在現(xiàn)代電源管理技術(shù)中，同步整流憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已成為各類開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵技術(shù)，廣泛應(yīng)用于從消費(fèi)電子到工業(yè)電源等眾多領(lǐng)域。它通過(guò)運(yùn)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(guò)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(shì)，這一問(wèn)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(shí)改善同步整流式在輕負(fù)載時(shí)的效率，對(duì)提升電源性能、降低能源消耗意義重大。

輕負(fù)載時(shí)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(shí)，同步整流電路中的一些固有特性開(kāi)始對(duì)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(shí)，電感電流在某些時(shí)段可能會(huì)出現(xiàn)反向流動(dòng)的情況。這是因?yàn)樵谕秸麟娐分校聜?cè)晶體管在特定條件下可能會(huì)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(shí)出現(xiàn)導(dǎo)通，從而使電流反向流動(dòng)。這種反向電流不僅無(wú)法為負(fù)載提供有效能量，反而會(huì)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(shí)，電源自身的功耗占比相對(duì)增大。電源內(nèi)部的控制電路、驅(qū)動(dòng)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(shí)，這些內(nèi)部功耗在總功耗中的占比就會(huì)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(shí)增加以不連續(xù)模式工作的功能。其原理較為直觀，即通過(guò)檢測(cè)電感電流，當(dāng)電感電流下降至接近零的狀態(tài)時(shí)，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(shí)際電路中，利用專門的電流檢測(cè)電路對(duì)電感電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦檢測(cè)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(hào)，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(shí)，電感的晶體管側(cè)節(jié)點(diǎn)會(huì)呈現(xiàn)出類似開(kāi)路的狀態(tài)。在這種情況下，輸出電容器的放電過(guò)程只能依靠負(fù)載電流來(lái)完成。由于輕負(fù)載時(shí)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(kāi)關(guān)速度的降低。同時(shí)，電壓下降時(shí)間變長(zhǎng)還會(huì)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(huì)導(dǎo)通，這使得開(kāi)關(guān)周期發(fā)生改變。從噪聲過(guò)濾的角度來(lái)看，噪聲頻率的變動(dòng)成為了一個(gè)棘手的問(wèn)題，因?yàn)樵肼曨l率不穩(wěn)定，增加了噪聲過(guò)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(shí)，采用 PWM 模式進(jìn)行工作。PWM 是一種極為常見(jiàn)的電壓控制方法，其特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率保持恒定。無(wú)論負(fù)載是重還是輕，即使 ON/OFF 的時(shí)間比有所不同，單位時(shí)間內(nèi)的開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗在總損耗中的占比就會(huì)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(shí)效率通常會(huì)急劇下降的根本原因。

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

不過(guò)，單純采用 PFM 模式也存在一定的局限性。由于 PFM 模式下開(kāi)關(guān)導(dǎo)通周期(即頻率)會(huì)發(fā)生變動(dòng)，開(kāi)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(guò)濾工作變得異常困難，增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。而且，當(dāng)頻率進(jìn)入人耳可聽(tīng)的 20kHz 頻段時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生聲響，對(duì)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(shì)，其恒定的頻率使得噪聲相對(duì)更容易控制。所以，在選擇 PWM 和 PFM 模式切換策略時(shí)，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(jiàn)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(shí)的效率。例如，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，降低電路中的寄生參數(shù)。通過(guò)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(duì)電路性能的影響，從而減少在輕負(fù)載時(shí)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(gè)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(shí)時(shí)變化調(diào)整電路的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器件的最優(yōu)控制，進(jìn)一步提高輕負(fù)載時(shí)的效率。

同步整流式在輕負(fù)載時(shí)的效率問(wèn)題雖然復(fù)雜，但通過(guò)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(chǎng)景中發(fā)揮出更大的優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的電源系統(tǒng)提供有力支持 。