Olukey : Parlons du rôle du MOSFET dans l'architecture de base de la charge rapide

La structure d'alimentation de base decharge rapideQC utilise un SSR de rectification synchrone flyback + côté secondaire (secondaire). Pour les convertisseurs flyback, selon la méthode d'échantillonnage par rétroaction, il peut être divisé en : régulation côté primaire (primaire) et régulation côté secondaire (secondaire) ; selon l'emplacement du contrôleur PWM. Il peut être divisé en : contrôle côté primaire (primaire) et contrôle côté secondaire (secondaire). Il semble que cela n'ait rien à voir avec le MOSFET. Donc,Olukeydoit demander : où est caché le MOSFET ? Quel rôle a-t-il joué ?

1. Réglage du côté primaire (primaire) et réglage du côté secondaire (secondaire)

La stabilité de la tension de sortie nécessite une liaison de rétroaction pour envoyer ses informations changeantes au contrôleur principal PWM afin d'ajuster les changements de tension d'entrée et de charge de sortie. Selon les différentes méthodes d'échantillonnage par rétroaction, il peut être divisé en ajustement du côté primaire (primaire) et en ajustement du côté secondaire (secondaire), comme le montrent les figures 1 et 2.

Redressement par diode côté secondaire (secondaire)

Le MOSFET de rectification synchrone SSR est placé en bas

Le signal de rétroaction de la régulation côté primaire (primaire) n'est pas directement extrait de la tension de sortie, mais de l'enroulement auxiliaire ou de l'enroulement primaire primaire qui maintient une certaine relation proportionnelle avec la tension de sortie. Ses caractéristiques sont :

① Méthode de rétroaction indirecte, mauvais taux de régulation de charge et mauvaise précision ;

②. Simple et peu coûteux ;

③. Pas besoin d'optocoupleur d'isolation.

Le signal de retour pour la régulation côté secondaire (secondaire) est extrait directement de la tension de sortie à l'aide d'un optocoupleur et du TL431. Ses caractéristiques sont :

① Méthode de rétroaction directe, bon taux de régulation de charge, taux de régulation linéaire et haute précision ;

②. Le circuit de réglage est complexe et coûteux ;

③. Il est nécessaire d'isoler l'optocoupleur qui présente des problèmes de vieillissement dans le temps.

2. Redressement de diode côté secondaire (secondaire) etMOSFETrelais statique à redressement synchrone

Le côté secondaire (secondaire) du convertisseur flyback utilise généralement un redressement par diode en raison du courant de sortie important de la charge rapide. Surtout pour le chargement direct ou le chargement flash, le courant de sortie atteint 5A. Afin d'améliorer l'efficacité, le MOSFET est utilisé à la place de la diode comme redresseur, appelé SSR à redressement synchrone secondaire (secondaire), comme le montrent les figures 3 et 4.

Rectification synchrone MOSFET côté secondaire (secondaire)

Caractéristiques du redressement par diode côté secondaire (secondaire) :

①. Simple, aucun contrôleur de variateur supplémentaire n'est requis et le coût est faible ;

② Lorsque le courant de sortie est important, le rendement est faible ;

③. Haute fiabilité.

Caractéristiques du redressement synchrone MOSFET côté secondaire (secondaire) :

①. Complexe, nécessitant un contrôleur de variateur supplémentaire et un coût élevé ;

②. Lorsque le courant de sortie est important, le rendement est élevé ;

③. Par rapport aux diodes, leur fiabilité est faible.

Dans les applications pratiques, le MOSFET du SSR à rectification synchrone est généralement déplacé de l'extrémité supérieure vers l'extrémité inférieure pour faciliter la conduite, comme le montre la figure 5.

Les caractéristiques du MOSFET haut de gamme du SSR à rectification synchrone :

①. Cela nécessite un lecteur d'amorçage ou un lecteur flottant, ce qui est coûteux ;

②. Bon EMI.

