Olukey: Parliamo del ruolo del MOSFET nell'architettura di base della ricarica rapida

La struttura di base dell'alimentatorericarica rapidaIl controllo di qualità utilizza SSR di rettifica sincrona flyback + lato secondario (secondario). Per i convertitori flyback, secondo il metodo di campionamento del feedback, questo può essere suddiviso in: regolazione del lato primario (primario) e regolazione del lato secondario (secondario); in base alla posizione del controller PWM. Può essere suddiviso in: controllo lato primario (primario) e controllo lato secondario (secondario). Sembra che non abbia nulla a che fare con MOSFET. COSÌ,Olukeydeve chiedere: dov'è nascosto il MOSFET? Che ruolo ha avuto?

1. Regolazione del lato primario (primario) e regolazione del lato secondario (secondario).

La stabilità della tensione di uscita richiede un collegamento di feedback per inviare le informazioni di modifica al controller principale PWM per regolare le variazioni della tensione di ingresso e del carico di uscita. A seconda dei diversi metodi di campionamento del feedback, può essere suddiviso in regolazione del lato primario (primario) e regolazione del lato secondario (secondario), come mostrato nelle Figure 1 e 2.

Raddrizzatore a diodi lato secondario (secondario).

Il MOSFET di rettifica sincrona SSR è posizionato nella parte inferiore

Il segnale di feedback della regolazione del lato primario (primario) non viene prelevato direttamente dalla tensione di uscita, ma dall'avvolgimento ausiliario o dall'avvolgimento primario primario che mantiene una certa relazione proporzionale con la tensione di uscita. Le sue caratteristiche sono:

① Metodo di feedback indiretto, scarsa velocità di regolazione del carico e scarsa precisione;

②. Semplice e a basso costo;

③. Non è necessario un fotoaccoppiatore di isolamento.

Il segnale di feedback per la regolazione del lato secondario (secondario) viene prelevato direttamente dalla tensione di uscita utilizzando un fotoaccoppiatore e TL431. Le sue caratteristiche sono:

① Metodo di feedback diretto, buona velocità di regolazione del carico, velocità di regolazione lineare e alta precisione;

②. Il circuito di regolazione è complesso e costoso;

③. E' necessario isolare il fotoaccoppiatore, che presenta problemi di invecchiamento nel tempo.

2. Rettifica del diodo lato secondario (secondario) eMOSFETrettificazione sincrona SSR

Il lato secondario (secondario) del convertitore flyback utilizza solitamente la rettifica a diodi a causa della grande corrente di uscita della ricarica rapida. Soprattutto per la ricarica diretta o la ricarica flash, la corrente di uscita arriva fino a 5 A. Per migliorare l'efficienza, viene utilizzato MOSFET al posto del diodo come raddrizzatore, chiamato SSR di rettifica sincrona secondaria (secondaria), come mostrato nelle Figure 3 e 4.

Rettifica sincrona MOSFET lato secondario (secondario).

Caratteristiche della rettifica del diodo del lato secondario (secondario):

①. Semplice, non è richiesto alcun controller di azionamento aggiuntivo e il costo è basso;

② Quando la corrente di uscita è elevata, l'efficienza è bassa;

③. Alta affidabilità.

Caratteristiche del raddrizzamento sincrono MOSFET lato secondario (secondario):

①. Complesso, richiede un controller di azionamento aggiuntivo e costi elevati;

②. Quando la corrente di uscita è elevata, l'efficienza è elevata;

③. Rispetto ai diodi, la loro affidabilità è bassa.

Nelle applicazioni pratiche, il MOSFET dell'SSR a rettifica sincrona viene solitamente spostato dalla fascia alta a quella bassa per facilitare il pilotaggio, come mostrato nella Figura 5.

Le caratteristiche del MOSFET di fascia alta del rettificatore sincrono SSR:

①. Richiede un'unità bootstrap o un'unità mobile, che è costosa;

②. Buona EMI.

Le caratteristiche del rettificatore sincrono SSR MOSFET posto nella fascia bassa:

① Azionamento diretto, azionamento semplice e basso costo;

②. Povera EMI.

