開關(guān)電源次級(jí)同步整流解鎖

一.SR 何時(shí)開通，何時(shí)關(guān)斷？

（一言不合，先附上BCD芯片的線路圖）

圖1

圖2

圖1中次級(jí)側(cè)的APR3415就是本章的主角了，圖2是其內(nèi)部方框圖，可以看到整流MOS已經(jīng)集成在芯片里面了（紅色圓圈所示）。

那么他何時(shí)該開通呢？判斷準(zhǔn)則其實(shí)想的出來(lái)：就是原邊導(dǎo)通的時(shí)候他應(yīng)當(dāng)關(guān)斷，次級(jí)側(cè)導(dǎo)通的時(shí)候他才能導(dǎo)通。但他又不是原邊控制芯片肚子里的蛔蟲，怎么知道何時(shí)該導(dǎo)通的呢？我們知道當(dāng)原邊MOS Q1導(dǎo)通的時(shí)候，根據(jù)變壓器同名端（變壓器T1黑點(diǎn)圓圈的為同名端，沒有黑點(diǎn)的為非同名端）判斷此時(shí)次級(jí)側(cè)非同名端，也就是和APR3415的DRAIN PIN相連的端為正，那么此時(shí)刻他必須關(guān)斷。

而當(dāng)原邊MOS由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷的時(shí)候，同名端反向，次級(jí)側(cè)和DRAIN PIN相連的一端為負(fù)，那么此時(shí)整流MOS就可以開通了，見圖3

圖3

VDET PIN通過(guò)電阻檢測(cè)DRAIN PIN的電壓，所以電勢(shì)和DRAIN一樣。當(dāng)DRAIN PIN的電壓由正變負(fù)的過(guò)程中會(huì)自然下降經(jīng)過(guò)并低于一個(gè)門檻電壓點(diǎn)VTHON（0V~1V），當(dāng)VDET PIN檢測(cè)到低于這個(gè)門檻電壓后，經(jīng)過(guò)一個(gè)內(nèi)部固定的延時(shí)TDON后（70ns），MOS管驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生，于是MOS開始導(dǎo)通。在MOS未導(dǎo)通的之前是靠體二極管續(xù)流的，所以DRAIN PIN會(huì)有一個(gè)相對(duì)較大的負(fù)壓（紅色圓圈內(nèi)）。當(dāng)MOS導(dǎo)通后電流才由體二極管轉(zhuǎn)向流過(guò)MOS。

可是天下無(wú)不散之宴席，流經(jīng)MOS的次級(jí)側(cè)導(dǎo)通電流會(huì)隨著次級(jí)側(cè)電壓對(duì)次級(jí)側(cè)電感消磁的過(guò)程當(dāng)中線性的減小，如果續(xù)流電流都已經(jīng)降為0了，你還不關(guān)斷MOS，那什么時(shí)候關(guān)斷？留著過(guò)年才關(guān)斷??？ 如果續(xù)流電流結(jié)束時(shí)不關(guān)斷，輕則次級(jí)側(cè)電容會(huì)反過(guò)來(lái)給次級(jí)側(cè)電感充電，電流反流；重則原邊導(dǎo)通了，次級(jí)側(cè)MOS還在開通，這就叫共通，那么會(huì)更糟糕。所以把握好次級(jí)側(cè)關(guān)斷的時(shí)機(jī)很重要。。。

最甜最美的情況下就是續(xù)流電流剛好降為0時(shí)才把MOS關(guān)斷有助于效率，可是李嘉誠(chéng)老爺爺說(shuō)過(guò)絕對(duì)不掙最后一塊銅板，所以我們?cè)陔娏骺煲咏鼮?的時(shí)候就應(yīng)該把MOS關(guān)斷了，犧牲了點(diǎn)效率換取了可靠性，呵呵。 那么這個(gè)關(guān)斷閥值就叫做VTHOFF（-20mv,-5mv）,VDET PIN檢測(cè)一旦越過(guò)這個(gè)閥值，那么經(jīng)過(guò)固定的延時(shí)TDOFF(100ns)后MOS關(guān)斷。關(guān)斷后要靠體二極管續(xù)流一下，所以又會(huì)有一個(gè)相對(duì)較大的負(fù)壓（紫色圓圈內(nèi)），如果此時(shí)原邊電壓采樣恰巧在這個(gè)時(shí)候采那就不好了，輸出電壓會(huì)不穩(wěn)定，關(guān)于PSR原邊芯片電壓采樣也是一個(gè)學(xué)問(wèn)，以后有機(jī)會(huì)再講。

