第18章 开关电源同步整流技术

基本的反激电路结构
一种实际的外驱电路
增加驱动能力的外驱电路
由NMOSFET构成的反激同步整 流自驱动电路结构
由PMOSFET构成的反激同步整 流自驱动电路结构
反激同步整流驱动电路选择

同步整流管的驱动方式有三种：第一种是外加驱动控 制电路，优点是其驱动波形的质量高，调试方便。缺 点是：电路复杂，成本高，在追求小型化和低成本的 今天只有研究价值，基本没有应用价值。上图是简单 的外驱电路，R1D1用于调整死区。该电路的驱动能 力较小，在同步整流管的Ciss较小时，可以使用。图 6是在图5的基础上增加副边推挽驱动电路的结构，可 以驱动Ciss较大的MOSFET。在输出电压低于5V时， 需要增加驱动电路供电电源。
反激同步整流驱动电路选择

第二种是自驱动同步整流。优点是直接由变压器副边 绕组驱动或在主变压器上加独立驱动绕组，电路简单、 成本低和自适应驱动是主要优势，在商业化产品中广 泛使用。缺点是电路调试的柔性较少，在宽输入低压 范围时，有些波形需要附加限幅整形电路才能满足驱 动要求。由于Vgs的正向驱动都正比于输出电压，调 节驱动绕组的匝数可以确定比例系数，且输出电压都 是很稳定的，所以驱动电压也很稳定。比较麻烦的是 负向电压可能会超标，需要在设计变压器变比时考虑 驱动负压幅度。
反激同步整流驱动电路选择

第三种是半自驱。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。上图是针对自驱的 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。
问题举例
假设采用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。
工作方式的比较

Hale Waihona Puke Baidu
传统的同步整流方案基本上都是PWM型同 步整流，主开关与同步整流开关的驱动信号 之间必须设置一定的死区时间，以避免交叉 导通，因此，同步整流MOS管就存在体二 极管导通和反向恢复等问题，从而降低同步 整流电路的性能。
双端自激、隔离式同步整流电路
实际举例（反激同步整流设计 ）

低压大电流DC-DC模块电源一直占模块电源市场 需求的一半左右，对其相关技术的研究有着重要的 应用价值。模块电源的高效率是各厂家产品的亮点， 也是业界追逐的重要目标之一。同步整流可有效减 少整流损耗，与适当的电路拓扑结合，可得到低成 本的高效率变换器。本文针对36V-75V输入， 3.3V/15A输出的二次电源模块，在分析同步整流技 术的基础上，根据同步整流的特点，选择出适合于 自驱动同步整流的反激电路拓扑，进行了详细的电 路分析和试验。
同步整流器件的特点


同步整流技术就是采用低导通电阻的功率MOS管代替开关变换器快恢复 二极管，起整流管的作用，从而达到降低整流损耗，提高效率的目的。 通常，变换器的主开关管也采用功率MOS管，但是二者还是有一些差异 的。 功率MOS管实际上是一个双向导电器件，由于工作原理的不同，而导致 了其他一些方面的差异。例如：作为主开关的MOS管通常都是硬开关， 因此要求开关速度快，以减小开关损耗；而作为整流/续流用的同步 MOS管，则要求MOS管具有低导通电阻、体二极管反向恢复电荷小、 栅极电阻小和开关特性好等特点，因此，虽然两者都是MOS管，但是它 们的工作特性和损耗机理并不一样，对它们的性能参数要求也不一样， 认识这一点，对于如何正确选用MOS管是有益的。
同步整流技术引言


在电源转换领域，输出直流电压不高的隔离式转换器 都使用 MOSFET作为整流器件。由於这些器件上的导 通损耗较小，能够提高效率因而应用越来越广泛； 为了这种电路能够正常运作，必须对同步整流器（SR ）加以控制，这是基本的要求。同步整流器是用来取 代二极管的，所以必须选择适当的方法，按照二极管 的工作规律来驱动同步整流器。驱动信号必须用PWM 控制信号来形成，而PWM控制信号决定著开关型电路 的不同状态。
同步整流的基本电路结构

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。
传统二极管整流问题
近年来，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。