電源變壓器添加一個繞組以生成同步柵極驅動信號。相比輸出二極管整流器
，該同步MOSFET的低導通電阻可帶來更低的傳導損耗
，這就極大地提高了高負載電流時的效率。

二極管整流反向結構和同步反向結構之間存在一個根本的區別
，關鍵的波形如圖 2 suoshi。erjiguanzhengliufanxiangjiegoudeshuchuerjiguankezuzhibianyaqiercidianliuhuiliu。zaiqingfuzaizhuangtaixia

，dangbianyaqideercidianliubeiwanquanfangdianzhigexunhuanmoduandeshuchushi，zhehuidailaifeilianxudianliumoshi (DCM)。同步 MOSFET 使電流能夠不斷地向負極方向流動，並使同步反向結構始終運行在連續電流模式 (CCM) 下，而不用考慮負載電流的大小。這種情況通常是有益的，因為控製環路增益不會像其轉入 DCM 運行時一樣出現下降，從而保持全動態性能（甚至在零負載狀態下）。同步 MOSFET 的使用會對零點或輕負載效率產生不利影響，這是由於相對較大的 AC 電流在流動時，淨 DC 輸出電流極少甚至沒有。同這些回路電流相關的變壓器和一次側 MOSFET 開關損耗比二極管整流反向結構中的要大，其電流在輕負載條件下會減少。

盡管同步 MOSFET 可極大地降低傳導損耗
，但是它卻帶來了二極管整流反向結構中所沒有的柵極驅動損耗、開關損耗和直通損耗 (shoot-through loss)。柵極驅動損耗來自每個開關周期中被充電和放電的 MOSFET 柵極的電容。MOSFET 開啟和關閉轉換時會出現開關損耗

，因為漏-源電壓和漏極電流出現了疊加。主開關必須在次級 FET 即ji將jiang關guan閉bi之zhi前qian開kai啟qi，這zhe樣yang便bian產chan生sheng了le直zhi通tong損sun耗hao。開kai關guan期qi間jian，這zhe就jiu在zai變bian壓ya器qi中zhong形xing成cheng一yi個ge短duan路lu電dian路lu，帶dai來lai大da量liang功gong率lv損sun耗hao。在zai自zi驅qu動dong同tong步bu反fan向xiang拓tuo撲pu中zhong，一yi次ci側ce MOSFET 開啟向同步 MOSFET 發出關閉指令。這樣



，當同步 MOSFET 直接由電源變壓器來驅動時，便不可能完全消除貫通電流。自驅動同步 MOSFET 必須具有極短的關閉延遲和下降時間
，才能最小化直通損耗。盡管同步 MOSFET 帶dai來lai了le更geng多duo的de開kai關guan損sun耗hao，但dan是shi如ru果guo設she計ji得de當dang的de話hua這zhe種zhong傳chuan導dao損sun耗hao一yi般ban可ke以yi比bi二er極ji管guan整zheng流liu正zheng向xiang壓ya降jiang損sun耗hao低di很hen多duo，單dan是shi這zhe一yi好hao處chu往wang往wang就jiu能neng勝sheng過guo其qi所suo有you不bu利li方fang麵mian。
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圖 3 顯xian示shi了le一yi個ge具ju有you可ke編bian程cheng延yan遲chi的de隔ge離li柵zha極ji驅qu動dong信xin號hao如ru何he被bei添tian加jia到dao同tong步bu反fan向xiang結jie構gou中zhong以yi消xiao除chu直zhi通tong損sun耗hao。通tong過guo柵zha極ji驅qu動dong變bian壓ya器qi，可ke以yi實shi現xian隔ge離li和he電dian平ping變bian換huan。必bi須xu使shi用yong擁yong有you較jiao好hao驅qu動dong輸shu出chu和he可ke調tiao節jie延yan遲chi的de PWM 控製器（例如：UCC2897），以便對一次側和二次側同步 MOSFET 進行控製。延遲必須足夠長
，以確保同步 MOSFET 能夠在一次側 MOSFET 開啟以前被完全關閉。然而，延遲太長會引起一個或兩個 MOSFET 上出現主體二極管傳導，並導致過多的功率損耗。由於最佳停滯時間取決於一次側和二次側 MOSFET 延遲時間

