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同步整流Buck变换器的损耗分析邵静宜【期刊名称】《信息技术》【年(卷),期】2017(000)003【摘要】A synchronous rectification buck converter with low voltage and high current is set as an example to analyze the dissipation of the buck converter more detailedly.Instead of just calculating inductance copper loss,capacitance loss and switching loss traditionally,the dissipationa nalysis in the thesis includes copper loss and iron loss of theinductor,equivalent series resistant loss of the capacitor,switchingloss,conduction loss,cut-off loss,drive loss and body diode loss of the MOSFETs.Consequently,the total power loss and the operating efficiency can be achieved.From the efficiency curve,it is noted that the efficiency rises with the increasing of the output current and tends to be saturated quickly afterwards.In order to create the more efficient buck converter,particularly in the case of low output voltage and high output current,the technology of synchronous rectification can be applied to cut down the conduction voltage drop.Moreover,considering the different proportion of power loss in different parts,the superior components can be put into use,such as the inductor with low resistance,NMOS with low conduction resistance and low rise/fall time,etc.%文中在以往只粗略计算电感损耗、电容损耗及开关损耗的基础上,以一款低电压大电流同步整流降压变换器为例,详细分析了各个元器件上功率损耗,包括电感上的铜损与铁损,电容等效串联电阻的损耗,MOSFET上的开关损耗、导通损耗、截止损耗、驱动损耗、寄生体二极管损耗等,从而得到直流降压变换器的整体损耗与实际效率.从效率曲线可以看出,变换器效率随着输出电流的增加而增加,并很快趋于饱和.而通过损耗分析可知,要降低损耗提高效率,尤其对于低电压大电流输出的降压变换器,不仅可以采用同步整流技术来降低导通压降,还可以根据各损耗所占比重大小选用更优元器件,如低直流电阻的电感,低导通电阻、低上升下降时间的NMOS管等.【总页数】5页(P133-136,140)【作者】邵静宜【作者单位】谢菲尔德大学电子与电气工程学院,英国谢菲尔德S102TN【正文语种】中文【中图分类】TP391;TM133【相关文献】1.同步整流降压变换器功率损耗分析与研究 [J], 龚武威;林国庆;段峻2.基于LTC3879高效同步整流BUCK变换器的设计 [J], 杨帆3.低压大电流同步整流Buck变换器的设计 [J], 邵静宜4.移相双重同步整流Buck变换器的研究与设计 [J], 张德超; 秦建鑫; 杨艳5.基于同步整流技术的Buck变换器研究 [J], 刘东立; 张逸凡; 李欣桐; 刘华宇因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
Buck电路是一种常用的降压型直流-直流变换器，常用于电源管理系统中。
在Buck电路中，整流是将交流电信号转换为直流电信号的过程，同步整流器则是一种用来提高Buck电路效率的装置。
1. 同步整流器的作用同步整流器是一种可以提高Buck电路效率的重要组件。
在普通的Buck电路中，使用的是非同步整流器，它的效率受到开关管和二极管的限制。
而同步整流器使用开关管替代二极管进行整流，具有更低的导通压降和更小的反向漏电流，因此可以提高电路的整体效率。
