IR116x: современное решение для синхронного выпрямления

25 июля 2013

Одними из главных направлений развития источников вторичного питания являются повышение эффективности и уменьшение габаритных размеров. Классические преобразователи на диодах по определению имеют существенные потери мощности и большое тепловыделение. В приложениях, где КПД или размеры критичны, наиболее перспективными являются источники с синхронным выпрямлением.

 

Анализ недостатков диодной схемы

Классическая схема с диодами (рисунок 1) имеет ряд недостатков. Очевидно, что при выходном напряжении 3,3 В падение на диоде Шоттки в 0,4 В приведет к потере 12% мощности. Выделяемая в виде тепла мощность требует радиатора. Это, во-первых, увеличивает стоимость изделия, во-вторых, усложняет процесс его сборки, в-третьих, приводит к увеличению габаритов. Данные недостатки призвана устранить схема с синхронным выпрямлением.

 

Недостатки схемы обратноходового преобразователя с диодом

 

Рис. 1. Недостатки схемы обратноходового преобразователя с диодом

Схема с синхронным выпрямлением (рисунок 2) повторяет схему с диодом, но вместо последнего используется транзистор, управляемый специальным контроллером. Принцип работы также аналогичен классической схеме. В фазе, когда ключ SW открыт, транзистор Q закрыт и ток не течет. Когда SW закрывается, схема управления открывает транзистор Q и энергия передается в нагрузку. Малое сопротивление открытого транзистора уменьшает потери мощности. Выделяемое тепло также снижается, что приводит к уменьшению размеров радиатора и, в ряде случаев, вообще позволяет от него отказаться. Стоит заметить, что есть и недостатки: удорожание и усложнение самой схемы.

 

Схема синхронного выпрямления

 

Рис. 2. Схема синхронного выпрямления

 

Контроллеры синхронного выпрямления от International Rectifier

International Rectifier выпускает семейство синхронных преобразователей IR116x. Контроллеры этого семейства (таблица 1) выпускаются в корпусе SO-8 и способны работать при питающем напряжении до 20 В. Частота коммутации в данных микросхемах составляет 500 кГц (400 кГц для IR11682SPBF), а коммутируемое внешним транзистором напряжение может достигать 200 В. Все микросхемы (за исключением IR1168/82) имеют программируемый внешним резистором минимальный коэффициент заполнения, который характеризуется минимальным временем во включенном состоянии (MOT — Minimum On Time).

Таблица 1. Контроллеры синхронного выпрямления семейства IR116x   

Наименование Корпус Макс. напряжение питания, В Макс. коммутируемое напряжение, В Частота коммутации макс, кГц Ток затвора, A Напряжение затвора, В Мин. время во включенном состоянии (MOT), нс Вход разрешения Число каналов Автомат. защита по MOT
IR1166SPBF SO-8   20   200   500   1 / -4   10,7   Програм. 250…3000   есть   1   —  
IR1167ASPBF 2 / -7   10,7   есть   —  
IR1167BSPBF 2 / -7   14,5   есть   —  
IR1168SPBF 1 / -4   10,7   750   —   2   —  
IR11662SPBF 1 / -4   10,7   Програм. 250…3000   есть   1   есть  
IR11672ASPBF 2 / -7   10,7   есть   есть  
IR11682SPBF 400   1 / -4   10,7   850   —   2   есть  
IR1169SPBF 500   1 / -4   10,7   Програм. 250…3000   есть   1   есть  

Представители семейства покрывают диапазон выходных мощностей вплоть до 500 Вт (рисунок 3). В устройствах с небольшой мощностью применяют обратноходовую топологию. Для повышенных мощностей используют резонансную полумостовую схему с синхронным выпрямлением. Микросхемы IR1168 позволяют наиболее просто строить резонансный полумостовой преобразователь, так как для этого требуется всего одна такая микросхема. Контроллер IR1169 способен также работать в прямоходовой схеме.

 

Применение синхронных преобразователей от International Rectifier

 

Рис. 3. Применение синхронных преобразователей от International Rectifier

 

Схема синхронного преобразования на базе IR11672A

Контроллер IR1167 идеален для источников средней мощности на основе обратноходовой топологии. Схема достаточно проста (рисунок 4). Основными элементами схемы являются микросхема IR1167, один транзистор (Q1) и несколько пассивных компонентов.

 

Обратноходовой преобразователь с выпрямлением на базе IR11672A

 

Рис. 4. Обратноходовой преобразователь с выпрямлением на базе IR11672A

Цикл работы преобразователя состоит из двух фаз (рисунок 5). В фазе, когда ключ SW открыт, транзистор Q1 закрыт. Когда ключ SW закрывается, ток начинает течь через обратный диод транзистора Q1. Схема контроля фиксирует рост напряжения «сток-исток» (Vds) до Vth2 и включает транзистор. При этом напряжение Vds резко падает. Чтобы при коммутации выбросы напряжения не привели к выключению транзистора, внутренняя схема выжидает время MOT (MOT — Minimum On Time), в течение которого транзистор остается включенным.

