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同步整流器只要控制得当即可提高电源效率
现代电子设备具有更快的处理器、更多的存储空间和更大的带宽，需要更多的电力，这已不是什么秘密。同时市场对更小电源的需求也很高。在更小的封装中提供更高的功率水平需要更高的电源效率。效率的提高需要减少电源损耗，这就意味着要重新考虑其基础设计。
让我们来看看哪里发生了损耗，以及我们可以做些什么。我们将以反激式电源为例（图 1）。反激式转换器要进行场效应晶体管 (FET) 开和关。
图 1：基本反激式电源开关 FET。图中所示为其相关的电流和电压波形。（图片来源：Texas Instruments）
在 FET 打开期间，电流 (IP) 流过耦合电感器的初级线圈，并在电感器中建立磁场。当 FET 关闭时，次级电流 (IO)（因电感器中的磁场坍缩而产生）在次级中流动，通过二极管，流向输出滤波器和负载。损耗的形式有：耦合电感、动态开关、FET 和输出二极管的传导损耗，以及钳位电路中的功率损耗。所有这些损耗都应该被评估，但本文我们将重点讨论输出二极管的传导损耗。
当输出二极管导通时，它表现出正向压降 (VF)，它随电流水平和温度而变化（图 2）。
图 2：一个典型肖特基二极管的正向压降随温度和电流的变化。（图片来源：Diodes Incorporated）
该二极管的正向压降随着电流的增加而增加，随着温度的升高而降低。在 25°C 时，对于 10 安培 (A) 的正向电流，正向压降约为 420 毫伏 (mV)，这意味着该二极管的损耗为 4.2 瓦。避免这种损耗的一种方法是用一个 FET 取代二极管。这个 FET 会在电源的开关周期中的适当时间打开，它相当于一个同步整流器 (SR)，有时被称为有源整流器。当 FET 打开时，其正向阻抗主要是 FET 通道的电阻 (RDS (ON))。Texas Instruments CSD18532KCS 是一个 N 沟道 FET，其 RDS(ON) 约为 5 毫欧 (mΩ)。将该 FET 与二极管相比，我们可以看到 SR 方法的优势（图 3）。
图 3：CSD18532KCS 与肖特基二极管的正向压降比较。等效电路模型突出显示了两者的差异。（图片来源：Texas Instruments）
在 25℃ 时，FET 在 10 A 正向电流下的正向压降只有约 60 mV，而二极管的压降为 420 mV。功率损耗为 0.6 瓦，而二极管的功率损耗为 4.2 瓦，功率损耗减少得相当明显，电源的功率效率也得到了提高。
Texas Instruments 使用 UCC28740EVM-525 10 瓦隔离输出评估板做了一个比较。该评估模块是一个 10 瓦的离线电源模块，提供恒压和恒流输出调节。它基于一个断续导通模式 (DCM) 反激式转换器。在测试中，他们使用超级势垒整流器测量了正向压降和电流，并搭配了使用 Texas Instruments CSD19531Q5A N 沟道 MOSFET 的 SR（图 4）。
图 4：同一电源中使用二极管和 MOSFET 同步整流的正向压降和电流之比较。（图片来源：Texas Instruments）
整流器的正向压降的差异是很容易看到的。二极管整流器的正向电压有几分之一伏，而 SR 则小得多。SR 传导阶段开始和结束时的小矩形脉冲是由于 FET 中的体二极管传导造成的。这些脉冲确实增加了传导损耗，但由于其持续时间短，对电源效率的影响很小。
在一系列负载电流下的电源效率显示了同步整流器比更传统的二极管整流器的优势（图 5）。
图 5：比较负载电流和源电压范围内的电源效率，显示效率提高了 2-3%。（图片来源：Texas Instruments）
在很大的负载电流范围内，同步整流的效率比二极管整流器的效率高 2-3%。实现 SR 增加了复杂性，但这是非常值得的。
同步整流实现 (SR)
SR 的缺点是需要驱动 FET 与电源开关操作同步。基本上有两种方法来控制用于 SR 的 FET。第一种方法是自我驱动控制。这种方法是利用耦合电感的次级电压直接或使用单独的绕组来控制 SR。由于其简单性和低元件数，这种方法非常有吸引力。然而，这种技术并不适用所有的电路拓扑结构，而且依赖于耦合电感器的复位过程。
第二种方法是控制驱动的方法，即利用同步整流器控制器，如 Texas Instruments UCC24612-1DBVR，从主开关的栅极驱动信号控制 SR。该器件可在多种反激式拓扑结构下工作，如有源箝位、准谐振 (QR)、断续导通模式 (DCM) 、连续导通模式 (CCM) 以及 LC 谐振反激式转换。它使用 VDS 电压感应来设置 MOSFET 的导通间隔，以尽量减少传导损耗。UCC24612-1DBVR 与反激控制器一起工作，可实现更多的控制和其他提高效率的操作，如有源箝位和电压过零切换。
结语
同步整流器属效率提升技术工具箱的一部分，依托像 UCC24612-1DBVR 这样的现成硬件设备。它采用简单而经济的设计，解决了对更高功率密度的需求。
关于此作者
Arthur (Art) Pini 是 DigiKey 的特约作者。他拥有纽约城市学院的电气工程学士学位和纽约城市大学的电气工程硕士学位。Art 在电子领域拥有超过 50 年的经验，曾在 Teledyne LeCroy、Summation、Wavetek 和 Nicolet Scientific 担任重要工程和营销职位。Art 对测量技术很感兴趣，在示波器、频谱分析仪、任意波形发生器、数字化仪和功率计方面有着丰富的经验。
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