同步整流技术的应用与实现

时间：2010-10-16

同步整流技术已经成为现代开关电源技术的标志。凡是高水平开关电源，必定有同步整流技术。在使用面上早已不再局限于5V、3.3V、2.5V这些低输出电压领域，现在上至12V，15V，19V至24V以下输出，几乎都在使用同步整流技术。下面介绍和分析各种同步整流技术的优点、缺点及实现方法。

　　一、自驱动同步整流

　　这里给出反激、正激及推挽三种电路的同步整流电路。在正常输入电压值附近工作时，效果十分明显，在高端时，效率变坏而且容易损坏MOSFET。其电路如图1所示。输出电压小于5V时才适用。

图1. 反激、正激、推挽电路的自偏置同步整流电路

　　二、辅助绕组驱动的同步整流

　　为了防止高端输入时同步整流的MOSFET栅极上的电压过高，改用从二次侧绕组中增加驱动绕组的方式。该方式可以有效地调节驱动同步整流的MOSFET的栅压，使它在MOSFET栅压的合理区域，从而保护了MOSFET，提高了电源的可靠性，此外也将输出电压从5V扩展到24V。其工作原理如图2所示。

　　三、控制IC方式的同步整流

　　为提高驱动同步整流MOSFET的效果，从而设计了各种模式的同步整流的控制驱动IC，也取得了不少成果，它将同步整流MOSFET的栅压调至状态。将其开启关断也提高了时控，其主要的不足在于MOSFET的源极必须接地，这会加大地线上的开关噪声，并传输至电源输出端。此外其开关时序由自身输出脉冲给出，所以同步整流MOSFET的开启关断通常为硬开关，其时间会与初级侧主开关有些时间差，因此输出电压大体控制在20V以下，ST公司推出的STSR2、STSR3，以及线性技术公司的LTC3900和LTC3901即是此种控制方式的代表作品。图3和图4给出其应用电路图。

图3 STSR2,STSR3驱动同步整流的电路

图4 LTC3900和LTC3901驱动的同步整流电路

　　四、ZVS、ZCS同步整流

　　该种方式诞生于2002年5月，在全桥或半桥电路中，PWM 输出的信号经信号变压器或高速光耦传递至二次侧，再经过RC网络积分后，经过MOSFET驱动器去驱动同步整流的MOSFET，驱动信号的脉冲宽度几乎不变，保持各50％的占空比，而当DC／DC系统输出电压稳压，脉宽调宽以后，二次侧同步整流MOSFET 即工作于ZVS、ZCS条件之下。因为此时同步整流MOSFET开启时，变压器二次侧绕组电压为零，电流也为零”当二次侧绕组产生电压时，同步整流MOSFET己经导通作好整流准备，开启抿耗为零，整个损耗只有导通损耗。当二次侧绕组的电压回零时，同步整流MOSFET还处在导通状态，而当同步整流MOSFET关断信号来临时其源漏电压已经为零，也无电流流过，MOSFET 在ZVS、ZCS条件下关断。图5为ZVS、ZCS 同步整流控制电路的原理图，而图6是波形图。

图5 ZVS、ZCS同步整流控制电路原理图

图6ZVS、ZCS同步整流控制电路波形图

　　如果PWM控制IC放置于二次侧，那么这种控制方法更容易实现，由一个同步触发器加上驱动器就做到了。遗憾的是该方法只适用于全对称电路模式。那么对正激电路及全桥移相电路如何处理呢？人们总有办法解决的。

　　五、正激电路的ZVS、ZCS 方式同步整流

　　从对称式同步整流效果来看，它实现了>95％的转换效率（5 V、40A、200W）。对单管正激或双管正激人们则采取了ZVS方式，控制信号可以来自三次侧也可以来自侧。ZVS正激电路的同步整流原理电路如图7所示，V2为整流MOSFET（forword），V3为回流续流MOSFET（freewheel）。IC2为同步整流控制IC，而IC1为侧控制 IC，它通过信号变换器给出同步信号。同步信号传邋至同步整流控制IC中，驱动整流MOSFET的同步脉冲延迟一点时间，此时间内让整流MOSFET的体二极管先行导通，而当驱动脉冲到达MOSFET栅极时，其源漏电压已具有1 V，可以认为是ZVS开启，让MOSFET体二极管导流时间越短越好，等到二次侧绕缀反向后9关断整流MOSFET，消除体二极管反向恢复时间造成的损耗。回流MOSFET的开启采用与整流MOSFET 相同的办法，即将驱动脉冲信号延迟，也令其在1V电压下开启，而关断则采用从回流， MOSFET源漏采样的方法，当认为其电流己为零时，即将回流MOSFET关断，所以其为ZCS关断。此外，为了减小回流MOSFET的体二极管导通时间，在整个回流时段内都给出驱动脉冲。采用这样的方法处理后，开关损耗虽然比对称方式的ZVS， ZCS要大，但效率也有很大提高，特别是同步整流MOSFET的体二极管，如果是怏速恢复型侧效果更佳。线性技术公司的LTC3900、美信公司的MAX5058及MAX5059 FF是的控制IC。图8给出其工作波形，我们可以仔细注意其时间差。