Olukey: Pojďme se bavit o roli MOSFETu v základní architektuře rychlého nabíjení

Základní struktura napájenírychlé nabíjeníQC používá flyback + sekundární stranu (sekundární) synchronní usměrnění SSR. U zpětných měničů lze podle metody vzorkování zpětné vazby rozdělit na: primární (primární) regulaci a sekundární (sekundární) stranu; podle umístění PWM regulátoru. Lze jej rozdělit na: primární (primární) řízení a sekundární (sekundární) řízení. Zdá se, že to nemá nic společného s MOSFET. Tak,Olukeyse musí ptát: Kde je ukryt MOSFET? Jakou roli to sehrálo?

1. Nastavení primární strany (primární) a seřízení sekundární strany (sekundární).

Stabilita výstupního napětí vyžaduje zpětnovazební linku, která posílá své měnící se informace do hlavního regulátoru PWM, aby se upravily změny vstupního napětí a výstupní zátěže. Podle různých metod vzorkování zpětné vazby jej lze rozdělit na nastavení primární strany (primární) a nastavení sekundární strany (sekundární), jak je znázorněno na obrázcích 1 a 2.

Usměrnění diod sekundární strany (sekundární).

V dolní části je umístěn synchronní usměrňovací MOSFET SSR

Zpětnovazební signál regulace primární strany (primární) není odebírán přímo z výstupního napětí, ale z pomocného vinutí nebo primárního primárního vinutí, které udržuje určitý proporcionální vztah k výstupnímu napětí. Jeho vlastnosti jsou:

① Metoda nepřímé zpětné vazby, špatná rychlost regulace zátěže a špatná přesnost;

②. Jednoduché a nízké náklady;

③. Není potřeba izolační optočlen.

Zpětnovazební signál pro sekundární (sekundární) regulaci je odebírán přímo z výstupního napětí pomocí optočlenu a TL431. Jeho vlastnosti jsou:

① Metoda přímé zpětné vazby, dobrá rychlost regulace zátěže, rychlost lineární regulace a vysoká přesnost;

②. Seřizovací obvod je složitý a nákladný;

③. Je nutné izolovat optočlen, který má časem problémy se stárnutím.

2. Sekundární strana (sekundární) usměrnění diod aMOSFETsynchronní usměrnění SSR

Sekundární strana (sekundár) flyback měniče obvykle využívá diodové usměrnění z důvodu velkého výstupního proudu rychlonabíjení. Zejména pro přímé nabíjení nebo nabíjení bleskem je výstupní proud až 5A. Aby se zlepšila účinnost, je místo diody jako usměrňovač použit MOSFET, který se nazývá sekundární (sekundární) synchronní usměrnění SSR, jak je znázorněno na obrázcích 3 a 4.

Sekundární strana (sekundární) synchronní usměrnění MOSFET

Charakteristika usměrnění diody na sekundární straně (sekundární):

①. Jednoduché, není potřeba žádný další ovladač pohonu a náklady jsou nízké;

② Když je výstupní proud velký, účinnost je nízká;

③. Vysoká spolehlivost.

Vlastnosti sekundárního (sekundárního) synchronního usměrnění MOSFET:

①. Komplexní, vyžadující přídavný ovladač pohonu a vysoké náklady;

②. Když je výstupní proud velký, účinnost je vysoká;

③. Ve srovnání s diodami je jejich spolehlivost nízká.

V praktických aplikacích se MOSFET synchronního usměrňovacího SSR obvykle přesune z horní části na spodní, aby se usnadnilo řízení, jak je znázorněno na obrázku 5.

Vlastnosti špičkového MOSFETu synchronního usměrnění SSR:

①. Vyžaduje bootstrap jednotku nebo plovoucí jednotku, což je nákladné;

②. Dobré EMI.

Charakteristika synchronního usměrňovače SSR MOSFET umístěného na spodním konci:

① Přímý pohon, jednoduchý pohon a nízké náklady;

②. Chudák EMI.

