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2020.10.07 AC/DC

二極體整流和同步整流的效率比較

提高AC/DC轉換器效率的二次側同步整流電路設計

本文給出了一組資料,是二次側替換前的二極體整流方式AC/DC轉換器和將二次側替換為二次側同步整流用電源IC BM1R00147F之後的AC/DC轉換器的效率比較資料。

二次側二極體整流方式AC/DC轉換器和二次側同步整流方式AC/DC轉換器的效率比較

本系列文章探討了旨在將現有二次側二極體整流方式AC/DC轉換器的二次側替換為二次側同步整流用電源IC,改為同步整流方式來改善效率的設計案例。這裡給出使用替換前的二次側二極體整流方式、替換為BM1R00147F後的高側型和低側型共3種評估板實測效率得出的結果。測試條件為輸入電壓400VDC、輸出電壓5VDC、輸出電流0~10A。

左圖為輸出電流(Iout)整個範圍的效率。橙色曲線是替換前的二極體整流方式的效率。藍色和紅色為替換為同步整流方式後的效率,藍色為低側型,紅色為高側型。由於兩者的效率幾乎同等,所以高側型的紅色曲線隱藏在低側型的藍色曲線後面。從圖中還可以看出橙色的二極體整流方式的效率較差,右側是將縱軸放大後的圖。

結果表明,在最大負載10A條件下,替換前的二次側二極體整流方式的效率為77.3%,替換後為81.3%(低側)和81.6%(高側),效率提高了4%。

該效率差主要是二次側整流二極體和替換後的MOSFET的損耗差。二次側整流二極體通常使用FRD(快速恢復二極體)和SBD(蕭特基二極體)等。案例中的電源所使用的這些二極體的VF通常為0.5A~1V左右,因此根據簡單的傳導損耗公式VF×Iout,假設VF為1V,計算當Iout=10A時的損耗,得出10W的傳導損耗。而用於替換的MOSFET的傳導損耗Ron×Iout2,在Ron=4mΩ(根據MOSFET規格)時僅為0.4W,是二極體的1/25。

當然,實際的效率必須考慮切換損耗等其他損耗因素,因此不會這樣簡單地比較,但二次側整流元件的損耗是主要損耗,這一點是可以理解的。所以可以說,在無法顯著改善二極體自身VF特性的情況下,改為二次側同步整流方式是大幅改善二次側二極體整流方式AC/DC轉換器效率的有效選擇。

下面給出所用評估板的電路圖和零件表作為參考。請注意,這裡提到的效率僅是該評估中的結果,效率可能會因所使用零件的特性波動和PCB佈局等的不同而有所變動。

下一篇文章計畫介紹PCB佈局的注意事項。

重點:

・傳統的二次側二極體整流方式和替換後的同步整流方式的效率相比,很明顯,同步整流方式的效率更高。

・同步整流方式中,高側方式和低側方式的效率基本沒有差別。

・效率差的主要因素是二極體整流的二極體損耗(VF)和同步整流的MOSFET損耗(VDS)之間的差。

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