同步整流電路中控制器選型與應(yīng)用研究

閆亮

摘? 要：同步整流電路，是采用導(dǎo)通電阻非常低（mΩ級(jí)）的功率MOSFET，代替普通整流二極管以降低功率損耗的一種技術(shù)。同步整流控制芯片是該電路的大腦，當(dāng)使用功率MOSFET作整流管時(shí)，需要柵極電壓和被整流的電壓相位保持同步才完成，同步整流電路可以很大程度上提升DC/DC變換器的效率。該文設(shè)計(jì)一款輸出功率為24 V/8.3 A的AC/DC電源，基本拓?fù)錇長LC半橋諧振電路和同步整流電流電路，重點(diǎn)討論同步整流電路選型與設(shè)計(jì)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：同步整流電路；控制芯片；功率MOSFET；直流電源；變壓器

中圖分類號(hào)：TM46? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）08-0129-05

Abstract： Synchronous rectifier circuit is a technology that uses power MOSFET with very low on-resistance （mΩ level） instead of ordinary rectifier diodes to reduce power loss. The synchronous rectifier control chip is the brain of the circuit. When the power MOSFET is used as the rectifier tube， it needs to be synchronized between the gate voltage and the rectified voltage phase. The synchronous rectifier circuit can greatly improve the efficiency of the DC/DC converter. In this paper， an AC/DC power supply with output power of 24 V 8.3 A is designed. The basic topology is LLC half-bridge resonant circuit and synchronous rectifier current circuit. The selection and design application of synchronous rectifier circuit are discussed in detail.

Keywords： synchronous rectifier circuit; control chip; power MOSFET; DC power supply; transformer

在低電壓、大電流供電的情況下，同步整流電路相對(duì)于二極管整流有著很大的優(yōu)勢。同步整流電路有4個(gè)重要參數(shù)，即開通閾值、調(diào)整閾值、關(guān)斷閾值和消隱時(shí)間。同步整流芯片的功能簡要概述如下：芯片檢測被整流電壓的下降沿，經(jīng)過一段消隱時(shí)間后，芯片輸出10 V柵極驅(qū)動(dòng)電壓保證MOSFET的導(dǎo)通電阻Rds（on）最小。臨近一個(gè)周期結(jié)束時(shí)，芯片在MOSFET流過輸出電流下降的適當(dāng)時(shí)刻降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓，這個(gè)適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻由芯片的調(diào)整閾值和MOSFET的導(dǎo)通電阻Rds（on）共同決定，周期結(jié)束，芯片快速關(guān)斷MOSFET。如果輸出負(fù)載所需電流不大，負(fù)載較輕，芯片減小或關(guān)斷柵極驅(qū)動(dòng)。芯片內(nèi)部的消隱電路能夠避免MOSFET誤開誤關(guān)。

1? 同步整流控制器方案介紹

針對(duì)同步整流控制芯片的初步備選方案為恩智浦半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的TEA1791T、TEA1792TS、TEA1791A

T、TEA1792ATS和TEA1795T。同步整流控制芯片的初步備選方案見表1。TEA1791T和TEA1792TS為低頻單驅(qū)動(dòng)芯片，兩芯片能適應(yīng)的主電路工作頻率為250 kHz和277 kHz。TEA1791AT和TEA1792ATS為高頻單驅(qū)動(dòng)芯片，頻率為537 kHz和625 kHz，消隱時(shí)間0.8 μs和0.93 μs，適合LLC電路為主電路的架構(gòu)。TEA17 95T為高頻雙驅(qū)動(dòng)芯片，適合LLC電路和多路輸出的反激電路，1顆芯片驅(qū)動(dòng)2顆MOSFET。

2? 同步整流控制器方案對(duì)比

經(jīng)過初步選型后，考慮在TEA1795T、TEA1791AT之間做出選型。實(shí)際使用TEA1795T的應(yīng)用過程中，遇到了多種關(guān)于TEA1795T的問題， 分析如下。

