創(chuàng)新輸入電橋設(shè)計(jì)有助填補(bǔ)技術(shù)缺口
Davide Giacomini和Luigi Chine
國(guó)際整流器公司 (IR)

從高壓配電到有效監(jiān)測(cè)數(shù)碼設(shè)備的極低核心電壓，功率管理在電子工程所有領(lǐng)域中扮演的角色日益重要。通過(guò)創(chuàng)新研發(fā)，本文解釋如何利用自我驅(qū)動(dòng)同步整流取代傳統(tǒng)輸入整流技術(shù)，達(dá)到提升效率的目的。

時(shí)至今天，低功率解決方案已成為業(yè)內(nèi)炙手可熱的話題，尤其在電池供電的便攜式設(shè)備的應(yīng)用方面?zhèn)涫荜P(guān)注。一般來(lái)說(shuō)，在較低電壓下操作的半導(dǎo)體器件，能夠延長(zhǎng)手機(jī)和多媒體播放器等設(shè)備在一次充電后的使用時(shí)間。這是業(yè)界整體發(fā)展趨勢(shì)中的重要一環(huán)。

然而在關(guān)注便攜式設(shè)備的同時(shí)，人們很容易忽略其他便攜性較低的設(shè)備對(duì)更高效率的需要。環(huán)保問(wèn)題和不斷上漲的電費(fèi)，使市場(chǎng)更加重視家電、勞力減省設(shè)備以及自動(dòng)化制造設(shè)備等日常電子設(shè)備的整體功率要求。

雖然我們傾向于從低電壓的角度去思考，但其實(shí)大部分電子設(shè)備都是通過(guò)國(guó)家供應(yīng)的高壓電來(lái)運(yùn)行：有的采用直接通電，有的利用適配器充電。盡管采用高壓配電是把電力分配到廣闊地域的最有效方法，但電壓水平對(duì)用電地區(qū)來(lái)說(shuō)實(shí)在太高了，必須針對(duì)本身隱藏著的低效率缺陷而進(jìn)行降壓。

因此，技術(shù)改善的目的顯而易見(jiàn)，就是要把在高交流電壓轉(zhuǎn)換為實(shí)用性更高的直流電壓的過(guò)程中，盡量提升效率。這種效率優(yōu)化對(duì)那些直接連接交流主電源的電氣設(shè)備來(lái)說(shuō)尤其重要。

二極管橋式電路

二極管橋式電路是電子工程領(lǐng)域中最基本的元素。工程人員廣泛以二極管橋式電路為交流電壓進(jìn)行全波整流，使其開(kāi)始與直流電源的特性相近；然后采用電阻、電容和電感網(wǎng)絡(luò)濾波，使輸出直流電壓變得更平滑。

二極管是由半導(dǎo)體材料P-N結(jié)形成的有源器件，但與硅控整流器和晶體管等更先進(jìn)的有源器件相比，卻缺少了可控功能。所以標(biāo)準(zhǔn)二極管在正向?qū)〞r(shí)會(huì)出現(xiàn)約0.7V的正向?qū)妷航�，�?dǎo)致全波整流效率降低。這也反映了在高電流應(yīng)用中，這種功率耗散可以造成非常大的熱量損耗和功率損耗。傳統(tǒng)全波輸入橋式整流電路的另一個(gè)特點(diǎn)，就是不論在任何時(shí)間，都會(huì)有兩個(gè)二極管同時(shí)進(jìn)行導(dǎo)通，使功耗進(jìn)一步增加。

雖然有以上的缺點(diǎn)，但該拓?fù)潆娐吩诘拓?fù)載應(yīng)用中仍是一個(gè)高性?xún)r(jià)比的解決方案。同時(shí)，它也在高功率應(yīng)用中得到廣泛使用，并且日漸流行。例如直流電機(jī)現(xiàn)正逐漸取代交流感應(yīng)電機(jī)，而這類(lèi)設(shè)計(jì)多數(shù)會(huì)通過(guò)二極管橋式電路來(lái)提供電壓轉(zhuǎn)換。此時(shí)的功率代價(jià)更為明顯。

同步整流

IR特別針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，利用MOSFET的寄生二極管，開(kāi)發(fā)了能夠進(jìn)一步善用半導(dǎo)體技術(shù)的新型解決方案。該解決方案改用4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)建立橋式結(jié)構(gòu)(如圖1)電路，避免了使用二極管而產(chǎn)生的功率損耗。

圖1 通過(guò)4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管建立橋式結(jié)構(gòu)電路，能夠避免使用二極管而產(chǎn)生的功率損耗。

