前言
同步整流(SR)控制器能夠提高電源的轉(zhuǎn)換效率。本文將一起探討它們的優(yōu)勢以及它們?nèi)绾问闺娫撮_發(fā)人員的工作更輕松。憑借出色的性能,寬帶隙(WBG)功率半導(dǎo)體-比如碳化硅(SiC)或氮化鎵(GaN)-正在取代以往占主導(dǎo)地位的硅解決方案,這標(biāo)志著市場的轉(zhuǎn)折。許多應(yīng)用場景,比如手機(jī)充電器,尤其得益于GaN技術(shù)的快速發(fā)展。GaN晶體管不僅提供了比硅晶體管更高的開關(guān)速度,而且還降低了大多數(shù)MOSFET必須應(yīng)對(duì)的傳導(dǎo)損耗?？紤]到手機(jī)充電器AC/DC轉(zhuǎn)換所需的漏源電壓,650 VDS GaN晶體管顯然是一個(gè)比較好的解決方案。因此,一些手機(jī)充電器制造商已經(jīng)在使用GaN解決方案。與傳統(tǒng)充電器相比,這種充電器的尺寸可以減小一半。為了提高人們對(duì)節(jié)能和減緩氣候變化的意識(shí),對(duì)高效率的要求變得日益重要。盡管GaN晶體管具有良好的開關(guān)性能,但是人們也因此希望能夠進(jìn)一步提高功率轉(zhuǎn)換的效率。顯著提高效率的一種方法就是用同步整流(SR)代替無源整流器。本文介紹的SR控制器就是一種能夠提高效率的潛在解決方案。
關(guān)鍵數(shù)據(jù)“SR控制器提高電源效率”
基于寬帶隙半導(dǎo)體的電源因其較小的尺寸和良好的開關(guān)性能而在各種充電解決方案中變得越來越受歡迎。但是,制造商還需要提高電源轉(zhuǎn)換效率。SR控制器是提高電源效率的一種潛在解決方案。它們具有許多優(yōu)點(diǎn),能夠使實(shí)驗(yàn)室的電源設(shè)計(jì)人員的工作變得更輕松。
更高的功率轉(zhuǎn)換效率
同步整流在提高功率轉(zhuǎn)換效率方面的優(yōu)勢如圖1所示。這里比較了兩個(gè)ROHM評(píng)估套件BM2P094FEVK-001和BM1R00147F的效率測試結(jié)果。結(jié)果顯示,相比次級(jí)側(cè)的二極管整流方案,基于SR MOSFET控制器的BM1R00147F同步整流解決方案優(yōu)勢要大得多。根據(jù)評(píng)估套件的規(guī)格(90V至264VAC),測試輸入電壓范圍采用了全球通用范圍。BM2P094-001-EVK在不連續(xù)電流模式(DCM)下工作,輸出規(guī)格為5V和1A。在Vin = 100VAC的滿載條件下,二極管整流的功率轉(zhuǎn)換效率為74.76%,而SR控制器的功率轉(zhuǎn)換效率為81.07%。功率轉(zhuǎn)換效率提高了6.31%。而在Vin = 230V AC條件下,效率也提高了5.98%。
圖1:二極管整流和SR控制器之間的功率轉(zhuǎn)換效率數(shù)據(jù)比較 (圖片來源:ROHM)
更高的充電功率
隨著充電電流的增大,小型電源(如手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦充電器等)需要更高的額定功率。充電器以往的充電功率是5W(5V,1A)和10W(5V,2A),但是由于如今手機(jī)、平板電腦及其他外設(shè)的屏幕尺寸增大,市場要求實(shí)現(xiàn)30W快充。
如果增加充電功率,充電電流就會(huì)增加,這會(huì)造成若干狀況。充電電流較大時(shí)電源在連續(xù)電流模式(CCM)下工作,而充電電流較小時(shí)電源主要在不連續(xù)電流模式(DCM)下工作。對(duì)于整流二極管來說,這意味著負(fù)載會(huì)因硬開關(guān)而增加。借助ROHM SR控制IC的控制特性,可以將這種額外的負(fù)載降至更低。在CCM模式下,整個(gè)電路的效率通常更高。另外,由于二極管整流器電流越大,其損耗就越高,因此相比之下同步整流方式更具優(yōu)勢。
為了盡可能有效地滿足市場需求,ROHM開發(fā)了單通道和雙通道同步MOSFET控制器(圖2)。BD1R001xxF內(nèi)置有兩枚芯片。BD87007FJ(一個(gè)通道)和BD85006F(兩個(gè)通道)內(nèi)置有一枚芯片,可以實(shí)現(xiàn)兩種功能:SR控制器和并聯(lián)穩(wěn)壓器。這些器件的封裝類型和規(guī)格概覽參見圖3。下文將介紹這些控制器的部分功能。
圖2:ROHM的單通道和雙通道同步MOSFET控制器通過高效率滿足市場需求 (圖片來源:ROHM)
圖3:同步MOSFET控制器的參數(shù)概覽 (圖片來源:ROHM)
設(shè)置強(qiáng)制OFF時(shí)間
與CCM模式相比,MOSFET解決方案中DCM模式下的漏源電流會(huì)提前截止,而MOSFET還需要延遲一段時(shí)間才能關(guān)斷。當(dāng)次級(jí)側(cè)MOSFET關(guān)斷時(shí),變壓器繞組、MOSFET的寄生電容和輸出電容會(huì)產(chǎn)生諧振。為了防止這種諧振(可能會(huì)導(dǎo)致漏極有所響應(yīng),從而意外激活柵極),設(shè)計(jì)人員應(yīng)設(shè)置一個(gè)屏蔽時(shí)間。ROHM SR系列的強(qiáng)制OFF時(shí)間可實(shí)現(xiàn)一個(gè)屏蔽時(shí)間—從柵極未啟動(dòng)開始到次級(jí)側(cè)MOSFET的漏極響應(yīng)。憑借強(qiáng)制OFF時(shí)間,BM1R001xxF系列可用于各種電源。開發(fā)人員可以通過漏極引腳上的外部電阻(圖4)手動(dòng)設(shè)置強(qiáng)制OFF時(shí)間。該時(shí)間的設(shè)計(jì)必須短于初級(jí)側(cè)控制器開關(guān)頻率(從次級(jí)側(cè)MOSFET TON中減去該開關(guān)時(shí)間)
