如何利用同步整流技術(shù)實(shí)現(xiàn)DC/DC電源變換器的設(shè)計(jì)？

同步整流技術(shù)是采用通態(tài)電阻極低的功率MOSFET來(lái)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(diǎn)闡述同步整流式DC/DC電源變換器的設(shè)計(jì)。

1 同步整流技術(shù)概述

近年來(lái)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(yīng)用。DC/DC變換器的損耗主要由3部分組成：功率開(kāi)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(dǎo)通壓降較高，輸出端整流管的損耗尤為突出?？旎謴?fù)二極管(FRD)或超快恢復(fù)二極管(SRD)可達(dá)1.0～1.2V，即使采用低壓降的肖特基二極管(SBD)，也會(huì)產(chǎn)生大約0.6V的壓降，這就導(dǎo)致整流損耗增大，電源效率降低。舉例說(shuō)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(dá)20A。此時(shí)超快恢復(fù)二極管的整流損耗已接近甚至超過(guò)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(huì)達(dá)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(wú)法滿足實(shí)現(xiàn)低電壓、大電流開(kāi)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(lái)取代整流二極管以降低整流損耗的一項(xiàng)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(shì)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(dǎo)通時(shí)的伏安特性呈線性關(guān)系。用功率MOSFET做整流器時(shí)，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(lái)一些專用功率MOSFET不斷問(wèn)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(lái)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(guò)20A電流時(shí)的導(dǎo)通壓降還不到0.3V。這些專用功率MOSFET的輸入阻抗高，開(kāi)關(guān)時(shí)間短，現(xiàn)已成為設(shè)計(jì)低電壓、大電流功率變換器的首選整流器件。

最近，國(guó)外IC廠家還開(kāi)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(mén)用于驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET的高速CMOS控制器。IR1176可不依賴于初級(jí)側(cè)拓?fù)涠鴨为?dú)運(yùn)行，并且不需要增加有源箝位(active clamp)、柵極驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償?shù)葟?fù)雜電路。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(jiǎn)化并改善寬帶網(wǎng)服務(wù)器中隔離式DC/DC變換器的設(shè)計(jì)。IR1176配上IRF7822型功率MOSFET，可提高變換器的效率。當(dāng)輸入電壓為+48V，輸出為+1.8V、40A時(shí)，DC/DC變換器的效率可達(dá)86%，輸出為1.5V時(shí)的效率仍可達(dá)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(jí)電壓的正半周，V1導(dǎo)通，V2關(guān)斷，V1起整流作用;在次級(jí)電壓的負(fù)半周，V1關(guān)斷，V2導(dǎo)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(dǎo)通損耗及柵極驅(qū)動(dòng)損耗。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率低于1MHz時(shí)，導(dǎo)通損耗占主導(dǎo)地位;開(kāi)關(guān)頻率高于1MHz時(shí)，以柵極驅(qū)動(dòng)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(fù)位電路的設(shè)計(jì)

正激式DC/DC變換器的缺點(diǎn)是在功率管截止期間必須將高頻變壓器復(fù)位，以防止變壓器磁芯飽和，因此，一般需要增加磁復(fù)位電路(亦稱變壓器復(fù)位電路)。圖2示出單端降壓式同步整流器常用的3種磁復(fù)位電路：輔助繞組復(fù)位電路，R，C，VDZ箝位電路，有源箝位電路。3種磁復(fù)位的方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：輔助繞組復(fù)位法會(huì)使變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜化;R，C，VDZ箝位法屬于無(wú)源箝位，其優(yōu)點(diǎn)是磁復(fù)位電路簡(jiǎn)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(chǎng)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(fù)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(fù)位電路

磁復(fù)位要求漏極電壓要高于輸入電壓，但要避免在磁復(fù)位過(guò)程中使DPA-Switch的漏極電壓超過(guò)規(guī)定值，為此，可在次級(jí)整流管兩端并聯(lián)一個(gè)RS、CS網(wǎng)絡(luò)，電路如圖3所示。該電路可使高頻變壓器在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期后的能量迅速恢復(fù)到一個(gè)安全值，保證UD>UI。當(dāng)DPA-Switch關(guān)斷時(shí)，磁感應(yīng)電流就通過(guò)變壓器的次級(jí)繞組流出，利用電容CS使磁感應(yīng)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(shí)間內(nèi)將磁感應(yīng)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(guò)穩(wěn)壓管的箝位電壓。電阻RS的電阻值應(yīng)在1～5Ω之間，電阻值過(guò)小會(huì)與內(nèi)部寄生電感形成自激振蕩。上述磁復(fù)位電路適用于40W以下的開(kāi)關(guān)電源。

同步：同步整流是采用導(dǎo)通電阻極低的專用功率MOS，來(lái)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(shì)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(dǎo)通時(shí)的伏安特性呈線性關(guān)系。用功率MOS做整流器時(shí)，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(gè)MOS管(或者說(shuō)開(kāi)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(yīng)用中上下管都是MOS管就是同步的，只有一個(gè)上管的開(kāi)關(guān)的就是非同步的，在主功率那一級(jí)中的功率開(kāi)關(guān)管是我們常見(jiàn)的晶體管，而續(xù)流二極管變成了開(kāi)關(guān)管，那么這個(gè)開(kāi)關(guān)管就叫同步場(chǎng)效應(yīng)管。一個(gè)柵極半橋驅(qū)動(dòng)控制器，外圍加上上下兩個(gè)DrMOS管，那么上管就是功率管，下管是同步的場(chǎng)效應(yīng)管，如此就可以看出它是一個(gè)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(duì)于異步整流，當(dāng)降壓比高時(shí)，續(xù)流二極管的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)，而如果Vout低，整體損耗比例會(huì)因?yàn)槔m(xù)流二極管的VF而變大。并且電流通過(guò)二極管只朝一個(gè)方向流動(dòng)，成為不連續(xù)工作產(chǎn)生振鈴。對(duì)于同步整流，輕負(fù)載時(shí)，電感電流有時(shí)會(huì)變?yōu)?A，電流可以通過(guò)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(dāng)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(shí)的波形圖：電流通過(guò)二極管只朝一個(gè)方向流動(dòng)，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(shí)的損耗=Iout2×Ron×(1-ON Duty);Ron：下管SW的導(dǎo)通電阻

假設(shè)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(jiàn)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(shí)上管和下管同時(shí)打開(kāi)，二者中間需要一段死區(qū)時(shí)間(安全區(qū))，死區(qū)時(shí)間越長(zhǎng)，電源工作更加安全可靠，但會(huì)帶來(lái)Vout和Iout的波動(dòng)及降低輸出效率，圖5-5簡(jiǎn)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(shè)計(jì)好，這里不仔細(xì)展開(kāi)。真正的死區(qū)時(shí)間受到PWM的上升下降快慢，上下管的寄生電容、開(kāi)啟關(guān)閉時(shí)間等等的影響，這一點(diǎn)在柵極驅(qū)動(dòng)系列里面會(huì)詳細(xì)講到。

圖5-5：死區(qū)時(shí)間

MOS中有寄生體二極管，因此當(dāng)MOS為OFF時(shí)，電流仍可通過(guò)體二極管流動(dòng)，如果沒(méi)有死區(qū)時(shí)間，上下MOS將同時(shí)導(dǎo)通產(chǎn)生貫通電流(圖5-6)，貫通電流超過(guò)MOS的Ismax，或者沒(méi)有超過(guò)Ismax，但持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)熱損傷燒壞MOS。