Olukey: 急速充電の基本アーキテクチャにおける MOSFET の役割について話しましょう

基本的な電源構造は、急速充電QCはフライバック＋2次側（セカンダリ）同期整流SSRを使用しています。フライバックコンバータの場合、フィードバックサンプリング方法に応じて、一次側 (プライマリ) のレギュレーションと二次側 (セカンダリ) のレギュレーションに分けることができます。 PWM コントローラーの位置に応じて。一次側（プライマリ）制御と二次側（セカンダリ）制御に分けられます。 MOSFETとは関係ないようです。それで、オルーキーMOSFET はどこに隠されているのか?それはどのような役割を果たしましたか？

1. 一次側（プライマリ）調整と二次側（セカンダリ）調整

出力電圧を安定させるには、入力電圧と出力負荷の変化を調整するために、その変化情報を PWM メインコントローラーに送信するためのフィードバックリンクが必要です。さまざまなフィードバックサンプリング方法に応じて、図1および図2に示すように、一次側（プライマリ）調整と二次側（セカンダリ）調整に分けることができます。

一次側（一次）レギュレーションのフィードバック信号は、出力電圧から直接取得されるのではなく、出力電圧と一定の比例関係を維持する補助巻線または一次一次巻線から取得されます。その特徴は次のとおりです。

① 間接フィードバック方式、負荷調整率、精度が悪い。

②。シンプルかつ低コスト。

③。絶縁フォトカプラは必要ありません。

二次側（二次）調整用のフィードバック信号は、フォトカプラと TL431 を使用して出力電圧から直接取得されます。その特徴は次のとおりです。

① 直接フィードバック方式、良好な負荷調整率、線形調整率、高精度。

②。調整回路は複雑で高価です。

③。フォトカプラを絶縁する必要があるため、時間の経過とともに劣化の問題が発生します。

2. 二次側（二次）ダイオード整流とMOSFET同期整流SSR

フライバックコンバータの二次側（セカンダリ）は、急速充電の出力電流が大きいため、通常はダイオード整流を使用します。特に直接充電やフラッシュ充電の場合、出力電流は5Aにも達します。効率を向上させるために、図3および図4に示すように、整流器としてダイオードの代わりにMOSFETが使用されます。これは2次（2次）同期整流SSRと呼ばれます。

二次側（二次）ダイオード整流の特性：

①。シンプルで追加のドライブコントローラーは必要なく、コストも低めです。

② 出力電流が大きいと効率が低くなります。

③。高い信頼性。

二次側（セカンダリ）MOSFET同期整流の特長：

①。複雑で追加のドライブコントローラーが必要であり、コストが高い。

②。出力電流が大きいと効率が高くなります。

③。ダイオードに比べて信頼性が低いです。

実際のアプリケーションでは、図 5 に示すように、同期整流 SSR の MOSFET は通常、駆動を容易にするためにハイエンドからローエンドに移動されます。

同期整流SSRのハイエンドMOSFETの特性：

①。ブートストラップドライブまたはフローティングドライブが必要ですが、コストがかかります。

②。良いEMI。

ローエンドに配置された同期整流SSR MOSFETの特性は次のとおりです。

①ダイレクトドライブ、シンプルドライブ、低コスト。

②。 EMIが悪い。

3. 一次側（プライマリ）制御と二次側（セカンダリ）制御

PWMメインコントローラは1次側（プライマリ）に配置されます。この構造を一次側（プライマリ）制御といいます。出力電圧、負荷レギュレーション率、リニアレギュレーション率の精度を向上させるために、一次側（プライマリ）制御には外部フォトカプラとTL431がフィードバックリンクを形成する必要があります。システム帯域幅が狭く、応答速度が遅い。

PWMメインコントローラを2次側（セカンダリ）に配置すると、フォトカプラとTL431を削除でき、出力電圧を直接制御し、高速応答で調整できます。この構造をセカンダリ（二次）制御と呼びます。

一次側（プライマリ）制御の特徴：

①。フォトカプラとTL431が必要であり、応答速度が遅いため、

②。出力保護の速度が遅い。

③。同期整流連続モード CCM では、2 次側 (Secondary) に同期信号が必要です。

二次（セカンダリ）制御の特徴：

①。出力は直接検出され、フォトカプラやTL431は必要なく、応答速度が速く、出力保護速度も速いです。

②。二次側 (セカンダリ) 同期整流 MOSFET は、同期信号を必要とせずに直接駆動されます。一次側（一次）高電圧 MOSFET の駆動信号を送信するには、パルストランス、磁気結合、容量性結合器などの追加デバイスが必要です。

