電路設(shè)計(jì)，同步整流電路如何設(shè)計(jì)

01

什么是同步整流

同步整流是一種提高電路轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)，該技術(shù)通常在輸出為低壓大電流的開關(guān)電源中使用，因?yàn)檫@種開關(guān)電源的整流電路中一旦有非有效壓降存在，對(duì)能量的消耗就會(huì)比較可觀，源端就需要給出更多的能量來滿足正常輸出。隨著低壓大電流成為一種趨勢(shì)，偉大的前輩們發(fā)明了同步整流技術(shù)——在輸出電路中采用導(dǎo)通電阻極低的****功率mos管替代導(dǎo)通壓降較高的 整流二極管 ，有效提高了電路的轉(zhuǎn)換效率。

02

同步整流的代價(jià)

任何好的轉(zhuǎn)變都需要付出代價(jià)，同步整流電路也不例外。

采用功率MOS管代替整流二極管需要有驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)樗⒉荒芟裾鞫O管一樣自動(dòng)截止反向電流，從而導(dǎo)致成本變高，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路還要保證給到柵極的驅(qū)動(dòng)電壓與被整流電壓保持相位同步，即達(dá)到所謂同步整流的目的，因此如何精準(zhǔn)控制MOS管的開關(guān)成了同步整流的難點(diǎn)。

同步整流MOS管的驅(qū)動(dòng)方式主要有兩種：自驅(qū)動(dòng)和外驅(qū)動(dòng)（也叫自激和他激），自驅(qū)動(dòng)同步整流電路又分為電壓型和電流型，電壓型自驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，多用于帶有變壓器的開關(guān)電源，因?yàn)槠潋?qū)動(dòng)電壓一般來自同步整流管所在回路中的變壓器繞組或其他輔助繞組，電流型自驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電壓為同步整流管中的電流經(jīng)電流互感器產(chǎn)生，但電流互感器的價(jià)格相對(duì)比較昂貴；外驅(qū)動(dòng)同步整流適用于所有開關(guān)電源，控制時(shí)序精確，但需要外設(shè)驅(qū)動(dòng)電路，成本較高。

03

同步整流電路的設(shè)計(jì)

下面就正式進(jìn)入主題，如何設(shè)計(jì)一個(gè)同步整流電路。由于是針對(duì)低壓大電流開關(guān)電源，下面就只針對(duì)BUCK（降壓）電源、FORWARD（正激）電源和FLYBACK（反激）電源來討論。

首先引入眼簾的是BUCK電源，利用低導(dǎo)通電阻的MOS管Q2代替D1作續(xù)流管使用，通常采用外驅(qū)動(dòng)方式控制Q2的導(dǎo)通與斷開，其驅(qū)動(dòng)方式為主開關(guān)Q1導(dǎo)通時(shí)同步整流管Q2斷開，主開關(guān)Q1斷開時(shí)同步整流管Q2導(dǎo)通，這種驅(qū)動(dòng)方式也被稱作互補(bǔ)型驅(qū)動(dòng)，由于主開關(guān)、同步整流管在同一側(cè)，其控制電路的設(shè)計(jì)也不復(fù)雜，但需避免Q1、Q2同時(shí)導(dǎo)通的情況發(fā)生。

FORWARD開關(guān)電源可以看作是在BUCK電源中增加了變壓器，在做同步整流設(shè)計(jì)時(shí)只需要用MOS管代替副邊線圈中的整流二極管。需注意的是，為方便同步整流設(shè)計(jì)，在保證同步整流管的體二極管方向與普通整流電路中整流二極管一致的情況下，可將同步整流管共地連接。

FORWARD電源的同步整理管可采用自驅(qū)動(dòng)/外驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式，自驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示。

以直接自驅(qū)動(dòng)電路為例，當(dāng)原邊線圈與副邊線圈都導(dǎo)通時(shí)，同步整流管Q1起整流作用,Q2斷開；當(dāng)原邊線圈未導(dǎo)通時(shí)，同步整流管Q2起續(xù)流作用,Q1斷開。

可以發(fā)現(xiàn)，直接自驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接來自變壓器副邊繞組，但當(dāng)變壓器復(fù)位為0時(shí)，電流需經(jīng)同步整流管Q2的體二極管續(xù)流，反而容易增加電路損耗，因此如何減少體二極管的續(xù)流時(shí)間為自驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化的一個(gè)方向。

同步整流電路的外驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)我們以反激式開關(guān)電源為例進(jìn)行講解。

同樣的，將副邊線圈中的續(xù)流二極管D1用同步整流管Q1替代，就構(gòu)成了反激式開關(guān)電源的同步整流電路。反激式開關(guān)電源的同步整流自驅(qū)動(dòng)方式和其工作模式有關(guān)，當(dāng)工作在DCM（電流斷續(xù)）模式下，可采用通過電流互感器得到的電壓來控制Q1的開關(guān)，并采用輔助繞組產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓；當(dāng)工作在CCM（電流連續(xù)）模式下，可采用驅(qū)動(dòng)變壓器實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)，因此自驅(qū)動(dòng)電路成本都比較高。

反激式開關(guān)電源的同步整流管外驅(qū)動(dòng)電路如上圖所示，其工作原理為:電壓檢測(cè)模塊VS用于檢測(cè)同步整流管漏極電壓，當(dāng)漏極電壓低于VREF1時(shí)，比較器1輸出比較信號(hào)到邏輯電路，邏輯電路輸出開啟信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路，同步整流管開啟；

當(dāng)電壓檢測(cè)模塊檢測(cè)到同步整流管漏極電壓大于VREF2時(shí)，比較器2輸出比較信號(hào)到邏輯電路，邏輯電路輸出關(guān)斷信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路，同步整流管關(guān)斷。通過檢測(cè)同步整流管漏極電壓來得到柵極控制信號(hào)的方法較為常見，控制同步整流管的開關(guān)的效果也較好，但控制電路的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，使用的元器件也較多。

盡管同步整流自驅(qū)動(dòng)電路比較簡單，但可靠性較低，只適用于一些特定電路中，實(shí)際上也可以通過增加控制電路來改善自驅(qū)動(dòng)電路，但成本和復(fù)雜度又會(huì)進(jìn)一步增加，難以體現(xiàn)出自驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)；同步整流外驅(qū)動(dòng)電路即為同步整流管設(shè)計(jì)一個(gè)控制電路，電路復(fù)雜性較高，但可靠性高，可控性好。在低壓大電流趨勢(shì)下，同步整流外驅(qū)動(dòng)芯片市場(chǎng)看好。

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