Olukey: Porozmawiajmy o roli MOSFET-u w podstawowej architekturze szybkiego ładowania

Podstawowa struktura zasilaniaszybkie ładowanieQC wykorzystuje synchroniczny prostownik SSR typu flyback + strona wtórna (wtórna). W przypadku przetworników typu flyback, zgodnie z metodą próbkowania ze sprzężeniem zwrotnym, można ją podzielić na: regulację po stronie pierwotnej (pierwotnej) i regulację po stronie wtórnej (wtórnej); zgodnie z lokalizacją kontrolera PWM. Można je podzielić na: sterowanie po stronie pierwotnej (pierwotne) i sterowanie po stronie wtórnej (wtórnej). Wygląda na to, że nie ma to nic wspólnego z MOSFET-em. Więc,Olukeymusi zadać pytanie: Gdzie jest ukryty MOSFET? Jaką rolę odegrało?

1. Regulacja strony pierwotnej (pierwotnej) i regulacja strony wtórnej (wtórnej).

Stabilność napięcia wyjściowego wymaga łącza zwrotnego, które przesyła zmieniające się informacje do głównego sterownika PWM w celu dostosowania zmian napięcia wejściowego i obciążenia wyjściowego. Zgodnie z różnymi metodami próbkowania ze sprzężeniem zwrotnym można je podzielić na regulację po stronie pierwotnej (pierwotnej) i regulację po stronie wtórnej (wtórnej), jak pokazano na rysunkach 1 i 2.

Prostowanie diodowe strony wtórnej (wtórnej).

Synchroniczny prostowniczy MOSFET SSR umieszczono na dole

Sygnał zwrotny regulacji strony pierwotnej (pierwotnej) nie jest pobierany bezpośrednio z napięcia wyjściowego, ale z uzwojenia pomocniczego lub pierwotnego uzwojenia pierwotnego, które utrzymuje pewną proporcjonalność do napięcia wyjściowego. Jego cechy to:

① Metoda pośredniego sprzężenia zwrotnego, słaba szybkość regulacji obciążenia i słaba dokładność;

②. Prosty i niski koszt;

③. Nie ma potrzeby stosowania transoptora izolującego.

Sygnał zwrotny do regulacji strony wtórnej (wtórnej) pobierany jest bezpośrednio z napięcia wyjściowego za pomocą transoptora i TL431. Jego cechy to:

① Metoda bezpośredniego sprzężenia zwrotnego, dobra szybkość regulacji obciążenia, szybkość regulacji liniowej i wysoka precyzja;

②. Obwód regulacyjny jest złożony i kosztowny;

③. Konieczne jest odizolowanie transoptora, który z biegiem czasu ma problemy ze starzeniem się.

2. Prostowanie diody strony wtórnej (wtórnej) iMOSFETsynchroniczny prostowniczy SSR

Strona wtórna (wtórna) konwertera typu flyback zwykle wykorzystuje prostowanie diodowe ze względu na duży prąd wyjściowy szybkiego ładowania. Zwłaszcza w przypadku ładowania bezpośredniego lub ładowania błyskowego prąd wyjściowy wynosi aż 5A. Aby poprawić wydajność, zamiast diody jako prostownik zastosowano MOSFET, który nazywa się wtórnym (wtórnym) synchronicznym prostownikiem SSR, jak pokazano na rysunkach 3 i 4.

Strona wtórna (wtórna) synchroniczne prostowanie MOSFET

Charakterystyka prostownika diodowego strony wtórnej (wtórnej):

①. Proste, nie jest wymagany żaden dodatkowy kontroler napędu, a koszt jest niski;

② Gdy prąd wyjściowy jest duży, wydajność jest niska;

③. Wysoka niezawodność.

Cechy synchronicznego prostowania MOSFET po stronie wtórnej:

①. Złożone, wymagające dodatkowego sterownika napędu i wysokich kosztów;

②. Gdy prąd wyjściowy jest duży, wydajność jest wysoka;

③. W porównaniu z diodami ich niezawodność jest niska.

W praktycznych zastosowaniach MOSFET synchronicznego prostownika SSR jest zwykle przesuwany z górnego końca do dolnego końca, aby ułatwić sterowanie, jak pokazano na rysunku 5.

Charakterystyka wysokiej klasy MOSFET-u synchronicznego prostowania SSR:

①. Wymaga napędu typu bootstrap lub napędu pływającego, co jest kosztowne;

②. Dobre EMI.

Charakterystyka synchronicznego prostownika SSR MOSFET umieszczonego na niskim końcu:

① Napęd bezpośredni, prosty napęd i niski koszt;

②. Słabe EMI.

