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同步开关稳压器由于效率高,在负载点(POL)电源领域广泛应用。但是相对于异步开关稳压器,同步开关稳压器可能会产生额外的电磁干扰。本文通过比较这两种开关稳压器,阐明同步开关稳压器额外的电磁干扰产生的来源,以及如何使用肖特基二极管来减少此类电磁干扰。最后给出产品选型方面的小技巧。
同步开关
稳压器
V
S
异步开关
稳压器
开关稳压器的工作原理是:通过重复切换开关(如下图的S1、S2)的“通”和“断”状态,把DC输入电压转化成PWM波形,然后使用电感、电容等能量存贮部件使其平滑,以转换成所希望的DC输出电压。
而同步开关稳压器与异步开关稳压器之间的主要区别在于:同步开关稳压器使用晶体管S2来代替二极管D1。(如下图电路所示)
同步开关稳压器 |
异步开关稳压器 |
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降压电路 |
图1a. 同步开关稳压器
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图1b. 异步开关稳压器
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工作方式 |
S1、 S2 通常为晶体管 S1 “通” S2 “断”时,橙线为电流路径 S1 “断” S2 “通”时,绿线为电流路径 |
S1通常为晶体管, D1通常为二极管 S1“通” D1“断”时,橙线为电流路径 S1“断” D1“通”时,绿线为电流路径 |
优点 |
效率高 |
电路简单 |
缺点 |
电路复杂 |
效率低 |
图1. 同步开关稳压器与异步开关稳压器比较
通常来说, 晶体管开关承载电流时的压降要比二极管更低。因此同步开关稳压器的能量损耗更小,效率更高。但是与异步开关稳压器相比,同步开关稳压器容易产生额外的电磁干扰。那么额外的电磁干扰是怎么产生的呢?
电磁干扰的来源与对策
同步开关稳压器有一个天生的缺陷,就是当S1与S2同时导通时,会产生短路危险,这会损坏开关。所以必须确保两个开关永远不会同时导通。为了个避免这种情况发生,会采取一些措施,而这些措施可能会带来额外的电磁干扰。我们来梳理一下这个过程是如何发生的。
图2. 同步开关稳压器电磁干扰产生的原因和解决方案(点击图片放大,查看详情)
我们可以使用一个额外的肖特基二极管来减少此类电磁干扰。肖特基二极管的反向恢复时间非常短,甚至反向恢复时间为0。并且在死区时间开始时,能非常快速地吸收电流。这可减缓开关节点处的电压陡降,从而减少由于耦合效应而产生并分布到电路上的电磁干扰。
下图是一个典型的降压同步开关稳压电路,其使用ADI ADP2443为同步开关稳压芯片。采用N沟道MOSFET和额外的肖特基二极管,可最大限度地减少干扰。
图3. 肖特基二极管在同步开关稳压器中的应用
电路中关键元器件选型
同步/异步开关稳压器选型
异步开关稳压器是简单且牢固的方式,而同步开关稳压器效率更高。如何在选型时区分这两类稳压器呢?
Digi-Key官网上,开关稳压器选型列表中,提供了许多可供选择的参数。在“同步整流器”栏中选择“是”,对应的就是同步开关稳压器。
图4. Digi-Key网站中同步/异步开关稳压器选型