分析同步buck电路

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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