专利名称：可控同步整流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可控同步整流器。
背景技术：
高速数据处理系统采用了超大规模、超高速的集成电路，这些电路需要的电流很大，为了降低功耗，采用了1.5-1.8V的低电压供电。常规整流电路在低压大电流应用时，由于其中的肖特基二极管管压降(Vf＝0.4-0.6V)占输出电压的1/3(见图1)，因此效率极低(不到70％)，于是同步整流应运而生。
同步整流是用功率MOSFET管取代肖特基整流管(见图2)，由于功率MOSFET管(例如IRF1503)的通态电阻只0.0033欧，通过50A电流的管压降Vf＝0.165V，因此大大提高了整流效率。
由于寄生体二极管的存在，功率MOSFET管作为同步整流管(SR)应用时，只能反向联接当SR导通的时候，电流从S流向D，和寄生二极管中的电流方向相同；如果按照常规联接，则当SR导通时，电流从D流向S，当SR不导通时，电流通过寄生二极管D1，从S流向D，则功率MOSFET管成为一个双向导通器件，不能完成整流的功能。
实际上，功率MOSFET管不导通，寄生二极管同样可以完成整流的功能，只不过，寄生二极管的管压降比肖特基管的管压降还要大，因此功耗更大，因此，作为SR管的功率MOSFET管，必须在输入电流脉冲到来的时候适时导通，使得功率MOSFET管的通态电阻和寄生体二极管的正向电阻并联，使输入脉冲电流的绝大部份流经功率MOSFET管的通态电阻，如果导通不及时，输入脉冲电流就会有较多部份流经寄生体二极管的正向电阻，这就增加了整流的功率损耗。
自驱动的同步整流器，驱动信号就是输入的电流脉冲，同步整流因而得名。他驱动同步整流电路中，功率MOSFET管的驱动信号来自专用芯片，要获得高效率的同步整流电路，对于不同变换器的电路拓朴，必须要配备不同的专用芯片，例如LTC3900适用于正激变换器，STSR3适用于反激变换器，LTC3901适用于推挽变换器和全桥变换器等等，正是由于在功率MOSFET管中，寄生体二极管的存在，这才产生了许多复杂的电路拓朴和驱动芯片，导致传统同步整流器电路复杂，成本高。
同步整流就是用SR管取代肖特基二极管，减小通态电阻，达到提高整流效率的目的，因此，在多路电压输出的整流电路中，只有一路输出电压可以由功率变换器的PWM进行调节和稳定，其余各路输出电压和普通整流电路一样，尽管有各种复杂的同步整流的驱动芯片，都会因负载电流和输入电压的变化，引起很大的波动。因此，传统同步整流器的各路输出电压不能独立调节和稳定。
正是因为各路输出电压不能独立调节和稳定，输入电流脉冲的平均幅度，减去整流管的管压降，即为输出电压Vo，输入电流脉冲的占空比在95％以上，导致进入整流管的脉冲电流幅度几乎和输出电压相等，输入电流几乎和输出电流相等，使得管耗急剧上升。如果各路输出电压可以独立调节和稳定，则输入电流的幅度可以比输出电压高很多(仅限于整流管的反向耐压)，则输入电流比输出电流小得多，输入电流脉冲的占空比可以在50％以下，整流管的损耗将大大减少。
如果有一种整流管，其通态电阻极小，所有其他性能均优于肖特基二极管，在输出电压很低的情况下，整流效率仍然保持在90％以上；或者功率MOSFET管中并不存在寄生的体二极管，可以像肖特基二极管一样应用，则传统同步整流的概念和理论，以及所有关于同步整流的各种驱动芯片，都将变得毫无意义。
发明内容
本发明的目的，旨在克服传统同步整流驱动电路复杂、成本高、各路输出电压不能独立调节和稳定的弊端，推出一种整流效率更高，不用同步整流专用芯片，各路输出电压都可以独立调节和稳定的可控同步整流器。
