DC-DC----同步整流和异步整流
1.同步和异步整流
(资料图片仅供参考)
同步:同步整流是采用导通电阻极低的专用功率MOS,来取代整流二极管以降低整流损耗。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MOS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MOS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(本质是直流转“交流”,“交流”再平滑为直流)才能完成整流功能,故称之为同步整流。
异步:只有一个MOS管(或者说开关管)续流元件是二极管这种类型就属于异步整流。
图6-1:异步降压和同步降压
在应用中上下管都是MOS管就是同步的,只有一个上管的开关的就是非同步的,在主功率那一级中的功率开关管是我们常见的晶体管,而续流二极管变成了开关管,那么这个开关管就叫同步场效应管。一个栅极半桥驱动控制器,外围加上上下两个DrMOS管,那么上管就是功率管,下管是同步的场效应管,如此就可以看出它是一个同步结构的Buck电路。
2.同异步整流的区别
图5-2:同步和异步整流电流路径
对于异步整流,当降压比高时,续流二极管的导通时间长,而如果Vout低,整体损耗比例会因为续流二极管的VF而变大。并且电流通过二极管只朝一个方向流动,成为不连续工作产生振铃。对于同步整流,轻负载时,电感电流有时会变为0A,电流可以通过MOS逆流,以维持并稳定连续工作。
如下图5-3是异步降压型,当输入电压为5V,输出电压为1V,振荡频率为1MHZ,不连续工作时的波形图:电流通过二极管只朝一个方向流动,成为不连续工作产生振铃。
图5-3:异步产生的振铃现象
图5-4:同异步电流Id
异步整流的损耗=VF×Iout×(1-ON Duty)
同步整流ON时的损耗=Iout²×Ron×(1-ON Duty);Ron:下管SW的导通电阻
假设Vin=5V,Vout=1V,Iout=2A,那么异步整流二极管的损耗为:P=0.5×2×(1-0.2)=0.8W,同步整流MOS的损耗为P=2×2×0.05×(1-0.2)=0.16W,可见电流越大,损耗差别越大。
3.同异整流的死区
为避免同步整流时上管和下管同时打开,二者中间需要一段死区时间(安全区),死区时间越长,电源工作更加安全可靠,但会带来Vout和Iout的波动及降低输出效率,图5-5简单示意了一下死区的含义,集成DC-DC死区参数已经设计好,这里不仔细展开。真正的死区时间受到PWM的上升下降快慢,上下管的寄生电容、开启关闭时间等等的影响,这一点在栅极驱动系列里面会详细讲到。
图5-5:死区时间
MOS中有寄生体二极管,因此当MOS为OFF时,电流仍可通过体二极管流动,如果没有死区时间,上下MOS将同时导通产生贯通电流(图5-6),贯通电流超过MOS的Ismax,或者没有超过Ismax,但持续时间过长也会热损伤烧坏MOS。
图5-6:贯穿电流
4.小结:
异步的优缺点:
在输出电流变化的情况下,二极管的电压降相当恒定,当续流二极管正向导通时,输出电流变化,二极管的正向压降是恒定不变的,锗管的压降为0.2-0.3V,硅管的压降为0.7V。
因为二极管的电压降恒定,所以当流过二极管的电流很大的时候,原本在二极管上很小的电压再乘以电流损耗就会比较大,输出的电压很低的时候,这时候的二极管的小电压降就占了很大的比重,所以在大电流的时候效率就会降低。
在输入电压比较高的时候使用可以,因为在输出电压高时,二极管的正向导通压降所占的比重很小,对效率的影响比较低,而且它的电路结构比较简单,不需要外加控制电路。
异步的优缺点:
在MOS的参数中一个很重要的参数是MOS的导通电阻Rdson ,一般情况MOS的导通电阻Rdson非常小,一般为毫欧级别,所以MOS在导通之后的压降比较低。
在相同的条件下,一般的MOS管的导通电压降远远小于普通肖特基二极管的正向导通压降的,所以在电流不变的情况下,MOS管的损耗功率远远比二极管小,所以使用MOS管的效率会比使用二极管的效率高
MOS管需要驱动电路,同步整流需要为MOS管额外添加一个控制电路,使得上下两个MOS管能够同步,而非同步的二极管是自然整流的,不需要额外添加驱动控制电路,所以对于非同步,同步的电路会复杂一些。
MOS管不是理想的开关,它有开通时间和关断时间,如果上下两个管子的死区时间没有控制好,使上管的关断时间和下管的开通时间有重叠,造成直通现象,那么MOS管就会因电流过大而损坏,如果集成了上下管,这些就不需要担心的太多。
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