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2020.01.08 AC/DC

同步整流电路部分:电源IC的选择

提高AC/DC转换器效率的二次侧同步整流电路设计

作为将原电路的二次侧二极管整流电路改为同步整流电路的步骤,上一篇文章介绍了第一步选择整流二极管替换用MOSFET的内容。本文将介绍第二步相关内容,确认现有电路的工作和各种条件,并选定设计所用的电源IC。在此进行的设计是将现有AC/DC转换器的二次侧二极管整流电路替换为同步整流电路,因此必然需要先确认现有电路的规格、特性及工作并进行调整,然后再替换为同步整流电路。

同步整流电路部分:电源IC的选择

此次替换设计中计划使用的BM1R001xxF系列由BM1R00146F~150F共5款机型组成。为了能够支持不同规格电源改为同步整流电路,配备了强制OFF时间(Compulsion OFF Time)不同的系列产品。

强制OFF时间可防止因轻负载时IC的DRAIN引脚产生的谐振波形导致二次侧FET再次导通的动作。该时间表示关断二次侧后不强制导通的时间,产品阵容中有1.3us(00146F)~4.6us(00150F)的产品可选。

但是,如果该强制OFF时间过长,就会产生重负载工作时FET无法导通的时间,效率会变差,因此需要选择适当的时间(后续将会进行详细介绍)。

在连续模式下工作时,该强制OFF时间的确定标准是需要考虑一次侧控制器的开关频率和一次侧/二次侧MOSFET各自的导通时间的。

按以下①~③的步骤选择电源IC。

  • ①确认替换前的整流二极管DOUT产生的反向电压VR和正向电流IF的波形
     ⇒检测一次侧MOSFET M1的导通时间t1、一次侧控制器的1个周期tp。
  • ②设置二次侧MOSFET最大导通时间tMAX_ON
     ⇒通过tMAX_ON设置,防止连续模式下的重负载时一次侧和二次侧的MOSFET同时导通带来的破坏。
  • ③选择IC
     ⇒通过下述公式计算出所需的强制OFF时间tOFF,并从系列产品中进行选择。

这是连续模式工作时的强制OFF时间计算方法。后续将介绍非连续模式工作时的计算方法,请参阅后续介绍。

下面是各步骤的详细介绍。

①确认替换前的整流二极管DOUT产生的反向电压VR和正向电流IF的波形

右侧的波形图是DOUT产生的反向电压VR和正向电流IF的波形示例。

条件为VIN=400Vdc,IOUT=10A(MAX)。

根据该波形,可获得以下数据:

  • ・一次侧MOSFET M1的导通时间t1=1.4µsec
  • ・一次侧控制器的1个周期tp=7.7µsec

②设置二次侧MOSFET最大导通时间tMAX_ON

通过IC的MAX_TON引脚,设置最大导通时间tMAX_ON。当DRAIN引脚电压检测到VCC(=输出电压VOUT)×1.4V Typ以上的上升沿时,开始最大导通时间的计数。当由电阻RTON设置的最大导通时间tMAX_ON过去时,将强制关断二次侧MOSFET M2。

如下图所示,最大导通时间tMAX_ON必须设置为短于一次侧控制器的1个周期tp。电阻RTON可在56k~300k的范围内进行设置,tMAX_ON与其阻值成正比。另外,设置的tMAX_ON越接近10µsec(RTON=100kΩ)精度越高。请参考下图。

一次侧控制器为PWM控制方式时,考虑到波动的RTON的值可通过公式求出。

在此次的设计案例中,根据FMAX=130 [kHz]、⊿FMAX=5 [%]、⊿tMAX_ON=7 [%]、⊿RTON=1 [%],得出RTON如下:

在该设计案例中,需要将RTON设置为68kΩ以下。但是,该公式为理想状态,所以需要充分确认在实机状态下的工作情况。将RTON设为68kΩ,根据下述公式计算出tMAX_ON为6.8µsec。

③选择IC

根据①中检测到的一次侧MOSFET M1的导通时间t1、一次侧控制器的1个周期tp,以及②中计算出的最大导通时间tMAX_ON,可以通过以下公式求出所需的强制OFF时间tOFF

根据上述计算结果,考虑到波动,选择强制OFF时间tOFF为2µsec(Typ.)的“BM1R00147F”。下表为BM1R001xxF系列的强制OFF时间tOFF。强制OFF时间波动为±9%。此外,该公式为理想状态,因此需要在实机状态下充分确认工作情况后再进行设置。

例如,请看BM1R00147F在RTON=68kΩ时的连续工作时(重负载时)二次侧同步整流工作波形。从波形图可以看出,tMAX_ON过去后,VGS2关断,tOFF后再次导通。

型号名 强制OFF时间(Typ.)[µs]
BM1R00146F 1.3
BM1R00147F 2.0
BM1R00148F 3.0
BM1R00149F 3.6
BM1R00150F 4.6

至此,就可以选择将现有电源改为同步整流电路的最佳IC了。该案例是以连续模式工作为前提的,作为参考,下面介绍一下当现有电源非连续模式工作时,一次侧控制器具备抖动(Jitter)功能时的情况。

※非连续模式工作时的强制OFF时间计算方法及MAX_TON引脚的设置

在不连续模式和准谐振控制下,不会进行连续模式工作,因此无需设置MAX_TON引脚。所以,由于不进行最大导通时间tMAX_ON的设置,故无需计算tMAX_ON。取而代之的是测量最大负载时整流二极管导通后到正向电流IF变为零时的时间tON。通过以下公式求得所需的强制OFF时间tOFF

下面给出了波形示例。另外,此时的MAX_TON引脚直接上拉至VCC。

在不连续模式下,无论是否设置MAX_TON引脚,同步整流工作都是相同的。此外,当VDS2变为-6mV(Typ.)时,VGS2关断。

※一次侧控制器内置抖动(Jitter)功能时

一次侧控制器具有抖动(Jitter)功能时,考虑到波动的RTON设置根据下述公式进行。

相对于前面给出的连续模式时的公式,分母加上了一次侧抖动(Jitter)频率:FJITTER [kHz]。

关键要点:

・确认现有电路的工作和各种条件,确定设计所用的电源IC。

・设置最大导通时间,防止一次侧和二次侧的MOSFET同时导通带来的破坏。

・计算强制OFF时间,并选定相应的BM1R001xxF系列。

・BM1R001xxF系列拥有强制OFF时间不同的5款机型。

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