关于MPS理想二极管的分析和应用介绍

现在已经进入了一个智能化的时代，每个家庭里都有不止一个便携智能装备---手机，Pad，电子书，智能手表......伴随着越来越多的便携设备，配套的单口的充电器越来越难以适应同时给多个设备充电的需求，占用很大的空间而且很杂乱无章。

多口插座和USB插排很好的解决了这个问题，小巧的体积，可以同时给多个设备进行充电，非常方便家庭和一些公共场所的使用。

如何来设计一个多口USB电源呢？

对一个非快充标准的4个USB口的充电器，最大可能需要提供2.4A x 4 = 9.6A 的充电电流，不过限于充电设备的小型化要求，功率通常会限制在36W，也就是5V 7.2A的水平。反激拓扑是最适合的架构，过去我们做反激电源在副边通常选择肖特基二极管整流，选择一个20A的超低压差肖特基二极管的在7A的管压降0.4V左右，在这个应用中导通损耗达到2.88W，加上开关损耗超过3W。这需要很大的散热片或是风扇散热，并不适合多口充电器小型化的设计需求。

MOSFET可以大幅降低导通压降，如果能够让MOSFET拥有二极管的特性，那么MOSFET会是一个理想选择。有一个叫做理想二极管控制器的产品就可以实现这个功能，让MOSFET工作在单向导通的状态。一般的原理就是通过检测MOSFET S到D的压降，来判断电流的流向：如果压降超过0V，说明电流流经Body diode，打开MOSFET来降低阻抗；如果压降降为0V或接近0V，说明电流接近截止，关断MOSFET。

理想二极管的基础原理很简单，不过实际应用中有很多的问题，例如在开关的边沿会有电压振荡，容易带来反复开关；由于MOSFET结电容的存在，导致关断时间有延时，也可能带来直通的问题；还有低端驱动容易带来EMI问题。为了解决这些问题，各个IC厂商八仙过海，各显神通。列举一下三种常见的控制方式，并探讨一下各自的优缺点。

方案1. 检测过零点，完全导通，快速开关

这种控制策略比较简单，开通的时候Gate拉高，MOSFET完全导通，关断时检测Vsd，一旦接近0V，迅速关闭MOSFET。以NCP4305D为例，关断阈值为0mV，说明进行关断判断时，直到电流完全降为0V时，才判断电流截止，然后是一个大电流的下拉，尽快关断MOSFET。

这种方式可以正常应用于QR模式，效率高。但应用于定频模式下，会有直通的风险。主要的问题在于MOSFET的关断是一个过程，驱动电流要对MOSFET的结电容进行放电，从开通到完全关断有一个时间差，时间长短与驱动电流和MOSFET的结电容相关。因此如果一旦工作进入CCM模式，当检测到MOSFET电压到0V时，极性已经反转，这时SR MOSFET关断的延时会导致原副边的MOSFET都处于直通的状态，进而导致瞬间极大过流以及器件烧毁。

方案2. 预测开通时间

这种方式是根据变压器源边电感伏秒平衡来预测源边FET开通时间，也就是同步管关断的时间。具体来说是将副边电压通过压控电流源转为电流给电容进行充放电，当电容电压降为0时，判断这时源边FET进行开通，因此关断副边同步管。

这种方式对于DCM或是QR模式都没有问题，但是工作在CCM模式时，如果有动态变化，预测就会失准，导致FET直通。虽然有一些方法来例如根据相邻两个周期时间相近来预测，但对源边控制器又有很大的限制。

方案3. 检测过零点，控制FET工作在线性区

以MP6907为例，FET开通时始终工作在一个VDS被调制的状态。当负向电压低过-30mV时，Gate电压就会被拉低，然后控制负压在-70mV的水平。虽然这在一定程度上可能增加导通损耗，但带来的好处是导通时的驱动电压比较低，关断速度会非常快。当负向电压高于-30mV时，驱动被迅速拉低，MOSFET被关断。这种控制方法与采用何种源边控制方式关系较小，不管是LLC，或是FLYBACK QR, DCM模式都可以很好适应。

除此之外, MP6907还有一个SYNC脚，可以和源边控制器通讯来实现更为可靠的CCM工作。

为了实现轻载高效，满足产品待机功耗的要求，MP6907支持轻载模式，通过外部电阻可以设定开通时间门限TLL，如果同步管开通时间持续低于门限TLL，那么芯片进入轻载模式，关断驱动电压，靠MOSFET体二极管导通。通过检测MOSFET电压也可以退出轻载模式。

得益于MP6907非常宽的供电电压4.2V-35V，MP6907可以无需单独的供电绕组进行高边FET驱动，直接通过二极管从副边绕组供电，如下图。不过在设计时需要确保在母线电压最高时，二次侧的电压不高于35V。

综上所述，MPS的解决方案，对于不同设计指标，不同的源边控制器和控制方式，具有最大程度的适用性。MPS作为同步整流控制器的领导者，从2009年起发布第一颗同步整流控制器，不断完善控制方式和简化外围电路，并推出集成MOSFET的MP6910A，相信工程师们可以在MPS的产品库中选择出适合的芯片。