Olukey: Vamos falar sobre o papel do MOSFET na arquitetura básica de carregamento rápido

A estrutura básica da fonte de alimentação decarregamento rápidoQC usa flyback + SSR de retificação síncrona do lado secundário (secundário). Para conversores flyback, de acordo com o método de amostragem de feedback, pode ser dividido em: regulação do lado primário (primário) e regulação do lado secundário (secundário); de acordo com a localização do controlador PWM. Pode ser dividido em: controle do lado primário (primário) e controle do lado secundário (secundário). Parece que não tem nada a ver com MOSFET. Então,Olukeytem que perguntar: Onde está escondido o MOSFET? Qual foi o papel que desempenhou?

1. Ajuste do lado primário (primário) e ajuste do lado secundário (secundário)

A estabilidade da tensão de saída requer um link de feedback para enviar suas informações variáveis ao controlador principal PWM para ajustar as alterações na tensão de entrada e na carga de saída. De acordo com os diferentes métodos de amostragem de feedback, ele pode ser dividido em ajuste do lado primário (primário) e ajuste do lado secundário (secundário), conforme mostrado nas Figuras 1 e 2.

Retificação de diodo do lado secundário (secundário)

O MOSFET de retificação síncrona SSR é colocado na parte inferior

O sinal de feedback da regulação do lado primário (primário) não é obtido diretamente da tensão de saída, mas do enrolamento auxiliar ou do enrolamento primário primário que mantém uma certa relação proporcional com a tensão de saída. Suas características são:

① Método de feedback indireto, baixa taxa de regulação de carga e baixa precisão;

②. Simples e de baixo custo;

③. Não há necessidade de optoacoplador de isolamento.

O sinal de feedback para regulação do lado secundário (secundário) é obtido diretamente da tensão de saída usando um optoacoplador e TL431. Suas características são:

① Método de feedback direto, boa taxa de regulação de carga, taxa de regulação linear e alta precisão;

②. O circuito de ajuste é complexo e dispendioso;

③. É necessário isolar o optoacoplador, que apresenta problemas de envelhecimento ao longo do tempo.

2. Retificação de diodo do lado secundário (secundário) eMOSFETretificação síncrona SSR

O lado secundário (secundário) do conversor flyback geralmente usa retificação de diodo devido à grande corrente de saída do carregamento rápido. Especialmente para carregamento direto ou carregamento flash, a corrente de saída chega a 5A. Para melhorar a eficiência, o MOSFET é usado no lugar do diodo como retificador, que é chamado de retificação síncrona secundária (secundária) SSR, conforme mostrado nas Figuras 3 e 4.

Retificação síncrona MOSFET do lado secundário (secundário)

Características da retificação do diodo do lado secundário (secundário):

①. Simples, nenhum controlador de acionamento adicional é necessário e o custo é baixo;

② Quando a corrente de saída é grande, a eficiência é baixa;

③. Alta confiabilidade.

Características da retificação síncrona MOSFET do lado secundário (secundário):

①. Complexo, exigindo controlador de acionamento adicional e alto custo;

②. Quando a corrente de saída é grande, a eficiência é alta;

③. Comparado com os diodos, sua confiabilidade é baixa.

Em aplicações práticas, o MOSFET do SSR de retificação síncrona é geralmente movido da extremidade superior para a extremidade inferior para facilitar a condução, conforme mostrado na Figura 5.

As características do MOSFET de alta tecnologia de retificação síncrona SSR:

①. Requer unidade de inicialização ou unidade flutuante, o que é caro;

②. Boa EMI.

As características da retificação síncrona SSR MOSFET colocada na extremidade inferior:

① Acionamento direto, acionamento simples e baixo custo;

②. Pobre EMI.

3. Controle do lado primário (primário) e controle do lado secundário (secundário)

O controlador principal PWM é colocado no lado primário (primário). Essa estrutura é chamada de controle lateral primário (primário). A fim de melhorar a precisão da tensão de saída, taxa de regulação de carga e taxa de regulação linear, o controle do lado primário (primário) requer um optoacoplador externo e TL431 para formar um link de feedback. A largura de banda do sistema é pequena e a velocidade de resposta é lenta.

Se o controlador PWM principal for colocado no lado secundário (secundário), o optoacoplador e o TL431 podem ser removidos, e a tensão de saída pode ser controlada diretamente e ajustada com resposta rápida. Essa estrutura é chamada de controle secundário (secundário).

Recursos do controle do lado primário (primário):

①. Optoacoplador e TL431 são necessários e a velocidade de resposta é lenta;

②. A velocidade da proteção de saída é lenta.

③. No modo contínuo de retificação síncrona CCM, o lado secundário (secundário) requer um sinal de sincronização.

