采用副邊同步整流解決方案降低開關(guān)電源過熱（二）

采用副邊同步整流解決方案降低開關(guān)電源過熱（二）

介紹

本文是探索如何為超小型快充適配器設(shè)計(jì)副邊同步整流器的系列文章的第二部分。 第一部分討論了同步整流器的拓?fù)湓O(shè)計(jì)和電源。 第二部分將回顧同步整流器如何打開和關(guān)閉，以及新設(shè)備如何利用快速關(guān)斷技術(shù)。

同步整流的開通

有了自供電電路，為副邊MOS管的開通提供了必要條件。接下來面臨的問題是如何決定同步整流管的開通時(shí)機(jī)。

以MP9989為例，當(dāng)反激原邊MOS關(guān)斷時(shí)，副邊MOS將會(huì)通過體二極管續(xù)流，VDS電壓將會(huì)從正壓轉(zhuǎn)變?yōu)?0.7V。當(dāng)芯片檢測到這個(gè)電壓轉(zhuǎn)變后將會(huì)打開副邊MOS管，完成續(xù)流。

但是，當(dāng)反激電源工作在斷續(xù)模式時(shí)，會(huì)帶來新的挑戰(zhàn)。如圖1顯示的是斷續(xù)模式下VDS電壓和副邊電流波形。當(dāng)副邊續(xù)流結(jié)束后，MOS管關(guān)閉。我們看到此時(shí)VDS電壓出現(xiàn)震蕩。某些工況下，VDS震蕩的幅值會(huì)比較大，甚至?xí)鹗幍?。此時(shí)副邊同步整流電路很容易誤將續(xù)流MOS管打開，造成系統(tǒng)異常。

Figure 1:斷續(xù)模式下VDS電壓和副邊電流波形

對(duì)比原邊MOS關(guān)斷瞬間和DCM震蕩時(shí)的VDS波形，我們可以看到，震蕩條件下VDS的電壓變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于正常開通時(shí)的電壓變化。根據(jù)這一區(qū)別，MPS在芯片內(nèi)部加入了電壓變化率的判斷。以MP9989為例，當(dāng)副邊VDS下降到2V時(shí)，內(nèi)部時(shí)鐘開始計(jì)時(shí)，如果VDS電壓沒有在30ns以內(nèi)下降到-80mV，我們就認(rèn)為這并不是正常的開通信號(hào)，此時(shí)芯片維持關(guān)斷狀態(tài)。這樣可以有效地避免震蕩導(dǎo)致的誤導(dǎo)通。

同步整流的可靠關(guān)斷

解決了何時(shí)導(dǎo)通的問題，另一個(gè)挑戰(zhàn)便是何時(shí)關(guān)斷。從原理上講，希望做到當(dāng)原邊MOS打開的同時(shí)關(guān)閉副邊的MOS，但是由于原副邊之間并沒有通信機(jī)制，因此副邊MOS很難及時(shí)響應(yīng)原邊MOS的導(dǎo)通信號(hào)。

傳統(tǒng)方法可以利用勵(lì)磁電感的伏秒平衡來計(jì)算出關(guān)斷時(shí)刻，常用的伏秒平衡方案示意圖如下。理論上根據(jù)副邊MOS的導(dǎo)通時(shí)間，可以計(jì)算出關(guān)斷時(shí)間，從而知道何時(shí)關(guān)閉副邊MOS。

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圖2：常用伏秒平衡原理

當(dāng)負(fù)載跳變時(shí)，為了穩(wěn)定輸出電壓，原邊繞組的磁通會(huì)相應(yīng)改變。在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中，伏秒平衡是不成立的。因此容易導(dǎo)致動(dòng)態(tài)過程中副邊MOS管不能及時(shí)關(guān)斷，從而出現(xiàn)短路。