3. Controllo del lato primario (primario) e controllo del lato secondario (secondario).

Il controller principale PWM è posizionato sul lato primario (primario). Questa struttura è chiamata controllo del lato primario (primario). Per migliorare la precisione della tensione di uscita, della velocità di regolazione del carico e della velocità di regolazione lineare, il controllo del lato primario (primario) richiede un fotoaccoppiatore esterno e un TL431 per formare un collegamento di feedback. La larghezza di banda del sistema è ridotta e la velocità di risposta è lenta.

Se il controller principale PWM è posizionato sul lato secondario (secondario), è possibile rimuovere il fotoaccoppiatore e il TL431 e la tensione di uscita può essere controllata e regolata direttamente con una risposta rapida. Questa struttura è chiamata controllo secondario (secondario).

Caratteristiche del controllo del lato primario (primario):

①. Sono necessari un fotoaccoppiatore e TL431 e la velocità di risposta è lenta;

②. La velocità della protezione dell'uscita è lenta.

③. Nella modalità continua di rettifica sincrona CCM, il lato secondario (secondario) richiede un segnale di sincronizzazione.

Caratteristiche del controllo secondario (secondario):

①. L'uscita viene rilevata direttamente, non sono necessari fotoaccoppiatori e TL431, la velocità di risposta è rapida e la velocità di protezione dell'uscita è elevata;

②. Il MOSFET di rettifica sincrono del lato secondario (secondario) è pilotato direttamente senza la necessità di segnali di sincronizzazione; Per trasmettere i segnali di pilotaggio del MOSFET ad alta tensione sul lato primario (primario) sono necessari dispositivi aggiuntivi come trasformatori di impulsi, accoppiamenti magnetici o accoppiatori capacitivi.

③. Il lato primario (primario) necessita di un circuito di avviamento, oppure il lato secondario (secondario) ha un'alimentazione ausiliaria per l'avviamento.

4. Modalità CCM continua o modalità DCM discontinua

Il convertitore flyback può funzionare in modalità CCM continua o modalità DCM discontinua. Se la corrente nell'avvolgimento secondario (secondario) raggiunge 0 alla fine di un ciclo di commutazione, si parla di modalità DCM discontinua. Se la corrente dell'avvolgimento secondario (secondario) non è 0 alla fine di un ciclo di commutazione, si parla di modalità CCM continua, come mostrato nelle Figure 8 e 9.

Dalla Figura 8 e dalla Figura 9 si può vedere che gli stati di funzionamento dell'SSR di rettifica sincrona sono diversi nelle diverse modalità operative del convertitore flyback, il che significa anche che anche i metodi di controllo dell'SSR di rettifica sincrona saranno diversi.

Se il tempo morto viene ignorato, quando si lavora in modalità CCM continua, l'SSR di raddrizzamento sincrono ha due stati:

①. Il MOSFET ad alta tensione del lato primario (primario) è acceso e il MOSFET di rettifica sincrono del lato secondario (secondario) è spento;

②. Il MOSFET ad alta tensione del lato primario (primario) è spento e il MOSFET di rettifica sincrono del lato secondario (secondario) è acceso.

Allo stesso modo, se il tempo morto viene ignorato, l'SSR di raddrizzamento sincrono presenta tre stati quando funziona in modalità DCM discontinua:

①. Il MOSFET ad alta tensione del lato primario (primario) è acceso e il MOSFET di rettifica sincrono del lato secondario (secondario) è spento;

②. Il MOSFET ad alta tensione del lato primario (primario) è spento e il MOSFET di rettifica sincrono del lato secondario (secondario) è acceso;

③. Il MOSFET ad alta tensione del lato primario (primario) è spento e il MOSFET di rettifica sincrono del lato secondario (secondario) è spento.

5. SSR di rettifica sincrona lato secondario (secondario) in modalità CCM continua

Se il convertitore flyback a carica rapida funziona in modalità CCM continua, il metodo di controllo del lato primario (primario), il MOSFET di rettifica sincrono del lato secondario (secondario) richiede un segnale di sincronizzazione dal lato primario (primario) per controllare lo spegnimento.

Per ottenere il segnale di pilotaggio sincrono del lato secondario (secondario) vengono solitamente utilizzati i due metodi seguenti:

(1) Utilizzare direttamente l'avvolgimento secondario (secondario), come mostrato nella Figura 10;

(2) Utilizzare componenti di isolamento aggiuntivi come trasformatori di impulsi per trasmettere il segnale di comando sincrono dal lato primario (primario) al lato secondario (secondario), come mostrato nella Figura 12.

