同步整流关键技术及其主要拓扑分析_赵睿

文章编号：1007-0249 (2004) 03-0100-05

同步整流关键技术及其主要拓扑分析*

赵睿，　　　张波　

（华南理工大学 电力学院雅达电源实验室，广东 广州 510640）

摘要：目前对低电压大电流DC/DC变换器的研究方兴未艾。本文归纳和提出同步整流的关键技术，对现有主要同步整流拓扑结构的工作特性及优缺点进行了较为深入的分析，同时对未来技术发展做出展望，以期促进我国低电压大电流DC/DC变换器技术的发展。

关键词：低电压大电流；同步整流；关键技术；拓扑结构 中图分类号：TN86；TP273

文献标识码：A

1 引言

随着信息技术的快速发展，高速超大规模集成电路尺寸不断减小，计算机、工作站、网络服务器、便携式设备中得到广泛应用。为了进一步提高微处理器处理电路的速度，实现更快速有效的数据处理，工作频率将进一步提高，供电电压将进一步降低。对供电电源来说，由于负载特殊，工作电压低、电流较大，各种工作状态相互转换时的电流变化率高。以新一代的Intel Pentium Pro微处理器为例，目前其工作主频为2∼3GHz，供电电压可达1V以下，这一工作电压由计算机“银盒”中48V或以上电压，经传输线引出后，通过Buck（降压）变换器，利用同步整流技术得到。未来的开关电源市场的发展，对中小功率变换器的需求迅速增大。小功率DC/DC变换器是主要发展趋势。为了适应超高频CPU芯片的迅速发展，DC/DC变换器发展方向是低输出电压、高输出电流、低成本、高频化、高功率密度、高可靠性、高效率、快速动态响应等。

但是，目前国内大规模生产的是3.3V以下输出电压、50A以上输出电流的模块电源，对中小功率低电压大电流DC/DC变换器的研究尚未取得重大进展，对更低电压的大电流DC/DC变换器的研究未引起足够的重视。为此，本文对低电压大电流DC/DC变换器研究现状以及国际上流行的同步整流关键技术和主要拓扑进行较为深入的阐述和分析。

2 同步整流的关键技术

低电压大电流DC/DC变换器的发展取决于同步整流技术（SR）的研究，主要包括：

1）整流器件效率的提高。对于目前采用的整流器件MOS管来说，一般存在导通、驱动、开关、体二极管损耗。其损耗特性可由“质量因子”（定义为导通电阻和栅极电荷的乘积）来表示。因而在提高MOSFET效率时面临很大限制：必须在导通电阻和栅极电荷之间折中，即导通损耗和容性损耗之间折中。必须尽量降低其质量因子，使得整流器件各因数最优化，以提高电路效率；

2）驱动死区的减少。同步整流技术中，如何减小同步整流管驱动的死区时间，从而减小在死区时间内体二极管导通所产生的损耗对整体效率的影响一直是普遍关注的问题。给同步整流反并联肖特基管[4]以及最新的一种单绕组自驱动同步整流技术[5]都可以减小死区问题对效率的影响。同时也扩展出新的同步整流技术拓扑；

3）有效的驱动方式。整流管的驱动方式有自驱动和外驱动，以及两者相结合的混合驱动三种。自驱动从电路某一点直接获得驱动信号，简单、经济、可靠，可获得较高的效率，但是驱动波形不理想。外驱动通过附加的逻辑控制和驱动电路，产生随变压器副边电压相应变化的驱动信号，驱动波形 * 收稿日期：2003-05-06 修订日期：2003-06-28

基金项目：广东省重点攻关专项基金资助项目（2002A1050103） 第3期 赵睿等：同步整流关键技术及其主要拓扑分析 101

好，但电路复杂、成本高。混合驱动方式综合了以上两种方法的优点，既能按较精确的时序给出驱动电压信号，同时其附加驱动电路也比外驱动方式简单。同步整流的驱动也可以采取电压驱动和电流驱动两种方式，但都存在各自的不足。电压驱动方式中不同的拓扑其驱动方式各异，很多拓扑的运用受到限制，驱动信号受输入电压影响大，由于无电流反馈，不适于在DCM状态下工作，并联连接时会引起电流环流等等，但电压控制型电路控制简单，所以被较多采用。电流驱动方式电路复杂，工作频率低，因为需要电流传感器，效率不高，不易于控制；

