同步整流通过降低功耗提高效率

“同步整流通过降低功耗提高效率” 同步整流器是一种广泛应用于降压转换器和控制器设计中的技术，能够降低功耗并提高散热性能。今天，我们知道使用同步整流器可以降低功耗，并提高散热性能。低功耗应用的降压转换器和控制器设计人员已经在使用这种方法。另外，人们还开发了同步升压控制器，用于解决升压应用的功率效率问题。 在降低功耗方面，同步整流器可以在降低输出电压的情况下提高效率。例如，在某种恶劣环境下，要求DC/DC电源在高环境温度下工作，这时就需要低功耗，以让半导体器件的结温保持在其额定范围以内。其他应用可能必须达到“能源之星”规范或者绿色模式标准的严格效率要求。电池供电型应用的用户希望获得最长的运行时间，而降低功耗可以直接延迟设备运行时间。 在同步整流器的应用中，我们可以使用两个典型的升压应用来说明同步和非同步整流之间的差异。第一个是低输入电压应用，其可工作在低占空比下，也即输出电压接近输入电压时。另一个应用增高系统电源轨的电压至高输出电压，其可工作在更高的占空比下，这时输出电压远高于输入电压。 为了说明同步整流的好处，我们使用真实电路对每个应用进行测试，以比较效率和功耗。TI的TPS43060/61同步升压控制器，用于展示这些同步设计。这些电流模式升压控制器集成了控制与门驱动电路，用于低侧和高侧MOSFET.TI的TPS40210电流模式、低侧开关升压控制器用于非同步设计。 基础操作图1显示了步进(升压)拓扑的典型结构图。这种拓扑由低侧功率MOSFET(Q1)、功率电感(L1)和输出电容器(C1)组成。就同步拓扑而言，高侧MOSFET(Q2)用于整流开关。图1 同步与非同步升压电路在非同步升压拓扑中，使用了一个功率二极管(D1)。 同步整流器的选择非同步控制器使用一个外部功率二极管作为整流开关。选择功率二极管时需考虑的三个主要方面是：反向电压、正向电流和正向压降。反向电压应高于输出电压，包括开关节点振铃余量。正向额定电流应至少等于电感器的峰值电流。正向电压应较小，以提高效率和降低功耗。平均二极管电流等于平均输出电流。所选二极管封装必须能够处理功耗。 同步控制器控制整流开关的另一个MOSFET.如果使用N通道MOSFET,则必须产生高于输出电压的电压，以用于门驱动器。利用一个自举电路来产生这种电压。图1包括了一个标准自举电路的典型结构图，其由自举电容器(CBOOT)和自举二极管(DBOOT)组成。 在比较同步和非同步整流器的效率时，我们可以计算出功耗。在非同步拓扑中，可使用方程式1估算出整流功率二极管的功耗：使用一个同步整流器时，共有两个主要功耗源：传导功耗和空时损耗。当低侧开关关闭时，在高侧开关导通以前存在一定的时间延迟(tDELAY)。在这种延迟期间，高侧开关的体二极管(V S D)导电。一般而言，这被称作空时(停滞时间)。当高侧开关开启时，同样存在MOSFET的RD S(O N)带来的传导损耗。 在要求低占空比的应用中，整流开关导电时间占每个开关期间的百分比更大。但是，升压拓扑中非同步整流器的功耗与VI N变化带来的占空比变化无关。这是因为，V I N变化使二极管所导电流的变化大小相等但方向相反。根据方程式1,整流器损耗刚好等于正向压降乘以输出电流。同步整流器情况下，功耗对占空比有一定的依赖度，这是因为传导损耗由F E T的电阻引起。这与二极管不同，二极管的损耗由正向压降引起。电阻传导损耗因电流的平方而不同，导致对占空比的依赖性，占空比更高，传导功耗也随之增加。 在低占空比应用的效率评估中，我们可以对同步设计和非同步设计进行比较。同步设计使用T P S43060/61同步升压控制器，用于展示这些同步设计。