第4章 同步整流(开关电源)
第4章 同步整流(开关电源)
第4章同步整流技术•内容——意义；基本原理；驱动方式——同步整流电路；同步整流技术的应用•目标——电路的结构及工作原理、电路分析及应用4.1 概述•高速超大规模集成电路的尺寸的不断减小，功耗的不断降低，要求供电电压也越来越低。
•在低电压(低于3V)大电流输出DC-DC变换器的整流管，其功耗占变换器全部功耗的50～60％。
•用通态损耗低的功率MOS管－同步整流管代替整流二极管，可提高DC-DC变换器的效率。
•同步整流技术的优点：正向压降很小，阻断电压高，反向电流小等4.2 同步整流技术的基本原理•功率MOS管反接作为整流管使用：源极S相当于二极管的阳极A，漏极D相当于二极管的阴极K。
在门极和源极(GS)间加驱动信号。
•门极电压与漏源极间电压变化同步，因此称为同步整流。
功率MOS管用做同步整流，三个关键参数：1. SR的功耗：损耗因数K：2. SR的体二极管恢复时间trr 3.SR的阻断电压22 SR Frms on in GS P I R C V f =+on inK R C=4.3 同步整流驱动方式•驱动电路性质：电压型驱动、电流型驱动•驱动电压的来源：外驱动（控制驱动）、自驱动1．外驱动同步整流技术•驱动电压：来自外设驱动电路•同步信号：主开关管的驱动信号来控制•优点：控制时序精确，SR效率较高•缺点：驱动电路复杂，有损耗，价格贵，开发周期长2．电压型自驱动同步整流•驱动电压：SR所在回路中的某一电压•要求：波形转换快，时序准确，无死区•优点：简单，实用•缺点：驱动方式随电路结构而不同；受输入电压变化范围的影响；受变压器漏感影响；不能用于并联工作的SR-DC／DC变换器中；对变换器轻载时的工作有影响。
3．电流型自驱动同步整流•驱动电压：SR中的电流通过电流互感器产生•优点：驱动波形无死区，不受输入电压影响，不受电路结构的影响，可用于并联运行的DC-DC变换器。
•缺点：电流检测元件有损耗，能量回馈的电流型自驱动SR方案4.4 同步整流电路1. 全波SR电路2．倍流SR电路4.5 SR-Buck变换器4.6 SR-正激变换器1.有磁复位绕组的SR-正激变换器2．SR-有源钳位正激变换器4.7 SR-反激变换器。
开关电源中同步整流
全橋整流電路 全桥整流比其它三种整流方式多用两个整流管，使导通损耗大大增加， 全桥整流比其它三种整流方式多用两个整流管，使导通损耗大大增加，因 而不太适合用于低压/大电流输出场合 大电流输出场合。 而不太适合用于低压 大电流输出场合 不作介紹
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MOSFET半波整流(SR)原理波形
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两电感磁芯集成示意
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磁通脉动互消作用示意
三个分立磁性元件的集成
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同步整流MOSFET驱动方式 驱动方式 同步整流 驱动
同步整流驱动方式主要分自驱动型和外驱动型两类，而自驱动型又 分为电压型和电流型两种。 电压型自驱动同步整流电路简单，驱动信号多直接取自主变压器,其 缺點是: 門極驅動電壓Vg未必是常數,它與占空比幾輸入電壓有關.黨占 空比幾輸入電壓變化範圍太大時, Vg太大,或太小. 电流型自驱动同步整流电路较复杂，但驱动同步性好(说俗点：该通 肯定通；该关马上关)，除纯直流场合没有优势外，只要该用低压整流 管的场合，都可以直接使用。 其中外驱动型是以外部驱动信号(如驱动开关管的PWM波;專用IC,经 驱动变压器产生)来驱动MOS管，做同步整流管驱动信號;其缺點是:需要 有控制檢測,定時邏輯,同步變換器以及高速驅動電路等,比較複雜,價格貴, 開發週期長等,一定程度上限制了外驅動同步整流方式的廣泛應用.
