同步整流技術(shù)

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同步整流技術(shù)

同步整流是采用通態(tài)電阻極低的專(zhuān)用功率MOSFET，來(lái)取代整流二極管以降低整流損耗的一項(xiàng)新技術(shù)。同步整流技術(shù)能大大提高DC/DC電源適配器的效率并且不存在由肖特基勢(shì)壘電壓而造成的死區(qū)電壓。作為整流電路的主要元件，通常用的是整流二極管（利用它的單向?qū)щ娞匦裕梢岳斫鉃橐环N被動(dòng)式器件：只要有足夠的正向電壓它就導(dǎo)通，而不需要另外的控制電路。但其導(dǎo)通壓降較高，快恢復(fù)二極管（FRD）或超快恢復(fù)二極管（SRD）可達(dá)1.0～1.2V，即使采用低壓降的肖特基二極管（SBD），也會(huì)產(chǎn)生大約0.6V的壓降。這個(gè)壓降完全是做的無(wú)用功，并且整流二極管是一種固定壓降的器件，舉個(gè)例子：如有一個(gè)管子壓降為0.7V，其整流為12V時(shí)它的前端要等效12.7V電壓，損耗占0.7/12.7≈5.5%。而當(dāng)其為3.3V整流時(shí)，損耗為0.7/（3.3＋0.7）≈17.5%。可見(jiàn)此類(lèi)器件在低壓大電流的工作環(huán)境下其損耗是何等地驚人。這就導(dǎo)致電源效率降低，損耗產(chǎn)生的熱能導(dǎo)致整流管溫度的上升，進(jìn)而導(dǎo)致電源適配器的溫度上升、機(jī)箱溫度上升，有時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、電腦硬件使用壽命急劇縮短都是拜這個(gè)高溫所賜。
同步整流技術(shù)采用通態(tài)電阻極低的功率MOSFET來(lái)取代整流二極管，能大大降低整流電路的損耗，提高DC/DC變頻器的效率，滿(mǎn)足低壓、大電流整流器的需要。DC/DC電源適配器的損耗主要由三部分組成：功率開(kāi)關(guān)管的損耗，高頻變壓器的損耗，輸出整流管的損耗。在低電壓、大電流輸出的情況下，整流二極管的導(dǎo)通壓降較高，輸出端整流管的損耗尤為突出。快恢復(fù)二極管或超快恢復(fù)二極管可達(dá)1.0～1.2V，即使采用低壓降的肖特基二極管，也會(huì)產(chǎn)生0.4V～0.8V的壓降，導(dǎo)致整流損耗增大，電源效率降低。因此，傳統(tǒng)的二極管整流電路已無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)現(xiàn)低電壓、大電流電源適配器高效率、小體積的需要，成為制約DC/DC變頻器提高效率的瓶頸。
作為取代整流二極管以降低整流損耗的一種新器件，功率MOSFET屬于電壓控制型器件，它在導(dǎo)通時(shí)的伏安特性呈線(xiàn)性關(guān)系。因?yàn)橛霉β蔒OSFET做整流器時(shí)，要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱(chēng)之為同步整流。它可以理解為一種主動(dòng)式器件，必須要在其控制極（柵極）有一定電壓才能允許電流通過(guò)，這種復(fù)雜的控制要求得到的回報(bào)就是極小的電流損耗。根據(jù)同步整流管控制方式的不同，可將同步整流器分為兩類(lèi)：外部驅(qū)動(dòng)式同步整流器和自驅(qū)動(dòng)式同步整流器。
