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2020.07.22 AC/DC

同步整流電路部分:電源IC的選擇

提高AC/DC轉換器效率的二次側同步整流電路設計

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VR和正向電流IF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tMAX_ON
    ⇒透過tMAX_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tOFF,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VR和正向電流IF的波形

右側的波形圖是DOUT產生的反向電壓VR和正向電流IF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tMAX_ON

透過IC的MAX_TON引腳,設定最大導通時間tMAX_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RTON設定的最大導通時間tMAX_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tMAX_ON必須設定為短於一次側控制器的1個週期tp。電阻RTON可在56k~300k的範圍內進行設定,tMAX_ON與其阻值成正比。另外,設定的tMAX_ON越接近10µsec(RTON=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RTON的值可透過公式求出。

在此次的設計案例中,根據FMAX=130 [kHz]、⊿FMAX=5 [%]、⊿tMAX_ON=7 [%]、⊿RTON=1 [%],得出RTON如下:

在該設計案例中,需要將RTON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RTON設為68kΩ,根據下述公式計算出tMAX_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tMAX_ON,可以透過以下公式求出所需的強制OFF時間tOFF

根據上述計算結果,考慮到波動,選擇強制OFF時間tOFF為2µsec(Typ.)的“BM1R00147F”。下表為BM1R001xxF系列的強制OFF時間tOFF。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RTON=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,tMAX_ON過去後,VGS2關斷,tOFF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tMAX_ON的設定,故無需計算tMAX_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IF變為零時的時間tON。透過以下公式求得所需的強制OFF時間tOFF

下面給出了波形範例。另外,此時的MAX_TON引腳直接上拉至VCC。

在不連續模式下,無論是否設定MAX_TON引腳,同步整流工作都是相同的。此外,當VDS2變為-6mV(Typ.)時,VGS2關斷。

※一次側控制器內建抖動(Jitter)功能時

一次側控制器具有抖動(Jitter)功能時,考慮到波動的RTON設定根據下述公式進行。

相對於前面給出的連續模式時的公式,分母加上了一次側抖動(Jitter)頻率:FJITTER [kHz]。

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。

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