同步整流技術(shù)

1、同步整流技術(shù)簡介1 概述近年來，為了適應(yīng)微處理器的發(fā)展，模塊電源的發(fā)展呈現(xiàn)兩個明顯的發(fā)展趨勢：低壓和快速動態(tài)響應(yīng)，在過去的10年中，模塊電源大大改善了分布式供電系統(tǒng)的面貌。即使是在對成本敏感器件如線路卡，單板安裝，模塊電源也提供了誘人的解決方案。然而，高速處理器持續(xù)降低的工作電壓需要一個全新的，適應(yīng)未來的電壓方案，尤其考慮到肖特級二極管整流模塊不能令人滿意的效率。同步整流電路正是為了適應(yīng)低壓輸出要求應(yīng)運而生的。由于一般的肖特基二極管的正向壓降為0.3V以上，在低壓輸出時模塊的效率就不能做的很高，有資料表明采用肖特基二極管的隔離式DC-DC模塊電源的效率可以按照下式進行估算：我們假設(shè)采用0.4V

2、的肖特基整流二極管，印制板的線路損耗為0.1V，則1.8V的模塊最大的估算效率為72%。這意味著28%的能量被模塊內(nèi)部損耗了。其中由于二極管導(dǎo)通壓降造成的損耗占了約15%。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，低壓功率MOS管的的有著越來越小的通態(tài)電阻，越來越低的開關(guān)損耗，現(xiàn)在IR公司最新的技術(shù)可以制作30V/2.5m的MOS管，在電流為15A時，導(dǎo)通壓降為0.0375，比采用肖特基二極管低了一個數(shù)量級。所以近年來對同步整流電路的研究已經(jīng)引起了人們的極大關(guān)注。在中大功率低壓輸出的DC-DC變換器的產(chǎn)品開發(fā)中，采用低壓功率MOSFET替代肖特基二極管的方案得到了廣泛的認(rèn)同。今天，采用同步整流技術(shù)的ON-BOAR

3、D 模塊已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通訊的所有領(lǐng)域。2 同步整流電路的工作原理圖1 采用同步整流的正激電路示意圖(無復(fù)位繞組)同步整流電路與普通整流電路的區(qū)別在于它采用了MOS管代替二極管，而MOS管是它驅(qū)的開關(guān)器件，必須采用一定的方式控制MOS管的開關(guān)。同步整流電路中功率MOS管的驅(qū)動方式主要有兩種：自驅(qū)動和它驅(qū)動。它驅(qū)動的方式與普通MOS管的驅(qū)動方式相同，通過控制電路控制整流和續(xù)流MOS管的柵源電壓實現(xiàn)同步開關(guān)的目的。而自驅(qū)動一般應(yīng)用于隔離式的變換器中，下面舉個個例子說明上圖是同步整流電路在正激電路中應(yīng)用的實例，從圖中可以看出，整流管VT3和續(xù)流管VT2的驅(qū)動電壓從變壓器的副邊繞組取出，加在MOS管的柵

4、G和漏D之間，如果在獨立的電路中MOS管這樣應(yīng)用不能完全開通，損耗很大，但用在同步整流時是可行的簡化方案。由于這兩個管子開關(guān)狀態(tài)互瑣，一個管子開，另一個管子關(guān)，所以我們只簡要分析電感電流連續(xù)時的開通情況，我們知道MOS管具有體內(nèi)寄生的反并聯(lián)二極管，這樣電感電流連續(xù)應(yīng)用時，MOS管在真正開通之前并聯(lián)的二極管已經(jīng)開通，把源S和漏D相對柵的電平保持一致，加在GD之間的電壓等同于加在GS之間的電壓，這樣變壓器副邊繞組同銘端為正時，整流管VT3的柵漏電壓為正，整流管零壓開通，當(dāng)變壓器副邊繞組為負(fù)時，續(xù)流管VT2開通，濾波電感續(xù)流。3 同步整流電路的應(yīng)用設(shè)計注意事項同步整流電路的概念由來已久，不過在產(chǎn)品中

