如何利用同步整流技术实现DC/DC电源变换器的设计？

同步整流技术是采用通态电阻极低的功率MOSFET来取代整流二极管，因此能大大降低整流器的损耗，提高DC/DC变换器的效率，满足低压、大电流整流的需要。首先介绍了同步整流的基本原理，然后重点阐述同步整流式DC/DC电源变换器的设计。

1 同步整流技术概述

近年来随着电源技术的发展，同步整流技术正在向低电压、大电流输出的DC/DC变换器中迅速推广应用。DC/DC变换器的损耗主要由3部分组成：功率开关管的损耗，高频变压器的损耗，输出端整流管的损耗。在低电压、大电流输出的情况下，整流二极管的导通压降较高，输出端整流管的损耗尤为突出。快恢复二极管(FRD)或超快恢复二极管(SRD)可达1.0～1.2V，即使采用低压降的肖特基二极管(SBD)，也会产生大约0.6V的压降，这就导致整流损耗增大，电源效率降低。举例说明，目前笔记本电脑普遍采用3.3V甚至1.8V或1.5V的供电电压，所消耗的电流可达20A。此时超快恢复二极管的整流损耗已接近甚至超过电源输出功率的50%。即使采用肖特基二极管，整流管上的损耗也会达到(18%～40%)PO，占电源总损耗的60%以上。因此，传统的二极管整流电路已无法满足实现低电压、大电流开关电源高效率及小体积的需要，成为制约DC/DC变换器提高效率的瓶颈。

同步整流是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET，来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。它能大大提高DC/DC变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。功率MOSFET属于电压控制型器件，它在导通时的伏安特性呈线性关系。用功率MOSFET做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称之为同步整流。

为满足高频、大容量同步整流电路的需要，近年来一些专用功率MOSFET不断问世，典型产品有FAIRCHILD公司生产的NDS8410型N沟道功率MOSFET，其通态电阻为0.015Ω。Philips公司生产的SI4800型功率MOSFET是采用TrenchMOSTM技术制成的，其通、断状态可用逻辑电平来控制，漏-源极通态电阻仅为0.0155Ω。IR公司生产的IRL3102(20V/61A)、IRL2203S(30V/116A)、IRL3803S(30V/100A)型功率MOSFET，它们的通态电阻分别为0.013Ω、0.007Ω和0.006Ω，在通过20A电流时的导通压降还不到0.3V。这些专用功率MOSFET的输入阻抗高，开关时间短，现已成为设计低电压、大电流功率变换器的首选整流器件。

最近，国外IC厂家还开发出同步整流集成电路(SRIC)。例如，IR公司最近推出的IR1176就是一种专门用于驱动N沟道功率MOSFET的高速CMOS控制器。IR1176可不依赖于初级侧拓扑而单独运行，并且不需要增加有源箝位(active clamp)、栅极驱动补偿等复杂电路。IR1176适用于输出电压在5V以下的大电流DC/DC变换器中的同步整流器，能大大简化并改善宽带网服务器中隔离式DC/DC变换器的设计。IR1176配上IRF7822型功率MOSFET，可提高变换器的效率。当输入电压为+48V，输出为+1.8V、40A时，DC/DC变换器的效率可达86%，输出为1.5V时的效率仍可达到85%。

2 同步整流的基本原理

单端正激、隔离式降压同步整流器的基本原理如图1所示，V1及V2为功率MOSFET，在次级电压的正半周，V1导通，V2关断，V1起整流作用;在次级电压的负半周，V1关断，V2导通，V2起到续流作用。同步整流电路的功率损耗主要包括V1及V2的导通损耗及栅极驱动损耗。当开关频率低于1MHz时，导通损耗占主导地位;开关频率高于1MHz时，以栅极驱动损耗为主。

图1 单端降压式同步整流器的基本原理图

2.1 磁复位电路的设计

正激式DC/DC变换器的缺点是在功率管截止期间必须将高频变压器复位，以防止变压器磁芯饱和，因此，一般需要增加磁复位电路(亦称变压器复位电路)。图2示出单端降压式同步整流器常用的3种磁复位电路：辅助绕组复位电路，R，C，VDZ箝位电路，有源箝位电路。3种磁复位的方法各有优缺点：辅助绕组复位法会使变压器结构复杂化;R，C，VDZ箝位法属于无源箝位，其优点是磁复位电路简单，能吸收由高频变压器漏感而产生的尖峰电压，但箝位电路本身也要消耗磁场能量;有源箝位法在上述3种方法中的效率最高，但提高了电路的成本。

