在現(xiàn)代電源管理技術(shù)中，同步整流憑借其獨特優(yōu)勢，已成為各類開關(guān)電源的關(guān)鍵技術(shù)，廣泛應(yīng)用于從消費電子到工業(yè)電源等眾多領(lǐng)域。它通過運用導(dǎo)通電阻極低的功率 MOSFET 取代傳統(tǒng)二極管整流器，顯著降低了整流過程中的導(dǎo)通損耗，大幅提升了電源的整體效率。然而，在輕負(fù)載工況下，同步整流式電源的效率卻往往不盡人意，出現(xiàn)明顯下降趨勢，這一問題嚴(yán)重制約了其進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用。因此，深入探究并切實改善同步整流式在輕負(fù)載時的效率，對提升電源性能、降低能源消耗意義重大。

輕負(fù)載時效率降低的原因

在輕負(fù)載狀態(tài)下，電路中的電流大幅減小。此時，同步整流電路中的一些固有特性開始對效率產(chǎn)生負(fù)面影響。以同步式電路為例，反向電流成為效率降低的關(guān)鍵因素。當(dāng)負(fù)載電流變小時，電感電流在某些時段可能會出現(xiàn)反向流動的情況。這是因為在同步整流電路中，下側(cè)晶體管在特定條件下可能會因電路中的寄生參數(shù)等因素，導(dǎo)致其在本不應(yīng)導(dǎo)通時出現(xiàn)導(dǎo)通，從而使電流反向流動。這種反向電流不僅無法為負(fù)載提供有效能量，反而會在電路中產(chǎn)生額外的功率損耗，使得電源效率降低。

此外，在輕負(fù)載時，電源自身的功耗占比相對增大。電源內(nèi)部的控制電路、驅(qū)動電路等都需要持續(xù)消耗一定的功率，而當(dāng)負(fù)載所需功率較小時，這些內(nèi)部功耗在總功耗中的占比就會顯著增加，進(jìn)而拉低了整體的效率。

改善輕負(fù)載效率的方法

增加不連續(xù)模式工作功能

一種可行的策略是在輕負(fù)載時增加以不連續(xù)模式工作的功能。其原理較為直觀，即通過檢測電感電流，當(dāng)電感電流下降至接近零的狀態(tài)時，將下側(cè)晶體管設(shè)為截止?fàn)顟B(tài)，以此避免反向電流的產(chǎn)生。例如，在實際電路中，利用專門的電流檢測電路對電感電流進(jìn)行實時監(jiān)測，一旦檢測到電感電流達(dá)到設(shè)定的閾值(接近零)，控制電路便迅速發(fā)出信號，將下側(cè)晶體管關(guān)斷。

然而，這種方法并非十全十美。當(dāng)采用不連續(xù)模式工作時，電感的晶體管側(cè)節(jié)點會呈現(xiàn)出類似開路的狀態(tài)。在這種情況下，輸出電容器的放電過程只能依靠負(fù)載電流來完成。由于輕負(fù)載時負(fù)載電流本身較小，輸出電容器電壓下降的速度變得極為緩慢，這就導(dǎo)致了開關(guān)速度的降低。同時，電壓下降時間變長還會使得紋波電壓顯著增加，影響電源輸出的穩(wěn)定性。另外，上側(cè)晶體管在輸出電壓下降之前不會導(dǎo)通，這使得開關(guān)周期發(fā)生改變。從噪聲過濾的角度來看，噪聲頻率的變動成為了一個棘手的問題，因為噪聲頻率不穩(wěn)定，增加了噪聲過濾的難度，并且在效率與噪聲控制之間需要進(jìn)行艱難的權(quán)衡。

從 PWM 模式切換到 PFM 模式

另一種改善輕負(fù)載效率的有效途徑是采用 PWM(脈沖寬度調(diào)制)和 PFM(脈沖頻率調(diào)制)相結(jié)合的控制方式，根據(jù)負(fù)載的輕重靈活切換。在負(fù)載較重時，采用 PWM 模式進(jìn)行工作。PWM 是一種極為常見的電壓控制方法，其特點是開關(guān)頻率保持恒定。無論負(fù)載是重還是輕，即使 ON/OFF 的時間比有所不同，單位時間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)始終保持一致。因此，電源自身的功耗基本維持不變。然而，在輕負(fù)載情況下，由于負(fù)載所需功率較小，開關(guān)損耗在總損耗中的占比就會大幅上升，從而導(dǎo)致效率降低。這正是 PWM 模式在低負(fù)載時效率通常會急劇下降的根本原因。

當(dāng)負(fù)載變輕時，將控制模式切換為 PFM。在 PFM 模式下，ON 時間保持恒定，而 OFF 時間則根據(jù)負(fù)載的變化而動態(tài)調(diào)整(或者 OFF 時間恒定，ON 時間變化)。這意味著下一次開關(guān)導(dǎo)通之前的時間間隔會發(fā)生改變。在輕負(fù)載時，由于負(fù)載所需的額外功率較小，因此 ON 周期會相應(yīng)變長，單位時間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)隨之減少。開關(guān)次數(shù)的減少直接降低了開關(guān)損耗，從而能夠在輕負(fù)載時維持較高的效率。

不過，單純采用 PFM 模式也存在一定的局限性。由于 PFM 模式下開關(guān)導(dǎo)通周期(即頻率)會發(fā)生變動，開關(guān)產(chǎn)生的噪聲變得不穩(wěn)定，難以確定其具體頻率。這使得噪聲過濾工作變得異常困難，增加了設(shè)計的復(fù)雜性。而且，當(dāng)頻率進(jìn)入人耳可聽的 20kHz 頻段時，可能會產(chǎn)生聲響，對音響設(shè)備等的信噪比造成不良影響。相比之下，PWM 模式在噪聲處理方面具有一定的優(yōu)勢，其恒定的頻率使得噪聲相對更容易控制。所以，在選擇 PWM 和 PFM 模式切換策略時，同樣需要在效率提升與噪聲控制之間進(jìn)行仔細(xì)權(quán)衡。

其他潛在的改善方向

除了上述兩種常見的改善方法外，還有一些其他潛在的途徑可以提升同步整流式在輕負(fù)載時的效率。例如，優(yōu)化電路設(shè)計，降低電路中的寄生參數(shù)。通過合理布局電路板、選用高品質(zhì)的元器件等方式，減小寄生電容、寄生電感等參數(shù)對電路性能的影響，從而減少在輕負(fù)載時因寄生參數(shù)導(dǎo)致的額外損耗。此外，研發(fā)更先進(jìn)的控制算法也是一個重要方向。利用智能控制算法，能夠更加精準(zhǔn)地根據(jù)負(fù)載的實時變化調(diào)整電路的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對功率器件的最優(yōu)控制，進(jìn)一步提高輕負(fù)載時的效率。

同步整流式在輕負(fù)載時的效率問題雖然復(fù)雜，但通過多種有效的改善方法，如增加不連續(xù)模式工作功能、合理切換 PWM 和 PFM 模式，以及探索其他潛在的優(yōu)化途徑，有望逐步提升其在輕負(fù)載工況下的效率，使其在更廣泛的應(yīng)用場景中發(fā)揮出更大的優(yōu)勢，為實現(xiàn)高效節(jié)能的電源系統(tǒng)提供有力支持 。