前言

　　同步整流(SR)控制器能夠提高電源的轉換效率。本文將一起探討它們的優勢以及它們如何使電源開發人員的工作更輕松。憑借出色的性能,寬帶隙(WBG)功率半導體-比如碳化硅(SiC)或氮化鎵(GaN)-正在取代以往占主導地位的硅解決方案,這標志著市場的轉折。許多應用場景,比如手機充電器,尤其得益于GaN技術的快速發展。GaN晶體管不僅提供了比硅晶體管更高的開關速度,而且還降低了大多數MOSFET必須應對的傳導損耗�？紤]到手機充電器AC/DC轉換所需的漏源電壓,650 VDS GaN晶體管顯然是一個比較好的解決方案。因此,一些手機充電器制造商已經在使用GaN解決方案。與傳統充電器相比,這種充電器的尺寸可以減小一半。為了提高人們對節能和減緩氣候變化的意識,對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性能,但是人們也因此希望能夠進一步提高功率轉換的效率。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。

　　關鍵數據“SR控制器提高電源效率”

　　基于寬帶隙半導體的電源因其較小的尺寸和良好的開關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。它們具有許多優點,能夠使實驗室的電源設計人員的工作變得更輕松。

　　更高的功率轉換效率

　　同步整流在提高功率轉換效率方面的優勢如圖1所示。這里比較了兩個ROHM評估套件BM2P094FEVK-001和BM1R00147F的效率測試結果。結果顯示,相比次級側的二極管整流方案,基于SR MOSFET控制器的BM1R00147F同步整流解決方案優勢要大得多。根據評估套件的規格(90V至264VAC),測試輸入電壓范圍采用了全球通用范圍。BM2P094-001-EVK在不連續電流模式(DCM)下工作,輸出規格為5V和1A。在Vin = 100VAC的滿載條件下,二極管整流的功率轉換效率為74.76%,而SR控制器的功率轉換效率為81.07%。功率轉換效率提高了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換效率數據比較 (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、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、平板電腦及其他外設的屏幕尺寸增大,市場要求實現30W快充。

　　如果增加充電功率,充電電流就會增加,這會造成若干狀況。充電電流較大時電源在連續電流模式(CCM)下工作,而充電電流較小時電源主要在不連續電流模式(DCM)下工作。對于整流二極管來說,這意味著負載會因硬開關而增加。借助ROHM SR控制IC的控制特性,可以將這種額外的負載降至更低。在CCM模式下,整個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勢。

　　為了盡可能有效地滿足市場需求,ROHM開發了單通道和雙通道同步MOSFET控制器(圖2)。BD1R001xxF內置有兩枚芯片。BD87007FJ(一個通道)和BD85006F(兩個通道)內置有一枚芯片,可以實現兩種功能:SR控制器和并聯穩壓器。這些器件的封裝類型和規格概覽參見圖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控制器的參數概覽 (圖片來源:ROHM)

　　設置強制OFF時間

　　與CCM模式相比,MOSFET解決方案中DCM模式下的漏源電流會提前截止,而MOSFET還需要延遲一段時間才能關斷。當次級側MOSFET關斷時,變壓器繞組、MOSFET的寄生電容和輸出電容會產生諧振。為了防止這種諧振(可能會導致漏極有所響應,從而意外激活柵極),設計人員應設置一個屏蔽時間。ROHM SR系列的強制OFF時間可實現一個屏蔽時間—從柵極未啟動開始到次級側MOSFET的漏極響應。憑借強制OFF時間,BM1R001xxF系列可用于各種電源。開發人員可以通過漏極引腳上的外部電阻(圖4)手動設置強制OFF時間。該時間的設計必須短于初級側控制器開關頻率(從次級側MOSFET TON中減去該開關時間)

　　圖4:不同產品的強制OFF時間(圖片來源:ROHM)

　　設置最大TON時間

　　在連續電流模式(CCM)下,下一個開關周期會在前一個開關周期仍處于活動狀態時開始,因此MOSFET會經歷一個行為突變。因此,強烈建議在使用二極管整流方案時采用超快速恢復二極管。SR控制器的MOSFET設有具有恢復延遲時間功能的柵極引腳。這將允許電流同時流過初級側開關和次級側MOSFET,除非未指定合理的延遲時間。BM1R001xxF在Vout x 1.4處開始計算漏極電壓的上升沿,而控制器會在一個設計時間(通過外部Max_Ton電阻設定)后關閉。如圖5所示,開發人員必須使Max_Ton始終短于初級側控制器的開關頻率。Max_Ton電阻的設置范圍應為56k至300k。當Max_Ton接近10 µsec(RTon = 100kΩ)時,精度會提高。

　　圖5:通過外部電阻設置Max_Ton和精度 (圖片來源:ROHM)

　　電流消耗減少90%的內置并聯穩壓器

　　為了調節輸出級的電壓,需要一個并聯穩壓器作為電壓參考。為了用電阻維持所需的電壓,需要使并聯電流流過并聯穩壓器。BM1R001xxF系列包含一個內置并聯穩壓器,與典型的并聯穩壓器相比,它僅消耗十分之一的電流。這不僅簡化了設計,而且還降低了待機模式下并聯控制器的電流消耗。此外,芯片內部的并聯穩壓器與SR控制器是分開的。如果用在H側,那么可以將并聯穩壓器的接地用作H側的接地。如果不用內部并聯穩壓器,則引腳“SH_IN、SH_OUT和SH_GND”保持未使用狀態即可。針對在外部使用并聯穩壓器的應用場景,ROHM還開發了BD87007FJ。BD87007FJ的并聯電流明顯低于BM1R001xxF系列(圖6)。

　　圖6:啟動時處于電容模式的波形[左]以及BD85506F的慢啟動行為[右](圖片來源:ROHM)

　　圖7:與傳統并聯穩壓器相比,ROHM的內部并聯穩壓器的并聯電流僅為十分之一(圖片來源:ROHM)

　　用于LLC拓撲的雙通道SR MOSFET控制器

　　當啟動和輸出級不穩定時,LLC電路容易進入電容模式。如果電流峰值夠大,那么在最壞的情況下會損壞MOSFET。ROHM針對LLC拓撲設計的雙通道同步整流MOSFET控制器BD85506F配備了一個慢啟動功能。在電容模式下,IC在啟動階段后不再工作,但是SS引腳會被充電。當SS引腳上的電壓高于0.5V時,慢啟動功能被啟用,IC開始工作。

　　利用輸入開路保護MOSFET

　　如果控制器的輸出和柵極之間存在不連續的情況,那么MOSFET將無法打開,且電流會流過體二極管,從而導致MOSFET過熱。而BD85506F則配備了一個引腳開路保護功能。如果開路狀態持續時間超過2ms,系統會通過一個光電耦合器減小BD85506F SH_out引腳上的電流。這會讓初級側控制器停止工作。

　　結論

　　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模式下都能實現高性能的同步整流解決方案。SR-IC的其他可選型號還內置有并聯穩壓器,不僅具有靈活的接地參考,待機功耗也非常低。