圖4:不同產(chǎn)品的強(qiáng)制OFF時(shí)間(圖片來源:ROHM)
設(shè)置最大TON時(shí)間
在連續(xù)電流模式(CCM)下,下一個(gè)開關(guān)周期會(huì)在前一個(gè)開關(guān)周期仍處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)開始,因此MOSFET會(huì)經(jīng)歷一個(gè)行為突變。因此,強(qiáng)烈建議在使用二極管整流方案時(shí)采用超快速恢復(fù)二極管。SR控制器的MOSFET設(shè)有具有恢復(fù)延遲時(shí)間功能的柵極引腳。這將允許電流同時(shí)流過初級(jí)側(cè)開關(guān)和次級(jí)側(cè)MOSFET,除非未指定合理的延遲時(shí)間。BM1R001xxF在Vout x 1.4處開始計(jì)算漏極電壓的上升沿,而控制器會(huì)在一個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)間(通過外部Max_Ton電阻設(shè)定)后關(guān)閉。如圖5所示,開發(fā)人員必須使Max_Ton始終短于初級(jí)側(cè)控制器的開關(guān)頻率。Max_Ton電阻的設(shè)置范圍應(yīng)為56k至300k。當(dāng)Max_Ton接近10 µsec(RTon = 100kΩ)時(shí),精度會(huì)提高。
圖5:通過外部電阻設(shè)置Max_Ton和精度 (圖片來源:ROHM)
電流消耗減少90%的內(nèi)置并聯(lián)穩(wěn)壓器
為了調(diào)節(jié)輸出級(jí)的電壓,需要一個(gè)并聯(lián)穩(wěn)壓器作為電壓參考。為了用電阻維持所需的電壓,需要使并聯(lián)電流流過并聯(lián)穩(wěn)壓器。BM1R001xxF系列包含一個(gè)內(nèi)置并聯(lián)穩(wěn)壓器,與典型的并聯(lián)穩(wěn)壓器相比,它僅消耗十分之一的電流。這不僅簡化了設(shè)計(jì),而且還降低了待機(jī)模式下并聯(lián)控制器的電流消耗。此外,芯片內(nèi)部的并聯(lián)穩(wěn)壓器與SR控制器是分開的。如果用在H側(cè),那么可以將并聯(lián)穩(wěn)壓器的接地用作H側(cè)的接地。如果不用內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器,則引腳“SH_IN、SH_OUT和SH_GND”保持未使用狀態(tài)即可。針對(duì)在外部使用并聯(lián)穩(wěn)壓器的應(yīng)用場景,ROHM還開發(fā)了BD87007FJ。BD87007FJ的并聯(lián)電流明顯低于BM1R001xxF系列(圖6)。
圖6:啟動(dòng)時(shí)處于電容模式的波形[左]以及BD85506F的慢啟動(dòng)行為[右](圖片來源:ROHM)
圖7:與傳統(tǒng)并聯(lián)穩(wěn)壓器相比,ROHM的內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器的并聯(lián)電流僅為十分之一(圖片來源:ROHM)
用于LLC拓?fù)涞碾p通道SR MOSFET控制器
當(dāng)啟動(dòng)和輸出級(jí)不穩(wěn)定時(shí),LLC電路容易進(jìn)入電容模式。如果電流峰值夠大,那么在最壞的情況下會(huì)損壞MOSFET。ROHM針對(duì)LLC拓?fù)湓O(shè)計(jì)的雙通道同步整流MOSFET控制器BD85506F配備了一個(gè)慢啟動(dòng)功能。在電容模式下,IC在啟動(dòng)階段后不再工作,但是SS引腳會(huì)被充電。當(dāng)SS引腳上的電壓高于0.5V時(shí),慢啟動(dòng)功能被啟用,IC開始工作。
利用輸入開路保護(hù)MOSFET
如果控制器的輸出和柵極之間存在不連續(xù)的情況,那么MOSFET將無法打開,且電流會(huì)流過體二極管,從而導(dǎo)致MOSFET過熱。而BD85506F則配備了一個(gè)引腳開路保護(hù)功能。如果開路狀態(tài)持續(xù)時(shí)間超過2ms,系統(tǒng)會(huì)通過一個(gè)光電耦合器減小BD85506F SH_out引腳上的電流。這會(huì)讓初級(jí)側(cè)控制器停止工作。
結(jié)論
ROHM的SR控制器旨在提供易于集成的同步整流解決方案。該SR控制器能夠支持本文介紹的許多功能,并且只需要很少的外部組件。因此,ROHM的SR控制器在CCM和DCM模式下都能實(shí)現(xiàn)高性能的同步整流解決方案。SR-IC的其他可選型號(hào)還內(nèi)置有并聯(lián)穩(wěn)壓器,不僅具有靈活的接地參考,待機(jī)功耗也非常低。
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