為了提高電源的效率和功率密度，尤其是低輸出電壓的應(yīng)用場(chǎng)合，同步整流是不可或缺的。

圖1-1 反激輸出二極管損耗

比如上圖的反激電源如果輸出二極管 Vf=0.7V，輸出電壓 Vout=3V 則效率不會(huì)高于3/(3+0.7)=81%。

為了提升效率一般會(huì)選用低導(dǎo)通壓降的肖特基二極管，相對(duì)于肖特基二級(jí)管采用同步整流可以進(jìn)一步提升效率。

圖1-2 普通二極管、肖特基二極管及同步整流的對(duì)比

同步整流的控制大概有自驅(qū)、基于漏源電壓、基于伏秒平衡及自適應(yīng)控制幾種，每種控制法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

伏秒平衡控制法主要是在 CCM 模式及動(dòng)態(tài)伏秒不平衡時(shí)存在一些問(wèn)題，這里就準(zhǔn)備探討和解決這些問(wèn)題并嘗試 DIY 一款基于伏秒平衡原理的同步整流控制電路。

先以隔離反激同步整流為討論目標(biāo)，反激的儲(chǔ)能電感就是變壓器本身其波形特性如下：

圖1-3 反激輸出二極管 Vf+ 端波形

仿真參數(shù)

● 變壓器匝比 n=6.5:1

● 輸入電壓 100V

● 輸出電壓 12V

● 二極管導(dǎo)通壓降 0.7V

● 開關(guān)頻率 60kHz

上述波形中的 Vf+ 是圖1中輸出二極管的陽(yáng)極波形：

● 在 Ton 時(shí)刻，輸出電壓鉗位 Vf+=12+0.7=12.7V

● 在 Toff 時(shí)刻輸入電壓通過(guò)變壓器折算到次邊 Vf+=-100/6.5=-15.38V (因漏感的分壓作用實(shí)際仿真值為 -14.92V)

這個(gè) Vf+ 近似的反映了電感兩端的電壓變化情況，因而可以用此電壓來(lái)構(gòu)建和模擬伏秒平衡時(shí)的電流狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的預(yù)判斷。

模擬電感電流可以用一個(gè)積分電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，積分電路還可以平滑掉高頻震蕩波，提高電路的抗干擾能力，這里采用簡(jiǎn)單的 RC 電路來(lái)實(shí)現(xiàn)積分功能。

圖1-4 用 RC 積分電路實(shí)現(xiàn)電感電流模擬

用仿真來(lái)驗(yàn)證上述 RC 積分電路對(duì)電感電流的模擬效果：

圖1-5 電感電流與模擬電感電流對(duì)比

圖1-5中模擬的電感電流與實(shí)際電感電流是一種鏡像且存在直流偏差的關(guān)系，直流偏差對(duì)于伏秒平衡應(yīng)用幾乎沒(méi)有影響，經(jīng)相關(guān)處理后這個(gè)模擬出來(lái)的電感電流就可以為我們所用了，通過(guò)預(yù)判斷來(lái)進(jìn)行延遲開啟及提前關(guān)斷等操作。

圖1-5中的模擬電感電流是一種鏡像的交流信號(hào)，處理起來(lái)有些麻煩，所以把積分電路變換成另一種形式。

同步整流是對(duì)開關(guān)管進(jìn)行操作時(shí)間為 nS 級(jí)的，所以控制電路中沒(méi)有采用運(yùn)算放大器，都只是高速比較器，鏡像操作如上圖將積分電阻、電容互換位置即可。不過(guò)這種操作后參考點(diǎn)變成了 Vout，通過(guò)二極管 D5 鉗位。

另外初步將同步整流管放置在低邊，這樣驅(qū)動(dòng)會(huì)簡(jiǎn)單些，不過(guò) EMI 共模噪音會(huì)差一些。

穩(wěn)態(tài)時(shí)同步整流驅(qū)動(dòng)信號(hào) Qr 的產(chǎn)生可分下面兩部分：

①延遲開啟

圖1-6 RC 積分電路2

圖1-6中的輸出二極管陰極 Vf- 端的信號(hào)和初級(jí) MOS 驅(qū)動(dòng)信號(hào) Q 近似同步。

圖1-7 輸出二極管陰極 Vf- 信號(hào)

以 Vf- 信號(hào)為參考增加一小段延遲（死區(qū)時(shí)間）就可以得到延遲開啟的 Qr 信號(hào)。

②提前關(guān)閉

通過(guò)比較模擬的電感電流信號(hào) V_inductor 和輸出 Vout 信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)提前關(guān)閉同步信號(hào)的功能。

綜合一、二兩點(diǎn)得出穩(wěn)態(tài) CCM 模式時(shí)的同步驅(qū)動(dòng) Qr 信號(hào)如下：

圖1-8 穩(wěn)態(tài) CCM 模式 Qr 信號(hào)及產(chǎn)生電路

斷續(xù)模式時(shí)電感電流波形會(huì)有些震蕩，調(diào)整一下上述電路的電阻參數(shù)即可解決。

圖1-9 穩(wěn)態(tài) DCM 模式 Qr 信號(hào)

