當今世界，手機，筆記本電腦等移動設備正在改變著人們的生活。對于這些設備的適配器，人們總是希望能做到小巧輕便，充電快速。為此，各大廠商近期爭相推出超小體積快充。

01為什么需要同步整流？

從電源工程師的角度來看，充電速度快意味著更大的輸出電流和更多的發熱。而體積小巧則意味著更小的散熱面積。在這二者雙重作用下，熱的問題變得棘手。

我們以常用的反激拓撲為例，假定系統輸出規格為5V 4A，那么流過副邊二極管的平均電流是4A。假設二極管的導通壓降是0.7V，在二極管上形成的導通損耗是2.8W，簡直熱爆了。系統在這種情況下長期工作，會嚴重影響可靠性和用戶使用體驗。

遇到這種問題，工程師們自然想到，如果用MOS管代替副邊輸出二極管，當副邊續流的時候把副邊MOS管打開，使其工作在同步整流模式。由于MOS的導通阻抗很小，續流過程中發熱量就很小。以導通阻抗10mΩ的MOS為例，當輸出電流4A時，MOS導通損耗僅為0.16W。發熱量被大大降低。

02同步整流如何實現供電？

我們都知道，對于NMOS，如果要在續流的過程中將MOS管打開就需要在G上提供高于S的電壓。而在續流的過程中，副邊的最高電壓就是S點的電壓。

如何才能提供一個高于S的電壓呢？

工程師們當然能想到用輔助繞組，如上圖采用額外的繞組給副邊MOS的驅動供電。但這種方式需要增加一個變壓器繞組和驅動電路，增加的系統的復雜度和成本。

那么，有沒有不需要輔助繞組的方案呢？

如上圖，如果我們把MOS管放到副邊輸出的低端，可以借助輸出電壓給MOS管供電。這種方式看似完美，但實際上MOS放在低端往往會造成系統的EMI表現更差。同時如果輸出電壓較低，就不足以為MOS的驅動提供足夠的電壓，因此無法在低壓輸出場合應用。

有沒有既不需要輔助繞組，又能適應不同輸出電壓應用，同時也要保證系統EMI表現較好的方案呢？

好一個靈魂三連問。答案是：當然有！

以MPS公司的MP9989為例。

它可以直接放在輸出的高端，可支持低壓輸出，并且外圍電路非常簡單，我們稱之為理想二極管。

MP9989的秘密武器就是它里面的自供電電路。

當厡邊MOS打開時，MP9989的MOS管反向截止，此時VDS出現正壓，MP9989內部的自供電電路會給VDD電容充電。當厡邊MOS關斷時，由于VDD電容已經被儲能，此時VDD可以為驅動電路供電，保證副邊MOS的順利打開。

除此之外，隨著USB PD越來越普及，輸出的電壓范圍越來越寬。較高的輸出電壓會給芯片的耐壓帶來挑戰。以MP9989為例，內置100V的MOS，為寬范圍設計提供足夠裕量。

03如何決定同步整流的開通時機？

有了自供電電路，為副邊MOS管的開通提供了必要條件。接下來面臨的問題是我們如何決定同步整流管的開通時機呢？

以MP9989為例，當反激厡邊MOS關斷時，副邊MOS將會通過體二極管續流，VDS電壓將會從正壓轉變為-0.7V。當芯片檢測到這個電壓轉變后將會打開副邊MOS管，完成續流。

但是，當反激電源工作在斷續模式時，會帶來新的挑戰。如上圖是斷續模式下VDS電壓和副邊電流波形。當副邊續流結束后，MOS管關閉。我們看到此時VDS電壓出現震蕩。某些工況下，VDS震蕩的幅值會比較大，甚至會震蕩到0。此時副邊同步整流電路很容易誤將續流MOS管打開，造成系統異常。

那么MPS是如何解決這一問題的呢？

時間就是我們的秘密武器！

對比原邊MOS關斷瞬間和DCM震蕩時的VDS波形，我們可以看到，震蕩條件下VDS的電壓變化遠遠慢于正常開通時的電壓變化。根據這一區別，MPS在芯片內部加入了電壓變化率的判斷。以MP9989為例，當副邊VDS下降到2V時，內部時鐘開始計時，如果VDS電壓沒有在30ns以內下降到-80mV，我們就認為這并不是正常的開通信號，此時芯片維持關斷狀態。這樣可以有效地避免震蕩導致的誤導通。

04如何實現同步整流的可靠關斷？

解決了何時導通的問題，我們迎來了另一個挑戰——何時關斷。

從原理上講，我們總是希望做到當厡邊MOS打開的同時關閉副邊的MOS，但是由于厡副邊之間并沒有通信機制，因此副邊MOS很難及時響應厡邊MOS的導通信號。

工程師們一定能想到，可以利用勵磁電感的伏秒平衡來計算出關斷時刻，常用的伏秒平衡方案示意圖如下。沒錯，理論上根據副邊MOS的導通時間，可以計算出關斷時間，從而知道何時關閉副邊MOS。

但是，當負載跳變時，為了穩定輸出電壓，原邊繞組的磁通會相應改變。在動態調節過程中，伏秒平衡是不成立的。因此容易導致動態過程中副邊MOS管不能及時關斷，從而出現短路。

除此之外，伏秒平衡原理需要采樣開通和關斷狀態下的變壓器勵磁電感電壓。電壓采樣電阻的精度和寄生參數引起的電壓震蕩都會導致伏秒平衡計算出現誤差，從而嚴重影響可靠性。

重要的事情再重復一遍！！！

伏秒平衡只在穩態條件下成立，動態情況下容易誤動作，造成短路

VP，VS 采樣受外圍電阻精度影響，帶來計算誤差

寄生參數帶來的震蕩造成VP采樣不準，導致計算誤差

那么MPS是如何解決這一問題的呢？

答案是快速關斷技術！

該技術動態調整同步整流MOS管Gate電壓。以MP9989為例，當VDS由正壓快速轉變為負壓時，經過開通延時MP9989 的MOS管打開進行續流。

這段時間內，副邊續流電流較大，VDS的電壓等于電流乘以導通阻抗。隨著續流電流的下降，VDS電壓隨之下降，如下圖。

當VDS達到40mV后，隨著電流的繼續下降，MP9989會動態降低Gate驅動電壓，增大導通阻抗，將VDS壓降控制到40mV，如下圖。此時MOS管已經進入半導通狀態，Gate電壓處于較低水平。

到下一個工作周期，反激原邊的MOS管開通時，副邊MOS管Gate可以由之前的較低的電壓水平快速實現關斷，保證工作的可靠性。在這項技術的加持下，MPS的同步整流產品可以支持600kHz開關頻率，且適應CCM，DCM，準諧振，有源鉗位等反激應用。

看到這里是不是覺得一顆簡單的同步整流芯片竟凝聚了MPS如此多的創新？

原文標題：【短視頻】MPS 電源小課堂第九話：副邊同步整流，讓開關電源精致到無溫度修改

文章出處：【微信公眾號：MPS芯源系統】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。

責任編輯：haq