IRAC1166-100W +16V低側(cè)智能整流100W反激式演示板用戶指南

一、引言

在開關(guān)電源的次級側(cè)，傳統(tǒng)上使用肖特基二極管進行無源整流以降低傳導(dǎo)損耗。近年來，同步整流（SR）的概念逐漸在反激式應(yīng)用中得到推廣。使用低壓低導(dǎo)通電阻（Rdson）的MOSFET來替代肖特基整流器具有諸多優(yōu)勢，如顯著降低傳導(dǎo)損耗、改善系統(tǒng)熱管理，減少散熱片和PCB空間成本。然而，反激式轉(zhuǎn)換器中SR的實現(xiàn)技術(shù)不斷發(fā)展，從簡單的自驅(qū)動（次級繞組電壓檢測）到更復(fù)雜的“電流互感器感應(yīng)”或兩者結(jié)合的解決方案，但也帶來了成本和元件數(shù)量增加的問題，同時反向電流傳導(dǎo)問題仍然存在。本文將介紹IRAC1166 - 100W演示板，展示使用集成IC實現(xiàn)SR的優(yōu)勢，并研究其相對于傳統(tǒng)整流方法的效率提升。

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二、總體描述

2.1 演示板概述

IRAC1166 - 100W演示板是一款通用輸入反激式轉(zhuǎn)換器，具有單路直流輸出，在有源整流模式下能夠連續(xù)輸出100W（+16V x 6.25A）。該演示板主要用于研究使用IR1166在低側(cè)配置下的同步整流，其Vcc電源可直接從轉(zhuǎn)換器輸出獲得，簡化了設(shè)計。同時，它配備了必要的跳線，便于在準(zhǔn)諧振模式下探索同步整流器（SR）的傳導(dǎo)行為。

2.2 關(guān)鍵特性

• 快速Vsd感應(yīng)：采用IR1166智能整流控制IC，具有1.5Apk的柵極輸出驅(qū)動能力。
• 并聯(lián)MOSFET：驅(qū)動2個并聯(lián)的SR（100V N - ch MOSFET IRF7853，SO - 8封裝，最大Rdson為18mΩ），大大簡化了整體機械設(shè)計，無需傳統(tǒng)高電流反激式設(shè)計中常見的笨重散熱片。

2.3 演示板圖片與PCB布局

文檔提供了演示板的正反面圖片以及PCB的頂層和底層蝕刻圖，方便工程師直觀了解其外觀和布局。

三、電路描述

3.1 輸入部分

演示板通過2針連接器（CON1）輸入交流電源，并配備了3.5A的延時型保險絲用于輸入電流過載保護。在交流輸入電壓（90 - 264VAC）進入6A橋式整流器（DB1）之前，進行了最小限度的輸入濾波（Cp1 - Xcap）。

3.2 初級側(cè)控制

初級側(cè)控制器（U2）驅(qū)動初級MOSFET Q1在臨界導(dǎo)通模式下工作，通過零電壓開關(guān)（ZVS，僅當(dāng)NVsec > Vdcin時發(fā)生）或低壓開關(guān)（LVS，當(dāng)nVsec < Vdcin時）消除導(dǎo)通開關(guān)損耗，減少Q(mào)1的電容損耗，特別是在高輸入電壓條件下。滿載時開關(guān)頻率通常在38 - 76kHz之間變化，輕載時降至最低值（固定在6 - 10kHz）以降低輸入功率。

3.3 輔助繞組監(jiān)測

輔助繞組通過U2的去磁引腳4（通過Dp3、Rp5和Rp11網(wǎng)絡(luò)）進行松散監(jiān)測，Rp6和Rp11設(shè)置轉(zhuǎn)換器的過壓保護（OVP）和過功率限制。

3.4 諧振電容

添加諧振電容Cp7以增強整體寄生繞組電容和初級MOSFET Q1的Coss，分別在低和高輸入電壓條件下實現(xiàn)ZVS和LVS。

3.5 輸出反饋

光耦合器U3提供隔離的輸出電壓反饋到初級側(cè)。負(fù)載連接器CON2（+16Vo）兩端的輸出電壓由V/I次級誤差放大器U4（AQ105或AS4305）監(jiān)測和調(diào)節(jié)，同時通過監(jiān)測RS25 - 26電流感測電阻兩端的電壓來管理輸出電流限制功能。

