图文：同步整流技术DC-DC模块电源

摘要：随着DC-DC模块电源向输出低压大电流的方向发展，同步整流技术的应用也越来越广泛。与肖特基整流相比较，很显然，在低压大电流的应用中采用同步整流技术可以获得更高的效率，同时，在某些应用方面，业界也发现采用同步整流技术的DC-DC模块电源存在一些不同的特性，在某些特殊的应用场合，甚至不能直接替换采用肖特基整流的DC-DC模块电源。本文从应用的角度分析了同步整流的技术特征以及对某些应用造成的影响，并提出了改进的同步整流技术方案和该方案的实际应用结果，新的方案在进一步提高效率的情况下，使电源的输出特性与肖特基整流更加接近，能更大范围地满足应用的要求。

1、 概述

DC-DC模块电源为了满足小型化的要求，一般会选择简单可靠的功率级电路，其中，谐振复位正激＋同步整流电路（图1）在DC-DC模块电源中应用比较广泛，下面将以此电路为例进行分析。

2、 基本同步整流电路

如图1所示电路，其副边为基本同步整流电路，关键波形见图2。当原边主开关管Q1开通时，通过变压器T1向副边传输能量，副边工作在整流状态，此时SR1的Vgs电压为变压器副边绕组电压，极性为正，SR2的Vgs电压为零，因而SR1导通，SR2关断；当原边主开关管Q1关断时，变压器T1原边绕组的励磁电流和负载电流流经C1，C1上的电压开始上升，当C1电压升至Vin时，原边绕组中的负载电流下降为0，在励磁电流的作用下原边励磁电感Lm与电容C1进行谐振，谐振电压Vr为正弦波，谐振周期Tr=2π√LmC2，谐振电压Vr加到变压器T1的原边绕组上使T1磁复位，同时，副边也进入到续流状态，此时SR1的Vgs电压为0，SR2的Vgs电压为变压器副边绕组电压，电压波形为正弦波，极性为正，因而SR1关断，SR2导通；这样的工作状态会周期性重复

3、基本同步整流电路的问题

3.1、续流管的驱动

如图2中SR2的Vgs波形，由于驱动SR2的是正弦波谐振电压，受主开关的占空比和谐振参数的影响，电压波形变化较大，驱动效果也不理想，模块效率较低。

3.2、输出并联

将两个采用基本同步整流电路的DC-DC模块电源输出并联将会产生很多问题，其中的一个严重问题就是“电流反灌”。下面通过一个简单的例子说明“电流反灌”现象。如图3所示，当模块2正常工作而模块1被关断时，模块2的输出电压VOUT会通过模块1内部的L、T1的副边绕组分别加到SR1、SR2的G、S之间，SR1、SR2会因此导通并流过较大的电流，同时，模块2的输出电压VOUT会被拉低。对于模块1来说，此时的电流是反向流入模块的，称之为“电流反灌”现象。在N个模块并联的系统中，设每个模块的最大输出电流为Io，当其中一个模块被关断时，流入这个模块的反灌电流将会达到(N-1)×IO，这将会带来严重的后果。

 4、改进的同步整流电路

4.1、电路描述

改进的同步整流电路如图4，副边同步整流管SR1移到上端，SR1、SR2采用共漏极接法，从变压器抽取N1、N2绕组，N1绕组用于驱动SR1，N2绕组经半波整流用于驱动SR2，原边同步信号SYNC经隔离，驱动小功率MOSFET S1，用于关断SR2。其中的隔离驱动电路可以采用类似图5的典型电路。关键信号的时序关系如图6所示。

4.2、续流管的驱动

改进的同步整流电路通过半波整流的方式驱动SR2，驱动信号通过二极管D1给SR2的G、S间的等效电容Ci充电，由于MOSFET门极的输入阻抗很大，Vgs将保持驱动信号的峰值不变，直到SYNC信号导通S1，将SR2的G、S间的电荷放掉。因而SR2的Vgs波形接近方波，并能维持到续流过程结束（见图6中SR2的Vgs波形）。改进后的效率会更高。

4.3、输出并联

改进后的同步整流电路能够支持多个模块输出并联。如图7所示，由于采用单独的绕组N1、N2驱动同步整流管SR1、SR2，同步整流管的门极与输出端VOUT没有直接联系，当模块1 关机后，SR1、SR2的驱动电压均为0，相当于二极管特性。在其它工作状态，如启动、待机、动态负载等情况下，并联模块也能正常工作。

5、应用结果

改进的同步整流技术应用在48V输入，5V@20A输出的DC-DC模块电源上，效率可达到90%以上。图8显示了正常工作期间同步整流管的驱动波形，其中通道1是续流管的驱动波形，通道2是整流管的驱动波形。可见两管的驱动波形既保证了适当的死区以避免直通，又能使通过二极管导通的时间尽量缩短，因而同步整流的效率很高。图9显示了两个模块并联，当其中一个模块关机时，在输出并联母线上的电压波形，其中通道1是模块1的关机信号，通道2是输出并联母线上的电压波形。可见当其中一个模块关机时，输出并联母线上的电压不受影响。图10显示了单个模块在输出轻载和空载情况下关机的输出端电压波形，可见在关机后模块的输出电压平缓下降，不会出现振荡，其特性与肖特基整流的模块电源基本一致。

6、总结

本文针对基本同步整流技术在应用中存在的一些问题进行了分析，并提出了改进的同步整流技术和具体的电路，该技术已应用在具有工业标准的砖系列DC-DC模块电源中，并在实际应用中表现出优良的性能和兼容性。