5、大量應(yīng)用只是最近幾年的事。這一方面是因為半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，另一方面在隔離式變換器中采用同步整流也存在一定的問題。下面以圖1為例進行詳細的說明3.1 輕載效率低和同步整流管電壓尖峰。由于功率MOS管開通后為雙向?qū)щ娖骷?，輸出濾波電感的電流不可能不連續(xù)，當(dāng)輕載或空載時，輸出濾波電感的電流下降到0后會繼續(xù)反方向增加，直到整流二極管開通。這樣雖然空載穩(wěn)定性很容易保證，但這時造成續(xù)流管和濾波電感的一個環(huán)流，形成濾波電感的鐵損和銅損以及續(xù)流管和輸出線路阻抗損耗比采用肖特基二極管的模塊電源效率低。這種狀況下，由于濾波電感的反向電流，續(xù)流管的并聯(lián)體二極管反向，如果續(xù)流管的關(guān)斷和整流管的開通之間的死區(qū)時間較長，

6、續(xù)流管關(guān)斷后，整流管沒有開通，由于輸出濾波電感的電流突變，就會造成續(xù)流管漏源和整流管柵源電壓尖峰，損壞同步整流電路。在一般的MOS管中，由于柵源電壓比漏源電壓低很多，這樣整流管損壞的概率比續(xù)流管大。所以在同步整流電路的設(shè)計中，一般輸出濾波電感的電感量在設(shè)計允許的條件下盡量大，這樣電感電流的上升和下降緩慢，可以大大降低電感電流的最大值，減小模塊的空載損耗。但這種設(shè)計又會造成模塊電源的輸出動態(tài)響應(yīng)太慢，所以還有一種解決方式是通過濾波電感電流檢測控制整流和續(xù)流二極管開關(guān)條件，不允許電流反向。這種設(shè)計已經(jīng)有產(chǎn)品應(yīng)用。3.2 驅(qū)動不足和驅(qū)動過壓在圖1所示的同步整流電路中，如果變壓器副邊電壓在主功率管開通

7、之間已經(jīng)復(fù)位到零，會造成續(xù)流管驅(qū)動電壓提前為零，輸出濾波電感通過并聯(lián)的體二極管續(xù)流，增加模塊的損耗。另外最大和最小占空比的選擇很關(guān)鍵，如果占空比選擇不合適，在輸入電壓變化時也有可能造成整流管或續(xù)流管驅(qū)動電壓不足或過壓，前者會造成模塊的效率低下，后者會造成模塊電源的失效。所以設(shè)計時一定要仔細計算模塊電源變壓器的驅(qū)動電壓大小，限制控制芯片的最大驅(qū)動脈寬，必要時輸入采用過壓和欠壓保護電路，確保不發(fā)生驅(qū)動過壓和欠壓，同時要選用合適的電路拓?fù)?，盡量減小開關(guān)尖峰對驅(qū)動電壓的影響。如果設(shè)計指標(biāo)不能滿足，可采用附加的驅(qū)動電路或采用獨立的驅(qū)動繞組。論文中也有人在二次電源中采用兩級變換來保證同步整流電壓的恒定，前

8、一級變換采用BUCK電路進行預(yù)穩(wěn)壓后進行隔離降壓變換。這樣后一級變換的占空比固定為50%左右，增加了同步整流電路的可靠性。3.3 不能直接并聯(lián)當(dāng)采用圖1所示的同步整流電路的模塊直接把輸出端接在一起進行并聯(lián)時，相當(dāng)于在模塊的輸出端并聯(lián)了一個電壓源，這樣通過邊壓器副邊繞組可以把驅(qū)動電壓直接加到續(xù)流二極管的GS之間，會造成續(xù)流管的損壞和另一模塊輸出電壓的短路。當(dāng)然可以采用獨立的驅(qū)動繞組解決這個問題，但這又增加了變壓器設(shè)計難度，降低了變壓器磁芯利用率。同時雙同步整流模塊直接并聯(lián)也會造成模塊之間的環(huán)流，增加模塊的損耗。4 同步整流電路的選擇依據(jù)雖然同步整流電路可以提高模塊電源的效率，但同步整流電路的應(yīng)用