③。一次側（プライマリ）には起動回路が必要、または二次側（セカンダリ）には起動用の補助電源が必要です。

4. 連続 CCM モードまたは不連続 DCM モード

フライバックコンバータは、連続 CCM モードまたは不連続 DCM モードで動作できます。スイッチングサイクルの終了時に 2 次 (2 次) 巻線の電流が 0 に達する場合、それは不連続 DCM モードと呼ばれます。図 8 および 9 に示すように、スイッチングサイクルの終了時に二次 (二次) 巻線の電流が 0 でない場合、それは連続 CCM モードと呼ばれます。

図 8 と図 9 から、フライバックコンバータの動作モードが異なると同期整流 SSR の動作状態が異なることがわかります。これは、同期整流 SSR の制御方法も異なることを意味します。

デッドタイムを無視した場合、連続 CCM モードで動作している場合、同期整流 SSR には次の 2 つの状態があります。

①。一次側（プライマリ）の高耐圧MOSFETがオン、二次側（セカンダリ）の同期整流MOSFETがオフになります。

②。一次側（プライマリ）の高耐圧MOSFETがオフし、二次側（セカンダリ）の同期整流MOSFETがオンします。

同様に、デッドタイムを無視した場合、不連続 DCM モードで動作する場合、同期整流 SSR には次の 3 つの状態があります。

①。一次側（プライマリ）の高耐圧MOSFETがオン、二次側（セカンダリ）の同期整流MOSFETがオフになります。

②。一次側（プライマリ）の高電圧MOSFETがオフ、二次側（セカンダリ）の同期整流MOSFETがオンになります。

③。一次側（プライマリ）の高耐圧MOSFETはオフ、二次側（セカンダリ）の同期整流MOSFETはオフになります。

5. 連続CCMモードの2次側(セカンダリ)同期整流SSR

急速充電フライバックコンバータが連続 CCM モードで動作する場合、一次側 (プライマリ) 制御方式では、二次側 (セカンダリ) 同期整流 MOSFET はシャットダウンを制御するために一次側 (プライマリ) からの同期信号が必要です。

二次側（セカンダリ）の同期駆動信号を取得するには、通常次の 2 つの方法が使用されます。

(1) 図 10 に示すように、二次 (二次) 巻線を直接使用します。

(2) 図 12 に示すように、パルストランスなどの追加の絶縁コンポーネントを使用して、同期駆動信号を一次側 (プライマリ) から二次側 (セカンダリ) に送信します。

二次（二次）巻線を直接使用して同期駆動信号を取得する場合、同期駆動信号の精度を制御することが非常に難しく、最適化された効率と信頼性を達成することが困難です。図 11 に示すように、制御精度を向上させるためにデジタルコントローラーを使用している企業もあります。

パルストランスを使用して同期駆動信号を取得すると精度は高くなりますが、コストが比較的高くなります。

二次側（セカンダリ）の制御方法は、図 7.v に示すように、通常、パルストランスまたは磁気結合方式を使用して、同期駆動信号を二次側（セカンダリ）から一次側（プライマリ）に伝送します。

6. 不連続 DCM モードの 2 次側 (セカンダリ) 同期整流 SSR

高速充電フライバックコンバータが不連続 DCM モードで動作する場合。一次側（プライマリ）の制御方式、二次側（セカンダリ）の制御方式を問わず、同期整流MOSFETのD,S電圧降下を直接検出して制御することができます。

(1) 同期整流MOSFETをオンにする

図 13 に示すように、同期整流 MOSFET の VDS の電圧が正から負に変化すると、内部の寄生ダイオードがオンし、一定の遅延後に同期整流 MOSFET がオンします。

(2) 同期整流MOSFETのオフ

同期整流 MOSFET がオンになった後は、VDS=-Io*Rdson となります。 2次（二次）巻線電流が0になると、つまり電流検出信号VDSの電圧がマイナスから0に変化すると、図13に示すように同期整流MOSFETがオフします。

