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2020.11.11 AC/DC

總結

提高AC/DC轉換器效率的二次側同步整流電路設計

“提高AC/DC轉換器效率的二次側同步整流電路設計”相關的文章共14篇,本文是最後一篇。

本文的背景是近年來對AC/DC電源的效率要求越來越高,其中一種提高AC/DC轉換器效率的方法是將現有的主流方式–二極體整流方式改為效率可進一步提高的同步整流方式。然而,要想將AC/DC轉換器改為同步整流方式,這當中存在一些課題。中等功率以下的AC/DC轉換器多採用PWM返馳式方式,並根據條件以連續模式工作。如果將這種方式簡單地改為同步整流方式的話,在連續模式工作時可能無法正常控制,一次側切換元件和二次側整流元件同時導通,可能會因直通電流(Flow-through Current)導致元件損壞。因此,就需要一些方法,比如添加防止同時導通的電路、採用不會以連續模式工作的準諧振方式、或使用時僅透過不連續模式工作等。

針對這些課題,ROHM推出了為將二極體整流式AC/DC轉換器改為同步整流方式而研發的二次側同步整流控制IC “BM1R001xxF系列”,在本系列文章中,介紹了使用該系列IC將二極體整流的AC/DC轉換器改為同步整流方式的設計案例。

下面匯總了相關各篇文章的關鍵要點。同時附有各篇文章的連結,便於您一併使用。

<提高AC/DC轉換器效率的二次側同步整流電路設計>

  1. 前言

    關鍵要點

    ・由於各國的嚴格規定,改善AC/DC轉換器的效率已經是勢在必行的事情。

    ・返馳式AC/DC轉換器採用二次側同步整流方式存在著要避免直通/擊穿狀態等課題。

    ・已經開發出用來實現二次側同步整流的控制IC。

  2. 設計步驟

    關鍵要點

    ・設計步驟大致如下:
     1. 同步整流電路部的設計:同步整流用MOSFET的選型、控制IC的選型、週邊零件的選型
     2. 分流穩壓器電路部的設計
     3. 故障排除(Trouble Shooting)
     4. 特性評估

  3. 用於設計的IC

    關鍵要點

    ・BM1R001xxF系列由強制OFF時間不同的5款機型組成。

    ・封裝採用小巧而簡單的SOP8封裝。

    ・分流穩壓器具有消耗電流低和精度高的特點,可通過降低控制電路電流來減少待機功率。

    ・同步整流控制器支援所有模式:不連續~臨界~連續模式,因此也適用於PWM方式的轉換器。。

  4. 電源規格和替代電路

    關鍵要點

    ・在該設計案例中,將二極體整流的AC/DC轉換器改為同步整流方式。

    ・改為同步整流方式的方法有低側型和高側型二種。

    ・改為同步整流方式雖然會使外接零件略有增加,但對於解決AC/DC轉換器的課題–提高效率(尤其是待機時的效率)來說,是很有效的方法。

  5. 同步整流電路部:同步整流用MOSFET的選型

    關鍵要點

    ・在該設計案例中,將二極體整流的AC/DC轉換器改為同步整流方式。

    ・改為同步整流設計首先需要對取代輸出整流二極體的MOSFET進行選型。

    ・要想確定替代零件的規格,需要先確認現有電路中的電流、電壓、波形等。

  6. 同步整流電路部分:電源IC的選擇

    關鍵要點

    ・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。

    ・計算強制關斷時間,並選定相應的BM1R001xxF系列。

    ・BM1R001xxF系列擁有強制關斷時間不同的5款機型。

  7. 同步整流電路部分:週邊電路零件的選型-DRAIN引腳的D1、R1、R2

    關鍵要點

    ・BM1R00147F透過DRAIN引腳的電壓來控制二次側MOSFET M2的閘極。

    ・DRAIN引腳的檢測電平非常低,僅為幾mV,會誤檢測到MOSFET M2切換時的微量突波電壓。

    ・作為對策,需要在DRAIN引腳添加用來吸收突波的電阻和二極體。

  8. 同步整流電路部分:週邊電路零件的選型-MAX_TON引腳的C1、R3以及VCC引腳

    關鍵要點

    ・BM1R00147F的MAX_TON引腳需要串聯連接電容和電阻,以降低雜訊。

    ・這裡的電容和電阻還兼具MAX_TON引腳的相位補償功能,因此是必須要連接的。

    ・Low Side Type時,可由二次側VOUT輕鬆向BM1R00147F的VCC引腳供電。

    ・High Side Type時,需要另行準備電源,如增加輔助電源電路、在變壓器二次側安設輔助線圈等。

  9. 分流穩壓器電路部分:週邊電路零件的選型

    關鍵要點

    ・透過BM1R00147F的分流穩壓器電路部分的週邊零件設定來設定輸出電壓。

  10. 故障排除(Trouble Shooting)①:當二次側MOSFET立即關斷時

    關鍵要點

    ・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。

    ・雜訊引發二次側MOSFET誤動作時,可在DRAIN引腳的電路中添加鐵氧體磁珠,或加大濾波用電阻的阻值。

  11. 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

    關鍵要點

    ・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) 減少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) 減少變壓器的匝比Ns / Np

    ・各對策都存在需要權衡的注意事項。

  12. 故障排除(Trouble Shooting) ③:當VDS2受突波影響而超過二次側MOSFET的VDS耐壓時

    關鍵要點

    ・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。

    ・VDS2受突波影響有時可能會超過二次側MOSFET的VDS耐壓,大致有三種對策。
     1) 在二次側MOSFET的汲極-源極間插入電容
     2) 加大一次側MOSFET的閘極阻值
     3) 減小變壓器的匝比Ns/Np,降低VDS2

    ・各對策都存在需要權衡的注意事項。

  13. 二極體整流和同步整流的效率比較

    關鍵要點

    ・傳統的二次側二極體整流方式和替換後的同步整流方式的效率相比,很明顯,同步整流方式的效率更高。

    ・同步整流方式中,高側方式和低側方式的效率基本沒有差別。

    ・效率差的主要因素是二極體整流的二極體損耗(VF)和同步整流的MOSFET損耗(VDS)之間的差。

  14. PCB板佈局相關的注意事項

    關鍵要點

    ・在改為二次側同步整流電路的過程中,大多數PCB板佈局相關的注意事項,都是以開關電源電路的佈局為基礎的。

以上

PWM返馳式轉換器設計範例