创新输入电桥设计有助填补技术缺口
Davide Giacomini和Luigi Chine
国际整流器公司 (IR)
从高压配电到有效监测数码设备的极低核心电压，功率管理在电子工程所有领域中扮演的角色日益重要。通过创新研发，本文解释如何利用自我驱动同步整流取代传统输入整流技术，达到提升效率的目的。
时至今天，低功率解决方案已成为业内炙手可热的话题，尤其在电池供电的便携式设备的应用方面备受关注。一般来说，在较低电压下操作的半导体器件，能够延长手机和多媒体播放器等设备在一次充电后的使用时间。这是业界整体发展趋势中的重要一环。
然而在关注便携式设备的同时，人们很容易忽略其他便携性较低的设备对更高效率的需要。环保问题和不断上涨的电费，使市场更加重视家电、劳力减省设备以及自动化制造设备等日常电子设备的整体功率要求。
虽然我们倾向于从低电压的角度去思考，但其实大部分电子设备都是通过国家供应的高压电来运行：有的采用直接通电，有的利用适配器充电。尽管采用高压配电是把电力分配到广阔地域的最有效方法，但电压水平对用电地区来说实在太高了，必须针对本身隐藏着的低效率缺陷而进行降压。
因此，技术改善的目的显而易见，就是要把在高交流电压转换为实用性更高的直流电压的过程中，尽量提升效率。这种效率优化对那些直接连接交流主电源的电气设备来说尤其重要。
二极管桥式电路
二极管桥式电路是电子工程领域中最基本的元素。工程人员广泛以二极管桥式电路为交流电压进行全波整流，使其开始与直流电源的特性相近；然后采用电阻、电容和电感网络滤波，使输出直流电压变得更平滑。
二极管是由半导体材料P-N结形成的有源器件，但与硅控整流器和晶体管等更先进的有源器件相比，却缺少了可控功能。所以标准二极管在正向导通时会出现约0.7V的正向导通电压降，导致全波整流效率降低。这也反映了在高电流应用中，这种功率耗散可以造成非常大的热量损耗和功率损耗。传统全波输入桥式整流电路的另一个特点，就是不论在任何时间，都会有两个二极管同时进行导通，使功耗进一步增加。
虽然有以上的缺点，但该拓扑电路在低负载应用中仍是一个高性价比的解决方案。同时，它也在高功率应用中得到广泛使用，并且日渐流行。例如直流电机现正逐渐取代交流感应电机，而这类设计多数会通过二极管桥式电路来提供电压转换。此时的功率代价更为明显。
同步整流
IR特别针对这个问题，利用MOSFET的寄生二极管，开发了能够进一步善用半导体技术的新型解决方案。该解决方案改用4个场效应管来建立桥式结构(如图1)电路，避免了使用二极管而产生的功率损耗。
图1 通过4个场效应管建立桥式结构电路，能够避免使用二极管而产生的功率损耗。
同步整流技术会尽量保持晶体管在半个周期内处于导通状态，从而减少晶体管体内寄生二极管的导通时间。晶体管导通期间，电流不会通过体二极管，从而与跨越整个半周期相比，大幅降低功率损耗。
在运行状态下及交流电源半周期起始时，电流开始通过场效应管的体二极管，晶体管的漏极和源极之间因而产生了负电压。检测了这个负电压后，控制电路便会开通场效应管，从而使电流流过场效应管的本体，而不是寄生二极管，从而减低器件的功耗。晶体管的RDS(on)愈低，解决方案的效率也就愈高。
该技术的效能高低主要取决于两个因素：所用的场效应管和控制电路的准确性。如图2所示，IR两款同步整流控制晶片IRF1166和IRF1167为200V以下的电压提供了一个简单的离散式解决方案。这与利用四个场效应管来驱动无刷式直流电机的电路结构相似，必须确保正确的场效应管开关时间，以避免短路。当交流电压由0V开始上升，电流也会开始流过场效应管，从而产生负电压。这时候，选用的场效应管将决定控制电路能否有效感应负电压。
图 2 基于IRF1166/7的简单离散式整流方案。
有关设计面对的另一个挑战，是要确保控制集成电路的比较器能够承受高供电电压，亦能检测到体二极管的小反向偏压。IR先进的Gen 5 HVIC技术，将把精准的低电压功能与采用高压隔离的高压器件整合起来，成功跨越这方面的挑战。
为缔造最大效益，场效应管必须在半个周期内全部导通，直到输入电压到0V，当然不能交叉导通。然而，控制电路有可能把这些变化缓慢的电压/电流讯号，错误当作下一个周期的电流前沿或后沿。当电流升高引起的压降到达足够的高水平，电路可能在输入电压过零点时，短时间反覆启动和关闭场效应管。这种情况最容易在电阻负载的电路中发生，因为电流变化率在该电路中比电容负载等其他电路缓慢。
解决这个问题的有效方法，是把一个RC网络、两个自举二极管和自举电容器引入控制电路中。这会在0V电压范围注入更多电流，在这个不确定电压范围内，应确保场效应管源漏极电压高于二极管的临限电压。
假如电压高达600V，单集成电路方案可以集成自举二极管，每个驱动器部分均可通过专用的可配置消隐时间模块来取代RC网络，让设计能够容纳不同的场效应管。另外，有关设计也可以把场效应管、自举电容器和控制功能集成到同一器件，成为现有二极管全波桥式整流器的直接替代品。这不仅能显着节省功率，亦可大幅减少所需的印刷电路板空间。图3展示了可供实现这种功能的集成动态桥式器件。
图3 可以直接替代现有二极管全波桥式整流器的集成动态桥式器件。
总结
从高压配电到有效监测数码设备的极低核心电压，功率管理在电子工程所有领域中扮演的角色日益重要。通过创新研发，包括本文介绍的有源电桥概念，IR将一如既往为用户提供更完善的功率管理解决方案，协助他们面对不同挑战。
作者简介：
Davide Giacomini：国际整流器公司SMPS欧洲区应用总监兼美国电气与电子工程师学会 (IEEE) 成员。
Luigi Chine：国际整流器公司SMPS应用工程师。
