前言
同步整流（SR）控制器能夠提高電源的轉換效率。本文將一起探討它們的優(yōu)勢以及它們如何使電源開(kāi)發(fā)人員的工作更輕松。憑借出色的性能，寬帶隙（WBG）功率半導體-比如碳化硅（SiC）或氮化鎵（GaN）-正在取代以往占主導地位的硅解決方案，這標志著(zhù)市場(chǎng)的轉折。許多應用場(chǎng)景，比如手機充電器，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(kāi)關(guān)速度，而且還降低了大多數MOSFET必須應對的傳導損耗�？紤]到手機充電器AC/DC轉換所需的漏源電壓，650 VDS GaN晶體管顯然是一個(gè)比較好的解決方案。因此，一些手機充電器制造商已經(jīng)在使用GaN解決方案。與傳統充電器相比，這種充電器的尺寸可以減小一半。為了提高人們對節能和減緩氣候變化的意識，對高效率的要求變得日益重要。盡管GaN晶體管具有良好的開(kāi)關(guān)性能，但是人們也因此希望能夠進(jìn)一步提高功率轉換的效率。顯著(zhù)提高效率的一種方法就是用同步整流（SR）代替無(wú)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)鍵數據“SR控制器提高電源效率”
基于寬帶隙半導體的電源因其較小的尺寸和良好的開(kāi)關(guān)性能而在各種充電解決方案中變得越來(lái)越受歡迎。但是，制造商還需要提高電源轉換效率。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)驗室的電源設計人員的工作變得更輕松。
更高的功率轉換效率
同步整流在提高功率轉換效率方面的優(yōu)勢如圖1所示。這里比較了兩個(gè)ROHM評估套件BM2P094FEVK-001和BM1R00147F的效率測試結果。結果顯示，相比次級側的二極管整流方案，基于SR MOSFET控制器的BM1R00147F同步整流解決方案優(yōu)勢要大得多。根據評估套件的規格（90V至264VAC），測試輸入電壓范圍采用了全球通用范圍。BM2P094-001-EVK在不連續電流模式（DCM）下工作，輸出規格為5V和1A。在Vin = 100VAC的滿(mǎn)載條件下，二極管整流的功率轉換效率為74.76％，而SR控制器的功率轉換效率為81.07％。功率轉換效率提高了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換效率數據比較 （圖片來(lái)源：ROHM）
更高的充電功率
隨著(zhù)充電電流的增大，小型電源（如手機、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、平板電腦及其他外設的屏幕尺寸增大，市場(chǎng)要求實(shí)現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)電源主要在不連續電流模式（DCM）下工作。對于整流二極管來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)負載會(huì )因硬開(kāi)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(mǎn)足市場(chǎng)需求，ROHM開(kāi)發(fā)了單通道和雙通道同步MOSFET控制器（圖2）。BD1R001xxF內置有兩枚芯片。BD87007FJ（一個(gè)通道）和BD85006F（兩個(gè)通道）內置有一枚芯片，可以實(shí)現兩種功能：SR控制器和并聯(lián)穩壓器。這些器件的封裝類(lèi)型和規格概覽參見(jiàn)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(guò)高效率滿(mǎn)足市場(chǎng)需求 （圖片來(lái)源：ROHM）
圖3：同步MOSFET控制器的參數概覽 （圖片來(lái)源：ROHM）
設置強制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。當次級側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 )導致漏極有所響應，從而意外激活柵極），設計人員應設置一個(gè)屏蔽時(shí)間。ROHM SR系列的強制OFF時(shí)間可實(shí)現一個(gè)屏蔽時(shí)間—從柵極未啟動(dòng)開(kāi)始到次級側MOSFET的漏極響應。憑借強制OFF時(shí)間，BM1R001xxF系列可用于各種電源。開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)漏極引腳上的外部電阻（圖4）手動(dòng)設置強制OFF時(shí)間。該時(shí)間的設計必須短于初級側控制器開(kāi)關(guān)頻率（從次級側MOSFET TON中減去該開(kāi)關(guān)時(shí)間）
