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干貨分享丨同步整流芯片誤關(guān)斷致產(chǎn)品效率明顯降低分析

2024年01月29日 20:39:24人氣:1031來源:廣州金升陽科技有限公司

一、背景

同步整流作為目前開關(guān)電源輸出端整流常用的電路,具有提升效率、減小產(chǎn)品體積等明顯優(yōu)勢(shì)。在對(duì)某機(jī)殼系列產(chǎn)品進(jìn)行國產(chǎn)同步整流IC的產(chǎn)品改良中發(fā)現(xiàn):將同步整流IC替換原IC后,樣機(jī)啟機(jī)后效率只有77%,相較于原樣機(jī)83%的規(guī)格值降低6%。本文將針對(duì)此問題進(jìn)行分析和解決,并分享一些關(guān)于同步整流芯片參數(shù)適配的經(jīng)驗(yàn)。

二、問題描述

在更換同步整流控制IC后啟機(jī)效率明顯降低,首先從同步整流工作異常開始著手測(cè)量。如圖1所示,在同步整流驅(qū)動(dòng)波形測(cè)量的同時(shí)用熱成像儀測(cè)量同步整流MOS管的溫度,結(jié)果顯示器件在常溫下工作一分鐘左右溫度已經(jīng)高達(dá)130℃,明顯異常。

從圖1可以看出,同步整流驅(qū)動(dòng)信號(hào)在導(dǎo)通后極短的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉,且每個(gè)周期都如此。對(duì)比圖2的理想狀態(tài)后可以判斷產(chǎn)品同步整流異常關(guān)斷,輸出電流通過MOS管體二極管導(dǎo)通,最終導(dǎo)致效率明顯下降且器件溫度超高。

進(jìn)一步對(duì)比替換前后兩個(gè)IC的規(guī)格差異,較明顯的差異在于替換后的IC消隱時(shí)間降低,由原來的3us降低為1.25us。(現(xiàn)多數(shù)國產(chǎn)SR芯片Tb-on時(shí)間基本在1.5us以下,多與消隱時(shí)間和漏感等的處理有一定的關(guān)系。增加此時(shí)間會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生原副邊共通風(fēng)險(xiǎn)。)

 

三、問題分析

該系列產(chǎn)品功率拓?fù)錇榉醇ず屯秸鳎▓D3),同步整流電路工作原理較為簡單,即IC通過檢測(cè)同步整流MOS管源漏級(jí)電壓,當(dāng)反激原邊MOS管開通時(shí),IC檢測(cè)到源級(jí)電壓低于漏級(jí)電壓,同步整流MOS管關(guān)斷;當(dāng)反激原邊MOS管關(guān)斷時(shí),電感電壓感應(yīng)電壓反向,IC檢測(cè)到源級(jí)電壓高于漏級(jí)電壓,給出驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步整流MOS管正向?qū)?。根?jù)圖1測(cè)試的波形可以看出,同步整流MOS管開通1.2uS后便關(guān)斷,這與IC的規(guī)格書和實(shí)際測(cè)量值中的空白導(dǎo)通時(shí)間(1.25us)相吻合。

 

測(cè)量顯示其在最小導(dǎo)通時(shí)間過后就關(guān)閉驅(qū)動(dòng),由此判斷是觸發(fā)了同步整流MOS的關(guān)斷條件。(這里同時(shí)測(cè)量SR采樣腳波形以及驅(qū)動(dòng)波)

 

從測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在空白導(dǎo)通時(shí)間內(nèi),SR采樣腳(圖4中綠色波形)處電壓始終在振蕩,在1.2us結(jié)束時(shí),依然有高頻的振蕩波峰幅值。在查詢規(guī)格書后得知,采樣腳在小于3mV時(shí)會(huì)迫使芯片驅(qū)動(dòng)關(guān)閉。

故問題點(diǎn)可以確認(rèn)為——有某處的干擾導(dǎo)致SR采樣異常。

由反激原理可知,副邊開通時(shí)對(duì)應(yīng)原邊MOS關(guān)斷,而原邊關(guān)斷時(shí)變壓器漏感、層間電容及主MOS結(jié)電容會(huì)產(chǎn)生高頻尖峰振蕩,該振蕩依然會(huì)通過變壓器耦合到副邊,導(dǎo)致副邊MOS管的源級(jí)電壓震蕩,影響同步整理的采樣電壓,導(dǎo)致MOS管提前關(guān)斷。

 

