Olukey: hablemos del papel de MOSFET en la arquitectura básica de carga rápida

La estructura básica de suministro de energía decarga rapidaQC utiliza SSR de rectificación sincrónica flyback + lado secundario (secundario). Para los convertidores flyback, según el método de muestreo de retroalimentación, se puede dividir en: regulación del lado primario (primario) y regulación del lado secundario (secundario); según la ubicación del controlador PWM. Se puede dividir en: control del lado primario (primario) y control del lado secundario (secundario). Parece que no tiene nada que ver con MOSFET. Entonces,olukeyTengo que preguntar: ¿Dónde está escondido el MOSFET? ¿Qué papel jugó?

1. Ajuste del lado primario (primario) y ajuste del lado secundario (secundario)

La estabilidad del voltaje de salida requiere un enlace de retroalimentación para enviar su información cambiante al controlador principal PWM para ajustar los cambios en el voltaje de entrada y la carga de salida. Según los diferentes métodos de muestreo de retroalimentación, se puede dividir en ajuste del lado primario (primario) y ajuste del lado secundario (secundario), como se muestra en las Figuras 1 y 2.

Rectificación de diodo del lado secundario (secundario)

El MOSFET de rectificación síncrona SSR se coloca en la parte inferior

La señal de retroalimentación de la regulación del lado primario (primario) no se toma directamente del voltaje de salida, sino del devanado auxiliar o del devanado primario primario que mantiene una cierta relación proporcional con el voltaje de salida. Sus características son:

① Método de retroalimentación indirecta, tasa de regulación de carga deficiente y precisión deficiente;

②. Sencillo y de bajo costo;

③. No es necesario un optoacoplador de aislamiento.

La señal de retroalimentación para la regulación del lado secundario (secundario) se toma directamente del voltaje de salida mediante un optoacoplador y TL431. Sus características son:

① Método de retroalimentación directa, buena tasa de regulación de carga, tasa de regulación lineal y alta precisión;

②. El circuito de ajuste es complejo y costoso;

③. Es necesario aislar el optoacoplador, que presenta problemas de envejecimiento con el tiempo.

2. Rectificación de diodo del lado secundario (secundario) yMOSFETrectificación síncrona SSR

El lado secundario (secundario) del convertidor flyback generalmente usa rectificación de diodo debido a la gran corriente de salida de la carga rápida. Especialmente para carga directa o carga flash, la corriente de salida es de hasta 5A. Para mejorar la eficiencia, se utiliza MOSFET en lugar del diodo como rectificador, lo que se denomina rectificación síncrona secundaria (secundaria) SSR, como se muestra en las Figuras 3 y 4.

Rectificación síncrona MOSFET del lado secundario (secundario)

Características de la rectificación de diodos del lado secundario (secundario):

①. Sencillo, no se requiere ningún controlador de accionamiento adicional y el costo es bajo;

② Cuando la corriente de salida es grande, la eficiencia es baja;

③. Alta confiabilidad.

Características de la rectificación síncrona MOSFET del lado secundario (secundario):

①. Complejo, que requiere un controlador de accionamiento adicional y un coste elevado;

②. Cuando la corriente de salida es grande, la eficiencia es alta;

③. En comparación con los diodos, su fiabilidad es baja.

En aplicaciones prácticas, el MOSFET del SSR de rectificación síncrona generalmente se mueve desde el extremo alto al extremo bajo para facilitar la conducción, como se muestra en la Figura 5.

Las características del MOSFET de rectificación síncrona SSR de gama alta:

①. Requiere una unidad de arranque o una unidad flotante, lo cual es costoso;

②. Buen EMI.

Las características del MOSFET SSR de rectificación síncrona colocado en el extremo inferior:

① Accionamiento directo, accionamiento sencillo y bajo coste;

②. Pobre EMI.

3. Control del lado primario (primario) y control del lado secundario (secundario)

El controlador principal PWM se coloca en el lado primario (primario). Esta estructura se llama control del lado primario (primario). Para mejorar la precisión del voltaje de salida, la tasa de regulación de carga y la tasa de regulación lineal, el control del lado primario (primario) requiere un optoacoplador externo y TL431 para formar un enlace de retroalimentación. El ancho de banda del sistema es pequeño y la velocidad de respuesta es lenta.

Si el controlador principal PWM se coloca en el lado secundario (secundario), se pueden quitar el optoacoplador y el TL431, y el voltaje de salida se puede controlar y ajustar directamente con una respuesta rápida. Esta estructura se llama control secundario (secundario).

Características del control del lado primario (primario):

①. Se requieren optoacoplador y TL431 y la velocidad de respuesta es lenta;

②. La velocidad de protección de salida es lenta.

③. En el modo continuo de rectificación síncrona CCM, el lado secundario (secundario) requiere una señal de sincronización.

