同步整流型和异步整流型的区别

DC/DC转换器的非绝缘型降压开关稳压器有前项所说明的异步整流(二极管)式和同步整流式。异步整流式是较早被使用的方式,就开关稳压器而言电路简单但效率却超过80%左右。其后,笔记本电脑等电池驱动且需要较大功率的应用开始要求更高效率,于是可获得高效率的同步整流式开关稳压器用IC被陆续开发,控制或电路极为复杂的同步整流式变得容易设计,逐渐成为主流。同步整流式最大可以获得近95%的效率。

图39和40是两种方式的电路概述和工作。

图39


图39_2
图39

图40


图40_2
图40

图41

图41

如图所示,区别在于异步整流式于下侧开关使用二极管,而同步整流式则与S1同样为晶体管。异步整流式通过上侧晶体管的ON/OFF使电流流向或不流向二极管,对此,如前项所说。同步整流式虽然基本工作相同,但是下侧开关的ON/OFF也由控制电路进行。如果双方同时为ON,则电流将从VIN直接流向GND,故双方必须制造OFF时间,所谓停滞时间的时序等进行复杂的控制。不过,同步整流式的所以效率比异步整流式好,是因为下侧开关使用晶体管(尤其是MOSFET),大幅改善在二极管所发生的损耗,而且还可在最佳时机进行操作。

有关各方式的损耗和效率,再稍微说明一下。任何电路都通过开关流动电流,故会因开关而有损耗,以致影响效率。二极管的损耗于正向电压VF、晶体管时将变成饱和电压或ON电阻。二极管的VF通过电流増加,即使是低VF的肖特基二极管,1A时的VF也将为0.3~0.5V左右。与之相对,例如Nch-MOSFET的ON电阻极低至50mΩ左右,如果计算下降电压的话,可知1A将为50mV,远低于二极管的VF

尤其类似从12V降压至1.5V等高降压时,下侧开关的ON时间会变长,占周期的近90%。异步整流式中,由于下侧开关为二极管,故约90%期间会伴随VF分损耗的工作,即1.5V的输出会伴随0.5V多的损耗,对效率的影响极大(参考图41)。

另一个大区别在于轻负载时会有工作。图42橘色和绿色的箭头表示轻负载时异步整流式(橘)和同步整流式(绿)的电感电流。电感电流如图所示,通过开关变成三角波。当负载电流变得非常少时,电感电流会下降至零交叉级。在此状态下,异步式为二极管只能朝一方向流动电流,因此没有如橘色波形般进入负领域的波形电流,电流波形呈具有零期间之间断状态,此称为不连续模式。同步式由于晶体管,故可逆流,使负领域电流持续,此工作称为连续模式。

图42

图42

如果为不连续模式,则开关电压将发生振铃,高谐波噪声将被释出。同步式通过维持连续的电感电流而使稳定的工作继续。但是,反向电流由于须从输出电容器供给,故效率稍低。

整体而言须探讨电路的复杂性、成本、效率、振铃导致之高谐波噪声后进行权衡,判断哪一方式最适当后再选择。

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