同步整流(Synchronous Rectification，簡稱SR)是一種電源設(shè)計(jì)技術(shù)，通過用MOSFET替代傳統(tǒng)二極管來提高效率和性能。與使用肖特基二極管的非同步轉(zhuǎn)換器不同，SR使用MOSFET代替二極管，從而減少電壓降和功率損耗。這一點(diǎn)尤為重要，因?yàn)镸OSFET的導(dǎo)通電阻(RDSON)低于二極管，導(dǎo)致更高的效率和更少的熱量產(chǎn)生。SR提升了熱性能、電源密度和整體系統(tǒng)可靠性，非常適合對效率和尺寸要求嚴(yán)格的應(yīng)用，如便攜設(shè)備。

在同步降壓轉(zhuǎn)換器中，SR涉及以互補(bǔ)的方式驅(qū)動兩個(gè)MOSFET，確保最小的死區(qū)時(shí)間以防止交叉導(dǎo)通。這種配置保持了連續(xù)導(dǎo)通，即使在無負(fù)載時(shí)也能有效運(yùn)行。

此外，外部肖特基二極管可用于緩解MOSFET體二極管在短暫死區(qū)時(shí)間內(nèi)造成的低效率。SR的優(yōu)點(diǎn)包括改善功率耗散、減少組件尺寸和提升制造良率。該技術(shù)支持通過并聯(lián)MOSFET處理更高的電流，也有助于更好的熱管理和電流共享，從而促進(jìn)更強(qiáng)大和高效的電源轉(zhuǎn)換器。

Sync Power Corp的首席執(zhí)行官Allen Tan強(qiáng)調(diào)了其公司及其解決方案(如SP6025同步整流器驅(qū)動IC)的主要特點(diǎn)。該IC通過“預(yù)測”算法考慮前一個(gè)周期的時(shí)序，以線性控制當(dāng)前周期的SR，調(diào)整關(guān)斷時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)最大效率并避免交叉導(dǎo)通。特別地，SP6025專為LLC應(yīng)用和可變開關(guān)頻率系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)方法

在前向轉(zhuǎn)換器中驅(qū)動同步整流器(SR)時(shí)，通常考慮三種主要方法：外部驅(qū)動、自驅(qū)動和控制驅(qū)動。

外部驅(qū)動SR使用離散驅(qū)動電路來控制SR。這種方法簡單明了，但通常會導(dǎo)致電路板空間和成本的增加。此外，它缺乏對變化的工作條件的適應(yīng)性，從而導(dǎo)致低效率。

自驅(qū)動SR更為復(fù)雜，利用前向電感電壓來控制SR。這種方法需要離散組件來進(jìn)行驅(qū)動、偏置和感測，從而增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。自驅(qū)動SR面臨兩個(gè)主要挑戰(zhàn)：

在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)下，SR直到主開關(guān)激活才會關(guān)斷，這可能導(dǎo)致主開關(guān)和SR之間的交叉導(dǎo)通，從而損壞轉(zhuǎn)換器(見圖1)。為了緩解這一問題，使用了固定定時(shí)器，但必須針對最壞情況設(shè)置，從而降低效率。

在間歇導(dǎo)通模式(DCM)下，電感電壓信號變得不可靠，導(dǎo)致SR操作不正確以及因反向?qū)ǘ鴮?dǎo)致效率損失(見圖2)。再次使用固定定時(shí)器在電感能量耗盡之前關(guān)閉SR，進(jìn)一步影響效率。

控制驅(qū)動SR提供了先進(jìn)的解決方案，例如預(yù)測模式和電流模式。電流模式SR控制IC根據(jù)SR電流的方向檢測并開啟或關(guān)閉SR。雖然在DCM中有效，但電流模式控制在CCM中因電流方向快速變化而表現(xiàn)不佳。

為了解決這一問題，預(yù)測模式SR IC能夠預(yù)測電流變化，更有效地管理SR操作，避免反向?qū)ǖ葐栴}。盡管控制驅(qū)動方法更復(fù)雜且成本更高，但它們通過適應(yīng)變化的條件并防止自驅(qū)動系統(tǒng)固有的問題，從而增強(qiáng)了可靠性和效率。

