高性能電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的同步整流技術(shù)

電源轉(zhuǎn)換器的使用越來越普遍，電子設(shè)備制造商需要他們的電源系統(tǒng)不斷增加新的功能和特性，例如更低的輸入和輸出電壓、更高的電流、更快的瞬態(tài)響應(yīng)。

　　為滿足這些需求，在上世紀(jì)90年代晚期開關(guān)電源設(shè)計(jì)師開始采用同步整流（SR）技術(shù)——使用MOSFET來替代常用二極管實(shí)現(xiàn)的整流功能。SR提高了效率、熱性能、功率密度、可制造性和可靠性，并可降低整個(gè)系統(tǒng)的電源系統(tǒng)成本。本文將介紹SR的優(yōu)點(diǎn)，并討論在其實(shí)現(xiàn)中遇到的挑戰(zhàn)。

二極管整流的缺點(diǎn)

　　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)換器使用FET 和肖特基二極管作為開關(guān)器件（圖1a），當(dāng)FET打開時(shí)，能量傳遞到輸出電感和負(fù)載。當(dāng)FET關(guān)斷，電感中的電流流過肖特基二極管。如果負(fù)載電流高于輸出電感的紋波電流的一半，則轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式。根據(jù)正向電壓降和反向漏電流特性來選擇肖特基二極管。但是，當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，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連接分離器件來降低 MOSFET的導(dǎo)通電阻R_DS(ON)。因此，在給定的電流下，使用一個(gè)MOSFET來替代二極管可以獲得比二極管小很多的電壓降。

　　這使得SR很有吸引力，特別是在對(duì)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制造商不斷地引入具有更低R_DS(ON)和總柵極電荷（QG）的新MOSFET技術(shù)，這些新的MOSFET技術(shù)使在電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)SR更加容易。

　　什么是同步整流？

　　例如，在同步降壓轉(zhuǎn)換器中，通過用兩個(gè)低端的MOSFET來替換肖特基二極管可以提高效率（圖1b）。這兩個(gè)MOSFET必須以互補(bǔ)的模式驅(qū)動(dòng)，在它們的導(dǎo)通間隙之間有一個(gè)很小的死區(qū)時(shí)間（dead time），以避免同時(shí)導(dǎo)通。同步FET工作在第三象限，因?yàn)殡娏鲝脑礃O流到漏極。與之對(duì)應(yīng)的非同步轉(zhuǎn)換器相比，同步降壓轉(zhuǎn)換器總是工作在連續(xù)導(dǎo)通，即使在空載的情況下也是。

　　在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，電感電流流過低端FET的體二極管（body diode）。這個(gè)體二極管通常具有非常慢的反向恢復(fù)特性，會(huì)降低轉(zhuǎn)換器的效率?？梢耘c低端FET并行放置一個(gè)肖特基二極管以對(duì)體二極管實(shí)現(xiàn)旁路，避免它影響到轉(zhuǎn)換器的性能。增加的肖特基二極管可以比非同步降壓轉(zhuǎn)換器中的二極管低很多的額定電流，因?yàn)樗辉趦蓚€(gè)FET都關(guān)斷時(shí)的較短的死區(qū)時(shí)間（通常低于開關(guān)周期的百分之幾）內(nèi)導(dǎo)通。

　　同步整流的好處

　　在高性能、高功率的轉(zhuǎn)換器中使用SR的好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并行連接時(shí)固有的理想電流共享特點(diǎn)，而且盡管采用自動(dòng)組裝工藝（更高的可靠性）但還是可提高制造良率。如上面提到的那樣，若干個(gè)MOSFET可以并行連接來應(yīng)對(duì)更高的輸出電流。

　　因?yàn)樵谶@種情況下有效的R_DS(ON)與并行連接的器件數(shù)量成反比，因此降低了導(dǎo)通損耗。同樣，R_DS(ON)具有正的溫度系數(shù)，因此FET將等量分享電流，有助于優(yōu)化在SR器件之間的熱分布，這將提高器件和PCB散熱的能力，直接改善設(shè)計(jì)的熱性能。SR帶來的其他潛在的好處包括更小的外形尺寸、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(jì)折中

　　在低電壓應(yīng)用中，設(shè)計(jì)工程師通常增加開關(guān)頻率以減小輸出電感和電容的尺寸，以此使轉(zhuǎn)換器尺寸最小化，并降低輸出紋波電壓。如果并聯(lián)多個(gè)FET，這樣的頻率增加也會(huì)增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)和開關(guān)損耗，因此必須根據(jù)具體的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)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，因?yàn)楣ぷ鳁l件是高端FET比低端FET具有更低的RMS電流，因此高端FET應(yīng)該選擇具有低QG和高R_DS(ON)的器件。對(duì)于這個(gè)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R_DS(ON)應(yīng)該盡可能低。[!--empirenews.page--]

　　在同步轉(zhuǎn)換器中選擇具有更強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的控制器，通過使FET開關(guān)所用的時(shí)間最短，將能減少開關(guān)損耗。然而，更快的上升和下降時(shí)間可產(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)?/strong>結(jié)構(gòu)的同步整流轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)

　　采用隔離拓?fù)涞?strong>電源轉(zhuǎn)換器被用在需要在系統(tǒng)地之間進(jìn)行隔離的系統(tǒng)中。這樣的系統(tǒng)包括分布式總線架構(gòu)、以太網(wǎng)供電系統(tǒng)和無線基站（圖2）。

　　在隔離轉(zhuǎn)換器中采用SR可以大大地提高其性能。所有的隔離拓?fù)?，包括正激、反激、推挽、半橋和全橋（電流和電壓反饋）都可以進(jìn)行同步整流。然而，在每個(gè)拓?fù)渲械腟R提供的足夠的、適時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)都有其自身的挑戰(zhàn)性。

　　針對(duì)隔離拓?fù)涞拇渭?jí)FET的驅(qū)動(dòng)方案基本上有兩種：自驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O信號(hào)直接從次級(jí)變壓器繞組獲得，控制驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O信號(hào)從PWM控制器或一些其他初級(jí)的基準(zhǔn)信號(hào)獲得。對(duì)于一個(gè)給定的應(yīng)用，這些驅(qū)動(dòng)可以有幾種不同的實(shí)現(xiàn)方法。設(shè)計(jì)師應(yīng)該選擇能滿足性能要求的最簡單的解決方案。

　　自驅(qū)動(dòng)方案是最簡單、直接的SR驅(qū)動(dòng)方案（圖3），適合于那些在任何時(shí)間段內(nèi)變壓器電壓都不為零的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。兩個(gè)SR FET可替代輸出整流二極管，次級(jí)繞組產(chǎn)生的電壓驅(qū)動(dòng)SR的柵極。在大多數(shù)情況下，利用不同的變壓器線圈匝數(shù)比（NP∶ NS1∶NS2）和正確選擇SR FET，相同的拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)可以獲得更高或更低的輸出電壓。