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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(lái)源:Zhihong Yu,Walter Yeh 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】近年來(lái),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(guó)能源部(DOE)出臺(tái)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(jí)標(biāo)準(zhǔn),才能在美國(guó)市場(chǎng)銷(xiāo)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(jí)MOSFET或者更細(xì)的輸出線(xiàn)纜來(lái)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(wú)法涉及SR設(shè)計(jì)的全部細(xì)節(jié),而精選了幾個(gè)在工程師設(shè)計(jì)同步整流電路時(shí)一些實(shí)際的話(huà)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(dòng)AC / DC適配器中的次級(jí)MOSFET開(kāi)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。
 
先進(jìn)的MPS同步整流器原理與方案設(shè)計(jì)
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(dòng)或滿(mǎn)載的狀態(tài)下是以CCM模式運(yùn)行,在主開(kāi)關(guān)試圖導(dǎo)通時(shí),SR開(kāi)關(guān)中的電流被設(shè)置不能降至零。因此,需要防止初級(jí)側(cè)到次級(jí)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(kāi)關(guān)VG電壓來(lái)保持MOSFET的VDS恒定。隨著在CCM模式期間電流的下降,驅(qū)動(dòng)器的VG電壓也隨之下降,直到MOSFET運(yùn)行在線(xiàn)性工作區(qū)(見(jiàn)圖3)。因此,當(dāng)電壓最終反向時(shí),驅(qū)動(dòng)器會(huì)基于很低的VG電壓來(lái)快速關(guān)斷,以此來(lái)確保在CCM模式下安全運(yùn)行。因?yàn)樗皇芫€(xiàn)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(guò)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。
 
先進(jìn)的MPS同步整流器原理與方案設(shè)計(jì)
圖2:CCM模式下初級(jí)和次級(jí)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(shuō)明,請(qǐng)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(jí)電流切換時(shí)總會(huì)有一些開(kāi)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(lái)決定。MOSFET封裝電感也會(huì)影響次級(jí)電流的關(guān)斷。
 
隨著次級(jí)電流開(kāi)始改變極性并關(guān)斷(圖4中的t1),MOSFET封裝電感(Ls)會(huì)在檢測(cè)到的Vds上產(chǎn)生瞬時(shí)電壓,如公式(1)和公式(2)所示:
 
先進(jìn)的MPS同步整流器原理與方案設(shè)計(jì) (1)
 
先進(jìn)的MPS同步整流器原理與方案設(shè)計(jì) (2)
 
其中,dc是DC平均輸入, n 是變壓器匝數(shù)比,Ls 是漏感。
 
先進(jìn)的MPS同步整流器原理與方案設(shè)計(jì)
圖3:MPS SR控制器操作原理
 
對(duì)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(mén)極( 從t1開(kāi)始)。由于t1關(guān)斷時(shí)間相對(duì)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(duì)于各種電路設(shè)計(jì),我們可能會(huì)在CCM模式中看到不同的關(guān)斷波形(參見(jiàn)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(huì)反映在反向電流中。而相對(duì)最佳的設(shè)計(jì)是SR能夠在次級(jí)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(gè)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(mén)極相對(duì)關(guān)斷會(huì)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(wú)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(gè)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(jí)電流dI / dt(但會(huì)導(dǎo)致更高的初級(jí)MOSFET電壓尖峰)減緩初級(jí)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(xiàn)性區(qū),在開(kāi)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(huì)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(huì)使效率降低,重則會(huì)導(dǎo)致一些致命的問(wèn)題。
 
振鈴引起的問(wèn)題如圖4所示。當(dāng)次級(jí)電流下降到零時(shí),初級(jí)開(kāi)關(guān)電壓Vds在變壓器的主電感和MOSFET Cds之間會(huì)產(chǎn)生諧振,這個(gè)諧振電壓會(huì)折射到次級(jí)側(cè)。通常,這個(gè)諧振谷值不應(yīng)該會(huì)接觸到地平面,但有時(shí)諧振谷值可能會(huì)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(kāi)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(lái)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)。
 
先進(jìn)的MPS同步整流器原理與方案設(shè)計(jì)
圖4:在消磁振鈴期間潛在錯(cuò)誤開(kāi)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(shì)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(dòng)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(dòng)器IC內(nèi)部,創(chuàng)建緊湊的封裝來(lái)替換肖特基二極管,而不需要對(duì)變壓器進(jìn)行任何更改,這個(gè)全新的設(shè)計(jì)使BOM變化最?。ㄒ?jiàn)圖5)。這種解決方案被稱(chēng)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(wú)需輔助繞組即可直接更換肖特基二極管。
●    優(yōu)化的集成門(mén)極驅(qū)動(dòng)器。
●    針對(duì)不同的功率等級(jí)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(lái)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(huì)通過(guò)MOSFET的體二極管流通)。振鈴檢測(cè)可以防止錯(cuò)誤導(dǎo)通。超高速15ns傳播延遲和30ns關(guān)斷延遲。
 
先進(jìn)的MPS同步整流器原理與方案設(shè)計(jì)
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(guò)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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