同步整流如何才能提供一个高于S的电压？-电子发烧友网

当今世界，手机，笔记本电脑等移动设备正在改变着人们的生活。对于这些设备的适配器，人们总是希望能做到小巧轻便，充电快速。为此，各大厂商近期争相推出超小体积快充。

01为什么需要同步整流？

从电源工程师的角度来看，充电速度快意味着更大的输出电流和更多的发热。而体积小巧则意味着更小的散热面积。在这二者双重作用下，热的问题变得棘手。

我们以常用的反激拓扑为例，假定系统输出规格为5V 4A，那么流过副边二极管的平均电流是4A。假设二极管的导通压降是0.7V，在二极管上形成的导通损耗是2.8W，简直热爆了。系统在这种情况下长期工作，会严重影响可靠性和用户使用体验。

遇到这种问题，工程师们自然想到，如果用MOS管代替副边输出二极管，当副边续流的时候把副边MOS管打开，使其工作在同步整流模式。由于MOS的导通阻抗很小，续流过程中发热量就很小。以导通阻抗10mΩ的MOS为例，当输出电流4A时，MOS导通损耗仅为0.16W。发热量被大大降低。

02同步整流如何实现供电？

我们都知道，对于NMOS，如果要在续流的过程中将MOS管打开就需要在G上提供高于S的电压。而在续流的过程中，副边的最高电压就是S点的电压。

如何才能提供一个高于S的电压呢？

工程师们当然能想到用辅助绕组，如上图采用额外的绕组给副边MOS的驱动供电。但这种方式需要增加一个变压器绕组和驱动电路，增加的系统的复杂度和成本。

那么，有没有不需要辅助绕组的方案呢？

如上图，如果我们把MOS管放到副边输出的低端，可以借助输出电压给MOS管供电。这种方式看似完美，但实际上MOS放在低端往往会造成系统的EMI表现更差。同时如果输出电压较低，就不足以为MOS的驱动提供足够的电压，因此无法在低压输出场合应用。

有没有既不需要辅助绕组，又能适应不同输出电压应用，同时也要保证系统EMI表现较好的方案呢？

好一个灵魂三连问。答案是：当然有！

以MPS公司的MP9989为例。

它可以直接放在输出的高端，可支持低压输出，并且外围电路非常简单，我们称之为理想二极管。

MP9989的秘密武器就是它里面的自供电电路。

当厡边MOS打开时，MP9989的MOS管反向截止，此时VDS出现正压，MP9989内部的自供电电路会给VDD电容充电。当厡边MOS关断时，由于VDD电容已经被储能，此时VDD可以为驱动电路供电，保证副边MOS的顺利打开。

除此之外，随着USB PD越来越普及，输出的电压范围越来越宽。较高的输出电压会给芯片的耐压带来挑战。以MP9989为例，内置100V的MOS，为宽范围设计提供足够裕量。

03如何决定同步整流的开通时机？

有了自供电电路，为副边MOS管的开通提供了必要条件。接下来面临的问题是我们如何决定同步整流管的开通时机呢？

以MP9989为例，当反激厡边MOS关断时，副边MOS将会通过体二极管续流，VDS电压将会从正压转变为-0.7V。当芯片检测到这个电压转变后将会打开副边MOS管，完成续流。

但是，当反激电源工作在断续模式时，会带来新的挑战。如上图是断续模式下VDS电压和副边电流波形。当副边续流结束后，MOS管关闭。我们看到此时VDS电压出现震荡。某些工况下，VDS震荡的幅值会比较大，甚至会震荡到0。此时副边同步整流电路很容易误将续流MOS管打开，造成系统异常。

那么MPS是如何解决这一问题的呢？

时间就是我们的秘密武器！

对比原边MOS关断瞬间和DCM震荡时的VDS波形，我们可以看到，震荡条件下VDS的电压变化远远慢于正常开通时的电压变化。根据这一区别，MPS在芯片内部加入了电压变化率的判断。以MP9989为例，当副边VDS下降到2V时，内部时钟开始计时，如果VDS电压没有在30ns以内下降到-80mV，我们就认为这并不是正常的开通信号，此时芯片维持关断状态。这样可以有效地避免震荡导致的误导通。

04如何实现同步整流的可靠关断？

解决了何时导通的问题，我们迎来了另一个挑战——何时关断。

从原理上讲，我们总是希望做到当厡边MOS打开的同时关闭副边的MOS，但是由于厡副边之间并没有通信机制，因此副边MOS很难及时响应厡边MOS的导通信号。

工程师们一定能想到，可以利用励磁电感的伏秒平衡来计算出关断时刻，常用的伏秒平衡方案示意图如下。没错，理论上根据副边MOS的导通时间，可以计算出关断时间，从而知道何时关闭副边MOS。