同步整流电路中控制器选型与应用研究

闫亮

摘  要：同步整流电路，是采用导通电阻非常低（mΩ级）的功率MOSFET，代替普通整流二极管以降低功率损耗的一种技术。同步整流控制芯片是该电路的大脑，当使用功率MOSFET作整流管时，需要栅极电压和被整流的电压相位保持同步才完成，同步整流电路可以很大程度上提升DC/DC变换器的效率。该文设计一款输出功率为24 V/8.3 A的AC/DC电源，基本拓扑为LLC半桥谐振电路和同步整流电流电路，重点讨论同步整流电路选型与设计应用。

关键词：同步整流电路；控制芯片；功率MOSFET；直流电源；变压器

中图分类号：TM46      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）08-0129-05

Abstract： Synchronous rectifier circuit is a technology that uses power MOSFET with very low on-resistance （mΩ level） instead of ordinary rectifier diodes to reduce power loss. The synchronous rectifier control chip is the brain of the circuit. When the power MOSFET is used as the rectifier tube， it needs to be synchronized between the gate voltage and the rectified voltage phase. The synchronous rectifier circuit can greatly improve the efficiency of the DC/DC converter. In this paper， an AC/DC power supply with output power of 24 V 8.3 A is designed. The basic topology is LLC half-bridge resonant circuit and synchronous rectifier current circuit. The selection and design application of synchronous rectifier circuit are discussed in detail.

Keywords： synchronous rectifier circuit; control chip; power MOSFET; DC power supply; transformer

在低电压、大电流供电的情况下，同步整流电路相对于二极管整流有着很大的优势。同步整流电路有4个重要参数，即开通阈值、调整阈值、关断阈值和消隐时间。同步整流芯片的功能简要概述如下：芯片检测被整流电压的下降沿，经过一段消隐时间后，芯片输出10 V栅极驱动电压保证MOSFET的导通电阻Rds（on）最小。临近一个周期结束时，芯片在MOSFET流过输出电流下降的适当时刻降低栅极驱动电压，这个适当的时刻由芯片的调整阈值和MOSFET的导通电阻Rds（on）共同决定，周期结束，芯片快速关断MOSFET。如果输出负载所需电流不大，负载较轻，芯片减小或关断栅极驱动。芯片内部的消隐电路能够避免MOSFET误开误关。

1  同步整流控制器方案介绍

针对同步整流控制芯片的初步备选方案为恩智浦半导体公司生产的TEA1791T、TEA1792TS、TEA1791A

T、TEA1792ATS和TEA1795T。同步整流控制芯片的初步备选方案见表1。TEA1791T和TEA1792TS为低频单驱动芯片，两芯片能适应的主电路工作频率为250 kHz和277 kHz。TEA1791AT和TEA1792ATS为高频单驱动芯片，频率为537 kHz和625 kHz，消隐时间0.8 μs和0.93 μs，适合LLC电路为主电路的架构。TEA17 95T为高频双驱动芯片，适合LLC电路和多路输出的反激电路，1颗芯片驱动2颗MOSFET。

