高性能電源轉換器設計中的同步整流技術

1、高性能電源轉換器設計中的同步整流技術電源轉換器的用法越來越普遍，設備創(chuàng)造商需要他們的電源系統(tǒng)不斷增強新的功能和特性，例如更低的輸入和輸出、更高的、更快的瞬態(tài)響應。為滿足這些需求，在上世紀90年月晚期設計師開頭采納同步整流（sr）技術用法來替代常用實現(xiàn)的整流功能。sr提高了效率、熱性能、功率密度、可創(chuàng)造性和牢靠性，并可降低囫圇系統(tǒng)的電源系統(tǒng)成本。本文將介紹sr的優(yōu)點，并研究在其實現(xiàn)中碰到的挑戰(zhàn)。二極管整流的缺點圖1是非同步和同步降壓轉換器的原理圖。非同步降壓轉換器用法fet 和肖特基二極管作為開關器件（圖1a），當fet打開時，能量傳遞到輸出和負載。當fet關斷，電感中的電流流過肖特基二極管。假

2、如負載電流高于輸出電感的紋波電流的一半，則轉換器工作在延續(xù)導通模式。按照正向電壓降和反向漏電流特性來挑選肖特基二極管。但是，當輸出電壓降低時，二極管的正向電壓的影響很重要，它將降低轉換器的效率。物理特性的極限使二極管的正向電壓降難以降低到0.3v以下。相反，可以通過加大硅片的尺寸或并行銜接分別器件來降低 mosfet的導通rds(on)。因此，在給定的電流下，用法一個mosfet來替代二極管可以獲得比二極管小無數(shù)的電壓降。這使得sr很有吸引力，特殊是在對效率、轉換器尺寸和熱性能很敏感的應用中，例如便攜式或者手持設備。mosfet創(chuàng)造商不斷地引入具有更低rds(on)和總柵極電荷（qg）的新mo

3、sfet技術，這些新的mosfet技術使在電源轉換器設計中實現(xiàn)sr越發(fā)簡單。什么是同步整流？例如，在同步降壓轉換器中，通過用兩個低端的mosfet來替換肖特基二極管可以提高效率（圖1b）。這兩個mosfet必需以互補的模式驅動，在它們的導通間隙之間有一個很小的死區(qū)時光（dead time），以避開同時導通。同步fet工作在第三象限，由于電流從源極流到漏極。與之對應的非同步轉換器相比，同步降壓轉換器總是工作在延續(xù)導通，即使在空載的狀況下也是。在死區(qū)時光內，電感電流流過低端fet的體二極管（body diode）。這個體二極管通常具有十分慢的反向復原特性，會降低轉換器的效率?？梢耘c低端fet并行放

4、置一個肖特基二極管以對體二極管實現(xiàn)旁路，避開它影響到轉換器的性能。增強的肖特基二極管可以比非同步降壓轉換器中的二極管低無數(shù)的額定電流，由于它只在兩個fet都關斷時的較短的死區(qū)時光（通常低于開關周期的百分之幾）內導通。同步整流的益處在高性能、高功率的轉換器中用法sr的益處是可以獲得更高的效率、更低的功耗、更佳的熱性能，以及當同步fet并行銜接時固有的抱負電流分享特點，而且盡管采納自動組裝工藝（更高的牢靠性）但還是可提高創(chuàng)造良率。如上面提到的那樣，若干個mosfet可以并行銜接來應對更高的輸出電流。由于在這種狀況下有效的rds(on)與并行銜接的器件數(shù)量成反比，因此降低了導通損耗。同樣，rds(o

5、n)具有正的溫度系數(shù)，因此fet將等量共享電流，有助于優(yōu)化在sr器件之間的熱分布，這將提高器件和散熱的能力，挺直充實設計的熱性能。sr帶來的其他潛在的益處包括更小的形狀尺寸、開放的框架結構、更高的環(huán)境工作溫度，以及更高的功率密度。同步整流轉換器的設計折中在低電壓應用中，設計工程師通常增強開關頻率以減小輸出電感和的尺寸，以此使轉換器尺寸最小化，并降低輸出紋波電壓。假如并聯(lián)多個fet，這樣的頻率增強也會增強柵極驅動和開關損耗，因此必需按照詳細的應用舉行設計折中。例如，在高輸入電壓、低輸出電壓的同步降壓轉換器上，由于工作條件是高端fet比低端fet具有更低的rms電流，因此高端fet應當挑選具有低q

6、g和高rds(on)的器件。對于這個器件來說，降低開關損耗比導通損耗更重要。相反，低端fet承載更大的rms電流，因此rds(on)應當盡可能低。在同步轉換器中挑選具有更強驅動能力的控制器，通過使fet開關所用的時光最短，將能削減開關損耗。然而，更快的升高和下降時光可產(chǎn)生高頻噪聲，這種噪聲可以導致系統(tǒng)噪聲和emi問題。隔離拓撲結構的同步整流轉換器驅動采納隔離拓撲的電源轉換器被用在需要在系統(tǒng)地之間舉行隔離的系統(tǒng)中。這樣的系統(tǒng)包括分布式架構、以太網(wǎng)供電系統(tǒng)和無線基站（圖2）。在隔離轉換器中采納sr可以大大地提高其性能。全部的隔離拓撲，包括正激、反激、推挽、半橋和全橋（電流和電壓反饋）都可以舉行同步整流。然而，在每個拓撲中的sr提供的足夠的、適時的柵極驅動信號都有其自身的挑戰(zhàn)性。針對隔離拓撲的次級fet的驅動計劃基本上有兩種：自驅動柵極信號挺直從次級繞組獲得，控制驅動柵極信號從控制器或一些其他初級的基準信號獲得。對于一個給定的應用，這些驅動可以有幾種不同的實現(xiàn)辦法。設計師應當挑選能滿足性能要求的最容易的解決計劃。自驅動計劃是最容易、挺直的sr驅動計劃（圖3），適合于那些在任何時光段內變壓器電壓都不為零的拓撲結構。兩個sr fe