同步整流技术
电源网第20届技术交流会
邹超洋
2012.11
内
容
同步整流简介。
同步整流的分类。
简 同步整流的驱动方式
介
同步整流的 MOSFET
同步整流简介
z 高速超大规模集成电路的尺寸的不断减小，功耗的不断降低，要求 供电电压也越来越低，而输出电流则越来越大。
z 电源本身的高输出电流、低成本、高频化（500kHz～1MHz）高 功率密度、高可靠性、高效率的方向发展。
z 在低电压、大电流输出DC-DC变换器的整流管，其功耗占变换器 全部功耗的50～60％。
z用低导通电阻MOSFET代替常规肖特基整流/续流二极管，可以大大 降低整流部分的功耗，提高变换器的性能，实现电源的高效率，高功 率密度。
同步整流简介
diode
=
MOSFET 代替diode
MOSFET
D
相当于二极管的功能
G
电流从S流向D V/I特性,工作于3rd 象限
S
z 用MOSFET来代替二极管在电路中的整流功能 z 相对于二极管的开关算好极小 z 整流的时序受到MOSFET的Vgs控制，可以根据系统的需要，
把整流的损耗做到最小
同步整流简介
• 例如：一个5V 30A输出的电源
Diode
Vf=0.45V Ploss=0.45*30=13.5W Ploss/Po=13.5/45=30%
Mosfet
Rdson=1.2mΩ Ploss=0.0012*302=1.08W Ploss/Po=1.08/45=2.4%
MBR8040(R)
SC010N04LS
同步整流的分类
• BUCK 同步整流电路与波形
同步整流的分类
• Boost 同步整流电路与波形
同步整流的分类
• Flyback 同步整流电路与波形
同步整流的分类
• 复位绕组Forward 同步整流电路与波形
同步整流的分类
• 有源钳位Forward 同步整流电路
•LLC半桥同步整流电路与波形
•全桥倍流同步整流电路与波形
电压型自驱动自驱动
同步整流
电流型自驱动半自驱
驱动方式
外部驱动
•电压型自驱动同步整流电路特点
¾驱动电压：SR所在回路中的某一电压
¾要求：波形转换快，时序准确，无死区
¾优点：电路简单，实用，节约成本
¾缺点：驱动方式随电路结构而不同；受输入电压变化范围的影响；受变压器漏感影响；不能用于并联工作的SR DC 围的影响；受变压器漏感影响；不能用于并联工作的SR-DC
／DC变换器中；对变换器轻载时的工作有影响。
存在死区，驱动波形不好，驱动电压和时序不好安排。
存在死区驱动波形不好驱动电压和时序不好安排
•正激电压型自驱动同步整流电路与波形
•电流型自驱动同步整流电路特点
¾驱动电压：SR中的电流通过电流互感器产生
¾优点：驱动波形无死区，不受输入电压影响，不受电优点动波无不受输电压响不受电路结构的影响，可用于并联运行的DC-DC变换器。
驱动信号同步性好，
利用流,较低的压降就能获得较高的压检测信利用电流互感器较低的压降就能获得较高的电压检测信号,因此,检测大电流时具备很大的优势
¾缺点：电流检测元件有损耗，影响电路的整体效率缺点：电流检测元件有损耗
电流型自
驱动同步整流电路
体二极管有损耗，
体极管有损耗
实际使用中并联肖
特基二极管
•实用反激电流型自驱动同步整流电路
•半自驱动同步整流电路特点
¾其驱动波形的上升或下降沿，个是由主变压器提其驱动波形的上升或下降沿，一个是由主变压器提供的信号，另一个是独立的外驱动电路提供的信号。
¾针对自驱的负压问题，用单独的放电回路，提供同针对自驱的负压问题用单独的放电回路提供同步整流管的关断信号，避开了自驱动负压放电的电压超标问题。
•正激半自驱动同步整流电路
外驱动同步整流电路特点
•
¾驱动电压：来自外设驱动电路或初级的控制IC
¾同步信号：主开关管的驱动信号来控制
¾优点：控制时序精确，SR效率较高
优点控制时序精确
¾缺点：驱动电路复杂，有损耗，成本高，开发周期长
外部驱动电路还需要供电，降低了整机的效率
增强驱动能力
•反激原边隔离驱动同步整流电路
•外部专用同步整流驱动IC电路
同步整流OS •MOSFET
¾损耗的计算
¾同步整流尖峰产生与抑制方法
¾MOSFET选择考虑
以BUCK同步整流电路为例来分析
BUCK同步电路
MOSFET导通损耗
MOSFET开通损耗
MOSFET关断损耗
Bodydiode导通损耗
BUCK同步整流管关Bodydiode反向恢复损耗断损耗简化模型
BUCK 同步整流管损耗计算¾导通损耗取决于MOSFET 的R DS(on)，计算公式如下：损耗的主P con_loss
=I
rms 2×R DS(on)×D off
要来源
I 是流经同步整流MOSFET 的电流，而不是BUCK 电性能成本RMS 路的输出电流。
BUCK 同步整流管损耗计算¾开通损耗计算公式如下：P off_on = f s ×∫ Td V DS(off_on)(t)×I D(off_on)S (t) ×dt ¾关断损耗计算公式如下：P on_off = f s ×∫ Td V DS(on_off )(t)×I D(on_off )S (t) ×dt
BUCK同步整流管损耗计算¾驱动损耗计算公式如下：
P
drv_loss = V
gs
×Q
g
×f
s
¾C
oss
损耗计算公式如下：
P
coss_loss =1/2 ×V
DS(off)
2×C
oss
×f
s
BUCK同步整流管损耗计算¾体二极管导通损耗计算公式如下：
P
D_con_loss = I
F
×V
DF
×t
d
×f
s
¾体二极管反向恢复耗计算公式如下：
P
D_rev_loss =V
DR
×Qrr ×f
s
BUCK 同步整流管尖峰产生的原因
z VQ 2关断，进入死区时间，VQ 1未开通，负载电流全部流过VQ 2的体二极管VD 。
z 接着VQ 1打开，VD 突然被加上反压，所以产生很大的反向恢复电流即很大
很大的反向恢复电流，即VD 的di/dt 很大。
z 大的di/dt 会在L 2上产生很大的电压尖峰(L 2di/dt),Vi 此电压会叠加在Vin 上
z L 1与L 2以及VQ 1的结电容C 会产生谐振，谐振的
•BUCK 同步整流电压尖峰同样会叠加在Vin 上
BUCK同步整流管关断波形
Spike
Driver
Oscillation
抑制BUCK同步整流管关断波形尖峰
Vin
上管慢开快关PCB layoyt 环路小
上管慢快关路小
抑制BUCK 同步整流管关断波形尖峰
D1
Vin
Vin
C1
同步整流管加入RC或者RCD吸收电路
抑制BUCK同步整流管关断波形尖峰
加入磁珠来抑制大的di/dt
同步整流管的选择¾考虑的因素.
R
ds(on), Q
g
, temperature, Package, structure
Cost, Purchase, delivery time
¾对于电路来说需要考虑的因素
T l O i f l
Topology, Operation frequency，voltage stress
current stress, thermal resistor, reliability
BUCK同步整流管的选择
最小的
R
并不
能带来最
小的整机
损耗，反
而会增加
成本
本
选择UC同步整流管
BUCK
¾科学的设计电路，预估各种可能存在的风险
¾对电路进行认真、细致的计算
¾建立精确的模型，借助于仿真工具来验证计算建立精确的模型借助于仿真工具来验证计算¾选用合适的器件
¾进行全面的测试与优化
Any question ?Th k f !Thanks for your time !f y。