畢業(yè)設(shè)計(jì)資料 翻譯2566

使用同步整流器的高效率開(kāi)關(guān)電源單元1.緒論這份報(bào)告描述了一種為主機(jī)電腦提供的絕緣開(kāi)關(guān)電源單元(DC/DC轉(zhuǎn)換器),這種單元是利用新開(kāi)發(fā)的用來(lái)次級(jí)調(diào)整的同步調(diào)整電路組成的.與傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源相比，它提高了6%的處理效率和現(xiàn)在已經(jīng)提高到了1.75倍的每單位量的功率輸出。因此這種電源單位具有高效率、低電壓和高功率輸出的特點(diǎn)。表格1顯示其規(guī)格的概要。圖1就是這個(gè)電源單位的外形。整流方式肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)同步整流器輸入電壓(Vdc)200-373240-400輸出電壓（Vdc）3.62.5/3.3可轉(zhuǎn)換輸出電流（A）300360輸出功率（W）10801188效率（%）7581功率損耗（W）360278大小W/H/D（mm）120/381/2009.1（公升）60/381/2505.7（公升）每單位量功率輸出（瓦/公升）119208重量（kg）8.55.3氣流（m3/min）2.41.5工作溫度（℃）0-450-45表格1說(shuō)明書(shū)圖1以前的（左）和新單元（右）2.背景近年來(lái)，在規(guī)模集成電路技術(shù)作用下，已經(jīng)有了從晶體管-晶體管邏輯電路（TTL）和發(fā)射器連接邏輯電路（ECL）的利用到利用高綜合的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）的方法。與此同時(shí)中央處理器、存儲(chǔ)器和類似物的邏輯部分以相當(dāng)快的速度正逐步走向小型化。盡管如此，把電源部分合成整體是有困難的，剛開(kāi)始它占用了主機(jī)里面的大部分空間。直到現(xiàn)在，水冷卻法已經(jīng)被用來(lái)冷卻邏輯部分。因?yàn)樗鋮s法是高效率的，它曾經(jīng)也用來(lái)冷卻電源。然而使用CMOS會(huì)減少邏輯部分使用的電量，這將制造水冷卻單元（一種昂貴的組成部分）使多余的電源組成部分小型化。因此，只對(duì)電源組成部分用水冷卻單元已經(jīng)變得更加禁止的昂貴。通過(guò)減少電源的內(nèi)在損耗和提高單位的處理效率使電源單位小型化已經(jīng)變得有必要。此外，電源電壓超過(guò)時(shí)間時(shí)從5.0V減少到3.3V，然后到2.5V。再著，由肖特基勢(shì)壘二極管SBD組成的次級(jí)整流部分的損耗已變得相當(dāng)重要。因此我們作出結(jié)論認(rèn)定減少次級(jí)整流部分的損失將在小型化過(guò)程中是最重要的因素，并且要而發(fā)展使用同步整流電路開(kāi)關(guān)電源單元。3.常規(guī)的電路和損耗分析圖2是一種開(kāi)關(guān)電源的外形，和圖3顯示的是損失分析的結(jié)果。圖上表明次級(jí)整流部分損失占有超過(guò)40%整體損失。根據(jù)理論分析的觀點(diǎn)，這分析的結(jié)果建議使用同步整流電路將改善處理效率，如圖4顯示。圖2常規(guī)電路圖3功率損耗比較圖4效率比較4.當(dāng)前狀況的同步整流器同步整流的基本概念已長(zhǎng)期存在。然而，其當(dāng)作一種產(chǎn)品實(shí)際的應(yīng)用只是最近才開(kāi)始。在移動(dòng)設(shè)備中的同步整流器開(kāi)始于手?jǐn)y式電腦，是一種重要的技術(shù)有利于延長(zhǎng)這樣電源設(shè)備的電池使用壽命。