Olukey: Povedzme si niečo o úlohe MOSFET v základnej architektúre rýchleho nabíjania

Základná štruktúra napájaniarýchle nabíjanieQC používa flyback + sekundárnu stranu (sekundárne) synchrónne usmernenie SSR. U meničov typu flyback možno podľa metódy spätnoväzbového vzorkovania rozdeliť na: reguláciu primárnej strany (primárnu) a reguláciu sekundárnej strany (sekundárnu); podľa umiestnenia PWM regulátora. Dá sa rozdeliť na: riadenie primárnej strany (primárne) a riadenie sekundárnej strany (sekundárne). Zdá sa, že to nemá nič spoločné s MOSFET. takže,Olukeymusí sa opýtať: Kde je skrytý MOSFET? Akú úlohu to zohralo?

1. Nastavenie primárnej strany (primárne) a nastavenie sekundárnej strany (sekundárne).

Stabilita výstupného napätia vyžaduje spätnú väzbu, ktorá odošle svoje meniace sa informácie do hlavného regulátora PWM, aby sa upravili zmeny vstupného napätia a výstupného zaťaženia. Podľa rôznych metód vzorkovania spätnej väzby sa dá rozdeliť na nastavenie primárnej strany (primárne) a nastavenie na sekundárnej strane (sekundárne), ako je znázornené na obrázkoch 1 a 2.

Usmernenie diód sekundárnej strany (sekundárne).

Synchrónny usmerňovač SSR MOSFET je umiestnený v spodnej časti

Spätný signál regulácie primárnej strany (primárnej) nie je odoberaný priamo z výstupného napätia, ale z pomocného vinutia alebo primárneho primárneho vinutia, ktoré zachováva určitý proporcionálny vzťah s výstupným napätím. Jeho vlastnosti sú:

① Metóda nepriamej spätnej väzby, nízka rýchlosť regulácie zaťaženia a nízka presnosť;

②. Jednoduché a nízke náklady;

③. Nie je potrebný izolačný optočlen.

Spätnoväzbový signál pre reguláciu sekundárnej strany (sekundárnej) je odoberaný priamo z výstupného napätia pomocou optočlena a TL431. Jeho vlastnosti sú:

① Metóda priamej spätnej väzby, dobrá rýchlosť regulácie zaťaženia, rýchlosť lineárnej regulácie a vysoká presnosť;

②. Nastavovací obvod je zložitý a nákladný;

③. Je potrebné izolovať optočlen, ktorý má časom problémy so starnutím.

2. Sekundárna strana (sekundárne) usmernenie diód aMOSFETsynchrónne usmernenie SSR

Sekundárna strana (sekundár) flyback prevodníka zvyčajne využíva diódové usmernenie kvôli veľkému výstupnému prúdu rýchleho nabíjania. Najmä pre priame nabíjanie alebo nabíjanie bleskom je výstupný prúd až 5A. Na zlepšenie účinnosti sa namiesto diódy ako usmerňovač používa MOSFET, ktorý sa nazýva sekundárny (sekundárny) synchrónny usmerňovač SSR, ako je znázornené na obrázkoch 3 a 4.

Synchrónne usmernenie MOSFET na sekundárnej strane (sekundárne).

Charakteristika usmerňovacej diódy na sekundárnej strane (sekundárne):

①. Jednoduché, nie je potrebný žiadny ďalší ovládač pohonu a náklady sú nízke;

② Keď je výstupný prúd veľký, účinnosť je nízka;

③. Vysoká spoľahlivosť.

Vlastnosti synchrónneho usmerňovania MOSFET na sekundárnej strane (sekundárne):

①. Komplexné, vyžadujúce dodatočný ovládač pohonu a vysoké náklady;

②. Keď je výstupný prúd veľký, účinnosť je vysoká;

③. V porovnaní s diódami je ich spoľahlivosť nízka.

V praktických aplikáciách sa MOSFET synchrónneho usmerňovacieho SSR zvyčajne presúva z horného konca na dolný, aby sa uľahčilo riadenie, ako je znázornené na obrázku 5.

Vlastnosti špičkového MOSFET synchrónneho usmerňovania SSR:

①. Vyžaduje bootstrap disk alebo plávajúci disk, čo je nákladné;

②. Dobré EMI.

Charakteristiky synchrónneho usmerňovania SSR MOSFET umiestneného na spodnom konci:

① Priamy pohon, jednoduchý pohon a nízke náklady;

②. Slabé EMI.

