基于同步整流技术的Buck开关电源设计方法

典型的Buck电路

同步整流的Buck电路

摘要

B u c k 变换器作为一种基本的开关电源变换器，在电力变换场合具有广泛的应用。为解决 B u c k 变换器工作在电感电流连续状态下，续流二极管关断时存在较大的反向电流过冲问题，采用了同步整流技术。用M OS管代替续流二极管，通过控制电路输出 180 °互补的 PWM 波来驱动开关 MOS 管和续流 MOS 管，消除了续流结束时的反向尖峰电流，提高 Buck 变换器的效率，减小开关 MOS 管的电应力，降低整个设备的电磁干扰，提高变换器运行可行性。分析带有同步整流技术的 B uc k 变换器工作原理，对其进行电路仿真，仿真结果验证整个变换器具有可行性与实用性。

关键词：Buck ；续流二极管；尖峰电流；同步整流

0 引言

Buck 变换器是一种基本的开关电源变换器，由于其结构简单、性能优良、体积小等特点在中小功率场合得到了广泛的应用。Buck 变换器的续流二极管在开关 MOS 管关断时进行续流，而续流二极管的损耗在一定程度上影响了Buck变换器的效率。在电感电流连续的情况下，续流二极管的关断电流尖峰使滤波器和开关管的电应力增大，从而增大了变换器的体积和经济成本。分析 Buck变换器的工作原理，寻求新的续流方法，在优化 Buck变换器的结构，降低经济成本方面起着重大作用。

1 原理分析

Buck 变换器结构简单，主电路由开关 MOS 管、续流二极管和 LC 低通滤波器组成，其电路结构原理如图 1 所示。开关 MOS 管由 PWM 驱动，当开关 MOS 管导通时，续流二极管 D 截止，当开关 MOS 管截止时，续流二极管续流导通。

1 基本工作原理

假设电路中所有开关元件为理想元器件，输出滤波电容 C2 足够大，滤波电感 L 感值足够大，以电感电流连续为例进行分析，各主要元器件电压和电流波形如图 2 所示。

在 0-ton 时间段内，开关 MOS 管导通，续流二极管截止，流过开关 MOS 管的电流即为电感电流。滤波电感的电流波动主要由开关 MOS 管的波动决定，变换器的损耗主要组成成分为开关 MOS 管的开关损耗 [5]。电感两端承受电压为 Vin-Vo，电感电流线性增加。

在 ton-T 时间段内，开关 MOS 管截止，续流二极管导通，流过续流二极管的电流即为电感电流。滤波电感的电流波动主要由续流二极管的波动决定，变换器的损耗主要组成成分为续流二极管的开关损耗 [5]。电感两端承受电压为反向的Vo，电感电流线性减小。

如上可知，电感电流纹波主要由开关 MOS 管的波动和续流二极管的波动引起，整个变换器的主要损耗为开关 MOS 管的损耗和续流二极管的损耗。由于开关 MOS 管一般内阻较小，远小于续流二极管的损耗，因此需要对续流二极管续流过程中存在的问题进行探讨和改善。

1.2 设计过程中的问题

对续流二极管的关断过程进行分析，其在关断过程中存在着电流反向的过程，关段过程中的电压电流如图 3 所示。图 3 中，IF 为流过二极管的电流，UF 为二极管两端电压，UR 为加在二极管两端的反向电压。由图 3 可知，二极管关断过程中电流在 t1 时刻先反向，随之电压在 t3 时刻反向，且电流在 t4 时刻有较大反向电流，在最后时刻才谐振至零。

根据续流二极管的动态特性和 Buck 变换器的工作原理，存在以下问题：

1）由图 3 中的动态过程可知，二极管关断过程中存在电压和电流同时不为零的情况，加上续流二极管导通时的损耗，整个二极管在续流过程中存在着较大损耗，影响 Buck 变换器

的效率。

电感电流连续时，续流二极管存在较大反向电流过冲，此电流过冲由开关 MOS 管提供，因此开关 MOS 管需要瞬间提供一个较大的尖峰电流。尖峰电流在增大了开关 MOS 管的电应力同时，也易使开关 MOS 管损坏。

3）尖峰电流较大，维持时间较短，较大的di dt ，将会对周围的原件产生电磁干扰，增大设备噪声，降低 Buck 变换器可靠性。

同步整流技术为提高 Buck 变换器的效率，减小开关管的电应力，减少滤波器的体积，优化 Buck 变换器的性能，需要对续流部分进行优化。由于开关 MOS 管的损耗较小，因此采用同步整流技术，用另一路开关 MOS 管代替续流二极管进行续流，电路原理如图 4 所示。

采用 SG3525 为控制芯片，输出两路相位差为 180 °互补的 PWM 波，经过以 IR2110 为核心的自举电路后，分别驱动开关 MOS 管 Q1 和续流 MOS 管 Q2。两路互补的 PWM 波如图 5 所示。

在 0-ton 时间段内，驱动 PWM 波控制开关 MOS 管导通，续流 MOS 管截止，流过开关 MOS 管的电流即为电感电流。在 ton-T 时间段内，驱动 PWM 波控制开关 MOS 管截止，续流 MOS管导通，流过续流 MOS 管的电流即为电感电流。运用 MOS 管代替了二极管续流，具有以下方面的优势：

MOS 管特性稳定，相对于二极管而言内阻较小，在工作过程中开关损耗比二极管更小，减小了变换器的损耗，对 Buck 变换器效率的提高具有重大意义。
MOS 管在关断过程中不需要电流，在电感电流连续时，用 MOS 管代替续流二极管避免了续流结束时存在着较大反向电流过冲，减小电流的突变程度，抑制电磁干扰，确保设备工作可靠性。
抑制尖峰电流产生，降低开关 MOS 管的电应力，同时减小滤波电感纹波，对优化变换器体积与器件的选型上具有较大作用，降低变换器成本。

2 实验测试与仿真

Buck 变换器工作于电感电流连续状态时，在续流二极管关断瞬间存在着较大的反向电流尖峰，导致 MOS 管电流在开通瞬间也存在较大尖峰。以额定值为 3 A/6 V 对 Buck 电路进行实验，仿真结果如图 6 所示，尖峰电流对电路元器件存在较大影响。

为解决续流二极管关断过程产生的反向尖峰电流问题，采用了同步整流技术，对电路进行了试验，MOS 管波形如图 7 所示。通过实验检测，采用同步整流技术后 MOS 管开通过程中的尖峰电流消失，开关器件动态性能良好。

采用同步整流技术前后，对电路进行开关 MOS 管和续流二极管的纹波电流参数对比，同时对整个电路的半载效率进行了对比，对比结果见表 1。

由表 1 结果可知，采用同步整流技术后，续流尖峰电流值减小，开关 MOS 管电流最大值减小，Buck 变换器的整体效率得到大幅提升。采用同步整流技术后，Buck 变换器的性能得到较大改善。

3 总结

为解决 Buck 变换器工作于电感电流连续状态下，存在的续流二极管关断时产生反向尖峰电流的问题，采用了同步整流技术，利用 MOS 管代替了二极管进行续流。采用 SG3525 芯片作为控制芯片，通过以IR2110 芯片为核心的自举电路，对开关 MOS 管和续流 MOS 进行驱动。通过电路原理分析和电路仿真，结果显示带有同步整流技术的 Buck 变换器具有变换效率高、工作过程中电磁干扰小、开关 MOS管电应力小等优点，在实际应用中具有一定的可靠性和推广性。