動(dòng)態(tài)時(shí)伏秒 “不平衡“，針對(duì)這種基于伏秒平衡的控制方法要如何改進(jìn)呢？

? 反激的伏秒平衡公式為：Uin*Ton/Lm=Uo*Toff/Lm

? 簡(jiǎn)化后：Uin*Don =Uo*Doff

? 推導(dǎo)出：Uo=Uin*Don/(1-Don)（在 BCM 或 CCM 模式下）

在電源剛上電時(shí)，輸出電壓 Uo 從零開始逐漸上升至設(shè)定電壓值，這個(gè)過(guò)程中若要維持伏秒平衡則 Toff 的時(shí)間將遠(yuǎn)大于開關(guān)周期，對(duì)于定頻控制模式這是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的所以在此階段伏秒無(wú)法滿足平衡。

圖2-1 上電伏秒不平衡波形

上圖中由于伏秒不平衡，電感電流要比穩(wěn)態(tài)時(shí)的高（電路有做限流處理），模擬電感電流也超出了 n_vo 信號(hào)的范圍，同步信號(hào) Qr 失控。圖中的 tsr 信號(hào)表 Q 同 Qr 信號(hào)相與的操作，用來(lái)檢驗(yàn)原邊及同步信號(hào)是否同時(shí)導(dǎo)通，正常情況 tsr 信號(hào)應(yīng)恒為低電平。

要實(shí)現(xiàn)任意情況下都 “滿足” 伏秒平衡成立，根據(jù)伏秒平衡公式有兩種方法：

方法1 在開關(guān)周期上做文章

這種方法是強(qiáng)制令信號(hào) Q+Qr<=T（Q、Qr 這里分別為原邊及同步 MOS 的導(dǎo)通時(shí)間，T 為開關(guān)周期），這樣即使輸出電壓 Uo=0 也可以推算出同步整流信號(hào) Qr 的最大導(dǎo)通時(shí)間以避免出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的情況。

具體實(shí)施方法是由 Q 信號(hào)（實(shí)為 Vf- 信號(hào)）觸發(fā)周期≤T 的計(jì)時(shí)器電路作為次邊同步 MOS 的關(guān)斷信號(hào)，這種方法只針對(duì)臨界和連續(xù)模式在斷續(xù)模式下不受影響。另外增加了欠壓保護(hù)功能，仿真效果如下：

圖2-2-1 周期法啟動(dòng)及動(dòng)態(tài)波形

按照周期法做的仿真在啟動(dòng)、滿載到輕載、輕載到滿載的過(guò)程中都沒(méi)由出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的情況（tsr 信號(hào)恒為低電平）。

對(duì)圖中圈1和圈2做局部放大如下：

圖2-2-2 周期法滿載到輕載突變局部放大圖

圖2-2-3 周期法輕載到滿載突變局部放大圖

從仿真結(jié)果看，周期法可以解決連續(xù)模式、大動(dòng)態(tài)負(fù)載下的同步整流控制問(wèn)題。但周期法也有局限性，需要根據(jù)主開關(guān)的工作頻率來(lái)精確設(shè)置同步整流管的工作頻率，在變頻模式中無(wú)法使用或是性能達(dá)不到最佳。

方法2 在輸出電壓上做文章

鑒于周期法的局限性，強(qiáng)制設(shè)置一個(gè)輸出電壓Uo來(lái)解決動(dòng)態(tài)時(shí)伏秒不平衡的問(wèn)題。

實(shí)際操作了一下找到一種更簡(jiǎn)單的電路形式：

圖2-3 Vout 法電路

仿真結(jié)果如下：

圖2-4 Vout 法仿真波形

這種方法電路比較簡(jiǎn)單用四個(gè)高速比較器即可實(shí)現(xiàn)，其原理是借鑒環(huán)路的滯后性，在電路中也加入相應(yīng)的滯后環(huán)節(jié)。

在對(duì)這種 Vout 法做極限測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)問(wèn)題，其中之一就是這種 Vout 法存在次諧波震蕩的隱患。

當(dāng)初級(jí)側(cè)電流采樣電阻取 R=0.3 時(shí)電路工作正常，波形如下：

圖3-1 R=0.3 正常波形

當(dāng)取采樣電阻取 R=0.1 時(shí)發(fā)生了次諧波震蕩。

圖3-2 R=0.1 次諧波震蕩波形

這里的次諧波震蕩與電流模式（CCM、Don>0.5）反激略有不同，在前一個(gè)周期輸入向輸出傳輸能量，后一個(gè)周期輸出向輸入傳輸能量（電流斜率由次級(jí)漏感決定），其它方面比較相似。發(fā)生次諧波震蕩時(shí)輸出電壓低于設(shè)定的12V。

消除次諧波震蕩可以加斜坡補(bǔ)償或者令占空比 Don＜0.5，圖3-2是有加斜坡補(bǔ)償?shù)闹皇茄a(bǔ)嘗的太少。圖3-1中最大占空比上限為 Donmax=0.8，但是并沒(méi)有發(fā)生次諧波震蕩，那么次諧波震蕩的臨界條件是什么呢？

上述次諧波震蕩問(wèn)題是由仿真造成的，Vcont 信號(hào)有個(gè)錯(cuò)誤的 delay。匝比 n=6.5:1，正常工作時(shí)占空比 Don=6.5*12/(6.5*12+100)=0.438 不具備發(fā)生次諧波震蕩的條件。

圖3-3 R=0.1 正常波形

圖3-3中 Vcont 信號(hào)加有斜坡補(bǔ)償，正常不加也是可以的。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的60秒计时器的仿真电路_基于伏秒平衡的同步整流方案探讨的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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