IRAC1166-100W +16V低侧智能整流100W反激式演示板用户指南

一、引言

在开关电源的次级侧，传统上使用肖特基二极管进行无源整流以降低传导损耗。近年来，同步整流（SR）的概念逐渐在反激式应用中得到推广。使用低压低导通电阻（Rdson）的MOSFET来替代肖特基整流器具有诸多优势，如显著降低传导损耗、改善系统热管理，减少散热片和PCB空间成本。然而，反激式转换器中SR的实现技术不断发展，从简单的自驱动（次级绕组电压检测）到更复杂的“电流互感器感应”或两者结合的解决方案，但也带来了成本和元件数量增加的问题，同时反向电流传导问题仍然存在。本文将介绍IRAC1166 - 100W演示板，展示使用集成IC实现SR的优势，并研究其相对于传统整流方法的效率提升。

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二、总体描述

2.1 演示板概述

IRAC1166 - 100W演示板是一款通用输入反激式转换器，具有单路直流输出，在有源整流模式下能够连续输出100W（+16V x 6.25A）。该演示板主要用于研究使用IR1166在低侧配置下的同步整流，其Vcc电源可直接从转换器输出获得，简化了设计。同时，它配备了必要的跳线，便于在准谐振模式下探索同步整流器（SR）的传导行为。

2.2 关键特性

• 快速Vsd感应：采用IR1166智能整流控制IC，具有1.5Apk的栅极输出驱动能力。
• 并联MOSFET：驱动2个并联的SR（100V N - ch MOSFET IRF7853，SO - 8封装，最大Rdson为18mΩ），大大简化了整体机械设计，无需传统高电流反激式设计中常见的笨重散热片。

2.3 演示板图片与PCB布局

文档提供了演示板的正反面图片以及PCB的顶层和底层蚀刻图，方便工程师直观了解其外观和布局。

三、电路描述

3.1 输入部分

演示板通过2针连接器（CON1）输入交流电源，并配备了3.5A的延时型保险丝用于输入电流过载保护。在交流输入电压（90 - 264VAC）进入6A桥式整流器（DB1）之前，进行了最小限度的输入滤波（Cp1 - Xcap）。

3.2 初级侧控制

初级侧控制器（U2）驱动初级MOSFET Q1在临界导通模式下工作，通过零电压开关（ZVS，仅当NVsec > Vdcin时发生）或低压开关（LVS，当nVsec < Vdcin时）消除导通开关损耗，减少Q1的电容损耗，特别是在高输入电压条件下。满载时开关频率通常在38 - 76kHz之间变化，轻载时降至最低值（固定在6 - 10kHz）以降低输入功率。

3.3 辅助绕组监测

辅助绕组通过U2的去磁引脚4（通过Dp3、Rp5和Rp11网络）进行松散监测，Rp6和Rp11设置转换器的过压保护（OVP）和过功率限制。

3.4 谐振电容

添加谐振电容Cp7以增强整体寄生绕组电容和初级MOSFET Q1的Coss，分别在低和高输入电压条件下实现ZVS和LVS。

3.5 输出反馈

光耦合器U3提供隔离的输出电压反馈到初级侧。负载连接器CON2（+16Vo）两端的输出电压由V/I次级误差放大器U4（AQ105或AS4305）监测和调节，同时通过监测RS25 - 26电流感测电阻两端的电压来管理输出电流限制功能。

3.6 次级功率级

次级功率级使用2个SO - 8低导通电阻的IRF7853同步FET（SR）并联实现低侧同步整流。Vcc电源可直接从直流输出Vout获得，跳线J5用于隔离U1（IR1166 SO8 - IC）的Vcc与Vout，方便用户评估IC在待机负载条件下的功耗。

3.7 电压监测与测试点

Vd和Vs感测引脚监测同步整流MOSFET两端的电压（Vsd），PCB布线时采取了措施确保差分电压Vsd的完整性。同时，提供了探针点和冗余测试钩点，便于探测关键测试波形。

四、测试连接与设置

文档提供了电压和电流探测的推荐设置图，包括直接栅极电压探测、连接示波器探针到栅极驱动测试点、探测次级电流波形以及输出电压的纹波和噪声电压等。

五、电路特性

5.1 OVT设置

偏移电压阈值（OVT）可以通过改变跳线J3的位置根据系统工作模式进行选择。在临界导通模式下，将OVT引脚浮空或接地可以延长MOSFET的沟道导通时间，减少MOSFET体二极管的导通时间，提高效率，并降低同步FET快速关断阶段出现反向电流的可能性。在轻载条件下（约10 - 20%满载），OVT接地比浮空时效率提高约0.5 - 1.2%，但在重载时这种差异不再显著。