2. 同步整流器的工作原理同步整流器使用两个开关管来代替传统的二极管，这两个开关管分别在Buck电路的高侧和低侧。
在高侧开关管导通时，输入电压通过高侧开关与电感L信息，电流开始增加；而在高侧开关管关断，低侧开关管导通时，电流通过电感L和负载进行导通和放电。
3. Buck电路同步整流的工作波形在Buck电路同步整流工作时，有两个重要的波形需要关注，分别是输出电压波形和电流波形。
3.1 输出电压波形在Buck电路同步整流工作时，输出电压的波形应当是稳定的直流信号。
在一个完整的工作周期内，输出电压随着开关管的导通和关断而有规律地变化，但整体上应保持在目标输出电压的范围内，波动应该尽量小。
3.2 电流波形在Buck电路同步整流工作时，电感L和负载的电流波形也是非常重要的。
电感L的电流波形应当是一个周期性的波形，随着开关管的导通和关断而有规律地变化；而负载的电流波形应当尽可能稳定，以保证电路的稳定输出。
4. 同步整流工作波形对电路性能的影响Buck电路同步整流的工作波形对电路性能有着重要的影响。
稳定的输出电压波形和合理的电流波形可以保证电路的稳定性和效率，而不稳定的波形则可能会导致电路的失效或损坏。
5. 结语Buck电路同步整流的工作波形是影响电路性能的重要因素，通过合理设计和控制，可以提高Buck电路的效率和稳定性。
在实际应用中，需要根据具体情况对工作波形进行实时监测和调整，以确保电路的正常运行和长期稳定性。
BUCK变换器设计一．BUCK变换器指标BUCK变换器有关指标为：输入电压：标称直流48V,范围：43V~53V输出电压：直流25V，5A输出电压纹波：100mV电流纹波：0.25A开关频率：250kHz相位裕量：60度幅值裕量：10dB二．主电路电感与电容计算开关周期：Ts=1/fs=4×10-6s=4us占空比：D=Vo/Vin;D=25/43=0.581(Vin=43);D=25/53=0.472(Vin=53)输出电流：0.1/0.05=2A纹波电流：ΔiL=0.1A峰值电感电流：Isw=IL+ΔiL=2.1A开关峰值电压：Vsw=Vinmax=53电感量计算：由ΔiL=(Vinmax-Vo)/2L0.1=(53-25)/2LD(Vin=53)4×10-6计算得：L=2.6432×10-4=264.32uH取L=270uH点容量计算：ΔVL=ΔiLTs/8C计算得：C=2×10-7=200uF取C=200uF三．MOSFET电压与电流定额1.开关器件选用MOSFETVsw=Vinmax=53V2.开传递函数G(s)=(1+sResrC)Vin/(1+s2L(1+Resr/C)+S(L/R+ResrC))G(s)=Vin(s)/d(s)=Vin(1+s/ωz)/(1+s2/ωo2+s/Qωo),其中Resr=50mΩ,ωz=1/ResrC=100000rad/s;ωo=1/LC （1+Resr/R)=4281rad/sQ(s）=LC/(L/R+ResrC)=3.508所以开环传递函数为：48（1+S/100000）/（S2/42812+S/15732+1)3.系统开环性能：系统震荡时间较长，需加以矫正。
电流纹波约为0.002A，电压纹波为0.01v，符合设计的要求。
四．控制系统设计1.控制原理：取输出信号作为反馈信号，经过校正装置来控制MOSEFT的导通和断开，在开关周期一定的情况下控制占空比，实现闭环控制。
Buck变换器设计——作业一．Buck主电路设计1.占空比D计算2.电感L计算3.电容C计算4.开关元件Q的选取二. Buck变换器开环分析三. Buck闭环控制设计1.闭环控制原理2.补偿环节Gc(s)的设计——K因子法3.PSIM仿真4. 补偿环节Gc(s)的修正——应用sisotool5．修正后的PSIM仿真四．标称值电路PSIM仿真五．设计体会Buck变换器性能指标:输入电压：标准直流电压48V，变化范围：43V~53V输出电压：直流电压24V ，5A 输出电压纹波：100mv 电流纹波：0.25A 开关频率：fs=250kHz 相位裕度：60 幅值裕度：10dB一. Buck 主电路设计：1.占空比D 计算根据Buck 变换器输入输出电压之间的关系求出占空比D 的变化范围。
.50V48V 24U U D .4530V 53V 24U U D 0.558V 43V24U U D innom o nommax in o minmin in o max =========2.电感L 计算uH 105f i 2)D U -(U i 2)T U -(U L sL min o inmax Lon(min)o inmax =∆=∆=3.电容C 计算uF25.1250000*1.0*825.0vf 8i C s L ==∆∆=电容耐压值：由于最大输出电压为24.1V ，则电容耐压值应大于24.1V 。
考虑到能量储存以及伏在变化的影响，要留有一定的裕度，故电容选取120uf/50V 电容。
