DC/DC轉換器的非絕緣型降壓開關穩壓器有異步整流(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,就開關穩壓器而言電路簡單但效率卻超過80%左右。
其后,筆記本電腦等電池驅動且需要較大功率的應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穩壓器用IC被陸續開發,控制或電路極為復雜的同步整流式變得容易設計,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,區別在于異步整流式于下側開關使用二極管,而同步整流式則與S1同樣為晶體管。異步整流式通過上側晶體管的ON/OFF使電流流向或不流向二極管,對此,如前項所說。同步整流式雖然基本工作相同,但是下側開關的ON/OFF也由控制電路進行。如果雙方同時為ON,則電流將從VIN直接流向GND,故雙方必須制造OFF時間,所謂停滯時間的時序等進行復雜的控制。不過,同步整流式的所以效率比異步整流式好,是因為下側開關使用晶體管(尤其是MOSFET),大幅改善在二極管所發生的損耗,而且還可在最佳時機進行操作。
有關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流動電流,故會因開關而有損耗,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時的VF也將為0.3~0.5V左右。與之相對,例如Nch-MOSFET的ON電阻極低至50mΩ左右,如果計算下降電壓的話,可知1A將為50mV,遠低于二極管的VF。
尤其類似從12V降壓至1.5V等高降壓時,下側開關的ON時間會變長,占周期的近90%。異步整流式中,由于下側開關為二極管,故約90%期間會伴隨VF分損耗的工作,即1.5V的輸出會伴隨0.5V多的損耗,對效率的影響極大(參考圖3)。
另一個大區別在于輕負載時會有工作。圖4橘色和綠色的箭頭表示輕負載時異步整流式(橘)和同步整流式(綠)的電感電流。電感電流如圖4所示,通過開關變成三角波。當負載電流變得非常少時,電感電流會下降至零交叉級。在此狀態下,異步式為二極管只能朝一方向流動電流,因此沒有如橘色波形般進入負領域的波形電流,電流波形呈具有零周期之間斷狀態,此稱為不連續模式。同步式由于晶體管,故可逆流,使負領域電流持續,此工作稱為連續模式。
圖4
如果為不連續模式,則開關電壓將發生振鈴,高諧波噪聲將被釋出。同步式通過維持連續的電感電流而使穩定的工作繼續。但是,反向電流由于須從輸出電容器供給,故效率稍低。
總結來說,同步整流型和異步整流型都很具有代表性,應用廣泛。整體而言,電源設計工程師須先行探討電路的復雜性、成本、效率、振鈴導致的高諧波噪聲,然后根據自己的需求進行權衡,來判斷哪一方式最適合選擇。
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