 

 Временные диаграммы работы синхронного преобразователя в режиме непрерывных токов

 

Рис. 5. Временные диаграммы работы синхронного преобразователя в режиме непрерывных токов

В конце этого цикла при падении напряжения ниже Vth1 схема управления выключает транзистор Q1. Ток начинает течь через обратный диод, что приводит к броску напряжения. Чтобы избежать преждевременного включения, схема управления выжидает и не позволяет включать транзистор до тех пор, пока напряжение не достигнет значения Vth3 — время tBLANK.

Резистор Rmot задает минимальное значение времени во включенном состоянии (MOT). При Vcc =12 В Rmot = 5 кОм, величина MOT составит 240 нс. При Vcc =12 В Rmot = 75 кОм, величина MOT составит 3,1 мкс.

 

Новый контроллер синхронного выпрямления IR1169

Контроллер IR1169 имеет характеристики, сходные с IR1166 и IR1167, но обладает рядом особенностей.

Данный контроллер способен работать не только в обратноходовых и резонансных, но и в прямоходовых преобразователях. Для прямоходовых и обратноходовых преобразователей необходима одна микросхема IR1169. Для построения резонансного преобразователя требуется две микросхемы IR1169 (рисунок 6).

 

Полумостовой резонансный преобразователь с синхронным выпрямлением

 

Рис. 6. Полумостовой резонансный преобразователь с синхронным выпрямлением

Второй особенностью контроллеров IR1169 является наличие входа SYNC. Рассмотрим ее применение на основе резонансного преобразователя (рисунок 6). Во всех контроллерах семейства для предотвращения срабатывания транзисторов от возникающих бросков напряжения схема управления формирует минимальное время включенного состояния транзистора (MOT) и не дает включиться транзистору в течение времени tBLANK сразу после рабочего цикла (рисунок 7а). Во всех микросхемах (кроме IR1168) MOT жестко задается внешним резистором. Наличие функции SYNC позволяет с помощью внешнего сигнала контролировать состояние транзистора напрямую вне зависимости от значения MOT и tBLANK (рисунок 7). При приходе фронта сигнала SYNC времена MOT и tBLANK аннулируются. Это может быть полезно в случае, когда на выходе преобразователя произошло короткое замыкание или перегрузка: при низком выходном напряжении напряжение Vds не сможет достичь Vth3 и транзистор не сможет включиться в следующем цикле.

 

Временные диаграммы работы IR1169 без функции SYNC (а) и с функцией SYNC (б)

 

Рис. 7. Временные диаграммы работы IR1169 без функции SYNC (а) и с функцией SYNC (б)

 

Готовые решения синхронных преобразователей от International Rectifier

Для ускорения внедрения и изучения технологии синхронного выпрямления, International Rectifier выпускает готовые решения двух типов (таблица 2).

Таблица 2. Готовые решения от International Rectifier   

Контроллер Готовые решения
IR1166 IRAC1166-100W — 100 Вт референтный дизайн  
IRAC11662-100W — 100 Вт референтный дизайн  
Дочерние платы с различными вариантами корпусов транзисторов (TO220, SO-8, DFET)  
IR1167 Дочерние платы с различными вариантами корпусов транзисторов (TO220, SO-8, DFET)  
IR1168 IRAC27951SR-240W Высокоэффективный полумостовой резонансный преобразователь  
Дочерние платы с различными вариантами корпусов транзисторов (TO220, SO-8, DFET, PQFN)  
IR1169 Дочерняя плата с транзистором в корпусе TO220  

Дочерние платы представляют собой часть схемы преобразователя, которую можно включать вместо диодов в уже готовые решения. Существуют несколько разновидностей дочерних плат для разных выходных мощностей с транзисторами в различных корпусах.

Кроме того, International Rectifier предлагает и готовые решения преобразователей. Существуют три типа готовых источников: IRAC1166-100W и IRAC11662-100W — стоваттные источники на базе IR1166, и IRAC27951SR-240W на базе IR1168 (рисунок 8).

 

IRAC27951SR-240W резонансный преобразователь с синхронным выпрямлением на базе IR1168

 

Рис. 8. IRAC27951SR-240W резонансный преобразователь с синхронным выпрямлением на базе IR1168

 

Заключение

Контроллеры синхронного выпрямления IR116x позволяют строить высокоэффективные источники питания на базе общепринятых топологий. IR1166, IR1167 наиболее подходят для построения обратноходовых преобразователей до 200 Вт. IR1168 предназначены для резонансных преобразователей мощностью до 500 Вт. IR1169 может применяться как в резонансных и обратноходовых, так и прямоходовых преобразователях. Для ускорения разработки готовых устройств International Rectifier предлагает готовые решения и дочерние платы.

 

Литература

1. Adnaan Lokhandwala. Application Note AN-1139 Design of Secondary-Side Rectification using IR1168 Dual SmartRectifierTM Control IC. International Rectifier

2. Maurizio Salato, Adnaan Lokhandwala, Marco Soldano. Application Note AN-1087 Design of Secondary Side Rectification using IR1167 SmartRectifierTM Control IC. International Rectifier

3. SMPSRM/D SWITCHMODETM Power Supply/Reference Manual. ON Semiconductor, 2002

4. IRAC27951SR IRS27951 Evaluation Board User Guide. International Rectifier, 2011

5. Datasheets на контроллеры семейства IR116x взяты на сайте http://www.irf.com/.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: power.vesti@compel.ru

•••

Наши информационные каналы