過度の放熱を減らすための同期整流ソリューション設計 (第1部)

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はじめに

携帯電話やラップトップなどの携帯機器は、現代の世界に不可欠です。携帯機器の開発には、小型、軽量、高速充電のアダプタの需要が伴いました。主要メーカーは、超小型の高速充電アダプタの導入を急いでいます (図1を参照)。

図1: 超小型アダプタの開発

この寄稿文は、超小体積の高速充電アダプタ用二次側同期整流器を設計する方法を探る2部構成のシリーズの第1部です。第1部では、2次側同期整流の基本的なトポロジーとその電源の必要条件を紹介します。第2部では、2次側同期整流器の開閉プロセスと急速遮断技術について説明します。

同期整流トポロジー

通常、急速充電にはより多くの出力電流と熱が必要ですが、小さい設計ほど、その冷却領域が減少することがよくあります。このトレードオフは、超小型アダプタにとって過度の熱が課題であることを意味します。

図2は、システム出力が5V / 4Aで、サイドダイオードを流れる平均電流が4Aであると仮定して、一般的に使用される逆反転トポロジーを示しています。圧力降下による0.7Vと2.8Wの電力損失があると、ダイオードが危険なほど熱くなる可能性があります。このシナリオでは、システムの長期的な運用が信頼性とユーザーの経験に深刻な影響を与える可能性があります。

図2: 逆反転トポロジーの過度の熱

過度の熱の問題に対処するには、サイド出力ダイオードをMOSチューブに交換する必要があります。MOSチューブを流れる電流が連続的に流れると、システムは同期整流モードで動作します (図3を参照)。MOSチューブのインピーダンスが非常に小さいため、連続フロー中に発生する熱が非常に小さくなります。インピーダンスが10mΩのMOSの場合、出力電流が4Aのときの電力損失はわずか0.16Wです。これにより、発熱が大幅に減少します。

図3: MOSチューブで大幅に熱を低減

同期整流器電源

図4は、NチャネルMOSFETを示していますが、ソースからゲート (SからG) の電圧を超える電圧を供給して、最高電圧がソースにある連続フロー中にMOSチューブをオンにする必要があることを示しています。

図4: 連続フロー中にMOSチューブをオンにするために必要な電圧

補助巻線を使用して、電源電圧を超える電圧を供給することもできます。図5は、サイドMOSFETのドライブに電力を供給する追加の巻線を示しています。ただし、このアプローチではトランス巻線と駆動回路が必要であり、システムのコストと複雑さが増します。

図5: 補助巻線はSを超える電圧を提供します

補助巻線を必要としないソリューションの場合は、サイド出力の下端にMOSチューブを配置します (図6を参照)。出力電圧がそれに続いてMOSチューブに電力を供給します。同時に、MOSをローサイドに配置すると、EMIパフォーマンスが低下する可能性があります。さらに、MOSチューブをローサイドに配置することは、出力電圧が低すぎてMOSFETドライバに電力を供給できないシステムには適用できません。

図6: 出力電圧は、サイド出力の下端でMOSチューブに電力を供給します

重要な設計上の問題は、補助巻線やさまざまな出力電圧アプリケーションへの適応性を必要とせずに、EMI性能を改善する方式をどのように選択するかです。連続導通モード (CCM) および不連続導通モード (DCM) 付きフライバックダイオードであるMP9989は、これらの問題を軽減できます (図7を参照)。

図7: MP9989はシステムEMIパフォーマンスを改善

The MP9989は、出力のハイエンドに直接配置できます。また、低出力電圧をサポートし、理想的なダイオードと見なされる単純な周辺回路を備えています。MP9989の主な利点は、内部のセルフパワー回路です。

図8は、一次側MOSFETがオンになると、MP9989のMOS管が反転し、ドレイン-ソース間電圧 (VDS) が正に加圧されることを示しています。これにより、内部のセルフパワー回路がVDDコンデンサを充電できるようになります。一次側MOSFETがオフになると、VDDは充電されたVDDコンデンサを使用して駆動回路に電力を供給することができます。これにより、一次側MOSFETがスムーズに開きます。

図8: 内部のセルフパワー回路がVDDコンデンサを充電

USB給電デバイス (PD) が一般的になるにつれて、出力電圧範囲は拡大しています。より高い出力電圧は、チップの電圧抵抗に挑戦する可能性があります。これに対抗するために、MP9989には100V MOSFETが内蔵されており、幅広い設計に十分なマージンを提供します。

結論

この寄稿文では、MOSチューブを正常にオンにして過度の熱を低減するために、MP9989を使用した2次側同期整流器の設計方式を確認しました。第2部では、同期整流器の開閉プロセスについて詳しく説明すると同時に、急速遮断テクノロジーの利点についても説明します。

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