小結(jié)一下：判斷導(dǎo)通是靠VDET PIN檢測(cè)電壓低于VTHON（0V~1V），判斷關(guān)斷是靠VDET PIN檢測(cè)電壓大于VTHOFF（-20mv,-5mv）

二：整流芯片是怎么辨別原邊導(dǎo)通波形和RING的

說(shuō)到這，好像是講完了，其實(shí)還沒有（幫我配一個(gè)捂臉的表情）。實(shí)際比理想的還復(fù)雜點(diǎn)，首先當(dāng)整流MOS導(dǎo)通的瞬間會(huì)有RING中文名叫做振鈴在DRAIN PIN產(chǎn)生，如果RING的大小高過(guò)VTHOFF會(huì)引起提前關(guān)斷MOS，也就是常說(shuō)的還沒開始就已經(jīng)結(jié)束了~青春還沒綻放就已經(jīng)衰老了~ 所以在這里芯片內(nèi)部會(huì)設(shè)置一個(gè)最小導(dǎo)通時(shí)間Minimum ON Time，目的就是為了屏蔽這短時(shí)間的RING,強(qiáng)制導(dǎo)通一小段時(shí)間等到RING消除。

還有，如果只是VDET PIN電壓只是低于VTHON就導(dǎo)通的話，那次級(jí)側(cè)消磁結(jié)束后到原邊導(dǎo)通前的中間死區(qū)時(shí)間內(nèi)的RING怎么辦？ 等等，怎么又是RING？我們知道消磁結(jié)束后原邊的電感LP和原邊MOS的輸出電容及其他雜散電容會(huì)愉快的振蕩一陣子，這振蕩是阻尼振蕩，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間就會(huì)消失。在RING沒消失之前通過(guò)變壓器耦合到VDET PIN上，同樣會(huì)引起檢測(cè)電壓低于VTHON的情況，但是此刻同步整流MOS是不能導(dǎo)通的，所以我們應(yīng)該給次級(jí)側(cè)同步整流導(dǎo)通再增加一個(gè)條件，先看圖4

圖4

圖4是VDET PIN在一整個(gè)周期內(nèi)的電壓波形，包含了原邊導(dǎo)通，次級(jí)消磁，消磁結(jié)束后至原邊導(dǎo)通前的死區(qū)時(shí)刻三個(gè)階段時(shí)刻：

其中Area1是點(diǎn)滑線內(nèi)的方框面積，它對(duì)應(yīng)的是原邊導(dǎo)通的時(shí)刻，它的高度=Vdet-Vcc（Vdet是 vdet pin的電壓，Vcc是Vcc pin的電壓，因?yàn)閂cc和輸出電壓Vo之間是靠一個(gè)20ohm電阻相連的，而且電阻上壓降很小，所以VCC電壓可以看做輸出電壓Vo）,Area1的寬度就是原邊的導(dǎo)通時(shí)間Tonp, Area1=(Vdet-Vcc)*Tonp（電壓X時(shí)間=伏秒積）

Area3則是死區(qū)時(shí)間內(nèi)的RING的面積（RING的電壓 X持續(xù)時(shí)間 ），可以發(fā)現(xiàn)Area1是明顯大于Aera3的。所以同步整流芯片此刻若有一個(gè)分別面積大小的功能，就可以將這Area1和Area3區(qū)分開來(lái)。

下面簡(jiǎn)單講解一下分別面積的邏輯功能的電路實(shí)現(xiàn)：要區(qū)分，首先我們需要一個(gè)比較器Tonpdet來(lái)區(qū)分（見圖2綠色圈圈內(nèi)），其次這里的面積本質(zhì)是=電壓X時(shí)間，能把電壓和時(shí)間這兩個(gè)參數(shù)糅合在一起轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的裝置我們應(yīng)該自然的想到了積分器，因?yàn)榉e分器的特性是在輸入端加上一個(gè)電壓信號(hào)后，輸出端也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，并且隨著時(shí)間的不斷累積，該輸出電壓是不斷變高的，同時(shí)輸入端的電壓大小決定了上升斜率的大小。積分器如圖5，當(dāng)在輸入端加一個(gè)恒定電壓ui就可形成一個(gè)恒定的電流i=Ui/R1(運(yùn)放的虛短推出), 恒定的i只會(huì)經(jīng)過(guò)電容C1（運(yùn)放的虛斷結(jié)合KCL推出）后隨著時(shí)間慢慢累加就會(huì)形成恒定斜率的不斷變高的電壓波形:U=i*t/C（其中t=Tonp）（輸入電壓Ui和輸出電壓vo之間關(guān)系的波形如圖6，可以發(fā)現(xiàn)ui越高斜率會(huì)越抖，代表上升的速率越快，tonp時(shí)間越長(zhǎng)代表上升的時(shí)間就越長(zhǎng)，兩者在一塊就最終決定了上升的最高電壓vo）