3.6 次級功率級

次級功率級使用2個SO - 8低導(dǎo)通電阻的IRF7853同步FET（SR）并聯(lián)實現(xiàn)低側(cè)同步整流。Vcc電源可直接從直流輸出Vout獲得，跳線J5用于隔離U1（IR1166 SO8 - IC）的Vcc與Vout，方便用戶評估IC在待機負(fù)載條件下的功耗。

3.7 電壓監(jiān)測與測試點

Vd和Vs感測引腳監(jiān)測同步整流MOSFET兩端的電壓（Vsd），PCB布線時采取了措施確保差分電壓Vsd的完整性。同時，提供了探針點和冗余測試鉤點，便于探測關(guān)鍵測試波形。

四、測試連接與設(shè)置

文檔提供了電壓和電流探測的推薦設(shè)置圖，包括直接?xùn)艠O電壓探測、連接示波器探針到柵極驅(qū)動測試點、探測次級電流波形以及輸出電壓的紋波和噪聲電壓等。

五、電路特性

5.1 OVT設(shè)置

偏移電壓閾值（OVT）可以通過改變跳線J3的位置根據(jù)系統(tǒng)工作模式進行選擇。在臨界導(dǎo)通模式下，將OVT引腳浮空或接地可以延長MOSFET的溝道導(dǎo)通時間，減少MOSFET體二極管的導(dǎo)通時間，提高效率，并降低同步FET快速關(guān)斷階段出現(xiàn)反向電流的可能性。在輕載條件下（約10 - 20%滿載），OVT接地比浮空時效率提高約0.5 - 1.2%，但在重載時這種差異不再顯著。

5.2 使能設(shè)置

IR1166 IC默認(rèn)使能，EN引腳通過電阻內(nèi)部連接到VCC。在J4位置添加跳線可將EN引腳連接到GND，立即禁用IR1166 IC的內(nèi)部柵極驅(qū)動電路。用戶可以通過插拔跳線J4來快速評估SR FET工作與普通無源整流（柵極驅(qū)動禁用時體二極管整流）對效率的影響。需要注意的是，禁用IR1166時，長時間（>1min）加載不應(yīng)超過4.6 - 6A，以防止MOSFET體二極管因過熱損壞。

5.3 最小導(dǎo)通時間（MOT）設(shè)置

MOT設(shè)置用于使IC對SR導(dǎo)通階段Vsd的多次變化不敏感，這是由次級繞組電壓（Vsec）的振鈴引起的。MOT可以通過Rs18進行調(diào)整（根據(jù)AN1087簡化方程(R{MOT}=2.5 ×10^{10} * t{mot})），選擇400ns通常足以忽略準(zhǔn)諧振開關(guān)轉(zhuǎn)換器（如本演示板）中Vsd的寄生噪聲。

5.4 MOSFET選擇設(shè)計提示

• 電壓額定值：SR的電壓額定值應(yīng)滿足(V s d>k^{*}[V o+(V D C i n_{max } /(Npri/Nsec) )])，其中(k = 1.1)到1.4作為啟動應(yīng)力的保護系數(shù)。
• RdsON額定值：一般來說，如果SR的傳導(dǎo)損耗比普通無源整流方法小兩倍，系統(tǒng)效率可提高超過1%。設(shè)計時應(yīng)考慮MOSFET在25?C和125?C時的Rdson差異，通常125?C時的Rdson約為25?C時的1.8倍。對于典型的100V肖特基整流器，在125?C時(V_{f})約為600mV，因此應(yīng)選擇在額定滿載電流下Vsd最大約為150mV的100V MOSFET。通過一系列計算，推薦使用2個并聯(lián)的SO - 8 MOSFET（IRF7853），其在25?C時的等效Rdson約為9mΩ。

六、測試波形

6.1.1 瞬態(tài)負(fù)載測試

在不同輸入電壓（90Vac和265Vac）和空載啟動條件下，觀察到同步整流器的Vsd信號干凈，IR1166 IC在初級部分首次開關(guān)約3ms后開始同步整流操作，在此期間同步整流MOSFET的體二極管作為無源整流器工作。輸出電壓穩(wěn)定并達到調(diào)節(jié)后，柵極驅(qū)動脈沖變窄，開關(guān)頻率下降。啟動時沒有明顯的反向電流。

