介绍开关电源的同步整流技术

同步整流技术简介

1 概述

近年来，为了适应微处理器的发展，模块电源的发展呈现两个明显的发展趋势：低压和快速动态响应，在过去的10年中，模块电源大大改善了分布式供电系统的面貌。即使是在对成本敏感器件如线路卡，单板安装，模块电源也提供了诱人的解决方案。然而，高速处理器持续降低的工作电压需要一个全新的，适应未来的电压方案，尤其考虑到肖特级二极管整流模块不能令人满意的效率。同步整流电路正是为了适应低压输出要求应运而生的。由于一般的肖特基二极管的正向压降为0.3V以上，在低压输出时模块的效率就不能做的很高，有资料表明采用肖特基二极管的隔离式DC-DC模块电源的效率可以按照下式进行估算：

VoutVout (0.1 Vout Vcu Vf)

0.1 Vout—原边和控制电路损耗

Vcu—印制板的线路损耗

Vf—整流管导通压降损耗

我们假设采用0.4V的肖特基整流二极管，印制板的线路损耗为0.1V，则1.8V的模块最大的估算效率为72%。这意味着28%的能量被模块内部损耗了。其中由于二极管导通压降造成的损耗占了约15%。随着半导体工艺的发展，低压功率MOS管的的有着越来越小的通态电阻，越来越低的开关损耗，现在IR公司最新的技术可以制作30V/2.5mΩ的MOS管，在电流为15A时，导通压降为0.0375，比采用肖特基二极管低了一个数量级。所以近年来对同步整流电路的研究已经引起了人们的极大关注。在中大功率低压输出的DC-DC变换器的产品开发中，采用低压功率MOSFET替代肖特基二极管的方案得到了广泛的认同。今天，采用同步整流技术的ON-BOARD 模块已经广泛应用于通讯的所有领域。

2 同步整流电路的工作原理

介绍开关电源的同步整流技术

图1 采用同步整流的正激电路示意图(无复位绕组)

同步整流电路与普通整流电路的区别在于它采用了MOS管代替二极管，而MOS管是它驱的开关器件，必须采用一定的方式控制MOS管的开关。同步整流电路中功率MOS管的驱动方式主要有两种：自驱动和它驱动。它驱动的方式与普通MOS管的驱动方式相同，通过控制电路控制整流和续流MOS管的栅源电压实现同步开关的目的。而自驱动一般应用于隔离式的变换器中，下面举个个例子说明上图是同步整流电路在正激电路中应用的实例，从图中可以看出，整流管VT3和续流管VT2的驱动电压从变压器的副边绕组取出，加在MOS管的栅G和漏D之间，如果在独立的电路中MOS管这样应用不能完全开通，损耗很大，但用在同步整流时是可行的简化方案。由于这两个管子开关状态互琐，一个管子开，另一个管子关，所以我们只简要分析电感电流连续时的开通情况，我们知道MOS管具有体内寄生的反并联二极管，这样电感电流连续应用时，MOS管在真正开通之前并联的二极管已经开通，把源S和漏D相对栅的电平保持一致，加在GD之间的电压等同于加在GS之间的电压，这样变压器副边绕组同铭端为正时，整流管VT3的栅漏电压为正，整流管零压开通，当变压器副边绕组为负时，续流管VT2开通，滤波电感续流。

3 同步整流电路的应用设计注意事项

同步整流电路的概念由来已久，不过在产品中大量应用只是最近几年的事。这一方面是因为半导体技术的发展，另一方面在隔离式变换器中采用同步整流也存在一定的问题。下面以图1为例进行详细的说明

3.1 轻载效率低和同步整流管电压尖峰。

由于功率MOS管开通后为双向导电器件，输出滤波电感的电流不可能不连续，当轻载或空载时，输出滤波电感的电流下降到0后会继续反方向增加，直到整流二极管开通。这样虽然空载稳定性很容易保证，但这时造成续流管和滤波电感的一个环流，形成滤波电感的铁损和铜损以及续流管和输出线路阻抗损耗比采用肖特基二极管的模块电源效率低。这种状况下，由于滤波电感的反向电流，续流管的并联体二极管反向，如果续流管的关断和整流管的开通之间的死区时间较长，续流管关断后，整流管没有开通，由于输出滤波电感的电流突变，就会造成续流管漏源和整流管栅源电压尖峰，损坏同步整流电路。在一般的MOS管中，由于栅源电压比漏源电压低很多，这样整流管损坏的概率比续流管大。所以在同步整流电路的设计中，一般输出滤波电感的电感量在设计允许的条件下尽量大，这样电感电流的上升和下降缓慢，可以大大降低电感电流的最大值，减小模块的空载损耗。但这种设计又会造成模块电源的输出动态响应太慢，所以还有一种解决