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学校で同期整流について教えていないこと - 実際の設計から選んだ厳選トピック

Zhihong Yu、AC/DCおよびライティング製品マーケティングマネージャー
Walter Yeh、フィールドアプリケーションエンジニアリング副マネージャー

近年、世界の規制当局は、世界のエネルギー節約をさらに改善するための効率基準を提案しています。製造業者は、既存のスタンドアロン電源製品を米国市場に販売するためには、DoEのレベルVIを満たすようそれらの効率を改善することが義務付けられています。さらに、メーカーは、EUのCoC V5 Tier 2など、他のエネルギー仕様で製品を設計することも期待されています。

AC/DCアダプタの効率を高めるために、フライバック出力のショットキーダイオードをMOSFETを備えた同期整流 (SR) コントローラに切り替えると、一般に効率が2～3％以上節約されることが多くの人にわかっています。SRを使用すると、ダイオードヒートシンクとアセンブリのコストを節約できることもわかっています。設計者は、より安価な一次MOSFETまたはより細い出力ケーブルを使用してコストを節約し、目標効率を達成することもできます。

本稿は同期整流設計のすべての側面を網羅することは意図していませんが、エンジニアの実際の業務におけるいくつかの実際的な懸念に関連するいくつか選択したトピックを提示します。

連続導通モード (CCM)での同期整流

図1では、フライバック同期整流コントローラを使用してAC/DCアダプタのMOSFETスイッチを駆動しています。ここで、フライバックコントローラは、臨界伝導モード (CrM) 、連続伝導モード (CCM) 、または不連続伝導モード (DCM) で動作する場合があります。

Figure 1: Typical Block Diagram for a Flyback Power Supply Used in Fast Chargers

図1: 急速充電器で使用されるフライバック電源の代表的なブロック図

アダプタが起動時または全負荷時にCCMモードで実行されている場合、同期整流のスイッチ電流は、プライマリスイッチがオンになろうとしたときにゼロに低下しないように設計されています。したがって、一次側から二次側へのシュートスルーを防ぐために、同期整流を非常に迅速にオフにすることが重要です。シュートスルーでは、高いスパイクと潜在的な損傷が発生します。MPSのソリューションは、同期整流スイッチVGを調整してMOSFETのVDSを一定に保つことです。CCM中に電流が低下すると、ドライバのVGも低下するため、MOSFETは線形モードで動作します (図2を参照) 。したがって、電圧が最終的に逆転すると、ドライバは低VGで非常に迅速にオフになり、安全なCCM動作を保証します。これは、ライン入力条件に依存しないため、堅牢な制御方式です。さらに、ボディダイオードの導通時間を最小限に抑えて、最適な効率を確保します。MPSの同期整流コントローラは、CCMだけでなく、DCMおよびCrMもサポートするように設計されています。

Figure 2: MPS SR Controller Operation Principles

図2: MPSの同期整流コントローラの動作原理

MPSのCCM互換同期整流の操作および設計ヒントの詳細な説明については、AN077アプリケーションノート1を参照してください。

CCMおよびCrMでのMOSFETパッケージにおけるインダクタンスの影響

入出力、トランスの巻数比、およびインダクタンスによって決定される2次電流スイッチングには、常にある程度のランプアップ / ダウン時間があります。MOSFETパッケージのインダクタンスは、2次電流のターンオフにも影響します。

式 (1) および式 (2) に示すように、2次電流が極性を変えてオフになると (図4のt1) 、MOSFETパッケージのインダクタンス (Ls) により、検出されたVdsに瞬時電圧が発生します。

Equation 1 (1)

Equation 2 (2)

dcは入力平均DC、nはトランスの巻数比、Lsは漏れインダクタンスです。

Figure 3: Various Turn-Off Waveforms when Affected by Package Inductance

図3: パッケージインダクタンスの影響を受けた場合のさまざまなターンオフ波形

TO220パッケージのMOSFETの場合、パッケージのインダクタンスは100kHzで6.4nHに達する可能性があり、Vlkは数百mVに達する可能性があり、SRコントローラのターンオフしきい値に達し、SRコントローラがゲートをオフにします (t1から開始) 。t1は初期のターンオフ時間であるため、パッケージのインダクタンスは、特に深いCCM状態でのシュートスルーを防ぐのに役立ちます。

さまざまな回路設計で、CCMの下で異なるターンオフ波形が見られる場合があります (図3aおよび図3bを参照) 。図3aの場合、電流はゼロに低下しますが、同期整流は完全にはオフになりません。 したがって、交差伝導が発生し、逆電流に反射する可能性があります。図3bの場合、同期整流は、2次電流がゼロ (t2) になる直前にオフにすることができます。これが最適な設計です。 さらに重要なことに、図3cは、CrMでは、2次電流がほぼゼロになるとSRコントローラがオフになることを示しています。つまり、dI/dt * Toffの逆電流が常に存在します。