Les caractéristiques du MOSFET SSR à rectification synchrone placé à l'extrémité basse :

① Entraînement direct, entraînement simple et faible coût ;

②. Pauvre EMI.

3. Contrôle côté primaire (primaire) et contrôle côté secondaire (secondaire)

Le contrôleur principal PWM est placé du côté primaire (primaire). Cette structure est appelée contrôle côté primaire (primaire). Afin d'améliorer la précision de la tension de sortie, du taux de régulation de charge et du taux de régulation linéaire, la commande côté primaire (primaire) nécessite un optocoupleur externe et un TL431 pour former une liaison de rétroaction. La bande passante du système est petite et la vitesse de réponse est lente.

Si le contrôleur principal PWM est placé du côté secondaire (secondaire), l'optocoupleur et le TL431 peuvent être retirés, et la tension de sortie peut être directement contrôlée et ajustée avec une réponse rapide. Cette structure est appelée contrôle secondaire (secondaire).

Caractéristiques du contrôle côté primaire (primaire) :

①. Un optocoupleur et un TL431 sont requis et la vitesse de réponse est lente ;

②. La vitesse de protection de sortie est lente.

③. En mode continu de redressement synchrone CCM, le côté secondaire (secondaire) nécessite un signal de synchronisation.

Caractéristiques du contrôle secondaire (secondaire) :

①. La sortie est directement détectée, aucun optocoupleur ni TL431 n'est nécessaire, la vitesse de réponse est rapide et la vitesse de protection de sortie est rapide ;

②. Le MOSFET de redressement synchrone côté secondaire (secondaire) est directement piloté sans avoir besoin de signaux de synchronisation ; des dispositifs supplémentaires tels que des transformateurs d'impulsions, des couplages magnétiques ou des coupleurs capacitifs sont nécessaires pour transmettre les signaux de commande du MOSFET haute tension côté primaire (primaire).

③. Le côté primaire (primaire) a besoin d'un circuit de démarrage, ou le côté secondaire (secondaire) dispose d'une alimentation auxiliaire pour le démarrage.

4. Mode CCM continu ou mode DCM discontinu

Le convertisseur flyback peut fonctionner en mode CCM continu ou en mode DCM discontinu. Si le courant dans l'enroulement secondaire (secondaire) atteint 0 à la fin d'un cycle de commutation, on parle de mode DCM discontinu. Si le courant de l'enroulement secondaire (secondaire) n'est pas nul à la fin d'un cycle de commutation, on parle de mode CCM continu, comme le montrent les figures 8 et 9.

Il ressort des figures 8 et 9 que les états de fonctionnement du SSR à redressement synchrone sont différents selon les modes de fonctionnement du convertisseur flyback, ce qui signifie également que les méthodes de contrôle du SSR à redressement synchrone seront également différentes.

Si le temps mort est ignoré, lors du fonctionnement en mode CCM continu, le relais statique de redressement synchrone a deux états :

①. Le MOSFET haute tension côté primaire (primaire) est allumé et le MOSFET de rectification synchrone côté secondaire (secondaire) est éteint ;

②. Le MOSFET haute tension côté primaire (primaire) est éteint et le MOSFET de rectification synchrone côté secondaire (secondaire) est allumé.

De même, si le temps mort est ignoré, le relais statique de redressement synchrone a trois états lorsqu'il fonctionne en mode DCM discontinu :

①. Le MOSFET haute tension côté primaire (primaire) est allumé et le MOSFET de rectification synchrone côté secondaire (secondaire) est éteint ;

②. Le MOSFET haute tension côté primaire (primaire) est éteint et le MOSFET de rectification synchrone côté secondaire (secondaire) est allumé ;

③. Le MOSFET haute tension côté primaire (primaire) est éteint et le MOSFET de rectification synchrone côté secondaire (secondaire) est éteint.

