Die grundlegende Stromversorgungsstruktur vonschnelles AufladenQC verwendet Flyback + sekundärseitiges (sekundäres) Synchrongleichrichtungs-SSR.Bei Sperrwandlern kann die Rückkopplungsabtastmethode unterteilt werden in: primärseitige (primäre) Regelung und sekundärseitige (sekundäre) Regelung;je nach Standort des PWM-Controllers.Es kann unterteilt werden in: primärseitige (primäre) Steuerung und sekundäre (sekundäre) Steuerung.Es scheint, dass es nichts mit MOSFET zu tun hat.Also,Olukeymuss fragen: Wo ist der MOSFET versteckt?Welche Rolle spielte es?
1. Primärseitige (primäre) Einstellung und sekundäre (sekundäre) Einstellung
Die Stabilität der Ausgangsspannung erfordert eine Rückkopplungsverbindung, die ihre sich ändernden Informationen an den PWM-Hauptcontroller sendet, um die Änderungen der Eingangsspannung und der Ausgangslast anzupassen.Entsprechend den verschiedenen Feedback-Abtastmethoden kann es in primärseitige (primäre) Anpassung und sekundäre (sekundäre) Anpassung unterteilt werden, wie in den Abbildungen 1 und 2 dargestellt.
Das Rückkopplungssignal der primärseitigen (Primär-)Regelung wird nicht direkt von der Ausgangsspannung, sondern von der Hilfswicklung bzw. der primären Primärwicklung übernommen, die in einem bestimmten proportionalen Verhältnis zur Ausgangsspannung steht.Seine Eigenschaften sind:
① Indirekte Rückkopplungsmethode, schlechte Lastregulierungsrate und schlechte Genauigkeit;
②.Einfach und kostengünstig;
③.Kein isolierender Optokoppler erforderlich.
Das Rückmeldesignal für die sekundärseitige (sekundäre) Regelung wird mittels Optokoppler und TL431 direkt aus der Ausgangsspannung entnommen.Seine Eigenschaften sind:
① Direkte Rückkopplungsmethode, gute Lastregulierungsrate, lineare Regulierungsrate und hohe Präzision;
②.Die Einstellschaltung ist komplex und kostspielig;
③.Es ist notwendig, den Optokoppler zu isolieren, der mit der Zeit Alterungsprobleme aufweist.
2. Sekundärseitige (sekundäre) Diodengleichrichtung undMOSFETSynchrongleichrichtung SSR
Die Sekundärseite (Sekundärseite) des Sperrwandlers verwendet aufgrund des großen Ausgangsstroms beim Schnellladen normalerweise eine Diodengleichrichtung.Insbesondere beim Direktladen oder Blitzladen beträgt der Ausgangsstrom bis zu 5A.Um den Wirkungsgrad zu verbessern, wird anstelle der Diode ein MOSFET als Gleichrichter verwendet, der als sekundärer (sekundärer) Synchrongleichrichter SSR bezeichnet wird, wie in den Abbildungen 3 und 4 dargestellt.
Eigenschaften der sekundärseitigen (sekundären) Diodengleichrichtung:
①.Einfach, es ist kein zusätzlicher Antriebsregler erforderlich und die Kosten sind gering;
② Wenn der Ausgangsstrom groß ist, ist der Wirkungsgrad niedrig;
③.Hohe Zuverlässigkeit.
Merkmale der sekundärseitigen (sekundären) MOSFET-Synchrongleichrichtung:
①.Komplex, erfordert zusätzliche Antriebssteuerung und hohe Kosten;
②.Wenn der Ausgangsstrom groß ist, ist der Wirkungsgrad hoch;
③.Im Vergleich zu Dioden ist ihre Zuverlässigkeit gering.
In praktischen Anwendungen wird der MOSFET des SSR mit Synchrongleichrichtung normalerweise vom oberen Ende zum unteren Ende verschoben, um die Ansteuerung zu erleichtern, wie in Abbildung 5 dargestellt.
Die Eigenschaften des High-End-MOSFET des Synchrongleichrichtungs-SSR:
①.Es erfordert ein Bootstrap-Laufwerk oder ein Floating-Laufwerk, was kostspielig ist.
②.Gute EMI.
Die Eigenschaften des am unteren Ende platzierten SSR-MOSFET mit Synchrongleichrichtung:
① Direktantrieb, einfacher Antrieb und niedrige Kosten;
②.Schlechte EMI.
