先進(jìn)的MPS同步整流器原理與方案設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間:2021-03-09 來源:Zhihong Yu,Walter Yeh 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】近年來,為了進(jìn)一步改善全球節(jié)能,全球監(jiān)管機(jī)構(gòu)提出了新的效率標(biāo)準(zhǔn)。隨著美國能源部(DOE)出臺的一系列新要求,制造商必須提高現(xiàn)有獨(dú)立電源產(chǎn)品的效率以達(dá)到DOE VI級標(biāo)準(zhǔn),才能在美國市場銷售。此外,制造商還需要設(shè)計(jì)符合其它能源規(guī)格的產(chǎn)品,例如歐盟CoC V5Tier2規(guī)格。
為了提高交流轉(zhuǎn)直流適配器的效率,將輸出續(xù)流肖特基二極管換成基于MOSFET的同步整流控制器(SR)時(shí)通??商嵘??3%或者更高的效率。還有發(fā)現(xiàn)使用SR有助于節(jié)省二極管散熱片成本和人工組裝的成本,設(shè)計(jì)人員還可以使用更便宜的初級MOSFET或者更細(xì)的輸出線纜來節(jié)省成本,且依然能達(dá)到目標(biāo)效率。
因篇幅所限,本文無法涉及SR設(shè)計(jì)的全部細(xì)節(jié),而精選了幾個在工程師設(shè)計(jì)同步整流電路時(shí)一些實(shí)際的話題用以討論。
SR的連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)
在圖1中,反激式SR控制器用于驅(qū)動AC / DC適配器中的次級MOSFET開關(guān)。這里,反激控制器可以在臨界導(dǎo)通模式(CrM),連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)或斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)下運(yùn)行。
圖1:快速充電器中使用的反激式電源的典型框圖
適配器在啟動或滿載的狀態(tài)下是以CCM模式運(yùn)行,在主開關(guān)試圖導(dǎo)通時(shí),SR開關(guān)中的電流被設(shè)置不能降至零。因此,需要防止初級側(cè)到次級側(cè)的擊穿而導(dǎo)致高壓尖刺和潛在損壞,而因此需要快速地關(guān)閉SR。MPS的解決方案是調(diào)整SR開關(guān)VG電壓來保持MOSFET的VDS恒定。隨著在CCM模式期間電流的下降,驅(qū)動器的VG電壓也隨之下降,直到MOSFET運(yùn)行在線性工作區(qū)(見圖3)。因此,當(dāng)電壓最終反向時(shí),驅(qū)動器會基于很低的VG電壓來快速關(guān)斷,以此來確保在CCM模式下安全運(yùn)行。因?yàn)樗皇芫€路的輸入條件的影響,因此這是一種穩(wěn)定的控制方法。此外,通過最大化SR MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間和最小化體二極管導(dǎo)通時(shí)間,可確保最佳的效率。MPS的SR控制器不僅可以支持CCM模式,還可以支持DCM和CrM模式。
圖2:CCM模式下初級和次級電流波形
有關(guān)MPS的CCM兼容模式下的SR設(shè)計(jì)和操作的詳細(xì)說明,請參閱AN077應(yīng)用筆記。1.
在CCM模式下和CrM模式下MOSFET封裝電感的影響
次級電流切換時(shí)總會有一些開關(guān)上升/下降時(shí)間(如圖2所示),由輸入/輸出,變壓器匝數(shù)比和電感來決定。MOSFET封裝電感也會影響次級電流的關(guān)斷。
隨著次級電流開始改變極性并關(guān)斷(圖4中的t1),MOSFET封裝電感(Ls)會在檢測到的Vds上產(chǎn)生瞬時(shí)電壓,如公式(1)和公式(2)所示:
(1)
(2)
其中,dc是DC平均輸入, n 是變壓器匝數(shù)比,Ls 是漏感。
圖3:MPS SR控制器操作原理
對于采用TO220封裝的MOSFET,封裝電感在100kHz頻率時(shí)可高達(dá)6.4nH,而Vlk可以高達(dá)幾百mV,達(dá)到SR控制器的關(guān)斷閾值,使SR控制器關(guān)斷門極( 從t1開始)。由于t1關(guān)斷時(shí)間相對較早,因此稍高的封裝電感有助于防止擊穿,特別是在深CCM條件下。
對于各種電路設(shè)計(jì),我們可能會在CCM模式中看到不同的關(guān)斷波形(參見圖4a和圖4b)。如圖4a,電流降至零,但SR并未完全關(guān)閉。因此,交叉?zhèn)鲗?dǎo)可能發(fā)生并會反映在反向電流中。而相對最佳的設(shè)計(jì)是SR能夠在次級電流變?yōu)榱悖╰2)之前關(guān)閉,如圖4b。更值得關(guān)注的是,如圖4c中所示,在CrM模式中,當(dāng)副邊電流幾乎為零時(shí),SR控制器隨之關(guān)斷,這意味著總是存在一個反向電流dI / dt * Toff。
