同步整流如何最大優(yōu)化電源設計？

您是否曾經(jīng)應要求設計過(guò)一種輕負載狀態(tài)下具有良好負載瞬態(tài)響應的電源呢？如果是，并且您還允許電源非連續，那么您可能會(huì )發(fā)現控制環(huán)路的增益在輕負載狀態(tài)下急劇下降。這會(huì )導致較差的瞬態(tài)響應，并且需要大量的輸出濾波電容器。一種更簡(jiǎn)單的方法是讓電源在所有負載狀態(tài)下都為連續。

圖 1 是一個(gè)簡(jiǎn)單的同步降壓轉換器，用于演示輸出電感中連續和非連續電流的負載瞬態(tài)響應。在低至空載的負載狀態(tài)下，輸出電感電流都一直保持連續，因為同步整流器允許電感電流在輕負載狀態(tài)下反向流動(dòng)。只需用一個(gè)二極管替換底部 FET （Q2），電路便可轉為非連續。盡管本文介紹的是降壓拓撲結構的區別，但您會(huì )注意到所有電源拓撲都有類(lèi)似的響應。

圖 1 用于演示瞬態(tài)響應的簡(jiǎn)單降壓轉換器

圖 2 顯示了輸出電流 700 mA 階躍變化的兩個(gè)瞬態(tài)負載響應。左邊的線(xiàn)跡為連續情況，而右邊的線(xiàn)跡則為非連續情況。在非連續情況下，瞬態(tài)響應比連續情況差了三倍多。同步 FET 用于強制連續運行。但是，也有一些獲得較好瞬態(tài)響應的其他方法，包括預加載輸出或者使用擺動(dòng)電感等。擺動(dòng)電感用于在低電流時(shí)增加電感。這個(gè)目標的實(shí)現，主要是通過(guò)兩種磁心材料：低電流飽和高鐵氧體，以及低電流不飽和粉末鐵氧體。

圖 2 同步運行（左）具有最佳瞬態(tài)響應

非連續運行期間，瞬態(tài)響應較差的原因是環(huán)路特性急劇變化，如圖 3 所示。左邊的曲線(xiàn)顯示了連續運行期間的環(huán)路增益?？刂骗h(huán)路具有 50 kHz 的帶寬，相補角為 60 度。右邊的曲線(xiàn)為功率級轉為非連續時(shí)的響應情況。功率級從連續運行期間的一對復極，變?yōu)榉沁B續運行期間的一個(gè)單低頻實(shí)極點(diǎn)。該極點(diǎn)的頻率由輸出電容器和負載電阻器決定。相比連續情況，您可以看到低頻率下低頻極點(diǎn)引起的相移過(guò)程。低頻率下，增益急劇下降，原因是極點(diǎn)導致更低的交叉頻率，從而降低了瞬態(tài)響應。

圖 3 大量環(huán)路增益在非連續運行（右邊）中損失

總之，同步整流可提高效率，同時(shí)也能夠極大地幫助瞬態(tài)負載調節。它為電源預加載提供了一種高效的方法。另外，相比擺動(dòng)電感，它還擁有更加穩定的控制環(huán)路特性。它提高了傳統降壓轉換器，以及所有其他能夠使用同步整流的拓撲結構的動(dòng)態(tài)性。