提高高頻轉(zhuǎn)換器中SR效率的進(jìn)展與益處

在高頻低電壓轉(zhuǎn)換器中，實(shí)現(xiàn)基于電壓驅(qū)動的同步整流(SR)方案面臨獨(dú)特的挑戰(zhàn)。關(guān)鍵考慮是最小化SR的死區(qū)時(shí)間——SR設(shè)備關(guān)閉且體二極管導(dǎo)通的時(shí)間間隔(見圖3)。必須減少這一死區(qū)時(shí)間，以最大化SR帶來的效率提升。

現(xiàn)有的方法往往依賴于僅基于電流模式的控制電路，該電路檢測近零電流以防止反向?qū)āｋm然在間歇導(dǎo)通模式(DCM)中有效，但在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)中，由于主開關(guān)激活時(shí)SR電流方向的快速反轉(zhuǎn)，這些方法往往表現(xiàn)不佳。

Sync Power的SR IC，如SP6025，通過將預(yù)測電路與電流模式方法集成來解決這些局限性。SP6025中使用的預(yù)測電壓方法通過分析前一個(gè)周期并使用加權(quán)平均確定SR的導(dǎo)通時(shí)間，其中最近周期的權(quán)重最高，這種方法允許SR在主側(cè)開關(guān)激活之前開始關(guān)斷，有效防止反向?qū)ā?span style="color:rgb(216,79,169);">結(jié)合電流模式和預(yù)測模式的另一個(gè)重要好處是，通過控制SR接近理想整流器的行為(在最低損耗下單向?qū)щ?，來降低主開關(guān)上的應(yīng)力尖峰電壓。

這種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)提供了幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢。首先，它顯著減少了死區(qū)時(shí)間，從而提高了效率，減少了功率損耗。其次，預(yù)測電路增強(qiáng)了SR控制的響應(yīng)性，使其非常適合在傳統(tǒng)方法可能失效的高頻CCM應(yīng)用中。設(shè)計(jì)的主要演變是從被動的電流模式控制轉(zhuǎn)向主動的預(yù)測方法，從而實(shí)現(xiàn)對SR時(shí)序的更精確控制，提升整體轉(zhuǎn)換器的性能。

SR IC的同步及高頻性能

與變壓器次級電壓波形的同步對于優(yōu)化同步整流器(SR)的性能至關(guān)重要。這種同步確保SR僅在整流階段導(dǎo)電，從而最小化反向?qū)ǎ⒆畲蠡到y(tǒng)效率。

而傳統(tǒng)的電流模式控制方法無法有效與轉(zhuǎn)換器操作同步。這一局限性需要每個(gè)周期進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以防止SR的反向?qū)ā榱私鉀Q這一問題，SP6025集成了預(yù)測電壓模式，使Sync Power的SR IC能夠與變壓器電壓和主側(cè)開關(guān)同時(shí)同步。這種同步對于確保SR以正確的方向?qū)щ娭陵P(guān)重要，顯著提高了系統(tǒng)效率。

除了同步，運(yùn)行在高達(dá)650 kHz的高頻率還帶來了顯著的好處。高速度驅(qū)動器和在SR IC中最小化的死區(qū)時(shí)間使這種高頻運(yùn)行成為可能。其優(yōu)點(diǎn)包括減少轉(zhuǎn)換器尺寸和增加功率密度，這些對于現(xiàn)代緊湊且高效的電源系統(tǒng)至關(guān)重要。

在MOSFET技術(shù)中，選擇分裂柵和溝槽工藝也在RDSON(導(dǎo)通電阻)和BVdss(擊穿電壓)等性能特征中起著關(guān)鍵作用。分裂柵技術(shù)與溝槽技術(shù)相關(guān)，但它采用分成兩部分的柵極，這增強(qiáng)了對電場的控制，降低了柵-漏電容，在相同的BVdss條件下，與傳統(tǒng)溝槽MOSFET相比，這導(dǎo)致了更低的RDSON和更快的開關(guān)速度。

封裝方面的進(jìn)展，例如從SOT/TO封裝轉(zhuǎn)向DFN和TOLL等新型封裝，也影響了熱性能和可靠性。新封裝允許在相同PCB占地面積內(nèi)容納更大的芯片尺寸，這降低了RDSON并改善了因更好的散熱器和銅夾使用而導(dǎo)致的熱量散發(fā)，這種轉(zhuǎn)變提升了熱管理和整體MOSFET的可靠性。