技术分享 | 反激式同步整流效率影响分析

时间： 2024-08-21 来源：瑶芯微电子公众号

技术问答

前言

众所周知，同步整流(Synchronous Rectification, SR)是采用通态电阻极低的功率MOSFET替代整流二极管以降低损耗的一项新技术，它能大幅提升电源效率，并可利用其二次侧的优势改善电源指标，符合开关电源小型化、高能效、智能化的发展趋势。在大功率手机快充、适配器中主流解决方案仍然是反激式同步整流拓扑。其挑战在于制定可靠的控制策略及驱动电路，并最大化突出其优势，以提高整机效率。

反激式同步整流基本原理

同步整流是采用MOSFET进行输出电流整流，相比传统二极管相对固定的正向压降，MOSFET的压降与电流和导通电阻成正比，如图 1所示。由于MOSFET的导通压降低，可大幅度降低对整流电路功率器件导通损耗。对于低压大电流输出应用，通过选择理想导通电阻的SR MOSFET，可以实现比传统二极管整流更好的效率和散热性能。

图1 SR与二极管导通特性

其工作原理是通过控制MOSFET的导通和关断，使其在适当的时刻导通，从而实现电流的低阻流通。

具体来说，当变压器次级绕组感应出电压使得电流从次级绕组流出时，同步整流MOSFET的驱动电路会控制MOSFET导通，此时电流通过MOSFET流通，由于MOSFET的导通电阻很小，从而大大降低了导通损耗，提高了电源的效率，如图2所示。在控制同步整流MOSFET时，需要精确地检测次级绕组的电压和电流状态，以确保MOSFET能够在正确的时刻导通和关断，避免出现短路或反向电流等问题。

图2: 反激SR解决方案的基本工作原理

同步整流控制方法

目前大多数同步整流控制器基于漏源电压 (VDS) 直接检测来驱动SR MOSFET，因为它不需要与原边进行通信，降低了总BOM成本。如图3所示，SR MOSFET的导通和关断通常由两个负电压阈值来控制。分别是开通阈值（-80mV），关断阈值（-3mV），可以确保SR MOSFET在反向偏置时始终安全关断。

图3: 反激SR解决方案的基本工作原理

效率影响因素

由图3可以看出，两端的体二极管有很短的导通时间，刚好在SR MOSFET导通之前和关断之后。因此，时序控制对SR控制器来说至关重要，因为这两个体二极管导通时间会增加额外的导通损耗（时间越长损耗越严重）。

SR提前关断：如果SR提前关断时间过长，则可能会因为MOSFET体二极管比较差的特性而导致SR关断后出现严重的反向恢复电流。图4为SR MOSFET体二极管的反向恢复电流由于SR提前400ns关断而上升到 9A，而且由于漏电感又导致80V高压尖峰。因此，SR MOSFET提前关断不仅带来额外的导通损耗导致效率降低，而且会由于更大的反向恢复电流带来器件更大的尖峰应力，同时带来更强的EMI噪声源。

图4: SR 提前关断导致的高尖峰电流和电压

SR延迟关断：如果SR延迟关断，也会出现类似提前关断同样问题。当原副边能量传输或驱动延迟，导致SR延迟关断，输出电流反灌。如果SR延迟关断太久，将会导致原边和副边MOSFET同时导通，并使原副边短时间的直通。如图5所示SR关断时负电流上升到高达10A，在SR MOSFET关断后导致87V的高压尖峰。因此，SR MOSFET提前关断除了带来效率低，关断时应力大问题，还会带来很严重的原副边直通问题。

图5: SR关断延迟引起的高尖峰电流和电压

为了缓解这些问题，精准控制 SR 导通和关断的时间至关重要。同时也可以通过优化MOSFET外围驱动参数，常见优化方法如下：

1．增加MOSFET RC吸收，通常C增大或者R减小（RC吸收是有损吸收，如参数匹配不好同样会带来少许效率损失）

2．增大原边MOS驱动电阻、减缓导通速率、利用米勒效应转移功率、达成减小甚至完全消除副边二极管电压尖峰目的

3．漏感最小化、SR MOSFET驱动电阻减小，可缓解延迟关断带来的一系列问题

如图6所示为通过精准控制导通和关断时序，配合合适的外围参数，电流和电压（分别为 4A 和 62V）都只有一个相对较低的尖峰，这无论对降低 EMI 噪声、提高电源效率都非常有效。

图 6：精准控制及合适的外围参数保证了低尖峰电流和电压

附瑶芯反激式SR MOSFET

关于瑶芯

瑶芯微电子科技（上海）有限公司主要致力于功率器件、智能传感器和信号链IC的设计、研发和销售，主营产品为功率器件（中低压Trench MOS以及SGT MOS，高压SJ超结MOS，IGBT，FRD，SiC MOS和SiC 二极管）和MEMS传感器以及信号链IC。主要应用领域为：消费类和工业类以及车载的功率器件应用（比如手机快充，工业开关电源，光伏储能逆变器，车载OBC，主驱逆变，各类工业/车载电机和BMS 应用）以及消费类电子市场、医疗与工控领域的MEMS传感器产品和信号链IC，具备自有知识产权、可国产替代的高可靠性和高性价比。

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反激同步整流对EMI的影响

同步整流解决方案是采用 MOSFET 进行输出电流整流，相比于二极管相对固定的正向压降来说，MOSFET 的压降与电流和导通电阻成正比。通过选择具有理想导通电阻的 SR MOSFET，SR 解决方案可以实现比传统二极管解决方案更好的效率和散热性能，而这正是大功率适配器设计最关键的需求。本文介绍反激同步整流对EMI的影响。

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