DC/DC轉(zhuǎn)換器的非絕緣型降壓開關(guān)穩(wěn)壓器有異步整流(二極管)式和同步整流式兩種。
異步整流式是較早使用的方式,就開關(guān)穩(wěn)壓器而言電路簡(jiǎn)單但效率卻超過80%左右。
其后,筆記本電腦等電池驅(qū)動(dòng)且需要較大功率的應(yīng)用開始要求更高效率,于是可獲得高效率的同步整流式開關(guān)穩(wěn)壓器用IC被陸續(xù)開發(fā),控制或電路極為復(fù)雜的同步整流式變得容易設(shè)計(jì),逐漸成為主流。同步整流式最大可以獲得近95%的效率。
圖1和圖2是兩種方式的電路概述和工作過程。
圖1
圖2
圖3
如圖3所示,區(qū)別在于異步整流式于下側(cè)開關(guān)使用二極管,而同步整流式則與S1同樣為晶體管。異步整流式通過上側(cè)晶體管的ON/OFF使電流流向或不流向二極管,對(duì)此,如前項(xiàng)所說。同步整流式雖然基本工作相同,但是下側(cè)開關(guān)的ON/OFF也由控制電路進(jìn)行。如果雙方同時(shí)為ON,則電流將從VIN直接流向GND,故雙方必須制造OFF時(shí)間,所謂停滯時(shí)間的時(shí)序等進(jìn)行復(fù)雜的控制。不過,同步整流式的所以效率比異步整流式好,是因?yàn)橄聜?cè)開關(guān)使用晶體管(尤其是MOSFET),大幅改善在二極管所發(fā)生的損耗,而且還可在最佳時(shí)機(jī)進(jìn)行操作。
有關(guān)各方式的損耗和效率,再稍微說明一下。任何電路都通過開關(guān)流動(dòng)電流,故會(huì)因開關(guān)而有損耗,以致影響效率。二極管的VF通過電流増加,即使是低VF的肖特基二極管,1A時(shí)的VF也將為0.3~0.5V左右。與之相對(duì),例如Nch-MOSFET的ON電阻極低至50mΩ左右,如果計(jì)算下降電壓的話,可知1A將為50mV,遠(yuǎn)低于二極管的VF。
尤其類似從12V降壓至1.5V等高降壓時(shí),下側(cè)開關(guān)的ON時(shí)間會(huì)變長(zhǎng),占周期的近90%。異步整流式中,由于下側(cè)開關(guān)為二極管,故約90%期間會(huì)伴隨VF分損耗的工作,即1.5V的輸出會(huì)伴隨0.5V多的損耗,對(duì)效率的影響極大(參考圖3)。
另一個(gè)大區(qū)別在于輕負(fù)載時(shí)會(huì)有工作。圖4橘色和綠色的箭頭表示輕負(fù)載時(shí)異步整流式(橘)和同步整流式(綠)的電感電流。電感電流如圖4所示,通過開關(guān)變成三角波。當(dāng)負(fù)載電流變得非常少時(shí),電感電流會(huì)下降至零交叉級(jí)。在此狀態(tài)下,異步式為二極管只能朝一方向流動(dòng)電流,因此沒有如橘色波形般進(jìn)入負(fù)領(lǐng)域的波形電流,電流波形呈具有零周期之間斷狀態(tài),此稱為不連續(xù)模式。同步式由于晶體管,故可逆流,使負(fù)領(lǐng)域電流持續(xù),此工作稱為連續(xù)模式。
圖4
如果為不連續(xù)模式,則開關(guān)電壓將發(fā)生振鈴,高諧波噪聲將被釋出。同步式通過維持連續(xù)的電感電流而使穩(wěn)定的工作繼續(xù)。但是,反向電流由于須從輸出電容器供給,故效率稍低。
總結(jié)來說,同步整流型和異步整流型都很具有代表性,應(yīng)用廣泛。整體而言,電源設(shè)計(jì)工程師須先行探討電路的復(fù)雜性、成本、效率、振鈴導(dǎo)致的高諧波噪聲,然后根據(jù)自己的需求進(jìn)行權(quán)衡,來判斷哪一方式最適合選擇。
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