3. Primärseitige (primäre) Steuerung und sekundäre (sekundäre) Steuerung
Der PWM-Hauptcontroller ist auf der Primärseite (primär) platziert.Diese Struktur wird als primärseitige (primäre) Steuerung bezeichnet.Um die Genauigkeit der Ausgangsspannung, der Lastregelungsrate und der linearen Regelungsrate zu verbessern, erfordert die primärseitige (primäre) Steuerung einen externen Optokoppler und TL431 zur Bildung einer Rückkopplungsverbindung.Die Systembandbreite ist gering und die Reaktionsgeschwindigkeit langsam.
Wenn der PWM-Hauptcontroller auf der Sekundärseite (sekundär) platziert wird, können der Optokoppler und TL431 entfernt werden und die Ausgangsspannung kann direkt gesteuert und mit schneller Reaktion angepasst werden.Diese Struktur wird als sekundäre (sekundäre) Steuerung bezeichnet.
Merkmale der primärseitigen (primären) Steuerung:
①.Optokoppler und TL431 sind erforderlich und die Reaktionsgeschwindigkeit ist langsam.
②.Die Geschwindigkeit des Ausgangsschutzes ist langsam.
③.Im kontinuierlichen Synchrongleichrichtungsmodus CCM benötigt die Sekundärseite (Sekundärseite) ein Synchronisationssignal.
Merkmale der sekundären (sekundären) Steuerung:
①.Der Ausgang wird direkt erkannt, es werden kein Optokoppler und TL431 benötigt, die Reaktionsgeschwindigkeit ist schnell und die Ausgangsschutzgeschwindigkeit ist schnell;
②.Der sekundärseitige (sekundäre) Synchrongleichrichtungs-MOSFET wird direkt angesteuert, ohne dass Synchronisationssignale erforderlich sind;Zur Übertragung der Ansteuersignale des primärseitigen (primären) Hochspannungs-MOSFET sind zusätzliche Geräte wie Impulstransformatoren, Magnetkupplungen oder kapazitive Koppler erforderlich.
③.Die Primärseite (Primärseite) benötigt einen Startkreis, bzw. die Sekundärseite (Sekundärseite) verfügt über eine Hilfsstromversorgung zum Starten.
4. Kontinuierlicher CCM-Modus oder diskontinuierlicher DCM-Modus
Der Sperrwandler kann im kontinuierlichen CCM-Modus oder im diskontinuierlichen DCM-Modus betrieben werden.Erreicht der Strom in der Sekundärwicklung (Sekundärwicklung) am Ende eines Schaltzyklus den Wert 0, spricht man vom diskontinuierlichen DCM-Modus.Wenn der Strom der Sekundärwicklung (Sekundärwicklung) am Ende eines Schaltzyklus nicht 0 ist, spricht man vom kontinuierlichen CCM-Modus, wie in den Abbildungen 8 und 9 dargestellt.
Aus Abbildung 8 und Abbildung 9 ist ersichtlich, dass die Arbeitszustände des Synchrongleichrichtungs-SSR in verschiedenen Betriebsmodi des Sperrwandlers unterschiedlich sind, was auch bedeutet, dass die Steuerungsmethoden des Synchrongleichrichtungs-SSR ebenfalls unterschiedlich sind.
Wenn die Totzeit ignoriert wird und im kontinuierlichen CCM-Modus gearbeitet wird, hat das Synchrongleichrichtungs-SSR zwei Zustände:
①.Der primärseitige (primäre) Hochspannungs-MOSFET ist eingeschaltet und der sekundärseitige (sekundäre) Synchrongleichrichtungs-MOSFET ist ausgeschaltet;
②.Der primärseitige (primäre) Hochspannungs-MOSFET ist ausgeschaltet und der sekundärseitige (sekundäre) Synchrongleichrichtungs-MOSFET ist eingeschaltet.
Wenn die Totzeit ignoriert wird, hat das Synchrongleichrichtungs-SSR in ähnlicher Weise drei Zustände, wenn es im diskontinuierlichen DCM-Modus betrieben wird:
①.Der primärseitige (primäre) Hochspannungs-MOSFET ist eingeschaltet und der sekundärseitige (sekundäre) Synchrongleichrichtungs-MOSFET ist ausgeschaltet;
②.Der primärseitige (primäre) Hochspannungs-MOSFET ist ausgeschaltet und der sekundärseitige (sekundäre) Synchrongleichrichtungs-MOSFET ist eingeschaltet;
③.Der primärseitige (primäre) Hochspannungs-MOSFET ist ausgeschaltet, und der sekundärseitige (sekundäre) Synchrongleichrichtungs-MOSFET ist ausgeschaltet.
