DC-DC----同步整流和異步整流

1.同步和異步整流

同步：同步整流是采用導(dǎo)通電阻極低的專用功率MOS，來取代整流二極管以降低整流損耗。它能大大提高DC-DC變換器的效率并且不存在由肖特基勢(shì)壘電壓而造成的死區(qū)電壓。功率MOS屬于電壓控制型器件，它在導(dǎo)通時(shí)的伏安特性呈線性關(guān)系。用功率MOS做整流器時(shí)，要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步(本質(zhì)是直流轉(zhuǎn)“交流”，“交流”再平滑為直流)才能完成整流功能，故稱之為同步整流。

異步：只有一個(gè)MOS管(或者說開關(guān)管)續(xù)流元件是二極管這種類型就屬于異步整流。

圖6-1：異步降壓和同步降壓

在應(yīng)用中上下管都是MOS管就是同步的，只有一個(gè)上管的開關(guān)的就是非同步的，在主功率那一級(jí)中的功率開關(guān)管是我們常見的晶體管，而續(xù)流二極管變成了開關(guān)管，那么這個(gè)開關(guān)管就叫同步場(chǎng)效應(yīng)管。一個(gè)柵極半橋驅(qū)動(dòng)控制器，外圍加上上下兩個(gè)DrMOS管，那么上管就是功率管，下管是同步的場(chǎng)效應(yīng)管，如此就可以看出它是一個(gè)同步結(jié)構(gòu)的Buck電路。

2.同異步整流的區(qū)別

圖5-2：同步和異步整流電流路徑

對(duì)于異步整流，當(dāng)降壓比高時(shí)，續(xù)流二極管的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)，而如果Vout低，整體損耗比例會(huì)因?yàn)槔m(xù)流二極管的VF而變大。并且電流通過二極管只朝一個(gè)方向流動(dòng)，成為不連續(xù)工作產(chǎn)生振鈴。對(duì)于同步整流，輕負(fù)載時(shí)，電感電流有時(shí)會(huì)變?yōu)?A，電流可以通過MOS逆流，以維持并穩(wěn)定連續(xù)工作。

如下圖5-3是異步降壓型，當(dāng)輸入電壓為5V，輸出電壓為1V，振蕩頻率為1MHZ，不連續(xù)工作時(shí)的波形圖：電流通過二極管只朝一個(gè)方向流動(dòng)，成為不連續(xù)工作產(chǎn)生振鈴。

圖5-3：異步產(chǎn)生的振鈴現(xiàn)象

圖5-4：同異步電流Id

異步整流的損耗=VF×Iout×(1-ON Duty)

同步整流ON時(shí)的損耗=Iout2×Ron×(1-ON Duty);Ron：下管SW的導(dǎo)通電阻

假設(shè)Vin=5V，Vout=1V，Iout=2A，那么異步整流二極管的損耗為：P=0.5×2×(1-0.2)=0.8W，同步整流MOS的損耗為P=2×2×0.05×(1-0.2)=0.16W，可見電流越大，損耗差別越大。

3.同異整流的死區(qū)

為避免同步整流時(shí)上管和下管同時(shí)打開，二者中間需要一段死區(qū)時(shí)間(安全區(qū))，死區(qū)時(shí)間越長(zhǎng)，電源工作更加安全可靠，但會(huì)帶來Vout和Iout的波動(dòng)及降低輸出效率，圖5-5簡(jiǎn)單示意了一下死區(qū)的含義，集成DC-DC死區(qū)參數(shù)已經(jīng)設(shè)計(jì)好，這里不仔細(xì)展開。真正的死區(qū)時(shí)間受到PWM的上升下降快慢，上下管的寄生電容、開啟關(guān)閉時(shí)間等等的影響，這一點(diǎn)在柵極驅(qū)動(dòng)系列里面會(huì)詳細(xì)講到。

圖5-5：死區(qū)時(shí)間

MOS中有寄生體二極管，因此當(dāng)MOS為OFF時(shí)，電流仍可通過體二極管流動(dòng)，如果沒有死區(qū)時(shí)間，上下MOS將同時(shí)導(dǎo)通產(chǎn)生貫通電流(圖5-6)，貫通電流超過MOS的Ismax，或者沒有超過Ismax，但持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)也會(huì)熱損傷燒壞MOS。

圖5-6：貫穿電流

4.小結(jié)：

異步的優(yōu)缺點(diǎn)：

在輸出電流變化的情況下，二極管的電壓降相當(dāng)恒定，當(dāng)續(xù)流二極管正向?qū)〞r(shí)，輸出電流變化，二極管的正向壓降是恒定不變的，鍺管的壓降為0.2-0.3V,硅管的壓降為0.7V。

因?yàn)槎O管的電壓降恒定，所以當(dāng)流過二極管的電流很大的時(shí)候，原本在二極管上很小的電壓再乘以電流損耗就會(huì)比較大，輸出的電壓很低的時(shí)候，這時(shí)候的二極管的小電壓降就占了很大的比重，所以在大電流的時(shí)候效率就會(huì)降低。

在輸入電壓比較高的時(shí)候使用可以，因?yàn)樵谳敵鲭妷焊邥r(shí)，二極管的正向?qū)▔航邓嫉谋戎睾苄。瑢?duì)效率的影響比較低，而且它的電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，不需要外加控制電路。

異步的優(yōu)缺點(diǎn)：

在MOS的參數(shù)中一個(gè)很重要的參數(shù)是MOS的導(dǎo)通電阻Rdson ，一般情況MOS的導(dǎo)通電阻Rdson非常小，一般為毫歐級(jí)別，所以MOS在導(dǎo)通之后的壓降比較低。

在相同的條件下，一般的MOS管的導(dǎo)通電壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通肖特基二極管的正向?qū)▔航档模栽陔娏鞑蛔兊那闆r下，MOS管的損耗功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)比二極管小，所以使用MOS管的效率會(huì)比使用二極管的效率高

MOS管需要驅(qū)動(dòng)電路，同步整流需要為MOS管額外添加一個(gè)控制電路，使得上下兩個(gè)MOS管能夠同步，而非同步的二極管是自然整流的，不需要額外添加驅(qū)動(dòng)控制電路，所以對(duì)于非同步，同步的電路會(huì)復(fù)雜一些。

MOS管不是理想的開關(guān)，它有開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間，如果上下兩個(gè)管子的死區(qū)時(shí)間沒有控制好，使上管的關(guān)斷時(shí)間和下管的開通時(shí)間有重疊，造成直通現(xiàn)象，那么MOS管就會(huì)因電流過大而損壞，如果集成了上下管，這些就不需要擔(dān)心的太多。