因?yàn)樵厡?dǎo)通時(shí)落在VDET PIN上的電壓ui和持續(xù)時(shí)間tonp都是大于RING的，所以兩者通過(guò)積分線路產(chǎn)生的輸出電壓Vo的高低就會(huì)有明顯的差別，這種差別為同步整流判斷提供了足夠的空間（最終的面積大小比較轉(zhuǎn)化為了Vo電壓大小的比較，并且由積分電路完整實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)的轉(zhuǎn)變）

將Vo連接在比較器的正端

圖5

圖6

比較器的負(fù)端連接的是電流源Iaref,電流到AREF PIN上，AREF PIN再外接一個(gè)電阻R，就產(chǎn)生了電壓Varea2=Iaref*R。 咳咳，敲黑板了！這電壓就是我們?cè)O(shè)置的門檻電壓Area2，也就是用來(lái)區(qū)分Area1（積分器的輸出Vo1）和Area3（積分器的輸出Vo3）的。

當(dāng)積分器的輸出Vo大于比較器負(fù)端電壓后，比較器輸出為高到驅(qū)動(dòng)的與門，使得MOS驅(qū)動(dòng)開啟成為可能，反之則輸出為低，那么會(huì)屏蔽掉MOS驅(qū)動(dòng)。

下面的細(xì)節(jié)就是如何設(shè)置該門檻電壓的大小了Area2=Kqs*Raref(Kqs就是Iaref，是芯片內(nèi)部參數(shù),范圍是0.325~0.515)。我們要考慮到最worse的情況，即原邊最小導(dǎo)通時(shí)間時(shí)和最低電壓時(shí)既Area1最小的時(shí)候依然要滿足：Area1>Area2>Area3,其中Area3在系統(tǒng)確定以后大小也就確定了。Area2就是我們發(fā)揮的部分，可以根據(jù)波形實(shí)際的去調(diào)試來(lái)滿足上述關(guān)系，通常Raref大小為37K。調(diào)好后同步整流芯片就可以分別出原邊導(dǎo)通的波形和Ring的波形啦！

因?yàn)锳rearf pin離Vdet pin很近，所以會(huì)受到Vdet pin的干擾，引起門檻電壓的波動(dòng)，建議增加一個(gè)濾波電容Caref,但是容值不是越大越好，因?yàn)殡娏髟匆惨o電容充電，電容太大門檻電壓就相對(duì)上升的慢，在輸出電壓建立好后可能門檻電壓還沒有建立起來(lái)，那樣就會(huì)失去它原來(lái)的作用從而引起原副邊共通，甚至燒機(jī)。筆者就曾遇到此類炸機(jī)情況，大都發(fā)生在起機(jī)的瞬間就炸機(jī)，原因也是絞了不少腦汁才找著。。。所以電容雖好，但可不要貪杯，哦，不是，不要太大噢。建議值為2.2nF. 元件取值是個(gè)學(xué)問(wèn)，不是越大越好，也不是越小越好，得有一個(gè)合適的值，張飛老師也經(jīng)常在他的視頻里細(xì)講過(guò)各類元器件的取值問(wèn)題。

三：如何監(jiān)控次級(jí)側(cè)電壓

很多市場(chǎng)的PSR充電器基本都是PFM的，當(dāng)進(jìn)入輕載或者空載后，輸出頻率會(huì)很低，例如滿載是60KHZ,那么空載時(shí)才100HZ，PSR對(duì)輸出電壓的采樣機(jī)制是這樣：只有打出脈沖并等待次級(jí)側(cè)消磁的那一刻才知道次級(jí)的輸出電壓是高了還是低了，然后再調(diào)控。所以會(huì)有下面的現(xiàn)象產(chǎn)生：空載穩(wěn)態(tài)的時(shí)候風(fēng)平浪靜，工作頻率很低，100HZ才打個(gè)脈沖出來(lái)，突然一道閃電劃過(guò)空中！噢，不是，是忽然將輸出電流從空載切換到大載甚至滿載，那么輸出電壓會(huì)有一個(gè)很大的下降，只能等到下個(gè)周期可能是100HZ以后原邊芯片才能察覺到，這么慢的反應(yīng)實(shí)在不能忍?。ㄟ@時(shí)SSR碾壓而過(guò)，沒辦法，誰(shuí)叫SSR天生帶有TL431+光耦的組合呢？次級(jí)側(cè)有什么風(fēng)吹草動(dòng)立馬能通知原邊）

