自定時電壓檢測同步MOSFET控制是怎樣提升電源轉(zhuǎn)換效率的？

現(xiàn)代電子設(shè)備功能越來越多，設(shè)備功能的高功耗對環(huán)境的影響也越來越大。提高電源效率是降低功耗的方法之一。諧振拓?fù)渚哂休^高效率，很多大功率消費(fèi)電子產(chǎn)品和計算機(jī)都采用了這種電源拓?fù)洌热纾阂壕щ娨?、等離子電視和筆記本電腦適配器適配器。恩智浦專業(yè)諧振控制器可以幫助設(shè)計人員打造出高效的諧振電源，不僅在提高能效方面下功夫外，還特別重視電源解決方案的可靠性。

在大屏幕電視中，要求在諧振電源內(nèi)使用表面黏著MOSFET取代帶散熱器的輸出二極管。不過，由于時序復(fù)雜性、成本和現(xiàn)有同步整流器解決方案欠佳的表現(xiàn)，迄今為止，采用這一替代方案的數(shù)量非常有限。本文將揭示自定時電壓檢測同步MOSFET控制方案如何提升電源轉(zhuǎn)換效率。

1 諧振轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)

諧振轉(zhuǎn)換器由直流高壓電源高壓電源又名高壓發(fā)生器，一般是指輸出電壓在五千伏特以上的電源，一般高壓電源的輸出電壓可達(dá)幾萬伏，甚至高達(dá)幾十萬伏特或更高。（升壓）供電，直流電源通常由前置PFC轉(zhuǎn)換器部分產(chǎn)生。諧振回路（或LLC回路）由電容器電容器　　所謂電容器就是能夠儲存電荷的“容器”。只不過這種“容器”是一種特殊的物質(zhì)——電荷，而且其所存儲的正負(fù)電荷等量地分布于兩塊不直接導(dǎo)通的導(dǎo)體板上。至此，我們就可以描述電容器的基本結(jié)構(gòu)：兩塊導(dǎo)體板（通常為金屬板）中間隔以電介質(zhì)，即構(gòu)成電容器的基本模型。

Cr和帶Lr（漏電感）和Lp（勵磁電感）的變壓器變壓器　　變壓器（Transformer）是利用互感原理來改變交流電壓的裝置，主要構(gòu)件是初級線圈、次級線圈和鐵心（磁芯）。在電器設(shè)備和無線電路中，常用作升降電壓、匹配阻抗，安全隔離等。變壓器是變換電壓、電流和阻抗的器件，當(dāng)初級線圈中通有交流電流時，鐵芯（或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級線圈中感應(yīng)出電壓（或電流）。它由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。

諧振轉(zhuǎn)換器內(nèi)的半導(dǎo)體開關(guān)具有軟開關(guān)特性，它獨(dú)立于負(fù)載并降低了峰值電流，因而有可能縮小電源變壓器和散熱器的體積。減少的電磁干擾（EMI）則是另一個優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器往往更容易受寄生電容和漏電感的影響。這種影響表現(xiàn)為高頻振鈴、大電流尖峰和開關(guān)損耗，以及不期望的電磁干擾。如果用在LCD電視內(nèi)，由于液晶面板、電源和音效卡都緊鄰彼此，所以電磁干擾污染會嚴(yán)重影響影像和聲音品質(zhì)。具有ZVS特性的諧振轉(zhuǎn)換器則不會產(chǎn)生此類電磁干擾。在不同諧振拓?fù)渲?，對前?a target="_blank">DC匯流排轉(zhuǎn)換來說，LLC諧振轉(zhuǎn)換器一直是最有吸引力的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖1即為該設(shè)計原理。

圖1.帶中心抽頭次級繞組的諧振LLC轉(zhuǎn)換器

使用電容與整合磁性變壓器的磁感和漏感相結(jié)合的方法，在軟開關(guān)部份建構(gòu)了一個復(fù)雜的帶降壓升壓（buck boost）轉(zhuǎn)換特性的諧振槽。 LLC諧振轉(zhuǎn)換器透過調(diào)節(jié)互補(bǔ)初級開關(guān)的開關(guān)頻率來調(diào)整輸入電壓和輸出負(fù)載。由于LCD電視電源需遵守IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)，所以在主輸入橋式整流器后采用了主動功率因子校正（PFC）升壓預(yù)調(diào)節(jié)器。

2　如何降低功率損耗

至關(guān)重要的是，因?yàn)榧词垢咝阅艿氖捥鼗O管在流過大電流時都會產(chǎn)生較高的正向電壓，所以諧振轉(zhuǎn)換器的輸出整流器是導(dǎo)通損耗的一個重要來源。因此，次級側(cè)同步整流是公認(rèn)的改善傳統(tǒng)二極管整流效率的有效方法。有兩種控制方法可用。