圖4：不同產(chǎn)品的強制OFF時(shí)間（圖片來(lái)源：ROHM）
設置最大TON時(shí)間
在連續電流模式（CCM）下，下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期會(huì )在前一個(gè)開(kāi)關(guān)周期仍處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)開(kāi)始，因此MOSFET會(huì )經(jīng)歷一個(gè)行為突變。因此，強烈建議在使用二極管整流方案時(shí)采用超快速恢復二極管。SR控制器的MOSFET設有具有恢復延遲時(shí)間功能的柵極引腳。這將允許電流同時(shí)流過(guò)初級側開(kāi)關(guān)和次級側MOSFET，除非未指定合理的延遲時(shí)間。BM1R001xxF在Vout x 1.4處開(kāi)始計算漏極電壓的上升沿，而控制器會(huì )在一個(gè)設計時(shí)間（通過(guò)外部Max_Ton電阻設定）后關(guān)閉。如圖5所示，開(kāi)發(fā)人員必須使Max_Ton始終短于初級側控制器的開(kāi)關(guān)頻率。Max_Ton電阻的設置范圍應為56k至300k。當Max_Ton接近10 µsec（RTon = 100kΩ）時(shí)，精度會(huì )提高。
圖5：通過(guò)外部電阻設置Max_Ton和精度 （圖片來(lái)源：ROHM）
電流消耗減少90%的內置并聯(lián)穩壓器
為了調節輸出級的電壓，需要一個(gè)并聯(lián)穩壓器作為電壓參考。為了用電阻維持所需的電壓，需要使并聯(lián)電流流過(guò)并聯(lián)穩壓器。BM1R001xxF系列包含一個(gè)內置并聯(lián)穩壓器，與典型的并聯(lián)穩壓器相比，它僅消耗十分之一的電流。這不僅簡(jiǎn)化了設計，而且還降低了待機模式下并聯(lián)控制器的電流消耗。此外，芯片內部的并聯(lián)穩壓器與SR控制器是分開(kāi)的。如果用在H側，那么可以將并聯(lián)穩壓器的接地用作H側的接地。如果不用內部并聯(lián)穩壓器，則引腳“SH_IN、SH_OUT和SH_GND”保持未使用狀態(tài)即可。針對在外部使用并聯(lián)穩壓器的應用場(chǎng)景，ROHM還開(kāi)發(fā)了BD87007FJ。BD87007FJ的并聯(lián)電流明顯低于BM1R001xxF系列（圖6）。
 
圖6：?jiǎn)?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(lái)源：ROHM）
圖7：與傳統并聯(lián)穩壓器相比，ROHM的內部并聯(lián)穩壓器的并聯(lián)電流僅為十分之一（圖片來(lái)源：ROHM）
用于LLC拓撲的雙通道SR MOSFET控制器
當啟動(dòng)和輸出級不穩定時(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LLC拓撲設計的雙通道同步整流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SS引腳上的電壓高于0.5V時(shí)，慢啟動(dòng)功能被啟用，IC開(kāi)始工作。利用輸入開(kāi)路保護MOSFET
如果控制器的輸出和柵極之間存在不連續的情況，那么MOSFET將無(wú)法打開(kāi)，且電流會(huì )流過(guò)體二極管，從而導致MOSFET過(guò)熱。而B(niǎo)D85506F則配備了一個(gè)引腳開(kāi)路保護功能。如果開(kāi)路狀態(tài)持續時(shí)間超過(guò)2ms，系統會(huì )通過(guò)一個(gè)光電耦合器減小BD85506F SH_out引腳上的電流。這會(huì )讓初級側控制器停止工作。
結論
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)現高性能的同步整流解決方案。SR-IC的其他可選型號還內置有并聯(lián)穩壓器，不僅具有靈活的接地參考，待機功耗也非常低。 |
