ROHM借助更合適的同步整流技術(shù)滿足市場需求

前言

同步整流（SR）控制器能夠提高電源的轉(zhuǎn)換效率。本文將一起探討它們的優(yōu)勢以及它們?nèi)绾问闺娫撮_發(fā)人員的工作更輕松。憑借出色的性能，寬帶隙（WBG）功率半導(dǎo)體-比如碳化硅（SiC）或氮化鎵（GaN）-正在取代以往占主導(dǎo)地位的硅解決方案，這標(biāo)志著市場的轉(zhuǎn)折。許多應(yīng)用場景，比如手機(jī)充電器，尤其得益于GaN技術(shù)的快速發(fā)展。GaN晶體管不僅提供了比硅晶體管更高的開關(guān)速度，而且還降低了大多數(shù)MOSFET必須應(yīng)對(duì)的傳導(dǎo)損耗?？紤]到手機(jī)充電器AC/DC轉(zhuǎn)換所需的漏源電壓，650 VDS GaN晶體管顯然是一個(gè)比較好的解決方案。因此，一些手機(jī)充電器制造商已經(jīng)在使用GaN解決方案。與傳統(tǒng)充電器相比，這種充電器的尺寸可以減小一半。為了提高人們對(duì)節(jié)能和減緩氣候變化的意識(shí)，對(duì)高效率的要求變得日益重要。盡管GaN晶體管具有良好的開關(guān)性能，但是人們也因此希望能夠進(jìn)一步提高功率轉(zhuǎn)換的效率。顯著提高效率的一種方法就是用同步整流（SR）代替無源整流器。本文介紹的SR控制器就是一種能夠提高效率的潛在解決方案。

關(guān)鍵數(shù)據(jù)“SR控制器提高電源效率”

基于寬帶隙半導(dǎo)體的電源因其較小的尺寸和良好的開關(guān)性能而在各種充電解決方案中變得越來越受歡迎。但是，制造商還需要提高電源轉(zhuǎn)換效率。SR控制器是提高電源效率的一種潛在解決方案。它們具有許多優(yōu)點(diǎn)，能夠使實(shí)驗(yàn)室的電源設(shè)計(jì)人員的工作變得更輕松。

更高的功率轉(zhuǎn)換效率

同步整流在提高功率轉(zhuǎn)換效率方面的優(yōu)勢如圖1所示。這里比較了兩個(gè)ROHM評(píng)估套件BM2P094FEVK-001和BM1R00147F的效率測試結(jié)果。結(jié)果顯示，相比次級(jí)側(cè)的二極管整流方案，基于SR MOSFET控制器的BM1R00147F同步整流解決方案優(yōu)勢要大得多。根據(jù)評(píng)估套件的規(guī)格（90V至264VAC），測試輸入電壓范圍采用了全球通用范圍。BM2P094-001-EVK在不連續(xù)電流模式（DCM）下工作，輸出規(guī)格為5V和1A。在Vin = 100VAC的滿載條件下，二極管整流的功率轉(zhuǎn)換效率為74.76％，而SR控制器的功率轉(zhuǎn)換效率為81.07％。功率轉(zhuǎn)換效率提高了6.31％。而在Vin = 230V AC條件下，效率也提高了5.98％。

圖1 二極管整流和SR控制器之間的功率轉(zhuǎn)換效率數(shù)據(jù)比較（圖片來源：ROHM）

更高的充電功率

隨著充電電流的增大，小型電源（如手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦充電器等）需要更高的額定功率。充電器以往的充電功率是5W（5V，1A）和10W（5V，2A），但是由于如今手機(jī)、平板電腦及其他外設(shè)的屏幕尺寸增大，市場要求實(shí)現(xiàn)30W快充。

如果增加充電功率，充電電流就會(huì)增加，這會(huì)造成若干狀況。充電電流較大時(shí)電源在連續(xù)電流模式（CCM）下工作，而充電電流較小時(shí)電源主要在不連續(xù)電流模式（DCM）下工作。對(duì)于整流二極管來說，這意味著負(fù)載會(huì)因硬開關(guān)而增加。借助ROHM SR控制IC的控制特性，可以將這種額外的負(fù)載降至更低。在CCM模式下，整個(gè)電路的效率通常更高。另外，由于二極管整流器電流越大，其損耗就越高，因此相比之下同步整流方式更具優(yōu)勢。

為了盡可能有效地滿足市場需求，ROHM開發(fā)了單通道和雙通道同步MOSFET控制器（圖2）。BD1R001xxF內(nèi)置有兩枚芯片。BD87007FJ（一個(gè)通道）和BD85006F（兩個(gè)通道）內(nèi)置有一枚芯片，可以實(shí)現(xiàn)兩種功能：SR控制器和并聯(lián)穩(wěn)壓器。這些器件的封裝類型和規(guī)格概覽參見圖3。下文將介紹這些控制器的部分功能。