Recursos de controle secundário (secundário):

①. A saída é detectada diretamente, nenhum optoacoplador e TL431 são necessários, a velocidade de resposta é rápida e a velocidade de proteção de saída é rápida;

②. O MOSFET de retificação síncrona do lado secundário (secundário) é acionado diretamente sem a necessidade de sinais de sincronização; dispositivos adicionais, como transformadores de pulso, acoplamentos magnéticos ou acopladores capacitivos, são necessários para transmitir os sinais de acionamento do MOSFET de alta tensão do lado primário (primário).

③. O lado primário (primário) necessita de um circuito de partida, ou o lado secundário (secundário) possui uma fonte de alimentação auxiliar para partida.

4. Modo CCM contínuo ou modo DCM descontínuo

O conversor flyback pode operar no modo CCM contínuo ou no modo DCM descontínuo. Se a corrente no enrolamento secundário (secundário) atingir 0 no final de um ciclo de comutação, isso é chamado de modo DCM descontínuo. Se a corrente do enrolamento secundário (secundário) não for 0 ao final de um ciclo de chaveamento, ele é denominado modo CCM contínuo, conforme mostrado nas Figuras 8 e 9.

Pode-se observar na Figura 8 e na Figura 9 que os estados de funcionamento do SSR de retificação síncrona são diferentes nos diferentes modos de operação do conversor flyback, o que também significa que os métodos de controle do SSR de retificação síncrona também serão diferentes.

Se o tempo morto for ignorado, ao trabalhar no modo CCM contínuo, o SSR de retificação síncrona terá dois estados:

①. O MOSFET de alta tensão do lado primário (primário) está ligado e o MOSFET de retificação síncrona do lado secundário (secundário) está desligado;

②. O MOSFET de alta tensão do lado primário (primário) é desligado e o MOSFET de retificação síncrona do lado secundário (secundário) é ligado.

Da mesma forma, se o tempo morto for ignorado, o SSR de retificação síncrona terá três estados ao operar no modo DCM descontínuo:

①. O MOSFET de alta tensão do lado primário (primário) está ligado e o MOSFET de retificação síncrona do lado secundário (secundário) está desligado;

②. O MOSFET de alta tensão do lado primário (primário) é desligado e o MOSFET de retificação síncrona do lado secundário (secundário) é ligado;

③. O MOSFET de alta tensão do lado primário (primário) é desligado e o MOSFET de retificação síncrona do lado secundário (secundário) é desligado.

5. SSR de retificação síncrona do lado secundário (secundário) no modo CCM contínuo

Se o conversor flyback de carga rápida operar no modo CCM contínuo, o método de controle do lado primário (primário), o MOSFET de retificação síncrona do lado secundário (secundário) requer um sinal de sincronização do lado primário (primário) para controlar o desligamento.

Os dois métodos a seguir são geralmente usados para obter o sinal de acionamento síncrono do lado secundário (secundário):

(1) Utilize diretamente o enrolamento secundário (secundário), conforme mostrado na Figura 10;

(2) Use componentes de isolamento adicionais, como transformadores de pulso, para transmitir o sinal do inversor síncrono do lado primário (primário) para o lado secundário (secundário), conforme mostrado na Figura 12.

Usando diretamente o enrolamento secundário (secundário) para obter o sinal de acionamento síncrono, a precisão do sinal de acionamento síncrono é muito difícil de controlar e é difícil alcançar eficiência e confiabilidade otimizadas. Algumas empresas até usam controladores digitais para melhorar a precisão do controle, conforme mostrado na Figura 11.

Usar um transformador de pulso para obter sinais de acionamento síncronos tem alta precisão, mas o custo é relativamente alto.

O método de controle do lado secundário (secundário) geralmente usa um transformador de pulso ou método de acoplamento magnético para transmitir o sinal de acionamento síncrono do lado secundário (secundário) para o lado primário (primário), conforme mostrado na Figura 7.v

Use diretamente o enrolamento secundário (secundário) para obter o sinal de acionamento síncrono

Use diretamente o enrolamento secundário (secundário) para obter o sinal de acionamento síncrono + controle digital

6. SSR de retificação síncrona do lado secundário (secundário) no modo DCM descontínuo

Se o conversor flyback de carga rápida operar no modo DCM descontínuo. Independentemente do método de controle do lado primário (primário) ou do método de controle do lado secundário (secundário), as quedas de tensão D e S do MOSFET de retificação síncrona podem ser detectadas e controladas diretamente.

(1) Ligando o MOSFET de retificação síncrona

Quando a tensão do VDS do MOSFET de retificação síncrona muda de positiva para negativa, o diodo parasita interno é ligado e, após um certo atraso, o MOSFET de retificação síncrona é ligado, conforme mostrado na Figura 13.

(2) Desligando o MOSFET de retificação síncrona

Após a ativação do MOSFET de retificação síncrona, VDS=-Io*Rdson. Quando a corrente do enrolamento secundário (secundário) diminui para 0, ou seja, quando a tensão do sinal de detecção de corrente VDS muda de negativo para 0, o MOSFET de retificação síncrona é desligado, conforme mostrado na Figura 13.