MOSFETのパッケージインダクタンスがはるかに少ない場合 (QFNやSOICなど) 、同期整流は、後でMOSFET電流が低下しているときにゲートをオフにします。Vdsレギュレーション制御下でVgを下げても、逆電流はパッケージインダクタンスが高いMOSFETよりも高くなります。これは、セクション1で紹介したVdsコントロールとは無関係です。

いくつかの改善オプションを以下に示しますが、1つの設計に組み合わせることができます。

  • Qgが非常に低い同期整流MOSFETを選択します (ターンオフを高速化するため) 。
  • 同期整流MOSFETの両端にRCスナバを追加します (逆スパイクを吸収するため) 。
  • ターンオフ電流の大きい同期整流コントローラを使用します。
  • トランスの漏れインダクタンスを増やして、ターンオフ時の二次電流dI/dtを遅くするか (一次MOSFETの電圧スパイクが高いこととトレードオフ) 、一次MOSFETのターンオンを遅くします (効率のトレードオフが小さい場合) 。
  • より高い安定化電圧 (MP6902を使用した図2の70mV) の同期整流コントローラを使用します。調整されたVdsが高いと、Vgはオフになる前にかなり低く低下する可能性があり、その結果、ターンオフが速くなります。

リンギング - 長所と短所

MOSFETがオン / オフするとき、レイアウト、システム、コンポーネントの寄生容量などの浮遊インダクタンスによって引き起こされるリンギングが常にあります。リンギングによる影響に対応できないと、効率が低下し、致命的な問題が発生する可能性さえあります。

リンギングによって引き起こされる問題の例を図4に示します。2次電流がゼロに低下すると、一次スイッチのVdsは、トランスのメインインダクタンスとMOSFET Cds2間で共振します。通常、この共振の谷は地面のレベルに接触することはありませんが、場合によっては、共振の谷が同期整流ターンオンしきい値に達するのに十分なほど低くなることがあります。これは、一次側RCDスナバのダイオードの逆回復などの要因によって引き起こされる可能性があります。

このVds共振のスルーレートは常に実際のターンオフスルーレートよりもはるかに低いため (大きなメインインダクタンスによる) 、MPSのMP6908は独自のスルーレートプログラミングピンを使用して、実際のターンオフがいつであるか、そして通常のVdsがいつ共振するかを判断します (図4を参照) 。

Figure 4: SR Waveform with Potentially False Turn-On during Demagnetizing Ringing

図4: 消磁リンギング中に誤ったターンオンの可能性がある同期整流波形

ショットキーダイオードの実際のドロップイン交換の必要性

同期整流の利点は広く受け入れられていますが、既存の設計をショットキーダイオードから同期整流ドライバと同期整流MOSFETに変更するには、BOMにかなりの数のコンポーネントを追加したり、多くの必要条件をやり直したりする必要があります。

別の解決策は、同期整流MOSFETを同期整流ドライバIC内に集積し、BOMの変更を最小限に抑えてひとまとめにして、まったく新しい設計を作成することです (図5を参照) 。このソリューションは理想ダイオードと呼ばれます。

MPSの新しい理想ダイオードの利点は次のとおりです。

  • 最小限のBOMとボードスペース
  • ハイサイドまたはローサイドに補助巻線のないショットキーダイオードのドロップイン交換
  • 最適化された集積ゲートドライバ
  • さまざまな電力レベルと電圧定格に合わせて最適化されたMOSFET
  • 柔軟なSMTおよびスルーホールパッケージオプション

MPS MP6908が実用的なSR制御設計に適したオプションであるのはなぜか?

MP6908はMPSの最新の同期整流制御ICです。MP6908コントローラに基づいて作成された一連の理想ダイオードもあります。このコントローラICの主な機能は次のとおりです。

  • ハイサイドまたはローサイド整流用の補助巻線は必要なし
  • DCM、準共振、およびCCM操作をサポート
  • 0Vまでの広い出力範囲をサポート (出力短絡時でも同期整流は電力が供給されたままで、MOSFETボディダイオードが短絡電流に導通することはありません)
  • リンギング検出は、誤ったターンオンを防止
  • 超高速の15nsの伝搬遅延と30nsのターンオフ遅延

Figure 5: MP6908 Controller and Ideal Diode Application Circuit on Low Side and High Side

図5: ローサイドおよびハイサイドでMPS6908コントローラおよび理想ダイオードを使用したアプリケーション回路

まとめ

本稿では、同期整流 (SR) 設計における実際のエンジニアリング状況に関連するいくつかのトピックを紹介しました。エンドアプリケーションについてさらに理解することで、MPSはより優れた同期整流制御ICを定義し、製造します。

MPSからの同期整流コントローラおよびその他のAC/DC製品情報の詳細は、 www.monolithicpower.comにアクセスするか、最寄りのMPSおよび販売代理店にご相談ください。

1  MPS MP6902アプリケーションノートhttp://www.monolithicpower.com/pub/media/document/AN077_r1.0.pdf
2 https://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-4147.pdf

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