四、解決措施及驗(yàn)證結(jié)果

(一)整改方向一:源頭出發(fā),削減振蕩。  

方案①:減小變壓器漏感,從根本上減小能量振蕩。

原邊振蕩的能量來源為未能傳輸?shù)礁边叺穆└心芰?,減小漏感可以直觀地減弱振蕩幅值,從而改善副邊的采樣環(huán)境。(此種方案受限于變壓器設(shè)計(jì)及制作工藝,實(shí)測(cè)時(shí)所用變壓器原邊為265uH電感,5.6uH漏感,此類僅2.1%漏感變壓器繼續(xù)優(yōu)化較困難)    

方案②:減小振蕩的電容容值

主MOS關(guān)斷時(shí)的原邊振蕩為變壓器漏感、層間電容及主MOS結(jié)電容的振蕩。查看原理圖可知,其設(shè)計(jì)上額外在MOS的DS間添加并聯(lián)電容C410。

由振蕩頻率公式image.pngimage.png為變壓器漏感,image.png為等效電容,image.png=C410+MOS結(jié)電容)可知:

減小C410,即減小image.png可以提高振蕩頻率,在同樣阻尼衰減的作用下,高頻率的振蕩能夠在更快的時(shí)間內(nèi)達(dá)到平穩(wěn),也就是可以搶在副邊SR采樣消隱時(shí)間內(nèi),把振蕩幅值以及對(duì)副邊的影響降。

下圖6和圖7為實(shí)測(cè)波形。主MOS應(yīng)力波形(黃)和副邊SR采樣波形(藍(lán))。

 

在有C410電容時(shí),第一個(gè)波周期為440ns(頻率2.17MHz),第二個(gè)波周期為220ns(頻率4.54MHz)

在去除C410電容,第一個(gè)波周期為400ns(頻率2.5MHz),第二個(gè)波周期為180ns(頻率5.5MHz)

如圖7所示,去除C410電容的振蕩波形平穩(wěn)速度更快,有利于提高副邊SR的采樣精確度。    

(二)整改方向二:改善RCD吸收參數(shù),削減振蕩     

方案①:減小吸收電容

吸收電容串聯(lián)二極管的寄生電容與漏感在正常工作中也存在振蕩,可以通過減小吸收電容可以改善這一點(diǎn)。實(shí)操中,將原有的222吸收電容更變?yōu)?02電容,也可以達(dá)到改善采樣信號(hào)的目的。但是吸收電容的減小導(dǎo)致主MOS應(yīng)力尖峰的明顯增大,已超過承受規(guī)格,故該方案在此型號(hào)中不可取。

方案②:增大吸收電阻

吸收電組的增大,可以使得每個(gè)周期內(nèi)通過RCD瀉放的漏感能量減少,即吸收電容與漏感的諧振能量減少,從而改善對(duì)副邊SR采樣。

從以下圖9和圖10波形可以看到,在吸收電阻從75K增大到100K時(shí),二次振鈴的幅值由3.6V降低至1.375V。

最后針對(duì)空白導(dǎo)通時(shí)間后采樣擾動(dòng)導(dǎo)致SR芯片誤關(guān)斷問題作出改善措施匯總?cè)缦拢?/p>

①減小變壓器漏感;②減小振蕩的電容容值(主mos結(jié)電容及并聯(lián)電容);③減小原邊吸收電容;④增大原邊吸收電阻;⑤SR采樣走線,單點(diǎn)走線至驅(qū)動(dòng)MOS對(duì)應(yīng)引腳。

結(jié)合上述優(yōu)化方案,我們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)首先對(duì)于變壓器設(shè)計(jì)很關(guān)鍵,對(duì)于反激變壓器來說,可以盡量通過繞法設(shè)計(jì)去減小變壓器漏感,再平衡產(chǎn)品效率以及EMC性能的情況下盡量減小主mos結(jié)電容及并聯(lián)電容容值;最后,再PCB布局以及走線時(shí)對(duì)于SR這類易受干擾的走線,需單點(diǎn)連接至驅(qū)動(dòng)MOS對(duì)應(yīng)引腳。同時(shí)改善結(jié)果判定方法:保證SR采樣信號(hào)的平穩(wěn)度,波形達(dá)到平穩(wěn)的時(shí)間小于SR芯片最小導(dǎo)通時(shí)間,最終導(dǎo)入措施后產(chǎn)品的效率也恢復(fù)正常與替換前一致如圖11所測(cè)試到波形。

不同的IC對(duì)于同步整流MOS管的開通以及關(guān)斷的檢測(cè)條件都有不同,希望通過本案例的調(diào)試與分析后得出一些對(duì)同步整流誤關(guān)斷導(dǎo)致效率降低問題的解決方案,可以為后續(xù)類似的問題提供一些經(jīng)驗(yàn)與幫助。

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