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将二次侧二极管整流改为同步整流方式来改善效率的应用设计

来源：维库电子网

2020-10-20

类别：设计应用

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原标题：将二次侧二极管整流改为同步整流方式来改善效率的应用设计

在开关电源（SMPS）或DC-DC转换器中，二次侧整流是影响效率的关键环节。传统二极管整流因存在固定导通压降（如肖特基二极管约0.3~0.5V），在低电压、大电流应用中会导致显著功率损耗。同步整流（Synchronous Rectification, SR）通过用低导通电阻的MOSFET替代二极管，可大幅降低整流损耗，提升效率。以下从原理、设计要点、应用场景及案例分析展开说明。

一、同步整流的基本原理

1. 同步整流与传统二极管整流的对比

特性	二极管整流	同步整流（MOSFET）
导通压降	固定（如0.3V~0.5V）	可调（）
损耗机制	固定压降 × 电流
效率影响	低压大电流下损耗显著	低压大电流下效率提升明显
控制复杂度	无需控制信号	需驱动信号同步于变压器电压

2. 同步整流的工作模式

自驱动同步整流：

利用变压器绕组或辅助绕组的电压直接驱动MOSFET栅极，无需额外控制电路。
优点：简单、成本低；缺点：驱动时序可能不精确（如死区时间不足导致穿通）。

外驱动同步整流：

通过专用驱动芯片（如TI UCC24610、ADI LT8316）检测变压器电压或电流，精确控制MOSFET开关时序。
优点：时序精确，效率更高；缺点：成本较高。

二、同步整流的设计要点

1. MOSFET选型

低导通电阻（）：

选择尽可能低的MOSFET（如10mΩ以下），尤其适用于低压输出（如5V以下）。
示例：对于12V转3.3V/10A应用，若，导通损耗为，远低于肖特基二极管的1.5W~2.5W损耗。

耐压（）：

需高于二次侧电压峰值（考虑反射电压和尖峰）。

体二极管特性：

选择体二极管反向恢复时间短的MOSFET，避免高频下反向恢复损耗。

2. 驱动电路设计

自驱动同步整流：

绕组极性：确保辅助绕组电压在MOSFET导通时为正（栅极电压>阈值电压）。
死区时间控制：通过RC延迟或二极管钳位避免上下管同时导通（穿通损耗）。

外驱动同步整流：

驱动信号需与变压器电压同步，确保MOSFET在电压过零前关断。
输入电压范围需覆盖变压器电压范围。
驱动能力需匹配MOSFET栅极电容（如提供±2A峰值电流）。
驱动芯片选型：
时序优化：

3. 死区时间与穿通损耗

死区时间不足：

上下管同时导通会导致大电流穿通，损耗剧增（可能损坏器件）。

死区时间优化：

自驱动电路中，通过RC延迟或二极管钳位调整死区时间。
外驱动电路中，驱动芯片内置死区时间控制（如TI UCC24610可编程死区时间）。

4. 寄生参数影响

PCB布局：

缩短MOSFET栅极驱动路径，减少寄生电感（避免振荡）。
功率回路（源极-漏极）需宽铜箔，降低寄生电阻和电感。

环路面积：

减小高频环路面积（如变压器绕组、MOSFET、输出电容），降低EMI。

三、同步整流的应用场景

1. 低压大电流DC-DC转换器

示例：12V转3.3V/20A应用

二极管整流损耗：若用肖特基二极管（0.3V压降），损耗为（效率约91%）。
同步整流损耗：若用的MOSFET，损耗为（效率约98.5%）。

2. 笔记本电脑适配器

需求：高效率、小体积、低发热。
方案：反激式或LLC谐振拓扑+同步整流，效率可达95%以上。

3. 服务器电源

需求：高功率密度、高可靠性。
方案：全桥LLC拓扑+同步整流，支持多相并联，满足高电流需求。

四、设计案例：12V转5V/10A同步整流设计

1. 拓扑选择

主拓扑：反激式（Flyback）或正激式（Forward）
同步整流方式：外驱动（因需精确时序控制）

2. 关键参数

输入电压：12V（±10%）
输出电压：5V
输出电流：10A
开关频率：100kHz

3. 器件选型

MOSFET：

型号：IPB042N15N5（，）

驱动芯片：

型号：TI UCC24610（支持自驱动/外驱动模式，内置死区时间控制）

变压器：

匝比：Np:Ns = 12:5（二次侧电压峰值约7.5V）

4. 效率计算

同步整流损耗：
总效率：
假设其他损耗（如开关损耗、磁芯损耗）为1W，总损耗为1.25W，效率为。

五、同步整流的优缺点总结

优点	缺点
低压大电流下效率显著提升	驱动电路复杂，成本较高
发热量降低，散热需求减少	需精确控制时序，避免穿通
适合高功率密度设计	对PCB布局和寄生参数敏感