(a)辅助绕组复位电路 (b)R、C、VDZ箝位电路 (c)有源箝位电路

图2 单端降压式同步整流器常用的三种磁复位电路

磁复位要求漏极电压要高于输入电压，但要避免在磁复位过程中使DPA-Switch的漏极电压超过规定值，为此，可在次级整流管两端并联一个RS、CS网络，电路如图3所示。该电路可使高频变压器在每个开关周期后的能量迅速恢复到一个安全值，保证UD>UI。当DPA-Switch关断时，磁感应电流就通过变压器的次级绕组流出，利用电容CS使磁感应电流减至零。CS的电容量必须足够小，才能在最短的关断时间内将磁感应电流衰减到零;但CS的电容量也不能太小，以免漏极电压超过稳压管的箝位电压。电阻RS的电阻值应在1～5Ω之间，电阻值过小会与内部寄生电感形成自激振荡。上述磁复位电路适用于40W以下的开关电源。

同步：同步整流是采用导通电阻极低的专用功率MOS，来取代整流二极管以降低整流损耗。它能大大提高DC-DC变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。功率MOS属于电压控制型器件，它在导通时的伏安特性呈线性关系。用功率MOS做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步(本质是直流转“交流”，“交流”再平滑为直流)才能完成整流功能，故称之为同步整流。

异步：只有一个MOS管(或者说开关管)续流元件是二极管这种类型就属于异步整流。

图6-1：异步降压和同步降压

在应用中上下管都是MOS管就是同步的，只有一个上管的开关的就是非同步的，在主功率那一级中的功率开关管是我们常见的晶体管，而续流二极管变成了开关管，那么这个开关管就叫同步场效应管。一个栅极半桥驱动控制器，外围加上上下两个DrMOS管，那么上管就是功率管，下管是同步的场效应管，如此就可以看出它是一个同步结构的Buck电路。

2.同异步整流的区别

图5-2：同步和异步整流电流路径

对于异步整流，当降压比高时，续流二极管的导通时间长，而如果Vout低，整体损耗比例会因为续流二极管的VF而变大。并且电流通过二极管只朝一个方向流动，成为不连续工作产生振铃。对于同步整流，轻负载时，电感电流有时会变为0A，电流可以通过MOS逆流，以维持并稳定连续工作。

如下图5-3是异步降压型，当输入电压为5V，输出电压为1V，振荡频率为1MHZ，不连续工作时的波形图：电流通过二极管只朝一个方向流动，成为不连续工作产生振铃。

图5-3：异步产生的振铃现象

图5-4：同异步电流Id

异步整流的损耗=VF×Iout×(1-ON Duty)

同步整流ON时的损耗=Iout²×Ron×(1-ON Duty);Ron：下管SW的导通电阻

假设Vin=5V，Vout=1V，Iout=2A，那么异步整流二极管的损耗为：P=0.5×2×(1-0.2)=0.8W，同步整流MOS的损耗为P=2×2×0.05×(1-0.2)=0.16W，可见电流越大，损耗差别越大。

3.同异整流的死区

为避免同步整流时上管和下管同时打开，二者中间需要一段死区时间(安全区)，死区时间越长，电源工作更加安全可靠，但会带来Vout和Iout的波动及降低输出效率，图5-5简单示意了一下死区的含义，集成DC-DC死区参数已经设计好，这里不仔细展开。真正的死区时间受到PWM的上升下降快慢，上下管的寄生电容、开启关闭时间等等的影响，这一点在栅极驱动系列里面会详细讲到。

图5-5：死区时间

MOS中有寄生体二极管，因此当MOS为OFF时，电流仍可通过体二极管流动，如果没有死区时间，上下MOS将同时导通产生贯通电流(图5-6)，贯通电流超过MOS的Ismax，或者没有超过Ismax，但持续时间过长也会热损伤烧坏MOS。