前言
同步整流(SR)控制器能够提高电源的转换效率。本文将一起探讨它们的优势以及它们如何使电源开发人员的工作更轻松。凭借出色的性能,宽带隙(WBG)功率半导体-比如碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)-正在取代以往占主导地位的硅解决方案,这标志着市场的转折。许多应用场景,比如手机充电器,尤其得益于GaN技术的快速发展。GaN晶体管不仅提供了比硅晶体管更高的开关速度,而且还降低了大多数MOSFET必须应对的传导损耗。考虑到手机充电器AC/DC转换所需的漏源电压,650 VDS GaN晶体管显然是一个比较好的解决方案。因此,一些手机充电器制造商已经在使用GaN解决方案。与传统充电器相比,这种充电器的尺寸可以减小一半。为了提高人们对节能和减缓气候变化的意识,对高效率的要求变得日益重要。尽管GaN晶体管具有良好的开关性能,但是人们也因此希望能够进一步提高功率转换的效率。显著提高效率的一种方法就是用同步整流(SR)代替无源整流器。本文介绍的SR控制器就是一种能够提高效率的潜在解决方案。
关键数据“SR控制器提高电源效率”
基于宽带隙半导体的电源因其较小的尺寸和良好的开关性能而在各种充电解决方案中变得越来越受欢迎。但是,制造商还需要提高电源转换效率。SR控制器是提高电源效率的一种潜在解决方案。它们具有许多优点,能够使实验室的电源设计人员的工作变得更轻松。
更高的功率转换效率
同步整流在提高功率转换效率方面的优势如图1所示。这里比较了两个ROHM评估套件BM2P094FEVK-001和BM1R00147F的效率测试结果。结果显示,相比次级侧的二极管整流方案,基于SR MOSFET控制器的BM1R00147F同步整流解决方案优势要大得多。根据评估套件的规格(90V至264VAC),测试输入电压范围采用了全球通用范围。BM2P094-001-EVK在不连续电流模式(DCM)下工作,输出规格为5V和1A。在Vin = 100VAC的满载条件下,二极管整流的功率转换效率为74.76%,而SR控制器的功率转换效率为81.07%。功率转换效率提高了6.31%。而在Vin = 230V AC条件下,效率也提高了5.98%。
图1:二极管整流和SR控制器之间的功率转换效率数据比较 (图片来源:ROHM)
更高的充电功率
随着充电电流的增大,小型电源(如手机、平板电脑和笔记本电脑充电器等)需要更高的额定功率。充电器以往的充电功率是5W(5V,1A)和10W(5V,2A),但是由于如今手机、平板电脑及其他外设的屏幕尺寸增大,市场要求实现30W快充。
如果增加充电功率,充电电流就会增加,这会造成若干状况。充电电流较大时电源在连续电流模式(CCM)下工作,而充电电流较小时电源主要在不连续电流模式(DCM)下工作。对于整流二极管来说,这意味着负载会因硬开关而增加。借助ROHM SR控制IC的控制特性,可以将这种额外的负载降至更低。在CCM模式下,整个电路的效率通常更高。另外,由于二极管整流器电流越大,其损耗就越高,因此相比之下同步整流方式更具优势。
为了尽可能有效地满足市场需求,ROHM开发了单通道和双通道同步MOSFET控制器(图2)。BD1R001xxF内置有两枚芯片。BD87007FJ(一个通道)和BD85006F(两个通道)内置有一枚芯片,可以实现两种功能:SR控制器和并联稳压器。这些器件的封装类型和规格概览参见图3。下文将介绍这些控制器的部分功能。
图2:ROHM的单通道和双通道同步MOSFET控制器通过高效率满足市场需求 (图片来源:ROHM)
图3:同步MOSFET控制器的参数概览 (图片来源:ROHM)
设置强制OFF时间
