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从真实设计中选题的同步整流器

Monolithic Power Systems公司Zhihong Yu,Walter Yeh 2019-06-05

近年来,全球监管机构提出了能效标准,以进一步提高全球能源节约水平。为电源产品销往美国,制造商必须提高现有独立电源产品的效率满足DoE第六级标准。此外,制造商还将根据其他能源规范设计产品,例如EU CoC V5Tier2规格。为了提高AC / DC适配器的效率,许多人发现将反激式输出肖特基二极管切换到具有MOSFET的同步整流(SR)控制器后将提高约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初级MOSFET或更薄的输出电缆来节省成本,同时仍能达到目标效率。Pwp电子头条

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连续导通模式下的SR(CCM)Pwp电子头条

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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,反激控制器可以在临界导通模式(CRM)、连续导通模式(CCM)或不连续导通模式(DCM)下操作。Pwp电子头条

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图1.快速充电器中使用的反激式电源的典型框图。Pwp电子头条

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当适配器在启动或满载时以CCM模式运行时,在主开关打开时防止SR开关中的电流降至零。因此,快速关闭SR是至关重要的,以防止从初级侧到次级侧的击穿,从而导致高峰值和潜在的破坏。MPS的解决方案是调整SR开关VG以保持MOSFET的VDS不变。当电流在CCM过程中下降时,驱动程序的VG也随之下降,所以MOSFET以线性模式运行(参见图2)。因此,当电压发生反转时,驱动器在低VG下快速地关闭,以确保CCM的安全运行。这是一种鲁棒控制方法,因为它独立于线路输入条件。此外,体二极管传导时间最小,以确保最佳效率。MPS的SR控制器不仅支持CCM,还支持DCM和CRM。Pwp电子头条

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图2. MPS SR控制器的操作原理Pwp电子头条

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MOSFET封装电感对CCM和CRM的影响Pwp电子头条

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由输入/输出、变压器匝数比和电感决定的次级电流切换时总是存在一些上升/下降时间。MOSFET封装电感也会影响二次电流关断。当次级电流开始改变极性并关闭时(图4中的t1),MOSFET封装电感(Ls)会在检测到的Vds上产生瞬时电压,如公式(1)和公式(2)所示:Pwp电子头条

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其中Vin dc是输入平均DC,n是变压器匝数比,Ls是漏电感。Pwp电子头条

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图3.受封装电感影响时的各种关断波形。Pwp电子头条

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对于采用TO220封装的MOSFET,封装电感在100kHz时可高达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是一个较早的关断时间,封装电感有助于防止击穿,特别是在CCM条件下。Pwp电子头条

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对于不同的电路设计,我们可能会在CCM下看到不同的关断波形(参见图3a和图3b)。对于图3a,电流降至零,但SR并未完全关闭。因此,可能会发生交叉传导,并在反向电流中反映出来。对于图3b,SR能够在次级电流变为零(t2)之前关闭。这是最佳设计。更重要的是,图3c显示在CRM中SR控制器当次级电流几乎为零时关闭,这意味着总是存在dI / dt * Toff的反向电流。Pwp电子头条

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当MOSFET具有更小的封装电感(例如在QFN或SOIC中)时,SR会在MOSFET电流降低时关闭栅极。即使在Vds调节控制下降低Vg,反向电流仍然高于具有更高封装电感的MOSFET。这与第1节中介绍的Vds控制无关。Pwp电子头条

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下面列出了一些改进方案,可以在一个设计中组合使用。Pwp电子头条

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•选择Qg非常低的SR MOSFET(加速关断)。Pwp电子头条

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•在SR MOSFET上添加RC缓冲器(以吸收反向脉冲)。Pwp电子头条

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•使用具有高关断电流的SR控制器。Pwp电子头条

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•增加变压器漏电感以降低关断时的次级电流dI / dt(在较高的初级MOSFET电压峰值的权衡下)或降低初级MOSFET的接通(在较小的效率权衡下)。Pwp电子头条

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•使用具有较高稳压的SR控制器(图2中使用MP6902为70mV)。使用更高的稳压Vds,Vg可以在关闭之前降到相当低的水平,从而实现更快的关断。Pwp电子头条

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振幅:好与坏Pwp电子头条

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当MOSFET导通和关断时,布局、系统、元件寄生电容等中的杂散电感总会产生一些振幅。如果不能适应振幅带来的影响,可能会降低效率甚至造成致命问题。图4显示了一个由振幅引起的问题的示例。当次级电流降至零时,初级开关Vds在变压器主电感和MOSFET Cds2之间具有谐振,其被反射到次级侧。通常,该共振谷不应接触地平面,但有时共振谷可能下降到足够低,以达到SR开启阈值。这可能是由于初级侧RCD缓冲器中二极管的反向恢复等因素造成的。Pwp电子头条

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由于此Vds谐振的转换速率始终远低于实际关断转换率(主要由于大电感),MPS MP6908使用独特的转换速率编程引脚来帮助确定什么时候真正关闭,什么时候是正常的Vds谐振(见图4)。Pwp电子头条

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图4.在去磁振幅期间可能出现错误导通的SR波形。Pwp电子头条

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需要可以替换的肖特基二极管Pwp电子头条

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尽管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SR驱动程序和SR MOSFET仍然需要向BOM中添加相当多的元件,重做许多限定条件等等。Pwp电子头条

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另一种解决方案是将SR MOSFET集成到SR驱动器IC中,创建一个co-pack和一个全新的设计,只需要最小的BOM更改(见图5)。这种解决方案被称为理想二极管。Pwp电子头条

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MPS新型理想二极管的优点包括:Pwp电子头条

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•最小的BOM和电路板空间。Pwp电子头条

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•无需辅助绕组即可在高侧或低侧直接替换肖特基二极管。Pwp电子头条

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•优化的集成栅极驱动器。Pwp电子头条

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•优化MOSFET的不同功率水平和额定电压。Pwp电子头条

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•灵活的SMT和通孔封装选项Pwp电子头条

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为什么MPS MP6908是SR控制设计的合适选择?Pwp电子头条

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MP6908是MPS最新的SR控制IC。还将有一系列基于MP6908控制器的理想二极管。该控制器IC的主要功能包括:Pwp电子头条

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•无需辅助绕组进行高侧或低侧整流。Pwp电子头条

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•支持DCM、准谐振和CCM操作。Pwp电子头条

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•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体二极管不会导通短路电流)。Pwp电子头条

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•振幅检测可防止误导通。Pwp电子头条

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•超高速15ns传播延迟和30ns关断延迟。Pwp电子头条

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图5:低侧和高侧的MP6908控制器和理想二极管应用电路。Pwp电子头条

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总结Pwp电子头条

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本文介绍了与同步整流器(SR)设计中与实际工程情况相关的一些主通过对最终应用程序的更多了解,MPS能够定义和创建更好的SR控制IC。Pwp电子头条

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