IR116x - Синхронное выпрямление

Одним из возможных путей увеличения эффективности и уменьшения габаритов источников питания, является использование синхронного выпрямления. Компания International Rectifier предлагает семейство контроллеров для синхронного выпрямления IR116x, которые сочетают простоту применения и высокую эффективность.

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: 1) Большие потери мощности 2) Низкая эффективность 3) Необходимость радиатора 4) Громоздкость (из-за радиатора)

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.

Достоинства: 1) Низкие потери мощности 2) Высокая эффективность 3) Низкий перегрев 4) Уменьшение радиатора или его отсутствие Недостатки: 1) Увеличение стоимости 2) Сложность схемы управления

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 на пряжении 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 (МОТ — Minimum On Time).

Таблица 1. Контроллеры синхронного выпрямления семейства IR116x

 
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.  

 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.

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 выжидаeт время МОТ (МОТ — Minimum On Time), в течение которого транзистор остается включенным.

 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 из бежать 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 (МОТ). При Vcc = 12 В Rmot = 5 кОм, величина МОТ составит 240 нc. При Vcc =12 В Rmot = 75 кОм. величина МОТ 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 н обратноходовых преобразователей необходима одна микросхема IR1169. Для построения резонансного преобразователя требуется две микросхемы IR1169 (рисунок 6).

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 (МОТ) и  не дает включиться транзистору в течение времени tBLANK cpaзу после рабочего цикла (рисунок 7а). Во всех микросхемах (кроме  IR1168) МОТ жестко задается  внешним  резистором. Наличие функции SYNC позволяет с помощью внешнего сигнала контролировать состояние транзистора напрямую вне зависимости от значения МОТ и tBLANK (рисунок 7). При приходе фронта сигнала SYNC времена МОТ 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.

 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  гото вые решения двух типов (таблица 2).

Таблица 2. Готовые решения от International Rectifier

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 вразличных корпусах.

 
Кроме того, International Rectifier предлагает и готовые решения преобразователей. Существуют три типа готовых источников: IRAC1166-100W и IRAC11662-100W - сто ваттные источники на базе IR1166 (рисунок 8), и IRAC27931SR-240W на базе IR1168 (рисунок 9).

 Рис. 8. IRAC1166 -100W на базе IR1166

Рис. 9. IRAC27951SR-240W резонансный преобразователь с синхронным выпрямлением на базе IR1168 

Заключение
Контроллеры  синхронного выпрямления IR116х позволяют  строить   высокоэффективные источники питания на базе общепринятых топологий. IR1166, IR1167 наиболее подходят для построения обратно ходовых    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.

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск), Максим Соломатин (КОМПЭЛ)

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ № 5, 2013

Литература
1. Adnaan Lokhandwala. Application Note AN-1139 Design of Secondary Side Rectification using IR1168 Dual SmartRectifier™ Control IC. International Rectifier
2. Maurizio Salato, Adnaan Lokhandwala, Marco Soldano. Application Note AN-1087 Design of Secondary Side Rectification using IR1167 SmartRectifier™ Control IC. International Rectifier
3. SMPSRM/D SWITCHMODE™ 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 www.irf.com