3. Sterowanie stroną pierwotną (pierwotną) i sterowanie stroną wtórną (wtórną).

Główny sterownik PWM jest umieszczony po stronie pierwotnej (pierwotnej). Struktura ta nazywana jest kontrolą strony pierwotnej (pierwotnej). Aby poprawić dokładność napięcia wyjściowego, szybkości regulacji obciążenia i szybkości regulacji liniowej, sterowanie po stronie pierwotnej (pierwotnej) wymaga zewnętrznego transoptora i TL431 w celu utworzenia łącza zwrotnego. Przepustowość systemu jest mała, a szybkość reakcji niska.

Jeśli główny kontroler PWM zostanie umieszczony po stronie wtórnej (wtórnej), transoptor i TL431 można usunąć, a napięcie wyjściowe można bezpośrednio kontrolować i regulować z szybką reakcją. Struktura ta nazywana jest kontrolą wtórną (wtórną).

Sterowanie po stronie pierwotnej (pierwotnej).

Cechy sterowania po stronie pierwotnej (pierwotnej):

①. Wymagany jest transoptor i TL431, a szybkość reakcji jest niska;

②. Szybkość ochrony wyjścia jest niska.

③. W trybie ciągłym prostowania synchronicznego CCM strona wtórna (wtórna) wymaga sygnału synchronizacji.

Cechy kontroli wtórnej (wtórnej):

①. Wyjście jest wykrywane bezpośrednio, nie jest potrzebny transoptor ani TL431, szybkość reakcji jest szybka, a prędkość ochrony wyjściowej jest szybka;

②. Synchroniczny prostownik MOSFET strony wtórnej (wtórny) jest bezpośrednio napędzany bez konieczności stosowania sygnałów synchronizacyjnych; do przesyłania sygnałów sterujących wysokonapięciowego MOSFET-u po stronie pierwotnej (pierwotnego) wymagane są dodatkowe urządzenia, takie jak transformatory impulsowe, sprzęgła magnetyczne lub sprzęgacze pojemnościowe.

③. Strona pierwotna (pierwotna) wymaga obwodu rozruchowego lub strona wtórna (wtórna) ma pomocnicze źródło zasilania do rozruchu.

4. Ciągły tryb CCM lub nieciągły tryb DCM

Konwerter flyback może pracować w trybie ciągłym CCM lub nieciągłym trybie DCM. Jeżeli prąd w uzwojeniu wtórnym (wtórnym) osiągnie 0 pod koniec cyklu przełączania, nazywa się to nieciągłym trybem DCM. Jeśli prąd uzwojenia wtórnego (wtórnego) nie wynosi 0 na końcu cyklu przełączania, nazywa się to ciągłym trybem CCM, jak pokazano na rysunkach 8 i 9.

Z rysunku 8 i rysunku 9 wynika, że stany pracy synchronicznego prostowniczego SSR są różne w różnych trybach pracy przetwornicy typu flyback, co oznacza również, że sposoby sterowania synchronicznego prostowniczego SSR będą również inne.

Jeśli czas martwy zostanie zignorowany, podczas pracy w trybie ciągłym CCM synchroniczny prostowniczy SSR ma dwa stany:

①. Wysoki napięcie MOSFET po stronie pierwotnej (pierwotny) jest włączony, a synchroniczny MOSFET prostowniczy po stronie wtórnej (wtórny) jest wyłączony;

②. Wysokonapięciowy MOSFET po stronie pierwotnej (pierwotny) jest wyłączony, a synchroniczny MOSFET prostowniczy po stronie wtórnej (wtórny) jest włączony.

Podobnie, jeśli czas martwy zostanie zignorowany, synchroniczny prostowniczy SSR ma trzy stany podczas pracy w nieciągłym trybie DCM:

①. Wysoki napięcie MOSFET po stronie pierwotnej (pierwotny) jest włączony, a synchroniczny MOSFET prostowniczy po stronie wtórnej (wtórny) jest wyłączony;

②. Wysokonapięciowy MOSFET po stronie pierwotnej (pierwotny) jest wyłączony, a synchroniczny MOSFET prostowniczy po stronie wtórnej (wtórny) jest włączony;

③. Wysokonapięciowy MOSFET po stronie pierwotnej (pierwotny) jest wyłączony, a synchroniczny MOSFET prostowniczy po stronie wtórnej (wtórny) jest wyłączony.

5. Strona wtórna (wtórna) synchroniczna prostownicza SSR w trybie ciągłym CCM

Jeśli szybko ładujący konwerter typu flyback działa w trybie ciągłym CCM, metoda sterowania po stronie pierwotnej (pierwotnej), synchroniczny prostowniczy MOSFET po stronie wtórnej (wtórnej) wymaga sygnału synchronizacji ze strony pierwotnej (pierwotnej) do sterowania wyłączaniem.