4.开关元件Q 的选取该电路的输入电压是43V~53V ，则开关管耐压值为53V ，电流的最大值为A 25.525.0A 5i I I L o Qp =+=∆+=，其开关频率为KHz 250f =，因此选用的MOSFET 管MTD6N15T4G ，其额定值为A 6/V 150。
Buck 主电路传递函数Gvd （s ）占空比d （t ）到输出电压Vo （t ）的传递函数为：220zinvd /s Q /s 1/s 1U )s (G ωωω+++=其中，CR 1,)C R R /L (1Q ,/R)R LC(11esr z esr 0esr 0=+=+=ωωω取R esr=50m Ω，负载R=4.8Ω，又知L=105uH ，C=120uF ，可求得ω0=8862.7rad/s ，f 0=ω0/2π=1410.5Hz ，Q=4.0269，ωz=166670rad/s ，fz=ωz/2π≈26526Hz 。
12V，3A电流模同步Buck DC-DC转换器功率级设计摘要：采用0.35 m 18 V DPTM BCD工艺技术给出电流模降压型DC-DC转换器的功率级设计，该功率级可以输出3 A负载电流，转换效率可达到94.5%。
主要针对转换器中核心部分功率级进行设计，其中包括同步开关功率晶体管设计、片上电感电流检测电路、功率晶体管驱动电路设计以及功率级的版图设计考虑，最后给出了该功率级设计的测试结果。
关键词：电流模；同步DC-DC转换器；功率级；BCD当前，数字多媒体、视频广播设备、个人导航设备（PND）、车载电源设备的使用越来越广泛, 为这些设备提供电源管理，常需要具有高压大电流高转换率效的DC-DC转换器。
为了减小设备体积和重量，电源模块必须最小化，因此，实现转换器的高转换效率以及高集成度成为一种趋势[1-2]。
考虑到电压控制模式和非同步转换器的一些缺点，更多的系统选择使用同步电流模式DC-DC转换器；图1为典型电流模同步BUCK转换器的电路框图，图中阴影部分为转换器的功率级，而电流控制模式BUCK DC-DC转换器中功率级的设计是最重要的功能模块之一，亦是转换器设计的难点所在，原因在于：功率级中作为开关的功率晶体管导通电阻会影响系统转换器的效率，在大负载电流条件下，功率开关晶体管的导通电阻还会影响芯片的热设计,一般来讲，功率开关的导通电阻与其宽长比成反比，但大尺寸器件会导致更大的芯片面积，增加芯片的成本，缺少市场的竞争力，怎样能够在减小导通电阻和芯片面积之间找到合适的折中点是功率晶体管设计的关键；其次，功率晶体管在版图设计时的寄生效应也会影响转换器的性能，功率晶体管的版图优化是功率级设计的一个重要部分；最后，电流模转换器需要对电感电流进行检测，设计合适的低功耗电感电流检测电路亦是功率级设计的难点。
基于上面的考虑，本文将以电流模式控制同步降压型DC-DC转换器为例，设计输入电压最大为18 V、典型输出电压为5 V、能够提供3 A负载电流的功率级。
1 概述直流-直流变流电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。
其中，直接直流变流电路又叫斩波电路，它包括降压斩波电路（Buck Chopper）、升压斩波电路（Boost Chopper)、升降压斩波电路（Buck/Boost）、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路共六种基本斩波电路。
Buck/Boost升降压斩波电路同时具有Buck斩波电路和Boost斩波电路的特点，能对直流电直接进行降压或者升压变换，应用广泛。
本文将对Buck/Boost升降压斩波电路进行详细的分析。
RVDRVDRVD 2 主电路拓扑和控制方式2.1 Buck/Boost 主电路的构成Buck/Boost 变换器的主电路与Buck 或Boost 变换器所用元器件相同，也由开关管、二极管、电感、电容等构成，如图1所示。
与Buck 和Boost 不同的是电感L 在中间，不在输出端也不在输入端，且输出电压极性与输入电压极性相反。
开关管也采用PWM 控制方式。
Buck/Boost 变换器也由电感电流连续和断续两种工作方式，但在实际应用中，往往要求电流不断续，即电流连续，当电路中电感值足够大时，就能使得电路工作在电流连续的状态下。
因此为了分析方便，现假设电感足够大，则在一个周期内电流连续。
图2-1 Buck/Boost 主电路结构图电流连续时有两个开关模态，即V 导通时的模态1，等效电路见图2（a ）；V 关断时的模态2，等效电路见图2（b ）。
（a ）V 导通（b ）V 关断，VD 续流图2-2 Buck/Boost 不同模态等效电路ttttt2.2 电感电流连续时的工作原理及基本关系电感电流连续工作时的工作主要波形见图2-3。
图2-3电感电流连续时的主要波形为了方便分析，假设电感、电容的值足够大，并且忽略电感的寄生电容。
