如何解決傳統二極體整流問題?

傳統二極體整流問題

近年來，電子技術的發展，使得電路的工作電壓越來越低、電流越來越大。低電壓工作有利於降低電路的整體功率消耗，但也給電源設計提出了新的難題。

開關電源的損耗主要由3部分組成：功率開關管的損耗，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，整流二極體的導通壓降較高，輸出端整流管的損耗尤為突出。快恢復二極體（FRD）或超快恢復二極體（SRD）可達1.0～1.2V，即使採用低壓降的肖特基二極體（SBD），也會產生大約0.6V的壓降，這就導致整流損耗增大，電源效率降低。

問題舉例

但設採用3.3V甚至1.8V或1.5V的供電電壓，所消耗的電流可達20A。此時超快恢復二極體的整流損耗已接近甚至超過電源輸出功率的50％。即使採用肖特基二極體，整流管上的損耗也會達到（18％～40％）PO，佔電源總損耗的60％以上。因此，傳統的二極體整流電路已無法滿足實現低電壓、大電流開關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。

同步整流技術引言

在電源轉換領域，輸出直流電壓不高的隔離式轉換器都使用 MOSFET作為整流器件。由於這些器件上的導通損耗較小，能夠提高效率因而應用越來越廣泛；

為了這種電路能夠正常運作，必須對同步整流器（SR）加以控制，這是基本的要求。同步整流器是用來取代二極體的，所以必須選擇適當的方法，按照二極體的工作規律來驅動同步整流器。驅動信號必須用PWM控制信號來形成，而PWM控制信號決定著開關型電路的不同狀態。

同步整流器件的特點

同步整流技術就是採用低導通電阻的功率MOS管代替開關變換器快恢復二極體，起整流管的作用，從而達到降低整流損耗，提高效率的目的。通常，變換器的主開關管也採用功率MOS管，但是二者還是有一些差異的。

功率MOS管實際上是一個雙嚮導電器件，由於工作原理的不同，而導致了其他一些方面的差異。例如：作為主開關的MOS管通常都是硬開關，因此要求開關速度快，以減小開關損耗；而作為整流/續流用的同步MOS管，則要求MOS管具有低導通電阻、體二極體反向恢復電荷小、柵極電阻小和開關特性好等特點，因此，雖然兩者都是MOS管，但是它們的工作特性和損耗機理並不一樣，對它們的性能參數要求也不一樣，認識這一點，對於如何正確選用MOS管是有益的。

同步整流的基本電路結構

同步整流是採用通態電阻極低的專用功率MOSFET，來取代整流二極體以降低整流損耗的一項新技術。它能大大提高DC／DC變換器的效率並且不存在由肖特基勢壘電壓而造成的死區電壓。功率MOSFET屬於電壓控制型器件，它在導通時的伏安特性呈線性關係。用功率MOSFET做整流器時，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。

工作方式的比較

傳統的同步整流方案基本上都是PWM型同步整流，主開關與同步整流開關的驅動信號之間必須設置一定的死區時間，以避免交叉導通，因此，同步整流MOS管就存在體二極體導通和反向恢復等問題，從而降低同步整流電路的性能。

雙端自激、隔離式同步整流電路

實際舉例（反激同步整流設計 ）

基本的反激電路結構

一種實際的外驅電路

增加驅動能力的外驅電路

由NMOSFET構成的反激同步整流自驅動電路結構

由PMOSFET構成的反激同步整流自驅動電路結構

反激同步整流驅動電路選擇

同步整流管的驅動方式有三種：第一種是外加驅動控制電路，優點是其驅動波形的質量高，調試方便。缺點是：電路複雜，成本高，在追求小型化和低成本的今天只有研究價值，基本沒有應用價值。上圖是簡單的外驅電路，R1D1用於調整死區。該電路的驅動能力較小，在同步整流管的Ciss較小時，可以使用。圖6是在圖5的基礎上增加副邊推挽驅動電路的結構，可以驅動Ciss較大的MOSFET。在輸出電壓低於5V時，需要增加驅動電路供電電源。

第二種是自驅動同步整流。優點是直接由變壓器副邊繞組驅動或在主變壓器上加獨立驅動繞組，電路簡單、成本低和自適應驅動是主要優勢，在商業化產品中廣泛使用。缺點是電路調試的柔性較少，在寬輸入低壓範圍時，有些波形需要附加限幅整形電路才能滿足驅動要求。由於Vgs的正向驅動都正比於輸出電壓，調節驅動繞組的匝數可以確定比例係數，且輸出電壓都是很穩定的，所以驅動電壓也很穩定。比較麻煩的是負向電壓可能會超標，需要在設計變壓器變比時考慮驅動負壓幅度。

第三種是半自驅。其驅動波形的上升或下降沿，一個是由主變壓器提供的信號，另一個是獨立的外驅動電路提供的信號。上圖是針對自驅的負壓問題，用單獨的放電迴路，提供同步整流管的關斷信號，避開了自驅動負壓放電的電壓超標問題。