开关电源同步整流技术
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可以实现全波整流的电路，其原理是利用一种特殊的开关电源技术，通过对输入交流电进行适当的开关操作，使得输出的电压波形能够保持与输入电压波形相同，但是具有整流效果，使得电流只能从一个方向流过。
以下是对同步整流电路原理的详细解释。
同步整流电路是一种交流电-直流电转换的电路，可以将交流电转换为满足直流设备需要的直流电。
在一般的交流到直流转换电路中，通常会采用整流电路来实现这种转换。
传统的整流电路通常分为半波整流和全波整流两种。
半波整流电路仅利用输入交流波形的正半周或负半周，而全波整流电路则能够利用输入交流波形的全周期。
在一般的交流整流电路中，通常会使用二极管来实现整流功能。
二极管是一种具有导通方向的二端元件，能够允许电流从一个方向流过，而阻止电流从反向流动。
当输入交流电的电压为正向时，二极管就处于正向偏置状态，电流可以通过；当输入电压为反向时，二极管就处于反向偏置状态，电流无法通过。
因此，在半波整流电路中，通过选择合适的二极管方向，就可以实现电流从输入交流电的正半周流过，从而实现整流效果。
而在全波整流电路中，通常需要使用两个二极管的组合才能达到整流效果。
然而，半波和全波整流电路都存在一定的损耗，例如二极管的导通压降和正向电阻等。
这些损耗会导致输入交流电的能量损失，降低整流电路的效率。
为了提高整流电路的效率，降低能源损耗，同步整流电路应运而生。
同步整流电路采用的是一种特殊的开关电源技术，通过对输入交流电进行适当的开关操作，使得输出的电压波形能够保持与输入电压波形相同，但是具有整流效果，使得电流只能从一个方向流过。
在同步整流电路中，会使用一种称为功率场效应管的器件来取代传统的二极管。
功率场效应管是一种具有高导通能力和低导通压降的器件，能够实现很高的开关频率和响应速度。
在同步整流电路中，功率场效应管的导通和截止状态由一个控制信号控制，使得只有在输入交流电的正半周或负半周中，才能够通过功率场效应管实现电流的导通。
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。
高频电源开关同步整流技术
同步整流原理同步整流(SynchronousRectification)是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET取代传统的整流二极管以降低整流损耗的技术。
它能够大大提高DC/DC变换器的效率并不存在由快速恢复二极管势垒电压造成的死区电压。
同步整流的基本原理：单端正激、隔离降压同步整流的基本原理电路中，其中，Q1、Q2为功率MOSFET。
该电路的工作原理为在次级电压的正半周期，Q1导通、Q2关断，在次级电压的负半周期，Q2导通、Q1关断。
同步整流电路的功率损耗主要包括MOSFET的导通损耗和栅极驱动损耗，在开关频率低于1MHz时，以导通损耗为主。
正激式DC/DC变换器在功率管截止期间必须有将高频变压器复位的电路，以防止变压器磁芯饱和，一般采用C、R、VD无源箝位电路。
当功率管V截止时，高频变压器初级线圈由R、VD电路构成的放电通路使变压器复位。
DPA-Switch电路的内部结构与工作原理DPA-Switch电路是6端器件，6个引脚分别为控制端C、线路检测端L、外部设定极限电流端X、开关频率选择端F、源极S和漏极D。
线路检测端可实现过压检测、欠压检测、电压反馈、远程通断和同步等功能。
将开关频率选择端与源极端连接时，开关频率为400kHz，而将其连接控制端时，开关频率为300kHz。
(1)控制电压源用于控制电压UC以向并联调整器和门驱动器级提供偏置电压。
控制电流IC用来调节占空比。
(2)带隙基准电压源用于向内部提供各种基准电压，同时产生一个具有温度补偿并可调整的电流源，以保证精确设定振荡器频率和门级驱动电流。
(3)振荡器用于产生脉宽调制器所需要的锯齿波、时钟信号及最大占空比信号(Dmax)。
(4)并联调整器和误差放大器误差放大器用于将反馈电压Uf与5.8V基准电压进行比较以输出误差电流Ir，从而在电阻Rs上形成误差电压Ur。
(5)脉宽调制器(PWM)脉宽调制器是一个电压反馈式控制电路，具有两个功能：一是改变控制端电流IC的大小，即调节占空比，实现脉宽调制；二是将误差电压Ur经由Ra和Ca组成的截止频率为7kHz的低通滤波器进行滤波，以在滤掉开关噪声电压后，加至PWM比较器的同相输入端，然后再与锯齿波电压Uj进行比较，从而产生脉宽调制信号Ub。
开关电源新技术--同步整流
第五章开关电源新技术5－1电源PFC技术5－2 同步整流技术同步整流的概念整流电路是DC/DC变换器的重要组成部分，传统的整流器件采用功率二极管。
由于功率二极管的通态压降较高(压降最小的肖特基二极管也有0.55～0．65 V)，因此整流损耗较大。
