Buck架構-同步與非同步比較

Buck電路-同步與非同步架構，主要的元件差別在於把Diode換成MOSFET，但設計上的複雜度可是相差很多的。其實在應用上，各有各的優缺點，以下就兩者之間的差異做一個比較分析。
Buck非同步架構：

Buck 非同步架構

上圖是一個基本的Buck線路，不需要振盪頻率，僅靠著偵測回授來決定MOS-Gate的開關Duty，，達到降壓的功能。再經由輸出電容來以穩定輸出電壓。
動作原理：

N-MOSFET為High導通, 當MOSFET "D"極接於輸入電源, "S"極連接於儲能電感於MOSFET導通後, "G"極 High Active才能保持MOS持續導通, 當Mosfet Off後, 能量由接地二極體(飛輪二極體)將能釋放於輸出端, 因此可以說ON週期能量由MOSFET提供, 而OFF週期能量由二極體提供。但是, 當輸出電流需要到某一個程度時或高壓轉低壓時, 會因為二極體順向電壓使電感上能量無法完全釋放, 造成MOSFET於ON週期導通時必須克服電感殘餘能量後才能將能量儲存於電感。
假設一個12V轉2.5V/5A電路,由電壓得知週期 D = Vo/Vi 則 D = 21%  此表示MOS導通21%而二極體導通79%, 而輸出電流5A , 則Mosfet電流=5x21%=1.05A, 而二極體電流=5x79%=3.95A, 以二極體規格Vf=0.4V而言, 則二極體損耗為0.4V * 3.95A = 1.58W, 如此損耗勢必造成二極體發熱, 使效率變差…
因此若將二極體也換成N-MOSFET後, 其結果就不同了, 以MOSFET取代二極體承上條件, N-MOSFET 導通組抗為0.012R, 則MOSFET損耗則為3.95 * 3.95 * 0.012R = 0.187W, 損失變低則效率變高…

Buck 同步架構：

Buck 同步架構

上圖為Buck的同步電路架構,
同步電路必須具有兩個特性：
一個是必須有Charge Pump結構, 主因是當推動N-MOSFET時, "G1"的電壓必須高出Vin一個Vgs位準, 否則當NOSFET導通時, 會因為Vgs不足而關閉上橋MOSFET,
另一個是上下兩個MOSFET推動週期前後必須保持一個 Deadtime, 主要是防止上橋與下橋Mosfet可能因為Ciss造成延遲而在交越(上橋MOSFET on 與下橋MOSFET off)週期中同時導通，若同時導通會使MOSFET燒毀。由於其具有的功能比非同步還多, 因此控制IC較貴, 結構較複雜.

Buck-同步與非同步比較

補充：
Q：
為何同步架構，有些會在D-S端並聯Schottky Diode？
A：
同步buck converter的兩個開關Q1與Q2的Gate Signal基本上是互補的
可是無論如何都不能同時導通(就像CMOS inverter的PMOS跟NMOS不能同時導通一樣)
所以中間會有一個Dead time，讓Q1跟Q2都off
如果不加Schottky diode，low side的電流就會從Q2的Body diode流向後面的L1以及Cout使之有電荷儲存，電壓損耗較大。
所以加上Schottky diode後，會有下列幾項優點：
1. 導通壓降比較小，使損耗降低
2. 減短反向回復時間，當Q2 off後能快速讓low side電流回復至0
3. 減少recovery的peak current