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同步整流的简化方法

作者:Diodes 公司AC-DC产品事业部经理 Richard Lin

 

由于数百亿个新装置 (其中也包括非连网的数十亿个新装置) 预期投入使用,因此对小型、高效率的外部电源转换需求也持续增长。脱机转换器可为便携式「智能型」装置的充电变压器、路由器、计算机、游戏主机以及电信和网络设备等所有设备供电。这些装置的共通点,就是他们都需要将高压交流电转换为更低的直流电压。

一旦电源供应接通,即使这些装置并没有为装置进行供电或充电,它们一样在消耗能源。这也是十五年前加州能源委员会 (California Energy Commission) 宣布打算限制贩卖低效率外部电源供应器的原因。从那时起,严格的立法便开始生效,并根据两个参数来规范能源浪费的减少:睡眠模式下的最大允许功耗,和稳定状态下的最小能源效率等级。「生态设计」法规 (符合美国能源部 VI 级标准和 EU Tier 2 标准) 的建立,代表外部电源现在需要达到 89% 或更高的效率。这些规范分别在 2016 年 (美国) 和 2020 年 4 月 (欧洲) 生效。

修改电源供应的设计一点都不容易。对一次侧进行的设计变更,将需要重新提交产品以更新安全认证,这也是许多 OEM 致力于修改二次侧的原因。

解决方案同步整流

在传统的二次侧上,二极管是用于搭配一次侧使用。现在,这些二极管虽然已经被效能基本相同的晶体管所取代,但它们能提供更高切换效率的额外优势。相关控制器可实施同步整流,以在可变负载条件下实现更佳的管理。不过,如此获得的效率比则视同步整流的实作方式而定。因此还有其他项目要列入考虑,例如使用的系统架构拓扑。

同步整流通常以连续或断续导通模式 (CCM/DCM) 或准共振 (QR) 反驰模式实作,这些方法在脱机转换中都相当热门。CCM 通常会在较重的负载下出现,而在这种模式下,流经电感器的电流永远不会降至零。在较轻的负载下,则是 DCM 的效率更高,此时电感器电流可以降至零。准共振反驰则像 DCM 一样,因为这种装置没有固定的切换频率。反之,当极电压出现谷值时,控制器会切换至开启。

APR348 二次侧 MOSFET 驱动器则支持高达 20V 的高侧和低侧反驰转换器的所有模式。透过纳入这种程度的可配置性和功能,设计工程师可以根据预期的负载类型更妥善的优化其设计。由于 APR348 的高度整合,因此几乎不需要额外的外部组件,这代表 OEM 仍可以实现小型且高效率的电源设计。

APR348 的主要特色,是其快速开启和关闭时间 (分别为 30ns 和 25ns),可减少功耗并确保 CCM 模式下的安全操作。它也具备遮没期,可设定 MOSFET 的最短导通期间,透过限制电压振铃现象的影响以改善整体效能。在轻负载 (LL) 模式下,只有轻负载或无负载时,其内部定时器会跳过周期。本功能也可在无负载的情况下降低待机功率。此外,高侧开关不需要额外的变压器绕组。

使用 APR348 等组件可将脱机转换效率提高到全新的等级,同时消除许多其他外部组件的需求。这可以减少整体 BOM 并维持设计的精巧,并提高最终产品的整体效率和睡眠模式功耗,使工程师能够预留空间,以达到要求的 DoE Level VI 和 EU Tier 2 标准。