由于集成电路已逐渐采用微功耗设计，供电电压逐渐降低，某些工作站和个人电脑要求有3.3 V甚至低至1.8 V的供电电压［1］。
显然，DC/DC变换器在输出如此低的电压时，整流管的功耗占输出功率的比重将更大，致使变换器效率更低。
另一方面，仪器设备的小型化设计要求尽量缩小其电源的体积，但耗散功率大恰成为电源小型化、薄型化的障碍。
80年代初，高频功率MOSFET刚开始得到发展，NEC公司的S.IKEDA等人就提出了一种新的整流管［2］，即采用功率MOSFET代替功率二极管作为整流元件，从而实现了输出整流管通态压降小、耗散功率低，效率高的DC/DC变换器。
功率MOSFET是一种电压型控制器件，它作为整流元件时，要求控制电压与待整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称为同步整流电路。
为满足更高频率、更大容量的同步整流电路的需要，人们不断地探索并提出更新的功率MOSFET结构［3］。
5－2－1 自控制同步整流电路拓扑分析图1为倍流同步整流有源箝位DC/DC变换器的主电路拓扑图。
变换器采用有源箝位电路，Vin 为直流输入电压，S1为主开关，S2为辅助开关，S 3和S4为同步整流管(S1～S4均为N型MOS管)，T为隔离变压器，S2和C组成有源箝位网络。
D1～D4代表S1～S4的体二极管，C1～C4代表S1～S4的等效结电容，Llk为T的漏感，Lm 为T的励磁电感，T1为理想变压器，变比为N∶1。
工作时S1和S 2轮流导通，当S1关断时，S2导通，箝位电容C被并联到T的原边，为漏感电流提供一个低阻抗的无损耗的通路，从而在每个开关周期中以最小的损耗来吸收和回放电能，同时变压器T铁心磁通又可自动复位。
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
P&C SBG Peripherals SBU
MOSFET半波整流(SR)原理波形
P&C SBG Peripherals SBU
两电感磁芯集成示意
P&C SBG Peripherals SBU
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。
同步整流技术培训-PPT文档资料
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一、传统二极管整流电路面临的问题
随着电子技术的发展，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。
开关电源损 耗主要来源
高频变压器 功率开关管
输出端整流管
在低压、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（UFRD）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。
四、同步整流的类别和说明
根据功率 MOS 2SR 驱动形式的不同 ,得到如下同步整流器的分类图。
它激式 交叉式
正激有源钳位式 正激谐振复位式 正激多谐振式
√
同步整流技术 自激式
电流感应式 感应式 电压感应式
√
7
四、同步整流的类别和说明
交叉式同步整流 器( Cross SR)
定义: 交叉式 SR因为 SR1、 SR2 的栅极和漏极 通过主变压器交叉联接而得名. 其特点: SR 管的驱动网络简单,利用主变压器次 级的电压来实现 SR 管的开通与关断 ,无需附加 驱动器和附加变压器。
现代高频开关电源之同步整流技术 Synchronous Rectifier(SR) Technology
By DQA Terry Wang 2019-02-01
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Agenda 目录
传统二极管整流电路面临的问题 同步整流技术及其特点 同步整流的基本原理 同步整流的类别和说明 典型电路实例分析 同步整流的功率MOSFET最新进展 GW-EPS1000DA(90+)同步整流设计分析 同步整流典型案例分享
开关电源同步整流工作原理
开关电源同步整流工作原理
开关电源同步整流是一种常用的高效率电源设计技术。
其工作原理是
在开关电源的输出端介入一个同步整流电路，在开关管导通时，同步
整流管关断，反之，同步整流管导通，开关管关断。
该技术可以有效
地减小开关电源在输出电压端的压降，从而降低功率损耗，提高转换
效率。
同步整流器的工作原理如下：
1.当开关管导通时，同步整流管关断，输出电容开始放电，电压逐渐降低，但不会到达0V，因为同步整流管的导通使得输出电容通过同步整流管流出电流。
2.当开关管关断时，同步整流管导通，电流由同步整流器流回到输出端，使得输出电容得到重新充电，从而保证输出电压的稳定性。