本发明的目的是以下述方案实现的用两只反向串联的功率MOSFET管取代整流电路中的肖特基二极管(见图3)，使得功率MOSFET管的寄生体二极管在任何情况下，均不导通，完全避免了寄生体二极管的反向恢复损耗；可控同步整流器不采用专用同步控制芯片，把作为SR管的功率MOSFET管的门极，接到普通定时芯片7555组成的驱动和检测电路的输出极，当输出电压没有达到额定值时，功率MOSFET管导通，输入脉冲电流向电容充电，同时向负载供电；当输出电压达到额定值时，功率MOSFET管截止，这样，整流器的各路输出电压均能分别进行独立调节和稳定；在此基础上，提高输入电流脉冲的幅度，使得通过功率MOSFET管的平均电流大大降低，更进一步减少整流电路的功率损耗，使得可控同步整流器的效率达到98％以上。
图1传统整流电路原理图。
图2传统同步整流电路原理图。
图3反激式单输出可控同步整流器主电路图。
图4可控同步整流驱动电路原理图。
图5反激式单输出可控同步整流电路原理图。
图6复合管的驱动电压波形。
图7正激式单输出可控同步整流主电路图。
图1、图2前已述及。
图3是可控同步整流器的主电路图，复合管(1)由2个功率MOSFET管(Q1、Q2)反向串联而成，2个源极相连，2个门极相连，一个漏极相当于整流二极管的阳极，另一个漏极相当于整流二极管的阴极。
图4是由定时电路7555组成的驱动电路，直接驱动2个反向串联的功率MOSFET管。图5是反激式单输出可控同步整流电路原理图，包括复合管(1)、驱动电路(2)、辅助电源(3)和滤波电路，复合管(1)取代传统整流电路中的肖特基二极管，后接滤波电路；驱动电路(2)由辅助电源(3)供电，其输出直接驱动复合管(1)。驱动电路(2)由第一集成电路(U1)、第二集成电路(U2)、第一光耦(OPT1)及其周围元件组成，第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第一电位器(VR1)、第五电阻(R5)依次串联，第三电阻(R3)和第四电阻(R4)的连接点，接输出电压(Vo)，第三电阻(R3)的另一端接第一光耦(OPT1)二极管部份的阳极，第五电阻(R5)的另一端接第一集成电路(U1)的阳极，同时接输出电压地(GND)，第一集成电路(U1)的阴极接第一光耦(OPT1)二极管部份的阴极，其控制极接第一电位器(VR1)的中心抽头；第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第十一电阻(R11)、第十三电阻(R13)、第二集成电路(U2)的脚1和第四电容(C4)接信号地(SGND)，第八电阻(R8)和第十电阻(R10)串联，中心点接第二集成电路(U2)的脚6，第七电阻(R7)和第九电阻(R9)串联，中心点接第二集成电路(U2)的脚2，第六电阻(R6)、第九电阻(R9)和第十电阻(R10)的另一端，一起接到第一光耦(OPT1)三极管部份的发射极，第十一电阻(R11)和第十二电阻(R12)串联，中心点接第二集成电路(U2)的脚3，第十二电阻(R12)的另一端接两个功率MOSFET管(Q1、Q2)的门极，第十三电阻(R13)和第十四电阻(R14)串联，中心点接第二集成电路(U2)的脚4，第十四电阻的另一端接输入电压(Ns)，第二集成电路(U2)的脚8接第一光耦(OPT1)的三极管部份的集电极，同时接辅助电压(Vcc)。
辅助电源(3)由第一稳压管(ZD1)及周围元件组成，第一二极管(D1)的阳极接输入电压(Ns)，其阴极接第二电阻(R2)的一端，第二电阻(R2)的另一端接第三电容(C3)的正极和第一稳压管(ZD1)的负极，同时接辅助电压(Vcc)，第三电容(C3)的负极和第一稳压管(ZD1)的正极接信号地(SGND)。
复合管(1)及其驱动电路(2)和辅助电源(3)可以取代任何传统整流电路中的肖特特基整流二极管。
具体实施例方式
实施方式1单输出可控同步整流器在图3的可控同步整流器主电路图中，2个反向串联的功率MOSFET管(以下简称复合管)，取代了传统整流电路中的肖特基二极管，由于复合管中的2个寄生体二极管也是反向串联的，因此2个反向串联的体二极管在任何条件下均不会导通，则整流器的功耗完全与寄生体二极管的恢复时间和附加损耗无关。