自從由于同步整流的作用，當(dāng)非絕緣模式被使用控制電路就相對(duì)容易。因此促進(jìn)開(kāi)關(guān)對(duì)ICs的用途,在CPUs中同步整流為多數(shù)DC/DC交換器而使用。但是當(dāng)絕緣模式（需要變壓器）被使用時(shí)，由于同步整流的作用使得控制電路有困難。因此，下面的問(wèn)題將會(huì)遇到。因而絕緣模式只能用在具體的產(chǎn)品。5.使用同步整流遇到的問(wèn)題圖5顯示了同步整流電路的正常使用。有很多的問(wèn)題與這個(gè)電路相關(guān)。而且,處理效率不是象我們期望一樣好。此外,其他嚴(yán)重的問(wèn)題包括并行操作會(huì)遇到。圖5早先同步整流電路1)低邊開(kāi)關(guān)的推動(dòng)不足正如圖6說(shuō)明,當(dāng)主要開(kāi)關(guān)(Q01,2在圖5)被關(guān)閉,變壓器被重新設(shè)置,造成引起的電壓的消失。然后,低邊開(kāi)關(guān)Q2被關(guān)閉,電流流入BD2（Q2的部分二極管）,導(dǎo)致在損失的增量。因此需要加肖特基勢(shì)壘二極管D2與Q2平行以增加物理量。當(dāng)電源的輸入電壓的范圍是寬廣的并且其輸入電壓是高的,重新設(shè)置時(shí)間被變短和在當(dāng)電流流入D2期間總的時(shí)間是延長(zhǎng)的。因?yàn)槠涮幚硇蔬_(dá)到的幾乎與使用SBD整流電路是一樣的,所以使用同步整流電路的正面作用不是非常重大的。圖6早先電路波形2)在并行操作電流線路圖7顯示沒(méi)有使用阻攔的二極管的單位并行操作。當(dāng)一個(gè)單位的主要開(kāi)關(guān)Q01,2被關(guān)閉,另一單位輸出提供電壓給Q2門。結(jié)果,一個(gè)單位(Q2)打開(kāi)。然后高電流流經(jīng)扼流圈而流失。這導(dǎo)致Q2被損壞和輸出電壓減小。并且,當(dāng)在各個(gè)單位的poweron和poweroff信號(hào)的發(fā)生不一至的時(shí)候,將產(chǎn)生同樣的問(wèn)題,造成對(duì)單位的損傷。圖7并行操作3)關(guān)斷時(shí)間的延遲在大多數(shù)當(dāng)前被發(fā)展的MOS-FET,其Vgs的門限電壓Vth從4V減少到2V。正如圖8所示,當(dāng)由OV門電壓(斜率A)關(guān)斷Q1和Q2,瞬時(shí)斜率的緩和區(qū)顯示其極限。損失因由變壓器產(chǎn)生的電流而增加，原因是關(guān)斷時(shí)間的延遲。圖8門限的兩種波形4)浪涌電壓因?yàn)橥秸麟娐返牟僮魇请p向的,扼流圈L1的電流將是連續(xù)的。當(dāng)負(fù)載電流小的時(shí)候,L1電流以反向流動(dòng)。甚至在高邊開(kāi)關(guān)Q1最輕微的延遲導(dǎo)致L1電流通路被切斷,則浪涌電壓產(chǎn)生,正如圖9所示。結(jié)果,Q1和Q2受到損傷。5)在并行操作過(guò)程中的循環(huán)電流當(dāng)有同步整流電路的各個(gè)單元是并行操作的，如果甚至有最輕微輸出電壓的差別，則大電流會(huì)較高的輸出電壓?jiǎn)卧鞯捷^低的輸出電壓?jiǎn)卧?這在圖10說(shuō)明.)通過(guò)U2逆變器電流反饋到主要邊，在此之后，它再一次被U1逆變器返回次級(jí)邊。結(jié)果，大的循環(huán)電流在U1和U2之間流動(dòng)。因此，即使有輕負(fù)載電流，在單位里產(chǎn)生的損失也像用重負(fù)載發(fā)生一樣的大。6.解決問(wèn)題和新的電路如下內(nèi)容描述一個(gè)解決用第5部分描述的問(wèn)題的方法。圖11顯示新同步整流電路。