一文詳解同步與非同步Buck電源

首先，要區(qū)分同步和非同步的概念。通俗一點(diǎn)：在應(yīng)用中上管和下管都有場效應(yīng)管的就是同步的。只有一個(gè)上管的開關(guān)就是非同步的，因?yàn)樵诜峭?a target="_blank">電源中，下管是一個(gè)二極管不需要控制，也就不存在控制器同步的問題。圖1.30和1.31下圖以Buck電路為例，對(duì)比同步與非同步的區(qū)別。

對(duì)于非同步電源來說，由于輸出電流在變化的時(shí)候，二極管的壓降是恒定的，導(dǎo)致在流過二極管電流很大的時(shí)候，原本在二極管上很小的電壓乘以一個(gè)相當(dāng)大電流，在輸出電壓很低的情況下，二極管的小電壓占據(jù)了非常大的比重，它消耗的功率就非常的大，所以在大電流的情況下，它的效率會(huì)非常的低下。效率低下是非同步電源的最大的缺點(diǎn)。

二極管的價(jià)格要比MOSFET的價(jià)格要便宜的，成本來說，非同步更好一點(diǎn)。如果在輸出的電壓比較高的時(shí)候，二極管正向?qū)ǖ碾妷核嫉谋戎睾苄。瑢?duì)效率的影響也就沒那么大了。

對(duì)同步電路而言，MOS有一個(gè)很重要的參數(shù)，導(dǎo)通電阻Rds on。一般的MOSFET的導(dǎo)通電阻都非常小，毫歐級(jí)別，所以MOS導(dǎo)通之后壓降比較低。而且在同樣的條件下，MOS的導(dǎo)通電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于肖特基二極管的正向?qū)▔航担陔娏鞑蛔兊臅r(shí)候，MOSFET上損耗的能量比二極管要小，所以同步電源的效率比二極管的要高。

當(dāng)然，同步電路也有它的缺點(diǎn)。對(duì)于控制器芯片來說，對(duì)于下管的控制需要額外的控制電路，使得上下管MOSFET的時(shí)序能夠同步（上管打開時(shí)，下管關(guān)閉；下管打開時(shí)，上管關(guān)閉）。

同樣，Boost以及其他拓?fù)涞碾娫炊加型脚c非同步的兩種電路實(shí)現(xiàn)方式。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，以及芯片的規(guī)模效應(yīng)，同步電源逐步吞噬非同步的市場，占據(jù)了絕大多數(shù)市場份額。

Buck電路作為開關(guān)電源，其工作過程分析，一定是圍繞這個(gè)開關(guān)管的開關(guān)過程進(jìn)行分析，包括從“開”狀態(tài)轉(zhuǎn)換到“關(guān)”狀態(tài)的切換過程的分析。

1. Buck電路原理圖

Buck電路，又稱降壓電路，其基本特征是DC-DC轉(zhuǎn)換電路，輸出電壓低于輸入電壓。輸入電流為脈動(dòng)的，輸出電流為連續(xù)的。如圖5.1所示，Buck電路使用開關(guān)管Q1將輸入的直流電源進(jìn)行“斬波”，形成方波。利用一個(gè)方波控制開關(guān)管，讓開關(guān)管按照控制信號(hào)進(jìn)行通斷。調(diào)節(jié)方波的占空比，控制通過的能量。再對(duì)通過開關(guān)管的方波進(jìn)行低通濾波，讓直流電壓輸出。其實(shí)Buck的輸出電流分成兩個(gè)部分的，一個(gè)部分是來自電源，一個(gè)部分是來自非同步電路中的這個(gè)二極管，如圖5.1所示D1，只是同步電路把這個(gè)二極管用一個(gè)MOSFET給替代了，這個(gè)MOSFET被稱為“下管”，如圖5.2所示，圖中的Q2替代了D1。但是這個(gè)Q2的開和關(guān)，需要和Q1的開和關(guān)保持一定的相位關(guān)系，大家習(xí)慣把這樣的關(guān)系叫做同步模式。

在同步Buck電路中，有兩個(gè)MOSFET作為開關(guān)管，分別處于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的上端和下端，所以我們一般把Q1位置的MOSFET稱為“上管”，把Q2位置的MOSFET稱為“下管”。

其實(shí)我們在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，非同步電源的電路越來越少被使用。這種Buck電路被稱為非同步Buck，因?yàn)樽鳛殚_關(guān)管的MOSFET只有一個(gè)就是Q1。Buck控制器芯片需要控制Q1的時(shí)序，但是不需要控制二極管。在非同步Buck電路中，二極管是不需要控制的，也不存在開關(guān)管同步的問題。

同步和非同步的區(qū)別從外部來看，非同步Buck電流有續(xù)流的二極管，同步Buck電路沒有續(xù)流的二極管，取而代之是一個(gè)開關(guān)管。

非同步Buck電路，二極管續(xù)流（二極管與電感形成一個(gè)通路，二極管為電感保持電流持續(xù)，電流從二極管通過）期間，二極管兩端的電壓相對(duì)恒定，表現(xiàn)為二極管的“正向?qū)▔航怠盫F。這個(gè)特性導(dǎo)致非同步壓降電路在二極管上消耗的能量比較大，所以非同步Buck的效率比較低。因?yàn)槠潆娐诽攸c(diǎn)不需要復(fù)雜的控制，控制器成本也比較低。