同步整流技術(shù)會(huì)盡量保持晶體管在半個(gè)周期內(nèi)處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而減少晶體管體內(nèi)寄生二極管的導(dǎo)通時(shí)間。晶體管導(dǎo)通期間，電流不會(huì)通過(guò)體二極管，從而與跨越整個(gè)半周期相比，大幅降低功率損耗。

在運(yùn)行狀態(tài)下及交流電源半周期起始時(shí)，電流開(kāi)始通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管的體二極管，晶體管的漏極和源極之間因而產(chǎn)生了負(fù)電壓。檢測(cè)了這個(gè)負(fù)電壓后，控制電路便會(huì)開(kāi)通場(chǎng)效應(yīng)管，從而使電流流過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管的本體，而不是寄生二極管，從而減低器件的功耗。晶體管的RDS(on)愈低，解決方案的效率也就愈高。

該技術(shù)的效能高低主要取決于兩個(gè)因素：所用的場(chǎng)效應(yīng)管和控制電路的準(zhǔn)確性。如圖2所示，IR兩款同步整流控制晶片IRF1166和IRF1167為200V以下的電壓提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的離散式解決方案。這與利用四個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)刷式直流電機(jī)的電路結(jié)構(gòu)相似，必須確保正確的場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)時(shí)間，以避免短路。當(dāng)交流電壓由0V開(kāi)始上升，電流也會(huì)開(kāi)始流過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管，從而產(chǎn)生負(fù)電壓。這時(shí)候，選用的場(chǎng)效應(yīng)管將決定控制電路能否有效感應(yīng)負(fù)電壓。

圖 2 基于IRF1166/7的簡(jiǎn)單離散式整流方案。

有關(guān)設(shè)計(jì)面對(duì)的另一個(gè)挑戰(zhàn)，是要確�？刂萍呻娐返谋容^器能夠承受高供電電壓，亦能檢測(cè)到體二極管的小反向偏壓。IR先進(jìn)的Gen 5 HVIC技術(shù)，將把精準(zhǔn)的低電壓功能與采用高壓隔離的高壓器件整合起來(lái)，成功跨越這方面的挑戰(zhàn)。

為締造最大效益，場(chǎng)效應(yīng)管必須在半個(gè)周期內(nèi)全部導(dǎo)通，直到輸入電壓到0V，當(dāng)然不能交叉導(dǎo)通。然而，控制電路有可能把這些變化緩慢的電壓/電流訊號(hào)，錯(cuò)誤當(dāng)作下一個(gè)周期的電流前沿或后沿。當(dāng)電流升高引起的壓降到達(dá)足夠的高水平，電路可能在輸入電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)，短時(shí)間反覆啟動(dòng)和關(guān)閉場(chǎng)效應(yīng)管。這種情況最容易在電阻負(fù)載的電路中發(fā)生，因?yàn)殡娏髯兓试谠撾娐分斜入娙葚?fù)載等其他電路緩慢。

解決這個(gè)問(wèn)題的有效方法，是把一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)、兩個(gè)自舉二極管和自舉電容器引入控制電路中。這會(huì)在0V電壓范圍注入更多電流，在這個(gè)不確定電壓范圍內(nèi)，應(yīng)確保場(chǎng)效應(yīng)管源漏極電壓高于二極管的臨限電壓。

假如電壓高達(dá)600V，單集成電路方案可以集成自舉二極管，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器部分均可通過(guò)專(zhuān)用的可配置消隱時(shí)間模塊來(lái)取代RC網(wǎng)絡(luò)，讓設(shè)計(jì)能夠容納不同的場(chǎng)效應(yīng)管。另外，有關(guān)設(shè)計(jì)也可以把場(chǎng)效應(yīng)管、自舉電容器和控制功能集成到同一器件，成為現(xiàn)有二極管全波橋式整流器的直接替代品。這不僅能顯著節(jié)省功率，亦可大幅減少所需的印刷電路板空間。圖3展示了可供實(shí)現(xiàn)這種功能的集成動(dòng)態(tài)橋式器件。

圖3 可以直接替代現(xiàn)有二極管全波橋式整流器的集成動(dòng)態(tài)橋式器件。

總結(jié)

從高壓配電到有效監(jiān)測(cè)數(shù)碼設(shè)備的極低核心電壓，功率管理在電子工程所有領(lǐng)域中扮演的角色日益重要。通過(guò)創(chuàng)新研發(fā)，包括本文介紹的有源電橋概念，IR將一如既往為用戶提供更完善的功率管理解決方案，協(xié)助他們面對(duì)不同挑戰(zhàn)。

作者簡(jiǎn)介：
Davide Giacomini：國(guó)際整流器公司SMPS歐洲區(qū)應(yīng)用總監(jiān)兼美國(guó)電氣與電子工程師學(xué)會(huì) (IEEE) 成員。
Luigi Chine：國(guó)際整流器公司SMPS應(yīng)用工程師。