【经验】提高AC/DC转换器效率的二次侧同步整流电路设计之电源IC的选择

时间： 2020-01-20 来源：ROHM

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作为将原电路的二次侧二极管整流电路改为同步整流电路的步骤，上一篇文章介绍了替换电路的相关内容，本文则将重点放在确认现有电路的工作和各种条件，并选定设计所用的电源IC上。在此进行的设计是将现有AC/DC转换器的二次侧二极管整流电路替换为同步整流电路，因此必然需要先确认现有电路的规格、特性及工作并进行调整，然后再替换为同步整流电路。

同步整流电路部分：电源IC的选择

此次替换设计中计划使用的BM1R001xxF系列由BM1R00146F～150F共5款机型组成。为了能够支持不同规格电源改为同步整流电路，配备了强制OFF时间（Compulsion OFF Time）不同的系列产品。

强制OFF时间可防止因轻负载时IC的DRAIN引脚产生的谐振波形导致二次侧FET再次导通的动作。该时间表示关断二次侧后不强制导通的时间，产品阵容中有1.3us(00146F)~4.6us(00150F)的产品可选。

但是，如果该强制OFF时间过长，就会产生重负载工作时FET无法导通的时间，效率会变差，因此需要选择适当的时间（后续将会进行详细介绍）。

在连续模式下工作时，该强制OFF时间的确定标准是需要考虑一次侧控制器的开关频率和一次侧/二次侧MOSFET各自的导通时间的。

按以下①～③的步骤选择电源IC。

①确认替换前的整流二极管DOUT产生的反向电压VR和正向电流IF的波形
⇒检测一次侧MOSFET M1的导通时间t1、一次侧控制器的1个周期tp。
②设置二次侧MOSFET最大导通时间tMAX_ON
⇒通过tMAX_ON设置，防止连续模式下的重负载时一次侧和二次侧的MOSFET同时导通带来的破坏。
③选择IC
⇒通过下述公式计算出所需的强制OFF时间tOFF，并从系列产品中进行选择。

这是连续模式工作时的强制OFF时间计算方法。后续将介绍非连续模式工作时的计算方法，请参阅后续介绍。

下面是各步骤的详细介绍。

①确认替换前的整流二极管DOUT产生的反向电压VR和正向电流IF的波形

右侧的波形图是DOUT产生的反向电压VR和正向电流IF的波形示例。

条件为VIN＝400Vdc，IOUT＝10A（MAX）。

根据该波形，可获得以下数据：

・一次侧MOSFET M1的导通时间t1＝1.4µsec
・一次侧控制器的1个周期tp＝7.7µsec

②设置二次侧MOSFET最大导通时间tMAX_ON

通过IC的MAX_TON引脚，设置最大导通时间tMAX_ON。当DRAIN引脚电压检测到VCC（＝输出电压VOUT）×1.4V Typ以上的上升沿时，开始最大导通时间的计数。当由电阻RTON设置的最大导通时间tMAX_ON过去时，将强制关断二次侧MOSFET M2。

如下图所示，最大导通时间tMAX_ON必须设置为短于一次侧控制器的1个周期tp。电阻RTON可在56k~300k的范围内进行设置，tMAX_ON与其阻值成正比。另外，设置的tMAX_ON越接近10µsec（RTON＝100kΩ）精度越高。请参考下图。

一次侧控制器为PWM控制方式时，考虑到波动的RTON的值可通过公式求出。

在此次的设计案例中，根据FMAX＝130 [kHz]、⊿FMAX＝5 [%]、⊿tMAX_ON＝7 [%]、⊿RTON＝1 [%]，得出RTON如下：

在该设计案例中，需要将RTON设置为68kΩ以下。但是，该公式为理想状态，所以需要充分确认在实机状态下的工作情况。将RTON设为68kΩ，根据下述公式计算出tMAX_ON为6.8µsec。

③选择IC

根据①中检测到的一次侧MOSFET M1的导通时间t1、一次侧控制器的1个周期tp，以及②中计算出的最大导通时间tMAX_ON，可以通过以下公式求出所需的强制OFF时间tOFF。

根据上述计算结果，考虑到波动，选择强制OFF时间tOFF为2µsec（Typ.）的“BM1R00147F”。下表为BM1R001xxF系列的强制OFF时间tOFF。强制OFF时间波动为±9%。此外，该公式为理想状态，因此需要在实机状态下充分确认工作情况后再进行设置。

例如，请看BM1R00147F在RTON＝68kΩ时的连续工作时（重负载时）二次侧同步整流工作波形。从波形图可以看出，tMAX_ON过去后，VGS2关断，tOFF后再次导通。

至此，就可以选择将现有电源改为同步整流电路的最佳IC了。该案例是以连续模式工作为前提的，作为参考，下面介绍一下当现有电源非连续模式工作时，一次侧控制器具备抖动（Jitter）功能时的情况。

※非连续模式工作时的强制OFF时间计算方法及MAX_TON引脚的设置

在不连续模式和准谐振控制下，不会进行连续模式工作，因此无需设置MAX_TON引脚。所以，由于不进行最大导通时间tMAX_ON的设置，故无需计算tMAX_ON。取而代之的是测量最大负载时整流二极管导通后到正向电流IF变为零时的时间tON。通过以下公式求得所需的强制OFF时间tOFF。

下面给出了波形示例。另外，此时的MAX_TON引脚直接上拉至VCC。

在不连续模式下，无论是否设置MAX_TON引脚，同步整流工作都是相同的。此外，当VDS2变为－6mV（Typ.）时，VGS2关断。

※一次侧控制器内置抖动（Jitter）功能时

一次侧控制器具有抖动（Jitter）功能时，考虑到波动的RTON设置根据下述公式进行。

相对于前面给出的连续模式时的公式，分母加上了一次侧抖动（Jitter）频率：FJITTER [kHz]。

小结：关键要点在于

・确认现有电路的工作和各种条件，确定设计所用的电源IC。

・设置最大导通时间，防止一次侧和二次侧的MOSFET同时导通带来的破坏。

・计算强制OFF时间，并选定相应的BM1R001xxF系列。

・BM1R001xxF系列拥有强制OFF时间不同的5款机型。

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BD7695FJ	AC/DC转换器	Standard	PFC	12V	38V	BR PIN	-40℃	105℃	SOP-J8

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