同步Buck電路，采用MOSFET，下管續(xù)流的期間（上管關(guān)閉，下管打開，下管為電感保持電流持續(xù)，電流從下管通過），MOSFET完全導(dǎo)通，其特性表現(xiàn)為D極和S極?之間的導(dǎo)通等效阻抗。由于下管的導(dǎo)通阻抗比較小，根據(jù)歐姆定律其兩端的電壓為電阻和電流的乘積也比較小。對(duì)于非同步開關(guān)電源來說，二極管的兩端電壓為二極管正向?qū)妷捍蠹s為0.7V，功耗為電流與電壓的乘積。相同輸出電流的情況下，消耗在同步Buck電路的下管上的損耗比非同步的Buck電路二極管也小很多。所以同步Buck電路的效率比較高，相比來說需要額外的控制電路，成本相對(duì)也高一些。但是隨著芯片的技術(shù)發(fā)展，同步Buck電路的優(yōu)勢越來越大，所以一般都選擇同步Buck，規(guī)模效應(yīng)帶來的成本優(yōu)勢逐步明顯。

1. ?Buck電路工作原理

（1）非同步Buck電路基本工作原理分析

當(dāng)開關(guān)管Q1驅(qū)動(dòng)為高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，儲(chǔ)能電感L1被充磁，流經(jīng)電感的電流線性增加，同時(shí)給電容C1充電，給負(fù)載R1提供能量。非同步Buck變換器基本電路的開關(guān)管導(dǎo)通等效為短路，二極管反向截止等效于斷路，這個(gè)狀態(tài)的等效電路如圖所示。

開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)下的等效電路

當(dāng)開關(guān)管Q1驅(qū)動(dòng)為低電平時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷，儲(chǔ)能電感L1通過續(xù)流二極管放電，電感電流線性減少，輸出電壓靠輸出濾波電容C1放電以及減小的電感電流維持，等效電路如圖所示。

開關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)下的等效電路

（2）同步Buck電路基本工作原理分析

當(dāng)上管導(dǎo)通，即為開關(guān)管Q1驅(qū)動(dòng)為高電平時(shí)，此時(shí)下管關(guān)閉，即為開關(guān)管Q2驅(qū)動(dòng)為低電平，儲(chǔ)能電感L1被充磁，流經(jīng)電感的電流線性增加，同時(shí)給電容C1充電，給負(fù)載提供能量。同步Buck變換器基本電路的上管導(dǎo)通等效為短路，下管關(guān)閉等效于斷路，這個(gè)狀態(tài)的等效電路如圖所示。

同步Buck電路上管導(dǎo)通狀態(tài)下的等效電路

當(dāng)上管Q1驅(qū)動(dòng)為低電平時(shí)，上管關(guān)斷，此時(shí)下管Q2驅(qū)動(dòng)電平為高電平，下管導(dǎo)通，儲(chǔ)能電感L1通過續(xù)流二極管放電，電感電流線性減少，輸出電壓靠輸出濾波電容C1放電以及減小的電感電流維持，等效電路如圖所示。

同步Buck電路的上管關(guān)斷狀態(tài)下的等效電路

我們在計(jì)算開關(guān)電源的時(shí)候，同步控制器的MOSFET下管的體二極管在死區(qū)時(shí)間的時(shí)候，會(huì)起作用。實(shí)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間的續(xù)流。我們在計(jì)算開關(guān)電源的下管的損耗的時(shí)候，需要計(jì)算這個(gè)體二極管的損耗。同步BUCK和非同步BUCK體二極管如圖所示。

非同步BUCK和同步BUCK電路中的體二極管

如果是同步控制器，我們需要計(jì)算下管的體二極管在死區(qū)時(shí)間的導(dǎo)通損耗。如果是非同步控制器，我們則需要計(jì)算體二極管的續(xù)流時(shí)間的所有損耗。下表是某器件手冊中的體二極管損耗。

體二極管損耗

二極管功耗，與正向?qū)妷?、開關(guān)頻率、死區(qū)時(shí)間、平均電流、相數(shù)有關(guān)。所以我們需要選擇，體二極管的導(dǎo)通電壓更小的MOSFET；死區(qū)時(shí)間更小的控制器MOSFET組合；適當(dāng)選擇開關(guān)頻率。圖是互補(bǔ)PWM時(shí)間的波形圖。

互補(bǔ)PWM的死區(qū)時(shí)間

相對(duì)于PWM來說，死區(qū)時(shí)間是在PWM輸出的這個(gè)時(shí)間，上下管都不會(huì)有輸出，當(dāng)然會(huì)使波形輸出中斷，死區(qū)時(shí)間一般只占百分之幾的周期。但是當(dāng)PWM波本身占空比小時(shí)，空出的部分要比死區(qū)還大，所以死區(qū)會(huì)影響輸出的紋波，但應(yīng)該不是起到?jīng)Q定性作用的。