5. SSR de redressement synchrone côté secondaire (secondaire) en mode CCM continu

Si le convertisseur flyback à charge rapide fonctionne en mode CCM continu, la méthode de contrôle du côté primaire (primaire), le MOSFET de rectification synchrone du côté secondaire (secondaire) nécessite un signal de synchronisation du côté primaire (primaire) pour contrôler l'arrêt.

Les deux méthodes suivantes sont généralement utilisées pour obtenir le signal d'entraînement synchrone du côté secondaire (secondaire) :

(1) Utilisez directement l'enroulement secondaire (secondaire), comme indiqué sur la figure 10 ;

(2) Utilisez des composants d'isolation supplémentaires tels que des transformateurs d'impulsions pour transmettre le signal d'entraînement synchrone du côté primaire (primaire) au côté secondaire (secondaire), comme indiqué sur la figure 12.

En utilisant directement l'enroulement secondaire (secondaire) pour obtenir le signal d'entraînement synchrone, la précision du signal d'entraînement synchrone est très difficile à contrôler et il est difficile d'obtenir une efficacité et une fiabilité optimisées. Certaines entreprises utilisent même des contrôleurs numériques pour améliorer la précision du contrôle, comme le montre la figure 11.

L'utilisation d'un transformateur d'impulsions pour obtenir des signaux de commande synchrones présente une grande précision, mais le coût est relativement élevé.

La méthode de contrôle du côté secondaire (secondaire) utilise généralement un transformateur d'impulsions ou une méthode de couplage magnétique pour transmettre le signal d'entraînement synchrone du côté secondaire (secondaire) au côté primaire (primaire), comme le montre la figure 7.v.

Utilisez directement l'enroulement secondaire (secondaire) pour obtenir le signal d'entraînement synchrone

Utilisez directement l'enroulement secondaire (secondaire) pour obtenir le signal d'entraînement synchrone + commande numérique

6. SSR de redressement synchrone côté secondaire (secondaire) en mode DCM discontinu

Si le convertisseur flyback à charge rapide fonctionne en mode DCM discontinu. Quelle que soit la méthode de contrôle du côté primaire (primaire) ou du côté secondaire (secondaire), les chutes de tension D et S du MOSFET à redressement synchrone peuvent être directement détectées et contrôlées.

(1) Allumer le MOSFET de rectification synchrone

Lorsque la tension du VDS du MOSFET à redressement synchrone passe du positif au négatif, la diode parasite interne s'allume et, après un certain délai, le MOSFET à redressement synchrone s'allume, comme le montre la figure 13.

(2) Éteindre le MOSFET de rectification synchrone

Une fois le MOSFET de rectification synchrone activé, VDS=-Io*Rdson. Lorsque le courant de l'enroulement secondaire (secondaire) diminue jusqu'à 0, c'est-à-dire lorsque la tension du signal de détection de courant VDS passe du négatif à 0, le MOSFET de redressement synchrone s'éteint, comme le montre la figure 13.

Allumer et éteindre le MOSFET à rectification synchrone en mode DCM discontinu

Dans les applications pratiques, le MOSFET à redressement synchrone s'éteint avant que le courant de l'enroulement secondaire (secondaire) n'atteigne 0 (VDS=0). Les valeurs de tension de référence de détection de courant définies par différentes puces sont différentes, telles que -20 mV, -50 mV, -100 mV, -200 mV, etc.

La tension de référence de détection de courant du système est fixe. Plus la valeur absolue de la tension de référence de détection de courant est élevée, plus l'erreur d'interférence est faible et meilleure est la précision. Cependant, lorsque le courant de charge de sortie Io diminue, le MOSFET à redressement synchrone s'éteindra à un courant de sortie plus important et sa diode parasite interne conduira pendant une période plus longue, de sorte que l'efficacité est réduite, comme le montre la figure 14.

