数字电源同步整流技术

（本文由北京海洋仪器提供）
同步整流技术是指用导通电阻较低的MOSFET来替代整流二极管,从而达到降低整流损耗、提高效率的目的。在同步整流技术中，为避免交叉导通的危险，在主开关与同步整流开关驱动信号之间必须设定一定的死区时间。在死区时间内，电感电流流过同步整流MOSFET的体二极管。这个体二极管一般具有较高的前向导通电压，在死区时间较大时，会造成较大的损耗。因此，为最大限度地提高效率，要求死区时间尽可能小。但是在传统的模拟方案中，自驱动型除了应用的限制外，还很难提供精确的控制时序；对于外驱动型，由于其参数是由电阻，电容等无源器件进行设定，存在误差、老化、温漂等问题，为保证有足够的余量，死区时间也不可能设置得很小。在数字电源中，可以通过提供精确控制时序的方法，精确获得同步整流MOSFET所需的死区时间，从而达到降低整流损耗，提高效率的目的。
   目前，同步整流技术在DC-DC模块电源领域得到了广泛的应用。随着MOSFET设计工业技术的进步，当今MOSFET的性能大大提高。同步整流技术几乎可以应用到各种电路拓扑，并且可以与其他技术相结合，从而形成了各具特色的同步整流技术。例如，有源箝位技术与同步整流技术结合，实现了软开关同步整流技术，进一步降低了同步整流MOS管的开关损耗，效率也得到了进一步的提高。同步整流技术的关键在于同步整流管的驱动控制上，不同的驱动方式对效率的影响是有很大差别的。
   1. 同步整流器件
   同步整流技术就是采用低通道电阻的功率MOS管替代开关变换器件恢复二极管，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管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，其完整的漏源伏安特性应包括第一象限以及第三象限，是基于原点对称的，如图1-6所示。

    其中，第一象限表示MOSFET的正向导电特性，第三象限表示MOSFET的反向导电性。同步整流技术正是利用了MOSFT这种双向导电特性来达到=提高整流效率的目的。工作原理的不同，会导致其他一些方面的差异。例如，作为主开关的MOS管工作在第一象限，通常都是硬开关，因此要求开关速度决，以减少开关损耗；而作为整流/续流用的同步MOS管，则要求MOS管具有低通道电阻、体二极管反向恢复电荷小、栅极电阻小和开关特性好等特性点，因此，虽然两则都是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。
   2. 电路拓扑结构
   众所周知，同步整流技术首先应用在非隔离型变换器。然而，随着输出电压的不断降低，变换器的输入输出电压变化则不断增大，相应的占空比则不断减小，以同步整流Buck变换器为例，当占空比下降到15%~20%时，其性能将严重下降。主要的原因是占空比比大小而导致的。隔离型变换器则能够很好地解决这一问题，而且能够实现输入输出的电隔离，因此在许多隔离型变换器中，如正激、反激、半桥、全桥等，广泛采用同步整流技术。
   从应用和设计的角度，隔离型变换器和非隔离变换器对同步整流MOS管的设计、性能要求等方面的影响是不同的。
   非隔离型变换器主要适用于小功率的场合，以BucK电路为例，输出电流通常被限制在20~25；为了满足输出大电流的要求，往往必须采用多个模块并联均流的方法，这不但增加了电路的成本和体积，使可靠性降低，而且不符合开关电源高功率密度的发展势。在BucK的电路中，同步MOS管通常是由控制IC驱动和控制的，因此，其驱动信号具有控制时序准确，驱动电压恒定、不受输入和输出电压影响的优点。
    近来，ti公司推出的一款新型的同步整流IC-UCC272221/2,是通过采用检测同步整流MOSFET的开关状态，然后利用数字控制技术调整MOSFET开关时间的方法，以获得最优的开通和开断死区延迟时间，突破性地作出ZVS的同步整流，从而解决了非对称电路的软开关同步整流问题，使得效率在原有技术的基础上又进一步提高了2~4个百分点。
   隔离型变换器则适用于较大功率、对瞬态特性要求不同的场合，高功率密度、高性价比是其主要目标。对于隔离型变化器，同步MOS管的驱动方式依拓扑结构的不同而不同，具有较大的灵活性。若按工作方式来划分，分为自驱动和外驱动。
   所谓自驱动，它是在变换器中取合适点的电压来驱动功率MOSFET，一般包括变压器次级绕组的输出端电压和输出滤波电感的电压。自驱动的同步整流变换器具有电路结构简单、元器件少的优点，以及普遍用于5v以下的低压小功率输出场合。但是由于它的驱动电压和输入电压、输出电压成正比，而且对于某些电路拓扑，如Buck、Forwardde等，为了避免两个管子发生共通，要求两个MOS管的驱动信号之间必须留有一定的死区时间，所有在输入电压变化范围比较大或则输出电压偏低的情况下，为了使同步整流管能够有效工作，需要对驱动电路做进一步的改进。
   所谓外驱动，它是由外部的控制电路通过计算机或根据电路的状态，确定功率MOSFET的驱动时间，然后由以专门的控制IC驱动同步整流管。外驱动电路可以提供精确的控制时序，使同步整流管的驱动信号和理想的驱动波形一致，驱动信号不受输入电压和输出电压影响，但是电路结构复杂，所用的元件多，成本高，目前，对于12V以上20V左右同步整流，多采用控制驱动IC，这样可以收到较好的效果。
   3. 智能同步整流技术
   在SR的智能同步整流技术中，同步整流无需散热器，只需六个元器件。例如IR1167智能同步整流芯片用于反激型电源中，次级电路N沟道开管同步整流的控制IR1167可以控制一个或多个并联的蒸馏开关管，从而取代肖特基二极管。该芯片的工作机理是通过检测整流开关管的漏源电压，选择合适时机，让同步整流开关管和关断。与电流互感器相比，系统效率提高1%：在IR1167芯片的典型系统中，元件数目从22个减少到6个：降低MOSFET温度达10℃：无需电流互感器：直接连接及驱动所有30~200vMOSFET:准确、迅速，驱动能力达7A，工作频率高达500KHz;
   (1) 开关管开通
   初级开关关断后，电流转移到次级的同步整流开关管的寄生二极管（此时开关管尚未开通），这将产生一个较高的负向VDS开通电压（远高于电流流过导通电阻产生的压降）。此负向电压降会达到IR1167开通比较电平阀值VTH1，使同步整流开关管开通，电流流过开关管VDS下降到VTH1，导致开关管再次关断，所以在IR1167芯片中加入最小导通时间来防止误关断。这个最小导通时间可通过一个外部电阻设定。不过，这个可编程的最小导通时间（MOT）限制了次级最小占空比，相当于限制了次级最大占空比。MOT和消隐时间在一个开关周期只出现一次，当VDS达到VTH3时IR1167复位，为下个开关周期做好准备。
   （2）开关管关断
   同步整流开关管开通以后，由于整流过程中的电流逐步减小，VDS绝对值也会减小，当减小到VTH1时，开关管关断。网络分析仪
   目前，智能同步整流技术的应用领域包括利用反激型电路或谐振桥式电路的笔记本型电脑电源适配器、液晶显示器电源、迷你电脑、PDP电视及游戏电源。智能整流器为国类电源次级同步整流提供了简单、高效的解决方案。应用在120W笔记本电脑电源适配器中，提高1%的效率，降低10℃温度，减少75%同步整流元件，同步整流系统成本降低20%，同步整流电源能够在很大程度上降低功耗和提高效率。、http://www.hyxyyq.com