一、傳統二極管整流電路面臨的問題

近年來，電子技術的發展，使得電路的工作電壓越來越低、電流越來越大。低電壓工作有利于降低電路的整體功率消耗，但也給電源設計提出了新的難題。

開關電源的損耗主要由3部分組成：功率開關管的損耗，高頻變壓器的損耗，輸出端整流管的損耗。在低電壓、大電流輸出的情況下，整流二極管的導通壓降較高，輸出端整流管的損耗尤為突出。快恢復二極管（FRD）或超快恢復二極管（SRD）可達1.0～1.2V，即使采用低壓降的肖特基二極管（SBD），也會產生大約0.6V的壓降，這就導致整流損耗增大，電源效率降低。

舉例說明，目前筆記本電腦普遍采用3.3V甚至1.8V或1.5V的供電電壓，所消耗的電流可達20A。此時超快恢復二極管的整流損耗已接近甚至超過電源輸出功率的50％。即使采用肖特基二極管，整流管上的損耗也會達到（18％～40％）PO，占電源總損耗的60％以上。因此，傳統的二極管整流電路已無法滿足實現低電壓、大電流開關電源高效率及小體積的需要，成為制約DC／DC變換器提高效率的瓶頸。

二、同步整流的基本電路結構

同步整流是采用通態電阻極低的專用功率MOSFET，來取代整流二極管以降低整流損耗的一項新技術。它能大大提高DC／DC變換器的效率并且不存在由肖特基勢壘電壓而造成的死區電壓。功率MOSFET屬于電壓控制型器件，它在導通時的伏安特性呈線性關系。用功率MOSFET做整流器時，要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱之為同步整流。

1、基本的變壓器抽頭方式雙端自激、隔離式降壓同步整流電路

2、單端自激、隔離式降壓同步整流電路

圖1 單端降壓式同步整流器的基本原理圖

基本原理如圖1所示，V1及V2為功率MOSFET，在次級電壓的正半周，V1導通，V2關斷，V1起整流作用；在次級電壓的負半周，V1關斷，V2導通，V2起到續流作用。同步整流電路的功率損耗主要包括V1及V2的導通損耗及柵極驅動損耗。當開關頻率低于1MHz時，導通損耗占主導地位；開關頻率高于1MHz時，以柵極驅動損耗為主。

3、半橋他激、倍流式同步整流電路

圖2 單端降壓式同步整流器的基本原理圖

該電路的基本特點是：

1）變壓器副邊只需一個繞組，與中間抽頭結構相比較，它的副邊繞組數只有中間抽頭結構的一半，所以損耗在副邊的功率相對較小；

2）輸出有兩個濾波電感，兩個濾波電感上的電流相加后得到輸出負載電流，而這兩個電感上的電流紋波有相互抵消的作用，所以，最終得到了很小的輸出電流紋波；

3）流過每個濾波電感的平均電流只有輸出電流的一半，與中間抽頭結構相比較，在輸出濾波電感上的損耗明顯減小了；

4）較少的大電流連接線（high current inter-connection），在倍流整流拓撲中，它的副邊大電流連接線只有2路，而在中間抽頭的拓撲中有3路；

5）動態響應很好。

它唯一的缺點就是需要兩個輸出濾波電感，在體積上相對要大些。但是，有一種叫集成磁（integrated magnetic）的方法，可以將它的兩個輸出濾波電感和變壓器都集成到同一個磁芯內，這樣可以大大地減小變換器的體積。

三、電路實例分析

16.5W同步整流式DC／DC電源變換器的設計

下面介紹一種正激、隔離式16.5WDC／DC電源變換器，它采用DPA－Switch系列單片開關式穩壓器DPA424R，直流輸入電壓范圍是36～75V，輸出電壓為3.3V，輸出電流為5A，輸出功率為16.5W。采用400kHz同步整流技術，大大降低了整流器的損耗。當直流輸入電壓為48V時，電源效率η=87％。變換器具有完善的保護功能，包括過電壓／欠電壓保護，輸出過載保護，開環故障檢測，過熱保護，自動重啟動功能、能限制峰值電流和峰值電壓以避免輸出過沖。

由DPA424R構成的16.5W同步整流式DC／DC電源變換器的電路如圖3所示。與分立元器件構成的電源變換器相比，可大大簡化電路設計。由C1、L1和C2構成輸入端的電磁干擾（EMI）濾波器，可濾除由電網引入的電磁干擾。R1用來設定欠電壓值（UUV）及過電壓值（UOV），取R1=619kΩ時，UUV=619kΩ×50μA＋2.35V=33.3V，UOV=619kΩ×135μA＋2.5V=86.0V。當輸入電壓過高時R1還能線性地減小最大占空比，防止磁飽和。R3為極限電流設定電阻，取R3=11.1kΩ時，所設定的漏極極限電流I′LIMIT=0.6ILIMIT=0.6×2.50A=1.5A。電路中的穩壓管VDZ1（SMBJ150）對漏極電壓起箝位作用，能確保高頻變壓器磁復位。

