同步整流的簡化方法

作者：Diodes 公司AC-DC產品事業部經理 Richard Lin

由於數百億個新裝置 (其中也包括非連網的數十億個新裝置) 預期投入使用，因此對小型、高效率的外部電源轉換需求也持續增長。離線轉換器可為可攜式「智慧型」裝置的充電變壓器、路由器、電腦、遊戲主機以及電信和網路設備等所有設備供電。這些裝置的共通點，就是他們都需要將高壓交流電轉換為更低的直流電壓。

一旦電源供應接通，即使這些裝置並沒有為裝置進行供電或充電，它們一樣在消耗能源。這也是十五年前加州能源委員會 (California Energy Commission) 宣布打算限制販售低效率外部電源供應器的原因。從那時起，嚴格的立法便開始生效，並根據兩個參數來規範能源浪費的減少：睡眠模式下的最大允許功耗，和穩定狀態下的最小能源效率等級。「生態設計」法規 (符合美國能源部 VI 級標準和 EU Tier 2 標準) 的建立，代表外部電源現在需要達到 89% 或更高的效率。這些規範分別在 2016 年 (美國) 和 2020 年 4 月 (歐洲) 生效。

修改電源供應的設計一點都不容易。對一次側進行的設計變更，將需要重新提交產品以更新安全認證，這也是許多 OEM 致力於修改二次側的原因。

解決方案：同步整流

在傳統的二次側上，二極體是用於搭配一次側使用。現在，這些二極體雖然已經被效能基本相同的電晶體所取代，但它們能提供更高切換效率的額外優勢。相關控制器可實施同步整流，以在可變負載條件下實現更佳的管理。不過，如此獲得的效率比則視同步整流的實作方式而定。因此還有其他項目要列入考量，例如使用的系統架構拓撲。

同步整流通常以連續或斷續導通模式 (CCM/DCM) 或準共振 (QR) 反馳模式實作，這些方法在離線轉換中都相當熱門。CCM 通常會在較重的負載下出現，而在這種模式下，流經電感器的電流永遠不會降至零。在較輕的負載下，則是 DCM 的效率更高，此時電感器電流可以降至零。準共振反馳則像 DCM 一樣，因為這種裝置沒有固定的切換頻率。反之，當極電壓出現谷值時，控制器會切換至開啟。

APR348 二次側 MOSFET 驅動器則支援高達 20V 的高側和低側反馳轉換器的所有模式。透過納入這種程度的可配置性和功能，設計工程師可以根據預期的負載類型更妥善的最佳化其設計。由於 APR348 的高度整合，因此幾乎不需要額外的外部元件，這代表 OEM 仍可以實現小型且高效率的電源設計。

APR348 的主要特色，是其快速開啟和關閉時間 (分別為 30ns 和 25ns)，可減少功耗並確保 CCM 模式下的安全操作。它也具備遮沒期，可設定 MOSFET 的最短導通期間，透過限制電壓振鈴現象的影響以改善整體效能。在輕負載 (LL) 模式下，只有輕負載或無負載時，其內部計時器會跳過週期。本功能也可在無負載的情況下降低待機功率。此外，高側開關不需要額外的變壓器繞組。

使用 APR348 等元件可將離線轉換效率提高到全新的等級，同時消除許多其他外部元件的需求。這可以減少整體 BOM 並維持設計的精巧，並提高最終產品的整體效率和睡眠模式功耗，使工程師能夠預留空間，以達到要求的 DoE Level VI 和 EU Tier 2 標準。