9、面還是比較窄的。采用同步整流電路的一個主要目的是提高模塊的效率，當(dāng)模塊的效率低于采用肖特基二極管時，采用同住整流電路也就失去了意義。下面介紹同步整流電路的選擇依據(jù)。從上面的介紹我們可以看出，同步整流電路的應(yīng)用只限于低壓大功率輸出的模塊，目前主要的應(yīng)用為輸出電壓小于等于5V的模塊。原因除了輕載效率低以外，還有比較重要的一點在于功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的滯后。在高壓輸出的應(yīng)用中，僅通態(tài)壓降一項指標(biāo)就很難選擇在額定輸出電流下低于快恢復(fù)或超快恢復(fù)二極管正向壓降的整流MOS管。另外在低壓應(yīng)用時，采用同步整流電路的應(yīng)用面也有一定的局限,下面具體介紹。首先我們考察一下用戶希望的模塊性能。近幾年的便攜式設(shè)備包括電子

10、筆記本，計算器，遠程控制器，傳呼機，手提電話等，電壓為1.1-1.8V，其特點是負(fù)載變化大，多數(shù)情況下工作低于備用模式，長期輕載運行。要求DC-DC變換器具有如下特征：a)負(fù)載變化的整個范圍內(nèi)效率高。b)輸出電壓低（CMOS電路的損耗與電壓的平方成正比，供電電壓低，則電路損耗?。?。c)功率密度高。為了迎合這這種發(fā)展，一種比較簡潔的解決方案是提高模塊的開關(guān)頻率，但在頻率提高以后，同步整流電路的優(yōu)點逐漸減弱。從上面的介紹我們可以看出，同步整流電路通過一定的處理雖然可以滿足a)，但頻率增加以后，MOS管整流河肖特基二極管整流的損耗發(fā)生了很大變化。圖2和圖3是一些學(xué)者做出的同步整流電路和一般肖特基二極

11、管整流電路效率對比曲線的仿真結(jié)果。試驗條件：輸入電壓Vin=5V輸出電壓Vout=2.0VBUCK開關(guān)管為P溝道MOSFET，Rdson=29m，Qs=22.5nC，Vgs=5V，開關(guān)時間tr=20ns，tf=30ns采用的肖特基二極管的參數(shù)Vf=0.3V3Apk Tj=75C，If(AV)max=3A同步整流電路中的續(xù)流管為N溝道MOSFET，Rdson=18m，Qs=22.5 nC，開關(guān)時間tr=15ns，tf=30ns同步整流電路兩路驅(qū)動的死區(qū)時間為60ns紋波電流和平均電流之間的比值為50%-60%。電路拓?fù)洌篺sMHz效率%圖2 同步整流電路和采用肖特基二極管電路效率隨頻率的變化曲線

12、圖2中，s（i，10，2）s代表同步整流電路，i表示開關(guān)頻率，10表示輸出電流，第三項表示主開關(guān)和同步整流開管并聯(lián)的MOS管數(shù)量。從上表可以看出，采用同步整流電路在電流大于10A，開關(guān)頻率大于700KHZ以后于普通的肖特基爾基二極管整流電路相比效率要低。在開關(guān)頻率低于800KHZ的場合，采用同步整流電路具有更好的表現(xiàn)。圖3 同步整流電路和肖特基二極管整流電路在不同在不同負(fù)載下效率曲線圖2表明了在同步整流電路和肖特級二極管整流電路中，隨著負(fù)載變化效率的變化情況，我們可以看出，在1.5MHz的開關(guān)頻率，在全負(fù)載范圍內(nèi)，肖特基二極管整流電路比同步整流電路具有更高的效率，在600KHz的開關(guān)頻率，電流小于9A時采用同步整流電路具有更高的效率，當(dāng)電流大于9A時，采用肖特基二極管整流具有更高的效率。另外