Utilizzando direttamente l'avvolgimento secondario (secondario) per ottenere il segnale di azionamento sincrono, la precisione del segnale di azionamento sincrono è molto difficile da controllare ed è difficile ottenere efficienza e affidabilità ottimizzate. Alcune aziende utilizzano addirittura controller digitali per migliorare la precisione del controllo, come mostrato nella Figura 11.

L'utilizzo di un trasformatore di impulsi per ottenere segnali di guida sincroni ha un'elevata precisione, ma il costo è relativamente elevato.

Il metodo di controllo del lato secondario (secondario) utilizza solitamente un trasformatore di impulsi o un metodo di accoppiamento magnetico per trasmettere il segnale di azionamento sincrono dal lato secondario (secondario) al lato primario (primario), come mostrato nella Figura 7.v

Utilizzare direttamente l'avvolgimento secondario (secondario) per ottenere il segnale di azionamento sincrono

Utilizzare direttamente l'avvolgimento secondario (secondario) per ottenere il segnale di azionamento sincrono + controllo digitale

6. SSR di rettifica sincrona lato secondario (secondario) in modalità DCM discontinua

Se il convertitore flyback a carica rapida funziona in modalità DCM discontinua. Indipendentemente dal metodo di controllo del lato primario (primario) o dal metodo di controllo del lato secondario (secondario), le cadute di tensione D e S del MOSFET di rettifica sincrono possono essere rilevate e controllate direttamente.

(1) Accensione del MOSFET di rettifica sincrono

Quando la tensione del VDS del MOSFET di rettifica sincrono cambia da positiva a negativa, il diodo parassita interno si accende e, dopo un certo ritardo, il MOSFET di rettifica sincrono si accende, come mostrato nella Figura 13.

(2) Spegnimento del MOSFET di rettifica sincrono

Dopo l'accensione del MOSFET di rettifica sincrono, VDS=-Io*Rdson. Quando la corrente dell'avvolgimento secondario (secondario) diminuisce a 0, ovvero quando la tensione del segnale di rilevamento della corrente VDS cambia da negativa a 0, il MOSFET di rettifica sincrono si spegne, come mostrato nella Figura 13.

Accensione e spegnimento MOSFET di rettifica sincrona in modalità DCM discontinua

Nelle applicazioni pratiche, il MOSFET di rettifica sincrono si spegne prima che la corrente dell'avvolgimento secondario (secondario) raggiunga 0 (VDS=0). I valori della tensione di riferimento di rilevamento corrente impostati da chip diversi sono diversi, ad esempio -20 mV, -50 mV, -100 mV, -200 mV, ecc.

La tensione di riferimento del rilevamento corrente del sistema è fissa. Maggiore è il valore assoluto della tensione di riferimento del rilevamento corrente, minore è l'errore di interferenza e migliore è la precisione. Tuttavia, quando la corrente di carico in uscita Io diminuisce, il MOSFET di rettifica sincrono si spegnerà a una corrente di uscita maggiore e il suo diodo parassita interno condurrà per un tempo più lungo, quindi l'efficienza sarà ridotta, come mostrato nella Figura 14.

Tensione di riferimento di rilevamento corrente e tempo di spegnimento del MOSFET di rettifica sincrona

Inoltre, se il valore assoluto della tensione di riferimento del rilevamento corrente è troppo piccolo. Errori di sistema e interferenze possono causare lo spegnimento del MOSFET di rettifica sincrono dopo che la corrente dell'avvolgimento secondario (secondario) supera 0, con conseguente corrente di ingresso inversa, compromettendo l'efficienza e l'affidabilità del sistema.

Segnali di rilevamento della corrente ad alta precisione possono migliorare l’efficienza e l’affidabilità del sistema, ma il costo del dispositivo aumenterà. La precisione del segnale di rilevamento corrente è correlata ai seguenti fattori:
①. Precisione e deriva termica della tensione di riferimento di rilevamento corrente;
②. La tensione di polarizzazione e la tensione di offset, la corrente di polarizzazione e la corrente di offset e la deriva termica dell'amplificatore di corrente;
③. La precisione e la deriva termica della tensione Rdson del MOSFET di rettifica sincrono.

