在當(dāng)今電子技術(shù)飛速發(fā)展的時代，電路的工作特性發(fā)生了顯著變化，工作電壓越來越低、電流越來越大。這種變化雖然有利于降低電路的整體功率消耗，但也給電源設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。其中，傳統(tǒng)二極管整流問題在低電壓、大電流輸出的情況下變得尤為突出。

傳統(tǒng)二極管整流問題剖析

開關(guān)電源的損耗主要由功率開關(guān)管的損耗、高頻變壓器的損耗以及輸出端整流管的損耗三部分組成。在低電壓、大電流輸出的場景下，整流二極管的導(dǎo)通壓降較高，使得輸出端整流管的損耗占據(jù)了較大比重。例如，快恢復(fù)二極管（FRD）或超快恢復(fù)二極管（SRD）的導(dǎo)通壓降可達 1.0 - 1.2V，即使采用低壓降的肖特基二極管（SBD），也會產(chǎn)生大約 0.6V 的壓降。這就導(dǎo)致整流損耗增大，電源效率降低。

以采用 3.3V 甚至 1.8V 或 1.5V 的供電電壓，且消耗電流可達 20A 的情況為例，此時超快恢復(fù)二極管的整流損耗已接近甚至超過電源輸出功率的 50％。即便采用肖特基二極管，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(tǒng)的二極管整流電路已難以滿足低電壓、大電流開關(guān)電源對高效率及小體積的需求，成為制約 DC／DC 變換器提高效率的瓶頸。

同步整流技術(shù)的引入

在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，輸出直流電壓不高的隔離式轉(zhuǎn)換器通常使用 MOSFET 作為整流器件。由于這些器件的導(dǎo)通損耗較小，能夠有效提高效率，因此應(yīng)用越來越廣泛。為了使這種電路正常工作，必須對同步整流器（SR）進行有效控制，這是基本要求。同步整流器用于取代二極管，所以需要選擇合適的方法，按照二極管的工作規(guī)律來驅(qū)動同步整流器。驅(qū)動信號通常由 PWM 控制信號形成，而 PWM 控制信號決定著開關(guān)型電路的不同狀態(tài)。

同步整流器件的特點

同步整流技術(shù)采用低導(dǎo)通電阻的功率 MOS 管代替開關(guān)變換器快恢復(fù)二極管，起到整流管的作用，從而降低整流損耗，提高效率。雖然變換器的主開關(guān)管也常采用功率 MOS 管，但二者存在一些差異。功率 MOS 管是雙向?qū)щ娖骷?，由于工作原理不同，其在其他方面也有所不同。例如，作為主開關(guān)的 MOS 管通常為硬開關(guān)，要求開關(guān)速度快以減小開關(guān)損耗；而作為整流 / 續(xù)流用的同步 MOS 管，則要求具有低導(dǎo)通電阻、體二極管反向恢復(fù)電荷小、柵極電阻小和開關(guān)特性好等特點。因此，盡管都是 MOS 管，但它們的工作特性和損耗機理不同，對性能參數(shù)的要求也不一樣，正確認識這一點對于選用 MOS 管非常重要。

同步整流的基本電路結(jié)構(gòu)

同步整流是采用通態(tài)電阻極低的專用功率 MOSFET 來取代整流二極管，以降低整流損耗的新技術(shù)。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造成的死區(qū)電壓。功率 MOSFET 屬于電壓控制型器件，導(dǎo)通時的伏安特性呈線性關(guān)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，因此被稱為同步整流。

工作方式的比較

傳統(tǒng)的同步整流方案大多是 PWM 型同步整流，主開關(guān)與同步整流開關(guān)的驅(qū)動信號之間需要設(shè)置一定的死區(qū)時間，以避免交叉導(dǎo)通。然而，這也導(dǎo)致同步整流 MOS 管存在體二極管導(dǎo)通和反向恢復(fù)等問題，從而降低了同步整流電路的性能。

實際舉例 —— 反激同步整流設(shè)計

在反激同步整流設(shè)計中，有多種不同的電路結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式。例如基本的反激電路結(jié)構(gòu)，以及由 NMOSFET 和 PMOSFET 構(gòu)成的反激同步整流自驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)等。

反激同步整流驅(qū)動電路選擇

同步整流管的驅(qū)動方式主要有以下三種：

1. 外加驅(qū)動控制電路：優(yōu)點是驅(qū)動波形的質(zhì)量高，調(diào)試方便；缺點是電路復(fù)雜，成本高，在追求小型化和低成本的當(dāng)下，基本只有研究價值，應(yīng)用價值不大。簡單的外驅(qū)電路中，R1D1 用于調(diào)整死區(qū)，該電路的驅(qū)動能力較小，適用于同步整流管的 Ciss 較小時。在其基礎(chǔ)上增加副邊推挽驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)，可以驅(qū)動 Ciss 較大的 MOSFET。當(dāng)輸出電壓低于 5V 時，需要增加驅(qū)動電路供電電源。
2. 自驅(qū)動同步整流：直接由變壓器副邊繞組驅(qū)動或在主變壓器上加獨立驅(qū)動繞組，具有電路簡單、成本低和自適應(yīng)驅(qū)動的優(yōu)勢，在商業(yè)化產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。不過，電路調(diào)試的柔性較少，在寬輸入低壓范圍時，有些波形需要附加限幅整形電路才能滿足驅(qū)動要求。由于 Vgs 的正向驅(qū)動都正比于輸出電壓，調(diào)節(jié)驅(qū)動繞組的匝數(shù)可以確定比例系數(shù)，且輸出電壓穩(wěn)定，所以驅(qū)動電壓也較穩(wěn)定。但負向電壓可能會超標(biāo)，需要在設(shè)計變壓器變比時考慮驅(qū)動負壓幅度。
3. 半自驅(qū)：其驅(qū)動波形的上升或下降沿，一個由主變壓器提供的信號，另一個由獨立的外驅(qū)動電路提供的信號。針對自驅(qū)的負壓問題，采用單獨的放電回路，提供同步整流管的關(guān)斷信號，避開了自驅(qū)動負壓放電的電壓超標(biāo)問題。