3. Primární strana (primární) kontrola a sekundární strana (sekundární) kontrola

Hlavní regulátor PWM je umístěn na primární straně (primární). Tato struktura se nazývá primární (primární) řízení. Aby se zlepšila přesnost výstupního napětí, rychlost regulace zátěže a rychlost lineární regulace, vyžaduje primární (primární) řízení externí optočlen a TL431 pro vytvoření zpětnovazebního spojení. Šířka pásma systému je malá a rychlost odezvy je pomalá.

Pokud je hlavní regulátor PWM umístěn na sekundární straně (sekundární), lze optočlen a TL431 odstranit a výstupní napětí lze přímo řídit a upravovat s rychlou odezvou. Tato struktura se nazývá sekundární (sekundární) řízení.

Vlastnosti primárního (primárního) ovládání:

①. Je vyžadován optočlen a TL431 a rychlost odezvy je pomalá;

②. Rychlost ochrany výstupu je pomalá.

③. V synchronním usměrňovacím kontinuálním režimu CCM vyžaduje sekundární strana (sekundární) synchronizační signál.

Vlastnosti sekundárního (sekundárního) ovládání:

①. Výstup je přímo detekován, není potřeba žádný optočlen a TL431, rychlost odezvy je vysoká a rychlost ochrany výstupu je vysoká;

②. Sekundární (sekundární) synchronní usměrňovací MOSFET je přímo řízen bez potřeby synchronizačních signálů; Pro přenos řídicích signálů primárního (primárního) vysokonapěťového MOSFETu jsou zapotřebí další zařízení, jako jsou pulzní transformátory, magnetické spojky nebo kapacitní spojky.

③. Primární strana (primární) potřebuje spouštěcí obvod, nebo sekundární strana (sekundární) má pro spouštění pomocné napájení.

4. Nepřetržitý režim CCM nebo přerušovaný režim DCM

Flyback konvertor může pracovat v kontinuálním režimu CCM nebo v nespojitém režimu DCM. Pokud proud v sekundárním (sekundárním) vinutí dosáhne 0 na konci spínacího cyklu, nazývá se to přerušovaný režim DCM. Pokud proud sekundárního (sekundárního) vinutí není na konci spínacího cyklu 0, nazývá se kontinuální režim CCM, jak je znázorněno na obrázcích 8 a 9.

Z obrázku 8 a obrázku 9 je vidět, že pracovní stavy synchronního usměrňovače SSR jsou různé v různých provozních režimech flyback měniče, což také znamená, že se budou lišit i způsoby řízení synchronního usměrňovače SSR.

Pokud je mrtvá doba ignorována, při práci v kontinuálním režimu CCM má synchronní usměrňovací SSR dva stavy:

①. Primární strana (primární) vysokonapěťový MOSFET je zapnutý a sekundární strana (sekundární) synchronní usměrňovací MOSFET je vypnutá;

②. Primární (primární) vysokonapěťový MOSFET je vypnutý a sekundární (sekundární) synchronní usměrňovací MOSFET je zapnutý.

Podobně, pokud je ignorována mrtvá doba, má synchronní usměrňovací SSR při provozu v přerušovaném režimu DCM tři stavy:

①. Primární strana (primární) vysokonapěťový MOSFET je zapnutý a sekundární strana (sekundární) synchronní usměrňovací MOSFET je vypnutá;

②. Primární strana (primární) vysokonapěťový MOSFET je vypnutý a sekundární strana (sekundární) synchronní usměrňovací MOSFET je zapnutá;

③. Primární (primární) vysokonapěťový MOSFET je vypnutý a sekundární (sekundární) synchronní usměrňovací MOSFET je vypnutý.

5. Sekundární (sekundární) synchronní usměrnění SSR v kontinuálním režimu CCM

Pokud rychlonabíjecí flyback měnič pracuje v kontinuálním režimu CCM, primární (primární) způsob řízení, sekundární (sekundární) synchronní usměrňovací MOSFET vyžaduje synchronizační signál z primární strany (primární) pro řízení vypnutí.

