フライバック同期整流はEMIにどのように影響するか

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前書き

過去10年間のモバイルデバイスの急速な発展により、携帯電話アプリケーションは社会のあらゆる側面に拡大しました。日常生活では、数分でも携帯電話を離れる人はほとんどいません。その結果、高いバッテリ容量と高速充電は携帯電話の最も重要な機能の1つになり、より高い定格電力とより高い電力密度を備えたアダプタの需要が飛躍的に高まっています。

古い5V / 1A出力仕様は廃止されました。新しい設計は一般に2Aを超え、最大20Vの出力を備えています。携帯電話のマーケットリーダーのほとんど (Huawei、Oppo、Vivoなど) は、長年にわたって標準のインボックスアクセサリとして高電力のアダプタを宣伝しており、市場からのフィードバックは非常に好意的です。Apple社は2020年秋のプレスリリースで、標準の5V / 1Aインボックスアダプタを取り止めました。これは、アフターマーケットの高電力アダプタの需要に対する別のブームを刺激しました。

フライバックトポロジーは、これらの高出力携帯電話アダプタの最も一般的なソリューションです。ただし、同期整流MOSFETを介して実現できる同期整流 (SR) は、この新しい市場動向によるアダプタ設計の主要な進化の1つです。同期整流は、従来のショットキーダイオードに代わって、アダプタの二次側で主流のソリューションになりました

同期整流の基本

同期整流のソリューションでは、出力電流整流にMOSFETを利用します。ダイオードの比較的固定された順方向電圧降下と比較して、MOSFETの電圧降下は電流とターンオン抵抗に比例します (図1を参照)。MOSFETは、整流の伝導電力損失に大きな影響を与えます。言い換えると、理想的なターンオン抵抗を備えた同期整流MOSFETを選択することにより、同期整流方式は、従来のダイオード方式よりも優れた効率と熱性能を実現でき、高電力アダプタ設計の最も重要な要件です。

図1: MOSFETとダイオードのIV特性の違い

二次側にショットキーダイオードを備えた従来のフライバックコンバータアプリケーションでは、ダイオードのスイッチング特性 (特に逆回復電流) がEMI性能に大きな影響を与えることはよく知られています。したがって、実際のアプリケーションでは慎重に扱う必要があります。ダイオードを同期整流MOSFETに置き換えた後、MOSFETには理論上の逆回復現象がないため、状況はまったく異なります。

ただし、これは必ずしも同期整流ソリューションのEMI問題が少ないことを意味するわけではありません。それどころか、設計者は、同期整流を使用してフライバックソリューションを設計する際には、特にEMIノイズ源と結合経路に関して、もっと注意を払う必要があります。

EMIノイズ源の振幅に対する同期整流の影響

EMIノイズ源への影響を理解するには、同期整流の動作原理をより詳細に検討する必要があります。ほとんどのコントローラは、ドレイン-ソース間電圧 (VDS) の直接検出に基づいて同期整流MOSFETを駆動します。これは、一次側とのやりとりを必要とせず、総BOMコストを削減するためです。図2は、同期整流MOSFETのオンとオフを制御するためのしきい値が通常2つあることを示しています。これらは両方とも負の電圧しきい値であり、逆バイアスされたときに同期整流MOSFETが常に確実にオフになることを保証します。

図2: フライバック同期整流ソリューションの基本動作原理

その結果、デバイスがオンになる直前と同期整流MOSFETがオフになった後の両端で、ボディダイオードの導通が短時間になります。これらの2つの期間は余分な伝導損失をもたらす (長い時間ほど悪い) 可能性があるため、同期整流コントローラにとってタイミング制御は重要です。また、ターンオフ時間が長すぎると、MOSFETのボディダイオードの特性が悪いため、同期整流がオフになった後、逆回復電流が大きくなる可能性があります。

図3は、同期整流の初期の400nsターンオフにより、ボディダイオードの逆回復電流が9Aに上昇し、漏れインダクタンスにより80Vの高電圧スパイクが発生したことを示しています。EMIの問題は、ノイズ源のパルス振幅とスルーレートに密接に関連していると一般に理解されています。これは、フライバックコンバータの二次側がより強いEMIノイズ源となることと合致します。

