一文詳解開關電源的同步整流技術

摘要

●同步整流簡介。

●同步整流的分類。

●同步整流的驅動方式

●同步整流的MOSFET

同步整流簡介

●高速超大規(guī)模集成電路的尺寸的不斷減小，功耗的不斷降低，要求供電電壓也越來越低，而輸出電流則越來越大。

●電源本身的高輸出電流、低成本、高頻化（500kHz～1MHz）高功率密度、高可靠性、高效率的方向發(fā)展。

●在低電壓、大電流輸出DC-DC變換器的整流管，其功耗占變換器全部功耗的50～60％。

●用低導通電阻MOSFET代替常規(guī)肖特基整流/續(xù)流二極管，可以大大降低整流部分的功耗，提高變換器的性能，實現(xiàn)電源的高效率，高功率密度。

●用MOSFET來代替二極管在電路中的整流功能

●相對于二極管的開關算好極小

●整流的時序受到MOSFET的Vgs控制，可以根據(jù)系統(tǒng)的需要，把整流的損耗做到最小。

●例如：一個5V 30A輸出的電源

同步整流簡介

●BUCK 同步整流電路與波形

●Boost 同步整流電路與波形

●Flyback 同步整流電路與波形

●復位繞組Forward 同步整流電路與波形

●有源鉗位Forward 同步整流電路

●LLC半橋同步整流電路與波形

●全橋倍流同步整流電路與波形

同步整流的驅動方式

●電壓型自驅動同步整流電路特點

◆驅動電壓：SR所在回路中的某一電壓

◆要求：波形轉換快，時序準確，無死區(qū)

◆優(yōu)點：電路簡單，實用，節(jié)約成本

◆缺點：驅動方式隨電路結構而不同；受輸入電壓變化范圍的影響；受變壓器漏感影響；不能用于并聯(lián)工作的SR-DC／DC變換器中；對變換器輕載時的工作有影響。存在死區(qū)，驅動波形不好，驅動電壓和時序不好安排。

●正激電壓型自驅動同步整流電路與波形

●電流型自驅動同步整流電路特點

◆驅動電壓：SR中的電流通過電流互感器產(chǎn)生

◆優(yōu)點：驅動波形無死區(qū)，不受輸入電壓影響，不受電路結構的影響，可用于并聯(lián)運行的DC-DC變換器。驅動信號同步性好，利用電流互感器,較低的壓降就能獲得較高的電壓檢測信號,因此,檢測大電流時具備很大的優(yōu)勢

◆缺點：電流檢測元件有損耗， 影響電路的整體效率

●電流型自驅動同步整流電路

●實用反激電流型自驅動同步整流電路

●半自驅動同步整流電路特點

◆其驅動波形的上升或下降沿，一個是由主變壓器提供的信號，另一個是獨立的外驅動電路提供的信號。

◆針對自驅的負壓問題，用單獨的放電回路，提供同步整流管的關斷信號，避開了自驅動負壓放電的電壓超標問題。

●正激半自驅動同步整流電路

●外驅動同步整流電路特點

◆驅動電壓：來自外設驅動電路或初級的控制IC

◆同步信號：主開關管的驅動信號來控制

◆優(yōu)點：控制時序精確，SR效率較高

◆缺點：驅動電路復雜，有損耗，成本高，開發(fā)周期長外部驅動電路還需要供電，降低了整機的效率

●反激原邊隔離驅動同步整流電路

●外部專用同步整流驅動IC電路

同步整流的MOSFET

●損耗的計算

●同步整流尖峰產(chǎn)生與抑制方法

●MOSFET選擇考慮

◆以BUCK同步整流電路為例來分析

◆BUCK同步整流管損耗計算

導通損耗取決于MOSFET的RDS(on)，計算公式如下：

IRMS是流經(jīng)同步整流MOSFET的電流，而不是BUCK電路的輸出電流。

BUCK同步整流管損耗計算

開通損耗計算公式如下：

關斷損耗計算公式如下：

驅動損耗計算公式如下：

Coss損耗計算公式如下：

體二極管導通損耗計算公式如下：

體二極管反向恢復耗計算公式如下：

◆BUCK同步整流管尖峰產(chǎn)生的原因

VQ2關斷，進入死區(qū)時間，VQ1未開通，負載電流全部流過VQ2的體二極管VD。

接著VQ1打開，VD突然被加上反壓，所以產(chǎn)生很大的反向恢復電流，即VD的di/dt很大。

大的di/dt會在L2上產(chǎn)生很大的電壓尖峰(L2 di/dt),此電壓會疊加在Vin上

L1與L2以及VQ1的結電容C會產(chǎn)生諧振，諧振的電壓尖峰同樣會疊加在Vin上

◆BUCK同步整流管關斷波形

◆抑制BUCK同步整流管關斷波形尖峰

◆同步整流管的選擇

--------考慮的因素.

Rds(on), Qg, temperature, Package, structure

Cost, Purchase, delivery time

--------對于電路來說需要考慮的因素

Topology, Operation frequency，voltage stress

current stress, thermal resistor, reliability

--------BUCK同步整流管的選擇

--------選擇BUCK同步整流管

◆科學的設計電路，預估各種可能存在的風險

◆對電路進行認真、細致的計算

◆建立精確的模型，借助于仿真工具來驗證計算

◆選用合適的器件

◆進行全面的測試與優(yōu)化