同步整流通過(guò)降低功耗提高效率

　　一些應(yīng)用要求盡可能高的功率效率。例如，在某種惡劣環(huán)境下，要求DC/DC電源在高環(huán)境溫度下工作，這時(shí)就需要低功耗，以讓半導(dǎo)體器件的結(jié)溫保持在其額定范圍以內(nèi)。其他應(yīng)用可能必須達(dá)到“能源之星”規(guī)范或者綠色模式標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格效率要求。電池供電型應(yīng)用的用戶希望獲得最長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間，而降低功耗可以直接延遲設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。今天，我們都知道，使用同步整流器可以降低功耗，并提高散熱性能。低功耗應(yīng)用的降壓轉(zhuǎn)換器和控制器設(shè)計(jì)人員已經(jīng)在使用這種方法。另外，人們還開(kāi)發(fā)了同步升壓控制器，用于解決升壓應(yīng)用的功率效率問(wèn)題。

　　典型應(yīng)用

　　我們使用兩個(gè)典型的升壓應(yīng)用來(lái)說(shuō)明同步和非同步整流之間的差異。第一個(gè)是低輸入電壓應(yīng)用，其可工作在低占空比下，也即輸出電壓接近輸入電壓時(shí)。這種系統(tǒng)的輸入例子是USB端口，或者一塊2節(jié)或者3節(jié)串聯(lián)電池組成的鋰離子(Li-Ion)電池組。DC/DC電源升高電壓，對(duì)2節(jié)鋰離子電池或者一臺(tái)平板電腦的電池進(jìn)行充電。另一個(gè)應(yīng)用增高系統(tǒng)電源軌的電壓至高輸出電壓，其可工作在更高的占空比下，這時(shí)輸出電壓遠(yuǎn)高于輸入電壓。輸入例子為12V電源軌。功率放大器、工業(yè)計(jì)算機(jī)或者高能量密度的能量存儲(chǔ)，均需要高輸出電壓。

　　為了說(shuō)明同步整流的好處，我們使用真實(shí)電路對(duì)每個(gè)應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試，以比較效率和功耗。TI的TPS43060/61同步升壓控制器，用于展示這些同步設(shè)計(jì)。這些電流模式升壓控制器集成了控制與門驅(qū)動(dòng)電路，用于低側(cè)和高側(cè)MOSFET.TI的TPS40210電流模式、低側(cè)開(kāi)關(guān)升壓控制器用于非同步設(shè)計(jì)。

　　基礎(chǔ)操作

　　圖1顯示了步進(jìn)(升壓)拓?fù)涞牡湫徒Y(jié)構(gòu)圖。這種拓?fù)溆傻蛡?cè)功率MOSFET(Q1)、功率電感(L1)和輸出電容器(C1)組成。就同步拓?fù)涠?，高?cè)MOSFET(Q2)用于整流開(kāi)關(guān)。

　　圖1 同步與非同步升壓電路

　　在非同步升壓拓?fù)渲?，使用了一個(gè)功率二極管(D1)。圖2顯示了開(kāi)關(guān)和電感的電壓和電流的等效波形。在Q1“導(dǎo)通”期間，電感電流斜線上升，并且VOUT從VIN斷開(kāi)。在此期間，輸出電容器必須為負(fù)載供電。在“斷開(kāi)”期間，電感電流斜線下降，并通過(guò)整流開(kāi)關(guān)對(duì)輸出電容器充電。整流器的峰值電流等于開(kāi)關(guān)的峰值電流。

　　整流開(kāi)關(guān)的選擇

　　非同步控制器使用一個(gè)外部功率二極管作為整流開(kāi)關(guān)。選擇功率二極管時(shí)需考慮的三個(gè)主要方面是：反向電壓、正向電流和正向壓降。反向電壓應(yīng)高于輸出電壓，包括開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴余量。正向額定電流應(yīng)至少等于電感器的峰值電流。正向電壓應(yīng)較小，以提高效率和降低功耗。平均二極管電流等于平均輸出電流。所選二極管封裝必須能夠處理功耗。

　　同步控制器控制整流開(kāi)關(guān)的另一個(gè)MOSFET.如果使用N通道MOSFET,則必須產(chǎn)生高于輸出電壓的電壓，以用于門驅(qū)動(dòng)器。利用一個(gè)自舉電路來(lái)產(chǎn)生這種電壓。圖1包括了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)自舉電路的典型結(jié)構(gòu)圖，其由自舉電容器(CBOOT)和自舉二極管(DBOOT)組成。在Q1“導(dǎo)通”期間，自舉電容器被充電至某個(gè)穩(wěn)定電壓(VCC)，其通常由一個(gè)控制器內(nèi)部的低壓降穩(wěn)壓器來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)Q1關(guān)閉時(shí)，電容器到接地的電壓為VOUT+VCC,并且要求電壓可用于開(kāi)啟高側(cè)開(kāi)關(guān)。控制電路也必須更加復(fù)雜，以確保整流開(kāi)關(guān)導(dǎo)通之前有足夠的延遲，從而避免兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)開(kāi)啟。如果出現(xiàn)這種情況，輸出電壓通過(guò)兩個(gè)開(kāi)關(guān)短路至接地，引起可損壞開(kāi)關(guān)的強(qiáng)電流。

　　整流開(kāi)關(guān)的功耗

　　為了比較兩個(gè)不同整流器的效率，我們應(yīng)計(jì)算出功耗。在非同步拓?fù)渲?，可使用方程?估算出整流功率

　　二極管的功耗：

　　使用一個(gè)同步整流器時(shí)，共有兩個(gè)主要功耗源：傳導(dǎo)功耗和空時(shí)損耗。當(dāng)?shù)蛡?cè)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，在高側(cè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通以前存在一定的時(shí)間延遲(tDELAY)。在這種延遲期間，高側(cè)開(kāi)關(guān)的體二極管(V S D)導(dǎo)電。一般而言，這被稱作空時(shí)(停滯時(shí)間)。當(dāng)高側(cè)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)，同樣存在MOSFET的RD S(O N)帶來(lái)的傳導(dǎo)損耗。方程式2計(jì)算占空比(D)，而方程式3估算損耗(PQ2)：

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