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1、同步整流技术的发展及应用从二十世纪末，由于 MOSFET 技术大幅度进步，引入开关电源技术中的同 步整流技术给开关电源效率的提升带来了巨大的收益。效率提升的百分点从 3%8%，比软开关技术带来的效果要好的多。而且没有多少专利技术的限制。 目前使用的同步整流有，自驱动方式的同步整流；辅助绕组控制方式的同步整流； 控制 IC 方式的同步整流。近来已经出现了软开关技术的同步整流方式。这种软 开关的含义主要指减少或消除 MOSFET 的开关损耗，即减少体二极管的导通时 间并消除体二极管的反响恢复时间造成的损耗。它首先出现在推挽、全桥电路拓 扑中，随之又出现在正激电路拓扑中。软开关方式的同步整流，由于其
2、处理的多 为大电流，低电压，所以对效率的提升比初级侧软开关处理的高电压小电流更为 有效。为了更精确地控制二次侧同步整流，已有几种 PWM 控制 IC 将同步整流 控制信号设计在 IC 内部，用外部元件调节同步整流信号的延迟时间，从而能更 准确地做到同步整流的软开关控制。此外功率半导体技术的进步使得MOSFET的导通电阻已经达到低于2mQ , 开关速度小于20ns。栅驱动电荷小于25nq的先进水平。有些MOSFET的体二极 管还做成了快恢复的,这使得 DC/DC 变换器中只要采用同步整流技术,初级既 使不用软开关技术,效果也已经很不错了。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
3、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, 24V 至 28V 以下输出,几乎都在使用同步 整流技术。下面我就来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是最早的方法,也是最简单和成本最低廉的技术,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。输出电压必 须小于 5V。图 1. 反激、正激、推挽方式电路的自偏置同步整流电路 二辅助绕组驱动的同步整流 这是改进的方法，为
4、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。图 2 辅助绕组驱动的同步整流电路三.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的栅压调至最佳状态。 将其开启关断也提高了时控精度，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
5、声，并传输至电源输出端。此外其开关时序由自身数字 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。FeedbackLoopTRANSFORMEDiiG VoutCai.t jrIfPWMMCSfWJC1CCnF+5V1：C2*DDnFVf图 3 STSR2,STSR3 驱动同步整流的电路w1 r60 1uFMMFI1BASS 16SD_VSECOUTRoseV|H
6、BLANKGNDSS.MiJtDCRjNDLT19S2DELAYVb=2.5VOCCOMP(senseFB= 123 VSDUT1卫FGOGGNDC8+VQGcs-SYNCTIMER39kMAr-L1: PULSE PA1494.242ALL CAPACITOR S ARE TDK, XER CERAMIC12临f 二二 zpaw*C4JTIlJ%urj1uF im94D TSa56uUVI 附 B306TL1C1440E 貓TGOUTDRVA DR；BSORBvLTC33KrJ-2SORAUVUOCOhFDPRG 确EF RAJ.1P Or SPRG GTJDCS SSQWiJs0410in
7、QvaurMMBT390UIC1: MUFU.TADE2E3KH222MB2e C2 SJtflYQ 16SP10OMC3t AWTP5B6S6MIiTfi1SO D1-K:B4S21D4,D5:MMDDQ14L1:C0ILCRHW1S13P-561HCL2:5UMIDAIXIEP1O5-0R2MC-5OLa：COILCFAnroi6O0IC-1O5 T1: PULEEP恥I们.006 12: PUL5EP920?T3: PULSE PJW785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
8、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，初级脉宽调宽以后，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已经导通作好整流准备，开启损耗为零，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
9、，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 给出同步整流及变压器二次绕组的波形图。图 5 ZVS ZCS 同步整流控制电路原理图。图 6 ZVS ZCS 同步整流控制电路波形图。如果 PWM 控制 IC 放置于二次侧，那末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，(5V40A，200W) 对单正或双正激人们则采取
10、了 ZVS 方式，控制信号可以来自二次侧也可以来自 一次侧。电路如图7所示,Q2为整流MOSFE( forword), Q3为回流续流MOSFET (freewheel)。IC2为控制同步整流之IC，而IC1为初级侧控制IC，它通过信号 变压器给出同步信号。同步信号传递至同步整流控制 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IV,可以认为是ZVS开 启，让 MOSFET 体二极管导流时间越短越好，等到二次侧绕组反向后，关断整 流MOSFET消除体二极管反向恢复时间造成的损耗
11、。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，当认为其电流已为零时， 即将回流 MOSFET 关断，所以其为 ZCS 关断。此外，为了减小回流 MOSFET 的体二极管的导通时间，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，如果是快速恢复型的则效果更佳。线性技 术公司的LTC3900,美信公司的MAX5058及MAX5059即是最新的控制IC。图 8
12、给出其工作波形，我们可以仔细注意其时间差。图 7 ZVS 正激电路的同步整流原理电路图 8 ZVS 正激电路同步整流工作波形图今年，正激式电路的同步整流研制出一种予检测 MOSFET 开关状态，然后 调节下一次 MOSFET 的开关延迟时间来达到近乎零电压开关状态，从而大幅度 提高同步整流的效率。该技术是正激电路同步整流的重大突破。它是用控制 IC 来实现的。图 9 给出工作原理图。图 10 给出波形图。图 9 予检测栅驱动技术正激同步整流原理电路93OUTvREGPVDDVDDPVDDVREF r-GFTtGFE1M6L i严NDPOGF ；:阳MBPDGR :HRGRFQCDSRSGRSZ
13、ED-i一：*T12 5V图 10 予检测栅驱动技术正激同步整流工作波型六完全初级控制的同步整流电路 1，初级全桥移相，次级同步整流电路图 11 给出采用 UCC3895 PWM IC 的全桥移相初级软开关及次级软开关同 步整流的工作电路。图11初级全桥移相ZVS，次级倍流同步整流2，初级硬开关次级同步整流电路RTCPLTU3ICS6GJT20UT1IK2VLUIH1伽QHD2GHD1CW：怒耳 TFSEbBWKifflaiSO (3ft MURXTACE2E%H122W&Ei CS& GM： &综RO fTPWW D&E4: DIODES INC. MMBD414 D谓 D14:B1D苗 D
14、1T, MT: a DEM. MBcBMJiflW D空 HWECeL4： UZILJUFTL5c SUM&S.CDEP1 対佃湘50 L FULSEPAI2M.E4 QI-.aiGrZEIEXFHWTHaQ应：FHHTiM Q 險 ETBiMBTl: EFDESlFAHSPflrttfinHTW R： PULSE PAHST图12初级硬开关，次级ZVS同步整流图12给出LTC3723 PWM IC的初级推挽硬开关，次级ZVS ZCS同步整流控制的工作电路。3，初级正激硬开关，次级 ZVS ZCS 同步整流电路图13给出SC4910 PWM二次控制IC的正激电路加ZVS同步整流电路，调 节两个同步驱动的延迟时间即可得到如此效果。LDiHDSC1XMC51HL_|_ hR7R图 13 SC4910 控制的二次侧同步整流从上述的介绍，我们可以看出近几年来同步整流技术的飞速进步。DC/DC的 设计师应该选择合适的同步整流控制方法提高产品水平。关于同步整流技术的可靠性问题，大可不必担心，目前它已用于美国的航天 系统。这个问题就如开关电源刚问世时，人们对其疑虑一样，对电源系统来讲， 当效率极大地提高以及温升大幅下降时，难道谁还去怀疑其可靠性吗？
