同步整流電路中控制器選型與應用研究

閆亮

摘? 要：同步整流電路，是采用導通電阻非常低（mΩ級）的功率MOSFET，代替普通整流二極管以降低功率損耗的一種技術。同步整流控制芯片是該電路的大腦，當使用功率MOSFET作整流管時，需要柵極電壓和被整流的電壓相位保持同步才完成，同步整流電路可以很大程度上提升DC/DC變換器的效率。該文設計一款輸出功率為24 V/8.3 A的AC/DC電源，基本拓撲為LLC半橋諧振電路和同步整流電流電路，重點討論同步整流電路選型與設計應用。

關鍵詞：同步整流電路；控制芯片；功率MOSFET；直流電源；變壓器

中圖分類號：TM46? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）08-0129-05

Abstract： Synchronous rectifier circuit is a technology that uses power MOSFET with very low on-resistance （mΩ level） instead of ordinary rectifier diodes to reduce power loss. The synchronous rectifier control chip is the brain of the circuit. When the power MOSFET is used as the rectifier tube， it needs to be synchronized between the gate voltage and the rectified voltage phase. The synchronous rectifier circuit can greatly improve the efficiency of the DC/DC converter. In this paper， an AC/DC power supply with output power of 24 V 8.3 A is designed. The basic topology is LLC half-bridge resonant circuit and synchronous rectifier current circuit. The selection and design application of synchronous rectifier circuit are discussed in detail.

Keywords： synchronous rectifier circuit; control chip; power MOSFET; DC power supply; transformer

在低電壓、大電流供電的情況下，同步整流電路相對于二極管整流有著很大的優勢。同步整流電路有4個重要參數，即開通閾值、調整閾值、關斷閾值和消隱時間。同步整流芯片的功能簡要概述如下：芯片檢測被整流電壓的下降沿，經過一段消隱時間后，芯片輸出10 V柵極驅動電壓保證MOSFET的導通電阻Rds（on）最小。臨近一個周期結束時，芯片在MOSFET流過輸出電流下降的適當時刻降低柵極驅動電壓，這個適當的時刻由芯片的調整閾值和MOSFET的導通電阻Rds（on）共同決定，周期結束，芯片快速關斷MOSFET。如果輸出負載所需電流不大，負載較輕，芯片減小或關斷柵極驅動。芯片內部的消隱電路能夠避免MOSFET誤開誤關。

1? 同步整流控制器方案介紹

針對同步整流控制芯片的初步備選方案為恩智浦半導體公司生產的TEA1791T、TEA1792TS、TEA1791A

T、TEA1792ATS和TEA1795T。同步整流控制芯片的初步備選方案見表1。TEA1791T和TEA1792TS為低頻單驅動芯片，兩芯片能適應的主電路工作頻率為250 kHz和277 kHz。TEA1791AT和TEA1792ATS為高頻單驅動芯片，頻率為537 kHz和625 kHz，消隱時間0.8 μs和0.93 μs，適合LLC電路為主電路的架構。TEA17 95T為高頻雙驅動芯片，適合LLC電路和多路輸出的反激電路，1顆芯片驅動2顆MOSFET。

