DC/DC基本原理7 (Buck Converter) : 什麼是同步降壓轉換器？ What is Synchronous Buck Converter?

作者:Minepower 伏特羊

I. Synchronous Buck Converter基本架構

隨著筆記型電腦、行動裝置等設備的逐漸發展，已使用多年的非同步整流型電路雖然簡單，但其效率勉強超過80%，對於高效率、小型化電源解決方案的需求不斷增加。

促使需要複雜控制的同步整流的設計發展，將其應用於在移動設備、電池供電應用等方面，此外Power MOSFET技術提升以及成本的降低，使能夠提供較佳效率的同步整流型降壓轉換器逐漸得到了廣泛的應用。

由上一篇章DC/DC基本原理4 (Buck Converter)我們知道了非同步降壓轉換器的基本架構以及降壓轉換的原理，因此本篇章會著重討論非同步與同步降壓轉換器的差別。

非隔離型開關降壓轉換器是 DC/DC 轉換器中的一個重要類型，而它們可以分為非同步整流和同步整流兩種類型。

1. 非同步整流型：這種型式的開關降壓轉換器主要使用二極體(Diode)作為整流元件。當開關元件（通常是 MOSFET）導通時，能量由輸入源傳遞到輸出。當開關元件關閉時，二極體導通，以允許電流在電感和輸出之間流動。這種拓撲架構簡單，但效率可能約在80%左右。

圖1. 非同步降壓轉換器架構

2. 同步整流型：這種型式的開關降壓轉換器使用了 Power MOSFET 來代替傳統的二極體，這樣做的目的是減小整流時的能量損耗，提高轉換效率。同步整流型通常在高輸出電流應用中表現更好，因為它可以減少開關導通時間，降低開關損耗。

圖2. 同步降壓轉換器架構

由上文我們知道了非同步與同步降壓轉換器的架構，其架構表示方式也可以用上、下橋臂的呈現方式，如圖3與圖4，因此我們常將降壓轉換器之開關區分為上橋臂開關與下橋臂開關。

圖3. 非同步降壓轉換器架構(上、下橋呈現)

圖4. 同步降壓轉換器架構(上、下橋呈現)

在電路控制方面，同步整流型需要額外增加控制電路來驅動MOSFET ，如圖5表示，其中上橋臂開關和下橋臂開關的閘極訊號(UG、LG)必需互為反相，這是為了確保在一個 MOSFET導通的同時，另一個是截止的，這樣電流才能在電感和輸入電源之間週期性地流動。

此外，上、下橋臂開關輪流開啟之間必需要有 Dead Time 的控制，這段時間使上、下橋臂皆截止(確保交替時不會上、下同時開啟)，否則上臂和下臂的開關同時導通，等同於Vin通過開關直接短路對地，瞬間的大電流貫穿會造成電路元件的損壞。

*Dead Time以及開關切換詳細動作有機會另外再寫一篇介紹

圖5. 同步降壓轉換器(包含PWM、Driver)

II. 非同步/同步整流降壓轉換之損耗比較

從功率導通損失方面來看，一般二極體的順向偏壓(Vf)大約為0.4V~0.6V，MOSFET的RDS(ON)大約數個mΩ，非同步型其導通損失可由式1表示，而同步型其導通損失可由式2所表示，其中D(Duty)為責任週期。

以Vin=12V、Vout=1.2V、D(Duty)=0.1、輸出電流為5A，而二極體的順向偏壓Vf為0.4V、 MOSFET的RDS(ON)為2mΩ舉例，經計算非同步型以及同步型損耗可由式3、式4所表示，經由計算結果可得知這此降壓條件下，非同步型與同步型損耗分別為1.8W、0.045W，兩者相差1.755W。

由上式計算結果可觀察到在Duty越小的情境下，非同步型之導通損失差別越明顯，因為Duty越小代表者Toff時間越長，如圖6所表示，而非同步型Toff時期即是透過二極體進行導通，非同步型在Duty越小時(輸入電壓與輸出電壓壓差大)，意即二極體導通時間較長時，效率會越差，因此非同步型較不適用於輸入輸出壓差大情境；相對的，同步型則更適合應用在輸入輸出壓差大(Duty小)的應用情境。

另一方面，使用二極體的缺點，在於高電壓轉換成低電壓輸出時，會降低暫態的反應速度與較大的漣波，因而導通損失與切換損失（Switching Loss）都會增加。

圖6. 非同步降壓轉換之Toff時長(二極體導通)

III. 非同步/同步整流降壓轉換器比較

參考文獻: 

https://www.nisshinbo-microdevices.co.jp/en/design-support/basic/08-dc-dc-converter.html

https://techweb.rohm.com/product/power-ic/dcdc/dcdc-basic/92/