2.1? TEA1795T同步整流應(yīng)用問題

2.1.1? TEA1795T出現(xiàn)雙驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象

TEA1795T芯片構(gòu)成的同步整流電路，消隱時(shí)間0.52 μs偏短，實(shí)測輕載時(shí)，樣機(jī)電源輸出斷帶25%負(fù)載，該控制芯片無法避開LLC變壓器漏感和插件MOSFET引線電感引起的電壓震蕩時(shí)間，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)關(guān)斷后二次開啟的現(xiàn)象，2個(gè)同步整流MOSFET出現(xiàn)電流大小波，且出現(xiàn)芯片雙驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象，影響整機(jī)效率。如圖1所示，控制芯片520 ns消隱時(shí)間過后驅(qū)動(dòng)開通，由于LLC變壓器漏感和插件MOSFET引線電感導(dǎo)致MOSFET漏源極電壓震蕩，帶負(fù)載25%電流減小，負(fù)載電流在MOSFET內(nèi)部 Rds（on）上的壓降為11 mV，芯片的關(guān)斷閾值為12 mV，使得檢測電壓小于關(guān)斷閾值，驅(qū)動(dòng)關(guān)斷，MOSFET體二極管代替成為整流管.由于此時(shí)刻流過體二極管代的電流非常小，體二極管壓降也很小，導(dǎo)致芯片無法檢測到-220 mV，延時(shí)至電流增大，使-220 mV被觸發(fā)后芯片再次開通，出現(xiàn)雙驅(qū)動(dòng)。MOSFET出現(xiàn)雙驅(qū)動(dòng)對(duì)整體效率和MOSFET溫升可能會(huì)有一定影響，熱成像測試如圖2所示，測試條件為室溫25 ℃恒流負(fù)載2.5 A，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行30 min，數(shù)據(jù)顯示同步整流MOSFET Q3為35.8 ℃，Q4為39.5 ℃。考慮到輸出為25%負(fù)載，MOSFET大小波和雙驅(qū)動(dòng)對(duì)損耗的影響不明顯，MOSFET溫升不高。該現(xiàn)象根本原因是輸出電流減小使檢測電壓的平臺(tái)降低了，只要使用TEA1795T芯片，以上措施只是讓該現(xiàn)象延遲到更輕負(fù)載時(shí)才出現(xiàn)，并不能完全消除。

2? TEA1795T驅(qū)動(dòng)兩路MOSFET熱成像熱測試

樣機(jī)電源恒壓輸出端子通過2根6平方線連接電子負(fù)載設(shè)備，電子負(fù)載以恒流1.0 A拉動(dòng)樣機(jī)電源輸出端，LLC拓?fù)浜屯秸麟娐诽幱谳p載關(guān)機(jī)狀態(tài)，此時(shí)刻LLC拓?fù)漕l率為70 kHz左右，在TEA1795T最小開通時(shí)間520 ns內(nèi)，LLC變壓器副邊繞組電流反向，對(duì)應(yīng)的MOSFET Q4在520 ns時(shí)檢測到電壓大于-12 mV，從而主動(dòng)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)，控制器關(guān)斷驅(qū)動(dòng)后導(dǎo)致對(duì)應(yīng)繞組電流突變，LLC高頻變壓器漏感引起 MOSFET漏源極電壓震蕩。同時(shí)，從LLC高頻變壓器角度看，另一個(gè)繞組電流方向不改變，對(duì)應(yīng)的MOSFET緊接著開通，故兩管以960 kHz頻率推挽交替導(dǎo)通，考慮到漏感對(duì)電流的阻礙作用，同步整流控制器實(shí)際檢測-220 mV的時(shí)間有延遲，實(shí)測頻率680 K，如圖3所示，最終導(dǎo)致的后果，此狀態(tài)下同步整流MOSFET電壓應(yīng)力超限，MOSFET漏源電壓實(shí)測 90 V，MOSFET最高漏源電壓為80 V，該狀態(tài)一直持續(xù)到24 V供電電壓降到8 V芯片關(guān)斷為止，大約8 ms，即樣機(jī)電源關(guān)機(jī)過程中同步整流芯片在最小開通時(shí)間內(nèi)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致MOSFET以680 kHz電壓震蕩導(dǎo)致MOSFET瞬時(shí)電壓超過額定電壓。該激勵(lì)能夠持續(xù)交替進(jìn)行，是因?yàn)門EA1795T在520 ns檢測到大于-12 mV關(guān)斷MOSFET后，下一個(gè)周期沒有停發(fā)驅(qū)動(dòng)，如圖4所示。由于輕載關(guān)機(jī)同步整流控制器引發(fā)的MOSFET應(yīng)力超規(guī)格問題，排除TEA1795T方案。考慮到單驅(qū)動(dòng)的TEA1791AT芯片可以在檢測到-12 mV的下一個(gè)周期停發(fā)驅(qū)動(dòng)，所以選用TEA1791AT芯片。

