Olukey: Să vorbim despre rolul MOSFET în arhitectura de bază a încărcării rapide

Structura de bază a sursei de alimentare aîncărcare rapidăQC folosește flyback + rectificarea sincronă pe partea secundară (secundară) SSR. Pentru convertoarele flyback, conform metodei de eșantionare cu feedback, acesta poate fi împărțit în: reglare latură primară (primară) și reglare latura secundară (secundară); în funcție de locația controlerului PWM. Poate fi împărțit în: control pe partea primară (primar) și control pe partea secundară (secundar). Se pare că nu are nicio legătură cu MOSFET. Aşa,Olukeytrebuie să întrebe: Unde este ascuns MOSFET-ul? Ce rol a jucat?

1. Reglarea părții primare (primare) și reglarea părții secundare (secundar).

Stabilitatea tensiunii de ieșire necesită o legătură de feedback pentru a trimite informațiile modificate către controlerul principal PWM pentru a ajusta modificările tensiunii de intrare și sarcinii de ieșire. În conformitate cu diferitele metode de eșantionare a feedback-ului, acesta poate fi împărțit în ajustare pe partea primară (primară) și pe partea secundară (secundară), așa cum se arată în figurile 1 și 2.

Rectificarea diodei pe partea secundară (secundară).

MOSFET-ul de rectificare sincronă SSR este plasat în partea de jos

Semnalul de feedback al reglajului pe partea primară (primară) nu este preluat direct de la tensiunea de ieșire, ci de la înfășurarea auxiliară sau înfășurarea primară primară care menține o anumită relație proporțională cu tensiunea de ieșire. Caracteristicile sale sunt:

① Metoda de feedback indirect, rată slabă de reglare a sarcinii și precizie slabă;

②. Simplu și cost redus;

③. Nu este nevoie de optocupler de izolare.

Semnalul de feedback pentru reglarea pe partea secundară (secundară) este preluat direct de la tensiunea de ieșire folosind un optocupler și TL431. Caracteristicile sale sunt:

① Metoda de feedback direct, rată bună de reglare a sarcinii, rată de reglare liniară și precizie ridicată;

②. Circuitul de reglare este complex și costisitor;

③. Este necesară izolarea optocuplerului, care are probleme de îmbătrânire în timp.

2. Redresarea diodei pe partea secundară (secundară) șiMOSFETredresare sincronă SSR

Partea secundară (secundară) a convertorului flyback utilizează de obicei rectificarea cu diode datorită curentului mare de ieșire al încărcării rapide. În special pentru încărcare directă sau încărcare blitz, curentul de ieșire este de până la 5A. Pentru a îmbunătăți eficiența, în locul diodei este utilizat ca redresor MOSFET, care se numește SSR de redresare sincronă secundară (secundară), așa cum se arată în figurile 3 și 4.

Redresare sincronă MOSFET pe partea secundară (secundară).

Caracteristici ale redresării cu diode pe partea secundară (secundară):

①. Simplu, nu este necesar un controler de unitate suplimentar, iar costul este scăzut;

② Când curentul de ieșire este mare, eficiența este scăzută;

③. Fiabilitate ridicată.

Caracteristici ale redresării sincrone MOSFET pe partea secundară (secundară):

①. Complex, care necesită controler de unitate suplimentar și cost ridicat;

②. Când curentul de ieșire este mare, eficiența este ridicată;

③. În comparație cu diodele, fiabilitatea lor este scăzută.

În aplicațiile practice, MOSFET-ul SSR de rectificare sincronă este de obicei mutat de la capătul superior la cel de jos pentru a facilita conducerea, așa cum se arată în Figura 5.

Caracteristicile MOSFET-ului high-end de rectificare sincronă SSR:

①. Necesită o unitate bootstrap sau o unitate flotantă, ceea ce este costisitor;

②. EMI bun.

Caracteristicile redresării sincrone SSR MOSFET plasate la capătul inferior:

① Acționare directă, acționare simplă și cost redus;

②. Slab EMI.

