當今世界，手機，筆記本電腦等移動設備正在改變著人們的生活。對于這些設備的適配器，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。

01為什么需要同步整流？

從電源工程師的角度來看，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。

我們以常用的反激拓撲為例，假定系統(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。假設二極管的導通壓降是0.7V，在二極管上形成的導通損耗是2.8W，簡直熱爆了。系統(tǒng)在這種情況下長期工作，會嚴重影響可靠性和用戶使用體驗。

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

02同步整流如何實現(xiàn)供電？

我們都知道，對于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點的電壓。

如何才能提供一個高于S的電壓呢？

工程師們當然能想到用輔助繞組，如上圖采用額外的繞組給副邊MOS的驅動供電。但這種方式需要增加一個變壓器繞組和驅動電路，增加的系統(tǒng)的復雜度和成本。

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，但實際上MOS放在低端往往會造成系統(tǒng)的EMI表現(xiàn)更差。同時如果輸出電壓較低，就不足以為MOS的驅動提供足夠的電壓，因此無法在低壓輸出場合應用。

有沒有既不需要輔助繞組，又能適應不同輸出電壓應用，同時也要保證系統(tǒng)EMI表現(xiàn)較好的方案呢？

好一個靈魂三連問。答案是：當然有！

以MPS公司的MP9989為例。

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的秘密武器就是它里面的自供電電路。

當厡邊MOS打開時，MP9989的MOS管反向截止，此時VDS出現(xiàn)正壓，MP9989內(nèi)部的自供電電路會給VDD電容充電。當厡邊MOS關斷時，由于VDD電容已經(jīng)被儲能，此時VDD可以為驅動電路供電，保證副邊MOS的順利打開。

除此之外，隨著USB PD越來越普及，輸出的電壓范圍越來越寬。較高的輸出電壓會給芯片的耐壓帶來挑戰(zhàn)。以MP9989為例，內(nèi)置100V的MOS，為寬范圍設計提供足夠裕量。

03如何決定同步整流的開通時機？

有了自供電電路，為副邊MOS管的開通提供了必要條件。接下來面臨的問題是我們?nèi)绾螞Q定同步整流管的開通時機呢？

以MP9989為例，當反激厡邊MOS關斷時，副邊MOS將會通過體二極管續(xù)流，VDS電壓將會從正壓轉變?yōu)?0.7V。當芯片檢測到這個電壓轉變后將會打開副邊MOS管，完成續(xù)流。

但是，當反激電源工作在斷續(xù)模式時，會帶來新的挑戰(zhàn)。如上圖是斷續(xù)模式下VDS電壓和副邊電流波形。當副邊續(xù)流結束后，MOS管關閉。我們看到此時VDS電壓出現(xiàn)震蕩。某些工況下，VDS震蕩的幅值會比較大，甚至會震蕩到0。此時副邊同步整流電路很容易誤將續(xù)流MOS管打開，造成系統(tǒng)異常。

那么MPS是如何解決這一問題的呢？

時間就是我們的秘密武器！

對比原邊MOS關斷瞬間和DCM震蕩時的VDS波形，我們可以看到，震蕩條件下VDS的電壓變化遠遠慢于正常開通時的電壓變化。根據(jù)這一區(qū)別，MPS在芯片內(nèi)部加入了電壓變化率的判斷。以MP9989為例，當副邊VDS下降到2V時，內(nèi)部時鐘開始計時，如果VDS電壓沒有在30ns以內(nèi)下降到-80mV，我們就認為這并不是正常的開通信號，此時芯片維持關斷狀態(tài)。這樣可以有效地避免震蕩導致的誤導通。

04如何實現(xiàn)同步整流的可靠關斷？

解決了何時導通的問題，我們迎來了另一個挑戰(zhàn)——何時關斷。

從原理上講，我們總是希望做到當厡邊MOS打開的同時關閉副邊的MOS，但是由于厡副邊之間并沒有通信機制，因此副邊MOS很難及時響應厡邊MOS的導通信號。

工程師們一定能想到，可以利用勵磁電感的伏秒平衡來計算出關斷時刻，常用的伏秒平衡方案示意圖如下。沒錯，理論上根據(jù)副邊MOS的導通時間，可以計算出關斷時間，從而知道何時關閉副邊MOS。

但是，當負載跳變時，為了穩(wěn)定輸出電壓，原邊繞組的磁通會相應改變。在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中，伏秒平衡是不成立的。因此容易導致動態(tài)過程中副邊MOS管不能及時關斷，從而出現(xiàn)短路。

除此之外，伏秒平衡原理需要采樣開通和關斷狀態(tài)下的變壓器勵磁電感電壓。電壓采樣電阻的精度和寄生參數(shù)引起的電壓震蕩都會導致伏秒平衡計算出現(xiàn)誤差，從而嚴重影響可靠性。

重要的事情再重復一遍！??！

伏秒平衡只在穩(wěn)態(tài)條件下成立，動態(tài)情況下容易誤動作，造成短路

VP，VS 采樣受外圍電阻精度影響，帶來計算誤差

寄生參數(shù)帶來的震蕩造成VP采樣不準，導致計算誤差

那么MPS是如何解決這一問題的呢？

答案是快速關斷技術！

該技術動態(tài)調(diào)整同步整流MOS管Gate電壓。以MP9989為例，當VDS由正壓快速轉變?yōu)樨搲簳r，經(jīng)過開通延時MP9989 的MOS管打開進行續(xù)流。

這段時間內(nèi)，副邊續(xù)流電流較大，VDS的電壓等于電流乘以導通阻抗。隨著續(xù)流電流的下降，VDS電壓隨之下降，如下圖。

當VDS達到40mV后，隨著電流的繼續(xù)下降，MP9989會動態(tài)降低Gate驅動電壓，增大導通阻抗，將VDS壓降控制到40mV，如下圖。此時MOS管已經(jīng)進入半導通狀態(tài)，Gate電壓處于較低水平。

到下一個工作周期，反激原邊的MOS管開通時，副邊MOS管Gate可以由之前的較低的電壓水平快速實現(xiàn)關斷，保證工作的可靠性。在這項技術的加持下，MPS的同步整流產(chǎn)品可以支持600kHz開關頻率，且適應CCM，DCM，準諧振，有源鉗位等反激應用。

看到這里是不是覺得一顆簡單的同步整流芯片竟凝聚了MPS如此多的創(chuàng)新？

原文標題：【短視頻】MPS 電源小課堂第九話：副邊同步整流，讓開關電源精致到無溫度修改

文章出處：【微信公眾號：MPS芯源系統(tǒng)】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。

責任編輯：haq