同步整流总结
1概述
近年来，为了适应微处理器的发展，模块电源的发展呈现两个明显的发展趋势：低
压和快速动态响应，在过去的10年中，模块电源大大改善了分布式供电系统的面貌。即使是在对成本敏感器件如线路卡，单板安装，模块电源也提供了诱人的解决方案。然而，高速处理器持续降低的工作电压需要一个全新的，适应未来的电压方案，尤其考虑到肖特级二极管整流模块不能令人满意的效率。同步整流电路正是为了适应低压输出要求应运而生的。由于一般的肖特基二极管的正向压降为0.3V以上，在低压输出时模块的效率
就不能做的很高，有资料表明采用肖特基二极管的隔离式DC-DC模块电源的效率可以
按照下式进行估算：
V out
V out (0.1 V out V cu V f)
0.1 V out—原边和控制电路损耗
V cu —印制板的线路损耗
V f —整流管导通压降损耗
我们假设采用0.4V的肖特基整流二极管，印制板的线路损耗为0.1V，则1.8V的模
块最大的估算效率为 72%。这意味着28%的能量被模块内部损耗了。其中由于二极管导通压降造成的损耗占了约15%。随着半导体工艺的发展，低压功率MOS管的的有着越
来越小的通态电阻，越来越低的开关损耗，现在IR公司最新的技术可以制作30V/2.5m Q的MOS管，在电流为15A时，导通压降为0.0375,比采用肖特基二极管低了一个数量级。所以近年来对同步整流电路的研究已经引起了人们的极大关注。在中大功率低压输出的DC-DC变换器的产品开发中，采用低压功率MOSFET替代肖特基二极管的方案
得到了广泛的认同。今天，采用同步整流技术的ON-BOARD 模块已经广泛应用于通讯
的所有领域。
2同步整流电路的工作原理
图1采用同步整流的正激电路示意图(无复位绕组)
同步整流电路与普通整流电路的区别在于它采用了MOS 管代替二极管，而 MOS 管
是它驱的开关器件，必须采用一定的方式控制 MOS 管的开关。同步整流电路中功率 MOS 管的驱动方式主要有两种：自驱动和它驱动。它驱动的方式与普通 MOS 管的驱动方式相同，通过控制电路控制整流和续流MOS 管的栅源电压实现同步开关的目的。而自驱动一般应用于隔离式的变换器中，下面举个个例子说明上图是同步整流电路在正激电路中应用的实例，从图中可以看出，整流管VT3 和续流管 VT2 的驱动电压从变压器的副边绕组取出，加在 MOS 管的栅 G 和漏 D 之间，如果在独立的电路中 MOS 管这样应用不能完全开通，损耗很大，但用在同步整流时是可行的简化方案。由于这两个管子开关状态互琐，一个管子开，另一个管子关，所以我们只简要分析电感电流连续时的开通情况，我们知道 MOS 管具有体内寄生的反并联二极管，这样电感电流连续应用时， MOS 管在真正开通之前并联的二极管已经开通，把源S和漏D相对栅的电平保持一致，加在
GD之间的电压等同于加在 GS之间的电压，这样变压器副边绕组同铭端为正时，整流管 VT3 的栅漏电压为正，整流管零压开通，当变压器副边绕组为负时，续流管VT2 开通，滤波电感续流。
3 同步整流电路的应用设计注意事项
同步整流电路的概念由来已久，不过在产品中大量应用只是最近几年的事。这一方面是因为半导体技术的发展，另一方面在隔离式变换器中采用同步整流也存在一定的问题。下面以图 1 为例进行详细的说明3.1 轻载效率低和同步整流管电压尖峰。
由于功率MOST开通后为双向导电器件，输出滤波电感的电流不可能不连续，当轻载或空载时，输出滤波电感的电流下降到 0后会继续反方向增加，直到整流二极管开通。这样虽然空载稳定性很容易保证，但这时造成续流管和滤波电感的一个环流，形成滤波电感的铁损和铜损以及续流管和输出线路阻抗损耗比采用肖特基二极管的模块电源效率低。这种状况下，由于滤波电感的反向电流，续流管的并联体二极管反向，如果续流管的关断和整流管的开通之间的死区时间较长，续流管关断后，整流管没有开通，由于输出滤波电感的电流突变，就会造成续流管漏源和整流管栅源电压尖峰，损坏同步整流电路。在一般的MOS T中，由于栅源电压比漏源电压低很多，这样整流管损坏的概率比续流管大。所以在同步整流电路的设计中，一般输出滤波电感的电感量在设计允许的条件下尽量大，这样电感电流的上升和下降缓慢，可以大大降低电感电流的最大值，减小模块的空载损耗。但这种设计又会造成模块电源的输出动态响应太慢，所以还有一种解决方式是通过滤波电感电流检测控制整流和续流二极管开关条件，不允许电流反向。这种设计已经有产品应用。
3.2 驱动不足和驱动过压
在图 1 所示的同步整流电路中，如果变压器副边电压在主功率管开通之间已经复位到零，会造成续流管驱动电压提前为零，输出滤波电感通过并联的体二极管续流，增加模块的损耗。另外最
大和最小占空比的选择很关键，如果占空比选择不合适，在输入电压变化时也有可能造成整流管或续流管驱动电压不足或过压，前者会造成模块的效率低下，后者会造成模块电源的失效。所以设计时一定要仔细计算模块电源变压器的驱动电压大小，限制控制芯片的最大驱动脉宽，必要时输入采用过压和欠压保护电路，确保不发生驱动过压和欠压，同时要选用合适的电路拓扑，尽量减小开关尖峰对驱动电压的影响。如果设计指标不能满足，可采用附加的驱动电路或采用独立的驱动绕组。论文中也有人在二次电源中采用两级变换来保证同步整流电压的恒定，前一级变换采用 BUCK电路
进行预稳压后进行隔离降压变换。这样后一级变换的占空比固定为50%左右，增加了同
步整流电路的可靠性。
3.3 不能直接并联
当采用图 1 所示的同步整流电路的模块直接把输出端接在一起进行并联时，相当于在模块的输出端并联了一个电压源，这样通过边压器副边绕组可以把驱动电压直接加到续流二极管的GS 之间，会造成续流管的损坏和另一模块输出电压的短路。当然可以采用
独立的驱动绕组解决这个问题，但这又增加了变压器设计难度，降低了变压器磁芯利用率。同时双同步整流模块直接并联也会造成模块之间的环流，增加模块的损耗。
4 同步整流电路的选择依据
虽然同步整流电路可以提高模块电源的效率，但同步整流电路的应用面还是比较窄的。采用同步整流电路的一个主要目的是提高模块的效率，当模块的效率低于采用肖特基二极管时，采用同住整流电路也就失去了意义。下面介绍同步整流电路的选择依据。
从上面的介绍我们可以看出，同步整流电路的应用只限于低压大功率输出的模块，目前主要的应用为输出电压小于等于 5V 的模块。原因除了轻载效率低以外，还有比较重要的一点在于功率半导体器件发展的滞后。在高压输出的应用中，仅通态压降一项指标就很难选择在额定输出电流下低于快恢复或超快恢复二极管正向压降的整流MOS t。另
外在低压应用时，采用同步整流电路的应用面也有一定的局限, 下面具体介绍。
首先我们考察一下用户希望的模块性能。近几年的便携式设备包括电子笔记本，计算器，远程控制器，传呼机，手提电话等，电压为 1.1-1.8V ，其特点是负载变化大，多