与CCM模式相比,MOSFET解决方案中DCM模式下的漏源电流会提前截止,而MOSFET还需要延迟一段时间才能关断。当次级侧MOSFET关断时,变压器绕组、MOSFET的寄生电容和输出电容会产生谐振。为了防止这种谐振(可能会导致漏极有所响应,从而意外激活栅极),设计人员应设置一个屏蔽时间。ROHM SR系列的强制OFF时间可实现一个屏蔽时间—从栅极未启动开始到次级侧MOSFET的漏极响应。凭借强制OFF时间,BM1R001xxF系列可用于各种电源。开发人员可以通过漏极引脚上的外部电阻(图4)手动设置强制OFF时间。该时间的设计必须短于初级侧控制器开关频率(从次级侧MOSFET TON中减去该开关时间)
图4:不同产品的强制OFF时间(图片来源:ROHM)
设置最大TON时间
在连续电流模式(CCM)下,下一个开关周期会在前一个开关周期仍处于活动状态时开始,因此MOSFET会经历一个行为突变。因此,强烈建议在使用二极管整流方案时采用超快速恢复二极管。SR控制器的MOSFET设有具有恢复延迟时间功能的栅极引脚。这将允许电流同时流过初级侧开关和次级侧MOSFET,除非未指定合理的延迟时间。BM1R001xxF在Vout x 1.4处开始计算漏极电压的上升沿,而控制器会在一个设计时间(通过外部Max_Ton电阻设定)后关闭。如图5所示,开发人员必须使Max_Ton始终短于初级侧控制器的开关频率。Max_Ton电阻的设置范围应为56k至300k。当Max_Ton接近10 μsec(RTon = 100kΩ)时,精度会提高。
图5:通过外部电阻设置Max_Ton和精度 (图片来源:ROHM)
电流消耗减少90%的内置并联稳压器
为了调节输出级的电压,需要一个并联稳压器作为电压参考。为了用电阻维持所需的电压,需要使并联电流流过并联稳压器。BM1R001xxF系列包含一个内置并联稳压器,与典型的并联稳压器相比,它仅消耗十分之一的电流。这不仅简化了设计,而且还降低了待机模式下并联控制器的电流消耗。此外,芯片内部的并联稳压器与SR控制器是分开的。如果用在H侧,那么可以将并联稳压器的接地用作H侧的接地。如果不用内部并联稳压器,则引脚“SH_IN、SH_OUT和SH_GND”保持未使用状态即可。针对在外部使用并联稳压器的应用场景,ROHM还开发了BD87007FJ。BD87007FJ的并联电流明显低于BM1R001xxF系列(图6)。
图6:启动时处于电容模式的波形[左]以及BD85506F的慢启动行为[右](图片来源:ROHM)
图7:与传统并联稳压器相比,ROHM的内部并联稳压器的并联电流仅为十分之一(图片来源:ROHM)
用于LLC拓扑的双通道SR MOSFET控制器
当启动和输出级不稳定时,LLC电路容易进入电容模式。如果电流峰值够大,那么在最坏的情况下会损坏MOSFET。ROHM针对LLC拓扑设计的双通道同步整流MOSFET控制器BD85506F配备了一个慢启动功能。在电容模式下,IC在启动阶段后不再工作,但是SS引脚会被充电。当SS引脚上的电压高于0.5V时,慢启动功能被启用,IC开始工作。
利用输入开路保护MOSFET
如果控制器的输出和栅极之间存在不连续的情况,那么MOSFET将无法打开,且电流会流过体二极管,从而导致MOSFET过热。而BD85506F则配备了一个引脚开路保护功能。如果开路状态持续时间超过2ms,系统会通过一个光电耦合器减小BD85506F SH_out引脚上的电流。这会让初级侧控制器停止工作。
结论
ROHM的SR控制器旨在提供易于集成的同步整流解决方案。该SR控制器能够支持本文介绍的许多功能,并且只需要很少的外部组件。因此,ROHM的SR控制器在CCM和DCM模式下都能实现高性能的同步整流解决方案。SR-IC的其他可选型号还内置有并联稳压器,不仅具有灵活的接地参考,待机功耗也非常低。
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