AC-DC｜設計篇

總結

2020.11.11

“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＞

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。
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
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。。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
故障排除(Trouble Shooting) ③：當V_DS2受突波影響而超過二次側MOSFET的V_DS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。

・V_DS2受突波影響有時可能會超過二次側MOSFET的V_DS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V_DS2

・各對策都存在需要權衡的注意事項。
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。
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

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所謂隔離型返馳式轉換器的性能評估和檢查要點＋

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