2  同步整流控制器方案對比

经过初步选型后，考虑在TEA1795T、TEA1791AT之间做出选型。实际使用TEA1795T的应用过程中，遇到了多种关于TEA1795T的问题， 分析如下。

2.1  TEA1795T同步整流应用问题

2.1.1  TEA1795T出现双驱动现象

TEA1795T芯片构成的同步整流电路，消隐时间0.52 μs偏短，实测轻载时，样机电源输出断带25%负载，该控制芯片无法避开LLC变压器漏感和插件MOSFET引线电感引起的电压震荡时间，导致驱动关断后二次开启的现象，2个同步整流MOSFET出现电流大小波，且出现芯片双驱动现象，影响整机效率。如图1所示，控制芯片520 ns消隐时间过后驱动开通，由于LLC变压器漏感和插件MOSFET引线电感导致MOSFET漏源极电压震荡，带负载25%电流减小，负载电流在MOSFET内部 Rds（on）上的压降为11 mV，芯片的关断阈值为12 mV，使得检测电压小于关断阈值，驱动关断，MOSFET体二极管代替成为整流管.由于此时刻流过体二极管代的电流非常小，体二极管压降也很小，导致芯片无法检测到-220 mV，延时至电流增大，使-220 mV被触发后芯片再次开通，出现双驱动。MOSFET出现双驱动对整体效率和MOSFET温升可能会有一定影响，热成像测试如图2所示，测试条件为室温25 ℃恒流负载2.5 A，稳态运行30 min，数据显示同步整流MOSFET Q3为35.8 ℃，Q4为39.5 ℃。考虑到输出为25%负载，MOSFET大小波和双驱动对损耗的影响不明显，MOSFET温升不高。该现象根本原因是输出电流减小使检测电压的平台降低了，只要使用TEA1795T芯片，以上措施只是让该现象延迟到更轻负载时才出现，并不能完全消除。

2  TEA1795T驱动两路MOSFET热成像热测试

样机电源恒压输出端子通过2根6平方线连接电子负载设备，电子负载以恒流1.0 A拉动样机电源输出端，LLC拓扑和同步整流电路处于轻载关机状态，此时刻LLC拓扑频率为70 kHz左右，在TEA1795T最小开通时间520 ns内，LLC变压器副边绕组电流反向，对应的MOSFET Q4在520 ns时检测到电压大于-12 mV，從而主动关断驱动，控制器关断驱动后导致对应绕组电流突变，LLC高频变压器漏感引起 MOSFET漏源极电压震荡。同时，从LLC高频变压器角度看，另一个绕组电流方向不改变，对应的MOSFET紧接着开通，故两管以960 kHz频率推挽交替导通，考虑到漏感对电流的阻碍作用，同步整流控制器实际检测-220 mV的时间有延迟，实测频率680 K，如图3所示，最终导致的后果，此状态下同步整流MOSFET电压应力超限，MOSFET漏源电压实测 90 V，MOSFET最高漏源电压为80 V，该状态一直持续到24 V供电电压降到8 V芯片关断为止，大约8 ms，即样机电源关机过程中同步整流芯片在最小开通时间内关断驱动导致MOSFET以680 kHz电压震荡导致MOSFET瞬时电压超过额定电压。该激励能够持续交替进行，是因为TEA1795T在520 ns检测到大于-12 mV关断MOSFET后，下一个周期没有停发驱动，如图4所示。由于轻载关机同步整流控制器引发的MOSFET应力超规格问题，排除TEA1795T方案。考虑到单驱动的TEA1791AT芯片可以在检测到-12 mV的下一个周期停发驱动，所以选用TEA1791AT芯片。

2.2  TEA1791AT同步整流应用问题与改善方法

2.2.1  TEA1791AT同步整流电路应用的问题

如图5所示，为TEA1791AT构成的同步整流电路。样机电源输出负载为满载的12%，即输出电流为1 A，样机电源关机时最后一个周期同步整流MOSFET漏源电压出现单次震荡，如图6所示。

由于半桥下管Q2驱动关断，谐振腔电流给上管寄生电容放电，半桥中点电压升至母线电压，上管驱动已被LLC驱动芯片L6599第7脚输入电压检测引脚关断，半桥中点电压开始谐振，而同步整流MOSFET开通，半桥中点电压为nVo，谐振腔电流在中点电压等于母线电压时，经过上管体二极管反向流动至母线电容。同步整流MOSFET 在开通后930 ns检测到负向电流对应阈值大于-12 mV，主动关断，同步整流MOSFET漏源电压震荡一次， 另一个同步整流MOSFET检测到负向电流对应阈值大于-12 mV，主动关断，另一MOSFET漏源电压震荡一次，而此时，谐振电容电压高于225 V，实测为280 V，半桥下管驱动关断后，同步整流电路控制器供电电源端还未掉电，同步整流电路控制器仍然发出驱动，导致LLC变压器副边电流在同步整流MOSFET导通时仍有反向流动的可能，所以造成了同步整流MOSFET漏极震荡现象。

