Olukey: Lad os tale om MOSFET's rolle i den grundlæggende arkitektur for hurtig opladning

Den grundlæggende strømforsyningsstruktur afhurtig opladningQC bruger flyback + sekundær side (sekundær) synkron ensretning SSR. For flyback-konvertere kan den ifølge feedback-samplingmetoden opdeles i: primær side (primær) regulering og sekundær side (sekundær) regulering; i henhold til PWM-controllerens placering. Den kan opdeles i: primær side (primær) kontrol og sekundær side (sekundær) kontrol. Det ser ud til, at det ikke har noget med MOSFET at gøre. Så,Olukeymå spørge: Hvor er MOSFET'en gemt? Hvilken rolle spillede det?

1. Primær side (primær) justering og sekundær side (sekundær) justering

Stabiliteten af udgangsspændingen kræver et feedback-link for at sende dens skiftende information til PWM-hovedcontrolleren for at justere ændringerne i indgangsspænding og udgangsbelastning. Ifølge de forskellige feedback-samplingsmetoder kan den opdeles i primær side (primær) justering og sekundær side (sekundær) justering, som vist i figur 1 og 2.

Sekundær side (sekundær) diode ensretning

SSR synkron ensretter MOSFET er placeret i bunden

Feedbacksignalet for primær side (primær) regulering tages ikke direkte fra udgangsspændingen, men fra hjælpeviklingen eller den primære primærvikling, der opretholder et vist proportionalt forhold med udgangsspændingen. Dens egenskaber er:

① Indirekte feedback-metode, dårlig belastningsreguleringshastighed og dårlig nøjagtighed;

②. Enkel og lav pris;

③. Intet behov for isolationsoptokobler.

Feedbacksignalet for sekundær side (sekundær) regulering tages direkte fra udgangsspændingen ved hjælp af en optokobler og TL431. Dens egenskaber er:

① Direkte feedback-metode, god belastningsreguleringshastighed, lineær reguleringshastighed og høj præcision;

②. Justeringskredsløbet er komplekst og dyrt;

③. Det er nødvendigt at isolere optokobleren, som har ældningsproblemer over tid.

2. Sekundær side (sekundær) diode ensretning ogMOSFETsynkron ensretter SSR

Den sekundære side (sekundær) af flyback-konverteren bruger normalt diode-ensretning på grund af den store udgangsstrøm ved hurtig opladning. Specielt til direkte opladning eller flashopladning er udgangsstrømmen så høj som 5A. For at forbedre effektiviteten bruges MOSFET i stedet for dioden som ensretter, hvilket kaldes sekundær (sekundær) synkron ensretter SSR, som vist i figur 3 og 4.

Sekundær side (sekundær) MOSFET synkron ensretning

Karakteristika for sekundær side (sekundær) diode ensretning:

①. Enkelt, der kræves ingen ekstra drevcontroller, og omkostningerne er lave;

② Når udgangsstrømmen er stor, er effektiviteten lav;

③. Høj pålidelighed.

Funktioner af sekundær side (sekundær) MOSFET synkron ensretning:

①. Kompleks, der kræver ekstra drevcontroller og høje omkostninger;

②. Når udgangsstrømmen er stor, er effektiviteten høj;

③. Sammenlignet med dioder er deres pålidelighed lav.

I praktiske applikationer flyttes MOSFET'en for den synkrone ensretter SSR normalt fra den høje ende til den lave ende for at lette kørsel, som vist i figur 5.

Karakteristikaene for high-end MOSFET af synkron ensretter SSR:

①. Det kræver bootstrap-drev eller flydende drev, hvilket er dyrt;

②. God EMI.

Karakteristikaene for synkron ensretter SSR MOSFET placeret i den lave ende:

① Direkte kørsel, simpel kørsel og lave omkostninger;

②. Dårlig EMI.

