В статье пойдет речь о новой микросхеме синхронного выпрямителя которая позволяет не только уменьшить размер печатной платы и отказаться от использования радиаторов но и увеличить КПД источников электропитания аппаратуры или портативных адаптеров.

За последние 30 лет произошли значи­тельные изменения в мировой элеме­нтной базе электронных компонентов мировых производителей. Стало возмож­ным выполнять такие сложные устрой­ства как видео аппаратура, компьюте­ры, телекоммуникационное и сетевое оборудование. С ростом требований к аппаратуре также увеличивалось и пот­ребляемая мощность устройств, что при­вело к увеличению габаритов и высокой цене блока питания. Современные им­пульсные источники питания производите­ли строят с использованием ключевых эле­ментов и микросхем управления, кото­рые снижают стоимость источника пита­ния и увеличивают плотность мощности. Многие производители электронного оборудования производят платы совмещающие блок питания и схему устрой­ства. Такое исполнение позволяет соби­рать компактные и легкие устройства. Ключ к такому увеличению плотности мощ­ности и КПД — внедрение новых поколе­ний драйверов, транзисторов, диодов.

Традиционная схема импульсного блока питания мощностью 200 Вт ис¬пользует топологию с 800 В транзисто¬рами находящимися в первичной цепи и множества ультрабыстрых диодов или диодов на основе эффекта Шоттки в вы¬ходном каскаде блока питания, этот узел обеспечивает выпрямление напря¬жения, а также обеспечение всех потре¬бителей в схеме стабильным питающим напряжением. Как правило, в схемы та¬ких источников питания включают мас¬сивный радиатор и вентилятор для уменьшения температуры разогрева компонентов и отвода тепла через отве¬рстия в корпусе устройства.

Достигнутые достижения в разработ­ке полевых транзисторов с улучшенными параметрами расширило их круг приме­нения, например: использование поле­вых транзисторов с низким значением падения напряжения на переходе сток-ис­ток в корректорах коэффициента мощ­ности. Пики напряжения в ККМ при ис­пользовании не быстродействующих транзисторов ранее достигали до 800 В теперь, когда появились новые типы тран­зисторов, пики снижены до 400 В, а уменьшения площади радиатора связано с низким значением сопротивления отк­рытого канала RDS(ON), что в конечном итоге позволяет получить более низкую стоимость изделия. Полевой полупровод­никовый транзистор, выполненный по ме­тал оксидной технологии сейчас произво­дится также с номинально допустимыми напряжениями сток-исток 500 В и 600 В что позволяет их использовать в первич­ных выпрямительных цепях где напряже­ние порядка 300 В а ток свыше 50 А.

Применяют полевые транзисторы и в синхронных выпрямителях в качестве замены диодов расположенных в вто­ричных цепях импульсного преобразо­вателя. Использование синхронного преобразователя в вторичных цепях позволяет собирать блоки питания с ис­пользованием более компактных корпу­сов электронных компонентов и с пове­рхностным монтажом компонентов. Одно из преимуществ синхронного выпрямителя состоит в замене массив­ных выпрямительных диодов в выходном каскаде источника питания на МОП ПТ, переключающиеся синхронно с тран­зисторами, управляющими первичной обмоткой трансформатора. Синхрон­ный выпрямитель, используемый в вы­ходном каскаде, позволяет снизить по­тери выпрямителя на 40 % по сравне­нию с выходным выпрямительным каска­дом на диодах Шоттки при токе более чем 3 А. Схема выходного выпрямителя импульсного источника питания приве­дена на рис. 1.

С 2003 года производители электро­аппаратуры стали более массово вы­пускать 120 ватные портативные адап­теры с использованием синхронного выпрямителя в вторичной цепи. Резуль­татом такого шага стало повышение КПД на 1 % и снижение стоимости 1 Вт блока питания на 25 %. Диаграмма, ото­бражающая сравнение этих парамет­ров представлена на рис. 2.

Как показывает практика примене­ния импульсных блоков питания, опти­мальным является выпуск источника питания с использованием синхронного выпрямителя мощностью более 120 Вт. Весной 2006 года компания International Rectifier сделала следующий шаг в соз­дании ШИМ контроллера управления синхронным выпрямителем без исполь­зования токового трансформатора в ка­честве цепи обратной связи — IR1167. Применение данной интегральной схе­мы позволяет уменьшить потери мощ­ности, увеличить КПД и снизить стои­мость системы. Схема синхронного вып­рямителя представлена с использовани­ем токового трансформатора и интег­ральной схемы представлена на рис. 3.

