同步整流的基本電路結(jié)構(gòu)

功率MOSFET屬于電壓控制型器件，它在導(dǎo)通時(shí)的伏安特性呈線性關(guān)系。用功率MOSFET做整流器時(shí)，要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱之為同步整流。

為什么要應(yīng)用同步整流技術(shù)

電子技術(shù)的發(fā)展，使得電路的工作電壓越來(lái)越低、電流越來(lái)越大。低電壓工作有利于降低電路的整體功率消耗，但也給電源設(shè)計(jì)提出了新的難題。

開(kāi)關(guān)電源的損耗主要由3部分組成：功率開(kāi)關(guān)管的損耗，高頻變壓器的損耗，輸出端整流管的損耗。在低電壓、大電流輸出的情況下，整流二極管的導(dǎo)通壓降較高，輸出端整流管的損耗尤為突出。快恢復(fù)二極管（FRD）或超快恢復(fù)二極管（SRD）可達(dá)1.0～1.2V，即使采用低壓降的肖 特基二極管（SBD），也會(huì)產(chǎn)生大約0.6V的壓降，這就導(dǎo)致整流損耗增大，電源效率降低。

舉例說(shuō)明，筆記本電腦普遍采用3.3V甚至1.8V或1.5V的供電電壓，所消耗的電流可達(dá)20A。此時(shí)超快恢復(fù)二極管的整流損耗已接近甚至超過(guò)電源輸出功率的50%。即使采用肖特基二極管，整流管上的損耗也會(huì)達(dá)到（18%～40%）PO，占電源總損耗的60%以上。因此，傳統(tǒng)的二極管整流電路已無(wú)法滿足實(shí)現(xiàn)低電壓、大電流開(kāi)關(guān)電源高效率及小體積的需要，成為制約DC/DC變換器提高效率的瓶頸。

同步整流比之于傳統(tǒng)的肖特基整流技術(shù)可以這樣理解：

這兩種整流管都可以看成一扇電流通過(guò)的門，電流只有通過(guò)了這扇門才能供負(fù)載使用。

傳統(tǒng)的整流技術(shù)類似于一扇必須要通過(guò)有人大力推才能推開(kāi)的門，故電流通過(guò)這扇門時(shí)每次都要巨大努力，出了一身汗，損耗自然也就不少了。

而同步整流技術(shù)有點(diǎn)類似我們通過(guò)的較高檔場(chǎng)所的感應(yīng)門了：它看起來(lái)是關(guān)著的，但你走到它跟前需要通過(guò)的時(shí)候，它就自己開(kāi)了，根本不用你自己費(fèi)大力去推，所以自然就沒(méi)有什么損耗了。

通過(guò)上面這個(gè)類比，我們可以知道，同步整流技術(shù)就是大大減少了開(kāi)關(guān)電源輸出端的整流損耗，從而提高轉(zhuǎn)換效率，降低電源本身發(fā)熱。

在開(kāi)關(guān)管V導(dǎo)通時(shí)，變壓器接收的電能除了磁化電流外都將傳送到輸出端。而管V關(guān)躍的反激作用期間，導(dǎo)向二極管D2用反偏置故不可能有鉗位作用或能量泄放的回路。磁化能量將會(huì)產(chǎn)生較大的反壓加在開(kāi)關(guān)管的集一射極之間。為了防止高反壓的產(chǎn)生，設(shè)置了“能量再生繞組”P2，由繞組△經(jīng)過(guò)二極管D，，使存儲(chǔ)的能量反饋回直流電源Ui中。只要滿足Wp1=Wp2的關(guān)系，D1流過(guò)電流時(shí)Up2=Ui，則開(kāi)關(guān)管V上承受的集一射極電壓為2Ui。

為了避免在P1和P2繞組之間存在的漏電感過(guò)大，和因此而在開(kāi)關(guān)管集電極上產(chǎn)生過(guò)高的電壓，一般采用初級(jí)繞組P1與能量再生繞組P2雙線并繞的方法。在這種配置中，二極管D1接在能量再生繞組如圖所示的位置是非常重要的。原因是雙線并繞引起的內(nèi)部雜散電容Cc是在開(kāi)關(guān)管V的集電極與繞組P2和D1連接點(diǎn)之間的寄生電容。按照?qǐng)D中的接法是有優(yōu)點(diǎn)的，如在開(kāi)關(guān)管V導(dǎo)通時(shí)，由于二極管D，反向而隔開(kāi)了集電極，沒(méi)有任何的電流在V瞬時(shí)導(dǎo)通時(shí)流進(jìn)電容Cc中（注意，繞組P1和P2的非同銘端同時(shí)變負(fù)，而且Cc的兩端電壓不會(huì)改變）。但是在反激期間，Cc提供開(kāi)關(guān)管V的鉗位作用，任何過(guò)電壓的趨勢(shì)都會(huì)引起Cc流過(guò)電流，而且經(jīng)過(guò)D，反饋到電源線上。如果寄生電容不夠大，只靠P1、P2繞組磁耦合，鉗位電壓超值時(shí)，常常可以在%位置加外接電容補(bǔ)充以改善它的鉗位作用。然而，如果電容值過(guò)大時(shí)，會(huì)使得輸出電壓線上有輸人電壓嘰紋波頻率調(diào)制的電壓分量，所以要小心地選用附加電容Cc的值。

