現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)智能化的時(shí)代,每個(gè)家庭里都有不止一個(gè)便攜智能裝備---手機(jī),Pad,電子書(shū),智能手表......伴隨著越來(lái)越多的便攜設(shè)備,配套的單口的充電器越來(lái)越難以適應(yīng)同時(shí)給多個(gè)設(shè)備充電的需求,占用很大的空間而且很雜亂無(wú)章。
多口插座和USB插排很好的解決了這個(gè)問(wèn)題,小巧的體積,可以同時(shí)給多個(gè)設(shè)備進(jìn)行充電,非常方便家庭和一些公共場(chǎng)所的使用。
如何來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)多口USB電源呢?
對(duì)一個(gè)非快充標(biāo)準(zhǔn)的4個(gè)USB口的充電器,最大可能需要提供2.4A x 4 = 9.6A 的充電電流,不過(guò)限于充電設(shè)備的小型化要求,功率通常會(huì)限制在36W,也就是5V 7.2A的水平。反激拓?fù)涫亲钸m合的架構(gòu),過(guò)去我們做反激電源在副邊通常選擇肖特基二極管整流,選擇一個(gè)20A的超低壓差肖特基二極管的在7A的管壓降0.4V左右,在這個(gè)應(yīng)用中導(dǎo)通損耗達(dá)到2.88W,加上開(kāi)關(guān)損耗超過(guò)3W。這需要很大的散熱片或是風(fēng)扇散熱,并不適合多口充電器小型化的設(shè)計(jì)需求。
MOSFET可以大幅降低導(dǎo)通壓降,如果能夠讓MOSFET擁有二極管的特性,那么MOSFET會(huì)是一個(gè)理想選擇。有一個(gè)叫做理想二極管控制器的產(chǎn)品就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能,讓MOSFET工作在單向?qū)ǖ臓顟B(tài)。一般的原理就是通過(guò)檢測(cè)MOSFET S到D的壓降,來(lái)判斷電流的流向:如果壓降超過(guò)0V,說(shuō)明電流流經(jīng)Body diode,打開(kāi)MOSFET來(lái)降低阻抗;如果壓降降為0V或接近0V,說(shuō)明電流接近截止,關(guān)斷MOSFET。
理想二極管的基礎(chǔ)原理很簡(jiǎn)單,不過(guò)實(shí)際應(yīng)用中有很多的問(wèn)題,例如在開(kāi)關(guān)的邊沿會(huì)有電壓振蕩,容易帶來(lái)反復(fù)開(kāi)關(guān);由于MOSFET結(jié)電容的存在,導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)間有延時(shí),也可能帶來(lái)直通的問(wèn)題;還有低端驅(qū)動(dòng)容易帶來(lái)EMI問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題,各個(gè)IC廠(chǎng)商八仙過(guò)海,各顯神通。列舉一下三種常見(jiàn)的控制方式,并探討一下各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
方案1. 檢測(cè)過(guò)零點(diǎn),完全導(dǎo)通,快速開(kāi)關(guān)
這種控制策略比較簡(jiǎn)單,開(kāi)通的時(shí)候Gate拉高,MOSFET完全導(dǎo)通,關(guān)斷時(shí)檢測(cè)Vsd,一旦接近0V,迅速關(guān)閉MOSFET。以NCP4305D為例,關(guān)斷閾值為0mV,說(shuō)明進(jìn)行關(guān)斷判斷時(shí),直到電流完全降為0V時(shí),才判斷電流截止,然后是一個(gè)大電流的下拉,盡快關(guān)斷MOSFET。