2.2? TEA1791AT同步整流應(yīng)用問題與改善方法

2.2.1? TEA1791AT同步整流電路應(yīng)用的問題

如圖5所示，為TEA1791AT構(gòu)成的同步整流電路。樣機(jī)電源輸出負(fù)載為滿載的12%，即輸出電流為1 A，樣機(jī)電源關(guān)機(jī)時(shí)最后一個(gè)周期同步整流MOSFET漏源電壓出現(xiàn)單次震蕩，如圖6所示。

由于半橋下管Q2驅(qū)動(dòng)關(guān)斷，諧振腔電流給上管寄生電容放電，半橋中點(diǎn)電壓升至母線電壓，上管驅(qū)動(dòng)已被LLC驅(qū)動(dòng)芯片L6599第7腳輸入電壓檢測引腳關(guān)斷，半橋中點(diǎn)電壓開始諧振，而同步整流MOSFET開通，半橋中點(diǎn)電壓為nVo，諧振腔電流在中點(diǎn)電壓等于母線電壓時(shí)，經(jīng)過上管體二極管反向流動(dòng)至母線電容。同步整流MOSFET 在開通后930 ns檢測到負(fù)向電流對(duì)應(yīng)閾值大于-12 mV，主動(dòng)關(guān)斷，同步整流MOSFET漏源電壓震蕩一次， 另一個(gè)同步整流MOSFET檢測到負(fù)向電流對(duì)應(yīng)閾值大于-12 mV，主動(dòng)關(guān)斷，另一MOSFET漏源電壓震蕩一次，而此時(shí)，諧振電容電壓高于225 V，實(shí)測為280 V，半橋下管驅(qū)動(dòng)關(guān)斷后，同步整流電路控制器供電電源端還未掉電，同步整流電路控制器仍然發(fā)出驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致LLC變壓器副邊電流在同步整流MOSFET導(dǎo)通時(shí)仍有反向流動(dòng)的可能，所以造成了同步整流MOSFET漏極震蕩現(xiàn)象。

2.2.2? TEA1791AT同步整流電路的改善方法

為解決上述現(xiàn)象，需要優(yōu)化樣機(jī)電源關(guān)機(jī)時(shí)序，優(yōu)化半橋諧振控制器和同步整流電路控制器的關(guān)斷順序，更改為先關(guān)斷LLC變壓器副邊同步整流電路控制器的供電電源，保證同步整流MOSFET驅(qū)動(dòng)停止，后關(guān)斷LLC變壓器原邊半橋諧振控制器L6599芯片供電電源。半橋諧振控制器L6599芯片供電電源受芯片第7腳輸入電壓檢測引腳外接的分壓電阻RH和RL影響，優(yōu)化后的L6599參數(shù)見表2。優(yōu)化樣機(jī)電源開關(guān)機(jī)順序后，未出現(xiàn)輕載情況下同步整流電路異常的問題。

漏源電壓單次震蕩波形

3? 同步整流應(yīng)用的其他問題

3.1? 同步整流控制芯片的PCB板布線

在進(jìn)行同步整流MOSFET和控制芯片在PCB布線時(shí)，同步整流控制芯片的漏極和源極引腳到MOSFET的漏極和源極距離一定要短，同步整流控制芯片的漏極引腳和控制芯片的源極引腳所構(gòu)成的環(huán)路要盡量小，布線距離短能使引線電感分量減小，布線環(huán)路小可以減小干擾，這樣做可以使同步整流控制芯片在工作中降低對(duì)整體環(huán)路的影響。

