在電源設計中,為提高能效,通常採用同步整流,即用MOSFET取代二極體整流器,從而降低整流器兩端壓降和導通損耗,提供更高的電流能力,實現更高的系統能效。然而,傳統的同步整流在用於LLC諧振轉換器時,會有不少的技術挑戰,如:1) 由於不同工作頻率造成最小導通時間設置的困難;2) 由於雜散電感造成過早的同步整流關斷,導通損耗增加;3) 輕載條件下由於電容電流尖峰導致同步整流電流反向,最終對系統產生不良影響。安森美半導體最新推出的同步整流控制器FAN6248,優化用於LLC諧振轉換器,完美解決上述挑戰,適用於高能效伺服器和桌上型電腦電源、大螢幕液晶電視及顯示器電源、網路和電訊電源、高功率密度轉接器、高功率LED照明等等。

傳統的同步整流用於LLC諧振轉換器的技術挑戰

1、最小導通時間設置的困難

最小導通時間用以避免雜訊的干擾。諧振電路的工作頻率會因輕載和重載而有所不同。若根據重載條件設置最小導通時間,會因輕載時的最小導通時間太大而延遲關斷同步整流;反之,則會因重載時的最小導通時間太小,由切換雜訊導致異常關斷。因此,需要自調節的最小導通時間解決這一挑戰。

2、雜散電感的影響

元件採用不同的封裝會有不同的雜散電感,而雜散電感會導致同步整流關斷時的正偏置VLS,過早的關斷同步整流,固定的關斷閾值電壓導致較長的本體二極體導通,增加導通損耗。因此,需要自調節的關斷閾值電壓。

3、在輕載條件下同步整流電流反向

由於在輕載條件下,諧振電容電壓幅值不是足夠大,激磁電流向諧振電容充電,在充電元件MOSFET切換轉換產生電容電流尖峰,導通同步整流電流延遲,如果在轉換期間由電容電流尖峰開啟同步整流,會導致同步整流電流反向。因此,需要自調節的延遲開啟同步整流。

為了解決上述挑戰,安森美半導體推出先進的同步整流控制器FAN6248。

FAN6248的關鍵特性

FAN6248具有反擊穿保護特性,確保可靠的同步整流,其獨特的自調節死區時間控制補償寄生電感以保持恒定的死區時間,而不受輸出負載和雜散寄生電感的影響,這有助於最小化本體二極體導通和最大化能效。輕載時當電容電流足以預先導通MOSFET時,FAN6248檢測到同步整流器的電流反向。通過增加在輕載條件下的導通延遲,可避免這樣的運行模式,提供安全、穩定和高效的工作。FAN6248有一個自調節最小導通時間電路,以更好的抗雜訊能力。它有兩個同步整流MOSFET閘極驅動,專用的100 V 額定輸入用於檢測各同步整流 MOSFET的汲源電壓。支持達700千赫的高頻工作。節能模式下的工作電流低,典型值350 uA。工作電壓範圍4.5 V至30 V。10.5 V的高驅動輸出電壓可驅動所有MOSFET頻段到最低的導通電阻。圖1所示為FAN6248的典型應用電路,在初級端有一個LLC控制器。在次級端,配置非常簡單,包含一個FAN6248控制器和2個外置電阻,在雜訊嚴重的系統中可能需要再添加2個電容。因此,FAN6248是個高度整合的控制器,需要最少的外部元件。

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圖1:FAN6248的典型應用電路

FAN6248的同步整流關斷演算法

FAN6248採用的同步整流關斷演算法基於混合式控制,利用檢測MOSFET的汲極節點收到的即時資訊和前一週期的資訊,以維持最小的死區時間200 ns,獲得最佳的能效。該實施可易於用一個簡化的電路進行分析,其中關斷事件是通過對比汲極電壓與一個虛擬的關斷閾值VTH OFF來確定。

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圖2:基於混合式控制的同步整流關斷演算法

1、自調節死區時間控制

當死區時間超過預期的200奈秒,FAN6248內部會自動調低補償電壓Voffset,從而提高虛擬的VTH OFF閾值,延長同步整流導通時間,和減少死區時間至接近200 ns。反之,當死區時間少於200奈秒,比較器虛擬的閾值VTH OFF降低,從而縮短同步整流導通時間,和增加死區時間至接近200 ns。因此,該演算法使死區時間保持在約200奈秒,而不受輸出負載和寄生電感的影響。

2、自調節最小導通時間控制

為避免雜訊干擾,同步整流會定義最小導通時間。FAN6248有自適應最小導通時間電路。控制器設置的最小導通時間為上一個週期導通時間的50%。在此間隔期內忽略關斷觸發。

FAN6248消除電流反向的隱患

輕載時,寄生效應引起的電容電流尖峰會導致MOSFET被過早啟動而誤觸發同步整流,產生從輸出電容器流回同步整流器的反向電流。FAN6248控制器增加了輕載時的導通延遲,當檢測到電流反向,導通延遲將由滿載時的80奈秒增加至輕載時的380奈秒,以避免誤觸發同步整流和電流反向。

FAN6248的節能模式

當在超過240微秒(HA、HB版本)或420微秒(LA、LB版本)的一段時間沒有檢測到切換,FAN6248進入節能模式運行。在節能模式下,控制器停止所有切換工作,以減小工作電流和降低功耗,該模式下的工作電流是350 uA。當檢測到11個連續的切換週期時,同步整流驅動脈衝再次啟用。

FAN6248的兩個版本針對不同的應用需求

FAN6248分為HA和HB兩個系列:HA版本的VTH OFF設定在130 mV或228 mV,用於採用較大封裝如TO220或D2PAK的同步整流MOSFET;HB版本的VTH OFF設定在100 mV或175 mV,用於採用較小封裝如PQFN或DPAK的同步整流MOSFET。

能效測試

我們對FAN6248進行了能效測試,其中Vin=390 Vdc,Vout=12 Vdc,初級控制器採用NCP1399,滿載時頻率為110 kHz,從測試波形可看到,系統在滿載、75%負載、50%負載和25%負載的4個點的平均能效高達96.29%。

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圖3:FAN6248提供高能效

總結

安森美半導體的同步整流控制器FAN6248解決了傳統的同步整流的技術挑戰:專有的自調節死區時間控制可保持恒定的死區時間(200 ns),不受雜散電感的影響,可採用極小導通電阻的同步整流MOSFET,最大限度地減少本體二極體導通,最大化系統的電源能效。反擊穿控制確保可靠的同步整流工作。自調節最小導通時間可提供更高的抗雜訊能力。其電流反向檢測能防止誤觸發和電流反向,確保輕載時安全和穩定的工作。節能模式下工作電流低實現待機模式低功耗。小封裝(SOIC 8引腳)可減少占板空間和降低成本。強大的閘極驅動能力可實現達800 W的高功率系統設計。

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