同步整流

同步整流
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。

简介
同步整流的基本电路结构
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。

为什么要应用同步整流技术
电子技术的发展，使得电路的工作电压越来越低、电流越来越大。

低电压工作有利于降低电路的整体功率消耗，但也给电源设计提出了新的难题。

开关电源的损耗主要由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，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。

同步整流比之于传统的肖特基整流技术可以这样理解：
这两种整流管都可以看成一扇电流通过的门，电流只有通过了这扇门才能供负载使用。

传统的整流技术类似于一扇必须要通过有人大力推才能推开的门，故电流通过这扇门时每次都要巨大努力，出了一身汗，损耗自然也就不少了。

而同步整流技术有点类似我们通过的较高档场所的感应门了：它看起来是关着的，但你走到它跟前需要通过的时候，它就自己开了，根本不用你自己费大力去推，所以自然就没有什么损耗了。

通过上面这个类比，我们可以知道，同步整流技术就是大大减少了开关电源输出端的整流损耗，从而提高转换效率，降低电源本身发热。

2能量再生与同步整流
在开关管V导通时，变压器接收的电能除了磁化电流外都将传送到输出端。

而管V关跃的反激作用期间，导向二极管D2用反偏置故不可能有钳位作用或能量泄放的回路。

磁化能量将会产生较大的反压加在开关管的集一射极之间。

为了防止高反压的产生，设置了“能量再生绕组”P2，由绕组△经过二极管D，，使存储的能量反馈回直流电源Ui中。

只要满足Wp1=Wp2的关系，D1流过电流时Up2=Ui，则开关管V上承受的集一射极电压为2Ui。

图
为了避免在P1和P2绕组之间存在的漏电感过大，和因此而在开关管集电极上产生过高的电压，一般采用初级绕组P1与能量再生绕组P2双线并绕的方法。

在这种配置中，二极管D1接在能量再生绕组如图所示的位置是非常重要的。

原因是双线并绕引起的内部杂散电容Cc是在开关管V的集电极与绕组P2和D1连接点之间的寄生电容。

按照图中的接法是有优点的，如在开关管V导通时，由于二极管D，反向而隔开了集电极，没有任何的电流在V瞬时导通时流进电容Cc中（注意，绕组P1和P2的非同铭端同时变负，而且Cc
的两端电压不会改变）。

但是在反激期间，Cc提供开关管V的钳位作用，任何过电压的趋势都会引起Cc流过电流，而且经过D，反馈到电源线上。

如果寄生电容不够大，只靠P1、
P2绕组磁耦合，钳位电压超值时，常常可以在%位置加外接电容补充以改善它的钳位作用。

然而，如果电容值过大时，会使得输出电压线上有输人电压叽纹波频率调制的电压分量，所以要小心地选用附加电容Cc的值。

在开关管V导通时，输入电压Ui加在（Lp+LLT）上，由于D2反偏置阻止C2的充电，所以Uc2≈0。

当开关管V关断时，由于反激作用，V的集电极电压Uc快速上升，但由于砀此时受正偏压而导通，使V电流被C2、R1分流，Uc电压逐渐上升，即U（电压也是逐渐上升，而且钳位在2Ui数值上。

从而把Uc上升的尖峰电压的顶部消去，如虚线所示的脉冲尖峰。

在一个周期剩下的时间里，随着R1放电电流的减小，C2上的电压降会返回到原来值。

多余的反激电能，被消耗在R1上。

此钳位电压是自跟踪的，在稳态工作时，因为C2上的电压会自动地调整，直到所有多余的反激电能消耗在R1上。

如果在所有其他情况下，都要维持某一恒定钳位电压时，则可以通过减小R1值或漏电感Lyp的值，来抑制钳位电压的升高趋势。

不能把钳位电压设计得太低，因为反激过冲电压也有有用的一面。

在反激作用时，它
提供了一个附加强制电压值来驱动电能进入到次级电感。

使变压器次级的反激电流迅速增加。

提高了变压器的传输效率，同时也减小了电阻R）上的损耗。

这对于低压大电流输出是很有意义的。

3同步整流工作原理
图1（a）所示为N沟道功率MOS管构成的同步整流管SR和SBD整流二极管
图1（a）[1]
二极管
二极管又叫半导体二极管、晶体二极管，是最常用的基本电子元件之一。

二极管只往
一个方向传送电流，由p型半导体和n型半导体形成的p-n结构成，在其界面处两侧形成
空间电荷层，并建有自建电场。

当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起
的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

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的电路图形符号，整流二极管
有两个极：即阳极A和阴极K。

