详细说明两种开关电源拓扑（正激/反激）次级同步整流电路的基本原理

qrut

随着开关电源技术的发展，小体积高效率低功耗成为未来发展趋势，其中同步整流技术也为降低电源功耗起到了很大作用，同步整流简单理解就是用mos管代替普通整流二极管，由于二极管整流存在较大的导通压降，这样就带来额外的损耗，用开关mos通过控制电路去代替二极管整流会大幅降低损耗（mos开通内阻很低，损耗很小），运用同步整流技术的电源或者dc-dc拓扑很多，电路种类也非常繁杂，有些坛友基本都知道同步整流这回事儿，但是基本原理却比较模糊。这和各种现成的同步整流芯片的应用有很大关系，现在的很多工程师只会用现成方案但是基本原理却不一定很了解。此贴会详细介绍两种电源拓扑同步整流的基本原理，方便一些坛友知其然也知其所以然，使不太清楚具体工作原理的坛友有个大概的了解。

先介绍反激同步整流，下图是分立元件组成的反激自驱同步整流电路，可以看到电路很简单，左边是一次侧绕组和驱动mos，右侧是二次侧辅助绕组和主输出绕组。整流二极管被mos代替，上半图是高边同步整流，下半图是低边。


用高边举例说明，mos开通时电源通过一次侧绕组给线圈充能，二次侧此时由于同名端的缘故，辅助绕组电压极性上负 下正，此时q2不导通，二次侧输出绕组也没有电流通路，此时输出为0

反激阶段一次侧mos关闭，主绕组漏感极性反转，通过变压器将能量释放到二次侧，二次侧辅助绕组极性也跟着反转，上正 下负，红色标注为驱动电压极性和驱动电流回路。此时q2开通，二次侧输出绕组极性也同步反转，通过绿色回路对滤波电容充电和对负载放电，完成一次整流。当一次侧mos 再次开通，二次侧绕组极性再次跟随一次侧反转，q2再次关闭，如此循环。
可以看到自驱同步整流电路简单，但是需要额外的驱动辅助绕组，这样不利于搭配通用变压器，使设计难度增大。并且自驱动电压随输出和输入电压有很大变化，也不易于设计合适的驱动参数，而且在q2关断期间驱动绕组有负压超限的问题，参数搭配不当有损耗mos 的可能，整体只适合简易且定制固定输出场合。低边驱动原理和高边类似不再赘述。



下图是改进的半自驱反激低边同步整流电路，可以看到，q2栅极串联了一颗二极管，这样就隔离了负压驱动电压，没有负压关断超限的问题，关断驱动被外部额外的驱动变压器T2代替，当正激阶段，pwm高电平 q3截止，T2次级上负下正，则q2栅极三极管导通，q2栅极电荷被快速泄放，q2关断。
半自驱需要辅助绕组，还需要额外的驱动变压器，电路成本会更高。



外驱低边同步整流电路，可以看到完全取消了驱动绕组，q2的驱动都由外部驱动完成，基本原理和上图半自驱几乎一样，只是mos开通驱动过程也是由t2外部驱动完成的，电路设计更加灵活，主变压器不需要额外的驱动绕组，驱动同步性较差，需要额外的驱动变压器，成本也较高。



下图自供电电压型反激低边同步整流驱动，自供电反激驱动分立元件基本原理图由于技术保密等原因国内很难找到，这个是我在外网找到的国外关于同步整流论文里的一张示意原理图，其实原理很简单，只有一张图，没有任何说明，原理流程都是本人分析后总结得出的。



当s1开通，主绕组充能，二次侧输出绕组电压极性上负，下正。次级mos体二极管反偏关断，mos也关断，此时无输出。



当s1关断，二次侧输出绕组极性转换，上正 下负， mos体二极管正偏导通，初始整流由mos体二极管完成。

二极管导通，输出vo电压建立，则下半部控制电压建立，控制电路由脉冲检测，相位转换，和图腾柱输出极驱动组成。



控制电压建立后变压器输出绕组下端通过二极管将q1 b极拉低，q1截止输出高电平（a点），进入图腾柱输出高电平（b点），mos vgs高电平开通，则ds将体二极管短路屏蔽，二极管损耗被排除，整流作用由mos接替。经过第一个周期输出电压已经建立，则控制电路工作电压一直会保持，实现自供电。下一个振荡周期正激阶段，二次侧绕组下端输出正极，二极管d 不导通，q1输出低电平，b点输出低电平将mos关断，直到反激时再次开通。
下图分立元件自供电同步整流，无需辅助绕组 自供电，无需外部驱动变压器，可以大幅缩减成本简化设计，但是以上几种电路都存在一个问题，就是反激有CCM DCM 模式，CCM是电流连续模式，指电感里一直存在电流没有完全消失的时候，如果pwm关断时变压器漏感中的电流没有完全消失就再次开通，就是CCM。如果电感电流已经消失且pwm还没有再次开通，则进入断续模式，DCM模式有个问题，pwm关断后变压器二次侧绕组漏感中完全没有电流后会和整流管（或mos）形成谐振造成振铃，会使控制电路神经，mos就会跟随振铃胡乱开关，造成误开通。因此这种简易分立元件同步整流电路只适合CCM模式。