3. Primárna (primárna) kontrola a sekundárna (sekundárna) strana

Hlavný regulátor PWM je umiestnený na primárnej strane (primár). Táto štruktúra sa nazýva primárna strana (primárna) kontrola. Aby sa zlepšila presnosť výstupného napätia, rýchlosť regulácie záťaže a rýchlosť lineárnej regulácie, riadenie primárnej strany (primárne) vyžaduje externý optočlen a TL431 na vytvorenie spätnoväzbového spojenia. Šírka pásma systému je malá a rýchlosť odozvy je pomalá.

Ak je hlavný regulátor PWM umiestnený na sekundárnej strane (sekundárnej), optočlen a TL431 je možné odstrániť a výstupné napätie je možné priamo ovládať a upravovať s rýchlou odozvou. Táto štruktúra sa nazýva sekundárne (sekundárne) riadenie.

Vlastnosti primárneho (primárneho) riadenia:

①. Vyžaduje sa optočlen a TL431 a rýchlosť odozvy je pomalá;

②. Rýchlosť ochrany výstupu je nízka.

③. V kontinuálnom režime synchrónneho usmerňovania CCM vyžaduje sekundárna strana (sekundárna) synchronizačný signál.

Vlastnosti sekundárneho (sekundárneho) ovládania:

①. Výstup je priamo detekovaný, nie sú potrebné žiadne optočleny a TL431, rýchlosť odozvy je rýchla a rýchlosť ochrany výstupu je rýchla;

②. Synchrónny rektifikačný MOSFET sekundárnej strany (sekundárny) je priamo riadený bez potreby synchronizačných signálov; Na prenos riadiacich signálov primárneho (primárneho) vysokonapäťového MOSFETu sú potrebné prídavné zariadenia, ako sú impulzné transformátory, magnetické spojky alebo kapacitné spojky.

③. Primárna strana (primárna) potrebuje štartovací obvod, alebo sekundárna strana (sekundárna) má na spustenie pomocné napájanie.

4. Nepretržitý režim CCM alebo prerušovaný režim DCM

Flyback konvertor môže pracovať v nepretržitom režime CCM alebo v prerušovanom režime DCM. Ak prúd v sekundárnom (sekundárnom) vinutí dosiahne 0 na konci spínacieho cyklu, nazýva sa to nespojitý režim DCM. Ak prúd sekundárneho (sekundárneho) vinutia nie je na konci spínacieho cyklu 0, nazýva sa to kontinuálny režim CCM, ako je znázornené na obrázkoch 8 a 9.

Z obrázku 8 a obrázku 9 je vidieť, že pracovné stavy synchrónneho usmerňovacieho SSR sú rôzne v rôznych prevádzkových režimoch flyback meniča, čo znamená, že aj spôsoby riadenia synchrónneho usmerňovacieho SSR budú odlišné.

Ak sa mŕtva doba ignoruje, pri práci v nepretržitom režime CCM má synchrónna náprava SSR dva stavy:

①. Primárna strana (primárna) vysokonapäťová MOSFET je zapnutá a sekundárna strana (sekundárna) synchrónna usmerňovacia MOSFET je vypnutá;

②. Primárna strana (primárny) vysokonapäťový MOSFET je vypnutý a na sekundárnej strane (sekundárny) synchrónny usmerňovací MOSFET je zapnutý.

Podobne, ak sa ignoruje mŕtvy čas, synchrónna rektifikačná SSR má tri stavy, keď pracuje v prerušovanom režime DCM:

①. Primárna strana (primárna) vysokonapäťová MOSFET je zapnutá a sekundárna strana (sekundárna) synchrónna usmerňovacia MOSFET je vypnutá;

②. Primárna strana (primárna) vysokonapäťová MOSFET je vypnutá a sekundárna strana (sekundárna) synchrónna usmerňovacia MOSFET je zapnutá;

③. Primárna strana (primárna) vysokonapäťová MOSFET je vypnutá a sekundárna strana (sekundárna) synchrónna usmerňovacia MOSFET je vypnutá.

5. Sekundárna (sekundárna) synchrónna rektifikačná SSR v kontinuálnom režime CCM

Ak rýchlonabíjací flyback konvertor pracuje v kontinuálnom režime CCM, primárna (primárna) metóda riadenia, sekundárna strana (sekundárna) synchrónna rektifikačná MOSFET vyžaduje synchronizačný signál z primárnej strany (primárnej) na riadenie vypnutia.