功率MOSFET管的通态电阻极小，例如IRF1503的Ron只有0.0033欧，2个功率MOSFET管反向串联并不会影响整流器的效率。如果是大电流应用，复合管可以并联使用，这样，Ron会减少一半。
图5是单输出可控同步整流器电路原理图，主电路的接法和传统整电路相同，只不过用复合管取代了肖特基二极管，光耦OPT1(PC817)、集成电路U1(TL431)和集成电路U2(7555)组成了检测、驱动电路，当输出电压Vo小于额定电压时，U2-3输出高电平(见图6-A)，幅度与辅助电压Vcc相同，输入脉冲电压Ns经过电阻R13、R14分压后的控制电压Vc(见图6-B)加到U2-4，控制U2-3的输出电平，于是产生了驱动电压Vg(见图6-C)。当输出电压低于额定值时，U2-3输出高电平，加到U2-4上的控制脉冲到来的时候，U2-3输出高电平，此脉冲过后，U2-4的低电位，强制U2-3输出低电平，如此周而得始，驱动复合管导通，向电容充电和向负载供电，直到输出电压Vo高于额定值，U2-3输出低电平；当U2-3输出低电平的时候，无论加到U2-4上的控制脉冲是到来还是过后的任何时候，U2-3输出都是低电平，复合管截止。这就使得输出电压Vo可以独立调节和稳定。
单输出可控同步整流器，调节和稳定输出电压可由功率变换器的PWM完成，所以，此处的U2-2可接地电平，使得U2-3一直输出高电平，加到U2-4上的控制脉冲到来的时候，U2-3输出高电平，此脉冲过后，U2-4的低电位，强制U2-3输出低电平，如此周而得始，一直驱动复合管导通，向电容充电和向负载供电，直到输出电压Vo高于额定值，当输出电压Vo高于额定值时，前级功率变换器的PWM会把输入电流脉冲调窄，以保持输出电压Vo稳定。因此，单输出的可控同步整流器，输出电压Vo的稳定，是由前级PWM调节。
实施方式2多输出可控同步整流器多输出可控同步整流器中的每一路输出电压，都和图5的电路相同，只不过有一路输出中的U2-2接地电平，以便让这一路的输出电压由前级功率变换器的PWM来调节。为了保障各路电压输出功率的要求，可选择功率最大的一路输出电压，用前级功率变换的PWM控制来调节。
几点说明以上讨论都是复合管在反激式单输出同步整流电路中的应用。图7是正激式单输出可控同步整流器主电路图，其中续流SR管Q3的接法和传统同步整流电路相同。
对于半桥式，全桥式，推挽式，零开关，零转换，移相全桥，有源钳位，等等各种功率变换电路，整流复合管的接法与上述反激式单输出电路相同，用复合管取代传统整流电路中的肖特基二极管即可。
图5中辅助电压Vcc是从输入电流脉冲整流而来，经过Q2的体二极管、电感L1、负载电阻R1形成回路。由于定时电路7555的工作电压为2-18V，功率MOSFET管IRF1503的门极驱动电压为3-20V，可选择Vcc为3-5V，有利于减小功率MOSFET管的驱动损耗。
定时电路7555是一个集模拟功能和逻辑功能于一体的器件，能够产生精确的时间延迟和振荡，上升时间和下降时间都在40毫微秒左右，驱动电流可达200mA。加到强制复位端U2-4的电平小于0.3V时，输出端U2-3即被强制复位，输出低电平，而高于1.4V时即工作正常。可控同步整流器将输入电流脉冲用作控制信号，加到定时电路7555的强制输入端，可以检测到大于1.4V的输入电流脉冲，只有小于0.3V的输入电流脉冲才被忽略。
同步整流有如下功率损耗导通损耗、开关损耗、驱动损耗、输出电容损耗、体二极管恢复损耗、体二极管续流损耗等。由于可控同步整流器的输出电压可以独立调节和稳定，输入的电流脉冲幅度比输出电压高很多，占空比可由D＝0.95下降到D＝0.5以下，而导通损耗与D成反比；由于可控同步整流器复合管中的寄生体二极管相当于不存在，所以免除了与体二极管相关的所有损耗。仅此两项，可控同步整流器的功耗就会大大减少。
由2个功率MOSFET管反向串联而成的复合管，其通态电阻极小，所有其他性能均优于肖特基二极管，在输出电压很低的情况下，整流效率仍然保持在98％以上；复合管中的寄生体二极管在任何情况下均不导通，相当于根本不存在寄生体二极管，因此，复合管可以像肖特基二极管一样应用，如前所述，传统同步整流的概念和理论，以及所有关于同步整流的各种驱动芯片，都将变得毫无意义。