Tension de référence de détection de courant et temps de coupure du MOSFET à redressement synchrone

De plus, si la valeur absolue de la tension de référence de détection actuelle est trop petite. Les erreurs du système et les interférences peuvent provoquer la désactivation du MOSFET de redressement synchrone une fois que le courant de l'enroulement secondaire (secondaire) dépasse 0, ce qui entraîne un courant d'entrée inverse, affectant l'efficacité et la fiabilité du système.

Des signaux de détection de courant de haute précision peuvent améliorer l'efficacité et la fiabilité du système, mais le coût de l'appareil augmentera. La précision du signal de détection actuel est liée aux facteurs suivants :
①. Précision et dérive de température de la tension de référence de détection de courant ;
②. La tension de polarisation et la tension de décalage, le courant de polarisation et le courant de décalage, ainsi que la dérive en température de l'amplificateur de courant ;
③. La précision et la dérive en température du Rdson en tension du MOSFET à rectification synchrone.

De plus, du point de vue du système, il peut être amélioré grâce au contrôle numérique, à la modification de la tension de référence de détection de courant et à la modification de la tension de commande MOSFET de rectification synchrone.

Lorsque le courant de charge de sortie Io diminue, si la tension de commande du MOSFET de puissance diminue, la tension d'activation du MOSFET correspondante Rdson augmente. Comme le montre la figure 15, il est possible d'éviter un arrêt prématuré du MOSFET de redressement synchrone, de réduire le temps de conduction de la diode parasite et d'améliorer l'efficacité du système.

Réduire la tension de commande VGS et désactiver le MOSFET de rectification synchrone

Il ressort de la figure 14 que lorsque le courant de charge de sortie Io diminue, la tension de référence de détection de courant diminue également. De cette manière, lorsque le courant de sortie Io est important, une tension de référence de détection de courant plus élevée est utilisée pour améliorer la précision de contrôle ; lorsque le courant de sortie Io est faible, une tension de référence de détection de courant inférieure est utilisée. Il peut également améliorer le temps de conduction du MOSFET à rectification synchrone et améliorer l'efficacité du système.

Lorsque la méthode ci-dessus ne peut pas être utilisée pour l'amélioration, les diodes Schottky peuvent également être connectées en parallèle aux deux extrémités du MOSFET à redressement synchrone. Une fois le MOSFET de redressement synchrone désactivé à l'avance, une diode Schottky externe peut être connectée pour la roue libre.

7. Contrôle secondaire (secondaire) mode hybride CCM + DCM

Actuellement, il existe essentiellement deux solutions couramment utilisées pour la recharge rapide des téléphones portables :

(1) Contrôle côté primaire (primaire) et mode de fonctionnement DCM. Le MOSFET de redressement synchrone côté secondaire (secondaire) ne nécessite pas de signal de synchronisation.

(2) Contrôle secondaire (secondaire), mode de fonctionnement mixte CCM+DCM (lorsque le courant de charge de sortie diminue, de CCM à DCM). Le MOSFET de redressement synchrone côté secondaire (secondaire) est directement piloté et ses principes logiques d'activation et de désactivation sont illustrés à la figure 16 :

Allumage du MOSFET à redressement synchrone : lorsque la tension du VDS du MOSFET à redressement synchrone passe du positif au négatif, sa diode parasite interne s'allume. Après un certain délai, le MOSFET de redressement synchrone s'allume.

Désactivation du MOSFET à rectification synchrone :

① Lorsque la tension de sortie est inférieure à la valeur définie, le signal d'horloge synchrone est utilisé pour contrôler l'arrêt du MOSFET et fonctionner en mode CCM.

② Lorsque la tension de sortie est supérieure à la valeur définie, le signal d'horloge synchrone est protégé et la méthode de travail est la même que celle du mode DCM. Le signal VDS=-Io*Rdson contrôle l'arrêt du MOSFET de redressement synchrone.

Le côté secondaire (secondaire) contrôle la rectification synchrone et l'arrêt du MOSFET

Maintenant, tout le monde sait quel rôle joue le MOSFET dans l’ensemble du QC de charge rapide !

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