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电感电流纹波互消作用示意
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特别需要指出的是，倍流整流拓扑这一电路形式特别适合于应用磁集 成技术。一般可采用两种集成思路：两只电感集成在一只磁芯上，以 及两只电感和变压器集成在一只磁芯上。在倍流整流拓扑中，虽然由 电感电流交错合成后的电流纹波较小，但分别流过分立电感L1、L2 上的电流纹波却较大，因此在采用分立电感元件时，对应每只电感的 磁通脉动量较大，引起较大的磁芯损耗，影响整机效率；把电感L1、 L2集成在一只磁芯上（如EE或EI型），电感绕组分别绕制在两只外 腿上，对应的磁通在中心柱上交叠，可以实现磁通脉动量的互消作用， 从而大大减小中心柱的磁芯损耗和磁芯体积。对应的示意图如图9所 示 更进一步，可把三个分立磁性元件集成在一只磁芯上[10]，如图10所 示，同时实现了磁芯和绕组的集成，从而大大减小了磁性元件所占的 总体积，简化了布局及封装设计，与半波、全波整流相比，具有显著 的优越性。
同步整流技术
同步整流技术介绍开关电源的同步整流技术同步整流技术简介1概述近年来，为了适应微处理器的发展，模块化电源的发展呈现出两个明显的发展趋势：低电压和快速动态响应。
在过去的10年里，模块化电源极大地改善了分布式电源系统的外观。
即使在安装成本敏感的设备（如线路卡和单板）时，模块电源也提供了一个有吸引力的解决方案。
然而，高速处理器不断降低的工作电压需要一种新的电压方案来适应未来，特别是考虑到肖特级二极管整流模块的效率不能令人满意。
同步整流电路应运而生，以满足低压输出的要求。
由于普通肖特基二极管的正向压降大于0.3V，因此在低电压输出时，模块的效率不可能很高。
一些数据表明，使用肖特基二极管的隔离直流模块电源的效率可以根据以下公式估算：voutvout(0.1voutvcuvf)0.1vout——一次侧和控制电路的损耗vcu―印制板的线路损耗VF-整流器传导压降损失我们假设采用0.4v的肖特基整流二极管，印制板的线路损耗为0.1v，则1.8v的模块最大的估算效率为72%。
这意味着28%的能量被模块内部损耗了。
其中由于二极管导通压降造成的损耗占了约15%。
随着半导体工艺的发展，低压功率mos管的的有着越来越小的通态电阻，越来越低的开关损耗，现在ir公司最新的技术可以制作30v/2.5mω的mos管，在电流为15a时，导通压降为0.0375，比采用肖特基二极管低了一个数量级。
所以近年来对同步整流电路的研究已经引起了人们的极大关注。
在中大功率低压输出的dc-dc变换器的产品开发中，采用低压功率mosfet替代肖特基二极管的方案得到了广泛的认同。
今天，采用同步整流技术的on-board模块已经广泛应用于通讯的所有领域。
2同步整流电路的工作原理介绍开关电源的同步整流技术图1同步整流正激电路原理图（无复位绕组）同步整流电路与普通整流电路的区别在于它采用了mos管代替二极管，而mos管是它驱的开关器件，必须采用一定的方式控制mos管的开关。
同步整流电路原理
同步整流电路原理
同步整流电路是一种电子电路，其主要功能是将交流电信号转换为直流电信号。
它通常由一个三相全波桥式整流器和一个控制电路组成。
三相全波桥式整流器由四个二极管组成，分为两组，每组包含两个并联的二极管，这两组分别连接到交流输入电源的两个端口。
在每个输入周期内，只有一个二极管导通，其余三个二极管为截止状态，从而实现了电流的单向流动。
控制电路主要由一个小型开关电源和一个控制信号发生器组成。
开关电源为整个电路提供所需的直流电源。
控制信号发生器会根据输入的交流电压信号生成一系列的脉宽调制（PWM）信号。
这些PWM信号将通过一个比较电路与交流输入电压进行
比较，从而产生一个用于控制二极管导通的开关信号。
当交流输入电压的幅值大于零时，开关信号会导致对应的二极管导通，使得正半个周期内的电流流向负载。
当交流输入电压的幅值小于零时，开关信号会阻止对应的二极管导通，从而在负半个周期内阻止电流流向负载。
通过这种方式，同步整流电路可以实现电流的单向流动，并将交流电信号转换为直流电信号。
通过使用同步整流电路，可以有效地减小电压波动和电流谐波，并提高整流效率。
这种电路常用于电力电子设备中，如电动汽车充电器、风力发电装置等。
开关电源各功能电路详解
开关电源各功能电路详解一、开关电源的电路组成开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。
辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。
电磁干扰Electromagnetic Interference 开关电源的电路组成方框图如下：二、输入电路的原理及常见电路1、AC 输入整流滤波电路原理：①防雷电路：当有雷击，产生高压经电网导入电源时，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1 组成的电路进行保护。
