高性能電源轉換器設計中的同步整流技術

    電源轉換器的使用越來越普遍，電子設備制造商需要他們的電源系統不斷增加新的功能和特性，例如更低的輸入和輸出電壓、更高的電流、更快的瞬態響應。

    為滿足這些需求，在上世紀90年代晚期開關電源設計師開始采用同步整流（SR）技術——使用MOSFET來替代常用二極管實現的整流功能。SR提高了效率、熱性能、功率密度、可制造性和可靠性，并可降低整個系統的電源系統成本。本文將介紹SR的優點，并討論在其實現中遇到的挑戰。

二極管整流的缺點

    圖1是非同步和同步降壓轉換器的原理圖。非同步降壓轉換器使用FET 和肖特基二極管作為開關器件（圖1a），當FET打開時，能量傳遞到輸出電感和負載。當FET關斷，電感中的電流流過肖特基二極管。如果負載電流高于輸出電感的紋波電流的一半，則轉換器工作在連續導通模式。根據正向電壓降和反向漏電流特性來選擇肖特基二極管。但是，當輸出電壓降低時，二極管的正向電壓的影響很重要，它將降低轉換器的效率。物理特性的極限使二極管的正向電壓降難以降低到0.3V以下。相反，可以通過加大硅片的尺寸或并行連接分離器件來降低 MOSFET的導通電阻RDS(ON)。因此，在給定的電流下，使用一個MOSFET來替代二極管可以獲得比二極管小很多的電壓降。

    這使得SR很有吸引力，特別是在對效率、轉換器尺寸和熱性能很敏感的應用中，例如便攜式或者手持設備。MOSFET制造商不斷地引入具有更低RDS(ON)和總柵極電荷（QG）的新MOSFET技術，這些新的MOSFET技術使在電源轉換器設計中實現SR更加容易。

什么是同步整流？

    例如，在同步降壓轉換器中，通過用兩個低端的MOSFET來替換肖特基二極管可以提高效率（圖1b）。這兩個MOSFET必須以互補的模式驅動，在它們的導通間隙之間有一個很小的死區時間（dead time），以避免同時導通。同步FET工作在第三象限，因為電流從源極流到漏極。與之對應的非同步轉換器相比，同步降壓轉換器總是工作在連續導通，即使在空載的情況下也是。

    在死區時間內，電感電流流過低端FET的體二極管（body diode）。這個體二極管通常具有非常慢的反向恢復特性，會降低轉換器的效率。可以與低端FET并行放置一個肖特基二極管以對體二極管實現旁路，避免它影響到轉換器的性能。增加的肖特基二極管可以比非同步降壓轉換器中的二極管低很多的額定電流，因為它只在兩個FET都關斷時的較短的死區時間（通常低于開關周期的百分之幾）內導通。

同步整流的好處

    在高性能、高功率的轉換器中使用SR的好處是可以獲得更高的效率、更低的功耗、更佳的熱性能，以及當同步FET并行連接時固有的理想電流共享特點，而且盡管采用自動組裝工藝（更高的可靠性）但還是可提高制造良率。如上面提到的那樣，若干個MOSFET可以并行連接來應對更高的輸出電流。

    因為在這種情況下有效的RDS(ON)與并行連接的器件數量成反比，因此降低了導通損耗。同樣，RDS(ON)具有正的溫度系數，因此FET將等量分享電流，有助于優化在SR器件之間的熱分布，這將提高器件和PCB散熱的能力，直接改善設計的熱性能。SR帶來的其他潛在的好處包括更小的外形尺寸、開放的框架結構、更高的環境工作溫度，以及更高的功率密度。

同步整流轉換器的設計折中

    在低電壓應用中，設計工程師通常增加開關頻率以減小輸出電感和電容的尺寸，以此使轉換器尺寸最小化，并降低輸出紋波電壓。如果并聯多個FET，這樣的頻率增加也會增加柵極驅動和開關損耗，因此必須根據具體的應用進行設計折中。例如，在高輸入電壓、低輸出電壓的同步降壓轉換器上，因為工作條件是高端FET比低端FET具有更低的RMS電流，因此高端FET應該選擇具有低QG和高RDS(ON)的器件。對于這個器件來說，降低開關損耗比導通損耗更重要。相反，低端FET承載更大的RMS電流，因此RDS(ON)應該盡可能低。

    在同步轉換器中選擇具有更強驅動能力的控制器，通過使FET開關所用的時間最短，將能減少開關損耗。然而，更快的上升和下降時間可產生高頻噪聲，這種噪聲可以導致系統噪聲和EMI問題。

隔離拓撲結構的同步整流轉換器驅動

    采用隔離拓撲的電源轉換器被用在需要在系統地之間進行隔離的系統中。這樣的系統包括分布式總線架構、以太網供電系統和無線基站（圖2）。

    在隔離轉換器中采用SR可以大大地提高其性能。所有的隔離拓撲，包括正激、反激、推挽、半橋和全橋（電流和電壓反饋）都可以進行同步整流。然而，在每個拓撲中的SR提供的足夠的、適時的柵極驅動信號都有其自身的挑戰性。

    針對隔離拓撲的次級FET的驅動方案基本上有兩種：自驅動柵極信號直接從次級變壓器繞組獲得，控制驅動柵極信號從PWM控制器或一些其他初級的基準信號獲得。對于一個給定的應用，這些驅動可以有幾種不同的實現方法。設計師應該選擇能滿足性能要求的最簡單的解決方案。

    自驅動方案是最簡單、直接的SR驅動方案（圖3），適合于那些在任何時間段內變壓器電壓都不為零的拓撲結構。兩個SR FET可替代輸出整流二極管，次級繞組產生的電壓驅動SR的柵極。在大多數情況下，利用不同的變壓器線圈匝數比（NP∶ NS1∶NS2）和正確選擇SR FET，相同的拓撲結構可以獲得更高或更低的輸出電壓。■