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同步整流器原理 |
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| 2024年04月01日 | |
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同步整流 (Synchronous Rectifier)
在傳統的 Flyback 變換器中，輸出端通常採用二極體整流。但是，二極體整流存在著固有的能量損耗，採用同步整流的 Flyback 變換器通常能夠提高功率轉換效率，降低熱損耗，使得整體系統更加節能、穩定。然而，同步整流也會增加設計的複雜性，需要考慮更多的電路參數和控制策略，以確保性能和穩定性。 在 Flyback 變換器中採用同步整流時，在每個開關週期內選擇最佳時機來開啟或關閉同步整流器。這樣可以確保同步整流器在最佳的工作狀態下工作，從而提高整個系統的效率和性能。 在採樣過程中，需要考慮以下幾個因素： 1. 主開關的狀態： 在每個開關週期內，需要檢測主開關（例如 MOSFET）的狀態，以確定何時開始或結束同步整流器的導通。這通常通過監測主開關的電壓和電流來實現。 2. 輸出電壓和負載條件： 需要根據輸出電壓和負載條件來確定最佳的同步整流器控制策略。例如，在負載輕時，可以採用較為保守的控制策略以避免過度損耗；而在負載重時，可以採用更積極的控制策略以提高效率。 3. 控制策略： 根據實際情況選擇合適的同步整流器控制策略，例如固定頻率控制、邊界模式控制等。這些控制策略可以根據系統需求來優化效率和穩定性。 4. 保護機制： 考慮到超載、過壓等異常情況，需要設計相應的保護機制來確保系統的安全運行。這些保護機制通常包括過流保護、過壓保護、溫度保護等。 通過合適的採樣和控制策略，可以最大限度地提高 Flyback 變換器採用同步整流時的效率和性能，同時確保系統的穩定性和可靠性。 反激控制器可以在臨界導通模式（CrM），連續導通模式（CCM）或斷續導通模式（DCM）下運行。 因此，同步整流IC也需要為了滿足不同模式下的工作，而有所適應調整。 DCM / CRM 下的運行是一次側開關關閉後，變壓器繞組轉態，使得 SR MOSFET 汲源極兩端的電壓變成負值，電流起初先開始流過SRFET Body二極體開始導通，接著開通 SR MOSFET，然後在流動電流接近零時將其關閉，一般會設定一個電壓判斷門檻，可以稱作為 VSR(TH)。SR MOSFET 關閉後，電流仍繼續流過 SRFET Body 直到變為零。 另外，SR FET 控制設計上，也要避免在汲極-源極電壓變為正值後才做關斷， 因為電流會反向並開始從汲極流向源極，從而導致轉換器高低壓側 Shoot through 而發生故障。 當電流流過 SRFET Body 期間，功率損耗肯定比電流流經功率 SR MOSFET 通道時高得多。 因此，最小化 SRFET Body 導通階段的時間，是最佳化效率的好方法之一。 CCM 下的運行，會當變壓器電壓最終反向時，SR FET 驅動器快速的做關斷。但一般高低壓側控制器互為獨立、互不溝通，主開關的導通時間和關斷時間是連續的，所以SR FET關斷速度跟關斷機制會成為確保在 CCM 模式下安全運行重要的性能。 SR FET 汲極感測： 汲極電壓感測必須非常準確，以避免干擾並最大限度地減少可能影響干擾的寄生參數。感測路徑走線需盡可能靠近 SR MOSFET 連接，可以最大限度地減少的影響，感測路徑離 SR MOSFET 太遠，會導致功率 MOSFET 提前關閉。 InnoSwitch的汲極感測： innoSwitch一樣由二次側控制器透過檢測FWD腳電壓是否觸發VSR(TH)來判斷為DCM還是CCM操作，CCM操作時，由於結束電流不為零，所以不會觸到VSR(TH)，此時會在等到回授低於回授門檻時，二次側控制器接著會傳送能量需求給初級側控制器，來要求開通下一個週期時，而在此同時，二次側控制器會將SR FET關閉，所以不會有發生高低壓側開關同時導通的情事發生。 如果有觸發 VSR(TH) 電壓門檻，表示為 DCM 操作，控制器會再結合 QR 波谷偵測機制來做低開關電壓的切換，來獲得較佳的效率表現。 FORWARD 接腳電阻和濾波電容（RFWD、CFWD）用於 SR FET 汲極電壓感測，對於精確的開啟和關閉控制極為重要。當輸出電壓低於 BPS 電壓時，此引腳也用於對 BPS 腳電容器充電。FORWARD 接腳應透過電阻 RFWD 連接到同步整流 MOSFET (SR FET) 的 Drain 端。一般建議使用 47 至 100 Ω 電阻器，以確保足夠的次級電源電流並適用於較寬的輸出電壓範圍。不建議使用較低的電阻值，而影響操作和同步整流時序。 另外，考量偵測FWD引腳耐壓限制，應注意確保 FWD 腳上的電壓，在考慮電壓尖峰下，永遠不會超過其絕對最大電壓 150 V。 FWD 電壓偏高的設計，也可以使用濾波器來保護 FWD 引腳 (CFWD)。 可以將一個足夠大的陶瓷電容器接在 FWD 引腳到次級 GND，以過濾 SR FET 汲極-源極電壓的前緣尖峰。一般以100 pF 至 330 pF、1206、250 V、X7R 陶瓷電容器可以滿足大多數應用。 寄生組件（例如次級漏感）的存在會導致 SR FET 汲極引腳上出現諧振擺盪。此諧振擺盪會干擾 IC 的運作。建議依循Datasheet中的波形作為驗收標準。 如果發現振鈴導致 SR FET 提前關閉，也可以將 FWD 引腳電阻些微增加至 150 Ω。 當 MOSFET 導通和關斷時，PCB 佈局和系統中產生的離散電感與元器件中的寄生電容會導致一些振鈴。如果不能適應振鈴造成的影響，輕則可能會使效率降低，重則會導致一些控制異常的問題。 在 CCM 連續導通模式下，主開關的導通時間和關斷時間是連續的，因此同步整流器的採樣方式也應該與主開關的工作週期相協調，以確保連續的電流流動並最大程度地減少能量損耗。 
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