当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、F3 会烧毁保护后级电路。
②输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。
当电源开启瞬间，要对 C5充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。
因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。
③整流滤波电路：交流电压经BRG1整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。
若C5容量变小，输出的交流纹波将增大。
2、 DC 输入滤波电路原理：①输入滤波电路：C1、L1、C2组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。
C3、C4 为安规电容，L2、L3为差模电感。
② R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7组成抗浪涌电路。
在起机的瞬间，由于 C6的存在Q2不导通，电流经RT1构成回路。
当C6上的电压充至Z1的稳压值时Q2导通。
如果C8漏电或后级电路短路现象，在起机的瞬间电流在RT1上产生的压降增大，Q1导通使 Q2没有栅极电压不导通，RT1将会在很短的时间烧毁，以保护后级电路。
同步整流技术简单介绍
同步整流技术简单介绍大家都知道，对于开关电源，在次级必然要有一个整流输出的过程。
作为整流电路的主要元件，通常用的是整流二极管（利用它的单向导电特性），它可以理解为一种被动式器件：只要有足够的正向电压它就开通，而不需要另外的控制电路。
但其导通压降较高，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。
这个压降完全是做的无用功，并且整流二极管是一种固定压降的器件，举个例子：如有一个管子压降为0.7V，其整流为12V时它的前端要等效12.7V电压，损耗占0.7/12.7≈5.5%.而当其为3.3V整流时，损耗为0.7/4（3.3+0.7）≈17.5%。
可见此类器件在低压大电流的工作环境下其损耗是何等地惊人。
这就导致电源效率降低，损耗产生的热能导致整流管进而开关电源的温度上升、机箱温度上升--------有时系统运行不稳定、电脑硬件使用寿命急剧缩短都是拜这个高温所赐。
随着电脑硬件技术的飞速发展，如GeForce 8800GTX显卡，其12V峰值电流为16.2A。
所以必须制造能提供更大输出电流（如多核F1，四路12V，每路16A；3.3V和5V输出电流各高达24A）的电源转换器。
而当前世界的能源紧张问题的凸现，为广大用户提供更高转换效率（如多核R80，完全符合80PLUS标准）的电源转换器就是我们整个开关电源行业的不可回避的社会责任了。
如何解决这些问题？寻找更好的整流方式、整流器件。
同步整流技术和通态电阻（几毫欧到十几毫欧）极低的专用功率MOSFET就是在这个时刻走上开关电源技术发展的历史舞台了！作为取代整流二极管以降低整流损耗的一种新器件，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。
因为用功率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。
开关电源次级端同步整流sr原理
开关电源次级端同步整流sr原理English:In a switch mode power supply, the secondary side synchronous rectification (SR) technique is used to improve the efficiency of the power supply. The SR technique replaces the traditional diode rectifier with a MOSFET to minimize the forward voltage drop and reduce the power dissipation. This is achieved by using a control signal to synchronize the activation of the MOSFET with the secondary side voltage waveform, allowing the MOSFET to conduct current only when the voltage is positive. This minimizes