4）动态响应的提高。新一代高速数据处理电路将以更快的速度工作，在其各个工作状态的相互转换中，将对应着越来越快的电流变化率。所以小功率电源面临着更快速的负载突变，电源变换器需要具有非常快速的动态响应，其解偶电容电流响应要求达到A/ns的变化数量级。对应于输出电压的过冲（上冲或者下冲）可通过降低输出滤波电感值和加大动态变化时滤波电感上的电压，来满足负载对稳定输出电压的严格要求；

5）轻载效率的提高。在大部分同步整流电路中都存在轻载时效率偏低的问题。为了提高动态响应，一般输出电感值都比较小，这会引起轻载情况下电感中的电流变负，导致出现环流，导通损耗加大。可以运用多模式控制[6]的方法，在轻载时采用变频，重载中采用固定频率，防止电感中电流变负，强迫其工作方式从CCM转入DCM，减少了导通损耗，提高轻载时电路的效率；

6）功率密度的提高。高功率密度的实现，其有效措施是高频化，减小变换器中的磁性元件和大容量电容的体积重量。但高频率化的同时，开关损耗及铁心损耗增大，电路寄生元件也将对系统工作性能和散热情况产生影响。因而应进一步提高变换器效率和减小电路中寄生元件参数的大小，而在工艺上实现超薄化、扁平化，采用有效的布线和集成封装技术。

3 同步整流的主要拓扑及特点

同步整流技术理想的整流电压波形有两个要求[7]（图1）：

1）电压无为零时段，实现MOSFET（沟道导通时间/体二极管导通时间）的最大化，使得同步整流损耗主要发生在整流阶段；

图1 同步整流技术理想

的整流电压波形

2）电压波形的上升沿和下降沿要抖，并有合适的电压幅值，以满足MOSFET快速开关的要求。 对于以上的要求，限制了很多副边输出电压波形存在较长零时段的拓朴（如正激、推挽、桥式、谐振等）的运用，以下是一些现今常用于自驱动同步整流的电路拓朴。

3.1 两级结构升压＋半桥＋自驱动同步整流电路（Boost＋Half-Bridge+SDSR[8]）

该变换器在输入电压范围较宽时，采用前级调整VBUS,从而对输出电压进行控制，稳定输出电压以达到有效驱动MOSFET管的作用。由于后级SR变换器已经提供了电气隔离，前级还可以采用其它非隔离式的拓扑如Buck（降压），Buck-Boost（降压－升压）拓扑等。 该变换器具体工作原理如下：输入电压VIN通过前级Boost变换器升压后，得到中间总线电压VBUS， 后级占空比固定在0.5，VBUS=

VIN V

及Vo=BUS（后1-D2N

图2 两级结构升压＋半桥＋自驱动同步整流电路

级主变换器原副边的匝比为N:1），从而得到两级结构的输入与输出电压关系为Vo=

VIN

，一旦选定了

2N(1-D)

匝比N，只需根据要求调整前级变换器的占控比，得到所需要的输出电压。

该变换器的优点是:通过前级变换器将输入电压变为一个相对稳定的电压，使后级变换器的占控比工作在0.5附近，SR管可以获得近于理想的驱动电压，有利于后级SR电路的稳定工作。缺点是：变换器所用的功率管以及元件数目较多，不利于实现电源的高功率密度；由于两级式结构效率低，动态响应较差，限制了其在低压/大电流输出的小功率电源场合的应用。

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3.2 互补控制半桥同步整流变换器[9]

上述两级变换器结构比较适应输入电压变换范围宽的场合，在输入电压变化范围相对较窄时，可以采用互补控制半桥变换器（Half-bridge Converter Complementary-Control）。图3中主电路的原理和传统对称半桥相同，但其控制方法不同，HBCC的两只功率管寄生输出电容之间的谐振，可以实现功率管的零点压开通。

该变换器的优点是：通过合理设计，变换器原边功率管可以实现软开关；输出滤波电感可以设计得较小；在一定的输入电压范围内及合适的输出电压等级处，互补控制变换器可以和自驱动同步整流很好的结

合；功率管的电压应力小，其大小被钳位为输入电容

图4 有源钳位同步整流正激变换器

上的电压值。

缺点是：对输入电压变化比较敏感，不适用于输入电压变换范围较宽的场合；为四阶系统，动态特性复杂，小信号模型的输出阻抗较大，动态响应较差。 3.3 有源钳位同步整流正激变换器[10]

在隔离式DC/DC变换器中，正激拓扑在低中功率场合的应用比较广泛。正激拓扑根据其复位方式不同，可分为多种形式，但除有源钳位和RCD复位等方式外，其他的复位方式都因为主变压器上均存在较长的电压零时段，SR管的体二极管导通损耗大。

