首页 > 江南app官方版下载

什么是同步与非同步Buck电源?

来源:江南网页版登录入口官网下载 网
时间:2023-04-19 16:04:17
热度:

什么是同步与非同步Buck电源?首先,要区分同步和非同步的概念。通俗一点:在应用中上管和下管都有场效应管的就是同步的。只有一个上管的开关就是非同步的,因为在非同步电源中,下管是一个

首先,要区分同步和非同步的概念。通俗一点:在应用中上管和下管都有场效应管的就是同步的。只有一个上管的开关就是非同步的,因为在非同步电源中,下管是一个二极管不需要控制,也就不存在控制器同步的问题。图1.30和1.31下图以Buck电路为例,对比同步与非同步的区别。

对于非同步电源来说,由于输出电流在变化的时候,二极管的压降是恒定的,导致在流过二极管电流很大的时候,原本在二极管上很小的电压乘以一个相当大电流,在输出电压很低的情况下,二极管的小电压占据了非常大的比重,它消耗的功率就非常的大,所以在大电流的情况下,它的效率会非常的低下。效率低下是非同步电源的的缺点。

二极管的价格要比MOSFET的价格要便宜的,成本来说,非同步更好一点。如果在输出的电压比较高的时候,二极管正向导通的电压所占的比重很小,对效率的影响也就没那么大了。

对同步电路而言,MOS有一个很重要的参数,导通电阻Rds on。一般的MOSFET的导通电阻都非常小,毫欧级别,所以MOS导通之后压降比较低。而且在同样的条件下,MOS的导通电压远远小于肖特基二极管的正向导通压降,在电流不变的时候,MOSFET上损耗的能量比二极管要小,所以同步电源的效率比二极管的要高。

当然,同步电路也有它的缺点。对于控制器芯片来说,对于下管的控制需要额外的控制电路,使得上下管MOSFET的时序能够同步(上管打开时,下管关闭;下管打开时,上管关闭)。

同样,Boost以及其他拓扑的电源都有同步与非同步的两种电路实现方式。随着半导体产业的进步,以及芯片的规模效应,同步电源逐步吞噬非同步的市场,占据了绝大多数市场份额。

Buck电路作为开关电源,其工作过程分析,一定是围绕这个开关管的开关过程进行分析,包括从“开”状态转换到“关”状态的切换过程的分析。

1. Buck电路原理图

Buck电路,又称降压电路,其基本特征是DC-DC转换电路,输出电压低于输入电压。输入电流为脉动的,输出电流为连续的。如图5.1所示,Buck电路使用开关管Q1将输入的直流电源进行“斩波”,形成方波。利用一个方波控制开关管,让开关管按照控制信号进行通断。调节方波的占空比,控制通过的能量。再对通过开关管的方波进行低通滤波,让直流电压输出。其实Buck的输出电流分成两个部分的,一个部分是来自电源,一个部分是来自非同步电路中的这个二极管,如图5.1所示D1,只是同步电路把这个二极管用一个MOSFET给替代了,这个MOSFET被称为“下管”,如图5.2所示,图中的Q2替代了D1。但是这个Q2的开和关,需要和Q1的开和关保持一定的相位关系,大家习惯把这样的关系叫做同步模式。

在同步Buck电路中,有两个MOSFET作为开关管,分别处于拓扑结构的上端和下端,所以我们一般把Q1位置的MOSFET称为“上管”,把Q2位置的MOSFET称为“下管”。

其实我们在实际设计过程中,非同步电源的电路越来越少被使用。这种Buck电路被称为非同步Buck,因为作为开关管的MOSFET只有一个就是Q1。Buck控制器芯片需要控制Q1的时序,但是不需要控制二极管。在非同步Buck电路中,二极管是不需要控制的,也不存在开关管同步的问题。

