同步整流器可提高電源供應器的效率，前提是有效受到控制

擁有更快處理器、更多記憶體、更大頻寬的新式電子裝置需要更多的電力，這已不是什麼秘密。與此同時，市場也迫切需要更小的電源供應器。要在更小的封裝中提供更大的電力，就需要提升電源效率。要提升效率，就必須減少電源供應器的損耗，這表示要重新思考其基本設計。

讓我們看看損失都出現在哪個環節，又可以採取哪些措施。在此將以返馳式電源供應器為例說明 (圖 1)。返馳式轉換器可將場效電晶體 (FET) 開啟與關閉。

圖 1：基本的返馳式電源供應器可開啟與關閉 FET。在此顯示其相關的電流和電壓波形。(圖片來源：Texas Instruments)

在 FET 導通期間，電流 (I_P) 會流入耦合電感的一次側，這會在電感中形成磁場。當 FET 關閉時，由於電感中的磁場塌陷，二次側電流 (I_O) 會流入二次側，穿過二極體後，流向輸出濾波器和負載。損耗的形式包括耦合電感、動態切換、FET 和輸出二極體中的導通損耗，以及箝位電路中的功率損耗。這些損耗都應該納入評估，但在本文中，我們會把重點放在輸出二極體中的導通損耗。

當輸出二極體導通時，會出現順向壓降 (V_F)，且隨著電流和溫度而變化 (圖 2)。

圖 2：典型肖特基二極體的順向壓降會隨著溫度和電流而變化。(圖片來源：Diodes Incorporated)

此二極體中的順向壓降會隨著電流的上升而增加，溫度上升時則減少。對於 25°C 時 10 A 的順向電流，其順向壓降約為 420 mV，表示二極體耗散 4.2 W。有個方法可解決此損耗，就是以 FET 替代二極體，讓 FET 在電源供應器切換週期的適當時機點開啟。這就是同步整流器 (SR)，有時也稱為主動整流器。當 FET 開啟時，其順向阻抗主要是 FET 通道的電阻 (R_DS(ON))。Texas Instruments CSD18532KCS 是一款 N 通道 FET，R_DS(ON) 約為 5 mΩ。將此 FET 與二極體比較，就能發現 SR 的優勢 (圖 3)。

圖 3：CSD18532KCS 與肖特基二極體的順向壓降比較圖。等效電路模型可凸顯兩者的差異。(圖片來源：Texas Instruments)

FET 在 25°C 時的順向壓降於 10 A 順向電流下僅為約 60 mV，而二極體的順向壓降則為 420 mV。FET 的功率損耗為 0.6 W，而二極體則為 4.2 W，可見 FET 大幅降低了功率損耗，也提高了電源供應器的電源效率。

Texas Instruments 使用 Texas Instruments UCC28740EVM-525 10 W 隔離式輸出評估板進行比較。此評估模組屬於 10 W 離線電源模組，可提供恆定電壓和恆定電流輸出調節。採用非連續導通模式 (DCM) 返馳式轉換器架構。在測試中，會使用超級能障整流器測量順向壓降和電流，並使用 Texas Instruments CSD19531Q5A N 通道 MOSFET 測量 SR (圖 4)。

圖 4：使用二極體和 MOSFET 同步整流，比較同一電源供應器中的順向壓降和電流。(圖片來源：Texas Instruments)

整流器中順向壓降的差異非常明顯。二極體整流器順向電壓占了電壓的一大部分，而 SR 則小很多。SR 導通階段開始和結束時的小矩形脈衝是 FET 中的本體二極體導通所造成。這些脈衝確實會增加導通損耗，但由於持續時間短，對電源供應器效率的影響甚小。

從電源供應器在不同負載電流下的效率可看出，相對於較傳統的二極體整流器，同步整流器更具優勢 (圖 5)。

圖 5：比較電源供應器在不同負載電流和電源電壓下的效率，可發現效率提高了 2% 至 3%。(圖片來源：Texas Instruments)

在不同負載電流下，同步整流的效率比二極體整流器的效率高 2% 至 3%。SR 的實作雖然更為複雜，但成本效益還是十分值得。

實作同步整流

SR 的缺點是必須隨著電源供應器的切換操作來同步驅動 FET。基本上，有兩種作法可以控制 SR 用的 FET。第一種方法是自驅式控制。這種方法會直接使用耦合電感的二次側電壓或使用另外的繞組來控制 SR。這種方法由於非常簡單，所需的元件數量也少，因此頗受歡迎。然而，並非所有電路拓撲都可採用此技術，而且必須仰賴耦合電感中的重置流程。

第二種方法是控制驅動作法，使用同步整流器控制器 (例如 Texas Instruments UCC24612-1DBVR)，以主開關的閘極驅動訊號來控制 SR。此元件可用多種返馳式拓撲操作，例如主動箝位、準共振 (QR)、非連續導通模式 (DCM)、連續導通模式 (CCM)、LLC 諧振返馳式轉換。可使用 V_DS 電壓感測來設定 MOSFET 導通間隔，將導通損耗降至最低。UCC24612-1DBVR 可搭配返馳式控制器操作，以實作更多控制和其他提高效率的作業，例如主動箝位、零電壓交越切換。

結論

同步整流器屬於一整套可提升效率的技術工具組之一，且有許多立即可用的硬體裝置可提供支援，如 UCC24612-1DBVR，可提供簡易且符合成本效益的設計，能滿足您對更高功率密度的需求。