Características del control secundario (secundario):

①. La salida se detecta directamente, no se necesitan optoacopladores ni TL431, la velocidad de respuesta es rápida y la velocidad de protección de salida es rápida;

②. El MOSFET de rectificación síncrona del lado secundario (secundario) se activa directamente sin la necesidad de señales de sincronización; Se requieren dispositivos adicionales, como transformadores de impulsos, acoplamientos magnéticos o acopladores capacitivos, para transmitir las señales de activación del MOSFET de alto voltaje del lado primario (primario).

③. El lado primario (primario) necesita un circuito de arranque, o el lado secundario (secundario) tiene una fuente de alimentación auxiliar para arrancar.

4. Modo CCM continuo o modo DCM discontinuo

El convertidor flyback puede funcionar en modo CCM continuo o en modo DCM discontinuo. Si la corriente en el devanado secundario (secundario) llega a 0 al final de un ciclo de conmutación, se denomina modo DCM discontinuo. Si la corriente del devanado secundario (secundario) no es 0 al final de un ciclo de conmutación, se denomina modo CCM continuo, como se muestra en las Figuras 8 y 9.

Se puede ver en las Figuras 8 y 9 que los estados de funcionamiento del SSR de rectificación síncrona son diferentes en diferentes modos de funcionamiento del convertidor flyback, lo que también significa que los métodos de control del SSR de rectificación síncrona también serán diferentes.

Si se ignora el tiempo muerto, cuando se trabaja en modo CCM continuo, el SSR de rectificación síncrona tiene dos estados:

①. El MOSFET de alto voltaje del lado primario (primario) se enciende y el MOSFET de rectificación síncrona del lado secundario (secundario) se apaga;

②. El MOSFET de alto voltaje del lado primario (primario) se apaga y el MOSFET de rectificación síncrona del lado secundario (secundario) se enciende.

De manera similar, si se ignora el tiempo muerto, el SSR de rectificación síncrona tiene tres estados cuando opera en modo DCM discontinuo:

①. El MOSFET de alto voltaje del lado primario (primario) se enciende y el MOSFET de rectificación síncrona del lado secundario (secundario) se apaga;

②. El MOSFET de alto voltaje del lado primario (primario) se apaga y el MOSFET de rectificación síncrona del lado secundario (secundario) se enciende;

③. El MOSFET de alto voltaje del lado primario (primario) se apaga y el MOSFET de rectificación síncrona del lado secundario (secundario) se apaga.

5. Rectificación síncrona del lado secundario (secundario) SSR en modo CCM continuo

Si el convertidor flyback de carga rápida funciona en el modo CCM continuo, el método de control del lado primario (primario), el MOSFET de rectificación síncrona del lado secundario (secundario) requiere una señal de sincronización del lado primario (primario) para controlar el apagado.

Los dos métodos siguientes se utilizan generalmente para obtener la señal de accionamiento síncrono del lado secundario (secundario):

(1) Utilice directamente el devanado secundario (secundario), como se muestra en la Figura 10;

(2) Utilice componentes de aislamiento adicionales, como transformadores de impulsos, para transmitir la señal de accionamiento síncrono desde el lado primario (primario) al lado secundario (secundario), como se muestra en la Figura 12.

Usando directamente el devanado secundario (secundario) para obtener la señal de accionamiento síncrono, la precisión de la señal de accionamiento síncrono es muy difícil de controlar y es difícil lograr una eficiencia y confiabilidad optimizadas. Algunas empresas incluso utilizan controladores digitales para mejorar la precisión del control, como se muestra en la Figura 11.

El uso de un transformador de pulsos para obtener señales de conducción síncronas tiene una alta precisión, pero el costo es relativamente alto.

El método de control del lado secundario (secundario) generalmente utiliza un transformador de pulso o un método de acoplamiento magnético para transmitir la señal de accionamiento síncrono desde el lado secundario (secundario) al lado primario (primario), como se muestra en la Figura 7.v.

Utilice directamente el devanado secundario (secundario) para obtener la señal de accionamiento síncrono

Utilice directamente el devanado secundario (secundario) para obtener la señal de accionamiento síncrono + control digital

6. Rectificación síncrona del lado secundario (secundario) SSR en modo DCM discontinuo

Si el convertidor flyback de carga rápida funciona en modo DCM discontinuo. Independientemente del método de control del lado primario (primario) o del método de control del lado secundario (secundario), las caídas de voltaje D y S del MOSFET de rectificación síncrona se pueden detectar y controlar directamente.

(1) Activar el MOSFET de rectificación síncrona

Cuando el voltaje de VDS del MOSFET de rectificación síncrona cambia de positivo a negativo, el diodo parásito interno se enciende y, después de un cierto retraso, el MOSFET de rectificación síncrona se enciende, como se muestra en la Figura 13.

(2) Apagar el MOSFET de rectificación síncrona

Después de activar el MOSFET de rectificación síncrona, VDS=-Io*Rdson. Cuando la corriente del devanado secundario (secundario) disminuye a 0, es decir, cuando el voltaje de la señal de detección de corriente VDS cambia de negativo a 0, el MOSFET de rectificación síncrona se apaga, como se muestra en la Figura 13.

