IRAC11662 - 100W +16V低側(cè)智能整流100W反激式演示板用戶指南解析

在電子工程師的日常工作中，電源設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的一環(huán)。同步整流（SR）技術(shù)的出現(xiàn)，為開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的變革。今天，我們就來(lái)深入探討一下IRAC11662 - 100W +16V低側(cè)智能整流100W反激式演示板，看看它是如何展現(xiàn)同步整流技術(shù)的優(yōu)勢(shì)的。

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一、引言

傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源的次級(jí)側(cè)通常使用肖特基二極管進(jìn)行無(wú)源整流，以降低傳導(dǎo)損耗。然而，近年來(lái)同步整流（SR）技術(shù)逐漸在反激式應(yīng)用中得到推廣。使用低壓低Rdson的MOSFET來(lái)替代肖特基整流器，具有諸多系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，如顯著降低傳導(dǎo)損耗、改善熱管理等。但在實(shí)現(xiàn)SR技術(shù)的過(guò)程中，也面臨著一些問(wèn)題，如反向電流傳導(dǎo)等。本用戶指南旨在展示使用集成IC方法實(shí)現(xiàn)SR應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，并研究其與普通整流方法相比在效率提升方面的實(shí)際限制。

二、總體描述

2.1 演示板基本信息

IRAC11662 - 100W演示板是一款通用輸入反激式轉(zhuǎn)換器，具有單直流輸出，能夠在有源整流模式下連續(xù)輸出100W（@ +16V x 6.25A）。該演示板主要用于研究使用IR11662在低側(cè)配置下的同步整流，其優(yōu)點(diǎn)是可以更方便地從轉(zhuǎn)換器輸出獲得Vcc電源。

2.2 關(guān)鍵特性

該演示板配備了IR11662智能整流控制IC，具有快速Vsd傳感功能，柵極輸出驅(qū)動(dòng)能力為+1A / -4A。它驅(qū)動(dòng)兩個(gè)并聯(lián)的SR（100V N - ch MOSFET IRF7853，SO - 8封裝，Rdson極低，最大為18mΩ），大大簡(jiǎn)化了整體機(jī)械設(shè)計(jì)，無(wú)需在高電流反激式設(shè)計(jì)中使用笨重的散熱器。

2.3 演示板圖片與PCB布局

文檔中還提供了演示板的圖片，包括頂部和底部視圖，以及PCB布局圖，這些對(duì)于工程師了解演示板的實(shí)際結(jié)構(gòu)和布線非常有幫助。

三、電路描述

3.1 輸入部分

演示板具有2針連接器（CON1）用于交流輸入，并配備了一個(gè)3.5A的延時(shí)型保險(xiǎn)絲，用于輸入電流過(guò)載保護(hù)。在交流輸入電壓（90 - 264VAC）進(jìn)入6A橋式整流器（DB1）之前，進(jìn)行了最小限度的輸入濾波（Cp1 - Xcap）。

3.2 初級(jí)側(cè)控制

初級(jí)側(cè)控制器（U2）驅(qū)動(dòng)初級(jí)MOSFET Q1在臨界傳導(dǎo)模式下工作，通過(guò)零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS，僅在 (NVsec > Vdcin) 時(shí)發(fā)生）或低壓開(kāi)關(guān)（LVS，當(dāng) (nVsec < Vdcin) 時(shí)）來(lái)消除導(dǎo)通開(kāi)關(guān)損耗，尤其是在高輸入電壓條件下，可降低Q1的電容損耗。滿載時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率 (F_{sw}) 通常在38 - 84kHz之間變化，輕載時(shí)降至最小值（固定在6 - 10kHz）以降低輸入功率。

3.3 輔助繞組與反饋

輔助繞組通過(guò)U2的去磁引腳4（Dp3、Rp5和Rp11網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行松散監(jiān)控，Rp6和Rp11設(shè)置轉(zhuǎn)換器的過(guò)壓保護(hù)（OVP）和過(guò)功率限制。光耦合器U3提供隔離的輸出電壓反饋到初級(jí)側(cè)，輸出電壓通過(guò)V / I次級(jí)誤差放大器U4（AQ105或AS4305）進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)，同時(shí)通過(guò)監(jiān)測(cè)RS25 - 26電流感測(cè)電阻上的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電流限制功能。

3.4 次級(jí)側(cè)功率級(jí)

次級(jí)側(cè)功率級(jí)使用兩個(gè)SO8低IRF7853同步FET（SR）并聯(lián)實(shí)現(xiàn)低側(cè)同步整流。在這種配置下，直接從直流輸出Vout獲得U1（IR11662 SO8 - IC）控制器的Vcc電源更加簡(jiǎn)單。跳線J5用于將U1的Vcc與Vout隔離，方便用戶評(píng)估IC在待機(jī)負(fù)載條件下的功耗。

3.5 電壓監(jiān)測(cè)與測(cè)試點(diǎn)

Vd和Vs感測(cè)引腳監(jiān)測(cè)同步整流MOSFET兩端的電壓（Vsd），在PCB布線時(shí)采取了措施確保差分電壓Vsd的完整性。同時(shí)，演示板還提供了探頭點(diǎn)和冗余測(cè)試掛鉤點(diǎn)，便于對(duì)關(guān)鍵測(cè)試波形進(jìn)行探測(cè)。

四、測(cè)試連接與設(shè)置

文檔中提供了推薦的電壓和電流探測(cè)設(shè)置圖，包括直接?xùn)艠O電壓探測(cè)、次級(jí)電流波形探測(cè)、輸出電壓紋波和噪聲電壓探測(cè)等，為工程師進(jìn)行測(cè)試提供了明確的指導(dǎo)。