Nasledujúce dve metódy sa zvyčajne používajú na získanie signálu synchrónneho pohonu sekundárnej strany (sekundárne):

(1) Priamo použite sekundárne (sekundárne) vinutie, ako je znázornené na obrázku 10;

(2) Na prenos signálu synchrónneho pohonu z primárnej (primárnej) na sekundárnu (sekundárnu) stranu použite dodatočné izolačné komponenty, ako sú impulzné transformátory, ako je znázornené na obrázku 12.

Pri priamom použití sekundárneho (sekundárneho) vinutia na získanie signálu synchrónneho pohonu je veľmi ťažké kontrolovať presnosť signálu synchrónneho pohonu a je ťažké dosiahnuť optimalizovanú účinnosť a spoľahlivosť. Niektoré spoločnosti dokonca používajú digitálne ovládače na zlepšenie presnosti riadenia, ako je znázornené na obrázku 11.

Použitie impulzného transformátora na získanie synchrónnych riadiacich signálov má vysokú presnosť, ale náklady sú relatívne vysoké.

Metóda riadenia sekundárnej strany (sekundárna) zvyčajne používa pulzný transformátor alebo metódu magnetickej väzby na prenos signálu synchrónneho pohonu zo sekundárnej strany (sekundárnej) na primárnu stranu (primárnu), ako je znázornené na obrázku 7.v

Priamo použite sekundárne (sekundárne) vinutie na získanie signálu synchrónneho pohonu

Priamo použite sekundárne (sekundárne) vinutie na získanie signálu synchrónneho pohonu + digitálne ovládanie

6. Sekundárna strana (sekundárna) synchrónna rektifikačná SSR v nespojitom režime DCM

Ak konvertor rýchleho nabíjania flyback pracuje v prerušovanom režime DCM. Bez ohľadu na spôsob riadenia primárnej (primárnej) alebo sekundárnej strany (sekundárneho) spôsobu riadenia je možné priamo detegovať a riadiť poklesy napätia D a S synchrónneho usmerňovacieho MOSFETu.

(1) Zapnutie synchrónneho usmerňovacieho MOSFETu

Keď sa napätie VDS synchrónneho usmerňovacieho MOSFETu zmení z kladného na záporné, zapne sa vnútorná parazitná dióda a po určitom oneskorení sa zapne synchrónny usmerňovací MOSFET, ako je znázornené na obrázku 13.

(2) Vypnutie synchrónneho usmerňovacieho MOSFET

Po zapnutí synchrónneho usmerňovacieho MOSFETu je VDS=-Io*Rdson. Keď sa prúd sekundárneho (sekundárneho) vinutia zníži na 0, to znamená, keď sa napätie signálu detekcie prúdu VDS zmení z negatívneho na 0, synchrónny rektifikačný MOSFET sa vypne, ako je znázornené na obrázku 13.

Zapnutie a vypnutie synchrónneho usmerňovania MOSFET v nespojitom režime DCM

V praktických aplikáciách sa synchrónny rektifikačný MOSFET vypne skôr, ako prúd sekundárneho (sekundárneho) vinutia dosiahne 0 (VDS=0). Hodnoty referenčného napätia detekcie prúdu nastavené rôznymi čipmi sú rôzne, napríklad -20 mV, -50 mV, -100 mV, -200 mV atď.

Referenčné napätie detekcie prúdu systému je pevné. Čím väčšia je absolútna hodnota referenčného napätia detekcie prúdu, tým menšia je chyba rušenia a tým lepšia presnosť. Keď sa však výstupný zaťažovací prúd Io zníži, synchrónny usmerňovací MOSFET sa vypne pri väčšom výstupnom prúde a jeho vnútorná parazitná dióda bude viesť dlhší čas, takže účinnosť sa zníži, ako je znázornené na obrázku 14.

Referenčné napätie snímania prúdu a čas vypnutia synchrónneho usmerňovania MOSFET

Okrem toho, ak je absolútna hodnota referenčného napätia detekcie prúdu príliš malá. Systémové chyby a rušenie môžu spôsobiť vypnutie synchrónneho usmerňovacieho MOSFETu po tom, ako prúd sekundárneho (sekundárneho) vinutia prekročí 0, čo má za následok spätný prítokový prúd, ktorý ovplyvňuje účinnosť a spoľahlivosť systému.

Vysoko presné signály detekcie prúdu môžu zlepšiť účinnosť a spoľahlivosť systému, ale náklady na zariadenie sa zvýšia. Presnosť aktuálneho detekčného signálu súvisí s nasledujúcimi faktormi:
①. Presnosť a teplotný posun referenčného napätia detekcie prúdu;
②. Predpätie a posunuté napätie, predpätý prúd a posunutý prúd a teplotný drift prúdového zosilňovača;
③. Presnosť a teplotný drift napäťového Rdson synchrónneho usmerňovacieho MOSFETu.