6.1.2 靜態(tài)負(fù)載測試

在不同輸入電壓和空載條件下，同步整流器的Vsd以折返頻率（DCM操作）開關(guān)，柵極驅(qū)動在無負(fù)載待機操作時變?yōu)橐?guī)則的窄脈沖（約1.14us），開關(guān)頻率固定在約14kHz。在滿載（100W）時，IC的Vd感測引腳承受約1% - 6%的正常電壓應(yīng)力。

6.1.3 紋波與噪聲測量

在不同輸入電壓（90Vacin、115Vacin、240Vacin和265Vacin）和滿載（16Vout / 6.25A）條件下，輸出電壓的紋波和噪聲約為312 - 337mVpp。

6.1.4 動態(tài)負(fù)載測試

在0 - 100%額定負(fù)載、±800mA/usec的動態(tài)負(fù)載變化下，輸出電壓的紋波和噪聲約為806 - 869mVpp。

6.4 啟動與欠壓鎖定（UVLO）測試

觀察到在不同輸入電壓（90Vacin和265Vacin）和滿載啟動時，Vgate和Vcc的變化情況。在電源關(guān)閉時，當(dāng)初級母線電壓下降到約40VDC時，開關(guān)停止，同步整流器的Vsd開關(guān)頻率約為14kHz，柵極驅(qū)動也停止，Isd在輸出電壓下降時上升，直到IR1166 IC達到UVLO閾值，同步整流停止。

七、線路/負(fù)載調(diào)節(jié)測試

7.1 V - I特性曲線

展示了不同輸入電壓（90V、115V、180V、220V、230V和265V）下，輸出電壓與負(fù)載電流的關(guān)系。在輕載到中等負(fù)載范圍內(nèi)，輸出電壓基本保持穩(wěn)定，當(dāng)負(fù)載電流超過6.25A后，輸出電壓開始下降，超過7.25A時出現(xiàn)波動。

7.2 系統(tǒng)效率測試

在不同輸入電壓下，系統(tǒng)效率約為86.52% - 87.7%。當(dāng)OVT接地時，系統(tǒng)效率在不同負(fù)載電流下的表現(xiàn)與OVT浮空時有所不同，但總體效率較高。

7.3 熱驗證

測試了不同環(huán)境溫度（25.9?C和50.4?C）和輸入電壓（90VAC和265VAC）下，各個元件的溫度。結(jié)果表明，在滿載（6.25A）時，各元件的溫度在可接受范圍內(nèi)，系統(tǒng)效率約為86.52% - 87.65%。

八、總結(jié)

IRAC1166 - 100W演示板展示了IR1166智能整流控制IC通過簡單的快速直接電壓感應(yīng)技術(shù)驅(qū)動MOSFET（作為同步整流器）的性能。該演示板在可變頻率臨界導(dǎo)通模式（VF - CrCM）下實現(xiàn)了低側(cè)同步整流，提高了效率，簡化了整體系統(tǒng)設(shè)計，適用于單輸出反激式高電流應(yīng)用，如筆記本電源適配器。使用低壓SO - 8 MOSFET替代傳統(tǒng)肖特基整流器帶來了諸多優(yōu)勢，如避免使用重型散熱片和簡化柵極驅(qū)動電路，減少了PCB面積和元件數(shù)量。

九、附錄

9.1 變壓器匝數(shù)比、占空比和次級電流關(guān)系

提供了一個圖表，用于圖形化估計Isec rms / Io ave比率與變壓器最大占空比（Dmax）的關(guān)系，考慮了不同的工作占空比、Vdcmin和Vsec值。

9.2 電源變壓器規(guī)格

詳細(xì)介紹了IRAC1166 - 100W +16V SR演示板的電源變壓器規(guī)格，包括繞組匝數(shù)、線徑、鐵芯類型、磁芯材料、初級電感等信息，并提供了繞組端子圖。

十、物料清單（BOM）

文檔列出了IRAC1166 - 100W +16V演示板的所有物料清單，包括元件的數(shù)量、值、參考編號、描述和制造商編號等信息。

通過對IRAC1166 - 100W演示板的詳細(xì)介紹，電子工程師可以深入了解同步整流技術(shù)在反激式轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用，以及如何進行電路設(shè)計、測試和優(yōu)化。你在實際應(yīng)用中是否也遇到過類似的同步整流設(shè)計問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。