同步整流电路分析（精编版）

1、同步整流电路分析一、传统二极管整流电路面临的问题近年来，电子技术的发展，使得电路的工作电压越来越低、电流越来越大。低电压工作有利于降低电路的整体功率消耗，但也给电源设计提出了新的难题。开关电源的损耗主要由3 部分组成：功率开关管的损耗，高频变压器的损耗，输出端整流管的损耗。 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（frd）或超快恢复二极管（srd）可达 1.0 1.2v ，即使采用低压降的肖特基二极管（sbd），也会产生大约0.6v 的压降，这就导致整流损耗增大， 电源效率降低。举例说明，目前笔记本电脑普遍采用3.3v 甚至 1.8v

2、或 1.5v 的供电电压，所消耗的电流可达 20a。此时超快恢复二极管的整流损耗已接近甚至超过电源输出功率的50。即使采用肖特基二极管，整流管上的损耗也会达到（18 40） po，占电源总损耗的60以上。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及小体积的需要，成为制约dc dc变换器提高效率的瓶颈。二、同步整流的基本电路结构同步整流是采用通态电阻极低的专用功率mosfe，t 来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。它能大大提高dc dc变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。功率mosfet属于电压控制型器件，它在导通时的伏安特性呈线性关系。用功

3、率 mosfet做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称之为同步整流。1、基本的变压器抽头方式双端自激、隔离式降压同步整流电路2、单端自激、隔离式降压同步整流电路图 1 单端降压式同步整流器的基本原理图基本原理如图1 所示， v1 及 v2 为功率 mosfe，t 在次级电压的正半周，v1 导通， v2 关断， v1 起整流作用；在次级电压的负半周，v1 关断， v2 导通， v2 起到续流作用。同步整流电路的功率损耗主要包括v1 及 v2 的导通损耗及栅极驱动损耗。当开关频率低于1mhz时， 导通损耗占主导地位；开关频率高于1mhz时，以栅极驱动损耗为主。

4、3、半桥他激、倍流式同步整流电路图 2 单端降压式同步整流器的基本原理图该电路的基本特点是：1） 变压器副边只需一个绕组，与中间抽头结构相比较，它的副边绕组数只有中间抽头结构的一半，所以损耗在副边的功率相对较小；2） 输出有两个滤波电感，两个滤波电感上的电流相加后得到输出负载电流，而这两个电感上的电流纹波有相互抵消的作用，所以，最终得到了很小的输出电流纹波；3） 流过每个滤波电感的平均电流只有输出电流的一半，与中间抽头结构相比较，在输出滤波电感上的损耗明显减小了；4） 较少的大电流连接线（high current inter-connection），在倍流整流拓扑中， 它的副边大电流连接线只有

5、2 路，而在中间抽头的拓扑中有3 路；5） 动态响应很好。它唯一的缺点就是需要两个输出滤波电感，在体积上相对要大些。但是，有一种叫集 成磁（ integrated magnetic）的方法，可以将它的两个输出滤波电感和变压器都集成到同一个磁芯内，这样可以大大地减小变换器的体积。三、电路实例分析16.5w 同步整流式dc dc电源变换器的设计下面介绍一种正激、隔离式16.5wdcdc电源变换器，它采用dpaswitch系列单片 开关式稳压器dpa424r，直流输入电压范围是36 75v，输出电压为3.3v ，输出电流为5a，输出功率为16.5w。采用 400khz 同步整流技术，大大降低了整流器

6、的损耗。当直流输入电压为 48v 时，电源效率=87。变换器具有完善的保护功能，包括过电压欠电压保护， 输出过载保护， 开环故障检测，过热保护，自动重启动功能、能限制峰值电流和峰值电压以避免输出过冲。由 dpa424r构成的 16.5w 同步整流式dc dc电源变换器的电路如图6 所示。与分立元器件构成的电源变换器相比，可大大简化电路设计。由c1、l1 和 c2 构成输入端的电磁干扰（emi）滤波器， 可滤除由电网引入的电磁干扰。r1 用来设定欠电压值 （ uuv）及过电压值 （uov），取 r1=619k 时， uuv=619k× 50a 2.35v=33.3v ，uov=619k

7、× 135a 2.5v=86.0v 。当输入电压过高时r1 还能线性地减小最大占空比，防止磁饱和。r3 为极限电流设定电阻，取r3=11.1k 时，所设定的漏极极限电流i limit=0.6 i limit=0.6 ×2.50a=1.5a。 电路中的稳压管vdz1（smbj150）对漏极电压起箝位作用，能确保高频变压器磁复位。图 6 16.5w 同步整流式dc dc电源变换器的电路该电源采用漏源通态电阻极低的si4800 型功率 mosfet做整流管，其最大漏源电 压 uds(max)=30v，最大栅源电压ugs(max)=±20v，最大漏极电流为9a（25）或7