W celu uzyskania synchronicznego sygnału sterującego strony wtórnej (wtórnej) stosuje się zwykle dwie następujące metody:

(1) Bezpośrednio użyj uzwojenia wtórnego (wtórnego), jak pokazano na rysunku 10;

(2) Użyj dodatkowych elementów izolujących, takich jak transformatory impulsowe, aby przesłać synchroniczny sygnał napędowy ze strony pierwotnej (pierwotnej) do strony wtórnej (wtórnej), jak pokazano na rysunku 12.

Bezpośrednio wykorzystując uzwojenie wtórne (wtórne) do uzyskania sygnału napędu synchronicznego, dokładność sygnału napędu synchronicznego jest bardzo trudna do kontrolowania i trudno jest osiągnąć zoptymalizowaną wydajność i niezawodność. Niektóre firmy używają nawet sterowników cyfrowych w celu poprawy dokładności sterowania, jak pokazano na rysunku 11.

Zastosowanie transformatora impulsowego do uzyskania synchronicznych sygnałów sterujących charakteryzuje się dużą dokładnością, ale koszt jest stosunkowo wysoki.

Metoda sterowania po stronie wtórnej (wtórnej) zwykle wykorzystuje transformator impulsowy lub metodę sprzężenia magnetycznego do przesyłania synchronicznego sygnału sterującego ze strony wtórnej (wtórnej) do strony pierwotnej (pierwotnej), jak pokazano na rysunku 7.v

Bezpośrednio użyj uzwojenia wtórnego (wtórnego), aby uzyskać synchroniczny sygnał napędowy

Bezpośrednio użyj uzwojenia wtórnego (wtórnego), aby uzyskać synchroniczny sygnał napędowy + sterowanie cyfrowe

6. Strona wtórna (wtórna) synchroniczna prostownicza SSR w nieciągłym trybie DCM

Jeśli konwerter szybkiego ładowania typu flyback działa w nieciągłym trybie DCM. Niezależnie od metody sterowania po stronie pierwotnej (pierwotnej) lub metody sterowania po stronie wtórnej (wtórnej), spadki napięcia D i S synchronicznego prostownika MOSFET mogą być bezpośrednio wykrywane i kontrolowane.

(1) Włączenie synchronicznego prostownika MOSFET

Kiedy napięcie VDS synchronicznego prostownika MOSFET zmienia się z dodatniego na ujemne, włącza się wewnętrzna dioda pasożytnicza, a po pewnym opóźnieniu włącza się synchroniczny MOSFET prostowniczy, jak pokazano na rysunku 13.

(2) Wyłączenie synchronicznego prostownika MOSFET

Po włączeniu synchronicznego prostownika MOSFET, VDS=-Io*Rdson. Gdy prąd uzwojenia wtórnego (wtórnego) spadnie do 0, to znaczy, gdy napięcie sygnału detekcji prądu VDS zmieni się z ujemnego na 0, synchroniczny MOSFET prostujący wyłączy się, jak pokazano na rysunku 13.

Włączanie i wyłączanie synchronicznego prostownika MOSFET w nieciągłym trybie DCM

W praktycznych zastosowaniach synchroniczny prostownik MOSFET wyłącza się, zanim prąd uzwojenia wtórnego (wtórnego) osiągnie 0 (VDS=0). Wartości napięcia referencyjnego wykrywania prądu ustawione przez różne chipy są różne, np. -20 mV, -50 mV, -100 mV, -200 mV itp.

Napięcie referencyjne wykrywania prądu w systemie jest stałe. Im większa wartość bezwzględna napięcia odniesienia wykrywania prądu, tym mniejszy błąd interferencji i lepsza dokładność. Jednakże, gdy wyjściowy prąd obciążenia Io maleje, synchroniczny prostowniczy MOSFET wyłączy się przy większym prądzie wyjściowym, a jego wewnętrzna dioda pasożytnicza będzie przewodziła przez dłuższy czas, więc wydajność spadnie, jak pokazano na rysunku 14.

Napięcie odniesienia pomiaru prądu i czas wyłączenia MOSFET-u synchronicznego prostowania

Ponadto, jeśli wartość bezwzględna napięcia odniesienia wykrywania prądu jest zbyt mała. Błędy i zakłócenia systemu mogą powodować wyłączenie synchronicznego prostownika MOSFET, gdy prąd uzwojenia wtórnego (wtórnego) przekroczy 0, co skutkuje wstecznym przepływem prądu, co wpływa na wydajność i niezawodność systemu.

