高性能電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計中的同步整流技術(shù)

1、高性能電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計中的同步整流技術(shù)電源轉(zhuǎn)換器的用法越來越普遍，設(shè)備創(chuàng)造商需要他們的電源系統(tǒng)不斷增強(qiáng)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(yīng)。為滿足這些需求，在上世紀(jì)90年月晚期設(shè)計師開頭采納同步整流（sr）技術(shù)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(zhuǎn)換器的原理圖。非同步降壓轉(zhuǎn)換器用法fet 和肖特基二極管作為開關(guān)器件（圖1a），當(dāng)fet打開時，能量傳遞到輸出和負(fù)載。當(dāng)fet關(guān)斷，電感中的電流流過肖特基二極管。假

2、如負(fù)載電流高于輸出電感的紋波電流的一半，則轉(zhuǎn)換器工作在延續(xù)導(dǎo)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(dāng)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(zhuǎn)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(dǎo)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(zhuǎn)換器尺寸和熱性能很敏感的應(yīng)用中，例如便攜式或者手持設(shè)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(shù)，這些新的mosfet技術(shù)使在電源轉(zhuǎn)換器設(shè)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(zhuǎn)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(bǔ)的模式驅(qū)動，在它們的導(dǎo)通間隙之間有一個很小的死區(qū)時光（dead time），以避開同時導(dǎo)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(yīng)的非同步轉(zhuǎn)換器相比，同步降壓轉(zhuǎn)換器總是工作在延續(xù)導(dǎo)通，即使在空載的狀況下也是。在死區(qū)時光內(nèi)，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(fù)原特性，會降低轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的性能。增強(qiáng)的肖特基二極管可以比非同步降壓轉(zhuǎn)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(guān)斷時的較短的死區(qū)時光（通常低于開關(guān)周期的百分之幾）內(nèi)導(dǎo)通。同步整流的益處在高性能、高功率的轉(zhuǎn)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(dāng)同步fet并行銜接時固有的抱負(fù)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(yīng)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(dǎo)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(shè)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(jié)構(gòu)、更高的環(huán)境工作溫度，以及更高的功率密度。同步整流轉(zhuǎn)換器的設(shè)計折中在低電壓應(yīng)用中，設(shè)計工程師通常增強(qiáng)開關(guān)頻率以減小輸出電感和的尺寸，以此使轉(zhuǎn)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(qiáng)也會增強(qiáng)柵極驅(qū)動和開關(guān)損耗，因此必需按照詳細(xì)的應(yīng)用舉行設(shè)計折中。例如，在高輸入電壓、低輸出電壓的同步降壓轉(zhuǎn)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(yīng)當(dāng)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(guān)損耗比導(dǎo)通損耗更重要。相反，低端fet承載更大的rms電流，因此rds(on)應(yīng)當(dāng)盡可能低。在同步轉(zhuǎn)換器中挑選具有更強(qiáng)驅(qū)動能力的控制器，通過使fet開關(guān)所用的時光最短，將能削減開關(guān)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(dǎo)致系統(tǒng)噪聲和emi問題。隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同步整流轉(zhuǎn)換器驅(qū)動采納隔離拓?fù)涞碾娫崔D(zhuǎn)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(gòu)、以太網(wǎng)供電系統(tǒng)和無線基站（圖2）。在隔離轉(zhuǎn)換器中采納sr可以大大地提高其性能。全部的隔離拓?fù)?，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?fù)渲械膕r提供的足夠的、適時的柵極驅(qū)動信號都有其自身的挑戰(zhàn)性。針對隔離拓?fù)涞拇渭塮et的驅(qū)動計劃基本上有兩種：自驅(qū)動?xùn)艠O信號挺直從次級繞組獲得，控制驅(qū)動?xùn)艠O信號從控制器或一些其他初級的基準(zhǔn)信號獲得。對于一個給定的應(yīng)用，這些驅(qū)動可以有幾種不同的實現(xiàn)辦法。設(shè)計師應(yīng)當(dāng)挑選能滿足性能要求的最容易的解決計劃。自驅(qū)動計劃是最容易、挺直的sr驅(qū)動計劃（圖3），適合于那些在任何時光段內(nèi)變壓器電壓都不為零的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。兩個sr fe