8、a（70），峰值漏极电流可达40a，最大功耗为2.5w（ 25）或 1.6w（ 70）。si4800 的导通时间t on=13ns（包含导通延迟时间t d(on) =6ns，上升时间t r=7ns），关断时间t off=34ns （包含关断延迟时间 t d(off) =23ns，下降时间t f=11ns），跨导 gfs=19s。工作温度范围是55 150。 si4800 内部有一只续流二极管vd，反极性地并联在漏源极之间（负极接d，正极接 s），能对 mosfet 功率管起到保护作用。vd的反向恢复时间t rr =25ns。功率 mosfet与双极型晶体管不同，它的栅极电容cgs较大，在导通之

9、前首先要对cgs进行充电，仅当cgs上的电压超过栅源开启电压ugs(th) 时， mosfet才开始导通。对si4800而言， ugs(th) 0.8v。为了保证mosfet导通，用来对cgs充电的 ugs要比额定值高一些，而且 等效栅极电容也比cgs高出许多倍。si4800 的栅源电压（ugs）与总栅极电荷（qg）的关系曲线如图7 所示。由图7 可知qg=qgs qgd qod（ 1）式中： qgs为栅源极电荷；qgd为栅漏极电荷，亦称米勒（miller）电容上的电荷；qod为米勒电容充满后的过充电荷。图 7 si4800的 ugs与 qg的关系曲线当 ugs=5v 时， qgs=2.7nc

10、 ，qgd=5nc， qod=4.1nc ，代入式（ 1）中不难算出，总栅极电荷qg=11.8nc 。等效栅极电容cei 等于总栅极电荷除以栅源电压，即cei =qg ugs（ 2）将 qg=11.8nc 及 ugs=5v 代入式（ 2）中，可计算出等效栅极电容cei =2.36nf 。需要指出，等效栅极电容远大于实际的栅极电容（即cei>>cgs），因此，应按cei 来计算在规定时间内导 通所需要的栅极峰值驱动电流i g（ pk）。i g（ pk） 等于总栅极电荷除以导通时间，即i g=qg t on（ 3）将 qg=11.8nc ， t on=13ns 代入式（ 3）中，可计算

11、出导通时所需的i g(pk)=0.91a 。同步整流管v2 由次级电压来驱动，r2 为 v2 的栅极负载。同步续流管v1 直接由高频变压器的复位电压来驱动，并且仅在 v2 截止时 v1 才工作。 当肖特基二极管vd2 截止时， 有一部分能量存储在共模扼流圈l2 上。当高频变压器完成复位时，vd2 续流导通， l2 中的电能就通过 vd2 继续给负载供电，维持输出电压不变。辅助绕组的输出经过vd1 和 c4 整流滤波后，给光耦合器中的接收管提供偏置电压。c5 为控制端的旁路电容。上电启动和自动重启动的时间由c6 决定。输出电压经过 r10 和 r11 分压后，与可调式精密并联稳压器 lm431中

12、的 2.50v 基准电压进行比较， 产生误差电压， 再通过光耦合器 pc357去控制 dpa424r的占空比， 对输出电压进行调节。 r7、vd3 和 c3 构成软启动电路，可避免在刚接通电源时输出电压发生过冲现象。刚上电时，由于c3 两端的电压不能突变，使得lm431 不工作。随着整流滤波器输出电压的升高并通过 r7 给 c3 充电， c3 上的电压不断升高，lm431才转入正常工作状态。在软启动过程中，输出电压是缓慢升高的，最终达到3.3v 的稳定值。四、用于同步整流的功率mosfet最新进展为满足高频、大容量同步整流电路的需要，近年来一些专用功率mosfet不断问世，典型产品有fairc

13、hild公司生产的nds8410型 n 沟道功率mosfe，t 其通态电阻为0.015 。 philips公司生产的si4800 型功率 mosfet是采用 trenchmostm技术制成的，其通、断状态可用逻辑电平来控制， 漏源极通态电阻仅为0.0155 。ir 公司生产的irl3102（ 20v61a）、 irl2203s（30v 116a）、 irl3803s（30v 100a）型功率mosfe，t 它们的通态电阻分别为0.013 、0.007 和 0.006 ，在通过20a 电流时的导通压降还不到0.3v 。这些专用功率mosfet的输入阻抗高，开关时间短，现已成为设计低电压、大电流功率变换器的首选整流器件。最近，国外ic 厂家还开发出同步整流集成电路（sric）。例如， ir 公司最近推出的ir1176 就是一种专门用于驱动n 沟道功率mosfet的高速 cmos控制器。 ir1176 可不依赖于初级侧拓扑而单独运行，并且不需要增加有源箝位（activeclamp ）、栅极驱动补偿等复杂电路。 ir1176 适用于输出电压在5v 以下的大电流dc dc变换器中的同步整流器，能大大简化并改善宽带网服务器中隔离式dc dc变换器的设计。ir1176 配上 irf7822 型