辅助S2和钳位电容Cc构成正激变换器的磁复位网络。主管S1和辅管S2互补工作，钳位电容的容值取得足够大，保证磁复位期间变换器的磁化能量转移道Cc中时，其电压值基本保持不变，稳态时可近似认为恒压源。

与互补控制自驱动同步整流半桥变换器相比，在相同输入电压范围的情况下，有源钳位自驱动同步整流正激变换器的SR管的驱动电压的变化范围较小，在整个输入电压范围内都可得到较好的驱动。

该变换器的优点是：可以和自驱动同步整流电路较好的结合使用，即使在宽输入电压范围内，SR管也可以得到较好的驱动；所用器件数目较少，有利于实现电源模块的高功率密度指标；通过合理设计可以实现原边主功率的软开关；小信号特性的输出阻抗较小，动态响应快。

缺点是：当负载是数据处理器等具有大电流变换器的类型时，对应于负载突升情况，很可能使功率变压器瞬间饱和，因此必须采用更大尺寸的铁心，增大变换器的高度和体积；有源钳位是专利拓扑，限制了其在工业界的广泛采用。

3.4 双级Buck+半桥（HB）单绕组自驱动同步整流方案[11]

现在很多自驱动拓扑，在3.3V及5V等级的低输出电压DC/DC变换器中得到了应用。随着输出电压的进一步降低，很多拓扑要求主变压器上用于驱动SR管的绕组电压无为零时段，为了拓宽自驱动SR适用拓扑范围，采用了一种双级单绕组自驱动同步整流方案（Single-Winding Self-Driven Synchronous Rectification）。这种方案利用功率变换器上与原边紧

图3 互补控制半桥同步整流变换器电路图

Q1和Q2在一个开关周期内交替互补导通，在两管换流的死区时间内，通过变换器的漏感和MOSFET

图5 双级单绕组半桥自驱动电路

密耦合的辅助绕组，绕组两端分别连接在两个SR管的栅级，使得在主变换器绕组电压为零时段，两个SR管栅极电容上的电压近似等于辅助绕组电压幅值V的一半，只要V足够高，在变压器绕组电压为零时，两个SR管都能同时导通，避免了SR管体二极管导通的问题。因为Boost前级的母线电压为

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400伏，通常情况输出电压等级都很低，所以这里采用了Buck前级来稳定半桥的输入电压，克服电路电压上下波动对同步整流驱动信号的影响，更有效地驱动SR管。

该变换器的优点是：适用于输入电压变化范围大的电路，保持次级输入电压的稳定，有效驱动同步整流管；辅助绕组的采用，使得两SR管在电压器副边绕组电压为零的阶段都保持导通，避免了体二极管的导通损耗；而且因为一个SR管栅级电容的放电电荷被利用来给另外一个SR管栅极电容充电，减小了驱动损耗，提高了效率；通过对变压器绕组的合理设计，提高各绕组之间的绕合，本电路还可以扩展成为多路电压输出[12]，而各输出电路的SR管都分别可由同一个辅助绕组同时驱动；调整Buck前级输出端的电感LOUT，可以使得半桥的MOSFET工作在ZVS状态，减少了开关损耗。

缺点是：与变压器不对称工作的拓扑（互补控制半桥、正激式拓扑等）结合使用时，如占控比不等于0.5，会因为主变压器绕组上正负电压幅值不同，造成两SR管上的电压不均衡，当输入电压范围较宽时，会引起SR管的误导通，电路无法正常工作，甚至损坏电路元件；需要主副绕组之间紧密耦合才能得到良好的性能；因为是两级结构所以效率较低，动态响应较差，小信号模型复杂。

4 未来的技术发展

综上所述，可以预计，同步整流技术未来的技术发展将集中在以下几个方面：

1）进一步高频化和提高快速动态响应。为了开发具有高效、高功率密度、小截面的变换器，提高电路的动态响应，就必须进一步提高开关频率，大大降低电感电容值，从而实现较高的功率密度和快速的动态响应；

2）发展先进的同步整流器件、磁性元件。现今的同步整流器件性能大大限制了DC/DC变换器的高频化。随着高频化的趋势，必须开发先进的同步整流器件，降低其质量因子。而发展低损耗和小体积的磁性元件则是保证高频化的重要基础；

3）优化拓扑结构。选择更适用于同步整流技术的拓扑，以适应同步整流效率及工作特性的提高； 4）与其他技术结合。为了达到更低的输出电压及更大的电流，同步整流技术必须与其他技术相结合使用，如谐振复位软开关技术、移相谐振软开关技术、高精度稳压多路输出技术、并联均流技术、厚铜箔多层PCB技术等；