Okrem toho, z pohľadu systému, môže byť vylepšený digitálnym riadením, zmenou referenčného napätia detekcie prúdu a zmenou budiaceho napätia MOSFET synchrónneho usmerňovania.

Keď sa výstupný zaťažovací prúd Io zníži, ak sa zníži budiace napätie výkonového MOSFETu, zvýši sa zodpovedajúce zapínacie napätie MOSFET Rdson. Ako je znázornené na obrázku 15, je možné vyhnúť sa predčasnému vypnutiu synchrónneho usmerňovacieho MOSFET, znížiť čas vedenia parazitnej diódy a zlepšiť účinnosť systému.

Zníženie hnacieho napätia VGS a vypnutie synchrónneho usmerňovacieho MOSFETu

Z obrázku 14 je možné vidieť, že keď sa výstupný zaťažovací prúd Io zníži, zníži sa aj referenčné napätie detekcie prúdu. Týmto spôsobom, keď je výstupný prúd Io veľký, použije sa vyššie referenčné napätie detekcie prúdu na zlepšenie presnosti riadenia; keď je výstupný prúd Io nízky, použije sa nižšie referenčné napätie detekcie prúdu. Môže tiež zlepšiť čas vedenia synchrónneho usmerňovacieho MOSFET a zlepšiť účinnosť systému.

Keď vyššie uvedený spôsob nemožno použiť na zlepšenie, môžu byť Schottkyho diódy zapojené aj paralelne na oboch koncoch synchrónneho usmerňovacieho MOSFETu. Po predbežnom vypnutí synchrónneho usmerňovacieho MOSFETu je možné pripojiť externú Schottkyho diódu pre voľnobeh.

7. Sekundárne (sekundárne) riadenie hybridný režim CCM+DCM

V súčasnosti existujú v zásade dve bežne používané riešenia rýchleho nabíjania mobilných telefónov:

(1) Primárna strana (primárna) kontrola a pracovný režim DCM. Sekundárna strana (sekundárne) synchrónne usmernenie MOSFET nevyžaduje synchronizačný signál.

(2) Sekundárne (sekundárne) riadenie, zmiešaný prevádzkový režim CCM+DCM (keď výstupný zaťažovací prúd klesá, z CCM na DCM). Synchrónny rektifikačný MOSFET na sekundárnej strane (sekundárny) je priamo riadený a jeho logické princípy zapínania a vypínania sú znázornené na obrázku 16:

Zapnutie synchrónneho usmerňovacieho MOSFETu: Keď sa napätie VDS synchrónneho usmerňovacieho MOSFETu zmení z kladného na záporné, rozsvieti sa jeho vnútorná parazitná dióda. Po určitom oneskorení sa zapne synchrónny usmerňovací MOSFET.

Vypnutie synchrónneho usmerňovacieho MOSFET:

① Keď je výstupné napätie nižšie ako nastavená hodnota, synchrónny hodinový signál sa používa na ovládanie vypnutia MOSFET a prácu v režime CCM.

② Keď je výstupné napätie väčšie ako nastavená hodnota, synchrónny hodinový signál je tienený a spôsob práce je rovnaký ako v režime DCM. Signál VDS=-Io*Rdson riadi vypnutie synchrónneho usmerňovacieho MOSFET.

Sekundárna strana (sekundárna) riadi vypínanie synchrónneho usmerňovania MOSFET

Teraz každý vie, akú úlohu zohráva MOSFET v celom rýchlom nabíjaní QC!

O Olukey

Hlavný tím spoločnosti Olukey sa zameriava na komponenty už 20 rokov a sídli v Shenzhene. Hlavná činnosť: MOSFET, MCU, IGBT a ďalšie zariadenia. Hlavnými agentmi sú produkty WINSOK a Cmsemicon. Produkty sú široko používané vo vojenskom priemysle, priemyselnej kontrole, novej energii, medicínskych produktoch, 5G, internete vecí, inteligentných domácnostiach a rôznych produktoch spotrebnej elektroniky. Spoliehajúc sa na výhody pôvodného globálneho generálneho agenta, vychádzame z čínskeho trhu. Naše komplexné výhodné služby využívame na predstavenie rôznych pokročilých high-tech elektronických súčiastok našim zákazníkom, pomáhame výrobcom pri výrobe vysoko kvalitných produktov a poskytujeme komplexné služby.