权利要求
1.一种可控同步整流器，包括复合管(1)、驱动电路(2)、辅助电源(3)和滤波电路，其特征是复合管(1)取代传统整流电路中的肖特基二极管，后接滤波电路；驱动电路(2)由辅助电源(3)供电，其输出直接驱动复合管(1)。
2.根据权利要求1所述的可控同步整流器，其特征是复合管(1)由2个功率MOSFET管(Q1、Q2)反向串联而成，2个源极相连，2个门极相连，一个漏极相当于整流二极管的阳极，另一个漏极相当于整流二极管的阴极。
3.根据权利要求1所述的可控同步整流器，其特征是驱动电路(2)由第一集成电路(U1)、第二集成电路(U2)、第一光耦(OPT1)及其周围元件组成，第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第一电位器(VR1)、第五电阻(R5)依次串联，第三电阻(R3)和第四电阻(R4)的连接点，接输出电压(Vo)，第三电阻(R3)的另一端接第一光耦(OPT1)二极管部份的阳极，第五电阻(R5)的另一端接第一集成电路(U1)的阳极，同时接输出电压地(GND)，第一集成电路(U1)的阴极接第一光耦(OPT1)二极管部份的阴极，其控制极接第一电位器(VR1)的中心抽头；第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第十一电阻(R11)、第十三电阻(R13)、第二集成电路(U2)的脚1和第四电容(C4)接信号地(SGND)，第八电阻(R8)和第十电阻(R10)串联，中心点接第二集成电路(U2)的脚6，第七电阻(R7)和第九电阻(R9)串联，中心点接第二集成电路(U2)的脚2，第六电阻(R6)、第九电阻(R9)和第十电阻(R10)的另一端，一起接到第一光耦(OPT1)三极管部份的发射极，第十一电阻(R11)和第十二电阻(R12)串联，中心点接第二集成电路(U2)的脚3，第十二电阻(R12)的另一端接两个功率MOSFET管(Q1、Q2)的门极，第十三电阻(R13)和第十四电阻(R14)串联，中心点接第二集成电路(U2)的脚4，第十四电阻的另一端接输入电压(Ns)，第二集成电路(U2)的脚8接第一光耦(OPT1)的三极管部份的集电极，同时接辅助电压(Vcc)。
4.根据权利要求1所述的可控同步整流器，其特征是辅助电源(3)由第一稳压管(ZD1)及周围元件组成，第一二极管(D1)的阳极接输入电压(Ns)，其阴极接第二电阻(R2)的一端，第二电阻(R2)的另一端接第三电容(C3)的正极和第一稳压管(ZD1)的负极，同时接辅助电压(Vcc)，第三电容(C3)的负极和第一稳压管(ZD1)的正极接信号地(SGND)。
5.根据权利要求1所述的可控同步整流器，其特征是复合管(1)及其驱动电路(2)和辅助电源(3)可以取代任何传统整流电路中的肖特特基整流二极管。
全文摘要
用两只反向串联的功率MOSFET管组成复合管，代替整流电路中的肖特基二极管，使得功率MOSFET管的寄生体二极管在任何情况下，均不导通，避免了寄生体二极管的反向恢复损耗；可控同步整流器不采用同步整流控制芯片，把复合管的门极，接到普通定时芯片7555组成的驱动和检测电路的输出极，当输出电压没有达到额定值时，功率MOSFET管导通，输入脉冲电流向电容充电，同时向负载供电；当输出电压达到额定值时，功率MOSFET管截止，这样，可控同步整流器的各路输出电压均能分别进行独立调节和稳定；在此基础上，提高输入电流脉冲的幅度，使得通过功率MOSFET管的平均电流大大降低，更进一步减少整流电路的功率损耗，使得可控同步整流器的效率达到98％以上。
文档编号H02M7/217GK1877978SQ200610061468
公开日2006年12月13日 申请日期2006年7月4日 优先权日2006年7月4日
发明者郁百超 申请人:郁百超