一文详解开关电源的同步整流技术

摘要

●同步整流简介。

●同步整流的分类。

●同步整流的驱动方式

●同步整流的MOSFET

同步整流简介

●高速超大规模集成电路的尺寸的不断减小，功耗的不断降低，要求供电电压也越来越低，而输出电流则越来越大。

●电源本身的高输出电流、低成本、高频化（500kHz～1MHz）高功率密度、高可靠性、高效率的方向发展。

●在低电压、大电流输出DC-DC变换器的整流管，其功耗占变换器全部功耗的50～60％。

●用低导通电阻MOSFET代替常规肖特基整流/续流二极管，可以大大降低整流部分的功耗，提高变换器的性能，实现电源的高效率，高功率密度。

●用MOSFET来代替二极管在电路中的整流功能

●相对于二极管的开关算好极小

●整流的时序受到MOSFET的Vgs控制，可以根据系统的需要，把整流的损耗做到最小。

●例如：一个5V 30A输出的电源

同步整流简介

●BUCK 同步整流电路与波形

●Boost 同步整流电路与波形

●Flyback 同步整流电路与波形

●复位绕组Forward 同步整流电路与波形

●有源钳位Forward 同步整流电路

●LLC半桥同步整流电路与波形

●全桥倍流同步整流电路与波形

同步整流的驱动方式

●电压型自驱动同步整流电路特点

◆驱动电压：SR所在回路中的某一电压

◆要求：波形转换快，时序准确，无死区

◆优点：电路简单，实用，节约成本

◆缺点：驱动方式随电路结构而不同；受输入电压变化范围的影响；受变压器漏感影响；不能用于并联工作的SR-DC／DC变换器中；对变换器轻载时的工作有影响。存在死区，驱动波形不好，驱动电压和时序不好安排。

●正激电压型自驱动同步整流电路与波形

●电流型自驱动同步整流电路特点

◆驱动电压：SR中的电流通过电流互感器产生

◆优点：驱动波形无死区，不受输入电压影响，不受电路结构的影响，可用于并联运行的DC-DC变换器。驱动信号同步性好，利用电流互感器,较低的压降就能获得较高的电压检测信号,因此,检测大电流时具备很大的优势

◆缺点：电流检测元件有损耗， 影响电路的整体效率

●电流型自驱动同步整流电路

●实用反激电流型自驱动同步整流电路

●半自驱动同步整流电路特点

◆其驱动波形的上升或下降沿，一个是由主变压器提供的信号，另一个是独立的外驱动电路提供的信号。

◆针对自驱的负压问题，用单独的放电回路，提供同步整流管的关断信号，避开了自驱动负压放电的电压超标问题。

●正激半自驱动同步整流电路

●外驱动同步整流电路特点

◆驱动电压：来自外设驱动电路或初级的控制IC

◆同步信号：主开关管的驱动信号来控制

◆优点：控制时序精确，SR效率较高

◆缺点：驱动电路复杂，有损耗，成本高，开发周期长外部驱动电路还需要供电，降低了整机的效率

●反激原边隔离驱动同步整流电路

●外部专用同步整流驱动IC电路

同步整流的MOSFET

●损耗的计算

●同步整流尖峰产生与抑制方法

●MOSFET选择考虑

◆以BUCK同步整流电路为例来分析

◆BUCK同步整流管损耗计算

导通损耗取决于MOSFET的RDS(on)，计算公式如下：

IRMS是流经同步整流MOSFET的电流，而不是BUCK电路的输出电流。

BUCK同步整流管损耗计算

开通损耗计算公式如下：

关断损耗计算公式如下：

驱动损耗计算公式如下：

Coss损耗计算公式如下：

体二极管导通损耗计算公式如下：

体二极管反向恢复耗计算公式如下：

◆BUCK同步整流管尖峰产生的原因

VQ2关断，进入死区时间，VQ1未开通，负载电流全部流过VQ2的体二极管VD。

接着VQ1打开，VD突然被加上反压，所以产生很大的反向恢复电流，即VD的di/dt很大。

大的di/dt会在L2上产生很大的电压尖峰(L2 di/dt),此电压会叠加在Vin上

L1与L2以及VQ1的结电容C会产生谐振，谐振的电压尖峰同样会叠加在Vin上

◆BUCK同步整流管关断波形

◆抑制BUCK同步整流管关断波形尖峰

◆同步整流管的选择

--------考虑的因素.

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

Cost, Purchase, delivery time

--------对于电路来说需要考虑的因素

Topology, Operation frequency，voltage stress

current stress, thermal resistor, reliability

--------BUCK同步整流管的选择

--------选择BUCK同步整流管

◆科学的设计电路，预估各种可能存在的风险

◆对电路进行认真、细致的计算

◆建立精确的模型，借助于仿真工具来验证计算

◆选用合适的器件

◆进行全面的测试与优化