Inoltre, dal punto di vista del sistema, può essere migliorato attraverso il controllo digitale, modificando la tensione di riferimento di rilevamento della corrente e modificando la tensione di pilotaggio del MOSFET di rettifica sincrona.

Quando la corrente di carico in uscita Io diminuisce, se la tensione di pilotaggio del MOSFET di potenza diminuisce, la corrispondente tensione di accensione del MOSFET Rdson aumenta. Come mostrato nella Figura 15, è possibile evitare lo spegnimento anticipato del MOSFET di rettifica sincrono, ridurre il tempo di conduzione del diodo parassita e migliorare l'efficienza del sistema.

Riducendo la tensione di pilotaggio VGS e spegnendo il MOSFET di rettifica sincrono

Dalla Figura 14 si può vedere che quando la corrente di carico in uscita Io diminuisce, diminuisce anche la tensione di riferimento di rilevamento della corrente. In questo modo, quando la corrente di uscita Io è elevata, viene utilizzata una tensione di riferimento di rilevamento della corrente più elevata per migliorare la precisione del controllo; quando la corrente di uscita Io è bassa, viene utilizzata una tensione di riferimento di rilevamento della corrente inferiore. Può anche migliorare il tempo di conduzione del MOSFET di rettifica sincrono e migliorare l'efficienza del sistema.

Quando il metodo di cui sopra non può essere utilizzato per miglioramenti, i diodi Schottky possono anche essere collegati in parallelo su entrambe le estremità del MOSFET di rettifica sincrono. Dopo che il MOSFET di rettifica sincrono è stato spento in anticipo, è possibile collegare un diodo Schottky esterno per la ruota libera.

7. Modalità ibrida CCM+DCM di controllo secondario (secondario).

Attualmente esistono fondamentalmente due soluzioni comunemente utilizzate per la ricarica rapida dei telefoni cellulari:

(1) Controllo lato primario (primario) e modalità di funzionamento DCM. Il MOSFET di rettifica sincrono del lato secondario (secondario) non richiede un segnale di sincronizzazione.

(2) Controllo secondario (secondario), modalità operativa mista CCM+DCM (quando la corrente di carico in uscita diminuisce, da CCM a DCM). Il MOSFET di rettifica sincrono del lato secondario (secondario) è azionato direttamente e i suoi principi logici di accensione e spegnimento sono mostrati nella Figura 16:

Accensione del MOSFET di rettifica sincrono: quando la tensione del VDS del MOSFET di rettifica sincrona cambia da positiva a negativa, il suo diodo parassita interno si accende. Dopo un certo ritardo, il MOSFET di rettifica sincrono si accende.

Spegnimento del MOSFET di rettifica sincrono:

① Quando la tensione di uscita è inferiore al valore impostato, il segnale di clock sincrono viene utilizzato per controllare lo spegnimento del MOSFET e funzionare in modalità CCM.

② Quando la tensione di uscita è maggiore del valore impostato, il segnale dell'orologio sincrono è schermato e il metodo di lavoro è lo stesso della modalità DCM. Il segnale VDS=-Io*Rdson controlla lo spegnimento del MOSFET di rettifica sincrono.

Il lato secondario (secondario) controlla lo spegnimento del MOSFET di rettifica sincrona

Ora tutti sanno quale ruolo gioca il MOSFET nell'intero controllo di qualità della ricarica rapida!

A proposito di Olukey

Il team principale di Olukey si concentra sui componenti da 20 anni e ha sede a Shenzhen. Attività principale: MOSFET, MCU, IGBT e altri dispositivi. I principali prodotti agenti sono WINSOK e Cmsemicon. I prodotti sono ampiamente utilizzati nell'industria militare, nel controllo industriale, nelle nuove energie, nei prodotti medici, nel 5G, nell'Internet delle cose, nelle case intelligenti e in vari prodotti di elettronica di consumo. Basandoci sui vantaggi dell'agente generale globale originale, ci basiamo sul mercato cinese. Utilizziamo i nostri servizi vantaggiosi e completi per presentare ai nostri clienti vari componenti elettronici avanzati ad alta tecnologia, assistere i produttori nella produzione di prodotti di alta qualità e fornire servizi completi.