同步整流如何提升电源转换器的性能和效率

同步整流(Synchronous Rectification，简称SR)是一种电源设计技术，通过用MOSFET替代传统二极管来提高效率和性能。与使用肖特基二极管的非同步转换器不同，SR使用MOSFET代替二极管，从而减少电压降和功率损耗。这一点尤为重要，因为MOSFET的导通电阻(RDSON)低于二极管，导致更高的效率和更少的热量产生。SR提升了热性能、电源密度和整体系统可靠性，非常适合对效率和尺寸要求严格的应用，如便携设备。

 

在同步降压转换器中，SR涉及以互补的方式驱动两个MOSFET，确保最小的死区时间以防止交叉导通。这种配置保持了连续导通，即使在无负载时也能有效运行。

 

此外，外部肖特基二极管可用于缓解MOSFET体二极管在短暂死区时间内造成的低效率。SR的优点包括改善功率耗散、减少组件尺寸和提升制造良率。该技术支持通过并联MOSFET处理更高的电流，也有助于更好的热管理和电流共享，从而促进更强大和高效的电源转换器。

 

Sync Power Corp的首席执行官Allen Tan强调了其公司及其解决方案(如SP6025同步整流器驱动IC)的主要特点。该IC通过“预测”算法考虑前一个周期的时序，以线性控制当前周期的SR，调整关断时间，从而实现最大效率并避免交叉导通。特别地，SP6025专为LLC应用和可变开关频率系统设计。

 

设计方法

 

在前向转换器中驱动同步整流器(SR)时，通常考虑三种主要方法：外部驱动、自驱动和控制驱动。

 

外部驱动SR使用离散驱动电路来控制SR。这种方法简单明了，但通常会导致电路板空间和成本的增加。此外，它缺乏对变化的工作条件的适应性，从而导致低效率。

 

自驱动SR更为复杂，利用前向电感电压来控制SR。这种方法需要离散组件来进行驱动、偏置和感测，从而增加了设计的复杂性。自驱动SR面临两个主要挑战：

 

在连续导通模式(CCM)下，SR直到主开关激活才会关断，这可能导致主开关和SR之间的交叉导通，从而损坏转换器(见图1)。为了缓解这一问题，使用了固定定时器，但必须针对最坏情况设置，从而降低效率。

 

图1：连续传导模式

 

在间歇导通模式(DCM)下，电感电压信号变得不可靠，导致SR操作不正确以及因反向导通而导致效率损失(见图2)。再次使用固定定时器在电感能量耗尽之前关闭SR，进一步影响效率。

图2：不连续传导模式

 

控制驱动SR提供了先进的解决方案，例如预测模式和电流模式。电流模式SR控制IC根据SR电流的方向检测并开启或关闭SR。虽然在DCM中有效，但电流模式控制在CCM中因电流方向快速变化而表现不佳。

 

为了解决这一问题，预测模式SR IC能够预测电流变化，更有效地管理SR操作，避免反向导通等问题。尽管控制驱动方法更复杂且成本更高，但它们通过适应变化的条件并防止自驱动系统固有的问题，从而增强了可靠性和效率。

 

提高高频转换器中SR效率的进展与益处

 

在高频低电压转换器中，实现基于电压驱动的同步整流(SR)方案面临独特的挑战。关键考虑是最小化SR的死区时间——SR设备关闭且体二极管导通的时间间隔(见图3)。必须减少这一死区时间，以最大化SR带来的效率提升。

 

现有的方法往往依赖于仅基于电流模式的控制电路，该电路检测近零电流以防止反向导通。虽然在间歇导通模式(DCM)中有效，但在连续导通模式(CCM)中，由于主开关激活时SR电流方向的快速反转，这些方法往往表现不佳。

 

图3：SR死区时间

 

Sync Power的SR IC，如SP6025，通过将预测电路与电流模式方法集成来解决这些局限性。SP6025中使用的预测电压方法通过分析前一个周期并使用加权平均确定SR的导通时间，其中最近周期的权重最高，这种方法允许SR在主侧开关激活之前开始关断，有效防止反向导通。结合电流模式和预测模式的另一个重要好处是，通过控制SR接近理想整流器的行为(在最低损耗下单向导电)，来降低主开关上的应力尖峰电压。

 

这种创新的设计提供了几个关键优势。首先，它显著减少了死区时间，从而提高了效率，减少了功率损耗。其次，预测电路增强了SR控制的响应性，使其非常适合在传统方法可能失效的高频CCM应用中。设计的主要演变是从被动的电流模式控制转向主动的预测方法，从而实现对SR时序的更精确控制，提升整体转换器的性能。

图4：SP6025 双 LLC 同步整流器

 

SR IC的同步及高频性能

 

与变压器次级电压波形的同步对于优化同步整流器(SR)的性能至关重要。这种同步确保SR仅在整流阶段导电，从而最小化反向导通，并最大化系统效率。

而传统的电流模式控制方法无法有效与转换器操作同步。这一局限性需要每个周期进行实时调整，以防止SR的反向导通。为了解决这一问题，SP6025集成了预测电压模式，使Sync Power的SR IC能够与变压器电压和主侧开关同时同步。这种同步对于确保SR以正确的方向导电至关重要，显著提高了系统效率。

 

除了同步，运行在高达650 kHz的高频率还带来了显著的好处。高速度驱动器和在SR IC中最小化的死区时间使这种高频运行成为可能。其优点包括减少转换器尺寸和增加功率密度，这些对于现代紧凑且高效的电源系统至关重要。

 

在MOSFET技术中，选择分裂栅和沟槽工艺也在RDSON(导通电阻)和BVdss(击穿电压)等性能特征中起着关键作用。分裂栅技术与沟槽技术相关，但它采用分成两部分的栅极，这增强了对电场的控制，降低了栅-漏电容，在相同的BVdss条件下，与传统沟槽MOSFET相比，这导致了更低的RDSON和更快的开关速度。

 

封装方面的进展，例如从SOT/TO封装转向DFN和TOLL等新型封装，也影响了热性能和可靠性。新封装允许在相同PCB占地面积内容纳更大的芯片尺寸，这降低了RDSON并改善了因更好的散热器和铜夹使用而导致的热量散发，这种转变提升了热管理和整体MOSFET的可靠性。