當(dāng)MOSFET的封裝電感非常小時(shí)(例如QFN或SOIC封裝),SR門極相對關(guān)斷會更延遲。即使在Vds調(diào)節(jié)控制下降低Vg,反向電流仍然大于具有較高封裝電感的MOSFET。這與主題1中介紹的Vds控制無關(guān)。
<p下面列出了一些改進(jìn)選項(xiàng),這些選項(xiàng)可以在同一應(yīng)用中組合使用。
● 選擇Qg非常低的SR MOSFET(以加速關(guān)斷)。
在SR MOSFET上增加一個RC snubber 吸收電路(以吸收反向電壓尖峰)。使用具有高關(guān)斷電流的SR控制器。增加變壓器漏感以減慢關(guān)斷時(shí)的次級電流dI / dt(但會導(dǎo)致更高的初級MOSFET電壓尖峰)減緩初級MOSFET導(dǎo)通時(shí)的上升斜率(損失效率)。使用具有較高Vds控制電壓的SR控制器(圖2中使用MPS的MP6902為70mV)。在較高的Vds控制電壓情況下,MOSFET可以進(jìn)入更深的線性區(qū),在開關(guān)關(guān)斷之前Vg就達(dá)到很低的水平,從而快速關(guān)閉。
振鈴—優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)
當(dāng)MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí),PCB布局和系統(tǒng)中產(chǎn)生的離散電感與元器件中的寄生電容會導(dǎo)致一些振鈴。如果不能適應(yīng)振鈴造成的影響,輕則可能會使效率降低,重則會導(dǎo)致一些致命的問題。
振鈴引起的問題如圖4所示。當(dāng)次級電流下降到零時(shí),初級開關(guān)電壓Vds在變壓器的主電感和MOSFET Cds之間會產(chǎn)生諧振,這個諧振電壓會折射到次級側(cè)。通常,這個諧振谷值不應(yīng)該會接觸到地平面,但有時(shí)諧振谷值可能會下降到SR的導(dǎo)通閾值。這可能是因?yàn)橹T如原邊RCD緩沖器中二極管的反向恢復(fù)等因素引起的。
由于Vds電壓諧振的斜率總是遠(yuǎn)低于實(shí)際開關(guān)關(guān)斷的斜率(得益于較大感量的主電感),因此MPS的MP6908使用獨(dú)特的可調(diào)斜率引腳來幫助確定何時(shí)副邊MOS真正關(guān)斷,以及何時(shí)是正常的Vds電壓諧振(如圖4所示)。
圖4:在消磁振鈴期間潛在錯誤開啟的SR波形
根據(jù)實(shí)際需要更換肖特基二極管
雖然SR的優(yōu)勢已經(jīng)被廣泛接受,但將肖特基二極管的設(shè)計(jì)改為使用SR驅(qū)動器和MOSFET的設(shè)計(jì)方案,仍然需要在BOM中增加許多元器件,并需要重新認(rèn)證等工作。
另一種解決方案是將SR MOSFET集成到SR驅(qū)動器IC內(nèi)部,創(chuàng)建緊湊的封裝來替換肖特基二極管,而不需要對變壓器進(jìn)行任何更改,這個全新的設(shè)計(jì)使BOM變化最小(見圖5)。這種解決方案被稱為理想二極管方案。
MPS新型理想二極管的優(yōu)點(diǎn)如下:
● 最小的BOM和電路板空間。
● 在高側(cè)或低側(cè)無需輔助繞組即可直接更換肖特基二極管。
● 優(yōu)化的集成門極驅(qū)動器。
● 針對不同的功率等級和額定電壓優(yōu)化MOSFET。
● 靈活的SMT和通孔封裝選項(xiàng)。
為什么MPS MP6908是適用于實(shí)際SR控制設(shè)計(jì)的選擇?
MP6908是MPS最新的SR控制IC,而且未來將有一系列基于MP6908控制器創(chuàng)建的理想二極管方案。該控制器IC的一些主要功能包括:
● 不需要用于高側(cè)或低側(cè)整流的輔助繞組。
● 支持DCM,準(zhǔn)諧振和CCM運(yùn)行模式。
支持低至0V的寬輸出范圍(即使輸出短路時(shí),SR保持供電,短路電流也不會通過MOSFET的體二極管流通)。振鈴檢測可以防止錯誤導(dǎo)通。超高速15ns傳播延遲和30ns關(guān)斷延遲。
圖5: MP6908控制器和低側(cè)和高側(cè)的理想二極管應(yīng)用電路
總結(jié)
本文介紹了與實(shí)際工程情況相關(guān)的同步整流器(SR)設(shè)計(jì)。通過更多地了解終端應(yīng)用,MPS能夠定義和創(chuàng)建更好的SR控制IC。
1 MPS MP6902 Application note: http://www.monolithicpower.com/pub/media/document/AN077_r1.0.pdf?utm_source=mps&utm_medium=article&utm_campaign=content
2 https://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-4147.pdf
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