第一種方法是透過同步其閘極驅(qū)動訊號與初級側(cè)MOSFET的閘極驅(qū)動來驅(qū)動同步MOSFET。采用高頻變壓器將初級側(cè)MOSFET的閘極驅(qū)動訊號傳輸?shù)诫娫醋儔浩鞯拇渭墏?cè)。但對工作在寬負(fù)載范圍的LLC諧振轉(zhuǎn)換器來說，這種方法難以產(chǎn)生最佳化的次級側(cè)閘極驅(qū)動訊號。這一時序上的不匹配，導(dǎo)致輸出電容在不連續(xù)的整流器電流間歇期放電。由輸出電容放電導(dǎo)致的輸出和電源變壓器之間的無功（reactive power）能流是使轉(zhuǎn)換效率低下的原因。因此，該控制方案僅限于用在為負(fù)載變化不大的應(yīng)用設(shè)計諧振轉(zhuǎn)換器。

第二個控制方法是采用取自變壓器次級側(cè)的訊號驅(qū)動同步MOSFET。感測同步MOSFET電流的方法之一是借助一個電流檢測變壓器加上一個分離比較器。然后利用比較器的輸出訊號再透過緩沖電晶體來驅(qū)動次級側(cè)MOSFET。雖然可根據(jù)其目前電流狀態(tài)開/關(guān)MOSFET，這種方法仍受限于很高的電路復(fù)雜性和比較器的時序延遲。最近，IC設(shè)計進(jìn)步使同步整流出現(xiàn)了從傳統(tǒng)的基于電流變壓器的檢測方法向無損耗漏極電壓感知技術(shù)（如下圖2所示）轉(zhuǎn)移的跡象。

圖2.帶類比閘極驅(qū)動、用于諧振轉(zhuǎn)換器漏極電壓感測的同步控制器

除了將MOSFET次級側(cè)的無功電流損耗降至最低外，這種新技術(shù)還進(jìn)一步提高了轉(zhuǎn)換效率，同時也由于不再需要電流檢測變壓器，加上拿掉了快速回應(yīng)比較器，因而降低了系統(tǒng)成本。在力求縮小LCD電視體積趨勢的推動下，諧振電源轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)越來越受到電視電源工程師的關(guān)注，因?yàn)樗鼈兡苤г娫窗雽?dǎo)體元件，使其運(yùn)作在非常高的開關(guān)頻率，因而有助于電源變壓器和濾波電容的小型化。本文將討論如何利用基于ZXGD3101同步控制器的自定時電壓檢測同步MOSFET控制原理，協(xié)助LCD電視等消費(fèi)電子產(chǎn)品設(shè)計實(shí)現(xiàn)高電源轉(zhuǎn)換效率。

透過對MOSFET的初級側(cè)實(shí)施零電壓開關(guān)（ZVS）可以實(shí)現(xiàn)上述要求，因?yàn)閆VS大幅降低了開關(guān)損耗。 開關(guān)損耗越低、效率越高、MOSFET的熱管理越簡單。然而，電源輸出二極管的低效率嚴(yán)重阻礙了設(shè)備體積的進(jìn)一步微型化。在大屏幕電視中，要求在諧振電源內(nèi)使用表面黏著MOSFET取代帶散熱器的輸出二極管。不過，由于時序復(fù)雜性、成本和現(xiàn)有同步整流器解決方案欠佳的表現(xiàn)，迄今為止，采用這一替代方案的數(shù)量非常有限。可透過比較漏極電壓與負(fù)的閾值電壓（Vth）做到這點(diǎn)。當(dāng)漏極電壓是個比Vth更正的值時，MOSFET的閘極電壓被拉低至1V，以確保元件被關(guān)閉。

閘極電壓隨反向漏極電壓的下降而逐漸降低，因而確保了MOSFET在電流過零點(diǎn)附近的迅速切斷。換言之，可以更少的閘極電荷切斷MOSFET，因而縮短了閘極電壓的下降時間，并確保沒有反向電流。此外，比例式閘極驅(qū)動器根據(jù)MOSFET的電流幅值調(diào)節(jié)其輸出電壓，這樣，在漏極電流接近零之前，該MOSFET的閘極一直在得到加強(qiáng)。這樣，在MOSFET關(guān)閉后，就將體二極管的導(dǎo)通時間縮至最短。圖3為同步MOSFET的工作波形。在滿載情況下，圖3b顯示，為獲得低阻抗，在MOSFET的大電流期間壓一直維持在10V左右。