3. Control pe partea primară (primar) și control pe partea secundară (secundar).

Controlerul principal PWM este plasat pe partea primară (primar). Această structură se numește control primar (primar). Pentru a îmbunătăți acuratețea tensiunii de ieșire, a ratei de reglare a sarcinii și a ratei de reglare liniară, controlul pe partea primară (primar) necesită un optocupler extern și TL431 pentru a forma o legătură de feedback. Lățimea de bandă a sistemului este mică, iar viteza de răspuns este lentă.

Dacă controlerul principal PWM este plasat pe partea secundară (secundar), optocuplerul și TL431 pot fi îndepărtate, iar tensiunea de ieșire poate fi controlată și reglată direct cu răspuns rapid. Această structură se numește control secundar (secundar).

Caracteristici ale controlului lateral primar (primar):

①. Sunt necesare optocupler și TL431, iar viteza de răspuns este lentă;

②. Viteza de protecție a ieșirii este lentă.

③. În modul continuu de rectificare sincronă CCM, partea secundară (secundară) necesită un semnal de sincronizare.

Caracteristici ale controlului secundar (secundar):

①. Ieșirea este detectată direct, nu sunt necesare optocupler și TL431, viteza de răspuns este rapidă, iar viteza de protecție a ieșirii este rapidă;

②. MOSFET-ul de rectificare sincronă pe partea secundară (secundar) este acţionat direct fără a fi nevoie de semnale de sincronizare; dispozitive suplimentare, cum ar fi transformatoare de impulsuri, cuplaje magnetice sau cuple capacitive sunt necesare pentru a transmite semnalele de comandă ale MOSFET-ului de înaltă tensiune pe partea primară (primară).

③. Partea primară (primară) are nevoie de un circuit de pornire, sau partea secundară (secundară) are o sursă de alimentare auxiliară pentru pornire.

4. Modul CCM continuu sau modul DCM discontinuu

Convertorul flyback poate funcționa în modul CCM continuu sau în modul DCM discontinuu. Dacă curentul din înfășurarea secundară (secundară) ajunge la 0 la sfârșitul unui ciclu de comutare, se numește modul DCM discontinuu. Dacă curentul înfășurării secundare (secundare) nu este 0 la sfârșitul unui ciclu de comutare, se numește modul CCM continuu, așa cum se arată în figurile 8 și 9.

Se poate observa din Figura 8 și Figura 9 că stările de lucru ale SSR de redresare sincronă sunt diferite în diferite moduri de funcționare ale convertorului flyback, ceea ce înseamnă, de asemenea, că metodele de control ale SSR de redresare sincronă vor fi, de asemenea, diferite.

Dacă timpul mort este ignorat, atunci când se lucrează în modul CCM continuu, SSR de rectificare sincronă are două stări:

①. MOSFET-ul de înaltă tensiune pe partea primară (primar) este pornit, iar MOSFET-ul de redresare sincronă pe partea secundară (secundară) este oprit;

②. MOSFET-ul de înaltă tensiune pe partea primară (primar) este oprit, iar MOSFET-ul de redresare sincronă pe partea secundară (secundară) este pornit.

În mod similar, dacă timpul mort este ignorat, SSR de rectificare sincronă are trei stări atunci când funcționează în modul DCM discontinuu:

①. MOSFET-ul de înaltă tensiune pe partea primară (primar) este pornit, iar MOSFET-ul de redresare sincronă pe partea secundară (secundară) este oprit;

②. MOSFET-ul de înaltă tensiune pe partea primară (primar) este oprit, iar MOSFET-ul de redresare sincronă pe partea secundară (secundară) este pornit;

③. MOSFET-ul de înaltă tensiune pe partea primară (primar) este oprit, iar MOSFET-ul de redresare sincronă pe partea secundară (secundară) este oprit.

5. SSR rectificare sincronă pe partea secundară (secundară) în modul CCM continuu

Dacă convertorul flyback cu încărcare rapidă funcționează în modul CCM continuu, metoda de control al părții primare (primar), MOSFET de rectificare sincronă a părții secundare (secundar) necesită un semnal de sincronizare de la partea primară (primară) pentru a controla oprirea.

Următoarele două metode sunt de obicei utilizate pentru a obține semnalul de acționare sincron al părții secundare (secundar):

(1) Utilizați direct înfășurarea secundară (secundară), așa cum se arată în Figura 10;

(2) Utilizați componente de izolare suplimentare, cum ar fi transformatoare de impuls, pentru a transmite semnalul de comandă sincron de la partea primară (primar) la partea secundară (secundar), așa cum se arată în Figura 12.

