提升電源轉(zhuǎn)換效率的自定時(shí)電壓檢測同步MOSFET控制方案

透過對MOSFET的初級側(cè)實(shí)施零電壓開關(guān)(ZVS)可以實(shí)現(xiàn)上述要求，因?yàn)閆VS大幅降低了開關(guān)損耗。 開關(guān)損耗越低、效率越高、MOSFET的熱管理越簡單。然而，電源輸出二極管的低效率嚴(yán)重阻礙了設(shè)備體積的進(jìn)一步微型化。在大屏幕電視中，要求在諧振電源內(nèi)使用表面黏著MOSFET取代帶散熱器的輸出二極管。不過，由于時(shí)序復(fù)雜性、成本和現(xiàn)有同步整流器解決方案欠佳的表現(xiàn)，迄今為止，采用這一替代方案的數(shù)量非常有限。可透過比較漏極電壓與負(fù)的閾值電壓(Vth)做到這點(diǎn)。當(dāng)漏極電壓是個(gè)比Vth更正的值時(shí)，MOSFET的閘極電壓被拉低至1V，以確保元件被關(guān)閉。

閘極電壓隨反向漏極電壓的下降而逐漸降低，因而確保了MOSFET在電流過零點(diǎn)附近的迅速切斷。換言之，可以更少的閘極電荷切斷MOSFET，因而縮短了閘極電壓的下降時(shí)間，并確保沒有反向電流。此外，比例式閘極驅(qū)動器根據(jù)MOSFET的電流幅值調(diào)節(jié)其輸出電壓，這樣，在漏極電流接近零之前，該MOSFET的閘極一直在得到加強(qiáng)。這樣，在MOSFET關(guān)閉后，就將體二極管的導(dǎo)通時(shí)間縮至最短。圖3為同步MOSFET的工作波形。在滿載情況下，圖3b顯示，為獲得低阻抗，在MOSFET的大電流期間壓一直維持在10V左右。

圖3.顯示的是諧振轉(zhuǎn)換器的閘極驅(qū)動器工作波形：(a)25%負(fù)載和(b)滿載

當(dāng)漏電流為低時(shí)，閘極電壓逐漸降低、導(dǎo)致MOSFET的阻抗加大、因而設(shè)立起負(fù)的漏極電壓。與數(shù)位電平閘極電壓比，這確保了阻抗非常低的MOSFET將不會關(guān)閉，且仍將維持導(dǎo)通相當(dāng)水準(zhǔn)的電流。

3　讓熱設(shè)計(jì)更容易

在加大功率密度時(shí)，熱管理成為一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素，且它對產(chǎn)品品質(zhì)和可靠性非常重要。對液晶電視來說，出于安全考量，電源被封裝在特殊或完全密封的殼體內(nèi)，此時(shí)，因系統(tǒng)散熱基本上只依靠自然對流和輻射，所以，電源部份的有效散熱就成為一個(gè)主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。典型的電視電源需要為音訊放大器提供+12V輸出;為背光提供+24V輸出;為微控制器和介面提供+5V輸出。+12V輸出軌的功率低于+24V輸出軌的功率、并使用蕭特基二極管，如圖2所示。一般來說，一個(gè)32英枷允灸輝謐罡吡煉仁保背光單元約需144W功率。 這相當(dāng)于在24V輸出軌的肖特基二極管上流過6A電流，并伴隨需采用大體積散熱器的導(dǎo)通損耗。 對于42英枷允灸煥此擔(dān)背光功率提高到264W，電流為11A。

若電視電源采用40A額定電流/100V擊穿電壓的肖特基二極管作為輸出整流器，其正向壓降通常為425mV/3A@125℃結(jié)溫。 那么，24V電源軌上每個(gè)輸出二極管在6A滿負(fù)載條件下的導(dǎo)通損耗約為1.275W。如果我們將滿負(fù)載輸出電流升高到點(diǎn)亮更大液晶顯示幕所用CCFL或LED 背光單元所需的11A，則靜態(tài)功耗就變?yōu)?.12W，若不采用大型散熱器，就無法輕易地實(shí)現(xiàn)散熱。在滿負(fù)載條件下，假設(shè)諧振槽可充分濾除掉輸入電壓的高次諧波，則在6A輸出軌，每個(gè)MOSFET的均方根(RMS)漏極電流約為3.33A。

基于漏極電壓感測的同步閘極驅(qū)動器方案僅在進(jìn)行MOSFET體二極管正向電壓檢測時(shí)開啟MOSFET。 因?yàn)槌跏嫉捏w二極管導(dǎo)通，閘極導(dǎo)通延遲時(shí)間降低了效率，這在高開關(guān)頻率下是不能被忽視的。在將體二極管和MOSFET通道損耗運(yùn)算在內(nèi)后，當(dāng)一款rDS(on)@Tj=100°= 9mΩ的元件用在工作于80kHz的開關(guān)轉(zhuǎn)換器時(shí)，該元件的導(dǎo)通損耗約為192mW 。 因同步MOSFET在零電流處開啟和切斷，所以損耗可忽略不計(jì)。MOSFET現(xiàn)工作在92℃的可接受結(jié)溫和80℃的PCB溫度。 依此類推，對42英枷允酒晾此擔(dān)在11A輸出轉(zhuǎn)換器中，相同MOSFET的導(dǎo)通損耗約為935mW。

4　本文小結(jié)

因?yàn)樵噲D減少諸如電源變壓器、濾波電容和散熱元件等主要系統(tǒng)元件的實(shí)體尺寸并降低其成本而求助越來越高的開關(guān)頻率的壓力越來越大，電視機(jī)電源的設(shè)計(jì)就不再微不足道，對許多以前只使用肖特基二極管技術(shù)的設(shè)計(jì)師來說，有可能是個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。該拓?fù)鋵鹘y(tǒng)的同步MOSFET控制技術(shù)并沒太多幫助，它要求需采用許多分離元件的復(fù)雜的系統(tǒng)解決方案，且為使系統(tǒng)正常工作，所需的設(shè)計(jì)階段也更長。 基于MOSFET控制的漏極電壓檢測可解決現(xiàn)有問題，另外，更可借力整合了高電壓比較器和MOSFET驅(qū)動器的新一代積體電路。設(shè)計(jì)師現(xiàn)在能夠迅速且容易地克服以往這些障礙。 集最佳化的MOSFET加強(qiáng)和更快切斷速度于一身的專用控制器晶片可被用來作為滿足更苛刻效率要求的工具。 此外，得益于控制器的簡單性和靈活性，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，只需不大的布局改變，就可將其納入現(xiàn)有的電源設(shè)計(jì)。