同步和非同步整流DC/DC转换区别

Posted 2023-03-06 bobuddy

在DC/DC转换器中，非隔离式降压开关稳压器包括两种拓扑结构：非同步整流（二极管）型和同步整流型。非同步整流型已经使用多年，具有简单的开关稳压器电路，效率勉强超过80%。随后，电池供电应用（如笔记本电脑）的出现消耗相对较大的功率和需要高效率的应用，导致一系列用于同步整流开关稳压器的IC的开发，在促进了需要复杂控制和电路的同步整流型设计的创新的帮助下，这种类型的开关稳压器具有接近95%的最大效率，已逐渐成为主流。

图1和图2显示了这两种拓扑结构的概览，并说明了它们的工作方式

如图所示，区别在于，在非同步整流型中，低边开关由二极管组成，而在同步整流型中，与S1一样，开关是晶体管。在非同步型中，流向二极管的电流由高端晶体管的开关操作控制，如上一节所述。在同步型中，防止基于相同的操作，低边开关的开/关动作也由控制电路执行。当高边和低边开关同时导通时，电流直接从VIN流向GND。防止这种情况的发生需要复杂的控制，例如创建两个开关都关闭的所谓死区时间。尽管如此，同步整流型比非同步型实现更高效率的原因是，低端开关使用了晶体管（特别是MOSFET），大大消除了二极管产生的损耗，并允许最佳的时序控制。

下面对两种拓扑的损耗和效率进行了更多的解释。在任何一个电路中，由于电流流经开关，因此存在与开关相关的损耗，从而影响效率。二极管损耗可归因于正向电压VF;晶体管损耗可归因于饱和电压或导通电阻。二极管的VF随电流的函数而增加。即使在肖特基二极管（以低VF值而闻名）的情况下，1A时的VF电平也达到0.3至0.5V。相比之下，例如，Nch-MOSFET的导通电阻在50mΩ时极低。当考虑随之而来的电压下降时，它在1A时为50mV，明显低于二极管的VF值

图3

特别是，当使用高降压比从12V降压至1.5V时，低端开关的导通时间会变长，占周期时间的90%。对于非同步整流型，其中低端开关是二极管，在90%的时间内，操作产生相当于VF的损耗。相对于1.5V输出，这表示0.5V损耗，对效率产生重大不利影响（见图3）。

另一个显著的区别是轻负载调节器的行为。在图4中，橙色和绿色箭头表示轻负载下的电感电流，表示非同步整流型（橙色）和同步整流型（绿色）。如图所示，电感电流描述了由于开关作用引起的三角波。当负载电流显著下降时，电感电流下降到与零点相交的水平。在这种状态下，使用二极管的非同步型，因为它可以使电流只向一个方向流动，进入负区的电流（由橙色波形指示）消失，并且电流波形呈现出零周期的停止和走位状态。这种情况称为不连续模式。相比之下，由于它是晶体管，同步类型能够产生反向流动，使得负区域中的电流继续存在。这种情况称为连续模式。

连续模式在开关电压中产生振铃，产生谐波噪声。同步型通过保持连续电感电流来维持稳定的操作，尽管由于反向电流流由输出电容器提供，效率有所下降。

就整体策略而言，必须通过评估电路的复杂性、成本、效率以及振铃效应产生的谐波噪声的权衡等因素来选择适当的类型

图4