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2020.09.09 AC/DC

故障排除(Trouble Shooting) ②:當二次側MOSFET在輕載時因諧振動作而導通時

提高AC/DC轉換器效率的二次側同步整流電路設計

上一篇文章中介紹了故障①“當二次側MOSFET立即關斷時”的對策,同時也提到了相對應策的注意事項。本文將介紹當二次側MOSFET在輕載時因諧振動作而導通時的注意事項和處理方法。

故障②:當二次側MOSFET在輕載時因諧振動作而導通時

以下的電路圖與上一篇文章中給出的電路圖相同,其中給出了防止二次側MOSFET誤導通的對策①-1,添加鐵氧體磁珠和調整濾波用電阻R1(加大)。然而,該對策中如果R1的值過大,在輕載時二次側MOSFET有時可能會誤導通。下面使用右下圖來說明其原理。

  • 1:因決定關斷時序的R1阻值過大,故DRAIN引腳電壓的檢測延遲,VGS2無法變為Low。
  • 2:在VGS2變為Low之前,IFET2處於逆流狀態。
  • 3:逆流的IFET2積蓄,二次側MOSFET關斷,因此VDS2的諧振振幅增加。
  • 4:VDS2再次變為負電壓,VGS2變為High(二次側MOSFET誤導通)。
  • 5:與2同樣,流過IFET2逆流電流,重複3、4、5。

對策

針對這種故障②,大致有4種對策。不過,與故障①的對策引發故障②相同,各對策都存在需要權衡的注意事項。下面匯總了4種對策及其注意事項。

故障②:當二次側MOSFET在輕載時因諧振動作而導通時
對策 注意事項
對策②-1
減小DRAIN引腳連接電阻R1
如果R1過小的話,雜訊濾除效果也會減弱,因此可能會回到故障①的“二次側MOSFET立即關斷”狀態
對策②-2
改用強制關斷時間長的型號(IC)
如果強制關斷時間過長,重載時二次側MOSFET的導通可能會延遲
對策②-3
在二次側MOSFET的汲極-源極間添加緩衝電路
在發生諧振動作的範圍(無負載~中負載)添加緩衝電路,會導致待機功耗增加,效率惡化
對策②-4
減小變壓器的匝比Ns / Np
一次側MOSFET的VDS耐壓餘量減少

※針對故障②,使用編號“對策②-n”來表示其對策。

●對策②-1:減小DRAIN引腳連接電阻R1
透過減小濾波用電阻R1的值,使VDS2的諧振振幅降低,可防止二次側MOSFET誤導通。作為故障①的對策,曾提到過加大R1值的方法,但是如果R1過大,或最初的選擇值過大,就需要重新向減小的方向調整R1的值。
※注意事項:如果R1過小,雜訊濾除效果也會減弱,受DRAIN引腳電壓引發的雜訊影響,可能會回到故障①的“二次側MOSFET立即關斷”狀態。使用該對策反復調整均看不到明顯效果時,就需要嘗試其他對策。

●對策②-2:改用強制關斷時間長的型號(IC)
可透過在二次側MOSFET關斷後,在比一個諧振週期(誤導通發生期間)長的時間強制關斷二次側MOSFET,來遮罩誤導通。

在“用於設計的IC”中介紹過,在該設計案例中採用的電源IC BM1R001xxF系列是具有不同強制關斷時間(Compulsion OFF Time)的引腳相容系列產品。強制關斷時間是防止DRAIN引腳產生的諧振波形引發的二次側MOSFET誤導通(即故障②)的遮罩時間,共有BM1R00146F~BM1R00150F的5種型號,以供根據改為同步整流電路時的條件選擇適當的強制關斷時間之用。

在本案例中,選擇了強制關斷時間為2µ sec(Typ.)的BM1R00147F,不過作為對策範例,給出的是強制關斷時間更長的3.6µ sec(Typ.)的BM1R00149F。

※注意事項:如果強制關斷時間過長,在重載時可能會因強制關斷時間導致二次側MOSFET的導通時序延遲,因此需要確認重載時的運行情況。以下僅為參考範例,是使用了在本設計中強制關斷時間過長(4.6µ sec)的BM1R00150F時產生的導通時序延遲波形,和使用了具有遮罩效果和關斷時間正好的BM1R00149F時的波形。

●對策②-3:在二次側MOSFET的汲極-源極間添加緩衝電路
如下圖所示,在二次側MOSFET的汲極-源極之間,添加Rsnb和Csnb組成的緩衝電路,使VDS2的振幅衰減。

※注意事項:在發生諧振動作的範圍(無負載~中負載)添加緩衝電路,會使待機功耗增加,效率惡化,因此需要充分進行確認和探討。

●對策②-4:減小變壓器的匝比Ns / Np
可透過更改變壓器的匝比來使VDS2的振幅衰減。

※注意事項:如波形圖所示,一次側MOSFET的VDS1會增加,因此一次側MOSFET的VDS耐壓餘量會減少。需要考慮變壓器的匝比,確保VDS1不要超過耐壓限值。

重點:

・這是對現有隔離型返馳式轉換器二次側的替換,因此充分確認實際的運行情況是非常重要的。

・輕載時二次側MOSFET可能會受諧振動作影響而導通,對策有4種左右。
 1) 減小DRAIN引腳連接電阻R1
 2) 改用強制關斷時間長的型號(IC)
 3) 在二次側MOSFET的汲極-源極間添加緩衝電路
 4) 減小變壓器的匝比Ns / Np

・各對策都存在需要權衡的注意事項。

PWM返馳式轉換器設計範例