圖2 ROHM的單通道和雙通道同步MOSFET控制器通過高效率滿足市場需求（圖片來源：ROHM）

圖3 同步MOSFET控制器的參數(shù)概覽（圖片來源：ROHM）

設(shè)置強(qiáng)制OFF時(shí)間

與CCM模式相比，MOSFET解決方案中DCM模式下的漏源電流會(huì)提前截止，而MOSFET還需要延遲一段時(shí)間才能關(guān)斷。當(dāng)次級(jí)側(cè)MOSFET關(guān)斷時(shí)，變壓器繞組、MOSFET的寄生電容和輸出電容會(huì)產(chǎn)生諧振。為了防止這種諧振（可能會(huì)導(dǎo)致漏極有所響應(yīng)，從而意外激活柵極），設(shè)計(jì)人員應(yīng)設(shè)置一個(gè)屏蔽時(shí)間。ROHM SR系列的強(qiáng)制OFF時(shí)間可實(shí)現(xiàn)一個(gè)屏蔽時(shí)間—從柵極未啟動(dòng)開始到次級(jí)側(cè)MOSFET的漏極響應(yīng)。憑借強(qiáng)制OFF時(shí)間，BM1R001xxF系列可用于各種電源。開發(fā)人員可以通過漏極引腳上的外部電阻（圖4）手動(dòng)設(shè)置強(qiáng)制OFF時(shí)間。該時(shí)間的設(shè)計(jì)必須短于初級(jí)側(cè)控制器開關(guān)頻率（從次級(jí)側(cè)MOSFET TON中減去該開關(guān)時(shí)間）

圖4 不同產(chǎn)品的強(qiáng)制OFF時(shí)間（圖片來源：ROHM）

設(shè)置最大TON時(shí)間

在連續(xù)電流模式（CCM）下，下一個(gè)開關(guān)周期會(huì)在前一個(gè)開關(guān)周期仍處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)開始，因此MOSFET會(huì)經(jīng)歷一個(gè)行為突變。因此，強(qiáng)烈建議在使用二極管整流方案時(shí)采用超快速恢復(fù)二極管。SR控制器的MOSFET設(shè)有具有恢復(fù)延遲時(shí)間功能的柵極引腳。這將允許電流同時(shí)流過初級(jí)側(cè)開關(guān)和次級(jí)側(cè)MOSFET，除非未指定合理的延遲時(shí)間。BM1R001xxF在Vout x 1.4處開始計(jì)算漏極電壓的上升沿，而控制器會(huì)在一個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)間（通過外部Max_Ton電阻設(shè)定）后關(guān)閉。如圖5所示，開發(fā)人員必須使Max_Ton始終短于初級(jí)側(cè)控制器的開關(guān)頻率。Max_Ton電阻的設(shè)置范圍應(yīng)為56k至300k。當(dāng)Max_Ton接近10 μsec（RTon = 100kΩ）時(shí)，精度會(huì)提高。

圖5 通過外部電阻設(shè)置Max_Ton和精度（圖片來源：ROHM）

電流消耗減少90%的內(nèi)置并聯(lián)穩(wěn)壓器

為了調(diào)節(jié)輸出級(jí)的電壓，需要一個(gè)并聯(lián)穩(wěn)壓器作為電壓參考。為了用電阻維持所需的電壓，需要使并聯(lián)電流流過并聯(lián)穩(wěn)壓器。BM1R001xxF系列包含一個(gè)內(nèi)置并聯(lián)穩(wěn)壓器，與典型的并聯(lián)穩(wěn)壓器相比，它僅消耗十分之一的電流。這不僅簡化了設(shè)計(jì)，而且還降低了待機(jī)模式下并聯(lián)控制器的電流消耗。此外，芯片內(nèi)部的并聯(lián)穩(wěn)壓器與SR控制器是分開的。如果用在H側(cè)，那么可以將并聯(lián)穩(wěn)壓器的接地用作H側(cè)的接地。如果不用內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器，則引腳“SH_IN、SH_OUT和SH_GND”保持未使用狀態(tài)即可。針對(duì)在外部使用并聯(lián)穩(wěn)壓器的應(yīng)用場景，ROHM還開發(fā)了BD87007FJ。BD87007FJ的并聯(lián)電流明顯低于BM1R001xxF系列（圖6）。

圖6 啟動(dòng)時(shí)處于電容模式的波形[左]以及BD85506F的慢啟動(dòng)行為[右]（圖片來源：ROHM）

圖7 與傳統(tǒng)并聯(lián)穩(wěn)壓器相比，ROHM的內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器的并聯(lián)電流僅為十分之一（圖片來源：ROHM）

用于LLC拓?fù)涞碾p通道SR MOSFET控制器

當(dāng)啟動(dòng)和輸出級(jí)不穩(wěn)定時(shí)，LLC電路容易進(jìn)入電容模式。如果電流峰值夠大，那么在最壞的情況下會(huì)損壞MOSFET。ROHM針對(duì)LLC拓?fù)湓O(shè)計(jì)的雙通道同步整流MOSFET控制器BD85506F配備了一個(gè)慢啟動(dòng)功能。在電容模式下，IC在啟動(dòng)階段后不再工作，但是SS引腳會(huì)被充電。當(dāng)SS引腳上的電壓高于0.5V時(shí)，慢啟動(dòng)功能被啟用，IC開始工作。

利用輸入開路保護(hù)MOSFET

如果控制器的輸出和柵極之間存在不連續(xù)的情況，那么MOSFET將無法打開，且電流會(huì)流過體二極管，從而導(dǎo)致MOSFET過熱。而BD85506F則配備了一個(gè)引腳開路保護(hù)功能。如果開路狀態(tài)持續(xù)時(shí)間超過2ms，系統(tǒng)會(huì)通過一個(gè)光電耦合器減小BD85506F SH_out引腳上的電流。這會(huì)讓初級(jí)側(cè)控制器停止工作。

結(jié)論

ROHM的SR控制器旨在提供易于集成的同步整流解決方案。該SR控制器能夠支持本文介紹的許多功能，并且只需要很少的外部組件。因此，ROHM的SR控制器在CCM和DCM模式下都能實(shí)現(xiàn)高性能的同步整流解決方案。SR-IC的其他可選型號(hào)還內(nèi)置有并聯(lián)穩(wěn)壓器，不僅具有靈活的接地參考，待機(jī)功耗也非常低。