安森美半導體先進的同步整流控制器FAN6248提高能效和可靠性并簡化設計

    在電源設計中，為提高能效，通常采用同步整流，即用MOSFET取代二極管整流器，從而降低整流器兩端壓降和導通損耗，提供更高的電流能力，實現更高的系統能效。然而，傳統的同步整流在用于LLC諧振轉換器時，會有不少的技術挑戰，如：1) 由于不同工作頻率造成最小導通時間設置的困難；2) 由于雜散電感造成過早的同步整流關斷，導通損耗增加；3) 輕載條件下由于電容電流尖峰導致同步整流電流反向，最終對系統產生不良影響。安森美半導體最新推出的同步整流控制器FAN6248，優化用于LLC諧振轉換器，完美地解決上述挑戰，適用于高能效服務器和臺式電腦電源、大屏液晶電視及顯示器電源、網絡和電信電源、高功率密度適配器、高功率LED照明等等。

    傳統的同步整流用于LLC諧振轉換器的技術挑戰

    1、最小導通時間設置的困難

    最小導通時間用以避免雜訊的干擾。諧振電路的工作頻率會因輕載和重載而有所不同。若根據重載條件設置最小導通時間，會因輕載時的最小導通時間太大而延遲關斷同步整流；反之，則會因重載時的最小導通時間太小，由開關噪聲導致異常關斷。因此，需要自調節的最小導通時間解決這一挑戰。

    2、雜散電感的影響

    器件采用不同的封裝會有不同的雜散電感，而雜散電感會導致同步整流關斷時的正偏置VLS，過早的關斷同步整流，固定的關斷閾值電壓導致較長的本體二極管導通，增加導通損耗。因此，需要自調節的關斷閾值電壓。

    3、在輕載條件下同步整流電流反向

    由于在輕載條件下，諧振電容電壓幅值不是足夠大，激磁電流向諧振電容充電，在充電器件MOSFET開關轉換產生電容電流尖峰，導通同步整流電流延遲，如果在轉換期間由電容電流尖峰開啟同步整流，會導致同步整流電流反向。因此，需要自調節的延遲開啟同步整流。

    為了解決上述挑戰，安森美半導體推出先進的同步整流控制器FAN6248。

    FAN6248的關鍵特性

    FAN6248具有反擊穿保護特性，確保可靠的同步整流，其獨特的自調節死區時間控制補償寄生電感以保持恒定的死區時間，而不受輸出負載和雜散寄生電感的影響，這有助于最小化本體二極管導通和最大化能效。輕載時當電容電流足以預先導通MOSFET時，FAN6248檢測到同步整流器的電流反向。通過增加在輕載條件下的導通延遲，可避免這樣的運行模式，提供安全、穩定和高效的工作。FAN6248有一個自調節最小導通時間電路，以更好地抗噪。它有兩個同步整流MOSFET門極驅動，專用的100 V 額定輸入用于檢測各同步整流 MOSFET的漏源電壓。支持達700千赫的高頻工作。節能模式下的工作電流低，典型值350 uA。工作電壓范圍4.5 V至30 V。10.5 V的高驅動輸出電壓可驅動所有MOSFET頻段到最低的導通電阻。圖1所示為FAN6248的典型應用電路，在初級端有一個LLC控制器。在次級端，配置非常簡單，包含一個FAN6248控制器和2個外置電阻，在噪聲嚴重的系統中可能需要再添加2個電容。因此，FAN6248是個高度集成的控制器，需要最少的外部元件。

圖1：FAN6248的典型應用電路

    FAN6248的同步整流關斷算法

    FAN6248采用的同步整流關斷算法基于混合式控制，利用檢測MOSFET的漏極節點收到的即時信息和前一周期的信息，以維持最小的死區時間200 ns，獲得最佳的能效。該實施可易于用一個簡化的電路進行分析，其中關斷事件是通過對比漏極電壓與一個虛擬的關斷閾值VTH OFF來確定。

圖2：基于混合式控制的同步整流關斷算法

    1、自調節死區時間控制

    當死區時間超過預期的200納秒，FAN6248內部會自動調低補償電壓Voffset，從而提高虛擬的VTH OFF閾值，延長同步整流導通時間，和減少死區時間至接近200 ns。反之，當死區時間少于200納秒，比較器虛擬的閾值VTH OFF降低，從而縮短同步整流導通時間，和增加死區時間至接近200 ns。因此，該算法使死區時間保持在約200納秒，而不受輸出負載和寄生電感的影響。

    2、自調節最小導通時間控制

    為避免雜訊干擾，同步整流會定義最小導通時間。FAN6248有自適應最小導通時間電路。控制器設置的最小導通時間為上一個周期導通時間的50%。在此間隔期內忽略關斷觸發。

    FAN6248消除電流反向的隱患

    輕載時，寄生效應引起的電容電流尖峰會導致MOSFET被過早激活而誤觸發同步整流，產生從輸出電容器流回同步整流器的反向電流。FAN6248控制器增加了輕載時的導通延遲，當檢測到電流反向，導通延遲將由滿載時的80納秒增加至輕載時的380納秒，以避免誤觸發同步整流和電流反向。

    FAN6248的節能模式

    當在超過240微秒(HA、HB版本)或420微秒(LA、LB版本)的一段時間沒有檢測到開關，FAN6248進入節能模式運行。在節能模式下，控制器停止所有開關工作，以減小工作電流和降低功耗，該模式下的工作電流是350 uA。當檢測到11個連續的開關周期時，同步整流驅動脈沖再次啟用。

    FAN6248的兩個版本針對不同的應用需求

    FAN6248分為HA和HB兩個系列：HA版本的VTH OFF設定在130 mV或228 mV，用于采用較大封裝如TO220或D2PAK的同步整流MOSFET；HB版本的VTH OFF設定在100 mV或175 mV，用于采用較小封裝如PQFN或DPAK的同步整流MOSFET。

    能效測試

    我們對FAN6248進行了能效測試，其中Vin=390 Vdc，Vout=12 Vdc，初級控制器采用NCP1399，滿載時頻率為110 kHz，從測試波形可看到，系統在滿載、75%負載、50%負載和25%負載的4個點的平均能效高達96.29%。

圖3：FAN6248提供高能效

    總結

    安森美半導體的同步整流控制器FAN6248解決了傳統的同步整流的技術挑戰：專有的自調節死區時間控制可保持恒定的死區時間(200 ns)，不受雜散電感的影響，可采用極小導通電阻的同步整流MOSFET，最大限度地減少本體二極管導通，最大化系統的電源能效。反擊穿控制確保可靠的同步整流工作。自調節最小導通時間可提供更高抗噪性。其電流反向檢測能防止誤觸發和電流反向，確保輕載時安全和穩定的工作。節能模式下工作電流低實現待機模式低功耗。小封裝(SOIC 8引腳)可減少占板空間和降低成本。強大的門極驅動能力可實現達800 W的高功率系統設計。