圖3 16.5W同步整流式DC／DC電源變換器的電路

該電源采用漏－源通態電阻極低的SI4800型功率MOSFET做整流管，其最大漏－源電壓UDS(max)=30V，最大柵－源電壓UGS(max)=±20V，最大漏極電流為9A（25℃）或7A（70℃），峰值漏極電流可達40A，最大功耗為2.5W（25℃）或1.6W（70℃）。SI4800的導通時間tON=13ns（包含導通延遲時間td(ON)=6ns，上升時間tR=7ns），關斷時間tOFF=34ns（包含關斷延遲時間td(OFF)=23ns，下降時間tF=11ns），跨導gFS=19S。工作溫度范圍是－55～＋150℃。SI4800內部有一只續流二極管VD，反極性地并聯在漏－源極之間（負極接D，正極接S），能對MOSFET功率管起到保護作用。VD的反向恢復時間trr=25ns。

功率MOSFET與雙極型晶體管不同，它的柵極電容CGS較大，在導通之前首先要對CGS進行充電，僅當CGS上的電壓超過柵－源開啟電壓〔UGS(th)〕時，MOSFET才開始導通。對SI4800而言，UGS(th)≥0.8V。為了保證MOSFET導通，用來對CGS充電的UGS要比額定值高一些，而且等效柵極電容也比CGS高出許多倍。

SI4800的柵－源電壓（UGS）與總柵極電荷（QG）的關系曲線如圖7所示。由圖7可知

QG=QGS＋QGD＋QOD（1）

式中：QGS為柵－源極電荷；

QGD為柵－漏極電荷，亦稱米勒（Miller）電容上的電荷；

QOD為米勒電容充滿后的過充電荷。

圖4 SI4800的UGS與QG的關系曲線

當UGS=5V時，QGS=2.7nC，QGD=5nC，QOD=4.1nC，代入式（1）中不難算出，總柵極電荷QG=11.8nC。

等效柵極電容CEI等于總柵極電荷除以柵－源電壓，即

CEI=QG／UGS（2）

將QG=11.8nC及UGS=5V代入式（2）中，可計算出等效柵極電容CEI=2.36nF。需要指出，等效柵極電容遠大于實際的柵極電容（即CEI>>CGS），因此，應按CEI來計算在規定時間內導通所需要的柵極峰值驅動電流IG（PK）。IG（PK）等于總柵極電荷除以導通時間，即

IG=QG／tON（3）

將QG=11.8nC，tON=13ns代入式（3）中，可計算出導通時所需的IG(PK)=0.91A。

同步整流管V2由次級電壓來驅動，R2為V2的柵極負載。同步續流管V1直接由高頻變壓器的復位電壓來驅動，并且僅在V2截止時V1才工作。當肖特基二極管VD2截止時，有一部分能量存儲在共模扼流圈L2上。當高頻變壓器完成復位時，VD2續流導通，L2中的電能就通過VD2繼續給負載供電，維持輸出電壓不變。輔助繞組的輸出經過VD1和C4整流濾波后，給光耦合器中的接收管提供偏置電壓。C5為控制端的旁路電容。上電啟動和自動重啟動的時間由C6決定。

輸出電壓經過R10和R11分壓后，與可調式精密并聯穩壓器LM431中的2.50V基準電壓進行比較，產生誤差電壓，再通過光耦合器PC357去控制DPA424R的占空比，對輸出電壓進行調節。R7、VD3和C3構成軟啟動電路，可避免在剛接通電源時輸出電壓發生過沖現象。剛上電時，由于C3兩端的電壓不能突變，使得LM431不工作。隨著整流濾波器輸出電壓的升高并通過R7給C3充電，C3上的電壓不斷升高，LM431才轉入正常工作狀態。在軟啟動過程中，輸出電壓是緩慢升高的，最終達到3.3V的穩定值。

四、用于同步整流的功率MOSFET最新進展

為滿足高頻、大容量同步整流電路的需要，近年來一些專用功率MOSFET不斷問世，典型產品有FAIRCHILD公司生產的NDS8410型N溝道功率MOSFET，其通態電阻為0.015Ω。Philips公司生產的SI4800型功率MOSFET是采用TrenchMOSTM技術制成的，其通、斷狀態可用邏輯電平來控制，漏－源極通態電阻僅為0.0155Ω。IR公司生產的IRL3102（20V／61A）、IRL2203S（30V／116A）、IRL3803S（30V／100A）型功率MOSFET，它們的通態電阻分別為0.013Ω、0.007Ω和0.006Ω，在通過20A電流時的導通壓降還不到0.3V。這些專用功率MOSFET的輸入阻抗高，開關時間短，現已成為設計低電壓、大電流功率變換器的首選整流器件。

最近，國外IC廠家還開發出同步整流集成電路（SRIC）。例如，IR公司最近推出的IR1176就是一種專門用于驅動N溝道功率MOSFET的高速CMOS控制器。IR1176可不依賴于初級側拓撲而單獨運行，并且不需要增加有源箝位（active clamp）、柵極驅動補償等復雜電路。IR1176適用于輸出電壓在5V以下的大電流DC／DC變換器中的同步整流器，能大大簡化并改善寬帶網服務器中隔離式DC／DC變換器的設計。IR1176配上IRF7822型功率MOSFET，可提高變換器的效率。當輸入電壓為＋48V，輸出為＋1.8V、40A時，DC／DC變換器的效率可達86％，輸出為1.5V時的效率仍可達到85％。

4 結語

在設計低電壓、大電流輸出的DC／DC變換器時，采用同步整流技術能顯著提高電源效率。在驅動較大功率的同步整流器時，要求柵極峰值驅動電流IG(PK)≥1A時，還可采用CMOS高速功率MOSFET驅動器，例如Microchip公司開發的TC4426A～TC4428A。