利用同步整流（Synchronous Rectification, SR）技术设计DC/DC电源变换器，主要通过用低导通电阻的MOSFET替代传统二极管整流器，显著降低导通损耗，提升转换效率（尤其适用于低压大电流场景）。以下是设计关键步骤和注意事项：

一、同步整流核心原理

1. 替代二极管：
   在传统Buck、Boost等拓扑中，整流路径用MOSFET（SR MOSFET）代替肖特基二极管。
2. 主动开关控制：
   SR MOSFET的栅极由控制芯片驱动信号同步控制，使其仅在需要导通的周期内开启。

二、设计关键步骤

1. 拓扑选择与工作模式

• 适用拓扑：Buck、Boost、Buck-Boost、LLC谐振变换器（常见于开关电源）。
• 工作模式：
  • CCM（连续导通模式）：需精确同步驱动信号，避免体二极管导通。
  • DCM（断续导通模式）：需检测电流过零及时关断MOSFET。

2. MOSFET选型

• 关键参数：
  • 导通电阻（R_DS(on)）：越低越好（典型值＜10mΩ）。
  • 栅极电荷（Q_g）：影响驱动损耗，优选低Qg器件。
  • 体二极管特性：反向恢复时间短（避免死区时间损耗）。
• 举例：Buck变换器中，同步整流MOSFET（下管）需耐压≥输入电压，电流≥输出电流。

3. 驱动电路设计

• 专用控制IC：
  选用集成SR驱动的控制器（如TI的TPS543xx，MPS的MPQxx）。
  • 自动生成互补PWM信号，含死区时间控制。
• 驱动要求：
  • 驱动电压：通常5V-12V（确保MOSFET完全导通）。
  • 驱动电流：根据Qg和开关频率计算（如f_sw=500kHz时，驱动电流需≥Qg·f_sw）。

4. 死区时间（Dead Time）设置

• 目的：避免主开关管（上管）和SR MOSFET（下管）同时导通（直通短路）。
• 设置原则：
  • 死区时间 > MOSFET关断延迟时间
  • 死区时间 < 体二极管导通时间（避免损耗）
• 典型值：20ns-100ns（需实测调整）。

5. 电流检测与保护

• 过流保护：
  • 通过检流电阻或MOSFET的R_DS(on)（损耗更低）检测电流。
  • 触发阈值：设于额定电流的120%~150%。
• 防直通保护：控制器内置逻辑或外部电路确保上/下管互锁。

6. PCB布局优化

• 大电流路径：缩短功率回路（输入电容→MOSFET→电感→输出电容）。
• 驱动走线：栅极驱动线尽量短（≤20mm），避免串扰。
• 散热设计：MOSFET加散热过孔，铜箔面积充足。

三、同步整流 vs 传统二极管整流

四、典型问题与解决方案

1. 体二极管导通损耗：

   • 原因：死区时间过长→体二极管续流。
   • 解决：优化死区时间，选用低V_F体二极管的MOSFET。

2. 驱动噪声干扰：

   • 现象：MOSFET误触发。
   • 解决：驱动线加10Ω电阻串联，并靠近MOSFET放置滤波电容。

3. 轻载效率下降：

   • 原因：SR MOSFET的栅极驱动损耗占比上升。
   • 解决：进入轻载时切换为二极管仿真模式（DCM模式下关闭SR驱动）。

五、设计验证

1. 波形测试：
   • 示波器抓取V_GS（栅极信号）和V_DS（漏源电压），确认无直通且死区合理。
2. 效率测试：
   • 从10%到100%负载测试效率曲线，同步整流在50%以上负载时效率提升最显著（典型提升5-10%）。
3. 温升测试：
   • 红外热像仪监测MOSFET温度（目标＜80℃）。

六、应用场景示例

• 服务器电源：12V转1.8V/100A，同步Buck效率＞90%。
• USB PD快充：升降压（Buck-Boost）同步整流，支持5V-20V输出。
• 光伏逆变器：LLC谐振变换器用SR降低次级损耗。

设计要点总结：选低R_DS(on) MOSFET → 配专用驱动IC → 优化死区时间 → 严谨PCB布局 → 轻载时切换工作模式。通过同步整流技术，可显著提升能效（尤其5V以下系统），但需平衡成本与复杂度。