K získání signálu synchronního pohonu sekundární strany (sekundární) se obvykle používají následující dvě metody:

(1) Přímo použijte sekundární (sekundární) vinutí, jak je znázorněno na obrázku 10;

(2) K přenosu signálu synchronního pohonu z primární strany (primární) na sekundární stranu (sekundární) použijte další izolační komponenty, jako jsou pulzní transformátory, jak je znázorněno na obrázku 12.

Přímým použitím sekundárního (sekundárního) vinutí k získání signálu synchronního pohonu je velmi obtížné řídit přesnost signálu synchronního pohonu a je obtížné dosáhnout optimalizované účinnosti a spolehlivosti. Některé společnosti dokonce používají digitální ovladače ke zlepšení přesnosti řízení, jak ukazuje obrázek 11.

Použití pulzního transformátoru pro získání synchronních řídicích signálů má vysokou přesnost, ale náklady jsou relativně vysoké.

Metoda řízení sekundární strany (sekundární) obvykle používá pulzní transformátor nebo metodu magnetické vazby k přenosu signálu synchronního pohonu ze sekundární strany (sekundární) na primární stranu (primární), jak je znázorněno na obrázku 7.v.

Přímo použijte sekundární (sekundární) vinutí k získání signálu synchronního pohonu

Přímo použijte sekundární (sekundární) vinutí pro získání signálu synchronního pohonu + digitální ovládání

6. Sekundární (sekundární) synchronní usměrňovací SSR v nespojitém režimu DCM

Pokud konvertor rychlého nabíjení flyback pracuje v přerušovaném režimu DCM. Bez ohledu na způsob řízení primární (primární) strany nebo sekundární (sekundární) způsob řízení lze přímo detekovat a řídit poklesy napětí D a S synchronního usměrňovacího MOSFETu.

(1) Zapnutí synchronního usměrňovacího MOSFETu

Když se napětí VDS synchronního usměrňovacího MOSFETu změní z kladného na záporné, rozsvítí se vnitřní parazitní dioda a po určité prodlevě se rozsvítí synchronní usměrňovací MOSFET, jak je znázorněno na obrázku 13.

(2) Vypnutí synchronního usměrňovacího MOSFETu

Po zapnutí synchronního usměrňovacího MOSFETu VDS=-Io*Rdson. Když proud sekundárního (sekundárního) vinutí klesne na 0, to znamená, když se napětí signálu detekce proudu VDS změní z negativního na 0, synchronní usměrňovací MOSFET se vypne, jak je znázorněno na obrázku 13.

Zapnutí a vypnutí synchronního usměrňovače MOSFET v nespojitém režimu DCM

V praktických aplikacích se synchronní usměrňovací MOSFET vypne dříve, než proud sekundárního (sekundárního) vinutí dosáhne 0 (VDS=0). Hodnoty referenčního napětí detekce proudu nastavené různými čipy jsou různé, například -20 mV, -50 mV, -100 mV, -200 mV atd.

Referenční napětí detekce proudu systému je pevné. Čím větší je absolutní hodnota referenčního napětí detekce proudu, tím menší je chyba rušení a tím lepší je přesnost. Když se však výstupní zátěžový proud Io sníží, synchronní usměrňovací MOSFET se při větším výstupním proudu vypne a jeho vnitřní parazitní dioda bude vést delší dobu, takže se účinnost sníží, jak je znázorněno na obrázku 14.

Referenční napětí snímání proudu a čas vypnutí synchronního usměrňovače MOSFET

Navíc, pokud je absolutní hodnota referenčního napětí detekce proudu příliš malá. Systémové chyby a rušení mohou způsobit, že se synchronní usměrňovací MOSFET vypne poté, co proud sekundárního (sekundárního) vinutí překročí 0, což má za následek zpětný přítokový proud, což ovlivňuje účinnost a spolehlivost systému.

Vysoce přesné signály detekce proudu mohou zlepšit účinnost a spolehlivost systému, ale náklady na zařízení se zvýší. Přesnost signálu detekce proudu souvisí s následujícími faktory:
①. Přesnost a teplotní drift referenčního napětí detekce proudu;
②. Předpětí a offsetové napětí, předpětí a offsetový proud a teplotní drift proudového zesilovače;
③. Přesnost a teplotní drift napěťového Rdson synchronního usměrňovacího MOSFETu.

