什么是同步整流开关电源(开关电源同步整流的工作原理)

开关电源中的同步整流电路

好长时间没有更新公众号了，尽管表示很焦虑，但每天下班就只想懒洋洋待着，做一些不费脑子的事情，我想也许是我每天的“自控力”被其他事情耗尽了吧！不过据说自控力的总值是可以经锻炼变多的，而且还有正反馈一说，所以燥起来吧，让自己每天能做更多事情。

原本这次想写反激式开关电源的，这个主题虽然以前也写过，但那时候道行太浅，如今再写应该会更深入些，不过今天我还是把魔掌伸向了同步整流，一是我最近接触这个比较多，二是反激式开关电源的内容还没准备好，先拿这个过渡一下。

01、什么是同步整流

同步整流是一种提高电路转换效率的技术，该技术通常在输出为低压大电流的开关电源中使用，因为这种开关电源的整流电路中一旦有非有效压降存在，对能量的消耗就会比较可观，源端就需要给出更多的能量来满足正常输出。随着低压大电流成为一种趋势，伟大的前辈们发明了同步整流技术——在输出电路中采用导通电阻极低的功率mos管替代导通压降较高的整流二极管，有效提高了电路的转换效率。

02、同步整流的代价

任何好的转变都需要付出代价，同步整流电路也不例外。

采用功率MOS管代替整流二极管需要有驱动电路，因为它并不能像整流二极管一样自动截止反向电流，从而导致成本变高，同时驱动电路还要保证给到栅极的驱动电压与被整流电压保持相位同步，即达到所谓同步整流的目的，因此如何精准控制MOS管的开关成了同步整流的难点。

同步整流MOS管的驱动方式主要有两种：自驱动和外驱动（也叫自激和他激），自驱动同步整流电路又分为电压型和电流型，电压型自驱动电路结构简单，成本低，多用于带有变压器的开关电源，因为其驱动电压一般来自同步整流管所在回路中的变压器绕组或其他辅助绕组，电流型自驱动电路的驱动电压为同步整流管中的电流经电流互感器产生，但电流互感器的价格相对比较昂贵；外驱动同步整流适用于所有开关电源，控制时序精确，但需要外设驱动电路，成本较高。

03、同步整流电路的设计

下面就正式进入主题，如何设计一个同步整流电路。由于是针对低压大电流开关电源，下面就只针对BUCK（降压）电源、FORWARD（正激）电源和FLYBACK（反激）电源来讨论。

首先引入眼帘的是BUCK电源，利用低导通电阻的MOS管Q2代替D1作续流管使用，通常采用外驱动方式控制Q2的导通与断开，其驱动方式为主开关Q1导通时同步整流管Q2断开，主开关Q1断开时同步整流管Q2导通，这种驱动方式也被称作互补型驱动，由于主开关、同步整流管在同一侧，其控制电路的设计也不复杂，但需避免Q1、Q2同时导通的情况发生。

FORWARD开关电源可以看作是在BUCK电源中增加了变压器，在做同步整流设计时只需要用MOS管代替副边线圈中的整流二极管。需注意的是，为方便同步整流设计，在保证同步整流管的体二极管方向与普通整流电路中整流二极管一致的情况下，可将同步整流管共地连接。

FORWARD电源的同步整理管可采用自驱动/外驱动两种驱动方式，自驱动电路如下图所示。

以直接自驱动电路为例，当原边线圈与副边线圈都导通时，同步整流管Q1起整流作用,Q2断开；当原边线圈未导通时，同步整流管Q2起续流作用,Q1断开。可以发现，直接自驱动的驱动信号直接来自变压器副边绕组，但当变压器复位为0时，电流需经同步整流管Q2的体二极管续流，反而容易增加电路损耗，因此如何减少体二极管的续流时间为自驱动电路优化的一个方向。

同步整流电路的外驱动电路设计我们以反激式开关电源为例进行讲解。

同样的，将副边线圈中的续流二极管D1用同步整流管Q1替代，就构成了反激式开关电源的同步整流电路。反激式开关电源的同步整流自驱动方式和其工作模式有关，当工作在DCM（电流断续）模式下，可采用通过电流互感器得到的电压来控制Q1的开关，并采用辅助绕组产生驱动电压；当工作在CCM（电流连续）模式下，可采用驱动变压器实现自驱动，因此自驱动电路成本都比较高。

反激式开关电源的同步整流管外驱动电路如上图所示，其工作原理为:电压检测模块VS用于检测同步整流管漏极电压，当漏极电压低于VREF1时，比较器1输出比较信号到逻辑电路，逻辑电路输出开启信号到驱动电路，同步整流管开启；当电压检测模块检测到同步整流管漏极电压大于VREF2时，比较器2输出比较信号到逻辑电路，逻辑电路输出关断信号到驱动电路，同步整流管关断。通过检测同步整流管漏极电压来得到栅极控制信号的方法较为常见，控制同步整流管的开关的效果也较好，但控制电路的设计较为复杂，使用的元器件也较多。

尽管同步整流自驱动电路比较简单，但可靠性较低，只适用于一些特定电路中，实际上也可以通过增加控制电路来改善自驱动电路，但成本和复杂度又会进一步增加，难以体现出自驱动的优势；同步整流外驱动电路即为同步整流管设计一个控制电路，电路复杂性较高，但可靠性高，可控性好。在低压大电流趋势下，同步整流外驱动芯片市场看好。

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