提升電源轉換效率的自定時(shí)電壓檢測同步MOSFET控制方案

透過(guò)對MOSFET的初級側實(shí)施零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)可以實(shí)現上述要求，因為ZVS大幅降低了開(kāi)關(guān)損耗。 開(kāi)關(guān)損耗越低、效率越高、MOSFET的熱管理越簡(jiǎn)單。然而，電源輸出二極管的低效率嚴重阻礙了設備體積的進(jìn)一步微型化。在大屏幕電視中，要求在諧振電源內使用表面黏著(zhù)MOSFET取代帶散熱器的輸出二極管。不過(guò)，由于時(shí)序復雜性、成本和現有同步整流器解決方案欠佳的表現，迄今為止，采用這一替代方案的數量非常有限?？赏高^(guò)比較漏極電壓與負的閾值電壓(Vth)做到這點(diǎn)。當漏極電壓是個(gè)比Vth更正的值時(shí)，MOSFET的閘極電壓被拉低至1V，以確保元件被關(guān)閉。

閘極電壓隨反向漏極電壓的下降而逐漸降低，因而確保了MOSFET在電流過(guò)零點(diǎn)附近的迅速切斷。換言之，可以更少的閘極電荷切斷MOSFET，因而縮短了閘極電壓的下降時(shí)間，并確保沒(méi)有反向電流。此外，比例式閘極驅動(dòng)器根據MOSFET的電流幅值調節其輸出電壓，這樣，在漏極電流接近零之前，該MOSFET的閘極一直在得到加強。這樣，在MOSFET關(guān)閉后，就將體二極管的導通時(shí)間縮至最短。圖3為同步MOSFET的工作波形。在滿(mǎn)載情況下，圖3b顯示，為獲得低阻抗，在MOSFET的大電流期間壓一直維持在10V左右。

圖3.顯示的是諧振轉換器的閘極驅動(dòng)器工作波形：(a)25%負載和(b)滿(mǎn)載

當漏電流為低時(shí)，閘極電壓逐漸降低、導致MOSFET的阻抗加大、因而設立起負的漏極電壓。與數位電平閘極電壓比，這確保了阻抗非常低的MOSFET將不會(huì )關(guān)閉，且仍將維持導通相當水準的電流。

3　讓熱設計更容易

在加大功率密度時(shí)，熱管理成為一個(gè)關(guān)鍵設計因素，且它對產(chǎn)品品質(zhì)和可靠性非常重要。對液晶電視來(lái)說(shuō)，出于安全考量，電源被封裝在特殊或完全密封的殼體內，此時(shí)，因系統散熱基本上只依靠自然對流和輻射，所以，電源部份的有效散熱就成為一個(gè)主要設計挑戰。典型的電視電源需要為音訊放大器提供+12V輸出;為背光提供+24V輸出;為微控制器和介面提供+5V輸出。+12V輸出軌的功率低于+24V輸出軌的功率、并使用蕭特基二極管，如圖2所示。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)32英枷允灸輝謐罡吡煉仁保背光單元約需144W功率。 這相當于在24V輸出軌的肖特基二極管上流過(guò)6A電流，并伴隨需采用大體積散熱器的導通損耗。 對于42英枷允灸煥此擔背光功率提高到264W，電流為11A。

若電視電源采用40A額定電流/100V擊穿電壓的肖特基二極管作為輸出整流器，其正向壓降通常為425mV/3A@125℃結溫。 那么，24V電源軌上每個(gè)輸出二極管在6A滿(mǎn)負載條件下的導通損耗約為1.275W。如果我們將滿(mǎn)負載輸出電流升高到點(diǎn)亮更大液晶顯示幕所用CCFL或LED 背光單元所需的11A，則靜態(tài)功耗就變?yōu)?.12W，若不采用大型散熱器，就無(wú)法輕易地實(shí)現散熱。在滿(mǎn)負載條件下，假設諧振槽可充分濾除掉輸入電壓的高次諧波，則在6A輸出軌，每個(gè)MOSFET的均方根(RMS)漏極電流約為3.33A。

基于漏極電壓感測的同步閘極驅動(dòng)器方案僅在進(jìn)行MOSFET體二極管正向電壓檢測時(shí)開(kāi)啟MOSFET。 因為初始的體二極管導通，閘極導通延遲時(shí)間降低了效率，這在高開(kāi)關(guān)頻率下是不能被忽視的。在將體二極管和MOSFET通道損耗運算在內后，當一款rDS(on)@Tj=100°= 9mΩ的元件用在工作于80kHz的開(kāi)關(guān)轉換器時(shí)，該元件的導通損耗約為192mW 。 因同步MOSFET在零電流處開(kāi)啟和切斷，所以損耗可忽略不計。MOSFET現工作在92℃的可接受結溫和80℃的PCB溫度。 依此類(lèi)推，對42英枷允酒晾此擔在11A輸出轉換器中，相同MOSFET的導通損耗約為935mW。

4　本文小結

因為試圖減少諸如電源變壓器、濾波電容和散熱元件等主要系統元件的實(shí)體尺寸并降低其成本而求助越來(lái)越高的開(kāi)關(guān)頻率的壓力越來(lái)越大，電視機電源的設計就不再微不足道，對許多以前只使用肖特基二極管技術(shù)的設計師來(lái)說(shuō)，有可能是個(gè)嚴峻挑戰。該拓撲對傳統的同步MOSFET控制技術(shù)并沒(méi)太多幫助，它要求需采用許多分離元件的復雜的系統解決方案，且為使系統正常工作，所需的設計階段也更長(cháng)。 基于MOSFET控制的漏極電壓檢測可解決現有問(wèn)題，另外，更可借力整合了高電壓比較器和MOSFET驅動(dòng)器的新一代積體電路。設計師現在能夠迅速且容易地克服以往這些障礙。 集最佳化的MOSFET加強和更快切斷速度于一身的專(zhuān)用控制器晶片可被用來(lái)作為滿(mǎn)足更苛刻效率要求的工具。 此外，得益于控制器的簡(jiǎn)單性和靈活性，在PCB設計時(shí)，只需不大的布局改變，就可將其納入現有的電源設計。