圖13是一張說(shuō)明在并行操作的構(gòu)造的圖表。圖9產(chǎn)生浪涌電壓的裝置圖10循環(huán)電流的根源圖11新電路1)低邊開(kāi)關(guān)的推動(dòng)不足圖11顯示Q2和它的操作開(kāi)關(guān)Q3。正如圖12說(shuō)明的，當(dāng)Q01,2斷開(kāi)這樣就產(chǎn)生變壓器重新調(diào)節(jié)電壓，使得Q3斷開(kāi)然后正電壓通過(guò)D3加到Q2門兩端。當(dāng)電壓重新調(diào)節(jié)完成電壓被除去時(shí)，D3斷開(kāi)，Q2門不導(dǎo)通。在這點(diǎn)上，Q2保持在Ciss中的門和源電路上的充電電荷并且終止。結(jié)果，并聯(lián)在Q2上的肖特基勢(shì)壘二極管顯得沒(méi)有必要。同步整流電路能夠最小化它自身的損耗。2）在并行操作中的電流環(huán)路圖11顯示的Q1和Q2通過(guò)隔離繞組（N2和N3）來(lái)驅(qū)動(dòng)，使得于其他單元的潛在電流可以避免，并且他們可以并行操作。圖12新電路波形3)關(guān)閉時(shí)間延遲如圖11所示，變壓器繞組Q1是直接和門和源電路連接。當(dāng)Q1關(guān)閉，一個(gè)負(fù)電壓加在門電路上。當(dāng)Q01，2打開(kāi)，在變壓器Q2上，正電壓產(chǎn)生。因此，門電荷通過(guò)Q3放電。然后，相反的電壓加在Q2的門電路并且Q1關(guān)閉。（圖8中的斜線B）4）涌浪電壓當(dāng)一個(gè)等同于L1上的電流大小的電流被檢測(cè)到時(shí)（在圖11中變壓器的電流被檢測(cè)到），Q4在L1的電流或者相等的電流變成反向前關(guān)閉。通過(guò)關(guān)閉Q4，反向電壓加到Q2的門電路并且Q2關(guān)閉。然后BD2代替Q2進(jìn)行整流。在感應(yīng)電流在反方向流動(dòng)時(shí)關(guān)閉Q2，能夠截止掉L1上的反向電流并且避免了涌浪電壓。同時(shí)，整流器前面的下降從0.2v增加到1v。然而，因?yàn)樨?fù)載電流很小，沒(méi)有熱量失靈發(fā)生。5）平行操做中的循環(huán)電流循環(huán)電流通過(guò)利用對(duì)門電路驅(qū)動(dòng)和停止在截止盤繞的關(guān)閉區(qū)域的分離來(lái)消除掉。7．特性圖14說(shuō)明了新單元的效率和內(nèi)部損耗的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果。象在圖4上所期望的結(jié)果，損耗被降低23%，效率提高6%。圖13并聯(lián)工作圖14新電源單元的效率8．結(jié)論我們發(fā)展了一種新的同步矯正電路來(lái)克服和傳統(tǒng)的同步整流電路關(guān)聯(lián)的缺點(diǎn)。我們同時(shí)也在著手一種冷的絕緣開(kāi)關(guān)電源提供單元的商業(yè)產(chǎn)品，同時(shí)它提供高效率，低電壓和高輸出電流。然而，因?yàn)镃PUs這種邏輯部件繼續(xù)以一種很快的速度進(jìn)行小型化發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源單元的小型化外圍設(shè)備的比以往需求更強(qiáng)烈。因此，我們將需要在允許我們實(shí)現(xiàn)更高的效率水平的發(fā)展技術(shù)上工作。9．參考文獻(xiàn)[1]

HirohikoKizu,HiroyukiSatoh,ShigeharuYamashita,KazutoshiFuchigami,"WaterCooledSwitchingPowerSupply"INTELEC'89[2]

TeruhikoKohama,Tamotsu