采用副邊同步整流解決方案降低開關(guān)電源過熱（一）

介紹

當(dāng)今世界，手機(jī)，筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備正在改變著人們的生活。對(duì)于這些設(shè)備的適配器，人們總是希望能做到小巧輕便，充電快速。為此，各大廠商近期爭相推出超小體積快充。

本文為如何為超小體積快充適配器設(shè)計(jì)副邊同步整流器系列文章的第一篇。 第一篇將介紹副邊同步整流的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及對(duì)其供電的要求。 第二部分將介紹副邊同步整流器的開通和關(guān)斷過程以及快速關(guān)斷技術(shù)。

同步整流拓?fù)?/p>

充電速度快意味著更大的輸出電流和更多的發(fā)熱。而體積小巧則意味著更小的散熱面積。在這二者雙重作用下，熱的問題變得棘手。

圖2為常用的反激拓?fù)洌俣ㄏ到y(tǒng)輸出規(guī)格為5V 4A，那么流過副邊二極管的平均電流是4A。假設(shè)二極管的導(dǎo)通壓降是0.7V，在二極管上形成的導(dǎo)通損耗是2.8W，發(fā)熱嚴(yán)重。系統(tǒng)在這種情況下長期工作，會(huì)嚴(yán)重影響可靠性和用戶使用體驗(yàn)。

圖2: 常用反激拓?fù)?，發(fā)熱嚴(yán)重

遇到這種問題，如果用MOS管代替副邊輸出二極管，當(dāng)副邊續(xù)流的時(shí)候把副邊MOS管打開，使其工作在同步整流模式。由于MOS的導(dǎo)通阻抗很小，續(xù)流過程中發(fā)熱量就很小。以導(dǎo)通阻抗10mΩ的MOS為例，當(dāng)輸出電流4A時(shí)，MOS導(dǎo)通損耗僅為0.16W。發(fā)熱量被大大降低。

圖3: 用MOS管替代，顯著降低發(fā)熱

同步整流如何實(shí)現(xiàn)供電

我們都知道，對(duì)于NMOS，如果要在續(xù)流的過程中將MOS管打開就需要在G上提供高于S的電壓。而在續(xù)流的過程中，副邊的最高電壓就是S點(diǎn)的電壓。

圖4：續(xù)流過程中打開MOS管，G點(diǎn)上電壓需高于S點(diǎn)

我們可以想到用輔助繞組，如圖5采用額外的繞組給副邊MOS的驅(qū)動(dòng)供電。但這種方式需要增加一個(gè)變壓器繞組和驅(qū)動(dòng)電路，增加的系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。

圖5: 輔助繞組可提供高于S點(diǎn)的電壓

那么，有沒有不需要輔助繞組的方案呢？如上圖，如果我們把MOS管放到副邊輸出的低端，可以借助輸出電壓給MOS管供電。這種方式看似完美，但實(shí)際上MOS放在低端往往會(huì)造成系統(tǒng)的EMI表現(xiàn)更差。同時(shí)如果輸出電壓較低，就不足以為MOS的驅(qū)動(dòng)提供足夠的電壓，因此無法在低壓輸出場合應(yīng)用。

圖6: MOS管放到副邊輸出的低端

其方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是既不需要輔助繞組，又能適應(yīng)不同輸出電壓應(yīng)用，同時(shí)也要保證系統(tǒng)EMI表現(xiàn)較好。MP9989, 集成了CCM（連續(xù)導(dǎo)通）和DCM（斷續(xù)導(dǎo)通）模式的反激二極管，可以實(shí)現(xiàn)這樣的設(shè)計(jì)（圖7）。

圖7: MP9989 提供了系統(tǒng)EMI 性能

MP9989，它可以直接放在輸出的高端，可支持低壓輸出，并且外圍電路非常簡單，我們稱之為理想二極管，MP9989關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)就是它里面的自供電電路。

當(dāng)原邊MOS打開時(shí)，MP9989的MOS管反向截止（圖8），此時(shí)(VDS)出現(xiàn)正壓，MP9989內(nèi)部的自供電電路會(huì)給VDD電容充電。當(dāng)原邊MOS關(guān)斷時(shí)，由于VDD電容已經(jīng)被儲(chǔ)能，此時(shí)VDD可以為驅(qū)動(dòng)電路供電，保證副邊MOS的順利打開。

圖8: 內(nèi)部自供電電路給 VDD 電容充電

隨著USB PD越來越普及，輸出的電壓范圍越來越寬。較高的輸出電壓會(huì)給芯片的耐壓帶來挑戰(zhàn)。而MP9989內(nèi)置100V的MOS，為寬范圍設(shè)計(jì)提供足夠裕量。

結(jié)論

在本文中，我們使用MP9989提供了一款副邊同步整流設(shè)計(jì)方案，可以成功導(dǎo)通MOS管同時(shí)還能減少發(fā)熱。第二篇我們將解釋同步整流器的開通和關(guān)斷的過程，同時(shí)探討快速關(guān)斷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

審核編輯：湯梓紅