在開(kāi)關(guān)管V導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓Ui加在（Lp+LLT）上，由于D2反偏置阻止C2的充電，所以Uc2≈0。當(dāng)開(kāi)關(guān)管V關(guān)斷時(shí)，由于反激作用，V的集電極電壓Uc快速上升，但由于碭此時(shí)受正偏壓而導(dǎo)通，使V電流被C2、R1分流，Uc電壓逐漸上升，即U（電壓也是逐漸上升，而且鉗位在2Ui數(shù)值上。從而把Uc上升的尖峰電壓的頂部消去，如虛線所示的脈沖尖峰。

在一個(gè)周期剩下的時(shí)間里，隨著R1放電電流的減小，C2上的電壓降會(huì)返回到原來(lái)值。多余的反激電能，被消耗在R1上。此鉗位電壓是自跟蹤的，在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，因?yàn)镃2上的電壓會(huì)自動(dòng)地調(diào)整，直到所有多余的反激電能消耗在R1上。如果在所有其他情況下，都要維持某一恒定鉗位電壓時(shí)，則可以通過(guò)減小R1值或漏電感Lyp的值，來(lái)抑制鉗位電壓的升高趨勢(shì)。

不能把鉗位電壓設(shè)計(jì)得太低，因?yàn)榉醇み^(guò)沖電壓也有有用的一面。在反激作用時(shí)，它提供了一個(gè)附加強(qiáng)制電壓值來(lái)驅(qū)動(dòng)電能進(jìn)入到次級(jí)電感。使變壓器次級(jí)的反激電流迅速增加。提高了變壓器的傳輸效率，同時(shí)也減小了電阻R）上的損耗。這對(duì)于低壓大電流輸出是很有意義的。

圖1（a）所示為N溝道功率MOS管構(gòu)成的同步整流管SR和SBD整流二極管 二極管

二極管又叫半導(dǎo)體二極管、晶體二極管，是最常用的基本電子元件之一。二極管只往一個(gè)方向傳送電流，由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)構(gòu)成，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場(chǎng)。當(dāng)不存在外加電壓時(shí)，由于p-n 結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場(chǎng)引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。 [全文]

的電路圖形符號(hào)，整流二極管

有兩個(gè)極：即陽(yáng)極A和陰極K。功率MOS管有三個(gè)極：即漏極D、源極S和門極G。在用做同步整流管時(shí)，將功率MOS管反接使用，即源極S接電源

電源

電源是向電子設(shè)備提供功率的裝置，也稱電源供應(yīng)器，它提供計(jì)算機(jī)中所有部件所需要的電能。[全文]

正端，相當(dāng)于二極管

的陽(yáng)極A；漏極D接電壓負(fù)端，相當(dāng)于二極管的陰極K；當(dāng)功率MOS管在門極G信號(hào)的作用下導(dǎo)通時(shí)，電流電源

極S流向漏極D。而功率MOS管作為開(kāi)關(guān)

開(kāi)關(guān)

開(kāi)關(guān)是最常見(jiàn)的電子元件，功能就是電路的接通和斷開(kāi)。接通則電流可以通過(guò)，反之電流無(wú)法通過(guò)。在各種電子設(shè)備、家用電器中都可以見(jiàn)到開(kāi)關(guān)。 [全文]

使用時(shí)，漏極D接電源正端，源極S接電壓負(fù)端；導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)

閉合，電流由漏極D流向源極S。

圖1 同步整流管和整流二極管

整流二極管

整流二極管是一種將交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿陌雽?dǎo)體器件。通常它包含一個(gè)PN結(jié)，有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)端子。整流二極管可用半導(dǎo)體鍺或硅等材料制造。硅整流二極管的擊穿電壓高，反向漏電流小，高溫性能良好。通常高壓大功率整流二極管都用高純單晶硅制造(摻雜較多時(shí)容易反向擊穿）。這種器件的結(jié)面積較大，能通過(guò)較大電流（可達(dá)上千安），但工作頻率不高，一般在幾十千赫以下。整流二極管主要用于各種低頻半波整流電路，如需達(dá)到全波整流需連成整流橋使用。