5）发展先进的封装集成技术。这是将变换器寄生参数影响减小到最小的有利措施，因而必须对电路的封装、集成、散热、工艺设计等进行专门的研究。

5 结论

低电压大电流DC/DC变换器同步整流技术具有相当技术难度，但同时提供了巨大的商机，是未来信息系统必备的外部动力设备，世界各主要发达国家都把它当作一个前沿技术来研究。在可以预计的未来几年里，随着该技术的逐渐成熟并产业化，将取代现有的大部分信息系统的电源，引发一场电源的革命。因而把握这一时机，在国内大力开展这一技术的研究，加快我国这一技术的发展，将使我国信息电源技术在未来占有一席之地。 参考文献：

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]

张占松, 蔡宣三. 开关电源的原理和设计[M]. 电子工业出版社, 1999.

钱照明等. 从美国电源工业发展计划看我国电源工业的发展趋势 [J]. 电源技术应用, 2000, (4).

Zhou Xunwei, Zhang Xingzhu, et al. Investigation of Candidate VRM Topologies for future Microprocessors [A]. IEEE, APEC’98 conf. [C].

Yamashita Nobuhiko, Murakami Naoki, Yachi Toshiaki. Conduction Power Loss in MOSFET Synchronous Rectifier with Parallel-Connected Schottky Barrier Diode [J]. IEEE Trans. on Power Elecronics, 1998, 13: 667-673.

Cobos J A, Garcia O, Uceda J, Aldana F New driving scheme for Self Driven Synchronous Rectifiers[A]. IEEE, APEC’99 [C]. 1999, 840-846.

Zhou Xunwei, Donati Mauro, Amoroso Luca, Lee Fred C. Improve Light Load Efficaiency for Synchronous Rectifier Buck Converter [A]. IEEE APEC’99 [C]. 2001, 1: 295-302.

Cobos J A, Garcia O, Uceda J, Sebastian J. Comparison of High Efficiency Low Output Voltage Forward Topologies [A]. IEEE PESC’94 [C].

104 电路与系统学报 第9卷

1994, 887-894. [8] [9]

Cobos J A, Garcia O, Uceda J, Aldana F. Optimized Synchronous Rectification stage for Low Output Voltage DC/DC convertion [A]. IEEE, PESC’94 [C]. 1994, 2: 902-908.

Sebastian J, Cobos J A, et al. An overall study of the Half-Bridge Complementary-Control DC-to-DC Converter [A]. PESC’95 [C]. 1995, 2: 1229-1235.

[10] Ji H L, Kim H J. Active Clamp Forward Converter with MOSFET Synchronous Rectification [A]. IEEE PESC’94 [C]. 1999, 2: 895-901.

[11] Alou P, Oliver J, Cobos J A, Garcia O. Buck+Half-Bridge (d=50%) Topology Applied to very Low Voltage Power Converters [A]. IEEE,

APEC 2001 [C]. 2001, 2: 715-721.

[12] Visariro H, Rodriguez E, Alou P, et al. Multi-Output Half-Bridge Converter with Single-Winding Self-Driven Synchronous Rectification [J].

IEEE 2003, 2003, 1: 341-347.

作者简介：赵睿（1980-），女，研究生，研究方向为低电压大电流变换器；张波（1962-），男，教授，博士生导师，

研究方向为电力电子及电力传动。

Key Techniques and Topology Analysis of Synchronous Rectification

ZHAO Rui， ZHANG Bo

( South China University of Technology, Guangzhou 510640, China )

Abstract: Nowadays DC/DC low voltage/high current converters attract more and more research attention. This paper begins with key techniques of synchronous rectification (SR). Typical topology of presently built SR’s as well as their performance and features are analyzed extensively. Future development of SR technique is prospected as to contribute to the development of low-voltage/ high-current DC-DC converters.

Key words: low voltage/high current converters; SR; topology (续第82页)（from page 82）　

A Modified LMS Newton Algorithm

GAO Ying1, 2, XIE Sheng-li1

( 1. Department of Electronics and Communication Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China;

2. Department of Computer Science and Technology, Guangzhou University, Guangzhou 510405, China )

Abstract: A modified LMS Newton algorithm is proposed by replacing the gradient vector at previous moment with the gradient vector at present moment during the execution of LMS Newton algorithm and using the matrix inversion lemma as well. The results of theoretical analysis indicate that the modified LMS Newton algorithm is absolutely convergent for step factor µ >0. Computer simulation results show that the proposed algorithm’s convergence performance is better than that of the conventional LMS Newton algorithm.

Key words: LMS Newton algorithm; gradient vector; matrix inversion lemma