圖3.顯示的是諧振轉(zhuǎn)換器的閘極驅(qū)動器工作波形：（a）25%負(fù)載和（b）滿載

當(dāng)漏電流為低時，閘極電壓逐漸降低、導(dǎo)致MOSFET的阻抗加大、因而設(shè)立起負(fù)的漏極電壓。與數(shù)位電平閘極電壓比，這確保了阻抗非常低的MOSFET將不會關(guān)閉，且仍將維持導(dǎo)通相當(dāng)水準(zhǔn)的電流。

3　讓熱設(shè)計更容易

在加大功率密度時，熱管理成為一個關(guān)鍵設(shè)計因素，且它對產(chǎn)品品質(zhì)和可靠性非常重要。對液晶電視來說，出于安全考量，電源被封裝在特殊或完全密封的殼體內(nèi)，此時，因系統(tǒng)散熱基本上只依靠自然對流和輻射，所以，電源部份的有效散熱就成為一個主要設(shè)計挑戰(zhàn)。典型的電視電源需要為音訊放大器提供+12V輸出；為背光提供+24V輸出；為微控制器和介面提供+5V輸出。+12V輸出軌的功率低于+24V輸出軌的功率、并使用蕭特基二極管，如圖2所示。一般來說，一個32英吋顯示幕在最高亮度時，背光單元約需144W功率。 這相當(dāng)于在24V輸出軌的肖特基二極管上流過6A電流，并伴隨需采用大體積散熱器的導(dǎo)通損耗。 對于42英吋顯示幕來說，背光功率提高到264W，電流為11A。

若電視電源采用40A額定電流/100V擊穿電壓的肖特基二極管作為輸出整流器，其正向壓降通常為425mV/3A@125℃結(jié)溫。 那么，24V電源軌上每個輸出二極管在6A滿負(fù)載條件下的導(dǎo)通損耗約為1.275W。如果我們將滿負(fù)載輸出電流升高到點(diǎn)亮更大液晶顯示幕所用CCFL或LED 背光單元所需的11A，則靜態(tài)功耗就變?yōu)?.12W，若不采用大型散熱器，就無法輕易地實(shí)現(xiàn)散熱。在滿負(fù)載條件下，假設(shè)諧振槽可充分濾除掉輸入電壓的高次諧波，則在6A輸出軌，每個MOSFET的均方根（RMS）漏極電流約為3.33A。

基于漏極電壓感測的同步閘極驅(qū)動器方案僅在進(jìn)行MOSFET體二極管正向電壓檢測時開啟MOSFET。 因?yàn)槌跏嫉捏w二極管導(dǎo)通，閘極導(dǎo)通延遲時間降低了效率，這在高開關(guān)頻率下是不能被忽視的。在將體二極管和MOSFET通道損耗運(yùn)算在內(nèi)后，當(dāng)一款rDS（on）@Tj=100°= 9mΩ的元件用在工作于80kHz的開關(guān)轉(zhuǎn)換器時，該元件的導(dǎo)通損耗約為192mW 。 因同步MOSFET在零電流處開啟和切斷，所以損耗可忽略不計。MOSFET現(xiàn)工作在92℃的可接受結(jié)溫和80℃的PCB溫度。 依此類推，對42英吋顯示屏來說，在11A輸出轉(zhuǎn)換器中，相同MOSFET的導(dǎo)通損耗約為935mW。

4　本文小結(jié)

因?yàn)樵噲D減少諸如電源變壓器、濾波電容和散熱元件等主要系統(tǒng)元件的實(shí)體尺寸并降低其成本而求助越來越高的開關(guān)頻率的壓力越來越大，電視機(jī)電源的設(shè)計就不再微不足道，對許多以前只使用肖特基二極管技術(shù)的設(shè)計師來說，有可能是個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。該拓?fù)鋵鹘y(tǒng)的同步MOSFET控制技術(shù)并沒太多幫助，它要求需采用許多分離元件的復(fù)雜的系統(tǒng)解決方案，且為使系統(tǒng)正常工作，所需的設(shè)計階段也更長。 基于MOSFET控制的漏極電壓檢測可解決現(xiàn)有問題，另外，更可借力整合了高電壓比較器和MOSFET驅(qū)動器的新一代積體電路。設(shè)計師現(xiàn)在能夠迅速且容易地克服以往這些障礙。 集最佳化的MOSFET加強(qiáng)和更快切斷速度于一身的專用控制器晶片可被用來作為滿足更苛刻效率要求的工具。 此外，得益于控制器的簡單性和靈活性，在PCB設(shè)計時，只需不大的布局改變，就可將其納入現(xiàn)有的電源設(shè)計。