安森美半导体的传统同步整流技术挑战的解决方案-FAN6248

发表于 2018-01-09 16:35:25 收藏 已收藏
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安森美半导体的传统同步整流技术挑战的解决方案-FAN6248

发表于 2018-01-09 16:35:25

在电源设计中,为提高能效,通常采用同步整流,即用MOSFET取代二极管整流器,从而降低整流器两端压降和导通损耗,提供更高的电流能力,实现更高的系统能效。然而,传统的同步整流在用于LLC谐振转换器时,会有不少的技术挑战,如:1) 由于不同工作频率造成最小导通时间设置的困难;2) 由于杂散电感造成过早的同步整流关断,导通损耗增加;3) 轻载条件下由于电容电流尖峰导致同步整流电流反向,最终对系统产生不良影响。安森美半导体最新推出的同步整流控制器FAN6248,优化用于LLC谐振转换器,完美地解决上述挑战,适用于高能效服务器和台式电脑电源、大屏液晶电视及显示器电源、网络和电信电源、高功率密度适配器、高功率LED照明等等。

传统的同步整流用于LLC谐振转换器的技术挑战

1、最小导通时间设置的困难

最小导通时间用以避免杂讯的干扰。谐振电路的工作频率会因轻载和重载而有所不同。若根据重载条件设置最小导通时间,会因轻载时的最小导通时间太大而延迟关断同步整流;反之,则会因重载时的最小导通时间太小,由开关噪声导致异常关断。因此,需要自调节的最小导通时间解决这一挑战。

2、杂散电感的影响

器件采用不同的封装会有不同的杂散电感,而杂散电感会导致同步整流关断时的正偏置VLS,过早的关断同步整流,固定的关断阈值电压导致较长的本体二极管导通,增加导通损耗。因此,需要自调节的关断阈值电压。

3、在轻载条件下同步整流电流反向

由于在轻载条件下,谐振电容电压幅值不是足够大,激磁电流向谐振电容充电,在充电器件MOSFET开关转换产生电容电流尖峰,导通同步整流电流延迟,如果在转换期间由电容电流尖峰开启同步整流,会导致同步整流电流反向。因此,需要自调节的延迟开启同步整流。

为了解决上述挑战,安森美半导体推出先进的同步整流控制器FAN6248。

FAN6248的关键特性

FAN6248具有反击穿保护特性,确保可靠的同步整流,其独特的自调节死区时间控制补偿寄生电感以保持恒定的死区时间,而不受输出负载和杂散寄生电感的影响,这有助于最小化本体二极管导通和最大化能效。轻载时当电容电流足以预先导通MOSFET时,FAN6248检测到同步整流器的电流反向。通过增加在轻载条件下的导通延迟,可避免这样的运行模式,提供安全、稳定和高效的工作。FAN6248有一个自调节最小导通时间电路,以更好地抗噪。它有两个同步整流MOSFET门极驱动,专用的100 V 额定输入用于检测各同步整流 MOSFET的漏源电压。支持达700千赫的高频工作。节能模式下的工作电流低,典型值350 uA。工作电压范围4.5 V至30 V。10.5 V的高驱动输出电压可驱动所有MOSFET频段到最低的导通电阻。图1所示为FAN6248的典型应用电路,在初级端有一个LLC控制器。在次级端,配置非常简单,包含一个FAN6248控制器和2个外置电阻,在噪声严重的系统中可能需要再添加2个电容。因此,FAN6248是个高度集成的控制器,需要最少的外部元件。

图1:FAN6248的典型应用电路

FAN6248的同步整流关断算法

FAN6248采用的同步整流关断算法基于混合式控制,利用检测MOSFET的漏极节点收到的即时信息和前一周期的信息,以维持最小的死区时间200 ns,获得最佳的能效。该实施可易于用一个简化的电路进行分析,其中关断事件是通过对比漏极电压与一个虚拟的关断阈值VTH OFF来确定。

图2:基于混合式控制的同步整流关断算法

1、自调节死区时间控制

当死区时间超过预期的200纳秒,FAN6248内部会自动调低补偿电压Voffset,从而提高虚拟的VTH OFF阈值,延长同步整流导通时间,和减少死区时间至接近200 ns。反之,当死区时间少于200纳秒,比较器虚拟的阈值VTH OFF降低,从而缩短同步整流导通时间,和增加死区时间至接近200 ns。因此,该算法使死区时间保持在约200纳秒,而不受输出负载和寄生电感的影响。

2、自调节最小导通时间控制

为避免杂讯干扰,同步整流会定义最小导通时间。FAN6248有自适应最小导通时间电路。控制器设置的最小导通时间为上一个周期导通时间的50%。在此间隔期内忽略关断触发。

FAN6248消除电流反向的隐患

轻载时,寄生效应引起的电容电流尖峰会导致MOSFET被过早激活而误触发同步整流,产生从输出电容器流回同步整流器的反向电流。FAN6248控制器增加了轻载时的导通延迟,当检测到电流反向,导通延迟将由满载时的80纳秒增加至轻载时的380纳秒,以避免误触发同步整流和电流反向。

FAN6248的节能模式

当在超过240微秒(HA、HB版本)或420微秒(LA、LB版本)的一段时间没有检测到开关,FAN6248进入节能模式运行。在节能模式下,控制器停止所有开关工作,以减小工作电流和降低功耗,该模式下的工作电流是350 uA。当检测到11个连续的开关周期时,同步整流驱动脉冲再次启用。

FAN6248的两个版本针对不同的应用需求

FAN6248分为HA和HB两个系列:HA版本的VTH OFF设定在130 mV或228 mV,用于采用较大封装如TO220或D2PAK的同步整流MOSFET;HB版本的VTH OFF设定在100 mV或175 mV,用于采用较小封装如PQFN或DPAK的同步整流MOSFET。

能效测试

我们对FAN6248进行了能效测试,其中Vin=390 Vdc,Vout=12 Vdc,初级控制器采用NCP1399,满载时频率为110 kHz,从测试波形可看到,系统在满载、75%负载、50%负载和25%负载的4个点的平均能效高达96.29%。

图3:FAN6248提供高能效

总结

安森美半导体的同步整流控制器FAN6248解决了传统的同步整流的技术挑战:专有的自调节死区时间控制可保持恒定的死区时间(200 ns),不受杂散电感的影响,可采用极小导通电阻的同步整流MOSFET,最大限度地减少本体二极管导通,最大化系统的电源能效。反击穿控制确保可靠的同步整流工作。自调节最小导通时间可提供更高抗噪性。其电流反向检测能防止误触发和电流反向,确保轻载时安全和稳定的工作。节能模式下工作电流低实现待机模式低功耗。小封装(SOIC 8引脚)可减少占板空间和降低成本。强大的门极驱动能力可实现达800 W的高功率系统设计。

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