Folosind direct înfășurarea secundară (secundară) pentru a obține semnalul de acționare sincronă, precizia semnalului de acționare sincronă este foarte dificil de controlat și este dificil să se obțină eficiență și fiabilitate optimizate. Unele companii chiar folosesc controlere digitale pentru a îmbunătăți acuratețea controlului, așa cum se arată în Figura 11.

Utilizarea unui transformator de impulsuri pentru a obține semnale de conducere sincrone are o precizie ridicată, dar costul este relativ ridicat.

Metoda de control al părții secundare (secundar) utilizează de obicei un transformator de impuls sau o metodă de cuplare magnetică pentru a transmite semnalul de comandă sincron de la partea secundară (secundară) la partea primară (primară), așa cum se arată în Figura 7.v.

Utilizați direct înfășurarea secundară (secundară) pentru a obține semnalul de comandă sincron

Utilizați direct înfășurarea secundară (secundară) pentru a obține semnalul de antrenare sincron + control digital

6. SSR rectificare sincronă pe partea secundară (secundară) în modul DCM discontinuu

Dacă convertorul flyback de încărcare rapidă funcționează în modul DCM discontinuu. Indiferent de metoda de control al părții primare (primar) sau metoda de control al părții secundare (secundar), căderile de tensiune D și S ale MOSFET-ului de redresare sincronă pot fi detectate și controlate direct.

(1) Pornirea MOSFET-ului de rectificare sincronă

Când tensiunea VDS a MOSFET-ului de redresare sincronă se schimbă de la pozitiv la negativ, dioda parazită internă se pornește și, după o anumită întârziere, MOSFET-ul de redresare sincronă pornește, așa cum se arată în Figura 13.

(2) Oprirea MOSFET-ului de rectificare sincronă

După ce MOSFET-ul de rectificare sincronă este pornit, VDS=-Io*Rdson. Când curentul de înfășurare secundar (secundar) scade la 0, adică atunci când tensiunea semnalului de detectare a curentului VDS se schimbă de la negativ la 0, MOSFET-ul de redresare sincronă se oprește, așa cum se arată în Figura 13.

Pornirea și oprirea MOSFET de rectificare sincronă în modul DCM discontinuu

În aplicațiile practice, MOSFET-ul de redresare sincronă se oprește înainte ca curentul de înfășurare secundar (secundar) să ajungă la 0 (VDS=0). Valorile tensiunii de referință de detectare a curentului stabilite de diferite cipuri sunt diferite, cum ar fi -20mV, -50mV, -100mV, -200mV etc.

Tensiunea de referință de detectare a curentului a sistemului este fixă. Cu cât valoarea absolută a tensiunii de referință de detectare a curentului este mai mare, cu atât eroarea de interferență este mai mică și precizia este mai bună. Cu toate acestea, atunci când curentul de sarcină de ieșire Io scade, MOSFET-ul de redresare sincronă se va opri la un curent de ieșire mai mare, iar dioda sa parazită internă va conduce mai mult timp, astfel încât eficiența este redusă, așa cum se arată în Figura 14.

Tensiunea de referință pentru detectarea curentului și timpul de oprire MOSFET de rectificare sincronă

În plus, dacă valoarea absolută a tensiunii de referință de detectare a curentului este prea mică. Erorile de sistem și interferențele pot face ca MOSFET-ul de rectificare sincronă să se oprească după ce curentul înfășurării secundare (secundar) depășește 0, rezultând un curent de intrare invers, afectând eficiența și fiabilitatea sistemului.

Semnalele de detectare a curentului de înaltă precizie pot îmbunătăți eficiența și fiabilitatea sistemului, dar costul dispozitivului va crește. Precizia semnalului de detectare curent este legată de următorii factori:
①. Precizia și variația de temperatură a tensiunii de referință de detectare a curentului;
②. Tensiunea de polarizare și tensiunea de compensare, curentul de polarizare și curentul de compensare și deriva de temperatură a amplificatorului de curent;
③. Precizia și variația de temperatură a Rdson-ului la tensiune al MOSFET-ului de rectificare sincronă.