五、電路特性

5.1 OVT設(shè)置

通過(guò)改變跳線J3的位置，可以輕松選擇偏移電壓閾值（OVT），根據(jù)系統(tǒng)的工作模式（DCM或CrCM、Boundary CCM、CCM）進(jìn)行不同的設(shè)置。在輕載條件下（約10 - 20%滿載），OVT接地相比懸空可實(shí)現(xiàn)約0.5 - 1.2%的效率提升，但在重載時(shí)這種差異不再顯著。

5.2 使能設(shè)置

IR11662 IC默認(rèn)啟用，EN引腳通過(guò)電阻內(nèi)部連接到VCC。在J4位置使用跳線將EN引腳連接到GND，可立即禁用IR11662 IC的內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)電路。用戶可以通過(guò)插拔跳線J4，快速評(píng)估同步整流FET工作與普通無(wú)源整流相比對(duì)效率的影響。但需要注意的是，在禁用IR11662時(shí)，不應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間（>1min）加載超過(guò)4.6 - 6A的電流，以免損壞MOSFET的體二極管。

5.3 最小導(dǎo)通時(shí)間（MOT）設(shè)置

MOT設(shè)置用于使IC對(duì)SR導(dǎo)通階段Vsd的多次變化不敏感，這是由于次級(jí)繞組電壓（Vsec）的振鈴引起的。MOT可以通過(guò)Rs18進(jìn)行調(diào)整，本演示板選擇1.2us，通常足以忽略準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中Vsd的寄生噪聲。

5.4 MOSFET選擇設(shè)計(jì)提示

在選擇MOSFET時(shí)，需要考慮電壓額定值和 (Rds {ON }) 額定值。電壓額定值應(yīng)滿足 (Vsd > k*[Vo +(VDCinmax /(Npri/Nsec))]) ，其中 (k = 1.1) 到1.4作為啟動(dòng)應(yīng)力的保護(hù)帶。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率提升超過(guò)1%，SR的傳導(dǎo)損耗應(yīng)比普通無(wú)源整流方法小兩倍。同時(shí)，還需要考慮不同溫度下的 (Rds {ON }) 變化，本演示板使用兩個(gè)并聯(lián)的SO8 MOSFET（IRF7853），在 (Tj = 25^{circ} C) 時(shí)等效 (Rds _{ON }) 約為9mΩ。

六、測(cè)試波形

6.1.1 瞬態(tài)測(cè)試

在瞬態(tài)測(cè)試中，同步整流器的Vsd均勻且規(guī)則切換。輕載時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)脈沖變窄，輸出電壓達(dá)到調(diào)節(jié)水平后開(kāi)關(guān)頻率降低。啟動(dòng)時(shí)無(wú)負(fù)載和滿載情況下的放大視圖均顯示無(wú)反向電流。IR11662的柵極電壓鉗位在約10V，當(dāng)Vcc電壓約為13V時(shí)鉗位電路啟動(dòng)。

6.1.2 靜態(tài)負(fù)載測(cè)試

靜態(tài)負(fù)載測(cè)試展示了不同負(fù)載下的波形，如開(kāi)關(guān)頻率約為84kHz等。

6.1.3 紋波與噪聲測(cè)量

文檔中雖未詳細(xì)描述測(cè)量結(jié)果，但提供了相關(guān)測(cè)試的信息，紋波和噪聲的測(cè)量對(duì)于評(píng)估電源的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

6.1.4 動(dòng)態(tài)負(fù)載測(cè)試

動(dòng)態(tài)負(fù)載測(cè)試在0 - 100%額定負(fù)載（+/- 2.5A/usec）下進(jìn)行，展示了不同輸入電壓下輸出電壓的紋波和噪聲情況。

七、線路/負(fù)載調(diào)節(jié)測(cè)試

7.1 V - I特性

通過(guò)表格展示了不同輸入電壓下輸出電壓與負(fù)載電流的關(guān)系，繪制了輸出電壓與負(fù)載電流的特性曲線，幫助工程師了解演示板在不同負(fù)載和輸入電壓下的性能。

7.2 系統(tǒng)效率測(cè)試

測(cè)試結(jié)果表明，在不同輸入電壓下，系統(tǒng)效率在85.41% - 87.21%之間，展示了同步整流技術(shù)在提高系統(tǒng)效率方面的優(yōu)勢(shì)。

7.3 熱驗(yàn)證

通過(guò)表格記錄了不同輸入電壓下各個(gè)元件的溫度，包括IR11662、SR1、SR2、Q1、DP1、電容、電源變壓器和輸入橋式整流器等，為工程師評(píng)估系統(tǒng)的熱性能提供了數(shù)據(jù)支持。

八、總結(jié)

IRAC11662 - 100W演示板展示了IR11662智能整流控制IC通過(guò)簡(jiǎn)單的快速直接電壓傳感技術(shù)驅(qū)動(dòng)MOSFET作為同步整流器的性能。它在可變頻率臨界傳導(dǎo)模式（VF - CrCM）下實(shí)現(xiàn)了低側(cè)同步整流，提高了效率，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。使用低壓SO8 MOSFET替代傳統(tǒng)肖特基整流器，帶來(lái)了避免使用沉重散熱器、簡(jiǎn)化柵極驅(qū)動(dòng)電路等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)減少了PCB面積和元件數(shù)量。IR11662在無(wú)負(fù)載條件下自動(dòng)禁用或跳過(guò)柵極輸出，最小化了待機(jī)功率損耗。

作為電子工程師，我們?cè)谠O(shè)計(jì)電源時(shí)，需要綜合考慮各種因素，如效率、熱性能、成本等。IRAC11662 - 100W演示板為我們提供了一個(gè)很好的參考，你在實(shí)際設(shè)計(jì)中有沒(méi)有遇到過(guò)類(lèi)似的同步整流應(yīng)用呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。