一文详解同步与非同步Buck电源

首先，要区分同步和非同步的概念。通俗一点：在应用中上管和下管都有场效应管的就是同步的。只有一个上管的开关就是非同步的，因为在非同步电源中，下管是一个二极管不需要控制，也就不存在控制器同步的问题。图1.30和1.31下图以Buck电路为例，对比同步与非同步的区别。

对于非同步电源来说，由于输出电流在变化的时候，二极管的压降是恒定的，导致在流过二极管电流很大的时候，原本在二极管上很小的电压乘以一个相当大电流，在输出电压很低的情况下，二极管的小电压占据了非常大的比重，它消耗的功率就非常的大，所以在大电流的情况下，它的效率会非常的低下。效率低下是非同步电源的最大的缺点。

二极管的价格要比MOSFET的价格要便宜的，成本来说，非同步更好一点。如果在输出的电压比较高的时候，二极管正向导通的电压所占的比重很小，对效率的影响也就没那么大了。

对同步电路而言，MOS有一个很重要的参数，导通电阻Rds on。一般的MOSFET的导通电阻都非常小，毫欧级别，所以MOS导通之后压降比较低。而且在同样的条件下，MOS的导通电压远远小于肖特基二极管的正向导通压降，在电流不变的时候，MOSFET上损耗的能量比二极管要小，所以同步电源的效率比二极管的要高。

当然，同步电路也有它的缺点。对于控制器芯片来说，对于下管的控制需要额外的控制电路，使得上下管MOSFET的时序能够同步（上管打开时，下管关闭；下管打开时，上管关闭）。

同样，Boost以及其他拓扑的电源都有同步与非同步的两种电路实现方式。随着半导体产业的进步，以及芯片的规模效应，同步电源逐步吞噬非同步的市场，占据了绝大多数市场份额。

Buck电路作为开关电源，其工作过程分析，一定是围绕这个开关管的开关过程进行分析，包括从“开”状态转换到“关”状态的切换过程的分析。

1. Buck电路原理图

Buck电路，又称降压电路，其基本特征是DC-DC转换电路，输出电压低于输入电压。输入电流为脉动的，输出电流为连续的。如图5.1所示，Buck电路使用开关管Q1将输入的直流电源进行“斩波”，形成方波。利用一个方波控制开关管，让开关管按照控制信号进行通断。调节方波的占空比，控制通过的能量。再对通过开关管的方波进行低通滤波，让直流电压输出。其实Buck的输出电流分成两个部分的，一个部分是来自电源，一个部分是来自非同步电路中的这个二极管，如图5.1所示D1，只是同步电路把这个二极管用一个MOSFET给替代了，这个MOSFET被称为“下管”，如图5.2所示，图中的Q2替代了D1。但是这个Q2的开和关，需要和Q1的开和关保持一定的相位关系，大家习惯把这样的关系叫做同步模式。

在同步Buck电路中，有两个MOSFET作为开关管，分别处于拓扑结构的上端和下端，所以我们一般把Q1位置的MOSFET称为“上管”，把Q2位置的MOSFET称为“下管”。

其实我们在实际设计过程中，非同步电源的电路越来越少被使用。这种Buck电路被称为非同步Buck，因为作为开关管的MOSFET只有一个就是Q1。Buck控制器芯片需要控制Q1的时序，但是不需要控制二极管。在非同步Buck电路中，二极管是不需要控制的，也不存在开关管同步的问题。

同步和非同步的区别从外部来看，非同步Buck电流有续流的二极管，同步Buck电路没有续流的二极管，取而代之是一个开关管。

非同步Buck电路，二极管续流（二极管与电感形成一个通路，二极管为电感保持电流持续，电流从二极管通过）期间，二极管两端的电压相对恒定，表现为二极管的“正向导通压降”VF。这个特性导致非同步压降电路在二极管上消耗的能量比较大，所以非同步Buck的效率比较低。因为其电路特点不需要复杂的控制，控制器成本也比较低。

同步Buck电路，采用MOSFET，下管续流的期间（上管关闭，下管打开，下管为电感保持电流持续，电流从下管通过），MOSFET完全导通，其特性表现为D极和S极 之间的导通等效阻抗。由于下管的导通阻抗比较小，根据欧姆定律其两端的电压为电阻和电流的乘积也比较小。对于非同步开关电源来说，二极管的两端电压为二极管正向导通电压大约为0.7V，功耗为电流与电压的乘积。相同输出电流的情况下，消耗在同步Buck电路的下管上的损耗比非同步的Buck电路二极管也小很多。所以同步Buck电路的效率比较高，相比来说需要额外的控制电路，成本相对也高一些。但是随着芯片的技术发展，同步Buck电路的优势越来越大，所以一般都选择同步Buck，规模效应带来的成本优势逐步明显。

1.  Buck电路工作原理

（1）非同步Buck电路基本工作原理分析

当开关管Q1驱动为高电平时，开关管导通，储能电感L1被充磁，流经电感的电流线性增加，同时给电容C1充电，给负载R1提供能量。非同步Buck变换器基本电路的开关管导通等效为短路，二极管反向截止等效于断路，这个状态的等效电路如图所示。

开关管导通状态下的等效电路

当开关管Q1驱动为低电平时，开关管关断，储能电感L1通过续流二极管放电，电感电流线性减少，输出电压靠输出滤波电容C1放电以及减小的电感电流维持，等效电路如图所示。

开关管关断状态下的等效电路

（2）同步Buck电路基本工作原理分析

当上管导通，即为开关管Q1驱动为高电平时，此时下管关闭，即为开关管Q2驱动为低电平，储能电感L1被充磁，流经电感的电流线性增加，同时给电容C1充电，给负载提供能量。同步Buck变换器基本电路的上管导通等效为短路，下管关闭等效于断路，这个状态的等效电路如图所示。

同步Buck电路上管导通状态下的等效电路

当上管Q1驱动为低电平时，上管关断，此时下管Q2驱动电平为高电平，下管导通，储能电感L1通过续流二极管放电，电感电流线性减少，输出电压靠输出滤波电容C1放电以及减小的电感电流维持，等效电路如图所示。

同步Buck电路的上管关断状态下的等效电路

我们在计算开关电源的时候，同步控制器的MOSFET下管的体二极管在死区时间的时候，会起作用。实现死区时间的续流。我们在计算开关电源的下管的损耗的时候，需要计算这个体二极管的损耗。同步BUCK和非同步BUCK体二极管如图所示。

非同步BUCK和同步BUCK电路中的体二极管

如果是同步控制器，我们需要计算下管的体二极管在死区时间的导通损耗。如果是非同步控制器，我们则需要计算体二极管的续流时间的所有损耗。下表是某器件手册中的体二极管损耗。

体二极管损耗

二极管功耗，与正向导通电压、开关频率、死区时间、平均电流、相数有关。所以我们需要选择，体二极管的导通电压更小的MOSFET；死区时间更小的控制器MOSFET组合；适当选择开关频率。图是互补PWM时间的波形图。

互补PWM的死区时间

相对于PWM来说，死区时间是在PWM输出的这个时间，上下管都不会有输出，当然会使波形输出中断，死区时间一般只占百分之几的周期。但是当PWM波本身占空比小时，空出的部分要比死区还大，所以死区会影响输出的纹波，但应该不是起到决定性作用的。

　　审核编辑：汤梓红