外部驅(qū)動(dòng)式同步整流器的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓需要從附加的外設(shè)驅(qū)動(dòng)電路獲得。為了實(shí)現(xiàn)同步，驅(qū)動(dòng)電路必須由電源適配器主開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)加以控制，外驅(qū)動(dòng)電路可以提供較精確的控制時(shí)序。現(xiàn)在已開(kāi)發(fā)出一些外部驅(qū)動(dòng)控制集成電路，如IR1175、MW系列IC等。外部驅(qū)動(dòng)同步整流的缺點(diǎn)是：驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，需要有控制檢測(cè)、定時(shí)邏輯、同步變壓器等。驅(qū)動(dòng)電路有損耗，價(jià)格貴，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)等，限制了外部驅(qū)動(dòng)同步整流技術(shù)的廣泛應(yīng)用。
自驅(qū)動(dòng)式同步整流器又分為電壓驅(qū)動(dòng)型（voltagedriven）同步整流器和電流驅(qū)動(dòng)型同步整流器。
電流驅(qū)動(dòng)同步整流器通過(guò)檢測(cè)流過(guò)同步整流管的電流，確定是否開(kāi)通還是關(guān)斷同步整流管，因此，它需要電流檢測(cè)器件，比如電流互感器，或者采用自帶電流檢測(cè)的功率MOSFET及其輔助控制和驅(qū)動(dòng)電路。電流同步整流器的主要優(yōu)點(diǎn)是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)獨(dú)立，可以直接替代任何電源適配器適配器中的二極管，具有極強(qiáng)的通用性。
電壓驅(qū)動(dòng)同步整流器的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)來(lái)自變壓器輔助繞組或者電感耦合繞組，同步整流管根據(jù)變壓器輔助繞組或者電感耦合繞組電壓極性自動(dòng)開(kāi)通或關(guān)斷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效，成為目前受到廣泛關(guān)注的同步整流器驅(qū)動(dòng)技術(shù)。
整流管VT3和續(xù)流管VT2的驅(qū)動(dòng)電壓從變壓器的副邊繞組取出，加在MOS管的柵G和漏D之間，如果在獨(dú)立的電路中MOS管這樣應(yīng)用不能完全開(kāi)通，損耗很大，但用在同步整流時(shí)是可行的簡(jiǎn)化方案。由于這兩個(gè)管子開(kāi)關(guān)狀態(tài)互瑣，一個(gè)管子開(kāi)，另一個(gè)管子關(guān)，所以我們只簡(jiǎn)要分析電感電流連續(xù)時(shí)的開(kāi)通情況，我們知道MOS管具有體內(nèi)寄生的反并聯(lián)二極管，這樣電感電流連續(xù)應(yīng)用時(shí)，MOS管在真正開(kāi)通之前并聯(lián)的二極管已經(jīng)開(kāi)通，把源S和漏D相對(duì)柵的電平保持一致，加在GD之間的電壓等同于加在GS之間的電壓，這樣變壓器副邊繞組同銘端為正時(shí)，整流管VT3的柵漏電壓為正，整流管零壓開(kāi)通，當(dāng)變壓器副邊繞組為負(fù)時(shí)，續(xù)流管VT2開(kāi)通，濾波電感續(xù)流。柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱(chēng)之為同步整流。

