【導讀】近年來(lái)，為了進(jìn)一步改善全球節能，全球監管機構提出了新的效率標準。隨著(zhù)美國能源部（DOE）出臺的一系列新要求，制造商必須提高現有獨立電源產(chǎn)品的效率以達到DOE VI級標準，才能在美國市場(chǎng)銷(xiāo)售。此外，制造商還需要設計符合其它能源規格的產(chǎn)品，例如歐盟CoC V5Tier2規格。
為了提高交流轉直流適配器的效率，將輸出續流肖特基二極管換成基于MOSFET的同步整流控制器（SR）時(shí)通?？商嵘??3％或者更高的效率。還有發(fā)現使用SR有助于節省二極管散熱片成本和人工組裝的成本，設計人員還可以使用更便宜的初級MOSFET或者更細的輸出線(xiàn)纜來(lái)節省成本，且依然能達到目標效率。
因篇幅所限，本文無(wú)法涉及SR設計的全部細節，而精選了幾個(gè)在工程師設計同步整流電路時(shí)一些實(shí)際的話(huà)題用以討論。
SR的連續導通模式（CCM）
在圖1中，反激式SR控制器用于驅動(dòng)AC / DC適配器中的次級MOSFET開(kāi)關(guān)。這里，反激控制器可以在臨界導通模式（CrM），連續導通模式（CCM）或斷續導通模式（DCM）下運行。
圖1：快速充電器中使用的反激式電源的典型框圖
適配器在啟動(dòng)或滿(mǎn)載的狀態(tài)下是以CCM模式運行，在主開(kāi)關(guān)試圖導通時(shí)，SR開(kāi)關(guān)中的電流被設置不能降至零。因此，需要防止初級側到次級側的擊穿而導致高壓尖刺和潛在損壞，而因此需要快速地關(guān)閉SR。MPS的解決方案是調整SR開(kāi)關(guān)VG電壓來(lái)保持MOSFET的VDS恒定。隨著(zhù)在CCM模式期間電流的下降，驅動(dòng)器的VG電壓也隨之下降，直到MOSFET運行在線(xiàn)性工作區（見(jiàn)圖3）。因此，當電壓最終反向時(shí)，驅動(dòng)器會(huì )基于很低的VG電壓來(lái)快速關(guān)斷，以此來(lái)確保在CCM模式下安全運行。因為它不受線(xiàn)路的輸入條件的影響，因此這是一種穩定的控制方法。此外，通過(guò)最大化SR MOSFET的導通時(shí)間和最小化體二極管導通時(shí)間，可確保最佳的效率。MPS的SR控制器不僅可以支持CCM模式，還可以支持DCM和CrM模式。
圖2：CCM模式下初級和次級電流波形
有關(guān)MPS的CCM兼容模式下的SR設計和操作的詳細說(shuō)明，請參閱AN077應用筆記。1.
在CCM模式下和CrM模式下MOSFET封裝電感的影響
次級電流切換時(shí)總會(huì )有一些開(kāi)關(guān)上升/下降時(shí)間（如圖2所示），由輸入/輸出，變壓器匝數比和電感來(lái)決定。MOSFET封裝電感也會(huì )影響次級電流的關(guān)斷。
隨著(zhù)次級電流開(kāi)始改變極性并關(guān)斷（圖4中的t1），MOSFET封裝電感（Ls）會(huì )在檢測到的Vds上產(chǎn)生瞬時(shí)電壓，如公式（1）和公式（2）所示：
(1)
(2)其中，dc是DC平均輸入, n 是變壓器匝數比，Ls 是漏感。
圖3：MPS SR控制器操作原理
對于采用TO220封裝的MOSFET，封裝電感在100kHz頻率時(shí)可高達6.4nH，而Vlk可以高達幾百mV，達到SR控制器的關(guān)斷閾值，使SR控制器關(guān)斷門(mén)極（ 從t1開(kāi)始）。由于t1關(guān)斷時(shí)間相對較早，因此稍高的封裝電感有助于防止擊穿，特別是在深CCM條件下。
對于各種電路設計，我們可能會(huì )在CCM模式中看到不同的關(guān)斷波形（參見(jiàn)圖4a和圖4b）。如圖4a，電流降至零，但SR并未完全關(guān)閉。因此，交叉傳導可能發(fā)生并會(huì )反映在反向電流中。而相對最佳的設計是SR能夠在次級電流變?yōu)榱悖╰2）之前關(guān)閉，如圖4b。更值得關(guān)注的是，如圖4c中所示，在CrM模式中，當副邊電流幾乎為零時(shí)，SR控制器隨之關(guān)斷，這意味著(zhù)總是存在一個(gè)反向電流dI / dt * Toff。
當MOSFET的封裝電感非常小時(shí)（例如QFN或SOIC封裝），SR門(mén)極相對關(guān)斷會(huì )更延遲。即使在Vds調節控制下降低Vg，反向電流仍然大于具有較高封裝電感的MOSFET。這與主題1中介紹的Vds控制無(wú)關(guān)。
