一种改进型的LLC拓扑的同步整流电路

高 蕊，邓玉玖

（1.宝鸡文理学院电子电气工程学院，陕西宝鸡721016；2.广东艾默生网络能源公司广东深圳518057）

高效率是通信电源发展趋势之一，为了提高50A模块的效率，设计了G2 50A的LLC的同步整流电路[1-2]，虽然采用同步整流DC/DC电路的效率相比肖特基二极管整流高0.85%左右，但调试时发现存在同步整流MOS驱动输出有时会一直为低，同步整流MOS管不能可靠关断，驱动损耗也会越大的问题[3-4]。为了解决上述问题，对LLC的同步整流电路进行了优化设计[5-6]，通过互锁电路的优化将驱动信号降低到两个二极管压降1 V左右，且更改后互锁电路可正常工作；通过降低驱动低电平可以使驱动的低电平仍能降到0 V；通过驱动电路供电电源电压的优化方法，此方法通过实验证明驱动电路供电电源电压Vcc取13.4 V时效率最高。

1 同步整流电路存在的问题

同步整流电路实际采用的电路图如图1所示，其中红色方框内为与互感器电流检测方案兼容的电路，当采用互感器检测整流管电流时，需去除D317，同时将PCB上D317的1脚与4脚短接；采用MOS管D、S极间电压进行电流检测时需去除红色方框内R380，R381和R423。小信号MOS管Q309及其驱动电阻是为防止两路整流管同时导通而增加的互锁电路。当另一路整流管导通时Q309也会开通，将这一路整流管的驱动信号强制拉低，从而防止两路MOS管直通短路。

图1 同步整流电路实际电路图

由图1可知，通过检测MOS管D、S间电压来控制MOS管的开通、关断，能实现LLC电路的同步整流，采用同步整流DC/DC电路的效率相比肖特基二极管整流高0.85%左右。但调试时发现存在同步整流MOS驱动输出有时会一直为低，同步整流MOS管不能可靠关断，驱动损耗较大的问题[3]，针对同步电路存在的问题对电路进行了优化设计。

2 互锁电路优化

在调试电路时发现同步整流MOS管驱动输出有时会一直为低，通过分析原理图发现这是互锁电路引起[7-8]。由于驱动输出的低电平约为1 V左右，而用作互锁的MOS管FDN327的VGS（th）最小为0.4 V，因此在驱动输出为低时FDN327仍可能开通，从而将另一路MOS管的驱动拉低。此外，FDN327门极电压允许值为±8 V，而我们的驱动电压可达14 V，因此FDN327不适合在此应用。可以将FDN327改为2N7002，其门极电压允许范围为±20 V，满足我们的电压要求，但常温下VGS（th）最小值也仅为1 V，而且温度越高，VGS（th）越低，仍有可能将同步整流管的驱动锁死。因此不能将驱动输出直接用作互锁小信号MOS管的驱动信号，必须将驱动输出电平降低后再用作互锁MOS管的驱动信号，互锁电路更改为如图2所示电路。

图2 互锁电路的优化

其中D4，C4用来将驱动信号降低两个二极管压降（1 V左右），更改后互锁电路可正常工作。

3 降低驱动低电平

原驱动电路输出的低电平约为1 V，同步整流MOS管不能可靠关断[9-10]，为了降低驱动输出的低电平电压，提高可靠性[11-12]，可在原驱动电路中加入图3红圈中所示的电平降低电路。

降低驱动输出的低电平前后波形对比如图4所示。

由图4可以看出更改后驱动电压的低电平降到了0 V，而更改电路前驱动电压的低电平约为1 V，图5是输出电压较低，开关频率较高时驱动波形，可见驱动的低电平仍能降到0 V。

图3 降低驱动低电平电路

图4 54 V输出时不同负载下驱动和电流波形

4 驱动电路供电电源电压的优化

由于驱动电压越高，MOS管导通时Rds（on）越小，导通电阻越小，但是驱动损耗也会越大，因此改变驱动电压会影响整流电路的损耗[13-14]。为了寻找损耗最低时的驱动电压，可以改变驱动电路供电电源的电压，测试不同电压下的电路效率，寻找效率最高的驱动电压[15-16]。实验结果如图6所示：

从图6可以看出驱动电路供电电源电压Vcc取13.4 V时效率最高。

图5 45 V输出时不同负载下驱动和电流波形

图6 不同驱动电压下效率对比

5 与其他技术方案对比

改进型同步整流采用AP239加单稳态电路驱动SR MOS管，该方案是用两级推挽来驱动同步整流MOS管，采用这种驱动方式时驱动电压随整流管电流而变，电流越小，驱动电压越低。如果用AP239集成驱动芯片加单稳态电路代替两级推挽作同步整流驱动，可使驱动电压不随整流管电流而变，且能使提前关断。实验电路图如图7所示，其中单稳态电路由555实现，基作用是防止驱动的二次开通。

图7 采用AP239加单稳态电路时驱动电路图

采用AP239加单稳态电路后效率与原同步整流电路效率对比如图8所示，可见采用推挽驱动时效率比AP239驱动要高。

图8 采用AP239驱动与推挽驱动时效率对比

6 结 论

文中针对在G2 50A的LLC拓扑的同步整流存在的问题，在此基础上进行了优化设计，通过互锁电路的优化将驱动信号降低两个二极管压降1 V左右，更改后互锁电路可正常工作；降低驱动低电平可以使驱动的低电平仍能降到0 V，提高驱动输出电平的可靠性；改变驱动电路供电电源的电压，测试不同电压下的电路效率，寻找效率最高的驱动电压，实验证明驱动电路供电电源电压Vcc取13.4 V时效率最高。虽然采用集成驱动芯片AP239加单稳态电路代替推挽电路可以提前关断MOS管，但电路效率不如现在采用的同步整流电路高。