如何借用同步整流架構提高電源轉換器效率

　　隨著消費性電子的發(fā)展，各種供電電源如適配器所消耗的電能占全球能耗的比例急劇加大，成為不可忽視的耗能「大戶」。以美國為例，每年適配器須要消耗電能3，000億度，占整個國家每年用電總量的11%。

　　現(xiàn)今節(jié)能減碳聲浪不斷提高，各國政府法規(guī)對電源的要求也越來越嚴格。美國能源部(Department of Energy， DoE)針對External Power Supply公告新的要求NOPR(Notice of Proposed Rulemaking)，將對電源供應廠與相關節(jié)能零件帶來新的挑戰(zhàn)，表1為針對效率的要求。詳細資料可參考美國能源部官方網(wǎng)站。

　　同步整流晶片加速取代二極管

　　手持式電子產(chǎn)品如平板裝置(Tablet Device)、智慧型手機等的風行，相對地亦開始要求電源充電器的尺寸必需短小輕薄，這些因素也對電源設計造成新的挑戰(zhàn)。

　　近年來電子技術的發(fā)展，使得電路的工作電壓越來越低、電流越來越大。低電壓工作有利于降低電路的整體功率消耗，但也給電源設計提出新的難題。

　　開關電源的損耗主要由三部分組成，分別為功率開關元件、變壓器及輸出端整流管的損耗。在低電壓、大電流輸出的情況下，整流二極體的導通壓降較高，輸出端整流管的損耗尤為突出?？旎謴投O體(FRD)或超快恢復二極體(SRD)可達1.0或1.2伏特(V)，即使採用低壓降的蕭特基二極體(SBD)，也會產(chǎn)生大約0.5~0.6伏特的壓降，這就導致整流損耗增大、電源效率降低。整流管上的損耗也會達到電源總損耗的60%以上。

　　因此，傳統(tǒng)的二極體整流電路已無法滿足實現(xiàn)低電壓、大電流開關電源高效率及小體積的需要，成為制約交流對直流(AC-DC)電源供應器提高效率的瓶頸。為能有效降低功耗及溫升，近來使用同步整流技術以取代整流二極管蔚為風潮。

　　同步整流是採用通態(tài)電阻極低的專用功率金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，來取代整流二極體以降低整流損耗的一項新技術，它能提高開關電源供應器的效率。MOSFET屬于電壓控制型元件，它在導通時的伏安特性呈線性關係。以功率MOSFET做整流器時，要求閘極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱之為同步整流。

　　晶片商競推同步整流晶片

　　MOSFET耗損主要由內(nèi)阻(Rdson)決定(切換速度《200kHz)，蕭特基二極體耗損則由順向壓降(Vf)來決定。當多顆MOSFET并聯(lián)時內(nèi)阻會成倍數(shù)下降，理論上并聯(lián)無數(shù)顆MOSFET時，內(nèi)阻會趨近于零幾乎沒有耗損。但蕭特基二極體物理上存在最低屏蔽順向壓降約0.3伏特，不論并聯(lián)多少顆蕭特基二極體，最低都有此屏蔽壓降，因此最低也會約有耗損Ploss=0.3×輸出電流。

　　基本單端自激、隔離式降壓同步整流電路如圖1所示。V1及V2為功率MOSFET，在次級電壓的正半周，V1導通，V2關斷，V1起整流作用;在次級電壓的負半周，V1關斷，V2導通，V2起到續(xù)流作用。同步整流電路功率耗損包括V1及V2導通損耗及閘極驅動損耗。當開關頻率低于200kHz時，導通耗損占主導地位。

　　圖1 單端降壓式同步整流器的基本塬理圖

　　自激式的同步整流架構很簡單，但是為能確保在使用時不發(fā)生失控電路燒毀或不穩(wěn)定情形，周邊須加入保護電路，因此近年來各廠商陸續(xù)推出二次側同步整流控制IC。

　　ZCD和預測式同步整流技術分庭抗禮

　　自90年代末期同步整流技術誕生以來，開關電源技術得到極大的發(fā)展，採用IC控制技術的同步整流方案已為研發(fā)工程師普遍接受，現(xiàn)在的同步整流技術分為兩大類，分別為零電流偵測(ZCD)及預測式(Prediction)的同步整流方案。

　　不論使用何種方案，效率的提升主要決定于MOSFET的選擇，由于開關電源供應器的使用頻率，通常是在200kHz以下，因而MOSFET的內(nèi)阻決定大部分的效率的提升。

　　ZCD有恩智浦(NXP)、國際整流器(IR)和安森美(ON Semiconductor)等廠家投入，預測式則是擎力科技的專利。這兩種方案各有優(yōu)點，ZCD的周邊零件較少、調(diào)整較易、適用于非連續(xù)導通模式 (DCM);而預測式的優(yōu)點是可同時使用于DCM及連續(xù)導通模式(CCM)之間、不挑選MOSFET和死區(qū)(Dead Time)可調(diào)整。

　　所謂ZCD就是當偵測到MOSFET汲極的電流為零時，IC輸出一個高位準給MOSFET，由于是偵測電流，因而MOSFET的內(nèi)阻變化會影響到電流，為了操作安全，各廠商均設定在-200?300毫伏特(mV)才做切換(圖2)。

　　預測式是利用上一波形來預測下一波形，因此可以在MOSFET的Vds電壓上升之前，提前截止Vgs，以避免MOSFET的交越。

　　圖3和圖4分別為工作在CCM、DCM下的同步工作波形，其中上方波形為同步MOS的Vds波形，下方波形為SP6018輸出波形。因為具有死區(qū)編程控制功能，能保證電源安全地工作在CCM模式，這也是業(yè)界唯一能出色應對連續(xù)模式的同步整流控制IC。

　　圖3 連續(xù)導通模式

　　圖4 非連續(xù)導通模式

　　在綠能意識不斷抬頭下，開關電源供應器的效率要求也會愈來愈高，使用同步整流方案能將現(xiàn)有系統(tǒng)的效率提高2?4%并可降低溫度10?20℃，尤其是在大電流、低電壓輸出時其效益更為明顯。為能符合手提式產(chǎn)品對電源充電器要求短小輕薄的要求，CCM操作模式加上同步整流將成為主流。