除此之外，伏秒平衡原理需要采樣開通和關(guān)斷狀態(tài)下的變壓器勵(lì)磁電感電壓。電壓采樣電阻的精度和寄生參數(shù)引起的電壓震蕩都會(huì)導(dǎo)致伏秒平衡計(jì)算出現(xiàn)誤差，從而嚴(yán)重影響可靠性。

同步整流關(guān)斷過程要點(diǎn)總結(jié)如下：

伏秒平衡只在穩(wěn)態(tài)條件下成立，動(dòng)態(tài)情況下容易誤動(dòng)作，造成短路

VP，VS 采樣受外圍電阻精度影響，帶來計(jì)算誤差

寄生參數(shù)帶來的震蕩造成VP采樣不準(zhǔn)，導(dǎo)致計(jì)算誤差

快速關(guān)斷技術(shù)

快速關(guān)斷技術(shù)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整同步整流MOS管Gate電壓。以MP9989為例，當(dāng)VDS由正壓快速轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)壓時(shí)，經(jīng)過開通延時(shí)MP9989 的MOS管打開進(jìn)行續(xù)流（圖3）。

圖3：MP9989的VDS壓降帶來MOS管開通延時(shí)

這段時(shí)間內(nèi)，副邊續(xù)流電流較大，VDS的電壓等于電流乘以導(dǎo)通阻抗。隨著續(xù)流電流的下降，VDS電壓隨之下降，（見圖4）。

圖4：副邊續(xù)流電流較大，MP9989的VDS電壓隨之下降

當(dāng)VDS達(dá)到40mV后，隨著電流的繼續(xù)下降，MP9989會(huì)動(dòng)態(tài)降低Gate驅(qū)動(dòng)電壓，增大導(dǎo)通阻抗，將VDS壓降控制到40mV（見圖5）。此時(shí)MOS管已經(jīng)進(jìn)入半導(dǎo)通狀態(tài)，Gate電壓處于較低水平。

圖5：MP9989 VDS降至40mV時(shí)的動(dòng)態(tài)控制

到下一個(gè)工作周期，反激原邊的MOS管開通時(shí)，副邊MOS管Gate可以由之前的較低的電壓水平快速實(shí)現(xiàn)關(guān)斷，保證工作的可靠性。在這項(xiàng)技術(shù)的加持下，MPS的同步整流產(chǎn)品可以支持600kHz開關(guān)頻率，且適應(yīng)CCM，DCM，準(zhǔn)諧振，有源鉗位等反激應(yīng)用。這些產(chǎn)品包括MP9989和MP6908A.

MP9989具有以下產(chǎn)品特性：

集成100V/10mΩ MOSFET

不需要輔助繞組供電，支持高邊和低邊應(yīng)用

支持最低接近0V的寬壓輸出應(yīng)用

支持DCM震蕩檢測，有效防止誤導(dǎo)通

110μA 低靜態(tài)電流

支持 DCM，CCM，準(zhǔn)諧振等應(yīng)用

圖6顯示了MP9989的典型應(yīng)用框圖。

圖6：MP9989的典型應(yīng)用框圖

MP6908A具有以下產(chǎn)品特性：

支持600kHz開關(guān)頻率

低至30ns 關(guān)斷和開通延遲

不需要輔助供電，支持高邊和低邊應(yīng)用

支持最低接近0V的寬壓輸出應(yīng)用

支持DCM震蕩檢測，有效防止誤導(dǎo)通

100μA 低靜態(tài)電流

支持 DCM，CCM，準(zhǔn)諧振，有源鉗位等應(yīng)用

采用TSOT23-6封裝

圖7顯示了MP6908A的典型應(yīng)用。

圖7：MP6908A典型應(yīng)用框圖

結(jié)論

本文回顧了如何確定副邊同步整流開通和關(guān)斷時(shí)間，同時(shí)還分析了MP9989快速關(guān)斷技術(shù)的有效性。 基于本文的分析，采用 MOSFET 管副邊同步整流，有助于實(shí)現(xiàn)超小型快速充電解決方案。

審核編輯：湯梓紅