、轉換速度
、電源變壓器漏電感以及柵極驅動電路，因此可調節延遲時間控製器對最小化損耗至關重要。

圖 4 描述了如何進一步提高效率並利用同步 MOSFET 柵極驅動信號來控製一個有源主緩衝器。這種結構通常被稱為有源鉗位反向結構。在前麵示意圖中
，我們已經使用 RCD 緩衝器來降低一次側 MOSFET 漏-源-電壓的電壓峰值。該電壓峰值出現在一次側 MOSFET 關閉時
，這主要是由於變壓器主繞組的泄露能量造成的。RCD 緩huan衝chong器qi消xiao耗hao了le其qi緩huan衝chong器qi電dian阻zu中zhong的de這zhe種zhong能neng量liang。在zai有you源yuan鉗qian位wei反fan向xiang結jie構gou中zhong，泄xie露lu能neng量liang由you鉗qian位wei電dian容rong捕bu獲huo，並bing被bei帶dai至zhi負fu載zai再zai循xun環huan，最zui後hou返fan回hui到dao輸shu入ru。這zhe就jiu構gou成cheng了le一yi個ge實shi際ji上shang無wu損sun耗hao的de緩huan衝chong器qi。RCD 緩衝器的漏-源極-電壓波形和一個有源鉗位的對比關係如圖 5 所示。該有源鉗位消除了高頻峰值。除消除漏能損耗以外，開關損耗和 EMI 也得到了極大降低。在許多情況下，這種有源鉗位緩衝器允許使用低漏-源-電壓額定值的一次側 MOSFET，從而進一步降低了損耗，並有可能降低 MOSFET 的成本。
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圖 6 顯示了每次二極管整流反向結構升級對實際設計效率的提升程度。電源將一個遠距通信 48VDC 輸入轉換為一個 3.5A 最大負載電流的 3.3V 輸出。將一個二極管整流器轉換為一個自驅動同步反向結構使最大負載效率提高超過 7%，但也確實降低了 1A 以下輸出電流的輕負載效率。這是由於同步 MOSFET 帶來了柵極驅動損耗、開關損耗和直通損耗。如圖 7 所(suo)示(shi)，輕(qing)負(fu)載(zai)狀(zhuang)態(tai)下(xia)這(zhe)些(xie)損(sun)耗(hao)在(zai)總(zong)損(sun)耗(hao)中(zhong)占(zhan)較(jiao)大(da)百(bai)分(fen)比(bi)
，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)了(le)輕(qing)負(fu)載(zai)的(de)效(xiao)率(lv)。使(shi)用(yong)可(ke)編(bian)程(cheng)延(yan)遲(chi)消(xiao)除(chu)了(le)直(zhi)通(tong)損(sun)耗(hao)，從(cong)而(er)極(ji)大(da)地(di)提(ti)高(gao)了(le)輕(qing)負(fu)載(zai)的(de)效(xiao)率(lv)，如(ru)圖(tu) 7 所示。由於其他電路損耗在同步 MOSFET 損耗中占主導地位，因此滿負載效率保持基本不變。最終，有源鉗位的實施提高了所有負載條件下 3.3V 電源的效率。

圖 8 顯示了有源鉗位電路中兩種不同的延遲設置

，以及它們是如何影響不同負載條件下的效率的。由較大 Rdel 電阻值編程獲得的較長延遲時間降低了輕負載直通損耗，從而極大地提高了輕負載效率。但是，這種長延遲時間同時也增加了同步 MOSFET 主體二極管的傳導時間，使滿負載條件時的效率降低了 1% 左右。使用較低值 Rdel 後，滿負載同步 MOSFET 主體二極管傳導損耗在直通損耗中占主導地位。在某些情況下，人們也許必須經由選取合適的 Rdel 值來選擇是使輕負載效率最大化
，還是讓最大負載效率最大化。圖 9 所示的有源鉗位反向電源運用了所有這些效率提升方法。這種結構使最大負載的效率提高大約 10%，並且擁有和原始二極管整流設計差不多一樣的輕負載效率性能。[page]

總結

如果注重輕負載效率和成本最低化，那麼依靠“簡單的”二極管整流反向電路來獲得效率提高則較為困難。如果您的要求沒有那麼苛刻，那麼選用自驅動同步 MOSFET 驅動便可以最低成本實現較大的效率增益。在使用 UCC2897 控製器的一次側 MOSFET 和二次側同步 MOSFET 之間添加可編程柵極驅動延遲，可以提高輕負載效率。利用有源鉗位電路，已被證實與典型的二極管整流反向轉換器相比，其可提高約 10% 的滿負載效率，而在輕負載時效率會有所下降。另一個好處是在整個滿輸出負載範圍內都保持了“連續導電模式”
，從(cong)而(er)保(bao)持(chi)了(le)卓(zhuo)越(yue)的(de)輕(qing)負(fu)載(zai)瞬(shun)態(tai)性(xing)能(neng)。本(ben)文(wen)敘(xu)述(shu)的(de)每(mei)一(yi)種(zhong)電(dian)路(lu)改(gai)進(jin)方(fang)法(fa)都(dou)可(ke)降(jiang)低(di)電(dian)路(lu)損(sun)耗(hao)，但(dan)都(dou)會(hui)帶(dai)來(lai)設(she)計(ji)成(cheng)本(ben)的(de)增(zeng)加(jia)。因(yin)此(ci)，請(qing)根(gen)據(ju)您(nin)的(de)預(yu)算(suan)來(lai)決(jue)定(ding)您(nin)要(yao)達(da)到(dao)的(de)環(huan)保(bao)水(shui)平(ping)！