3.2? LLC變壓器副邊MOSFET電流測試注意點(diǎn)

使用示波器評(píng)估LLC變壓器副邊MOSFET電流波形時(shí)，需要用測試導(dǎo)線串接在被切斷的線路板銅箔兩端，如果在MOSFET漏極或源極串入測試導(dǎo)線，會(huì)導(dǎo)致測試導(dǎo)線的引線電感增加到被線路，從而增加MOSFET漏源電壓震蕩時(shí)間，影響檢測精度。為了解決這一問題，在LLC變壓器副邊公共抽頭端PCB銅箔處增加電流測試點(diǎn)，是一種更合理、準(zhǔn)確、可靠的電流測試方法，該方法能盡可能減少對(duì)同步整流電路的影響。

3.3? 同步整流控制芯片調(diào)整閾值和MOSFET漏源導(dǎo)通電阻的選取

假設(shè)選取TEA1791AT和TEA1795T兩種同步整流芯片，其中TEA1791AT的驅(qū)動(dòng)調(diào)整閾值為-55 mV，TEA1795T的驅(qū)動(dòng)調(diào)整閾值為-25 mV，選擇MOSFET常溫25 ℃漏源電阻分別為10 mΩ和5 mΩ管子做對(duì)照。使用漏源電阻阻值相對(duì)高的10 mΩ MOSFET和TEA1791AT，管子在副邊電流55 mV/10 mΩ=5.5 A時(shí)開始降低驅(qū)動(dòng)電壓，若使用TEA1795T，管子在副邊電流25 mV/10 mΩ=2.5 A；使用漏源電阻阻值相對(duì)低的5 mΩ MOSFET和TEA1791AT，管子在副邊電流55 mV/5 mΩ=11 A時(shí)開始降低驅(qū)動(dòng)電壓，若使用TEA1795T，管子在副邊電流25 mV/5 mΩ=5 A時(shí)開始降低驅(qū)動(dòng)電壓。由此可見，管子在流過電流很大的情況下降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓，會(huì)造成同步整流MOSFET對(duì)外阻抗上升，影響電源整機(jī)效率，若使用高調(diào)整閾值的同步整流控制芯片，需要搭配高漏源導(dǎo)通電阻的MOSFET。

4? 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一款200 W AC/DC電源，輸出電壓為24 V，輸出端采用同步整流方案，著重討論了LLC變壓器副邊同步整流芯片的選型和設(shè)計(jì)應(yīng)用過程，理論分析和實(shí)際應(yīng)用的結(jié)論如下。

1）TEA1791T及TEA1792TS芯片消隱時(shí)間長，芯片最高頻率為250 kHz、277 kHz，本文設(shè)計(jì)的LLC電路軟啟動(dòng)頻率320 kHz，掃頻至240 kHz左右，同步整流芯片開始工作，為防止輸出電流反灌，考慮頻率限制的因素，從理論分析上排除這2種低頻芯片。

2）TEA1791AT和TEA1792ATS高頻單驅(qū)動(dòng)芯片，可以用于LLC電路，但由于TEA1792ATS芯片的 TSOP6封裝的出貨量很少，單價(jià)反而比SO8封裝高，考慮成本因素，排除TEA1792ATS。

3）樣機(jī)電源最終定型選擇TEA1791AT單驅(qū)動(dòng)芯片，輸出半載以下的負(fù)載情況及開機(jī)空載開關(guān)機(jī)瞬間同步整流MOSFET的狀態(tài)是需要重點(diǎn)關(guān)注的，且恒壓情況下各種負(fù)載，LLC電路頻率基本一致，如果不考慮寬增益范圍，LLC最低頻率建議設(shè)在工作頻率的80%，以免出現(xiàn)輕載關(guān)機(jī)同步整流異常。

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