針對(duì)這種情況，我們可以用整流芯片VCC pin來(lái)監(jiān)控輸出電壓，例如當(dāng)輸出電壓低于某個(gè)設(shè)定的閥值如5.25V，就趕緊把這情況告訴原邊芯片，讓原邊趕緊打出脈沖！可是怎么通知到原邊呢？次級(jí)側(cè)芯片又沒有手機(jī)，也沒有光耦的，還和原邊芯片隔著個(gè)變壓器。。。等等，變壓器，變壓器不就是傳遞信號(hào)耦合信號(hào)的好手嗎？對(duì)，我們可以通過(guò)變壓器告訴原邊芯片！變壓器通常是耦合電壓信號(hào)的，如果我們將次級(jí)側(cè)MOS閉合一下，輸出電壓就可以?shī)A在次級(jí)側(cè)電感上，然后原邊繞組上不就有電壓了嗎？然后原邊芯片的FB引腳通過(guò)輔助線圈繞組感應(yīng)到電壓就可以立馬打出脈沖啦。

恩，想法是好的，只是一下子把次級(jí)側(cè)MOS直接導(dǎo)通有點(diǎn)猛，次級(jí)側(cè)上的能量太大，從輸出電容上吸收的能量過(guò)多，而且充電器會(huì)測(cè)試輸出端的反向漏電流測(cè)試，這么一搞，該測(cè)試應(yīng)該過(guò)不了。。。那怎么辦？沒事，不是說(shuō)能量太大嗎，那就能量小點(diǎn)好了，于是在芯片里面我們又集成了一個(gè)RDSON較大的MOS（圖2黃色圓圈內(nèi)），和MOS還串聯(lián)了一個(gè)電阻然后再連接到VDET PIN,再由VDET PIN連接電阻到DRAIN PIN，由這個(gè)RDSON大的MOS導(dǎo)通就可以發(fā)出我們想要的但又不至于太大的信號(hào)啦。具體的信號(hào)傳播波形如圖7：

圖7

當(dāng)輸出電壓Vo低于閥值Vtrigger時(shí)，次級(jí)側(cè)小MOS以tosc（30us左右）周期性的導(dǎo)通關(guān)斷從而引起一股一股的電流脈沖Ipulse，通過(guò)變壓器耦合到原邊的FB PIN上后產(chǎn)生若干個(gè)小幅度的Vpulse，只要有一個(gè)Vpulse高于原邊認(rèn)定的閥值電壓如83mv,那么原邊就立刻打出脈沖補(bǔ)充次級(jí)側(cè)能量同時(shí)監(jiān)控次級(jí)側(cè)電壓。如此甚好，可是還是那句老話，次級(jí)側(cè)消磁完后又會(huì)有RING產(chǎn)生，原邊的FB PIN是如何區(qū)別這是RING呢還是副邊CALL過(guò)來(lái)的脈沖呢？咦，這個(gè)問(wèn)題是不是似曾相識(shí)？這里請(qǐng)大家想一想，以后有機(jī)會(huì)我再寫篇文章講這個(gè)。

上面這么一個(gè)次級(jí)側(cè)聯(lián)通初級(jí)側(cè)的機(jī)制又會(huì)導(dǎo)出另一個(gè)副產(chǎn)品：當(dāng)進(jìn)入極輕載或者空載時(shí)，我們完全可以把控制權(quán)交給次級(jí)側(cè)，讓原邊芯片睡覺去?。ò言呅酒瑑?nèi)的各個(gè)模塊關(guān)掉）只留下FB的檢測(cè)模塊醒著就行了（好處是可以降低芯片的功耗），一旦檢測(cè)到Vpulse就醒來(lái)只以最小的Ilimt通過(guò)原邊MOS溫柔的打出一個(gè)脈沖把能量傳給次級(jí)，然后原邊芯片接著睡覺！這樣次級(jí)側(cè)電壓就算沒有假負(fù)載，空載時(shí)輸出都不會(huì)飄高了，綜合而來(lái)降低了待機(jī)功耗，降低了對(duì)假負(fù)載的依賴。這時(shí)空載的輸出電壓就等于Vtrigger電壓。