the energy loss and heat generation associated with the diode rectifier, leading to higher efficiency and better thermal performance of the power supply. The synchronous rectification technique also helps to reduce electromagnetic interference (EMI) and improve the transient response of the power supply, further enhancing its overall performance.中文翻译:在开关电源中，次级端同步整流（SR）技术用于提高电源的效率。
开关电源原理分析与制作教学课件：同步整流技术及电路介绍
1. 栅极电荷转换技术(Gate charge commutation) 栅极电荷转换技术的原理
该技术的电路简单，只需要一个附加的绕组，充分利用了同步整流管的
门-源电容。两个二极管在此的作用是用来箝位SR门源电压。当不接这两个二
极管时，SR 开通时的驱动电压为附加绕组上电压的一半，关断后门源电压为
NTD4857的datasheet IRFP460的datasheet
4
三、副边同步整流管的驱动技术分析与研究
同步整流技术的核心问题是同步整流管的驱动问题，根据同步 整流管的驱动信号来源，可以将同步整流管的驱动方式分为外部驱 动式（controller driven）和自驱动式（self－driven），相对于自 驱动方式，外部驱动方式不仅需要额外的器件，增加电路的复杂性， 提高电路的成本，而且其对于电路效率的贡献也很少，因此在实际 的电路中很少采用外部驱动方法。
***
TX1
***
D2 D1N4148
IRF530
R1 C1
Q2
1、 用肖特基二极管进行整流，而肖特基二极管的正向压降一般
为0.3v。副边电路二极管的损耗：0.3*50=15W，而输出才90W。
损耗占副边总的功率为：15/(15+90)=14.3%。因此，必须采用同
步整流技术，用MOS管来替代二极管。
同步整流
一、 为什么要采用同步整流？ 二、 同步整流管的datasheet分析 三、副边同步整流管的驱动技术分析与研究 四、 副边同步整流驱动方式
1 1
一、为什么要采用同步整流？
D1
470u
IRF530
D1N4148
L1
电源输出： 1.8V/50A
36
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第4章同步整流技术
•内容
——意义；基本原理；驱动方式
——同步整流电路；同步整流技术的应用•目标
——电路的结构及工作原理、电路分析及应用
4.1 概述
•高速超大规模集成电路的尺寸的不断减小，功耗的不断降低，要求供电电压也越来越低。
•在低电压(低于3V)大电流输出DC-DC变换器的整流管，其功耗占变换器全部功耗的50～60％。
•用通态损耗低的功率MOS管－同步整流管代替整流二极管，可提高DC-DC变换器的效率。
•同步整流技术的优点：正向压降很小，阻断电压高，反向电流小等
4.2 同步整流技术的基本原理
•功率MOS管反接作为整流管使用：源极S相当于二极管的阳极A，漏极D相当于二极管的阴极K。
在门极和源极(GS)间加驱动信号。
•门极电压与漏源极间电压变化同步，因此称为同步整流。
功率MOS管用做同步整流，三个关键参数：
1. SR的功耗：
损耗因数K：
2. SR的体二极管恢复时间t
rr 3.SR的阻断电压
22 SR Frms on in GS P I R C V f =+
on in
K R C
=
4.3 同步整流驱动方式
•驱动电路性质：电压型驱动、电流型驱动•驱动电压的来源：外驱动（控制驱动）、自驱动
1．外驱动同步整流技术
•驱动电压：来自外设驱动电路
•同步信号：主开关管的驱动信号来控制•优点：控制时序精确，SR效率较高
•缺点：驱动电路复杂，有损耗，价格贵，开发周期长
2．电压型自驱动同步整流
•驱动电压：SR所在回路中的某一电压
•要求：波形转换快，时序准确，无死区
•优点：简单，实用
•缺点：驱动方式随电路结构而不同；受输入电压变化范围的影响；受变压器漏感影响；不能用于并联工作的SR-DC／DC变换器中；对变换器轻载时的工作有影响。
3．电流型自驱动同步整流
•驱动电压：SR中的电流通过电流互感器产生
•优点：驱动波形无死区，不受输入电压影响，不受电路结构的影响，可用于并联运行的DC-DC变换器。
•缺点：电流检测元件有损耗，
能量回馈的电流型自驱动SR方案
4.4 同步整流电路1. 全波SR电路
2．倍流SR电路
4.5 SR-Buck变换器
4.6 SR-正激变换器
1.有磁复位绕组的SR-正激变换器
2．SR-有源钳位正激变换器
4.7 SR-反激变换器。