Navíc, z pohledu systému, může být vylepšen digitálním řízením, změnou referenčního napětí detekce proudu a změnou synchronního usměrňovacího MOSFET hnacího napětí.

Když výstupní zatěžovací proud Io klesá, jestliže se snižuje budicí napětí výkonového MOSFETu, zvyšuje se odpovídající spínací napětí MOSFET Rdson. Jak je znázorněno na obrázku 15, je možné se vyhnout předčasnému vypnutí synchronního usměrňovacího MOSFETu, snížit dobu vedení parazitní diody a zlepšit účinnost systému.

Snížení hnacího napětí VGS a vypnutí synchronního usměrňovacího MOSFETu

Z obrázku 14 je vidět, že když výstupní proud zátěže Io klesá, snižuje se také referenční napětí detekce proudu. Tímto způsobem, když je výstupní proud Io velký, je použito vyšší referenční napětí detekce proudu pro zlepšení přesnosti řízení; když je výstupní proud Io nízký, použije se nižší referenční napětí detekce proudu. Může také zlepšit dobu vedení synchronního usměrňovacího MOSFET a zlepšit účinnost systému.

Když nelze pro zlepšení použít výše uvedenou metodu, lze Schottkyho diody také zapojit paralelně na oba konce synchronního usměrňovacího MOSFETu. Po předchozím vypnutí synchronního usměrňovacího MOSFETu lze připojit externí Schottkyho diodu pro volnoběh.

7. Sekundární (sekundární) řízení Hybridní režim CCM+DCM

V současné době existují v zásadě dvě běžně používaná řešení pro rychlé nabíjení mobilních telefonů:

(1) Primární (primární) řízení a pracovní režim DCM. Sekundární (sekundární) synchronní usměrnění MOSFET nevyžaduje synchronizační signál.

(2) Sekundární (sekundární) řízení, smíšený provozní režim CCM+DCM (když výstupní zátěžový proud klesá, z CCM na DCM). Synchronní usměrňovací MOSFET na sekundární straně (sekundární) je přímo řízen a jeho logické principy zapínání a vypínání jsou znázorněny na obrázku 16:

Zapnutí synchronního usměrňovacího MOSFETu: Když se napětí VDS synchronního usměrňovacího MOSFETu změní z kladného na záporné, rozsvítí se jeho vnitřní parazitní dioda. Po určité prodlevě se zapne synchronní usměrňovací MOSFET.

Vypnutí synchronního usměrňovače MOSFET:

① Když je výstupní napětí nižší než nastavená hodnota, synchronní hodinový signál se používá k ovládání vypnutí MOSFET a práce v režimu CCM.

② Když je výstupní napětí vyšší než nastavená hodnota, synchronní hodinový signál je stíněný a pracovní metoda je stejná jako v režimu DCM. Signál VDS=-Io*Rdson řídí vypnutí synchronního usměrňovacího MOSFETu.

Sekundární strana (sekundární) řídí vypínání synchronního usměrnění MOSFET

Nyní každý ví, jakou roli hraje MOSFET v celém rychlém nabíjení QC!

O Olukey

Základní tým společnosti Olukey se zaměřuje na komponenty již 20 let a sídlí v Shenzhenu. Hlavní předmět podnikání: MOSFET, MCU, IGBT a další zařízení. Hlavními produkty agentů jsou WINSOK a Cmsemicon. Produkty jsou široce používány ve vojenském průmyslu, průmyslové kontrole, nové energii, zdravotnických produktech, 5G, internetu věcí, inteligentních domácnostech a různých produktech spotřební elektroniky. Spoléháme se na výhody původního globálního generálního zástupce a vycházíme z čínského trhu. Využíváme našich komplexních výhodných služeb, abychom našim zákazníkům představili různé pokročilé high-tech elektronické součástky, pomáhali výrobcům vyrábět vysoce kvalitní produkty a poskytovali komplexní služby.