電源設(shè)計技術(shù)講座：同步整流不僅僅為了高效率

您是否曾經(jīng)應(yīng)要求設(shè)計過一種輕負(fù)載狀態(tài)下具有良好負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的電源呢？如果是，并且您還允許電源非連續(xù)，那么您可能會發(fā)現(xiàn)控制環(huán)路的增益在輕負(fù)載狀態(tài)下急劇下降。這會導(dǎo)致較差的瞬態(tài)響應(yīng)，并且需要大量的輸出濾波電容器。一種更簡單的方法是讓電源在所有負(fù)載狀態(tài)下都為連續(xù)。

圖 1 是一個簡單的同步降壓轉(zhuǎn)換器，用于演示輸出電感中連續(xù)和非連續(xù)電流的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。在低至空載的負(fù)載狀態(tài)下，輸出電感電流都一直保持連續(xù)，因為同步整流器允許電感電流在輕負(fù)載狀態(tài)下反向流動。只需用一個二極管替換底部 FET （Q2），電路便可轉(zhuǎn)為非連續(xù)。盡管本文介紹的是降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的區(qū)別，但您會注意到所有電源拓?fù)涠加蓄愃频捻憫?yīng)。

圖 1 用于演示瞬態(tài)響應(yīng)的簡單降壓轉(zhuǎn)換器

圖 2 顯示了輸出電流 700 mA 階躍變化的兩個瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)。左邊的線跡為連續(xù)情況，而右邊的線跡則為非連續(xù)情況。在非連續(xù)情況下，瞬態(tài)響應(yīng)比連續(xù)情況差了三倍多。同步 FET 用于強制連續(xù)運行。但是，也有一些獲得較好瞬態(tài)響應(yīng)的其他方法，包括預(yù)加載輸出或者使用擺動電感等。擺動電感用于在低電流時增加電感。這個目標(biāo)的實現(xiàn)，主要是通過兩種磁心材料：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(yīng)

非連續(xù)運行期間，瞬態(tài)響應(yīng)較差的原因是環(huán)路特性急劇變化，如圖 3 所示。左邊的曲線顯示了連續(xù)運行期間的環(huán)路增益。控制環(huán)路具有 50 kHz 的帶寬，相補角為 60 度。右邊的曲線為功率級轉(zhuǎn)為非連續(xù)時的響應(yīng)情況。功率級從連續(xù)運行期間的一對復(fù)極，變?yōu)榉沁B續(xù)運行期間的一個單低頻實極點。該極點的頻率由輸出電容器和負(fù)載電阻器決定。相比連續(xù)情況，您可以看到低頻率下低頻極點引起的相移過程。低頻率下，增益急劇下降，原因是極點導(dǎo)致更低的交叉頻率，從而降低了瞬態(tài)響應(yīng)。

圖 3 大量環(huán)路增益在非連續(xù)運行（右邊）中損失

總之，同步整流可提高效率，同時也能夠極大地幫助瞬態(tài)負(fù)載調(diào)節(jié)。它為電源預(yù)加載提供了一種高效的方法。另外，相比擺動電感，它還擁有更加穩(wěn)定的控制環(huán)路特性。它提高了傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器，以及所有其他能夠使用同步整流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)性。