如何利用同步整流技術(shù)實現(xiàn)DC/DC電源變換器的設計？

同步整流技術(shù)是采用通態(tài)電阻極低的功率MOSFET來取代整流二極管，因此能大大降低整流器的損耗，提高DC/DC變換器的效率，滿足低壓、大電流整流的需要。首先介紹了同步整流的基本原理，然后重點闡述同步整流式DC/DC電源變換器的設計。

1 同步整流技術(shù)概述

近年來隨著電源技術(shù)的發(fā)展，同步整流技術(shù)正在向低電壓、大電流輸出的DC/DC變換器中迅速推廣應用。DC/DC變換器的損耗主要由3部分組成：功率開關(guān)管的損耗，高頻變壓器的損耗，輸出端整流管的損耗。在低電壓、大電流輸出的情況下，整流二極管的導通壓降較高，輸出端整流管的損耗尤為突出?？旎謴投O管(FRD)或超快恢復二極管(SRD)可達1.0～1.2V，即使采用低壓降的肖特基二極管(SBD)，也會產(chǎn)生大約0.6V的壓降，這就導致整流損耗增大，電源效率降低。舉例說明，目前筆記本電腦普遍采用3.3V甚至1.8V或1.5V的供電電壓，所消耗的電流可達20A。此時超快恢復二極管的整流損耗已接近甚至超過電源輸出功率的50%。即使采用肖特基二極管，整流管上的損耗也會達到(18%～40%)PO，占電源總損耗的60%以上。因此，傳統(tǒng)的二極管整流電路已無法滿足實現(xiàn)低電壓、大電流開關(guān)電源高效率及小體積的需要，成為制約DC/DC變換器提高效率的瓶頸。

同步整流是采用通態(tài)電阻極低的專用功率MOSFET，來取代整流二極管以降低整流損耗的一項新技術(shù)。它能大大提高DC/DC變換器的效率并且不存在由肖特基勢壘電壓而造成的死區(qū)電壓。功率MOSFET屬于電壓控制型器件，它在導通時的伏安特性呈線性關(guān)系。用功率MOSFET做整流器時，要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱之為同步整流。

為滿足高頻、大容量同步整流電路的需要，近年來一些專用功率MOSFET不斷問世，典型產(chǎn)品有FAIRCHILD公司生產(chǎn)的NDS8410型N溝道功率MOSFET，其通態(tài)電阻為0.015Ω。Philips公司生產(chǎn)的SI4800型功率MOSFET是采用TrenchMOSTM技術(shù)制成的，其通、斷狀態(tài)可用邏輯電平來控制，漏-源極通態(tài)電阻僅為0.0155Ω。IR公司生產(chǎn)的IRL3102(20V/61A)、IRL2203S(30V/116A)、IRL3803S(30V/100A)型功率MOSFET，它們的通態(tài)電阻分別為0.013Ω、0.007Ω和0.006Ω，在通過20A電流時的導通壓降還不到0.3V。這些專用功率MOSFET的輸入阻抗高，開關(guān)時間短，現(xiàn)已成為設計低電壓、大電流功率變換器的首選整流器件。

最近，國外IC廠家還開發(fā)出同步整流集成電路(SRIC)。例如，IR公司最近推出的IR1176就是一種專門用于驅(qū)動N溝道功率MOSFET的高速CMOS控制器。IR1176可不依賴于初級側(cè)拓撲而單獨運行，并且不需要增加有源箝位(active clamp)、柵極驅(qū)動補償?shù)葟碗s電路。IR1176適用于輸出電壓在5V以下的大電流DC/DC變換器中的同步整流器，能大大簡化并改善寬帶網(wǎng)服務器中隔離式DC/DC變換器的設計。IR1176配上IRF7822型功率MOSFET，可提高變換器的效率。當輸入電壓為+48V，輸出為+1.8V、40A時，DC/DC變換器的效率可達86%，輸出為1.5V時的效率仍可達到85%。

2 同步整流的基本原理

單端正激、隔離式降壓同步整流器的基本原理如圖1所示，V1及V2為功率MOSFET，在次級電壓的正半周，V1導通，V2關(guān)斷，V1起整流作用;在次級電壓的負半周，V1關(guān)斷，V2導通，V2起到續(xù)流作用。同步整流電路的功率損耗主要包括V1及V2的導通損耗及柵極驅(qū)動損耗。當開關(guān)頻率低于1MHz時，導通損耗占主導地位;開關(guān)頻率高于1MHz時，以柵極驅(qū)動損耗為主。

圖1 單端降壓式同步整流器的基本原理圖

2.1 磁復位電路的設計

正激式DC/DC變換器的缺點是在功率管截止期間必須將高頻變壓器復位，以防止變壓器磁芯飽和，因此，一般需要增加磁復位電路(亦稱變壓器復位電路)。圖2示出單端降壓式同步整流器常用的3種磁復位電路：輔助繞組復位電路，R，C，VDZ箝位電路，有源箝位電路。3種磁復位的方法各有優(yōu)缺點：輔助繞組復位法會使變壓器結(jié)構(gòu)復雜化;R，C，VDZ箝位法屬于無源箝位，其優(yōu)點是磁復位電路簡單，能吸收由高頻變壓器漏感而產(chǎn)生的尖峰電壓，但箝位電路本身也要消耗磁場能量;有源箝位法在上述3種方法中的效率最高，但提高了電路的成本。

