采用副邊同步整流解決方案降低開關電源過熱（一）

介紹

當今世界，手機，筆記本電腦等移動設備正在改變著人們的生活。對于這些設備的適配器，人們總是希望能做到小巧輕便，充電快速。為此，各大廠商近期爭相推出超小體積快充。

本文為如何為超小體積快充適配器設計副邊同步整流器系列文章的第一篇。 第一篇將介紹副邊同步整流的基本拓撲結構，以及對其供電的要求。 第二部分將介紹副邊同步整流器的開通和關斷過程以及快速關斷技術。

同步整流拓撲

充電速度快意味著更大的輸出電流和更多的發(fā)熱。而體積小巧則意味著更小的散熱面積。在這二者雙重作用下，熱的問題變得棘手。

圖2為常用的反激拓撲，假定系統(tǒng)輸出規(guī)格為5V 4A，那么流過副邊二極管的平均電流是4A。假設二極管的導通壓降是0.7V，在二極管上形成的導通損耗是2.8W，發(fā)熱嚴重。系統(tǒng)在這種情況下長期工作，會嚴重影響可靠性和用戶使用體驗。

圖2: 常用反激拓撲，發(fā)熱嚴重

遇到這種問題，如果用MOS管代替副邊輸出二極管，當副邊續(xù)流的時候把副邊MOS管打開，使其工作在同步整流模式。由于MOS的導通阻抗很小，續(xù)流過程中發(fā)熱量就很小。以導通阻抗10mΩ的MOS為例，當輸出電流4A時，MOS導通損耗僅為0.16W。發(fā)熱量被大大降低。

圖3: 用MOS管替代，顯著降低發(fā)熱

同步整流如何實現(xiàn)供電

我們都知道，對于NMOS，如果要在續(xù)流的過程中將MOS管打開就需要在G上提供高于S的電壓。而在續(xù)流的過程中，副邊的最高電壓就是S點的電壓。

圖4：續(xù)流過程中打開MOS管，G點上電壓需高于S點

我們可以想到用輔助繞組，如圖5采用額外的繞組給副邊MOS的驅動供電。但這種方式需要增加一個變壓器繞組和驅動電路，增加的系統(tǒng)的復雜度和成本。

圖5: 輔助繞組可提供高于S點的電壓

那么，有沒有不需要輔助繞組的方案呢？如上圖，如果我們把MOS管放到副邊輸出的低端，可以借助輸出電壓給MOS管供電。這種方式看似完美，但實際上MOS放在低端往往會造成系統(tǒng)的EMI表現(xiàn)更差。同時如果輸出電壓較低，就不足以為MOS的驅動提供足夠的電壓，因此無法在低壓輸出場合應用。

圖6: MOS管放到副邊輸出的低端

其方案的設計要點是既不需要輔助繞組，又能適應不同輸出電壓應用，同時也要保證系統(tǒng)EMI表現(xiàn)較好。MP9989, 集成了CCM（連續(xù)導通）和DCM（斷續(xù)導通）模式的反激二極管，可以實現(xiàn)這樣的設計（圖7）。

圖7: MP9989 提供了系統(tǒng)EMI 性能

MP9989，它可以直接放在輸出的高端，可支持低壓輸出，并且外圍電路非常簡單，我們稱之為理想二極管，MP9989關鍵優(yōu)勢就是它里面的自供電電路。

當原邊MOS打開時，MP9989的MOS管反向截止（圖8），此時(VDS)出現(xiàn)正壓，MP9989內部的自供電電路會給VDD電容充電。當原邊MOS關斷時，由于VDD電容已經被儲能，此時VDD可以為驅動電路供電，保證副邊MOS的順利打開。

圖8: 內部自供電電路給 VDD 電容充電

隨著USB PD越來越普及，輸出的電壓范圍越來越寬。較高的輸出電壓會給芯片的耐壓帶來挑戰(zhàn)。而MP9989內置100V的MOS，為寬范圍設計提供足夠裕量。

結論

在本文中，我們使用MP9989提供了一款副邊同步整流設計方案，可以成功導通MOS管同時還能減少發(fā)熱。第二篇我們將解釋同步整流器的開通和關斷的過程，同時探討快速關斷技術的優(yōu)勢。

審核編輯：湯梓紅