Контроллер IR1167 включает в се­бя мощный драйвер для управления силовым полевым транзистором с модифицированной системой фазовой подстройкой частоты (PLL). Система фазовой подстройки частоты также обеспечивает согласованное управле­ние ключом в зависимости от переклю­чения силового ключа управляющего первичной обмоткой трансформатора. Как и другие контроллеры в данном се­мействе, IR1176 является автономным устройством и не требует никаких до­полнительных связей между первичной и вторичной обмотками. Этот контрол­лер является упрощенной модификацией известного IR1175 (SSOP-20) который позволяет строить синхронные выпря­мители с выходным током до 4 А и в ка­честве управляющего ключа для увели­чения шумовой устойчивости использовать полевые транзисторы. В табл. 1 приведены основные технические параметры ИС IR1167.

Настраиваемые параметры IR1176 включают мертвое время между перек­лючением драйвера ШИМ контроллера по первичной обмотке и временем изме­нения полярности тока. Разработчику, разрабатывающему данный тип выпря­мителей, для расчета элементов доста­точно посмотреть документацию и про­извести расчет основных элементов схе­мы. Разработчику останется только сравнить эффективность использования ИС и диодов в качестве синхронного выпрями­теля в своем проекте.

Как пример приведем сравнение ли­нейки выпускаемых импульсных блоков питания, производства компании Sony Vaio рис. 4. Компания начала производ­ство новой серии блоков питаний с ис­пользованием ИС IR1167.
Первые три графика показывают КПД и стоимость схемы использующей в выходном каскаде полевые транзис­торы в корпусе ТО-220 различного ти­па, плюс массивный радиатор. Послед­ний график показывает сравнение па­раметров перепроектированного вы­ходного каскада использующего поле­вые транзисторы с поверхностным мон­тажом в корпусе SO-8 управляемыми ИС без радиатора. ИС выполнена по хорошо себя зарекомендовавшей HVIC технологии, что делает ее совмес­тимой с любыми типами MOSFET тран­зисторов работающих в диапазоне напряжения сток — исток от 30 В до 200 В. Особенно эффективно работа микросхемы при совместной работе с транзисторами IRF7853, IRFB4110 и IRFB4227 основные параметры тран­зисторов приведены в таб. 2.

На рис. 5 приведены физические различия между двумя типами синхрон­ных выпрямителей мощностью 120 ватт. Как мы видим, на рисунке слева, блок питания имеет массивный радиатор, большое количество транзисторов в корпусе ТО-220, а также включает вы­ходной фильтр, плата с применением IR1167 имеет компактный размер и уве­личенную плотность мощности.

Возвращаясь к традиционным схе­мам импульсных источников питания хочется отметить, что при необходи­мости получения нескольких питающих напряжений разработчик должен применять импульсный трансформатор с несколькими вторичными обмотками сложной конструкции (см. рис. 6) в ка­честве выпрямителя на каждой из об­моток. Как правило необходимо уста­навливать диоды Шоттки в корпусе ТО-220 (ТО-247) на радиатор включая вентилятор обдува.

Данная архитектура имеет простую схему включения элементов, но обеспе­чивает низкую плотность мощности, а также высокую стоимость. Как и на при­мере адаптера компании Sony, повы­сить эффективность использования бло­ка питания можно, заменив диоды синх­ронным выпрямителем, а также отка­завшись от многообмоточного импульсного трансформатора оставив одну вы­ходную обмотку. Для получения нес­кольких питающих напряжений реко­мендуется воспользоваться понижаю­щими DC-DC конверторами выполнен­ных на ШИМ контролерах компании International Rectifier. Схема выходного каскада такого источника питания при­ведена на рис. 7.

В качестве синхронных транзисто­ров можно применить полевые тран­зисторы в корпусе SO-8 для уменьше­ния габаритных размеров и экономии места на плате или воспользоваться вы­сокоэффективными транзисторами в корпусе DirectFET. Широкий выходной диапазон   напряжения   синхронного выпрямителя обеспечивает снижение требований к разбросам параметров компонентов используемых в блоке пи­тания. Тем самым обеспечивает опти­мизацию реализации проекта по вре­мени и стоимости. В данном типе кон­фигурации 12 В выход оптимален для использования в понижающих преоб­разователях типа точка — нагрузка (POL). В дальнейшем мировые произво­дители контроллеров для синхронных выпрямителей будут идти по пути сни­жения себестоимости 1 Вт мощности до 0.2 $ и повышения КПД такого преоб­разователя до 98 %.

Источник: https://integral.rv.ua