AC-DC｜設計篇

同步整流電路部分：電源IC的選擇

2020.07.22

重點

・確認現有電路的工作和各種條件，確定設計所用的電源IC。

・設定最大導通時間，防止一次側和二次側的MOSFET同時導通帶來的破壞。

・計算強制OFF時間，並選擇相應的BM1R001xxF系列。

・BM1R001xxF系列擁有強制OFF時間不同的5款機型。

作為將原電路的二次側二極體整流電路改為同步整流電路的步驟，上一篇文章介紹了第一步選擇整流二極體替換用MOSFET的內容。本文將介紹第二步相關內容，確認現有電路的工作和各種條件，並選定設計所用的電源IC。在此進行的設計是將現有AC-DC轉換器的二次側二極體整流電路替換為同步整流電路，因此必然需要先確認現有電路的規格、特性及工作並進行調整，然後再替換為同步整流電路。

同步整流電路部分：電源IC的選擇

此次替換設計中計畫使用的BM1R001xxF系列由BM1R00146F～150F共5款機型組成。為了能夠支援不同規格電源改為同步整流電路，配備了強制OFF時間（Compulsion OFF Time）不同的系列產品。

強制OFF時間可防止因輕載時IC的DRAIN引腳產生的諧振波形導致二次側FET再次導通的動作。該時間表示關斷二次側後不強制導通的時間，產品系列中有1.3us(00146F)~4.6us(00150F)的產品可選。

但是，如果該強制OFF時間過長，就會產生重載工作時FET無法導通的時間，效率會變差，因此需要選擇適當的時間（後續將會進行詳細介紹）。

在連續模式下工作時，該強制OFF時間的確定標準是需要考慮一次側控制器的切換頻率和一次側/二次側MOSFET各自的導通時間的。

按以下①～③的步驟選擇電源IC。

①確認替換前的整流二極體DOUT產生的反向電壓V_R和正向電流I_F的波形
⇒檢測一次側MOSFET M1的導通時間t1、一次側控制器的1個週期tp。
②設定二次側MOSFET最大導通時間t_{MAX_ON}
⇒透過t_{MAX_ON}設定，防止連續模式下的重載時一次側和二次側的MOSFET同時導通帶來的破壞。
③選擇IC
⇒透過下述公式計算出所需的強制OFF時間t_OFF，並從系列產品中進行選擇。

這是連續模式工作時的強制OFF時間計算方法。後續將介紹非連續模式工作時的計算方法，請參閱後續介紹。

下面是各步驟的詳細介紹。

①確認替換前的整流二極體DOUT產生的反向電壓V_R和正向電流I_F的波形

右側的波形圖是DOUT產生的反向電壓V_R和正向電流I_F的波形範例。

條件為VIN＝400Vdc，IOUT＝10A（MAX）。

根據該波形，可獲得以下資料：

・一次側MOSFET M1的導通時間t1＝1.4µsec
・一次側控制器的1個週期tp＝7.7µsec

②設定二次側MOSFET最大導通時間t_{MAX_ON}

透過IC的MAX_TON引腳，設定最大導通時間t_{MAX_ON}。當DRAIN引腳電壓檢測到VCC（＝輸出電壓VOUT）×1.4V Typ以上的上升沿時，開始最大導通時間的計數。當由電阻R_TON設定的最大導通時間t_{MAX_ON}過去時，將強制關斷二次側MOSFET M2。

如下圖所示，最大導通時間t_{MAX_ON}必須設定為短於一次側控制器的1個週期tp。電阻R_TON可在56k~300k的範圍內進行設定，t_{MAX_ON}與其阻值成正比。另外，設定的t_{MAX_ON}越接近10µsec（R_TON＝100kΩ）精度越高。請參考下圖。

一次側控制器為PWM控制方式時，考慮到波動的R_TON的值可透過公式求出。

在此次的設計案例中，根據F_MAX＝130 [kHz]、⊿F_MAX＝5 [%]、⊿t_{MAX_ON}＝7 [%]、⊿R_TON＝1 [%]，得出R_TON如下：

在該設計案例中，需要將R_TON設定為68kΩ以下。但是，該公式為理想狀態，所以需要充分確認在實機狀態下的工作情況。將R_TON設為68kΩ，根據下述公式計算出t_{MAX_ON}為6.8µsec。

③選擇IC

根據①中檢測到的一次側MOSFET M1的導通時間t1、一次側控制器的1個週期tp，以及②中計算出的最大導通時間t_{MAX_ON}，可以透過以下公式求出所需的強制OFF時間t_OFF。

根據上述計算結果，考慮到波動，選擇強制OFF時間t_OFF為2µsec（Typ.）的“BM1R00147F”。下表為BM1R001xxF系列的強制OFF時間t_OFF。強制OFF時間波動為±9%。此外，該公式為理想狀態，因此需要在實機狀態下充分確認工作情況後再進行設定。

例如，請看BM1R00147F在R_TON＝68kΩ時的連續工作時（重載時）二次側同步整流工作波形。從波形圖可以看出，t_{MAX_ON}過去後，V_GS2關斷，t_OFF後再次導通。

型號名	強制OFF時間（Typ.）[µs]
BM1R00146F	1.3
BM1R00147F	2.0
BM1R00148F	3.0
BM1R00149F	3.6
BM1R00150F	4.6

至此，就可以選擇將現有電源改為同步整流電路的最佳IC了。該案例是以連續模式工作為前提的，作為參考，下面介紹一下當現有電源非連續模式工作時，一次側控制器具備抖動（Jitter）功能時的情況。

※非連續模式工作時的強制OFF時間計算方法及MAX_TON引腳的設定

在不連續模式和準諧振控制下，不會進行連續模式工作，因此無需設定MAX_TON引腳。所以，由於不進行最大導通時間t_{MAX_ON}的設定，故無需計算t_{MAX_ON}。取而代之的是測量最大負載時整流二極體導通後到正向電流I_F變為零時的時間t_ON。透過以下公式求得所需的強制OFF時間t_OFF。