Encendido y apagado de MOSFET de rectificación síncrona en modo DCM discontinuo

En aplicaciones prácticas, el MOSFET de rectificación síncrona se apaga antes de que la corriente del devanado secundario (secundario) llegue a 0 (VDS=0). Los valores de voltaje de referencia de detección de corriente establecidos por diferentes chips son diferentes, como -20 mV, -50 mV, -100 mV, -200 mV, etc.

El voltaje de referencia de detección actual del sistema es fijo. Cuanto mayor sea el valor absoluto del voltaje de referencia de detección actual, menor será el error de interferencia y mejor será la precisión. Sin embargo, cuando la corriente de carga de salida Io disminuye, el MOSFET de rectificación síncrona se apagará a una corriente de salida mayor y su diodo parásito interno conducirá durante más tiempo, por lo que la eficiencia se reduce, como se muestra en la Figura 14.

Voltaje de referencia de detección de corriente y tiempo de apagado del MOSFET de rectificación síncrona

Además, si el valor absoluto del voltaje de referencia de detección actual es demasiado pequeño. Los errores y las interferencias del sistema pueden hacer que el MOSFET de rectificación síncrona se apague después de que la corriente del devanado secundario (secundario) exceda 0, lo que resulta en una corriente de entrada inversa, lo que afecta la eficiencia y la confiabilidad del sistema.

Las señales de detección de corriente de alta precisión pueden mejorar la eficiencia y confiabilidad del sistema, pero el costo del dispositivo aumentará. La precisión de la señal de detección actual está relacionada con los siguientes factores:
①. Precisión y deriva de temperatura del voltaje de referencia de detección de corriente;
②. El voltaje de polarización y el voltaje de compensación, la corriente de polarización y la corriente de compensación, y la deriva de temperatura del amplificador de corriente;
③. La precisión y la deriva de temperatura del Rdson de tensión del MOSFET de rectificación síncrona.

Además, desde la perspectiva del sistema, se puede mejorar mediante control digital, cambiando el voltaje de referencia de detección de corriente y cambiando el voltaje de excitación MOSFET de rectificación síncrona.

Cuando la corriente de carga de salida Io disminuye, si el voltaje de excitación del MOSFET de potencia disminuye, el voltaje de encendido del MOSFET correspondiente Rdson aumenta. Como se muestra en la Figura 15, es posible evitar el apagado temprano del MOSFET de rectificación síncrona, reducir el tiempo de conducción del diodo parásito y mejorar la eficiencia del sistema.

Reducir el voltaje de conducción VGS y apagar el MOSFET de rectificación síncrona

Se puede ver en la Figura 14 que cuando la corriente de carga de salida Io disminuye, el voltaje de referencia de detección de corriente también disminuye. De esta manera, cuando la corriente de salida Io es grande, se utiliza un voltaje de referencia de detección de corriente más alto para mejorar la precisión del control; cuando la corriente de salida Io es baja, se utiliza un voltaje de referencia de detección de corriente más bajo. También puede mejorar el tiempo de conducción del MOSFET de rectificación síncrona y mejorar la eficiencia del sistema.

Cuando el método anterior no se puede utilizar para mejorar, los diodos Schottky también se pueden conectar en paralelo en ambos extremos del MOSFET de rectificación síncrona. Después de apagar previamente el MOSFET de rectificación síncrona, se puede conectar un diodo Schottky externo para funcionamiento libre.

7. Modo híbrido CCM+DCM de control secundario (secundario)

Actualmente, existen básicamente dos soluciones comúnmente utilizadas para la carga rápida de teléfonos móviles:

(1) Control del lado primario (primario) y modo de trabajo DCM. El MOSFET de rectificación síncrona del lado secundario (secundario) no requiere una señal de sincronización.

(2) Control secundario (secundario), modo de funcionamiento mixto CCM+DCM (cuando la corriente de carga de salida disminuye, de CCM a DCM). El MOSFET de rectificación síncrona del lado secundario (secundario) se activa directamente y sus principios lógicos de encendido y apagado se muestran en la Figura 16:

Encendido del MOSFET de rectificación síncrona: cuando el voltaje de VDS del MOSFET de rectificación síncrona cambia de positivo a negativo, su diodo parásito interno se enciende. Después de un cierto retraso, el MOSFET de rectificación síncrona se enciende.

Apagar el MOSFET de rectificación síncrona:

① Cuando el voltaje de salida es menor que el valor establecido, la señal del reloj síncrono se usa para controlar el apagado del MOSFET y trabajar en modo CCM.

② Cuando el voltaje de salida es mayor que el valor establecido, la señal del reloj síncrono está blindada y el método de trabajo es el mismo que el modo DCM. La señal VDS=-Io*Rdson controla el apagado del MOSFET de rectificación síncrona.

El lado secundario (secundario) controla el apagado MOSFET de rectificación síncrona

¡Ahora todo el mundo sabe qué papel juega MOSFET en todo el control de calidad de la carga rápida!

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