3. Primær side (primær) kontrol og sekundær side (sekundær) kontrol

PWM-hovedcontrolleren er placeret på den primære side (primær). Denne struktur kaldes primær side (primær) kontrol. For at forbedre nøjagtigheden af udgangsspændingen, belastningsreguleringshastigheden og lineær reguleringshastighed, kræver den primære side (primær) styring en ekstern optokobler og TL431 for at danne et feedback-link. Systemets båndbredde er lille, og responshastigheden er langsom.

Hvis PWM-hovedcontrolleren er placeret på den sekundære side (sekundær), kan optokobleren og TL431 fjernes, og udgangsspændingen kan styres direkte og justeres med hurtig respons. Denne struktur kaldes sekundær (sekundær) kontrol.

Funktioner af primær side (primær) kontrol:

①. Optokobler og TL431 er påkrævet, og responshastigheden er langsom;

②. Hastigheden af outputbeskyttelse er langsom.

③. I synkron ensretning kontinuerlig tilstand CCM kræver den sekundære side (sekundær) et synkroniseringssignal.

Funktioner ved sekundær (sekundær) kontrol:

①. Udgangen detekteres direkte, ingen optokobler og TL431 er nødvendig, responshastigheden er hurtig, og udgangsbeskyttelseshastigheden er hurtig;

②. Den sekundære side (sekundær) synkron ensretter MOSFET er direkte drevet uden behov for synkroniseringssignaler; yderligere enheder såsom pulstransformatorer, magnetiske koblinger eller kapacitive koblere er nødvendige for at transmittere drivsignalerne fra den primære side (primær) højspændings-MOSFET.

③. Den primære side (primær) har brug for et startkredsløb, eller den sekundære side (sekundær) har en hjælpestrømforsyning til start.

4. Kontinuerlig CCM-tilstand eller diskontinuerlig DCM-tilstand

Flyback-konverteren kan fungere i kontinuerlig CCM-tilstand eller diskontinuerlig DCM-tilstand. Hvis strømmen i den sekundære (sekundære) vikling når 0 i slutningen af en koblingscyklus, kaldes det diskontinuerlig DCM-tilstand. Hvis strømmen af den sekundære (sekundære) vikling ikke er 0 ved slutningen af en koblingscyklus, kaldes det kontinuerlig CCM-tilstand, som vist i figur 8 og 9.

Det kan ses af figur 8 og figur 9, at arbejdstilstandene for den synkrone ensretter-SSR er forskellige i forskellige driftstilstande af flyback-konverteren, hvilket også betyder, at styringsmetoderne for den synkrone ensretter-SSR også vil være forskellige.

Hvis dødtiden ignoreres, når der arbejdes i kontinuerlig CCM-tilstand, har den synkrone ensretnings-SSR to tilstande:

①. Den primære side (primær) højspændings MOSFET er tændt, og den sekundære side (sekundær) synkron ensretter MOSFET er slukket;

②. Den primære side (primær) højspændings MOSFET er slukket, og den sekundære side (sekundær) synkron ensretter MOSFET er tændt.

Tilsvarende, hvis dødtiden ignoreres, har den synkrone ensretter-SSR tre tilstande, når den opererer i diskontinuerlig DCM-tilstand:

①. Den primære side (primær) højspændings MOSFET er tændt, og den sekundære side (sekundær) synkron ensretter MOSFET er slukket;

②. Den primære side (primær) højspændings MOSFET er slukket, og den sekundære side (sekundær) synkron ensretter MOSFET er tændt;

③. Den primære side (primær) højspændings MOSFET er slukket, og den sekundære side (sekundær) synkron ensretter MOSFET er slukket.

5. Sekundær side (sekundær) synkron ensretter SSR i kontinuerlig CCM-tilstand

Hvis hurtigopladnings-tilbageløbskonverteren fungerer i den kontinuerlige CCM-tilstand, kræver den primære side (primær) kontrolmetode, den sekundære side (sekundær) synkron ensretter MOSFET et synkroniseringssignal fra den primære side (primær) for at styre nedlukningen.

