關(guān)于MPS理想二極管的分析和應(yīng)用介紹

現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)智能化的時(shí)代，每個(gè)家庭里都有不止一個(gè)便攜智能裝備---手機(jī)，Pad，電子書，智能手表......伴隨著越來越多的便攜設(shè)備，配套的單口的充電器越來越難以適應(yīng)同時(shí)給多個(gè)設(shè)備充電的需求，占用很大的空間而且很雜亂無章。

多口插座和USB插排很好的解決了這個(gè)問題，小巧的體積，可以同時(shí)給多個(gè)設(shè)備進(jìn)行充電，非常方便家庭和一些公共場(chǎng)所的使用。

如何來設(shè)計(jì)一個(gè)多口USB電源呢？

對(duì)一個(gè)非快充標(biāo)準(zhǔn)的4個(gè)USB口的充電器，最大可能需要提供2.4A x 4 = 9.6A 的充電電流，不過限于充電設(shè)備的小型化要求，功率通常會(huì)限制在36W，也就是5V 7.2A的水平。反激拓?fù)涫亲钸m合的架構(gòu)，過去我們做反激電源在副邊通常選擇肖特基二極管整流，選擇一個(gè)20A的超低壓差肖特基二極管的在7A的管壓降0.4V左右，在這個(gè)應(yīng)用中導(dǎo)通損耗達(dá)到2.88W，加上開關(guān)損耗超過3W。這需要很大的散熱片或是風(fēng)扇散熱，并不適合多口充電器小型化的設(shè)計(jì)需求。

MOSFET可以大幅降低導(dǎo)通壓降，如果能夠讓MOSFET擁有二極管的特性，那么MOSFET會(huì)是一個(gè)理想選擇。有一個(gè)叫做理想二極管控制器的產(chǎn)品就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，讓MOSFET工作在單向?qū)ǖ臓顟B(tài)。一般的原理就是通過檢測(cè)MOSFET S到D的壓降，來判斷電流的流向：如果壓降超過0V，說明電流流經(jīng)Body diode，打開MOSFET來降低阻抗；如果壓降降為0V或接近0V，說明電流接近截止，關(guān)斷MOSFET。

理想二極管的基礎(chǔ)原理很簡(jiǎn)單，不過實(shí)際應(yīng)用中有很多的問題，例如在開關(guān)的邊沿會(huì)有電壓振蕩，容易帶來反復(fù)開關(guān)；由于MOSFET結(jié)電容的存在，導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)間有延時(shí)，也可能帶來直通的問題；還有低端驅(qū)動(dòng)容易帶來EMI問題。為了解決這些問題，各個(gè)IC廠商八仙過海，各顯神通。列舉一下三種常見的控制方式，并探討一下各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

方案1. 檢測(cè)過零點(diǎn)，完全導(dǎo)通，快速開關(guān)

這種控制策略比較簡(jiǎn)單，開通的時(shí)候Gate拉高，MOSFET完全導(dǎo)通，關(guān)斷時(shí)檢測(cè)Vsd，一旦接近0V，迅速關(guān)閉MOSFET。以NCP4305D為例，關(guān)斷閾值為0mV，說明進(jìn)行關(guān)斷判斷時(shí)，直到電流完全降為0V時(shí)，才判斷電流截止，然后是一個(gè)大電流的下拉，盡快關(guān)斷MOSFET。

這種方式可以正常應(yīng)用于QR模式，效率高。但應(yīng)用于定頻模式下，會(huì)有直通的風(fēng)險(xiǎn)。主要的問題在于MOSFET的關(guān)斷是一個(gè)過程，驅(qū)動(dòng)電流要對(duì)MOSFET的結(jié)電容進(jìn)行放電，從開通到完全關(guān)斷有一個(gè)時(shí)間差，時(shí)間長(zhǎng)短與驅(qū)動(dòng)電流和MOSFET的結(jié)電容相關(guān)。因此如果一旦工作進(jìn)入CCM模式，當(dāng)檢測(cè)到MOSFET電壓到0V時(shí)，極性已經(jīng)反轉(zhuǎn)，這時(shí)SR MOSFET關(guān)斷的延時(shí)會(huì)導(dǎo)致原副邊的MOSFET都處于直通的狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致瞬間極大過流以及器件燒毀。

方案2. 預(yù)測(cè)開通時(shí)間

這種方式是根據(jù)變壓器源邊電感伏秒平衡來預(yù)測(cè)源邊FET開通時(shí)間，也就是同步管關(guān)斷的時(shí)間。具體來說是將副邊電壓通過壓控電流源轉(zhuǎn)為電流給電容進(jìn)行充放電，當(dāng)電容電壓降為0時(shí)，判斷這時(shí)源邊FET進(jìn)行開通，因此關(guān)斷副邊同步管。

這種方式對(duì)于DCM或是QR模式都沒有問題，但是工作在CCM模式時(shí)，如果有動(dòng)態(tài)變化，預(yù)測(cè)就會(huì)失準(zhǔn)，導(dǎo)致FET直通。雖然有一些方法來例如根據(jù)相鄰兩個(gè)周期時(shí)間相近來預(yù)測(cè)，但對(duì)源邊控制器又有很大的限制。

方案3. 檢測(cè)過零點(diǎn)，控制FET工作在線性區(qū)

以MP6907為例，F(xiàn)ET開通時(shí)始終工作在一個(gè)VDS被調(diào)制的狀態(tài)。當(dāng)負(fù)向電壓低過-30mV時(shí)，Gate電壓就會(huì)被拉低，然后控制負(fù)壓在-70mV的水平。雖然這在一定程度上可能增加導(dǎo)通損耗，但帶來的好處是導(dǎo)通時(shí)的驅(qū)動(dòng)電壓比較低，關(guān)斷速度會(huì)非?？臁．?dāng)負(fù)向電壓高于-30mV時(shí)，驅(qū)動(dòng)被迅速拉低，MOSFET被關(guān)斷。這種控制方法與采用何種源邊控制方式關(guān)系較小，不管是LLC，或是FLYBACK QR, DCM模式都可以很好適應(yīng)。

除此之外, MP6907還有一個(gè)SYNC腳，可以和源邊控制器通訊來實(shí)現(xiàn)更為可靠的CCM工作。

為了實(shí)現(xiàn)輕載高效，滿足產(chǎn)品待機(jī)功耗的要求，MP6907支持輕載模式，通過外部電阻可以設(shè)定開通時(shí)間門限TLL，如果同步管開通時(shí)間持續(xù)低于門限TLL，那么芯片進(jìn)入輕載模式，關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電壓，靠MOSFET體二極管導(dǎo)通。通過檢測(cè)MOSFET電壓也可以退出輕載模式。

得益于MP6907非常寬的供電電壓4.2V-35V，MP6907可以無需單獨(dú)的供電繞組進(jìn)行高邊FET驅(qū)動(dòng)，直接通過二極管從副邊繞組供電，如下圖。不過在設(shè)計(jì)時(shí)需要確保在母線電壓最高時(shí)，二次側(cè)的電壓不高于35V。

綜上所述，MPS的解決方案，對(duì)于不同設(shè)計(jì)指標(biāo)，不同的源邊控制器和控制方式，具有最大程度的適用性。MPS作為同步整流控制器的領(lǐng)導(dǎo)者，從2009年起發(fā)布第一顆同步整流控制器，不斷完善控制方式和簡(jiǎn)化外圍電路，并推出集成MOSFET的MP6910A，相信工程師們可以在MPS的產(chǎn)品庫中選擇出適合的芯片。