同步整流技術

1、同步整流技術簡介1概述近年來，為了適應微處理器的發(fā)展，模塊電源的發(fā)展呈現兩個明顯的發(fā)展趨勢：低壓和快速動態(tài)響應，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低壓輸出要求應運而生的。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：Vout(0.1Vou

2、tVcuVf)0.1MVout一原邊和控制電路損耗Vcu印制板的線路損耗Vf一整流管導通壓降損耗我們假設采用0.4V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%的能量被模塊內部損耗了。其中由于二極管導通壓降造成的損耗占了約15%。隨著半導體工藝的發(fā)展，低壓功率MOS管的的有著越來越小的通態(tài)電阻，越來越低的開關損耗，現在IR公司最新的技術可以制作30V/2.5m的MOS管，在電流為15A時，導通壓降為0.0375,比采用肖特基二極管低了一個數量級。所以近年來對同步整流電路的研究已經引起了人們的極大關注。在中大功率低壓輸出的DC-DC變換器

3、的產品開發(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同。今天，采用同步整流技術的ON-BOARD模塊已經廣泛應用于通訊的所有領域。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管是它驅的開關器件，必須采用一定的方式控制MOS管的開關。同步整流電路中功率MOS管的驅動方式主要有兩種：自驅動和它驅動。它驅動的方式與普通MOS管的驅動方式相同，通過控制電路控制整流和續(xù)流MOS管的柵源電壓實現同步開關的目的。而自驅動一般應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

4、電路中應用的實例，從圖中可以看出，整流管VT3和續(xù)流管VT2的驅動電壓從變壓器的副邊繞組取出，加在MOS管的柵G和漏D之間，如果在獨立的電路中MOS管這樣應用不能完全開通，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狀態(tài)互瑣，一個管子開，另一個管子關，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管具有體內寄生的反并聯二極管，這樣電感電流連續(xù)應用時，MOS管在真正開通之前并聯的二極管已經開通，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，當變壓器副邊繞組為負

5、時，續(xù)流管VT2開通，濾波電感續(xù)流。3同步整流電路的應用設計注意事項同步整流電路的概念由來已久，不過在產品中大量應用只是最近幾年的事。這一方面是因為半導體技術的發(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MOST開通后為雙向導電器件，輸出濾波電感的電流不可能不連續(xù)，當輕載或空載時，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

6、狀況下，由于濾波電感的反向電流，續(xù)流管的并聯體二極管反向，如果續(xù)流管的關斷和整流管的開通之間的死區(qū)時間較長，續(xù)流管關斷后，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MOST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計中，一般輸出濾波電感的電感量在設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。但這種設計又會造成模塊電源的輸出動態(tài)響應太慢，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)流二極管開關條件，不允許電流反向。這

7、種設計已經有產品應用。3.2 驅動不足和驅動過壓在圖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之間已經復位到零，會造成續(xù)流管驅動電壓提前為零，輸出濾波電感通過并聯的體二極管續(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。所以設計時一定要仔細計算模塊電源變壓器的驅動電壓大小，限制控制芯片的最大驅動脈寬，必要時輸入采用過壓和欠壓保護電路，確保不發(fā)生驅動過壓和欠壓，同時要選用合適的電路拓撲，盡量減小開關尖峰對驅動電壓的影響。如果設計指標不能滿足

8、，可采用附加的驅動電路或采用獨立的驅動繞組。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，前一級變換采用BUCKfe路進行預穩(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溢右，增加了同步整流電路的可靠性。3.3 不能直接并聯當采用圖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時，相當于在模塊的輸出端并聯了一個電壓源，這樣通過邊壓器副邊繞組可以把驅動電壓直接加到續(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。當然可以采用獨立的驅動繞組解決這個問題，但這又增加了變壓器設計難度，降低了變壓器磁芯利用率。同時雙同步整流模塊直接并聯也會造成模塊之間的

9、環(huán)流，增加模塊的損耗。4同步整流電路的選擇依據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用面還是比較窄的。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。從上面的介紹我們可以看出，同步整流電路的應用只限于低壓大功率輸出的模塊，目前主要的應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體器件發(fā)展的滯后。在高壓輸出的應用中，僅通態(tài)壓降一項指標就很難選擇在額定輸出電流下低于快恢復或超快恢復二極管正向壓降的整流MOSf。另外在低壓應用時，采用同步整

10、流電路的應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。近幾年的便攜式設備包括電子筆記本，計算器，遠程控制器，傳呼機，手提電話等，電壓為1.1-1.8V,其特點是負載變化大，多數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）負載變化的整個范圍內效率高。b）輸出電壓低（CMOSI路的損耗與電壓的平方成正比，供電電壓低，則電路損耗小）°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

11、增加以后，MOST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是一些學者做出的同步整流電路和一般肖特基二極管整流電路效率對比曲線的仿真結果。試驗條件：輸入電壓Vin=5V輸出電壓Vout=2.0VBUCK開關管為P溝道MOSFET,Rdson=29mQ,Qs=22.5nC,Vgs=5V,開關時間tr=20ns,tf=30ns采用的肖特基二極管的參數Vf=0.3V3ApkTj=75oC,If（AV）max=3A同步整流電路中的續(xù)流管為N溝道MOSFET,Rdson=18mQ,Qs=22.5nC,開關時間tr=15ns,tf=30ns同步整流電路兩路驅動的死區(qū)時間為60ns紋波電流和平均

12、電流之間的比值為50%-60%。I%率效94929088868482807876747212345678911234567892000000000111111111fsMHz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圖2中，rS（i,10,2）s代表同步整流電路，i表示開關頻率，10表示輸出電流,第三項表示主開關和同步整流開管并聯的MOS管數量。從上表可以看出，采用同步整流電路在電流大于10A,開關頻率大于700KHz以后于普通的肖特基爾基二極管整流電刀r(1.5,j,2)-ys(1.5,j,2)刀r(0.6,j,2)T-Ys(0.6,j,2)路相比效率要低。在開關頻率低于800KHZ的場合，采用同步整流電路具有更好的表現。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，隨著負載變化效率的變化情況，我們可以看出，在1.5MHz的開關頻率，在全負載范圍內，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的開關頻率，電流小于9A時采用同步整流電路具有更高的效率，當電流大于9A時，采用肖特基二極管整流具有