功率MOS管有三个极：即漏极D、源极S和门极G。

在用做同步整流管时，将功率MOS管反接使用，即源极S接电源
电源
电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器，它提供计算机中所有部件所需要的电能。

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正端，相当于二极管
的阳极A；漏极D接电压负端，相当于二极管的阴极K；当功率MOS管在门极G信号的作用下导通时，电流电源
极S流向漏极D。

而功率MOS管作为开关
开关
开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。

接通则电流可以通过，反之电流无法通过。

在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。

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使用时，漏极D接电源正端，源极S接电压负端；导通时，相当于开关
闭合，电流由漏极D流向源极S。

图1 同步整流管和整流二极管
整流二极管
整流二极管是一种将交流电能转变为直流电能的半导体器件。

通常它包含一个PN结，有阳极和阴极两个端子。

整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。

硅整流二极管的击穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好。

通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造(掺杂较多时容易反向击穿）。

这种器件的结面积较大，能通过较大电流（可达上千安），但工作频率不高，一般在几十千赫以下。

整流二极管主要用于各种低频半波整流电路，如需达到全波整流需连成整流桥使用。

同步整流管SR及整流二极管构成的半波整流
半波整流
半波整流是一种利用二极管的单向导通特性来进行整流的常见电路，除去半周、图下半周的整流方法,叫半波整流。

作用是将交流电转换为直流电，也就是整流。

电路如图1（b）所示。

当SR的门极驱动电压ug，与正弦波电源电压仍同步变化时，则负载R上得到的是与二极管整流电路相同的半波正弦波电压波形1fR。

同步整流管的源一漏极之间有寄生的体二极管，还有输出结电容
电容
电容（或电容量, Capacitance）指的是在给定电位差下的电荷储藏量；记为C，国际单位是法拉（F）。

一般来说，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上；造成电荷的累积储存，最常见的例子就是两片平行金属板。

也是电容器的俗称
（未画出），驱动信号加在门极和源极（G-S）之间，是一种可控的开关器件。

皿关断时，电流仍然可以由体二极管流通。

不过m体二极管的正向导通压降和反向恢复时间都比SBD大得多，因此，一旦电流流过SR的体二极管，则整流损耗将明显增加。

由于同步整流是由可控的三端半导体开关器件来实现的，因此必须要有符合一定时序关系的门极驱动信号去控制它，使其像一个二极管一样地导通和关断。

驱动方法对银的整体性能影响很大，因此，门极驱动信号往往是设计同步整流电路时必须要解决的首要问题。

例如，SR开通过早或关断过晚，都可能造成短路，而开通过晚或关断过早又可能使SR的体二极管导通，使整流损耗和器件应力增大。

综上所述，当功率MOS管反接时可以作为SR使用，其特点如下：
（1）SR是一个可控的三极开关器件，在门极和源极之间加人驱动信号时，可以控制功率MOS管源极S和漏极D之间的通/断。

（2）门极驱动信号和源极电压同步，如源极为高电平时，驱动信号也是高电平则MOS 管导通；反之，源极为低电平时，驱动信号也是低电平，则MOS管关断；这样就自然实现了整流，而且电流也只能由源极s流向漏极D。

由于是通过门极信号和源极电压同步来实现整流的，因此把这种整流方式称为同步整流。

（3）用于PWM
PWM
PWM即脉冲宽度调制，是一种利用微处理器的数字输出来控制模拟电路的控制技术。

PWM以其控制简单、灵活、效率高和动态响应好等优点而被广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

PWM是开关型稳压电源中的术语。

这是按稳压的控制方式分类的，除了PWM型，还有PFM型和PWM、PFM混合型。

如今的很多微型控制器中都有PWM控制器。

开关转换器
转换器
转换器从原理上可分为协议转换器、接口转换器两大类。

从应用上又可以分光纤转换器、光电转换器、视频转换器等等。

例如视频转换器就是一种连接电脑和电视的设备，它可以把电脑上的内容转换并显示在电视机上，让人们可以在电视上学电脑，上网，玩游戏，做商业演示，看股票等等。

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中的同步整流管SD代替SBD作为整流管或续流工作时，必须保证门极有正确的控制时序，使其工作与PWM开关转换器
的主开关管同步协调工作。

因此不同的开关转换器主电路，其同步整流管的控制时序也是不同的。

同步整流开关管的控制时序将在后面进行介绍。

（4）在功率MOS管反接的情况下，其固有的体二极管极性却是正向的。

有时要利用它先导通，以便过渡到功率MOS管进入整流状态。

但由于体二极管的正向压降较大，常常不希望它导通或导通时问过长。