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2020.02.19 AC/DC

故障排除(Trouble Shooting) ② : 当二次侧MOSFET在轻负载时因谐振动作而导通时

提高AC/DC转换器效率的二次侧同步整流电路设计

上一篇文章中介绍了故障①“当二次侧MOSFET立即关断时”的对策,同时也提到了相应对策的注意事项。本文将介绍当二次侧MOSFET在轻负载时因谐振动作而导通时的注意事项和处理方法。

故障②:当二次侧MOSFET在轻负载时因谐振动作而导通时

以下的电路图与上一篇文章中给出的电路图相同,其中给出了防止二次侧MOSFET误导通的对策①-1,添加铁氧体磁珠和调整滤波用电阻R1(加大)。然而,该对策中如果R1的值过大,在轻负载时二次侧MOSFET有时可能会误导通。下面使用右下图来说明其机理。

  • 1:因决定关断时序的R1阻值过大,故DRAIN引脚电压的检测延迟,VGS2无法变为Low。
  • 2:在VGS2变为Low之前,IFET2处于逆流状态。
  • 3:逆流的IFET2积蓄,二次侧MOSFET关断,因此VDS2的谐振振幅增加。
  • 4:VDS2再次变为负电压,VGS2变为High(二次侧MOSFET误导通)。
  • 5:与2同样,流过IFET2逆流电流,反复3、4、5。

对策

针对这种故障②,大致有4种对策。不过,与故障①的对策引发故障②相同,各对策都存在需要权衡的注意事项。下面汇总了4种对策及其注意事项。

故障②:当二次侧MOSFET在轻负载时因谐振动作而导通时
对策 注意事项
对策②-1
减小DRAIN引脚连接电阻R1
如果R1过小的话,噪声滤除效果也会减弱,因此可能会回到故障①的“二次侧MOSFET立即关断”状态
对策②-2
改用强制关断时间长的型号(IC)
如果强制关断时间过长,重负载时二次侧MOSFET的导通可能会延迟
对策②-3
在二次侧MOSFET的漏极-源极间添加缓冲电路
在发生谐振动作的范围(无负载~中负载)添加缓冲电路,会导致待机功耗增加,效率恶化
对策②-4
减小变压器的匝比Ns / Np
一次侧MOSFET的VDS耐压余量减少

※针对故障②,使用编号“对策②-n”来表示其对策。

●对策②-1:减小DRAIN引脚连接电阻R1
通过减小滤波用电阻R1的值,使VDS2的谐振振幅降低,可防止二次侧MOSFET误导通。作为故障①的对策,曾提到过加大R1值的方法,但是如果R1过大,或最初的选择值过大,就需要重新向减小的方向调整R1的值。

※注意事项:如果R1过小,噪声滤除效果也会减弱,受DRAIN引脚电压引发的噪声影响,可能会回到故障①的“二次侧MOSFET立即关断”状态。使用该对策反复调整均看不到明显效果时,就需要尝试其他对策。

●对策②-2:改用强制关断时间长的型号(IC)
可通过在二次侧MOSFET关断后,在比一个谐振周期(误导通发生期间)长的时间强制关断二次侧MOSFET,来屏蔽误导通。

在“用于设计的IC”中介绍过,在该设计案例中采用的电源IC BM1R001xxF系列是具有不同强制关断时间(Compulsion OFF Time)的引脚兼容系列产品。强制关断时间是防止DRAIN引脚产生的谐振波形引发的二次侧MOSFET误导通(即故障②)的屏蔽时间,共有BM1R00146F~BM1R00150F的5种型号,以供根据改为同步整流电路时的条件选择适当的强制关断时间之用。

在本案例中,选择了强制关断时间为2µ sec(Typ.)的BM1R00147F,不过作为对策示例,给出的是强制关断时间更长的3.6µ sec(Typ.)的BM1R00149F。

※注意事项:如果强制关断时间过长,在重负载时可能会因强制关断时间导致二次侧MOSFET的导通时序延迟,因此需要确认重负载时的运行情况。以下仅为参考示例,是使用了在本设计中强制关断时间过长(4.6µ sec)的BM1R00150F时产生的导通时序延迟波形,和使用了具有屏蔽效果和关断时间正好的BM1R00149F时的波形。

●对策②-3:在二次侧MOSFET的漏极-源极间添加缓冲电路
如下图所示,在二次侧MOSFET的漏极-源极之间,添加Rsnb和Csnb组成的缓冲电路,使VDS2的振幅衰减。

※注意事项:在发生谐振动作的范围(无负载~中负载)添加缓冲电路,会使待机功耗增加,效率恶化,因此需要充分进行确认和探讨。

●对策②-4:减小变压器的匝比Ns / Np
可通过更改变压器的匝比来使VDS2的振幅衰减。

※注意事项:如波形图所示,一次侧MOSFET的VDS1会增加,因此一次侧MOSFET的VDS耐压余量会减少。需要考虑变压器的匝比,确保VDS1不要超过耐压限值。

关键要点:

・这是对现有隔离型反激式转换器二次侧的替换,因此充分确认实际的运行情况是非常重要的。

・轻负载时二次侧MOSFET可能会受谐振动作影响而导通,对策有4种左右。
 1) 减小DRAIN引脚连接电阻R1
 2) 改用强制关断时间长的型号(IC)
 3) 在二次侧MOSFET的漏极-源极间添加缓冲电路
 4) 减小变压器的匝比Ns / Np

・各对策都存在需要权衡的注意事项。

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