În plus, din perspectiva sistemului, acesta poate fi îmbunătățit prin control digital, modificarea tensiunii de referință de detectare a curentului și modificarea tensiunii de comandă MOSFET de rectificare sincronă.

Când curentul de sarcină de ieșire Io scade, dacă tensiunea de antrenare a MOSFET-ului de putere scade, tensiunea de pornire a MOSFET-ului corespunzătoare Rdson crește. După cum se arată în Figura 15, este posibil să se evite oprirea timpurie a MOSFET de rectificare sincronă, să se reducă timpul de conducere al diodei parazitare și să se îmbunătățească eficiența sistemului.

Reducerea tensiunii de antrenare VGS și oprirea MOSFET-ului de redresare sincronă

Se poate observa din Figura 14 că atunci când curentul de sarcină de ieșire Io scade, scade și tensiunea de referință de detectare a curentului. În acest fel, când curentul de ieșire Io este mare, este utilizată o tensiune de referință de detecție a curentului mai mare pentru a îmbunătăți acuratețea controlului; când curentul de ieșire Io este scăzut, se folosește o tensiune de referință mai mică pentru detectarea curentului. De asemenea, poate îmbunătăți timpul de conducere al MOSFET de rectificare sincronă și poate îmbunătăți eficiența sistemului.

Când metoda de mai sus nu poate fi utilizată pentru îmbunătățire, diodele Schottky pot fi, de asemenea, conectate în paralel la ambele capete ale MOSFET-ului de rectificare sincronă. După ce MOSFET-ul de rectificare sincronă este oprit în prealabil, o diodă Schottky externă poate fi conectată pentru rulare liberă.

7. Control secundar (secundar) mod hibrid CCM+DCM

În prezent, există două soluții frecvent utilizate pentru încărcarea rapidă a telefonului mobil:

(1) Control pe partea primară (primar) și modul de lucru DCM. MOSFET de rectificare sincronă pe partea secundară (secundară) nu necesită un semnal de sincronizare.

(2) Control secundar (secundar), mod de funcționare mixt CCM+DCM (atunci când curentul de sarcină de ieșire scade, de la CCM la DCM). MOSFET-ul de rectificare sincronă pe partea secundară (secundară) este acţionat direct, iar principiile logice de pornire şi oprire sunt prezentate în Figura 16:

Pornirea MOSFET-ului de redresare sincronă: Când tensiunea VDS a MOSFET-ului de redresare sincronă se schimbă de la pozitiv la negativ, dioda sa parazită internă se pornește. După o anumită întârziere, MOSFET-ul de rectificare sincronă se pornește.

Oprirea MOSFET-ului de rectificare sincronă:

① Când tensiunea de ieșire este mai mică decât valoarea setată, semnalul de ceas sincron este utilizat pentru a controla oprirea MOSFET-ului și pentru a funcționa în modul CCM.

② Când tensiunea de ieșire este mai mare decât valoarea setată, semnalul ceasului sincron este ecranat, iar metoda de lucru este aceeași cu modul DCM. Semnalul VDS=-Io*Rdson controlează oprirea MOSFET-ului de rectificare sincronă.

Partea secundară (secundară) controlează oprirea MOSFET de rectificare sincronă

Acum, toată lumea știe ce rol joacă MOSFET-ul în întregul QC de încărcare rapidă!

Despre Olukey

Echipa de bază a lui Olukey s-a concentrat pe componente de 20 de ani și are sediul în Shenzhen. Activitatea principală: MOSFET, MCU, IGBT și alte dispozitive. Principalele produse agent sunt WINSOK și Cmsemicon. Produsele sunt utilizate pe scară largă în industria militară, control industrial, energie nouă, produse medicale, 5G, Internet of Things, case inteligente și diverse produse electronice de larg consum. Bazându-ne pe avantajele agentului general global original, ne bazăm pe piața chineză. Folosim serviciile noastre avantajoase complete pentru a introduce diverse componente electronice avansate de înaltă tehnologie clienților noștri, pentru a ajuta producătorii să producă produse de înaltă calitate și pentru a oferi servicii complete.