5. Sekundärseitiges (sekundäres) Synchrongleichrichtungs-SSR im kontinuierlichen CCM-Modus
Wenn der Schnelllade-Sperrwandler im kontinuierlichen CCM-Modus arbeitet, der primärseitigen (primären) Steuermethode, benötigt der sekundärseitige (sekundäre) synchrone Gleichrichtungs-MOSFET ein Synchronisationssignal von der Primärseite (primär), um die Abschaltung zu steuern.
Um das synchrone Antriebssignal der Sekundärseite (Sekundärseite) zu erhalten, werden üblicherweise die folgenden zwei Methoden verwendet:
(1) Verwenden Sie direkt die Sekundärwicklung (Sekundärwicklung), wie in Abbildung 10 dargestellt.
(2) Verwenden Sie zusätzliche Isolationskomponenten wie Impulstransformatoren, um das synchrone Antriebssignal von der Primärseite (Primärseite) zur Sekundärseite (Sekundärseite) zu übertragen, wie in Abbildung 12 dargestellt.
Durch direkte Verwendung der Sekundärwicklung (Sekundärwicklung) zum Erhalten des Synchronantriebssignals ist die Genauigkeit des Synchronantriebssignals sehr schwer zu steuern und es ist schwierig, eine optimale Effizienz und Zuverlässigkeit zu erreichen.Einige Unternehmen nutzen sogar digitale Regler, um die Regelgenauigkeit zu verbessern, wie in Abbildung 11 gezeigt.
Die Verwendung eines Impulstransformators zum Erhalten synchroner Antriebssignale bietet eine hohe Genauigkeit, die Kosten sind jedoch relativ hoch.
Die sekundärseitige (sekundäre) Steuermethode verwendet normalerweise einen Impulstransformator oder eine Magnetkopplungsmethode, um das synchrone Antriebssignal von der Sekundärseite (sekundär) zur Primärseite (primär) zu übertragen, wie in Abbildung 7.v dargestellt
6. Sekundärseitiges (sekundäres) Synchrongleichrichtungs-SSR im diskontinuierlichen DCM-Modus
Wenn der Schnelllade-Sperrwandler im diskontinuierlichen DCM-Modus arbeitet.Unabhängig von der primärseitigen (primären) Steuermethode oder der sekundärseitigen (sekundären) Steuermethode können die D- und S-Spannungsabfälle des Synchrongleichrichtungs-MOSFET direkt erfasst und gesteuert werden.
(1) Einschalten des Synchrongleichrichtungs-MOSFET
Wenn sich die Spannung VDS des Synchrongleichrichtungs-MOSFET von positiv auf negativ ändert, schaltet sich die interne parasitäre Diode ein, und nach einer bestimmten Verzögerung schaltet sich der Synchrongleichrichtungs-MOSFET ein, wie in Abbildung 13 dargestellt.
(2) Ausschalten des Synchrongleichrichtungs-MOSFET
Nach dem Einschalten des Synchrongleichrichtungs-MOSFET gilt VDS=-Io*Rdson.Wenn der Strom der Sekundärwicklung (Sekundärwicklung) auf 0 abnimmt, d. h. wenn die Spannung des Stromerkennungssignals VDS von negativ auf 0 wechselt, schaltet sich der Synchrongleichrichtungs-MOSFET aus, wie in Abbildung 13 dargestellt.
In praktischen Anwendungen schaltet der Synchrongleichrichtungs-MOSFET ab, bevor der Sekundärwicklungsstrom 0 (VDS=0) erreicht.Die von verschiedenen Chips festgelegten Referenzspannungswerte für die Stromerkennung sind unterschiedlich, z. B. -20 mV, -50 mV, -100 mV, -200 mV usw.
Die Referenzspannung für die Stromerkennung des Systems ist fest vorgegeben.Je größer der Absolutwert der Stromerkennungsreferenzspannung ist, desto kleiner ist der Interferenzfehler und desto besser ist die Genauigkeit.Wenn jedoch der Ausgangslaststrom Io abnimmt, schaltet der Synchrongleichrichtungs-MOSFET bei einem größeren Ausgangsstrom ab und seine interne parasitäre Diode leitet länger, sodass der Wirkungsgrad sinkt, wie in Abbildung 14 dargestellt.