電壓自驅(qū)動(dòng)同步整流
1.工作原理
圖是采用電壓驅(qū)動(dòng)同步整流雙管正激電源適配器的原理圖，工作原理如下：當(dāng)主開(kāi)關(guān)管Q1和Q4都開(kāi)通時(shí)，變壓器副邊電壓為正，同步整流管S1的門(mén)極承受正電壓導(dǎo)通；S2的門(mén)極承受負(fù)電壓關(guān)斷。此時(shí)，負(fù)載電流流經(jīng)同步整流管S1。當(dāng)主開(kāi)關(guān)管Q1和Q4都關(guān)斷時(shí)，變壓器副邊電壓為負(fù)，同步整流管S2的門(mén)極承受正電壓導(dǎo)通；S1的門(mén)極承受負(fù)電壓關(guān)斷。此時(shí)，負(fù)載電流流經(jīng)同步整流管S2。

圖電壓驅(qū)動(dòng)同步整流雙管正激電源適配器原理圖
從對(duì)傳統(tǒng)雙管正激變壓器基本原理的分析中，我們可以知道，在主開(kāi)關(guān)管Q1和Q4都關(guān)斷時(shí)，變壓器開(kāi)始磁復(fù)位。在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，磁復(fù)位必須結(jié)束，否則變壓器發(fā)生磁偏滯而逐漸飽和，不能繼續(xù)傳遞能量。假設(shè)在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期導(dǎo)通之前的某一時(shí)刻，變壓器磁復(fù)位結(jié)束，變壓器副邊電壓為0。變壓器副邊電壓為0至下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始的這段時(shí)間稱(chēng)為死區(qū)時(shí)間。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)S1和S2的門(mén)極電壓為0，因此都不能導(dǎo)通。這時(shí)候，負(fù)載電流流經(jīng)續(xù)流同步整流管S2的體二極管，而不是功率MOSFET。
為了優(yōu)化驅(qū)動(dòng)波形，可以采用分離的輔助繞組來(lái)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)同步整流管，比起傳統(tǒng)的副邊繞組直接驅(qū)動(dòng)的同步整流電源適配器來(lái)說(shuō)，這種驅(qū)動(dòng)方式無(wú)工作電流通過(guò)驅(qū)動(dòng)繞組，因此不需要建立輸出電流的時(shí)間，MOSFET能夠迅速開(kāi)通，開(kāi)通時(shí)的死區(qū)時(shí)間即體二極管導(dǎo)通的時(shí)間減少了一半，另一方面驅(qū)動(dòng)電壓不只局限于副邊電壓，可以通過(guò)調(diào)整輔助線(xiàn)圈來(lái)得到合適的驅(qū)動(dòng)電壓。
在一般情況下，轉(zhuǎn)換器輕載時(shí)將在不連續(xù)電流模式（dcm）下工作。但電壓型自驅(qū)動(dòng)的同步整流理論上是一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)，輕載時(shí)負(fù)載電流可能繼續(xù)反向流過(guò)輸出電感，形成環(huán)路電流，產(chǎn)生附加損耗，使轉(zhuǎn)換器效率下降。

2.電感電流斷流模式（DCM）下的環(huán)路電流損耗問(wèn)題
連續(xù)CCM與斷續(xù)DCM通常指工作電流.連續(xù)CCM:當(dāng)輸出電流未降到0時(shí).藕合電感又將能量傳輸?shù)捷敵?斷續(xù)DCM當(dāng)輸出電流降到0時(shí).藕合電感才將能量傳輸?shù)捷敵?
一般小功率產(chǎn)品較好工作在DCM下好些,反之則CCM.與電感頻率有關(guān) .
根據(jù)對(duì)傳統(tǒng)雙管正激電源適配器的穩(wěn)態(tài)分析可知，電源適配器在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)存在兩種可能的運(yùn)行狀態(tài)：連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM）和非連續(xù)傳導(dǎo)（DCM）。
當(dāng)負(fù)載電流Io減小到臨界輸出電流Io以下時(shí)，對(duì)于副邊采用傳統(tǒng)二極管續(xù)流工作的正激電源適配器來(lái)說(shuō)，將會(huì)出現(xiàn)電感電流斷續(xù)的工作情況，電源適配器進(jìn)入DCM模式。但是當(dāng)副邊采用同步整流工作時(shí)，由于續(xù)流MOSFET的雙向?qū)ǖ奶匦裕沟么藭r(shí)的電感電流能夠反向，產(chǎn)生環(huán)流，有了環(huán)流就會(huì)產(chǎn)生環(huán)流能量，如圖6－12所示。這個(gè)能量的大小和輸出濾波電感有關(guān)，輸出濾波電感越小，環(huán)流就會(huì)越大，環(huán)流能量越大，損耗也越大。所以由于同步整流器不能從CCM模態(tài)自動(dòng)切換到DCM模態(tài)，輕載時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很大的環(huán)流損耗。環(huán)流損耗、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)損耗和開(kāi)關(guān)損耗使得電源適配器的輕載時(shí)的效率較低。值得注意的是，續(xù)流MOSFET一定要在反向電流產(chǎn)生前截止。如果已經(jīng)產(chǎn)生了反向電流以后才使MOSFET截止，此時(shí)反向電流迅速下降，產(chǎn)生很大的di/dt，會(huì)在續(xù)流MOSFET源極和漏極兩端產(chǎn)生很高的電壓尖峰，這個(gè)電壓尖峰甚至可能高于MOSFET的耐壓，使續(xù)流MOSFET擊穿，在這種控制方式下，重載時(shí)由續(xù)流同步整流管續(xù)流，輕載時(shí)由肖特基管續(xù)流，電感電流將進(jìn)入DCM模式，這樣減少了導(dǎo)通損耗，提高了輕載時(shí)電源適配器的效率。

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