下图是sw1608，常用的反激同步整流ic。支持自供电，支持ccm dcm qr准谐振模式，有智能导通检测可以防止dcm模式误开通。



下图是低边应用典型应用，可以看到芯片正激充能自供电并储能，而且无需额外供电引脚（三端器件），因此如果集成mos可以做成两端器件，类似某些两个引脚的同步整流ic，直接替代整流二极管使用。




也支持高边应用，功能最完善最可靠还得是成品专用芯片，当然内部原理会更加复杂且肯定是保密的。



下图是自驱式正激低边同步整流基本电路，整流电路由两颗mos组成，由于正激拓扑变压器只传递能量几乎不储存能量，因此漏感很小（注意只是很小而不是没有），不像反激那样正激储能，反激释放能量，能量储存在漏感里再释放。正激拓扑，变压器正激直接将能量传送到二次侧，因此整流滤波中间会串个电感，电感的作用起到储能滤波和扼流的作用，输出滤波电容两端电压不能突变，如果不串电感，则瞬时整流的电流很大，会烧坏整流管等元件或线路。串入电感使电流较慢上升，多余能量储存在电感中再均衡的释放到输出电容。反激变压器漏感代替了正激输出电感的作用，无需此电感。


当一次侧mos开通，二次侧绕组上正下负，sr2开通，驱动环路红色标注。由于sr2 d极接变压器输出绕组，不能和mos g极直接构成驱动回路。因此驱动电流回流路径是经过sr2体二级管到，mos s极的，开通后ds同电位，则不再需要体二极管参与。 绿色环路则是二次侧整流路径



当反激阶段一次侧mos关断，二次侧绕组极性反转（反转电压来源于漏感），此时sr2关闭，sr3开通，红色标注路径。输出滤波电感极性也反转通过sr3同步续流。
自驱正激同步整流和反激类似，不需额外驱动绕组，但是驱动电路设计也比较麻烦，要想实际应用，需要对变压器参数，输入 输出电压等等严格限制，且续流阶段如果变压器完全磁复位则sr3续流管无法维持开通，则只能依靠sr3体二极管续流，效率降低。


下图增加了一颗二极管和mos，正激vs1 vs3开通，vs2栅极被vs3拉低关断，则二次侧绕组通过电感L对电容和负载放电，完成整流。当反激vs1 vs3关断，vs2开通续流，由于vs3关断后cds结电容的作用会在磁复位后维持驱动电压，可保持vs2持续一段时间开通，这样就避免了vs2提前关断带来的续流损耗。但是对vs2的参数选择需严格匹配，参数不当会导致下一个周期vs1开通后vs2仍旧未关闭，两个管子就会直通短路，造成烧管儿。



下图是基于sp6012 方案的正激同步整流芯片典型应用，用了额外12v辅助电源属于外驱应用，实际上如果输出电压大于等于12v辅助电源可以不用。



sp6012内置脉冲门限和斜率检测，可以对整流续流开通和关闭时机精确把控，因此性能和稳定性适应性比分立元件同步整流也是强的多。



以上是两种常见拓扑同步整流基本原理的介绍，如果对你有用请多支持。


完

jackenjoy

终于知其然也知其所以然了

deyafe

老的电脑ATX电源，能不能用最后一个方法改造呢

qrut

deyafe 发表于 2023-7-30 16:13
老的电脑ATX电源，能不能用最后一个方法改造呢

atx多是双管正激架构，和单管正激不一样～

邪恶海盗

以不能发点我能看懂的...

gl542400

现在技术发展快，全搞集成化了

jf201006

好文章，好文章

8139

这篇内容有点硬，先收藏，然后慢慢消化

aacyxjz

这次能前排围观了

xiaohui888

看完受益良多，支持楼主继续发类似的帖子。

qrut

gl542400 发表于 2023-7-30 16:37
现在技术发展快，全搞集成化了

是的～

qrut

jf201006 发表于 2023-7-30 17:31
好文章，好文章

谢谢支持～

qrut

8139 发表于 2023-7-30 17:32
这篇内容有点硬，先收藏，然后慢慢消化

老兄来了，已经尽量优化了，谢谢支持～

qrut

aacyxjz 发表于 2023-7-30 17:42
这次能前排围观了

谢谢支持～

qrut

xiaohui888 发表于 2023-7-30 18:01
看完受益良多，支持楼主继续发类似的帖子。

哈哈好的，谢谢支持～

徽章电子

前排围观了

wfzdm

以前的pc电源喜欢用双管正激，现在是清一色的LLC了

feetprint

先收藏，然后慢慢消化

maskzippy

厉害了偶歌神

ccbw

先顶后收藏