<p下面列出了一些改進(jìn)選項，這些選項可以在同一應用中組合使用。
● 選擇Qg非常低的SR MOSFET（以加速關(guān)斷）。
在SR MOSFET上增加一個(gè)RC snubber 吸收電路（以吸收反向電壓尖峰）。使用具有高關(guān)斷電流的SR控制器。增加變壓器漏感以減慢關(guān)斷時(shí)的次級電流dI / dt（但會(huì )導致更高的初級MOSFET電壓尖峰）減緩初級MOSFET導通時(shí)的上升斜率（損失效率）。使用具有較高Vds控制電壓的SR控制器（圖2中使用MPS的MP6902為70mV）。在較高的Vds控制電壓情況下，MOSFET可以進(jìn)入更深的線(xiàn)性區，在開(kāi)關(guān)關(guān)斷之前Vg就達到很低的水平，從而快速關(guān)閉。
振鈴—優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)
當MOSFET導通和關(guān)斷時(shí)，PCB布局和系統中產(chǎn)生的離散電感與元器件中的寄生電容會(huì )導致一些振鈴。如果不能適應振鈴造成的影響，輕則可能會(huì )使效率降低，重則會(huì )導致一些致命的問(wèn)題。
振鈴引起的問(wèn)題如圖4所示。當次級電流下降到零時(shí)，初級開(kāi)關(guān)電壓Vds在變壓器的主電感和MOSFET Cds之間會(huì )產(chǎn)生諧振，這個(gè)諧振電壓會(huì )折射到次級側。通常，這個(gè)諧振谷值不應該會(huì )接觸到地平面，但有時(shí)諧振谷值可能會(huì )下降到SR的導通閾值。這可能是因為諸如原邊RCD緩沖器中二極管的反向恢復等因素引起的。
由于Vds電壓諧振的斜率總是遠低于實(shí)際開(kāi)關(guān)關(guān)斷的斜率（得益于較大感量的主電感），因此MPS的MP6908使用獨特的可調斜率引腳來(lái)幫助確定何時(shí)副邊MOS真正關(guān)斷，以及何時(shí)是正常的Vds電壓諧振（如圖4所示）。
圖4：在消磁振鈴期間潛在錯誤開(kāi)啟的SR波形
根據實(shí)際需要更換肖特基二極管
雖然SR的優(yōu)勢已經(jīng)被廣泛接受，但將肖特基二極管的設計改為使用SR驅動(dòng)器和MOSFET的設計方案，仍然需要在BOM中增加許多元器件，并需要重新認證等工作。
另一種解決方案是將SR MOSFET集成到SR驅動(dòng)器IC內部，創(chuàng )建緊湊的封裝來(lái)替換肖特基二極管，而不需要對變壓器進(jìn)行任何更改，這個(gè)全新的設計使BOM變化最?。ㄒ?jiàn)圖5）。這種解決方案被稱(chēng)為理想二極管方案。
MPS新型理想二極管的優(yōu)點(diǎn)如下：
● 最小的BOM和電路板空間。
● 在高側或低側無(wú)需輔助繞組即可直接更換肖特基二極管。
● 優(yōu)化的集成門(mén)極驅動(dòng)器。
● 針對不同的功率等級和額定電壓優(yōu)化MOSFET。
● 靈活的SMT和通孔封裝選項。
為什么MPS MP6908是適用于實(shí)際SR控制設計的選擇？
MP6908是MPS最新的SR控制IC，而且未來(lái)將有一系列基于MP6908控制器創(chuàng )建的理想二極管方案。該控制器IC的一些主要功能包括：
● 不需要用于高側或低側整流的輔助繞組。
● 支持DCM，準諧振和CCM運行模式。
支持低至0V的寬輸出范圍（即使輸出短路時(shí)，SR保持供電，短路電流也不會(huì )通過(guò)MOSFET的體二極管流通）。振鈴檢測可以防止錯誤導通。超高速15ns傳播延遲和30ns關(guān)斷延遲。
圖5： MP6908控制器和低側和高側的理想二極管應用電路
總結
本文介紹了與實(shí)際工程情況相關(guān)的同步整流器（SR）設計。通過(guò)更多地了解終端應用，MPS能夠定義和創(chuàng )建更好的SR控制IC。
1 MPS MP6902 Application note: http://www.monolithicpower.com/pub/media/document/AN077_r1.0.pdf?utm_source=mps&utm_medium=article&utm_campaign=content
2 https://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-4147.pdf
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