這種方式可以正常應(yīng)用于QR模式,效率高。但應(yīng)用于定頻模式下,會(huì)有直通的風(fēng)險(xiǎn)。主要的問(wèn)題在于MOSFET的關(guān)斷是一個(gè)過(guò)程,驅(qū)動(dòng)電流要對(duì)MOSFET的結(jié)電容進(jìn)行放電,從開(kāi)通到完全關(guān)斷有一個(gè)時(shí)間差,時(shí)間長(zhǎng)短與驅(qū)動(dòng)電流和MOSFET的結(jié)電容相關(guān)。因此如果一旦工作進(jìn)入CCM模式,當(dāng)檢測(cè)到MOSFET電壓到0V時(shí),極性已經(jīng)反轉(zhuǎn),這時(shí)SR MOSFET關(guān)斷的延時(shí)會(huì)導(dǎo)致原副邊的MOSFET都處于直通的狀態(tài),進(jìn)而導(dǎo)致瞬間極大過(guò)流以及器件燒毀。
方案2. 預(yù)測(cè)開(kāi)通時(shí)間
這種方式是根據(jù)變壓器源邊電感伏秒平衡來(lái)預(yù)測(cè)源邊FET開(kāi)通時(shí)間,也就是同步管關(guān)斷的時(shí)間。具體來(lái)說(shuō)是將副邊電壓通過(guò)壓控電流源轉(zhuǎn)為電流給電容進(jìn)行充放電,當(dāng)電容電壓降為0時(shí),判斷這時(shí)源邊FET進(jìn)行開(kāi)通,因此關(guān)斷副邊同步管。
這種方式對(duì)于DCM或是QR模式都沒(méi)有問(wèn)題,但是工作在CCM模式時(shí),如果有動(dòng)態(tài)變化,預(yù)測(cè)就會(huì)失準(zhǔn),導(dǎo)致FET直通。雖然有一些方法來(lái)例如根據(jù)相鄰兩個(gè)周期時(shí)間相近來(lái)預(yù)測(cè),但對(duì)源邊控制器又有很大的限制。
方案3. 檢測(cè)過(guò)零點(diǎn),控制FET工作在線(xiàn)性區(qū)
以MP6907為例,F(xiàn)ET開(kāi)通時(shí)始終工作在一個(gè)VDS被調(diào)制的狀態(tài)。當(dāng)負(fù)向電壓低過(guò)-30mV時(shí),Gate電壓就會(huì)被拉低,然后控制負(fù)壓在-70mV的水平。雖然這在一定程度上可能增加導(dǎo)通損耗,但帶來(lái)的好處是導(dǎo)通時(shí)的驅(qū)動(dòng)電壓比較低,關(guān)斷速度會(huì)非??臁.?dāng)負(fù)向電壓高于-30mV時(shí),驅(qū)動(dòng)被迅速拉低,MOSFET被關(guān)斷。這種控制方法與采用何種源邊控制方式關(guān)系較小,不管是LLC,或是FLYBACK QR, DCM模式都可以很好適應(yīng)。
除此之外, MP6907還有一個(gè)SYNC腳,可以和源邊控制器通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)更為可靠的CCM工作。
為了實(shí)現(xiàn)輕載高效,滿(mǎn)足產(chǎn)品待機(jī)功耗的要求,MP6907支持輕載模式,通過(guò)外部電阻可以設(shè)定開(kāi)通時(shí)間門(mén)限TLL,如果同步管開(kāi)通時(shí)間持續(xù)低于門(mén)限TLL,那么芯片進(jìn)入輕載模式,關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電壓,靠MOSFET體二極管導(dǎo)通。通過(guò)檢測(cè)MOSFET電壓也可以退出輕載模式。
得益于MP6907非常寬的供電電壓4.2V-35V,MP6907可以無(wú)需單獨(dú)的供電繞組進(jìn)行高邊FET驅(qū)動(dòng),直接通過(guò)二極管從副邊繞組供電,如下圖。不過(guò)在設(shè)計(jì)時(shí)需要確保在母線(xiàn)電壓最高時(shí),二次側(cè)的電壓不高于35V。
綜上所述,MPS的解決方案,對(duì)于不同設(shè)計(jì)指標(biāo),不同的源邊控制器和控制方式,具有最大程度的適用性。MPS作為同步整流控制器的領(lǐng)導(dǎo)者,從2009年起發(fā)布第一顆同步整流控制器,不斷完善控制方式和簡(jiǎn)化外圍電路,并推出集成MOSFET的MP6910A,相信工程師們可以在MPS的產(chǎn)品庫(kù)中選擇出適合的芯片。
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