Følgende to metoder bruges normalt til at opnå det synkrone drivsignal på den sekundære side (sekundær):

(1) Brug den sekundære (sekundære) vikling direkte, som vist i figur 10;

(2) Brug yderligere isolationskomponenter såsom pulstransformatorer til at transmittere det synkrone drivsignal fra den primære side (primær) til den sekundære side (sekundær), som vist i figur 12.

Direkte ved at bruge den sekundære (sekundære) vikling til at opnå det synkrone drivsignal, er nøjagtigheden af det synkrone drivsignal meget vanskelig at kontrollere, og det er vanskeligt at opnå optimeret effektivitet og pålidelighed. Nogle virksomheder bruger endda digitale controllere til at forbedre kontrolnøjagtigheden, som vist i figur 11. Vis.

Brug af en pulstransformator til at opnå synkrone drivsignaler har høj nøjagtighed, men omkostningerne er relativt høje.

Den sekundære side (sekundær) kontrolmetode bruger normalt en pulstransformator eller magnetisk koblingsmetode til at transmittere det synkrone drivsignal fra den sekundære side (sekundær) til den primære side (primær), som vist i figur 7.v

Brug den sekundære (sekundære) vikling direkte til at opnå det synkrone drivsignal

Brug den sekundære (sekundære) vikling direkte til at opnå det synkrone drivsignal + digital styring

6. Sekundær side (sekundær) synkron ensretter SSR i diskontinuerlig DCM-tilstand

Hvis flyback-konverteren til hurtig opladning fungerer i diskontinuerlig DCM-tilstand. Uanset den primære side (primær) kontrolmetode eller den sekundære side (sekundære) kontrolmetode, kan D- og S-spændingsfaldene for den synkrone ensretter MOSFET detekteres og styres direkte.

(1) Tænd for den synkrone ensretter MOSFET

Når spændingen af VDS af den synkrone ensretter MOSFET skifter fra positiv til negativ, tænder den interne parasitdiode, og efter en vis forsinkelse tænder den synkrone ensretter MOSFET, som vist i figur 13.

(2) Sluk for den synkrone ensretter MOSFET

Efter at den synkrone ensretter MOSFET er tændt, VDS=-Io*Rdson. Når den sekundære (sekundære) viklingsstrøm falder til 0, det vil sige, når spændingen af strømdetektionssignalet VDS ændres fra negativ til 0, slukker den synkrone ensretter MOSFET, som vist i figur 13.

Tænde og slukke for synkron ensretter MOSFET i diskontinuerlig DCM-tilstand

I praktiske applikationer slukker den synkrone ensretter MOSFET, før den sekundære (sekundære) viklingsstrøm når 0 (VDS=0). De aktuelle detektionsreferencespændingsværdier indstillet af forskellige chips er forskellige, såsom -20mV, -50mV, -100mV, -200mV osv.

Systemets aktuelle detektionsreferencespænding er fast. Jo større den absolutte værdi af den aktuelle detektionsreferencespænding er, jo mindre interferensfejl og jo bedre nøjagtighed. Men når udgangsbelastningsstrømmen Io falder, vil den synkrone ensretter MOSFET slukke ved en større udgangsstrøm, og dens interne parasitdiode vil lede i længere tid, så effektiviteten reduceres, som vist i figur 14.

Strømfølende referencespænding og synkron ensretter MOSFET-sluktid

Desuden, hvis den absolutte værdi af den aktuelle detektionsreferencespænding er for lille. Systemfejl og interferens kan få den synkrone ensretter MOSFET til at slukke, efter at den sekundære (sekundære) viklingsstrøm overstiger 0, hvilket resulterer i omvendt indstrømningsstrøm, hvilket påvirker effektiviteten og systemets pålidelighed.

Højpræcisionsstrømdetektionssignaler kan forbedre effektiviteten og pålideligheden af systemet, men prisen på enheden vil stige. Nøjagtigheden af det aktuelle detekteringssignal er relateret til følgende faktorer:
①. Nøjagtighed og temperaturdrift af strømdetektionsreferencespænding;
②. Strømforstærkerens forspænding og offsetspænding, forspændingsstrøm og offsetstrøm og temperaturdrift;
③. Nøjagtigheden og temperaturdriften af on-voltage Rdson af den synkrone ensretter MOSFET.