同步整流管SR及整流二極管構(gòu)成的半波整流

半波整流

半波整流是一種利用二極管的單向?qū)ㄌ匦詠?lái)進(jìn)行整流的常見(jiàn)電路，除去半周、圖下半周的整流方法,叫半波整流。作用是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，也就是整流。

電路如圖1（b）所示。當(dāng)SR的門極驅(qū)動(dòng)電壓ug，與正弦波電源電壓仍同步變化時(shí)，則負(fù)載R上得到的是與二極管整流電路相同的半波正弦波電壓波形1fR。

同步整流管的源一漏極之間有寄生的體二極管，還有輸出結(jié)電容

電容

電容（或電容量, Capacitance）指的是在給定電位差下的電荷儲(chǔ)藏量；記為C，國(guó)際單位是法拉（F）。一般來(lái)說(shuō)，電荷在電場(chǎng)中會(huì)受力而移動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)體之間有了介質(zhì)，則阻礙了電荷移動(dòng)而使得電荷累積在導(dǎo)體上；造成電荷的累積儲(chǔ)存，最常見(jiàn)的例子就是兩片平行金屬板。也是電容器的俗稱

（未畫出），驅(qū)動(dòng)信號(hào)加在門極和源極（G-S）之間，是一種可控的開(kāi)關(guān)器件。皿關(guān)斷時(shí)，電流仍然可以由體二極管流通。不過(guò)m體二極管的正向?qū)▔航岛头聪蚧謴?fù)時(shí)間都比SBD大得多，因此，一旦電流流過(guò)SR的體二極管，則整流損耗將明顯增加。

由于同步整流是由可控的三端半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此必須要有符合一定時(shí)序關(guān)系的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)去控制它，使其像一個(gè)二極管一樣地導(dǎo)通和關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)方法對(duì)銀的整體性能影響很大，因此，門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)往往是設(shè)計(jì)同步整流電路時(shí)必須要解決的首要問(wèn)題。例如，SR開(kāi)通過(guò)早或關(guān)斷過(guò)晚，都可能造成短路，而開(kāi)通過(guò)晚或關(guān)斷過(guò)早又可能使SR的體二極管導(dǎo)通，使整流損耗和器件應(yīng)力增大。

綜上所述，當(dāng)功率MOS管反接時(shí)可以作為SR使用，其特點(diǎn)如下：

（1）SR是一個(gè)可控的三極開(kāi)關(guān)器件，在門極和源極之間加人驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，可以控制功率MOS管源極S和漏極D之間的通/斷。

（2）門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和源極電壓同步，如源極為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)也是高電平則MOS管導(dǎo)通；反之，源極為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)也是低電平，則MOS管關(guān)斷；這樣就自然實(shí)現(xiàn)了整流，而且電流也只能由源極s流向漏極D。由于是通過(guò)門極信號(hào)和源極電壓同步來(lái)實(shí)現(xiàn)整流的，因此把這種整流方式稱為同步整流。

（3）用于PWM

PWM

PWM即脈沖寬度調(diào)制，是一種利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)控制模擬電路的控制技術(shù)。PWM以其控制簡(jiǎn)單、靈活、效率高和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。PWM是開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源中的術(shù)語(yǔ)。這是按穩(wěn)壓的控制方式分類的，除了PWM型，還有PFM型和PWM、PFM混合型。如今的很多微型控制器中都有PWM控制器。

開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器

轉(zhuǎn)換器

轉(zhuǎn)換器從原理上可分為協(xié)議轉(zhuǎn)換器、接口轉(zhuǎn)換器兩大類。從應(yīng)用上又可以分光纖轉(zhuǎn)換器、光電轉(zhuǎn)換器、視頻轉(zhuǎn)換器等等。例如視頻轉(zhuǎn)換器就是一種連接電腦和電視的設(shè)備，它可以把電腦上的內(nèi)容轉(zhuǎn)換并顯示在電視機(jī)上，讓人們可以在電視上學(xué)電腦，上網(wǎng)，玩游戲，做商業(yè)演示，看股票等等。 [全文]

中的同步整流管SD代替SBD作為整流管或續(xù)流工作時(shí)，必須保證門極有正確的控制時(shí)序，使其工作與PWM開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器

的主開(kāi)關(guān)管同步協(xié)調(diào)工作。因此不同的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器主電路，其同步整流管的控制時(shí)序也是不同的。同步整流開(kāi)關(guān)管的控制時(shí)序?qū)⒃诤竺孢M(jìn)行介紹。

（4）在功率MOS管反接的情況下，其固有的體二極管極性卻是正向的。有時(shí)要利用它先導(dǎo)通，以便過(guò)渡到功率MOS管進(jìn)入整流狀態(tài)。但由于體二極管的正向壓降較大，常常不希望它導(dǎo)通或?qū)〞r(shí)問(wèn)過(guò)長(zhǎng)。