実際のアプリケーションでは、同期整流 MOSFET は 2 次 (2 次) 巻線電流が 0 (VDS=0) に達する前にオフになります。電流検出基準電圧値はチップごとに異なり、-20mV、-50mV、-100mV、-200mVなどとなります。

システムの電流検出基準電圧は固定です。電流検出基準電圧の絶対値が大きいほど干渉誤差が小さくなり、精度が良くなります。ただし、出力負荷電流 Io が減少すると、図 14 に示すように、同期整流 MOSFET がより大きな出力電流でオフし、内部の寄生ダイオードが導通する時間が長くなるため、効率が低下します。

また、電流検出基準電圧の絶対値が小さすぎる場合。システムエラーや干渉により、二次（二次）巻線電流が0を超えた後に同期整流MOSFETがオフになり、逆流入電流が発生し、効率とシステムの信頼性に影響を与える可能性があります。

高精度の電流検出信号によりシステムの効率と信頼性が向上しますが、デバイスのコストは増加します。電流検出信号の精度は次の要因に関係します。
①。電流検出基準電圧の精度と温度ドリフト。
②。電流アンプのバイアス電圧とオフセット電圧、バイアス電流とオフセット電流、および温度ドリフト。
③。同期整流MOSFETのオン電圧Rdsonの精度と温度ドリフト。

また、システム的にはデジタル制御や電流検出基準電圧の変更、同期整流MOSFETの駆動電圧の変更などにより改善が可能です。

出力負荷電流 Io が減少し、パワー MOSFET の駆動電圧が減少すると、対応する MOSFET ターンオン電圧 Rdson が増加します。図 15 に示すように、同期整流 MOSFET の早期シャットダウンを回避し、寄生ダイオードの導通時間を短縮し、システムの効率を向上させることができます。

図 14 より、出力負荷電流 Io が減少すると、電流検出基準電圧も減少することがわかります。このように、出力電流 Io が大きい場合には、より高い電流検出基準電圧を使用して制御精度を向上させます。出力電流 Io が低い場合には、より低い電流検出基準電圧が使用されます。また、同期整流 MOSFET の導通時間を改善し、システムの効率を向上させることもできます。

上記方法で改善できない場合には、同期整流MOSFETの両端にショットキーダイオードを並列接続することも可能です。同期整流 MOSFET を事前にオフした後、外付けショットキーダイオードを接続してフリーホイーリングできます。

7. セカンダリ（二次）制御 CCM+DCM ハイブリッドモード

現在、携帯電話の急速充電には基本的に 2 つの一般的なソリューションが使用されています。

(1) 一次側 (プライマリ) 制御と DCM 動作モード。 2次側（セカンダリ）同期整流MOSFETは同期信号が不要です。

(2) セカンダリ（二次）制御、CCM+DCM 混合動作モード（出力負荷電流減少時、CCM から DCM へ）。二次側 (二次) 同期整流 MOSFET は直接駆動され、そのターンオンおよびターンオフの論理原理を図 16 に示します。

同期整流 MOSFET のオン: 同期整流 MOSFET の VDS の電圧が正から負に変化すると、内部の寄生ダイオードがオンします。一定の遅延の後、同期整流 MOSFET がオンになります。

同期整流 MOSFET をオフにする:

① 出力電圧が設定値より低い場合、同期クロック信号を使用して MOSFET のターンオフを制御し、CCM モードで動作します。

② 出力電圧が設定値より大きい場合、同期クロック信号はシールドされ、動作方法は DCM モードと同じになります。 VDS=-Io*Rdson 信号は、同期整流 MOSFET のシャットダウンを制御します。

これで、急速充電 QC 全体において MOSFET がどのような役割を果たしているかは誰もが知っています。

オルーキーについて

Olukey のコアチームは 20 年間コンポーネントに注力しており、本社は深センにあります。主な事業内容：MOSFET、MCU、IGBT等のデバイス。主な代理店製品はWINSOKとCmsemiconです。製品は軍事産業、産業制御、新エネルギー、医療製品、5G、モノのインターネット、スマートホーム、さまざまな家電製品で広く使用されています。独自のグローバル総代理店のメリットを活かし、中国市場を拠点としております。充実したお得なサービスで、お客様への様々な先端ハイテク電子部品のご紹介、メーカー様の高品質な製品づくりのお手伝い、総合的なサービスをご提供いたします。