2? 同步整流控制器方案對比

經過初步選型后，考慮在TEA1795T、TEA1791AT之間做出選型。實際使用TEA1795T的應用過程中，遇到了多種關于TEA1795T的問題， 分析如下。

2.1? TEA1795T同步整流應用問題

2.1.1? TEA1795T出現雙驅動現象

TEA1795T芯片構成的同步整流電路，消隱時間0.52 μs偏短，實測輕載時，樣機電源輸出斷帶25%負載，該控制芯片無法避開LLC變壓器漏感和插件MOSFET引線電感引起的電壓震蕩時間，導致驅動關斷后二次開啟的現象，2個同步整流MOSFET出現電流大小波，且出現芯片雙驅動現象，影響整機效率。如圖1所示，控制芯片520 ns消隱時間過后驅動開通，由于LLC變壓器漏感和插件MOSFET引線電感導致MOSFET漏源極電壓震蕩，帶負載25%電流減小，負載電流在MOSFET內部 Rds（on）上的壓降為11 mV，芯片的關斷閾值為12 mV，使得檢測電壓小于關斷閾值，驅動關斷，MOSFET體二極管代替成為整流管.由于此時刻流過體二極管代的電流非常小，體二極管壓降也很小，導致芯片無法檢測到-220 mV，延時至電流增大，使-220 mV被觸發后芯片再次開通，出現雙驅動。MOSFET出現雙驅動對整體效率和MOSFET溫升可能會有一定影響，熱成像測試如圖2所示，測試條件為室溫25 ℃恒流負載2.5 A，穩態運行30 min，數據顯示同步整流MOSFET Q3為35.8 ℃，Q4為39.5 ℃?？紤]到輸出為25%負載，MOSFET大小波和雙驅動對損耗的影響不明顯，MOSFET溫升不高。該現象根本原因是輸出電流減小使檢測電壓的平臺降低了，只要使用TEA1795T芯片，以上措施只是讓該現象延遲到更輕負載時才出現，并不能完全消除。

2? TEA1795T驅動兩路MOSFET熱成像熱測試

樣機電源恒壓輸出端子通過2根6平方線連接電子負載設備，電子負載以恒流1.0 A拉動樣機電源輸出端，LLC拓撲和同步整流電路處于輕載關機狀態，此時刻LLC拓撲頻率為70 kHz左右，在TEA1795T最小開通時間520 ns內，LLC變壓器副邊繞組電流反向，對應的MOSFET Q4在520 ns時檢測到電壓大于-12 mV，從而主動關斷驅動，控制器關斷驅動后導致對應繞組電流突變，LLC高頻變壓器漏感引起 MOSFET漏源極電壓震蕩。同時，從LLC高頻變壓器角度看，另一個繞組電流方向不改變，對應的MOSFET緊接著開通，故兩管以960 kHz頻率推挽交替導通，考慮到漏感對電流的阻礙作用，同步整流控制器實際檢測-220 mV的時間有延遲，實測頻率680 K，如圖3所示，最終導致的后果，此狀態下同步整流MOSFET電壓應力超限，MOSFET漏源電壓實測 90 V，MOSFET最高漏源電壓為80 V，該狀態一直持續到24 V供電電壓降到8 V芯片關斷為止，大約8 ms，即樣機電源關機過程中同步整流芯片在最小開通時間內關斷驅動導致MOSFET以680 kHz電壓震蕩導致MOSFET瞬時電壓超過額定電壓。該激勵能夠持續交替進行，是因為TEA1795T在520 ns檢測到大于-12 mV關斷MOSFET后，下一個周期沒有停發驅動，如圖4所示。由于輕載關機同步整流控制器引發的MOSFET應力超規格問題，排除TEA1795T方案?？紤]到單驅動的TEA1791AT芯片可以在檢測到-12 mV的下一個周期停發驅動，所以選用TEA1791AT芯片。

2.2? TEA1791AT同步整流應用問題與改善方法

2.2.1? TEA1791AT同步整流電路應用的問題

如圖5所示，為TEA1791AT構成的同步整流電路。樣機電源輸出負載為滿載的12%，即輸出電流為1 A，樣機電源關機時最后一個周期同步整流MOSFET漏源電壓出現單次震蕩，如圖6所示。

由于半橋下管Q2驅動關斷，諧振腔電流給上管寄生電容放電，半橋中點電壓升至母線電壓，上管驅動已被LLC驅動芯片L6599第7腳輸入電壓檢測引腳關斷，半橋中點電壓開始諧振，而同步整流MOSFET開通，半橋中點電壓為nVo，諧振腔電流在中點電壓等于母線電壓時，經過上管體二極管反向流動至母線電容。同步整流MOSFET 在開通后930 ns檢測到負向電流對應閾值大于-12 mV，主動關斷，同步整流MOSFET漏源電壓震蕩一次， 另一個同步整流MOSFET檢測到負向電流對應閾值大于-12 mV，主動關斷，另一MOSFET漏源電壓震蕩一次，而此時，諧振電容電壓高于225 V，實測為280 V，半橋下管驅動關斷后，同步整流電路控制器供電電源端還未掉電，同步整流電路控制器仍然發出驅動，導致LLC變壓器副邊電流在同步整流MOSFET導通時仍有反向流動的可能，所以造成了同步整流MOSFET漏極震蕩現象。

