電源設計技術講座：同步整流不僅僅為了高效率

您是否曾經應要求設計過一種輕負載狀態下具有良好負載瞬態響應的電源呢？如果是，并且您還允許電源非連續，那么您可能會發現控制環路的增益在輕負載狀態下急劇下降。這會導致較差的瞬態響應，并且需要大量的輸出濾波電容器。一種更簡單的方法是讓電源在所有負載狀態下都為連續。

圖 1 是一個簡單的同步降壓轉換器，用于演示輸出電感中連續和非連續電流的負載瞬態響應。在低至空載的負載狀態下，輸出電感電流都一直保持連續，因為同步整流器允許電感電流在輕負載狀態下反向流動。只需用一個二極管替換底部 FET （Q2），電路便可轉為非連續。盡管本文介紹的是降壓拓撲結構的區別，但您會注意到所有電源拓撲都有類似的響應。

圖 1 用于演示瞬態響應的簡單降壓轉換器

圖 2 顯示了輸出電流 700 mA 階躍變化的兩個瞬態負載響應。左邊的線跡為連續情況，而右邊的線跡則為非連續情況。在非連續情況下，瞬態響應比連續情況差了三倍多。同步 FET 用于強制連續運行。但是，也有一些獲得較好瞬態響應的其他方法，包括預加載輸出或者使用擺動電感等。擺動電感用于在低電流時增加電感。這個目標的實現，主要是通過兩種磁心材料：低電流飽和高鐵氧體，以及低電流不飽和粉末鐵氧體。

圖 2 同步運行（左）具有最佳瞬態響應

非連續運行期間，瞬態響應較差的原因是環路特性急劇變化，如圖 3 所示。左邊的曲線顯示了連續運行期間的環路增益。控制環路具有 50 kHz 的帶寬，相補角為 60 度。右邊的曲線為功率級轉為非連續時的響應情況。功率級從連續運行期間的一對復極，變為非連續運行期間的一個單低頻實極點。該極點的頻率由輸出電容器和負載電阻器決定。相比連續情況，您可以看到低頻率下低頻極點引起的相移過程。低頻率下，增益急劇下降，原因是極點導致更低的交叉頻率，從而降低了瞬態響應。

圖 3 大量環路增益在非連續運行（右邊）中損失

總之，同步整流可提高效率，同時也能夠極大地幫助瞬態負載調節。它為電源預加載提供了一種高效的方法。另外，相比擺動電感，它還擁有更加穩定的控制環路特性。它提高了傳統降壓轉換器，以及所有其他能夠使用同步整流的拓撲結構的動態性。