学校不教同步整流器的内容——从真实设计中选择的主题

作者:Zhihong Yu, AC/DC和照明产品营销经理和Walter Yeh,现场应用工程副经理,单片电源系统

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近年来,全球监管机构提出了能效标准,以进一步提高全球节能水平。制造商必须提高现有独立电源产品的效率,以满足DoE级别VI,以便将其销售到美国市场。此外,制造商还应根据其他能源规范设计产品,如欧盟CoC V5Tier2规范。

为了提高AC/DC适配器的效率,许多人发现将反激输出肖特基二极管切换到带MOSFET的同步整流器(SR)控制器通常可节省2~3%或更多的效率。一些人还发现使用sr有助于节省二极管散热器和组装成本,设计人员还可以使用更便宜的主MOSFET或更薄的输出电缆来节省成本,并且仍然满足目标效率。

虽然本文不打算涵盖SR设计的所有方面,但它确实介绍了一些与工程师现实生活中一些实际问题相关的精选主题。

连续传导模式(CCM)下的SR

在图1中,反激式SR控制器用于驱动AC/DC适配器中的MOSFET开关。这里,反激控制器可以工作在临界传导模式(CrM)、连续传导模式(CCM)或间断传导模式(DCM)。

图1:用于快速充电器的反激式电源的典型框图

图1:用于快速充电器的反激式电源的典型框图

当适配器在启动或满载时以CCM模式运行时,SR开关中的电流被设计成避免在主开关试图打开时降至零。因此,非常快速地关闭SR以防止从主要侧到次要侧的穿透是至关重要的,这将导致高峰值和潜在的伤害。MPS的解决方案是调整SR开关VG以保持MOSFET的VDS恒定。由于CCM过程中电流下降,驱动器的VG也下降,所以MOSFET以线性模式运行(见图2)。因此,当电压最终反转时,驱动器在低VG下迅速关闭,以确保CCM安全运行。这是一种鲁棒控制方法,因为它与线路输入条件无关。此外,主体二极管传导时间最小化,以确保最佳效率。MPS的SR控制器设计不仅支持CCM,还支持DCM和CrM。

图2:MPS SR控制器工作原理

图2:MPS SR控制器工作原理

有关MPS兼容ccm的SR操作和设计技巧的详细说明,请参阅AN077应用说明1

MOSFET封装电感对CCM和CrM的影响

在二次电流开关处总有一定的升/降时间,由输入/输出、变压器匝数比和电感决定。MOSFET封装电感也影响二次电流关断。

当二次电流开始改变极性并关闭(图4中的t1)时,MOSFET封装电感(Ls)在被测Vds上产生瞬时电压,如式(1)和式(2)所示:

方程1(1)

方程2(2)

在文直流为输入平均直流,n为变压器匝数比,Ls为漏感。

图3:受封装电感影响时的各种关断波形

图3:受封装电感影响时的各种关断波形

对于TO220封装的mosfet,在100kHz时封装电感可高达6.4nH, Vlk可高达几百mV,达到SR控制器关断阈值并导致SR控制器关闭栅极(从t1开始)。由于t1是早期关断时间,封装电感有助于防止穿透,特别是在深CCM条件下。

对于不同的电路设计,我们可以在CCM下看到不同的关断波形(见图3a和图3b)。对于图3a,电流降为零,但SR没有完全关闭。因此,交叉传导可能发生,并反映在反向电流。对于图3b, SR能够在次级电流变为零(t2)之前关闭。这是最优设计。更重要的是,图3c显示,在CrM中,SR控制器在次级电流几乎为零时关闭,这意味着始终存在dI/dt*Toff的反向电流。

当MOSFET具有更小的封装电感时(如QFN或SOIC), SR在MOSFET电流下降较低时关闭栅极。即使在Vds调节控制下Vg降低,反向电流仍高于具有较高封装电感的MOSFET。这与第1节中介绍的Vds控件无关。

下面列出了一些改进选项,可以在一个设计中组合使用。

  • 选择具有非常低Qg的SR mosfet(以加速关断)。
  • 在SR MOSFET上添加RC缓冲器(以吸收反向尖峰)。
  • 使用具有高关断电流的SR控制器
  • 增加变压器漏感以减缓关断时的二次电流dI/dt(在较高的初级MOSFET电压尖峰的权衡下)或减缓初级MOSFET的通断(在较小的效率权衡下)
  • 使用具有更高稳压的SR控制器(图2中的70mV使用MP6902).使用较高的调节Vds, Vg可以在关闭前降得相当低,从而导致更快的关闭。

铃声-好和坏

在mosfet开关时,由于布局、系统、器件寄生电容等方面的杂散电感,总是会产生一些振铃现象。如果不能适应振铃造成的影响,可能会降低效率,甚至导致致命的问题。

图4显示了一个由铃声引起的问题示例。当二次电流降为零时,一次开关Vds在变压器主电感和MOSFET Cds之间产生共振2,反射到副侧。正常情况下,共振谷不应触及地面水平,但有时共振谷可能下降到足够低,达到SR开关阈值。这可能是由原侧RCD缓冲器中二极管的反向恢复等因素引起的。

由于这种Vds谐振的回转率总是远低于实际的关闭回转率(由于大的主电感),MPSMP6908使用一个独特的转换速率编程引脚来帮助确定何时是真正的关闭,何时是正常的Vds谐振(见图4)。

图4:在退磁振铃期间,SR波形有潜在的假开

图4:在退磁振铃期间,SR波形有潜在的假开

肖特基二极管需要真正的插入式替换

虽然SR的优势已被广泛接受,但将现有设计从使用肖特基二极管改为使用SR驱动器+ SR MOSFET仍然需要向BOM中添加相当多的组件,重新进行许多限定,等等。

另一种解决方案是将SR MOSFET集成到SR驱动IC中,创建一个协同封装和一个全新的设计,并且BOM更改最小(见图5)。这种解决方案被称为理想二极管。

MPS新型理想二极管的优点包括:

  • 最小的BOM和单板空间。
  • 高侧或低侧无辅助绕组的肖特基二极管的插入式替换。
  • 优化的集成门驱动器。
  • 优化的MOSFET不同的功率水平和电压额定值。
  • 灵活的SMT和通孔封装选项

为什么MPSMP6908实用SR控制设计的合适选择?

MP6908是MPS最新的SR控制IC。还将基于MP6908控制器创建一系列理想的二极管。该控制器IC的一些主要功能包括:

  • 高侧或低侧整流不需要辅助绕组。
  • 支持DCM、准谐振和CCM操作。
  • 支持低至0V的宽输出范围(即使在输出短路时,SR仍保持供电,MOSFET体二极管从未传导到短路电流)。
  • 振铃检测防止误开机。
  • 超快的15ns传播延迟和30ns关闭延迟。

图5:MP6908控制器和理想的低侧和高侧二极管应用电路

图5:MP6908控制器和理想的低侧和高侧二极管应用电路

总结

本文介绍了同步整流器(SR)设计中与实际工程情况相关的一些问题。通过更多地了解终端应用,MPS能够定义和创建更好的SR控制ic。188比分直播吧

更多来自MPS的SR控制器和其他AC/DC IC信息,请访问www.hkjx8866.com或者联系当地居民MPS销售处和FAE为咨询。


1MPS MP6902应用说明//www.hkjx8866.com/pub/media/document/AN077_r1.0.pdf
2https://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-4147.pdf

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