図3: 同期整流の早期ターンオフによって引き起こされる高スパイク電流と電圧

同期整流のターンオフが遅すぎる場合にも、同様の問題が発生します。図4は、伝搬と駆動の遅延により電流が反転した後に同期整流をオフにした場合の結果を示しています。これにより、一次MOSFETと二次MOSFETが同時にオンになるため、シュートスルー期間が短くなります。その結果、負の電流は10Aの高い振幅まで上昇します。これにより、同期整流 MOSFETがオフになった後、87Vの高電圧スパイクが発生します。

図4: 同期整流ターンオフ遅延によって引き起こされる高スパイク電流と電圧

これらの問題を軽減するには、同期整流のオンとオフのタイミングを両方とも適切に制御することが重要です。図5は、インテリジェントな高速ターンオフを備えた同期整流コントローラであるMPSのMP6908を示しています。フライバック同期整流コントローラのマーケットリーダーとして、MP6908は業界で現在利用可能な最も高度な同期整流制御スキームを実装しています。正確で洗練された信号プロセス、自社製のゲート電圧調整、および超高速ターンオフ速度により、最適化された同期整流タイミング制御が可能になります。

図5: フライバック方式におけるMPSのMP6908の代表的なアプリケーション

MP6908は、ターンオンとターンオフのタイミングを制御することにより、電流と電圧の両方に比較的低いスパイクがあることを示しています (それぞれ4Aと62V) (図6を参照) 。これにより、EMIノイズが減少します。

図6: MP6908の最適化されたタイミング制御による低スパイク電流と電圧

同期整流のコモンモードノイズキャンセル効果への影響

市場に出回っている多くのフライバック同期整流方式では、同期整流コントローラが出力から直接バイアス電力を取得する方がはるかに簡単であるため、同期整流を2次側巻線のローサイドに配置することをお勧めします。ただし、従来のショットキーダイオードは常にハイサイドに配置されているため、この場所にはいくつかの利点があります。実際、フライバックコンバータのハイサイドとローサイドの同期整流配置には、コモンモードノイズキャンセル効果に関する大きな違いがあります (図7を参照)

a) ローサイド同期整流を使用したコモンモードノイズ結合パス

b) ハイサイド同期整流を使用したコモンモードノイズ結合パス

図7: ハイサイド同期整流とローサイド同期整流の比較

フライバックコンバータの各側 (一次側と二次側) には1つのメインコモンモードノイズ源があり、そこでスイッチングデバイスとトランス巻線が相互に接続されます (図7を参照)

図7aは、同期整流器がローサイドに配置されている場合を示しています。一次コモンモードノイズ源と二次コモンモードノイズ源は、異なる磁気極性で巻線端にあります。その結果、2つのノイズ源の切り替え方向は常に反対方向になります。2つのノイズ源はトランスの反対側にあるため、それぞれが生成するコモンモードノイズには相加効果があり、より多くのノイズが発生します。

図7bは、同期整流がハイサイドに配置され、2つのノイズ源が同じ磁気極性で巻線端にある場合を示しています。このシナリオでは、2つのノイズ源の切り替え方向は常に同じ方向であり、それらの間にキャンセル効果があります。

コモンモードノイズ結合に関するこれらの分析に基づくと、ハイサイド同期整流セットアップには、EMIパフォーマンスの点でローサイド配置よりも明らかな利点があります。また、実際のアプリケーション設計では、ハイサイドとローサイドのセットアップで3dB以上の差が生じることもよくあります。

結論

同期整流を使用したフライバックアダプタの設計は、ショットキーダイオードを使用した従来のセットアップとは異なります。同期整流ソリューションを採用する場合、2つの主な期待は、効率と熱性能の向上です。ただし、EMIパフォーマンスなど、考慮すべき他の側面があります。

適切に制御されたフライバック同期整流方式を使用すると、設計者は、パフォーマンスの向上、より低い電力機器定格、製品の信頼性の向上を実現し、EMIノイズを最小限に抑えることができます。同時に、MPSのMP6908のようなICは、外部回路なしで自己バイアス電力を提供できる内部高電圧レギュレータを統合しています。これらのシステムをハイサイド同期整流セットアップと組み合わせると、EMIの問題がない、より洗練されたアダプタ設計を開発しながら、BOMコストを削減することもできます。

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