Derudover kan den fra et systemperspektiv forbedres gennem digital kontrol, ændring af strømdetektionsreferencespænding og ændring af MOSFET-drivspændingen for synkron ensretter.

Når udgangsbelastningsstrømmen Io falder, hvis drivspændingen for effekt-MOSFET falder, stiger den tilsvarende MOSFET-tændingsspænding Rdson. Som vist i figur 15 er det muligt at undgå tidlig nedlukning af den synkrone ensretter MOSFET, reducere ledningstiden for den parasitære diode og forbedre effektiviteten af systemet.

Reduktion af drivspændingen VGS og slukning af den synkrone ensretter MOSFET

Det kan ses af figur 14, at når udgangsbelastningsstrømmen Io falder, falder strømdetektionsreferencespændingen også. På denne måde, når udgangsstrømmen Io er stor, bruges en højere strømdetektionsreferencespænding til at forbedre kontrolnøjagtigheden; når udgangsstrømmen Io er lav, anvendes en lavere strømdetektionsreferencespænding. Det kan også forbedre ledningstiden for den synkrone ensretter MOSFET og forbedre effektiviteten af systemet.

Når ovenstående metode ikke kan bruges til forbedring, kan Schottky-dioder også forbindes parallelt i begge ender af den synkrone ensretter MOSFET. Efter at den synkrone ensretter MOSFET er slukket på forhånd, kan en ekstern Schottky-diode tilsluttes til friløb.

7. Sekundær (sekundær) kontrol CCM+DCM hybrid tilstand

I øjeblikket er der grundlæggende to almindeligt anvendte løsninger til hurtigopladning af mobiltelefoner:

(1) Primær side (primær) kontrol og DCM arbejdstilstand. Sekundær side (sekundær) synkron ensretter MOSFET kræver ikke et synkroniseringssignal.

(2) Sekundær (sekundær) kontrol, CCM+DCM blandet driftstilstand (når udgangsbelastningsstrømmen falder, fra CCM til DCM). Den sekundære side (sekundær) synkron ensretter MOSFET er direkte drevet, og dens tænd- og sluk-logiske principper er vist i figur 16:

Tænd for den synkrone ensretter MOSFET: Når spændingen af VDS af den synkrone ensretter MOSFET skifter fra positiv til negativ, tændes dens interne parasitdiode. Efter en vis forsinkelse tænder den synkrone ensretter MOSFET.

Deaktivering af den synkrone ensretter MOSFET:

① Når udgangsspændingen er mindre end den indstillede værdi, bruges det synkrone kloksignal til at styre slukningen af MOSFET og arbejde i CCM-tilstand.

② Når udgangsspændingen er større end den indstillede værdi, er det synkrone kloksignal afskærmet, og arbejdsmetoden er den samme som DCM-tilstanden. VDS=-Io*Rdson signalet styrer nedlukningen af den synkrone ensretter MOSFET.

Sekundær side (sekundær) styrer synkron ensretter MOSFET-sluk

Nu ved alle, hvilken rolle MOSFET spiller i hele den hurtige opladnings-QC!

Om Olukey

Olukeys kerneteam har fokuseret på komponenter i 20 år og har hovedkontor i Shenzhen. Hovedvirksomhed: MOSFET, MCU, IGBT og andre enheder. De vigtigste agentprodukter er WINSOK og Cmsemicon. Produkter er meget udbredt i militærindustrien, industriel kontrol, ny energi, medicinske produkter, 5G, Internet of Things, smarte hjem og forskellige forbrugerelektronikprodukter. Med afhængighed af fordelene ved den oprindelige globale generalagent er vi baseret på det kinesiske marked. Vi bruger vores omfattende fordelagtige tjenester til at introducere forskellige avancerede højteknologiske elektroniske komponenter til vores kunder, hjælpe producenter med at producere produkter af høj kvalitet og levere omfattende tjenester.