简介

能量再生与同步整流

同步整流工作原理

简介

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MOSFET，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。

为什么要应用同步整流技术

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。

同步整流比之于传统的肖特基整流技术可以这样理解：

这两种整流管都可以看成一扇电流通过的门，电流只有通过了这扇门才能供电脑使用。

传统的整流技术类似于一扇必须要通过有人大力推才能推开的门，故电流通过这扇门时每次都要巨大努力，出了一身汗，损耗自然也就不少了。

而同步整流技术有点类似我们通过的较高档场所的感应门了：它看起来是关着的，但你走到它跟前需要通过的时候，它就自己开了，根本不用你自己费大力去推，所以自然就没有什么损耗了。

通过上面这个类比，我们可以知道，同步整流技术就是大大减少了开关电源输出端的整流损耗，从而提高转换效率，降低电源本身发热。

能量再生与同步整流

在开关管V导通时，变压器接收的电能除了磁化电流外都将传送到输出端。而管V关跃的反激作用期间，导向二极管D2用反偏置故不可能有钳位作用或能量泄放的回路。磁化能量将会产生较大的反压加在开关管的集一射极之间。为了防止高反压的产生，设置了“能量再生绕组”P2，由绕组△经过二极管D，，使存储的能量反馈回直流电源Ui中。只要满足Wp1=Wp2的关系，D1流过电流时Up2=Ui，则开关管V上承受的集一射极电压为2Ui。

为了避免在P1和P2绕组之间存在的漏电感过大，和因此而在开关管集电极上产生过高的电压，一般采用初级绕组P1与能量再生绕组P2双线并绕的方法。在这种配置中，二极管D1接在能量再生绕组如图所示的位置是非常重要的。原因是双线并绕引起的内部杂散电容Cc是在开关管V的集电极与绕组P2和D1连接点之间的寄生电容。按照图中的接法是有优点的，如在开关管V导通时，由于二极管D，反向而隔开了集电极，没有任何的电流在V瞬时导通时流进电容Cc中（注意，绕组P1和P2的非同铭端同时变负，而且Cc的两端电压不会改变）。但是在反激期间，Cc提供开关管V的钳位作用，任何过电压的趋势都会引起Cc流过电流，而且经过D，反馈到电源线上。如果寄生电容不够大，只靠P1、P2绕组磁耦合，钳位电压超值时，常常可以在%位置加外接电容补充以改善它的钳位作用。然而，如果电容值过大时，会使得输出电压线上有输人电压叽纹波频率调制的电压分量，所以要小心地选用附加电容Cc的值。

在开关管V导通时，输入电压Ui加在（Lp+LLT）上，由于D2反偏置阻止C2的充电，所以Uc2≈0。当开关管V关断时，由于反激作用，V的集电极电压Uc快速上升，但由于砀此时受正偏压而导通，使V电流被C2、R1分流，Uc电压逐渐上升，即U（电压也是逐渐上升，而且钳位在2Ui数值上。从而把Uc上升的尖峰电压的顶部消去，如虚线所示的脉冲尖峰。

在一个周期剩下的时间里，随着R1放电电流的减小，C2上的电压降会返回到原来值。多余的反激电能，被消耗在R1上。此钳位电压是自跟踪的，在稳态工作时，因为C2上的电压会自动地调整，直到所有多余的反激电能消耗在R1上。如果在所有其他情况下，都要维持某一恒定钳位电压时，则可以通过减小R1值或漏电感Lyp的值，来抑制钳位电压的升高趋势。

不能把钳位电压设计得太低，因为反激过冲电压也有有用的一面。在反激作用时，它提供了一个附加强制电压值来驱动电能进入到次级电感。使变压器次级的反激电流迅速增加。提高了变压器的传输效率，同时也减小了电阻R）上的损耗。这对于低压大电流输出是很有意义的。

同步整流工作原理

图1（a）所示为N沟道功率MOS管构成的同步整流管SR和SBD整流二极管二极管

二极管又叫半导体二极管、晶体二极管，是最常用的基本电子元件之一。二极管只往一个方向传送电流，由p型半导体和n型半导体形成的p-n结构成，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 [全文]

的电路图形符号，整流二极管

整流二极管

整流二极管是一种将交流电能转变为直流电能的半导体器件。通常它包含一个PN结，有阳极和阴极两个端子。整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。硅整流二极管的击穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造(掺杂较多时容易反向击穿）。这种器件的结面积较大，能通过较大电流（可达上千安），但工作频率不高，一般在几十千赫以下。整流二极管主要用于各种低频半波整流电路，如需达到全波整流需连成整流桥使用。 [全文]

有两个极：即阳极A和阴极K。功率MOS管有三个极：即漏极D、源极S和门极G。在用做同步整流管时，将功率MOS管反接使用，即源极S接电源

电源

电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器，它提供计算机中所有部件所需要的电能。[全文]

