同步整流技术的研究

同步整流技术的研究

引言

同步整流技术采用通态电阻极低的电力MOSFET来取代整流二极管，能大大降低整流电路的损耗，提高DC/DC变频器的效率，满足低压、大电流整流器的需要。本文从分析《电源技术》教材中同步整流电路的原理着手，对同步整流电路进行了分析与研究。

关键词

同步整流 电力MOSFET IC设计

一、同步整流技术的发展现状

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。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2mΩ，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，24V至28V以下输出，几乎都在使用同步整流技术。

二、同步整流技术的基本原理与发展趋势

同步整流技术采用通态电阻极低的电力MOSFET来取代整流二极管，能大大降低整流电路的损耗，提高DC/DC变频器的效率，满足低压、大电流整流器的需要。DC/DC变换器的损耗主要由三部分组成：功率开关管的损耗，高频变压器的损耗，输出整流管的损耗。在低电压、大电流输出的情况下，整流二极管的导通压降较高，输出端整流管的损耗尤为突出。快恢复二极管或超快恢复二极管可达1.0~1.2V，即使采用低压降的肖特基二极管，也会产生0.4V~0.8V的压降，导致整流损耗增大，电源效率降低。因此。传统的二极管整流电路已无法满足实现低电压、大电流开关电源高效率、小体积的需要，成为制约DC/DC变频器提高效率的瓶颈。

随着微处理器和数字信号处理器的不断发展，对芯片的供电电源的要求越来越高了。不论是功率密度、效率和动态响应等方面都有了新要求，特别是要求输出电压越来越低，电流却越来越大。输出电压会从过去的3.3V降低到1.1～1.8V之间，甚至更低。从电源的角度来看，微处理器和数字信号处理器等都是电源的负载，而且它们都是动态的负载，这就意味着负载电流会在瞬间变化很大，从过去的13A/μs到将来的30A/μs～50A/μs。这

就要求有能够输出电压低、电流大、动态响应好的变换器拓扑。而对称半桥加倍流同步整流结构的DC/DC变换器是最能够满足上面的要求的。

同步整流是通态电阻极低的电力MOSFET来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。同步整流技术已经成为现关电源技术的标志。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，24V至28V以下输出，几乎都在使用同步整流技术。

三、SRM4010同步整流模块

SRM4010是一种高效率他激式同步整流模块，它直接和变压器的次级相连，可提供40 A的输出电流，输出电压范围在1∽5V之间。它能够在200∽400 kHz工作频率范围内调整，且整流效率高达95%。如果需要更大的电流，还可以直接并联使用，使设计变得非常简单。

SRM4010模块是一种9脚表面封装器件，模块被封装在一个高强电流接口装置包里，感应系数极低，接线端功能强大，具有大电流低噪声等优异特性。

SRM4010引脚功能及应用方式一览表

引脚号 引脚名称 引脚功能 应用方式

1 CTCH Catch功率MOSFET漏极 接滤波电感和变压器次级正端

2 FWD Forward功率MOSFET漏极 接变压器次级负端

3 SGND 外控信号参考地 外围控制电路公共地

4 REGin 内部线性调整器输入 可以外接辅助绕组或悬空

5 REGout 5V基准输出 可为次级反馈控制电路提供电压

6 PGND 同步整流MOSFET功率地 Catch和Forward功率MOSFET公共地

7 CDLY 轻载复位电容端 设置变压器轻载时的复位时间

8 CPDT 同步整流预测时间电容端 Catch同步整流管设置预置时间

9 SPD 振铃鉴别端 区分Catch MOSFET导通和振铃

2 SRM4010同步整流模块的应用实例及其工作原理分析

SRM4010模块仅和C2、C3两只电容就完成了同步整流功能，其工作原理如下：

在初级开关管(V3)导通期间，模块中的Catch MOSFET截止，电流从变压器次级正端流经输出电感、输出电容和负载，在经Forward MOSFET回到变压器次级负端；当初级开关管截止时，变压器中电流回零，模块的1脚因输出电感的电流因素也下降到0 V，在这种情况下，电流流经Catch MOSFET的体二极管，随即Catch MOSFET导通以减小电压降，体二极管的导通时间要特别短。因为电源工作频率200 kHz(工作频率的选择见下文3.1)，开关周期为5000 ns，所以本例中取50 ns，这一导通时间仅占开关周期的1%，因此开关损耗就很低。另外，因变压器的磁化电流使模块的2脚电压变为正电压，这样就达到了变压器的磁复位，保持变压器线圈中的伏秒平衡。

因为变压器中不能维持直流电压，变压器的开和关的面积要相等。变压器复位后，电压实际上就转化为Forward MOSFET体二极管上的轻度电压偏差。这个电压的幅值约为-0.5 V，尽管有这个电压存在，因为在这个过程中几乎没有电流流过，也就没有什么功率损耗。当初级开关管导通时，内部控制电路在电压上升之前一点关闭Catch MOSFET，并且打开Forward MOSFET。这样既减少了开关损耗，又避免了交叉导通问题。反之，当初级开关管截止时，内部控制电路在Catch MOSFET导通之前关闭Forward MOSFET，随即打开Catch MOSFET，同样避免了交叉导通问题。

C2是用来设置Catch同步整流管的预测时间，它决定了漏极电压上升和栅极电压上升之间的时间，它的典型值是0∽47 pF。增大电容值，就会增加预测延迟时间，只要在变换脉冲增加时不产生振铃现象，这一时间应尽可能的短。实验证明当电容值取39 pF时，会产生轻微的振铃现象，所以取标称电容值47pF，即使在电源启动时也不会产生振铃现象，在电源正常工作时还可以大大提高电源效率。

C3的设置是为了使电源轻载工作时变压器可以达到磁复位。为了达到复位，当Catch MOSFET的栅极导通时，Forward MOSFET驱动电路内置了一个使其截止的时间，电容越大截止时间越长。最恰当的时间是刚好使变压器能够达到磁复位。时间太长就会降低Forward MOSFET的带载能力，而时间太短又会引起变压器轻载时的磁复位问题。

本例中，REGout引脚为控制电路中的光电耦合器提供5 V电压偏置，也大大简化了电源的控制电路。

四、IC设计控制电路的分析控制过程

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1和图2给出其应用电路图。

图1 STSR2,STSR3驱动同步整流的电路

图2 LTC3900和LTC3901驱动的同步整流电路

五、结束语

同步整流技术已经成为现关电源技术的标志。凡是高水平开关电源，必定有同步整流技术。随着对电源性能要求的提高，同步整流技术将会越来越广泛地被采用。

参考文献

[1]林渭勋，现代电力电子技术[M]，北京:机械工业出版社，2006.

[2]叶慧贞，开关稳压电源，北京：国防工业出版社，1993.

[3]王兆安、黄俊，电力电子技术(第4版)[M]，北京:机械工业出版社,2004.