同步整流器的优点在于，相比传统整流电路，同步整流电路在输出端
引入了一定的电阻，但在同样输出功率下，同步整流电路可以实现更
高的转换效率。
此外，同步整流电路还可以减小开关电源在输出电压
端的噪声幅度，提供更加稳定的输出电压。
同时，同步整流器还可以
减少开关电源对输出电容的压力，从而提高电容使用寿命。
总之，开关电源同步整流是一种有效提高开关电源转换效率、改善输出电压稳定性的技术。
在实际应用中，根据不同的电源设计需要和要求，可以选择不同类型的同步整流器，并进行相应的参数调整，以达到最佳的工作效果。
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同步整流技术引言
在电源转换领域，输出直流电压不高的隔离式转换器 都使用 MOSFET作为整流器件。由於这些器件上的导 通损耗较小，能够提高效率因而应用越来越广泛； 为了这种电路能够正常运作，必须对同步整流器（SR ）加以控制，这是基本的要求。同步整流器是用来取 代二极管的，所以必须选择适当的方法，按照二极管 的工作规律来驱动同步整流器。驱动信号必须用PWM 控制信号来形成，而PWM控制信号决定著开关型电路 的不同状态。
同步整流器件的特点
同步整流技术就是采用低导通电阻的功率MOS管代替开关变换器快恢复 二极管，起整流管的作用，从而达到降低整流损耗，提高效率的目的。 通常，变换器的主开关管也采用功率MOS管，但是二者还是有一些差异 的。 功率MOS管实际上是一个双向导电器件，由于工作原理的不同，而导致 了其他一些方面的差异。例如：作为主开关的MOS管通常都是硬开关， 因此要求开关速度快，以减小开关损耗；而作为整流/续流用的同步 MOS管，则要求MOS管具有低导通电阻、体二极管反向恢复电荷小、 栅极电阻小和开关特性好等特点，因此，虽然两者都是MOS管，但是它 们的工作特性和损耗机理并不一样，对它们的性能参数要求也不一样， 认识这一点，对于如何正确选用MOS管是有益的。
反激同步整流驱动电路选择
第二种是自驱动同步整流。优点是直接由变压器副边 绕组驱动或在主变压器上加独立驱动绕组，电路简单、 成本低和自适应驱动是主要优势，在商业化产品中广 泛使用。缺点是电路调试的柔性较少，在宽输入低压 范围时，有些波形需要附加限幅整形电路才能满足驱 动要求。由于Vgs的正向驱动都正比于输出电压，调 节驱动绕组的匝数可以确定比例系数，且输出电压都 是很稳定的，所以驱动电压也很稳定。比较麻烦的是 负向电压可能会超标，需要在设计变压器变比时考虑 驱动负压幅度。
工作方式的比较
传统的同步整流方案基本上都是PWM型同 步整流，主开关与同步整流开关的驱动信号 之间必须设置一定的死区时间，以避免交叉 导通，因此，同步整流MOS管就存在体二 极管导通和反向恢复等问题，从而降低同步 整流电路的性能。
双端自激、隔离式同步整流电路
实际举例（反激同步整流设计 ）
低压大电流DC-DC模块电源一直占模块电源市场 需求的一半左右，对其相关技术的研究有着重要的 应用价值。模块电源的高效率是各厂家产品的亮点， 也是业界追逐的重要目标之一。同步整流可有效减 少整流损耗，与适当的电路拓扑结合，可得到低成 本的高效率变换器。本文针对36V-75V输入， 3.3V/15A输出的二次电源模块，在分析同步整流技 术的基础上，根据同步整流的特点，选择出适合于 自驱动同步整流的反激电路拓扑，进行了详细的电 路分析和试验。
反激同步整流驱动电路选择
第三种是半自驱。其驱动波形的上升或下降沿， 一个是由主变压器提供的信号，另一个是独立 的外驱动电路提供的信号。上图是针对自驱的 负压问题，用单独的放电回路，提供同步整流 管的关断信号，避开了自驱动负压放电的电压 超标问题。
问题举例
假设采用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。
基本的反激电路结构
一种实际的外驱电路
增加驱动能力的外驱电路
由NMOSFET构成的反激同步整 流自驱动电路结构
由PMOSFET构成的反激同步整 流自驱动电路结构
反激同步整流驱动电路选择
同步整流管的驱动方式有三种：第一种是外加驱动控 制电路，优点是其驱动波形的质量高，调试方便。缺 点是：电路复杂，成本高，在追求小型化和低成本的 今天只有研究价值，基本没有应用价值。上图是简单 的外驱电路，R1D1用于调整死区。该电路的驱动能 力较小，在同步整流管的Ciss较小时，可以使用。图 6是在图5的基础上增加副边推挽驱动电路的结构，可 以驱动Ciss较大的MOSFET。在输出电压低于5V时， 需要增加驱动电路供电电源。
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。
传统二极管整流问题
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。