Darüber hinaus ist der Absolutwert der Stromerkennungs-Referenzspannung zu klein.Systemfehler und Interferenzen können dazu führen, dass der Synchrongleichrichtungs-MOSFET abschaltet, nachdem der Strom der Sekundärwicklung (Sekundärwicklung) 0 überschreitet, was zu einem umgekehrten Zuflussstrom führt, der die Effizienz und Systemzuverlässigkeit beeinträchtigt.
Hochpräzise Stromerkennungssignale können die Effizienz und Zuverlässigkeit des Systems verbessern, aber die Kosten des Geräts werden steigen.Die Genauigkeit des aktuellen Erkennungssignals hängt von den folgenden Faktoren ab:
①.Genauigkeit und Temperaturdrift der Referenzspannung für die Stromerkennung;
②.Die Vorspannung und Offset-Spannung, der Bias-Strom und der Offset-Strom sowie die Temperaturdrift des Stromverstärkers;
③.Die Genauigkeit und Temperaturdrift des Einschaltspannungs-Rdson des Synchrongleichrichtungs-MOSFET.
Darüber hinaus kann es aus Systemsicht durch digitale Steuerung, Änderung der Referenzspannung für die Stromerkennung und Änderung der MOSFET-Antriebsspannung für die Synchrongleichrichtung verbessert werden.
Wenn der Ausgangslaststrom Io abnimmt und die Ansteuerspannung des Leistungs-MOSFET sinkt, steigt die entsprechende MOSFET-Einschaltspannung Rdson.Wie in Abbildung 15 dargestellt, ist es möglich, ein vorzeitiges Abschalten des Synchrongleichrichtungs-MOSFET zu vermeiden, die Leitungszeit der parasitären Diode zu reduzieren und die Effizienz des Systems zu verbessern.
Aus Abbildung 14 ist ersichtlich, dass mit abnehmendem Ausgangslaststrom Io auch die Referenzspannung für die Stromerkennung abnimmt.Wenn der Ausgangsstrom Io groß ist, wird auf diese Weise eine höhere Stromerkennungsreferenzspannung verwendet, um die Steuergenauigkeit zu verbessern.Wenn der Ausgangsstrom Io niedrig ist, wird eine niedrigere Referenzspannung für die Stromerkennung verwendet.Es kann auch die Leitungszeit des Synchrongleichrichtungs-MOSFET verbessern und die Effizienz des Systems verbessern.
Wenn die obige Methode nicht zur Verbesserung verwendet werden kann, können Schottky-Dioden auch an beiden Enden des Synchrongleichrichtungs-MOSFET parallel geschaltet werden.Nachdem der Synchrongleichrichtungs-MOSFET vorab ausgeschaltet wurde, kann eine externe Schottky-Diode zum Freilauf angeschlossen werden.
7. Sekundärer (sekundärer) Steuerungs-CCM+DCM-Hybridmodus
Derzeit gibt es grundsätzlich zwei gängige Lösungen für das Schnellladen von Mobiltelefonen:
(1) Primärseitige (primäre) Steuerung und DCM-Arbeitsmodus.Der sekundärseitige (sekundäre) Synchrongleichrichtungs-MOSFET benötigt kein Synchronisationssignal.
(2) Sekundäre (sekundäre) Steuerung, CCM+DCM-Mischbetriebsmodus (wenn der Ausgangslaststrom abnimmt, von CCM zu DCM).Der sekundärseitige (sekundäre) Synchrongleichrichtungs-MOSFET wird direkt angesteuert. Die Prinzipien seiner Ein- und Ausschaltlogik sind in Abbildung 16 dargestellt:
Einschalten des Synchrongleichrichtungs-MOSFET: Wenn die Spannung VDS des Synchrongleichrichtungs-MOSFET von positiv auf negativ wechselt, schaltet sich seine interne parasitäre Diode ein.Nach einer gewissen Verzögerung schaltet sich der Synchrongleichrichtungs-MOSFET ein.
Ausschalten des Synchrongleichrichtungs-MOSFET:
① Wenn die Ausgangsspannung unter dem eingestellten Wert liegt, wird das synchrone Taktsignal verwendet, um das Ausschalten des MOSFET zu steuern und im CCM-Modus zu arbeiten.
② Wenn die Ausgangsspannung größer als der eingestellte Wert ist, wird das synchrone Taktsignal abgeschirmt und die Arbeitsweise ist die gleiche wie im DCM-Modus.Das Signal VDS=-Io*Rdson steuert die Abschaltung des Synchrongleichrichtungs-MOSFET.
Jetzt weiß jeder, welche Rolle MOSFETs bei der gesamten Schnelllade-QC spielen!
Über Olukey
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 14. Dezember 2023