Ligando e desligando o MOSFET de retificação síncrona no modo DCM descontínuo

Em aplicações práticas, o MOSFET de retificação síncrona desliga antes que a corrente do enrolamento secundário (secundário) atinja 0 (VDS=0). Os valores de tensão de referência de detecção de corrente definidos por diferentes chips são diferentes, como -20mV, -50mV, -100mV, -200mV, etc.

A tensão de referência de detecção de corrente do sistema é fixa. Quanto maior o valor absoluto da tensão de referência de detecção de corrente, menor será o erro de interferência e melhor será a precisão. Porém, quando a corrente de carga de saída Io diminui, o MOSFET de retificação síncrona irá desligar em uma corrente de saída maior, e seu diodo parasita interno conduzirá por mais tempo, então a eficiência é reduzida, conforme mostrado na Figura 14.

Tensão de referência de detecção de corrente e tempo de desligamento do MOSFET de retificação síncrona

Além disso, se o valor absoluto da tensão de referência de detecção de corrente for muito pequeno. Erros e interferências do sistema podem fazer com que o MOSFET de retificação síncrona seja desligado após a corrente do enrolamento secundário (secundário) exceder 0, resultando em corrente de entrada reversa, afetando a eficiência e a confiabilidade do sistema.

Sinais de detecção de corrente de alta precisão podem melhorar a eficiência e a confiabilidade do sistema, mas o custo do dispositivo aumentará. A precisão do sinal de detecção atual está relacionada aos seguintes fatores:
①. Precisão e desvio de temperatura da tensão de referência de detecção de corrente;
②. A tensão de polarização e a tensão de deslocamento, a corrente de polarização e a corrente de deslocamento e o desvio de temperatura do amplificador de corrente;
③. A precisão e o desvio de temperatura do Rdson de tensão do MOSFET de retificação síncrona.

Além disso, do ponto de vista do sistema, ele pode ser melhorado por meio de controle digital, alteração da tensão de referência de detecção de corrente e alteração da tensão de acionamento do MOSFET de retificação síncrona.

Quando a corrente de carga de saída Io diminui, se a tensão de acionamento do MOSFET de potência diminuir, a tensão de ativação do MOSFET correspondente Rdson aumenta. Conforme mostrado na Figura 15, é possível evitar o desligamento antecipado do MOSFET de retificação síncrona, reduzir o tempo de condução do diodo parasita e melhorar a eficiência do sistema.

Reduzindo a tensão de acionamento VGS e desligando o MOSFET de retificação síncrona

Pode-se observar na Figura 14 que quando a corrente de carga de saída Io diminui, a tensão de referência de detecção de corrente também diminui. Desta forma, quando a corrente de saída Io é grande, uma tensão de referência de detecção de corrente mais alta é usada para melhorar a precisão do controle; quando a corrente de saída Io é baixa, uma tensão de referência de detecção de corrente mais baixa é usada. Também pode melhorar o tempo de condução do MOSFET de retificação síncrona e melhorar a eficiência do sistema.

Quando o método acima não pode ser usado para melhoria, os diodos Schottky também podem ser conectados em paralelo em ambas as extremidades do MOSFET de retificação síncrona. Após o MOSFET de retificação síncrona ser desligado antecipadamente, um diodo Schottky externo pode ser conectado para roda livre.

7. Controle secundário (secundário) modo híbrido CCM + DCM

Atualmente, existem basicamente duas soluções comumente utilizadas para carregamento rápido de celulares:

(1) Controle do lado primário (primário) e modo de trabalho DCM. O MOSFET de retificação síncrona do lado secundário (secundário) não requer um sinal de sincronização.

(2) Controle secundário (secundário), modo de operação misto CCM+DCM (quando a corrente de carga de saída diminui, de CCM para DCM). O MOSFET de retificação síncrona do lado secundário (secundário) é acionado diretamente, e seus princípios lógicos de ativação e desativação são mostrados na Figura 16:

Ligando o MOSFET de retificação síncrona: Quando a tensão do VDS do MOSFET de retificação síncrona muda de positiva para negativa, seu diodo parasita interno é ligado. Após um certo atraso, o MOSFET de retificação síncrona é ativado.

Desligando o MOSFET de retificação síncrona:

① Quando a tensão de saída é menor que o valor definido, o sinal do relógio síncrono é usado para controlar o desligamento do MOSFET e trabalhar no modo CCM.

② Quando a tensão de saída é maior que o valor definido, o sinal do relógio síncrono é blindado e o método de trabalho é o mesmo do modo DCM. O sinal VDS=-Io*Rdson controla o desligamento do MOSFET de retificação síncrona.

Lado secundário (secundário) controla o desligamento do MOSFET de retificação síncrona

Agora, todos sabem qual o papel que o MOSFET desempenha em todo o controle de qualidade do carregamento rápido!

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