正端，相当于二极管

二极管

二极管又叫半导体二极管、晶体二极管，是最常用的基本电子元件之一。二极管只往一个方向传送电流，由p型半导体和n型半导体形成的p-n结构成，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

的阳极A；漏极D接电压负端，相当于二极管的阴极K；当功率MOS管在门极G信号的作用下导通时，电流电源

电源

电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器，它提供计算机中所有部件所需要的电能。

极S流向漏极D。而功率MOS管作为开关

开关

开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。接通则电流可以通过，反之电流无法通过。在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。 [全文]

使用时，漏极D接电源正端，源极S接电压负端；导通时，相当于开关

开关

开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。接通则电流可以通过，反之电流无法通过。在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。

闭合，电流由漏极D流向源极S。

图1 同步整流管和整流二极管

整流二极管

整流二极管是一种将交流电能转变为直流电能的半导体器件。通常它包含一个PN结，有阳极和阴极两个端子。整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。硅整流二极管的击穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造(掺杂较多时容易反向击穿）。这种器件的结面积较大，能通过较大电流（可达上千安），但工作频率不高，一般在几十千赫以下。整流二极管主要用于各种低频半波整流电路，如需达到全波整流需连成整流桥使用。

同步整流管SR及整流二极管构成的半波整流

半波整流

半波整流是一种利用二极管的单向导通特性来进行整流的常见电路，除去半周、图下半周的整流方法,叫半波整流。作用是将交流电转换为直流电，也就是整流。

电路如图1（b）所示。当SR的门极驱动电压ug，与正弦波电源电压仍同步变化时，则负载R上得到的是与二极管整流电路相同的半波正弦波电压波形1fR。

同步整流管的源一漏极之间有寄生的体二极管，还有输出结电容

电容

电容（或电容量, Capacitance）指的是在给定电位差下的电荷储藏量；记为C，国际单位是法拉（F）。一般来说，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上；造成电荷的累积储存，最常见的例子就是两片平行金属板。也是电容器的俗称

（未画出），驱动信号加在门极和源极（G-S）之间，是一种可控的开关器件。皿关断时，电流仍然可以由体二极管流通。不过m体二极管的正向导通压降和反向恢复时间都比SBD大得多，因此，一旦电流流过SR的体二极管，则整流损耗将明显增加。

由于同步整流是由可控的三端半导体开关器件来实现的，因此必须要有符合一定时序关系的门极驱动信号去控制它，使其像一个二极管一样地导通和关断。驱动方法对银的整体性能影响很大，因此，门极驱动信号往往是设计同步整流电路时必须要解决的首要问题。例如，SR开通过早或关断过晚，都可能造成短路，而开通过晚或关断过早又可能使SR的体二极管导通，使整流损耗和器件应力增大。

综上所述，当功率MOS管反接时可以作为SR使用，其特点如下：

（1）SR是一个可控的三极开关器件，在门极和源极之间加人驱动信号时，可以控制功率MOS管源极S和漏极D之间的通/断。

（2）门极驱动信号和源极电压同步，如源极为高电平时，驱动信号也是高电平则MOS管导通；反之，源极为低电平时，驱动信号也是低电平，则MOS管关断；这样就自然实现了整流，而且电流也只能由源极s流向漏极D。由于是通过门极信号和源极电压同步来实现整流的，因此把这种整流方式称为同步整流。

（3）用于PWM

PWM

PWM即脉冲宽度调制，是一种利用微处理器的数字输出来控制模拟电路的控制技术。PWM以其控制简单、灵活、效率高和动态响应好等优点而被广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。PWM是开关型稳压电源中的术语。这是按稳压的控制方式分类的，除了PWM型，还有PFM型和PWM、PFM混合型。如今的很多微型控制器中都有PWM控制器。

开关转换器

转换器

转换器从原理上可分为协议转换器、接口转换器两大类。从应用上又可以分光纤转换器、光电转换器、视频转换器等等。例如视频转换器就是一种连接电脑和电视的设备，它可以把电脑上的内容转换并显示在电视机上，让人们可以在电视上学电脑，上网，玩游戏，做商业演示，看股票等等。 [全文]

中的同步整流管SD代替SBD作为整流管或续流工作时，必须保证门极有正确的控制时序，使其工作与PWM开关转换器

转换器

转换器从原理上可分为协议转换器、接口转换器两大类。从应用上又可以分光纤转换器、光电转换器、视频转换器等等。例如视频转换器就是一种连接电脑和电视的设备，它可以把电脑上的内容转换并显示在电视机上，让人们可以在电视上学电脑，上网，玩游戏，做商业演示，看股票等等。

的主开关管同步协调工作。因此不同的开关转换器主电路，其同步整流管的控制时序也是不同的。同步整流开关管的控制时序将在后面进行介绍。

（4）在功率MOS管反接的情况下，其固有的体二极管极性却是正向的。有时要利用它先导通，以便过渡到功率MOS管进入整流状态。但由于体二极管的正向压降较大，常常不希望它导通或导通时问过长。