【電路設計】同步整流電路SR連續(xù)導通模式分析-KIA MOS管

為了提高交流轉直流適配器的效率，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）時通常可提升2?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，設計人員還可以使用更便宜的初級MOSFET或者更細的輸出線纜來節(jié)省成本，且依然能達到目標效率。

SR的連續(xù)導通模式（CCM）

在圖1中，反激式SR控制器用于驅動AC / DC適配器中的次級MOSFET開關。這里，反激控制器可以在臨界導通模式（CrM），連續(xù)導通模式（CCM）或斷續(xù)導通模式（DCM）下運行。

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模式運行，在主開關試圖導通時，SR開關中的電流被設置不能降至零。

因此，需要防止初級側到次級側的擊穿而導致高壓尖刺和潛在損壞，而因此需要快速地關閉SR。

MPS的解決方案是調整SR開關VG電壓來保持MOSFET的VDS恒定。隨著在CCM模式期間電流的下降，驅動器的VG電壓也隨之下降，直到MOSFET運行在線性工作區(qū)（見圖3）。

因此，當電壓最終反向時，驅動器會基于很低的VG電壓來快速關斷，以此來確保在CCM模式下安全運行。因為它不受線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的導通時間和最小化體二極管導通時間，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MPS的CCM兼容模式下的SR設計和操作的詳細說明，請參閱AN077應用筆記。

1.在CCM模式下和CrM模式下MOSFET封裝電感的影響

次級電流切換時總會有一些開關上升/下降時間（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斷。

隨著次級電流開始改變極性并關斷（圖4中的t1），MOSFET封裝電感（Ls）會在檢測到的Vds上產生瞬時電壓，如公式（1）和公式（2）所示：

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頻率時可高達6.4nH，而Vlk可以高達幾百mV，達到SR控制器的關斷閾值，使SR控制器關斷門極（ 從t1開始）。由于t1關斷時間相對較早，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。

對于各種電路設計，我們可能會在CCM模式中看到不同的關斷波形（參見圖4a和圖4b）。如圖4a，電流降至零，但SR并未完全關閉。

因此，交叉?zhèn)鲗Э赡馨l(fā)生并會反映在反向電流中。而相對最佳的設計是SR能夠在次級電流變?yōu)榱悖╰2）之前關閉，如圖4b。

更值得關注的是，如圖4c中所示，在CrM模式中，當副邊電流幾乎為零時，SR控制器隨之關斷，這意味著總是存在一個反向電流dI / dt * Toff。

當MOSFET的封裝電感非常小時（例如QFN或SOIC封裝），SR門極相對關斷會更延遲。即使在Vds調節(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。

下面列出了一些改進選項，這些選項可以在同一應用中組合使用。

● 選擇Qg非常低的SR MOSFET（以加速關斷）。

在SR MOSFET上增加一個RC snubber 吸收電路（以吸收反向電壓尖峰）。使用具有高關斷電流的SR控制器。增加變壓器漏感以減慢關斷時的次級電流dI / dt（但會導致更高的初級MOSFET電壓尖峰）減緩初級MOSFET導通時的上升斜率（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可以進入更深的線性區(qū)，在開關關斷之前Vg就達到很低的水平，從而快速關閉。

振鈴—優(yōu)點與缺點

當MOSFET導通和關斷時，PCB布局和系統(tǒng)中產生的離散電感與元器件中的寄生電容會導致一些振鈴。如果不能適應振鈴造成的影響，輕則可能會使效率降低，重則會導致一些致命的問題。

振鈴引起的問題如圖4所示。當次級電流下降到零時，初級開關電壓Vds在變壓器的主電感和MOSFET Cds之間會產生諧振，這個諧振電壓會折射到次級側。

通常，這個諧振谷值不應該會接觸到地平面，但有時諧振谷值可能會下降到SR的導通閾值。這可能是因為諸如原邊RCD緩沖器中二極管的反向恢復等因素引起的。

由于Vds電壓諧振的斜率總是遠低于實際開關關斷的斜率（得益于較大感量的主電感），因此MPS的MP6908使用獨特的可調斜率引腳來幫助確定何時副邊MOS真正關斷，以及何時是正常的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)實際需要更換肖特基二極管

雖然SR的優(yōu)勢已經被廣泛接受，但將肖特基二極管的設計改為使用SR驅動器和MOSFET的設計方案，仍然需要在BOM中增加許多元器件，并需要重新認證等工作。

另一種解決方案是將SR MOSFET集成到SR驅動器IC內部，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行任何更改，這個全新的設計使BOM變化最?。ㄒ妶D5）。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)點如下：

●  最小的BOM和電路板空間。

●  在高側或低側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。

為什么MPS MP6908是適用于實際SR控制設計的選擇？

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：

●    不需要用于高側或低側整流的輔助繞組。

●    支持DCM，準諧振和CCM運行模式。

支持低至0V的寬輸出范圍（即使輸出短路時，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通。超高速15ns傳播延遲和30ns關斷延遲。

圖5： MP6908控制器和低側和高側的理想二極管應用電路

總結

本文介紹了與實際工程情況相關的同步整流器（SR）設計。通過更多地了解終端應用，MPS能夠定義和創(chuàng)建更好的SR控制IC。

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