同步和非同步的区别从外部来看,非同步Buck电流有续流的二极管,同步Buck电路没有续流的二极管,取而代之是一个开关管。

非同步Buck电路,二极管续流(二极管与电感形成一个通路,二极管为电感保持电流持续,电流从二极管通过)期间,二极管两端的电压相对恒定,表现为二极管的“正向导通压降”VF。这个特性导致非同步压降电路在二极管上消耗的能量比较大,所以非同步Buck的效率比较低。因为其电路特点不需要复杂的控制,控制器成本也比较低。

同步Buck电路,采用MOSFET,下管续流的期间(上管关闭,下管打开,下管为电感保持电流持续,电流从下管通过),MOSFET完全导通,其特性表现为D极和S极 之间的导通等效阻抗。由于下管的导通阻抗比较小,根据欧姆定律其两端的电压为电阻和电流的乘积也比较小。对于非同步开关电源来说,二极管的两端电压为二极管正向导通电压大约为0.7V,功耗为电流与电压的乘积。相同输出电流的情况下,消耗在同步Buck电路的下管上的损耗比非同步的Buck电路二极管也小很多。所以同步Buck电路的效率比较高,相比来说需要额外的控制电路,成本相对也高一些。但是随着芯片的技术发展,同步Buck电路的优势越来越大,所以一般都选择同步Buck,规模效应带来的成本优势逐步明显。

1. Buck电路工作原理

(1)非同步Buck电路基本工作原理分析

当开关管Q1驱动为高电平时,开关管导通,储能电感L1被充磁,流经电感的电流线性增加,同时给电容C1充电,给负载R1提供能量。非同步Buck变换器基本电路的开关管导通等效为短路,二极管反向截止等效于断路,这个状态的等效电路如图所示。

开关管导通状态下的等效电路

当开关管Q1驱动为低电平时,开关管关断,储能电感L1通过续流二极管放电,电感电流线性减少,输出电压靠输出滤波电容C1放电以及减小的电感电流维持,等效电路如图所示。

开关管关断状态下的等效电路

(2)同步Buck电路基本工作原理分析

当上管导通,即为开关管Q1驱动为高电平时,此时下管关闭,即为开关管Q2驱动为低电平,储能电感L1被充磁,流经电感的电流线性增加,同时给电容C1充电,给负载提供能量。同步Buck变换器基本电路的上管导通等效为短路,下管关闭等效于断路,这个状态的等效电路如图所示。

同步Buck电路上管导通状态下的等效电路

当上管Q1驱动为低电平时,上管关断,此时下管Q2驱动电平为高电平,下管导通,储能电感L1通过续流二极管放电,电感电流线性减少,输出电压靠输出滤波电容C1放电以及减小的电感电流维持,等效电路如图所示。

同步Buck电路的上管关断状态下的等效电路


我们在计算开关电源的时候,同步控制器的MOSFET下管的体二极管在死区时间的时候,会起作用。实现死区时间的续流。我们在计算开关电源的下管的损耗的时候,需要计算这个体二极管的损耗。同步BUCK和非同步BUCK体二极管如图所示。

非同步BUCK和同步BUCK电路中的体二极管

如果是同步控制器,我们需要计算下管的体二极管在死区时间的导通损耗。如果是非同步控制器,我们则需要计算体二极管的续流时间的所有损耗。下表是某器件手册中的体二极管损耗。

体二极管损耗

二极管功耗,与正向导通电压、开关频率、死区时间、平均电流、相数有关。所以我们需要选择,体二极管的导通电压更小的MOSFET;死区时间更小的控制器MOSFET组合;适当选择开关频率。图是互补PWM时间的波形图。

互补PWM的死区时间

相对于PWM来说,死区时间是在PWM输出的这个时间,上下管都不会有输出,当然会使波形输出中断,死区时间一般只占百分之几的周期。但是当PWM波本身占空比小时,空出的部分要比死区还大,所以死区会影响输出的纹波,但应该不是起到决定性作用的。

Baidu
map