电感电流连续工作时，Buck/Boost 变换器有V 导通和V 关断两种工作模态。
Buck 变换器的环路设计1．功率级传递函数R1L1Q1buck 变换器功率级电路示意图其传递函数为1)(1121+⋅⋅++⋅⋅+⋅⋅=s C R ESR s C L s C ESR V V out out out i o 分子为一阶微分环节，有一个零点，其转折频率为outzero C ESR f ⋅=π21分母为二阶积分环节，其阻尼系数12L C R out=ζ，其中ESR R R +=1当1>ζ时，系统为过阻尼状态，有两个不同的极点。
当1=ζ时，系统为临界阻尼状态，有两个相同的极点。
当1<ζ时，系统为欠阻尼状态，有两个共轭的复数极点。
在DCDC 变换器中，为了获得较高的效率，会尽可能的减小R 的值，所以通常系统都是处在欠阻尼状态。
102103104105-40-2020102103104105-200-150-100-50典型的buck 变换器功率级幅频和相频特性曲线。
参数：Cout=100uF ，L1=2.2uH ，ESR=1m Ω,R1=10m Ω在功率级的传函中，有一个由ESR 和Cout 构成的零点。
当ESR 比较小时，幅频曲线在转折频率后会以-40db/dec 衰减，相频曲线也会由0deg 急剧的下降为－180deg 。
在控制回路的环路补偿中就必须增加额外的相位超前补偿，否则不能满足要求的相位裕度。
当ESR 较大时，由ESR 和Cout 组成的零点会抵消到一个极点，控制回路中不需要额外的相位超前补偿，就能满足要求的相位裕度。
下图为ESR=100m Ω（其余参数相同）的幅频和相频特性曲线。
可以看出，其相位最低降到-100deg ，尚有80deg 的相位裕度。
102103104105-30-20-10010102103104105-100-80-60-40-202． PWM 控制级传递函数在电压反馈系统中，PWM 控制器采用固定的三角波与反馈回来的电压比较，控制占空比。
1 概述直流-直流变流电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。
其中，直接直流变流电路又叫斩波电路，它包括降压斩波电路（Buck Chopper）、升压斩波电路（Boost Chopper)、升降压斩波电路（Buck/Boost）、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路共六种基本斩波电路。
Buck/Boost升降压斩波电路同时具有Buck斩波电路和Boost斩波电路的特点，能对直流电直接进行降压或者升压变换，应用广泛。
本文将对Buck/Boost升降压斩波电路进行详细的分析。
RVDRVDRVD2 主电路拓扑和控制方式Buck/Boost 主电路的构成Buck/Boost 变换器的主电路与Buck 或Boost 变换器所用元器件相同，也由开关管、二极管、电感、电容等构成，如图1所示。
与Buck 和Boost 不同的是电感L 在中间，不在输出端也不在输入端，且输出电压极性与输入电压极性相反。
开关管也采用PWM 控制方式。
Buck/Boost 变换器也由电感电流连续和断续两种工作方式，但在实际应用中，往往要求电流不断续，即电流连续，当电路中电感值足够大时，就能使得电路工作在电流连续的状态下。
因此为了分析方便，现假设电感足够大，则在一个周期内电流连续。
图2-1 Buck/Boost 主电路结构图电流连续时有两个开关模态，即V 导通时的模态1，等效电路见图2（a ）；V 关断时的模态2，等效电路见图2（b ）。
（a ）V 导通（b）V关断，VD续流图2-2 Buck/Boost不同模态等效电路ttttt电感电流连续时的工作原理及基本关系电感电流连续工作时的工作主要波形见图2-3。
图2-3电感电流连续时的主要波形为了方便分析，假设电感、电容的值足够大，并且忽略电感的寄生电容。
电感电流连续工作时，Buck/Boost 变换器有V 导通和V 关断两种工作模态。
低电压大功率同步整流
低电压大功率同步整流是指在输入电压较低的情况下，实现高功率输出的整流方式，并且
要求输出电流与输入电压同步控制。
一种常见的低电压大功率同步整流方案是采用双象限变流器与同步整流器结合的方式。
其基本工作原理如下：
1. 双象限变流器（Buck-Boost Converter）：将输入电压调整为适当的幅值和频率，并输出给负载。
这种变流器能够有效地降低输入电压，提高输出电流。
2. 同步整流器（Synchronous Rectifier）：在负载侧，采用同步整流器代替传统的二极管整流器。
同步整流器能够在输入电压正半周和负半周时分别开关，使得输出电流能够与输入电压同步控制。
通过结合双象限变流器和同步整流器，可以实现低电压大功率同步整流。
这种方案在电源系统、电动车辆、电力传输等领域有广泛的应用。
优点包括高效率、低损耗、电压稳定等。
但是也存在着设计复杂、成本较高等问题需要解决。