Precyzyjne sygnały detekcji prądu mogą poprawić wydajność i niezawodność systemu, ale koszt urządzenia wzrośnie. Dokładność aktualnego sygnału detekcji zależy od następujących czynników:
①. Dokładność i dryft temperaturowy napięcia odniesienia wykrywania prądu;
②. Napięcie polaryzacji i napięcie przesunięcia, prąd polaryzacji i prąd przesunięcia oraz dryft temperaturowy wzmacniacza prądowego;
③. Dokładność i dryft temperaturowy Rdson przy napięciu synchronicznego prostownika MOSFET.

Ponadto, z punktu widzenia systemowego, można to ulepszyć poprzez sterowanie cyfrowe, zmianę napięcia odniesienia detekcji prądu i zmianę synchronicznego napięcia sterującego MOSFET.

Gdy wyjściowy prąd obciążenia Io maleje, a napięcie sterujące MOSFET-u mocy maleje, wzrasta odpowiednie napięcie włączenia MOSFET-u Rdson. Jak pokazano na rysunku 15, można uniknąć wcześniejszego wyłączenia synchronicznego prostownika MOSFET, skrócić czas przewodzenia diody pasożytniczej i poprawić wydajność systemu.

Zmniejszenie napięcia sterującego VGS i wyłączenie synchronicznego prostownika MOSFET

Z rysunku 14 można zobaczyć, że gdy wyjściowy prąd obciążenia Io maleje, zmniejsza się również napięcie odniesienia wykrywanego prądu. W ten sposób, gdy prąd wyjściowy Io jest duży, stosuje się wyższe napięcie odniesienia wykrywania prądu, aby poprawić dokładność sterowania; gdy prąd wyjściowy Io jest niski, stosowane jest niższe napięcie odniesienia wykrywania prądu. Może również poprawić czas przewodzenia synchronicznego prostownika MOSFET i poprawić wydajność systemu.

Gdy powyższa metoda nie może zostać wykorzystana do poprawy, diody Schottky'ego można również podłączyć równolegle na obu końcach synchronicznego prostownika MOSFET. Po wcześniejszym wyłączeniu synchronicznego prostownika MOSFET można podłączyć zewnętrzną diodę Schottky'ego w celu zapewnienia swobodnego działania.

7. Sterowanie wtórne (wtórne) w trybie hybrydowym CCM+DCM

Obecnie powszechnie stosowane są dwa rozwiązania umożliwiające szybkie ładowanie telefonów komórkowych:

(1) Sterowanie po stronie pierwotnej (pierwotne) i tryb pracy DCM. Synchroniczny prostownik MOSFET strony wtórnej (wtórny) nie wymaga sygnału synchronizacji.

(2) Sterowanie wtórne (wtórne), mieszany tryb pracy CCM+DCM (kiedy prąd obciążenia wyjściowego maleje, z CCM do DCM). Synchroniczny prostownik MOSFET strony wtórnej (wtórny) jest napędzany bezpośrednio, a zasady jego logiki włączania i wyłączania pokazano na rysunku 16:

Włączenie synchronicznego prostownika MOSFET: Kiedy napięcie VDS synchronicznego prostownika MOSFET zmienia się z dodatniego na ujemne, włącza się jego wewnętrzna dioda pasożytnicza. Po pewnym opóźnieniu włącza się synchroniczny MOSFET prostowniczy.

Wyłączanie synchronicznego prostownika MOSFET:

① Gdy napięcie wyjściowe jest mniejsze od ustawionej wartości, synchroniczny sygnał zegarowy używany jest do sterowania wyłączeniem MOSFET-u i pracy w trybie CCM.

② Gdy napięcie wyjściowe jest większe niż ustawiona wartość, synchroniczny sygnał zegarowy jest ekranowany, a metoda pracy jest taka sama jak w trybie DCM. Sygnał VDS=-Io*Rdson steruje wyłączeniem synchronicznego prostownika MOSFET.

Strona wtórna (wtórna) steruje synchronicznym wyłączaniem MOSFET-u prostowniczego

Teraz wszyscy wiedzą, jaką rolę odgrywa MOSFET w całym szybkim ładowaniu QC!

O Olukeyu

Główny zespół Olukey od 20 lat koncentruje się na komponentach i ma siedzibę w Shenzhen. Główna działalność: MOSFET, MCU, IGBT i inne urządzenia. Głównymi produktami agentowymi są WINSOK i Cmsemicon. Produkty są szeroko stosowane w przemyśle wojskowym, kontroli przemysłowej, nowej energii, produktach medycznych, 5G, Internecie rzeczy, inteligentnych domach i różnych produktach elektroniki użytkowej. Opierając się na zaletach oryginalnego globalnego agenta generalnego, bazujemy na rynku chińskim. Korzystamy z naszych kompleksowych, korzystnych usług, aby przedstawiać naszym klientom różne zaawansowane, zaawansowane technologicznie komponenty elektroniczne, pomagać producentom w wytwarzaniu produktów wysokiej jakości i zapewniać kompleksowe usługi.