(a)輔助繞組復位電路 (b)R、C、VDZ箝位電路 (c)有源箝位電路

圖2 單端降壓式同步整流器常用的三種磁復位電路

磁復位要求漏極電壓要高于輸入電壓，但要避免在磁復位過程中使DPA-Switch的漏極電壓超過規(guī)定值，為此，可在次級整流管兩端并聯(lián)一個RS、CS網(wǎng)絡，電路如圖3所示。該電路可使高頻變壓器在每個開關(guān)周期后的能量迅速恢復到一個安全值，保證UD>UI。當DPA-Switch關(guān)斷時，磁感應電流就通過變壓器的次級繞組流出，利用電容CS使磁感應電流減至零。CS的電容量必須足夠小，才能在最短的關(guān)斷時間內(nèi)將磁感應電流衰減到零;但CS的電容量也不能太小，以免漏極電壓超過穩(wěn)壓管的箝位電壓。電阻RS的電阻值應在1～5Ω之間，電阻值過小會與內(nèi)部寄生電感形成自激振蕩。上述磁復位電路適用于40W以下的開關(guān)電源。

同步：同步整流是采用導通電阻極低的專用功率MOS，來取代整流二極管以降低整流損耗。它能大大提高DC-DC變換器的效率并且不存在由肖特基勢壘電壓而造成的死區(qū)電壓。功率MOS屬于電壓控制型器件，它在導通時的伏安特性呈線性關(guān)系。用功率MOS做整流器時，要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步(本質(zhì)是直流轉(zhuǎn)“交流”，“交流”再平滑為直流)才能完成整流功能，故稱之為同步整流。

異步：只有一個MOS管(或者說開關(guān)管)續(xù)流元件是二極管這種類型就屬于異步整流。

圖6-1：異步降壓和同步降壓

在應用中上下管都是MOS管就是同步的，只有一個上管的開關(guān)的就是非同步的，在主功率那一級中的功率開關(guān)管是我們常見的晶體管，而續(xù)流二極管變成了開關(guān)管，那么這個開關(guān)管就叫同步場效應管。一個柵極半橋驅(qū)動控制器，外圍加上上下兩個DrMOS管，那么上管就是功率管，下管是同步的場效應管，如此就可以看出它是一個同步結(jié)構(gòu)的Buck電路。

2.同異步整流的區(qū)別

圖5-2：同步和異步整流電流路徑

對于異步整流，當降壓比高時，續(xù)流二極管的導通時間長，而如果Vout低，整體損耗比例會因為續(xù)流二極管的VF而變大。并且電流通過二極管只朝一個方向流動，成為不連續(xù)工作產(chǎn)生振鈴。對于同步整流，輕負載時，電感電流有時會變?yōu)?A，電流可以通過MOS逆流，以維持并穩(wěn)定連續(xù)工作。

如下圖5-3是異步降壓型，當輸入電壓為5V，輸出電壓為1V，振蕩頻率為1MHZ，不連續(xù)工作時的波形圖：電流通過二極管只朝一個方向流動，成為不連續(xù)工作產(chǎn)生振鈴。

圖5-3：異步產(chǎn)生的振鈴現(xiàn)象

圖5-4：同異步電流Id

異步整流的損耗=VF×Iout×(1-ON Duty)

同步整流ON時的損耗=Iout2×Ron×(1-ON Duty);Ron：下管SW的導通電阻

假設Vin=5V，Vout=1V，Iout=2A，那么異步整流二極管的損耗為：P=0.5×2×(1-0.2)=0.8W，同步整流MOS的損耗為P=2×2×0.05×(1-0.2)=0.16W，可見電流越大，損耗差別越大。

3.同異整流的死區(qū)

為避免同步整流時上管和下管同時打開，二者中間需要一段死區(qū)時間(安全區(qū))，死區(qū)時間越長，電源工作更加安全可靠，但會帶來Vout和Iout的波動及降低輸出效率，圖5-5簡單示意了一下死區(qū)的含義，集成DC-DC死區(qū)參數(shù)已經(jīng)設計好，這里不仔細展開。真正的死區(qū)時間受到PWM的上升下降快慢，上下管的寄生電容、開啟關(guān)閉時間等等的影響，這一點在柵極驅(qū)動系列里面會詳細講到。

圖5-5：死區(qū)時間

MOS中有寄生體二極管，因此當MOS為OFF時，電流仍可通過體二極管流動，如果沒有死區(qū)時間，上下MOS將同時導通產(chǎn)生貫通電流(圖5-6)，貫通電流超過MOS的Ismax，或者沒有超過Ismax，但持續(xù)時間過長也會熱損傷燒壞MOS。