下面图一是一个典型的降压电路,D1是续流二极管,当D1导通的时候,D1的正向压降是比较大的,如果输出是5V或者是3.3V的电压,那么对于D1上面占整个输出的压降是非常的明显。
看二极管的规格书可以知道,如果需要把Vf值降低一倍,那么电流需要比原理的值小8-10倍,那么用二极管来整流的Vf引起的损耗是不可以避免的,为了解决Vf而引起的损耗。
那么想到了用MOS管来替他二极管,因为当mos管导通的时候,压降就是电流乘导通内阻,一般MOS的内阻都非常的小,所以很多要求效率高,输出电压比较低电流比较大的电源,大部分都用同步整流来实现,那么对于图一用的二极管来续流的电路就叫异步整流,如果用MOS管来替代二极管的电路就加同步整流。
下面的图二是同步整流,续流二极管是被Qs给短路了,工作的原理是当Q1导通的时候,Qs关闭,这个时候输入电压是给电感储存能量,当Q1关断的时候,如果没有Qs,或者是Qs没有打开的时候,D1导通。
如果Qs导通,那么就是短接了D1,因此Q1与Qs是不能同时导通的,如果同时导通了,会导致直通使输入源或者是输入电容Cin短路,这一定需要防止的。
既然不能同时导通,那么Q1与Q2的导通需要有一个死区时间,这几是同步整流不能像二极管一样mos管关断,二极管被动导通,二极管是一个被动器件而mos管是一个主动器件,这就是同步整流需要有死区时间的原因。
下面需要注意的就是Qs的接法不能接反,因为MOS管体内是有体二极管的,如果接反了会导致直通,既然用MOS管来替代了D1,为什么还需要接D1了,这里是当Q1关断的时候,需要有一个死区时间,在这死区时间里面如果没有D1钳位,那么Qs的体内二极管会导通。
但是Qs的体内二极管一般都是普通的二极管,正向压降比较大,导致损耗增加,还有在关断Qs的时候,Q1是还没有导通的,在死区时间里面体二极管会导通,而体二极管的反向恢复特性是比肖特基差的。
所以保留D1肖特基二极管,当Q1关断,Qs没有导通的时候,D1会导通,D1的压降是比Qs的体二极管压降小很多,并且反向恢复特性非常的好,可以提高效率。但是D1是并在MOS管外面的。
如果Layout的时候D1与Qs相差比较远的话,PCB线长可能有寄生电感,在高频下寄生电感表现出非常大的阻抗,这就会导致损耗增加,我们希望Layout的过程中D1尽量靠近Qs,最好是与Qs同一个芯片,这样最大限度的降低ESL。
既然要减小MOS管与肖特基二极的距离,如果把MOS管的体二极管做出了肖特基的或者是把肖特基二极管集成到MOS管里面,这样一来减少了PCB的占地面积,减小电源的整体体积。
同时解决了因ESL引起的问题,所以现在有很多的MOS管的体二极管的压降是非常低,可以直接应用于同步整流,不需要去单独并联二极管,如图三所以
同步buck电路里面Q1与Qs的驱动是不能有共通的,所以加有死区时间,形成了互补型同步Buck,对于这样的Buck电路工作在CCM模式是没有什么问题的,但是如果Buck工作在DCM的时候,同步Buck的效率可能就要比异步Buck的效率低,这是为什么了?我们看下面的波形。
我们看在连续模式的时候,当下管关断的时候,电感上还是有电流,同步Buck关断与异步Buck关断时差不多,同步Buck的导通的损耗是要小的,但是如果是工作在断续的模式,当电感电流为0的时候,异步Buck的二极管会实现了零电流关断,就没有反向恢复的问题,而同步Buck就不一样了。
因为电感电流为0的时候,mos管的驱动还是有的。所以mos的电流会由D流向S,这样电感电流也是反向流,使得输出的电容通过电感与下管mos管放电,这样一来损耗增加,当下管关断的时候,MOS管有一个关断损耗。
又因为有死区时间的存在。那么电感上的电流是不能突变,所以电感电流继续流向了上管的二极管,当上管打开的时候实现了零电压开通,但是buck的上管的压一般不是很大,对于效率的影响不是很大,从上面分析来说,越是轻载说明同步buck的效率越低。
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原文标题:同步buck电路
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