2.2.2  TEA1791AT同步整流电路的改善方法

为解决上述现象，需要优化样机电源关机时序，优化半桥谐振控制器和同步整流电路控制器的关断顺序，更改为先关断LLC变压器副边同步整流电路控制器的供电电源，保证同步整流MOSFET驱动停止，后关断LLC变压器原边半桥谐振控制器L6599芯片供电电源。半桥谐振控制器L6599芯片供电电源受芯片第7脚输入电压检测引脚外接的分压电阻RH和RL影响，优化后的L6599参数见表2。优化样机电源开关机顺序后，未出现轻载情况下同步整流电路异常的问题。

漏源电压单次震荡波形

3  同步整流应用的其他问题

3.1  同步整流控制芯片的PCB板布线

在进行同步整流MOSFET和控制芯片在PCB布线时，同步整流控制芯片的漏极和源极引脚到MOSFET的漏极和源极距离一定要短，同步整流控制芯片的漏极引脚和控制芯片的源极引脚所构成的环路要尽量小，布线距离短能使引线电感分量减小，布线环路小可以减小干扰，这样做可以使同步整流控制芯片在工作中降低对整体环路的影响。

3.2  LLC变压器副边MOSFET电流测试注意点

使用示波器评估LLC变压器副边MOSFET电流波形时，需要用测试导线串接在被切断的线路板铜箔两端，如果在MOSFET漏极或源极串入测试导线，会导致测试导线的引线电感增加到被线路，从而增加MOSFET漏源电压震荡时间，影响检测精度。为了解决这一问题，在LLC变压器副边公共抽头端PCB铜箔处增加电流测试点，是一种更合理、准确、可靠的电流测试方法，该方法能尽可能减少对同步整流电路的影响。

3.3  同步整流控制芯片调整阈值和MOSFET漏源导通电阻的选取

假设选取TEA1791AT和TEA1795T两种同步整流芯片，其中TEA1791AT的驱动调整阈值为-55 mV，TEA1795T的驱动调整阈值为-25 mV，选择MOSFET常温25 ℃漏源电阻分别为10 mΩ和5 mΩ管子做对照。使用漏源电阻阻值相对高的10 mΩ MOSFET和TEA1791AT，管子在副边电流55 mV/10 mΩ=5.5 A时开始降低驱动电压，若使用TEA1795T，管子在副边电流25 mV/10 mΩ=2.5 A；使用漏源电阻阻值相对低的5 mΩ MOSFET和TEA1791AT，管子在副边电流55 mV/5 mΩ=11 A时开始降低驱动电压，若使用TEA1795T，管子在副边电流25 mV/5 mΩ=5 A时开始降低驱动电压。由此可见，管子在流过电流很大的情况下降低栅极驱动电压，会造成同步整流MOSFET对外阻抗上升，影响电源整机效率，若使用高调整阈值的同步整流控制芯片，需要搭配高漏源导通电阻的MOSFET。

4  结论

设计了一款200 W AC/DC电源，输出电压为24 V，输出端采用同步整流方案，着重讨论了LLC变压器副边同步整流芯片的选型和设计应用过程，理论分析和实际应用的结论如下。

1）TEA1791T及TEA1792TS芯片消隐时间长，芯片最高频率为250 kHz、277 kHz，本文设计的LLC电路软启动频率320 kHz，扫频至240 kHz左右，同步整流芯片开始工作，为防止输出电流反灌，考虑频率限制的因素，从理论分析上排除这2种低频芯片。

2）TEA1791AT和TEA1792ATS高频单驱动芯片，可以用于LLC电路，但由于TEA1792ATS芯片的 TSOP6封装的出货量很少，单价反而比SO8封装高，考虑成本因素，排除TEA1792ATS。

3）样机电源最终定型选择TEA1791AT单驱动芯片，输出半载以下的负载情况及开机空载开关机瞬间同步整流MOSFET的状态是需要重点关注的，且恒压情况下各种负载，LLC电路频率基本一致，如果不考虑宽增益范围，LLC最低频率建议设在工作频率的80%，以免出现轻载关机同步整流异常。

参考文献：

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