可是原邊芯片總是要消耗VCC電容上的電荷的，如果空載時(shí)次級(jí)側(cè)輸出電壓很穩(wěn)定，一直沒有降到Vtrigger值，那么原邊VCC電容上的電壓會(huì)一直下降直到觸發(fā)原邊的UVLO（欠壓重啟），這時(shí)次級(jí)側(cè)再打脈沖過(guò)來(lái)原邊就可不會(huì)理睬了噢，因?yàn)樵呑陨磉€要經(jīng)過(guò)一個(gè)漫長(zhǎng)的VCC電壓重啟過(guò)程。那么怎么避免原邊VCC重啟呢？我們又得強(qiáng)行增加一個(gè)導(dǎo)通周期時(shí)間Tdis(30ms),也就是說(shuō)在高于Vtrigger的情況下每隔30ms，不管你Vo有沒有降到Vtrigger，我都要強(qiáng)行打出一個(gè)脈沖來(lái)把原邊喚醒，不為別的，就為給VCC電容供電用。不過(guò)這樣空載時(shí)輸出電壓可能就大于Vtrigger了，如果想要輸出電壓降下來(lái)，可以適當(dāng)降低空載時(shí)的Ilimt。什么？不會(huì)降？增加電流檢測(cè)電阻Rcs的阻值就好了，又或者減小變壓器感量，實(shí)在不行你就適當(dāng)?shù)丶狱c(diǎn)假負(fù)載吧。

現(xiàn)在咱門談?wù)劃M載切換的小載甚至空載的情況，滿載切換至小載必然在輸出端引起一個(gè)Overshoot,這本質(zhì)上一種多余的能量，如果能有個(gè)路徑把這多余的能量泄放掉就好了。于是我們?cè)谛酒瑑?nèi)部又集成了一個(gè)泄放MOS管，圖2黑色圓圈內(nèi)的MOS管就是了，當(dāng)輸出電壓高過(guò)某個(gè)閥值Vdis如5.35V，VCC pin會(huì)從輸出電容拉一股Idis大約3mA的電流，如果3mA依然拉不住overshoot上升的勢(shì)頭，當(dāng)輸出電壓高過(guò)了Vovp如5.8V，那么重典治亂！VCC pin直接拉進(jìn)Iovp大約100mA的電流來(lái)大力壓制overshoot向上的趨勢(shì)，可是100mA電流通過(guò)20Ohm電阻到VCC pin的，壓降很容易都有2V，又低于了Vovp閥值，又會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷泄放MOS。。。有人會(huì)說(shuō)去掉這20ohm電阻，那你去吧，ESD打的過(guò)就行，如果不去還有什么辦法呢？貼心的芯片已經(jīng)想到了，OVP一旦觸發(fā)先持續(xù)個(gè)tovp_last大約2ms的放電時(shí)間, tovp_last過(guò)后停止泄放然后檢測(cè)VCC pin電壓，如果還是高過(guò)Vovp那么再持續(xù)tovp_last時(shí)間接著放電，直到電壓降到Vovp以下。所以Vovp功能是抑制overshoot的好幫手，而Vtrigger是抑制undershoot的好利器，這兩個(gè)功能各司其職，便很好的解決了PSR固有的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的問(wèn)題。

順便說(shuō)一下overshoot如果高過(guò)于Vovp，次級(jí)側(cè)芯片便會(huì)停止call ring給原邊芯片，為什么停止打脈沖？次級(jí)側(cè)電壓已經(jīng)很高了，再讓原邊芯片打脈沖傳能量給次級(jí)側(cè)不是添堵嗎？這時(shí)如果你遇到滿載切空載后，輸出電壓直線下降到spec以下的問(wèn)題，不要太驚喜，那是因?yàn)榇渭?jí)側(cè)如火如荼的高壓，但是原邊vcc電容卻是冷清清的低壓，而且次級(jí)側(cè)還不打脈沖喚醒原邊了，所以長(zhǎng)此以往原邊芯片直接罷工進(jìn)入uvlo了。。。。

附上圖8讓大家更直觀的了解我上面所講的整個(gè)過(guò)程（Von是芯片的工作電壓3V左右）：

圖8