2.2.2? TEA1791AT同步整流電路的改善方法

為解決上述現象，需要優化樣機電源關機時序，優化半橋諧振控制器和同步整流電路控制器的關斷順序，更改為先關斷LLC變壓器副邊同步整流電路控制器的供電電源，保證同步整流MOSFET驅動停止，后關斷LLC變壓器原邊半橋諧振控制器L6599芯片供電電源。半橋諧振控制器L6599芯片供電電源受芯片第7腳輸入電壓檢測引腳外接的分壓電阻RH和RL影響，優化后的L6599參數見表2。優化樣機電源開關機順序后，未出現輕載情況下同步整流電路異常的問題。

漏源電壓單次震蕩波形

3? 同步整流應用的其他問題

3.1? 同步整流控制芯片的PCB板布線

在進行同步整流MOSFET和控制芯片在PCB布線時，同步整流控制芯片的漏極和源極引腳到MOSFET的漏極和源極距離一定要短，同步整流控制芯片的漏極引腳和控制芯片的源極引腳所構成的環路要盡量小，布線距離短能使引線電感分量減小，布線環路小可以減小干擾，這樣做可以使同步整流控制芯片在工作中降低對整體環路的影響。

3.2? LLC變壓器副邊MOSFET電流測試注意點

使用示波器評估LLC變壓器副邊MOSFET電流波形時，需要用測試導線串接在被切斷的線路板銅箔兩端，如果在MOSFET漏極或源極串入測試導線，會導致測試導線的引線電感增加到被線路，從而增加MOSFET漏源電壓震蕩時間，影響檢測精度。為了解決這一問題，在LLC變壓器副邊公共抽頭端PCB銅箔處增加電流測試點，是一種更合理、準確、可靠的電流測試方法，該方法能盡可能減少對同步整流電路的影響。

3.3? 同步整流控制芯片調整閾值和MOSFET漏源導通電阻的選取

假設選取TEA1791AT和TEA1795T兩種同步整流芯片，其中TEA1791AT的驅動調整閾值為-55 mV，TEA1795T的驅動調整閾值為-25 mV，選擇MOSFET常溫25 ℃漏源電阻分別為10 mΩ和5 mΩ管子做對照。使用漏源電阻阻值相對高的10 mΩ MOSFET和TEA1791AT，管子在副邊電流55 mV/10 mΩ=5.5 A時開始降低驅動電壓，若使用TEA1795T，管子在副邊電流25 mV/10 mΩ=2.5 A；使用漏源電阻阻值相對低的5 mΩ MOSFET和TEA1791AT，管子在副邊電流55 mV/5 mΩ=11 A時開始降低驅動電壓，若使用TEA1795T，管子在副邊電流25 mV/5 mΩ=5 A時開始降低驅動電壓。由此可見，管子在流過電流很大的情況下降低柵極驅動電壓，會造成同步整流MOSFET對外阻抗上升，影響電源整機效率，若使用高調整閾值的同步整流控制芯片，需要搭配高漏源導通電阻的MOSFET。

4? 結論

設計了一款200 W AC/DC電源，輸出電壓為24 V，輸出端采用同步整流方案，著重討論了LLC變壓器副邊同步整流芯片的選型和設計應用過程，理論分析和實際應用的結論如下。

1）TEA1791T及TEA1792TS芯片消隱時間長，芯片最高頻率為250 kHz、277 kHz，本文設計的LLC電路軟啟動頻率320 kHz，掃頻至240 kHz左右，同步整流芯片開始工作，為防止輸出電流反灌，考慮頻率限制的因素，從理論分析上排除這2種低頻芯片。

2）TEA1791AT和TEA1792ATS高頻單驅動芯片，可以用于LLC電路，但由于TEA1792ATS芯片的 TSOP6封裝的出貨量很少，單價反而比SO8封裝高，考慮成本因素，排除TEA1792ATS。

3）樣機電源最終定型選擇TEA1791AT單驅動芯片，輸出半載以下的負載情況及開機空載開關機瞬間同步整流MOSFET的狀態是需要重點關注的，且恒壓情況下各種負載，LLC電路頻率基本一致，如果不考慮寬增益范圍，LLC最低頻率建議設在工作頻率的80%，以免出現輕載關機同步整流異常。

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