5.2 使能设置

IR1166 IC默认使能，EN引脚通过电阻内部连接到VCC。在J4位置添加跳线可将EN引脚连接到GND，立即禁用IR1166 IC的内部栅极驱动电路。用户可以通过插拔跳线J4来快速评估SR FET工作与普通无源整流（栅极驱动禁用时体二极管整流）对效率的影响。需要注意的是，禁用IR1166时，长时间（>1min）加载不应超过4.6 - 6A，以防止MOSFET体二极管因过热损坏。

5.3 最小导通时间（MOT）设置

MOT设置用于使IC对SR导通阶段Vsd的多次变化不敏感，这是由次级绕组电压（Vsec）的振铃引起的。MOT可以通过Rs18进行调整（根据AN1087简化方程(R{MOT}=2.5 ×10^{10} * t{mot})），选择400ns通常足以忽略准谐振开关转换器（如本演示板）中Vsd的寄生噪声。

5.4 MOSFET选择设计提示

• 电压额定值：SR的电压额定值应满足(V s d>k^{*}[V o+(V D C i n_{max } /(Npri/Nsec) )])，其中(k = 1.1)到1.4作为启动应力的保护系数。
• RdsON额定值：一般来说，如果SR的传导损耗比普通无源整流方法小两倍，系统效率可提高超过1%。设计时应考虑MOSFET在25˚C和125˚C时的Rdson差异，通常125˚C时的Rdson约为25˚C时的1.8倍。对于典型的100V肖特基整流器，在125˚C时(V_{f})约为600mV，因此应选择在额定满载电流下Vsd最大约为150mV的100V MOSFET。通过一系列计算，推荐使用2个并联的SO - 8 MOSFET（IRF7853），其在25˚C时的等效Rdson约为9mΩ。

六、测试波形

6.1.1 瞬态负载测试

在不同输入电压（90Vac和265Vac）和空载启动条件下，观察到同步整流器的Vsd信号干净，IR1166 IC在初级部分首次开关约3ms后开始同步整流操作，在此期间同步整流MOSFET的体二极管作为无源整流器工作。输出电压稳定并达到调节后，栅极驱动脉冲变窄，开关频率下降。启动时没有明显的反向电流。

6.1.2 静态负载测试

在不同输入电压和空载条件下，同步整流器的Vsd以折返频率（DCM操作）开关，栅极驱动在无负载待机操作时变为规则的窄脉冲（约1.14us），开关频率固定在约14kHz。在满载（100W）时，IC的Vd感测引脚承受约1% - 6%的正常电压应力。

6.1.3 纹波与噪声测量

在不同输入电压（90Vacin、115Vacin、240Vacin和265Vacin）和满载（16Vout / 6.25A）条件下，输出电压的纹波和噪声约为312 - 337mVpp。

6.1.4 动态负载测试

在0 - 100%额定负载、±800mA/usec的动态负载变化下，输出电压的纹波和噪声约为806 - 869mVpp。

6.4 启动与欠压锁定（UVLO）测试

观察到在不同输入电压（90Vacin和265Vacin）和满载启动时，Vgate和Vcc的变化情况。在电源关闭时，当初级母线电压下降到约40VDC时，开关停止，同步整流器的Vsd开关频率约为14kHz，栅极驱动也停止，Isd在输出电压下降时上升，直到IR1166 IC达到UVLO阈值，同步整流停止。

七、线路/负载调节测试

7.1 V - I特性曲线

展示了不同输入电压（90V、115V、180V、220V、230V和265V）下，输出电压与负载电流的关系。在轻载到中等负载范围内，输出电压基本保持稳定，当负载电流超过6.25A后，输出电压开始下降，超过7.25A时出现波动。

7.2 系统效率测试

在不同输入电压下，系统效率约为86.52% - 87.7%。当OVT接地时，系统效率在不同负载电流下的表现与OVT浮空时有所不同，但总体效率较高。

7.3 热验证

测试了不同环境温度（25.9˚C和50.4˚C）和输入电压（90VAC和265VAC）下，各个元件的温度。结果表明，在满载（6.25A）时，各元件的温度在可接受范围内，系统效率约为86.52% - 87.65%。

八、总结

IRAC1166 - 100W演示板展示了IR1166智能整流控制IC通过简单的快速直接电压感应技术驱动MOSFET（作为同步整流器）的性能。该演示板在可变频率临界导通模式（VF - CrCM）下实现了低侧同步整流，提高了效率，简化了整体系统设计，适用于单输出反激式高电流应用，如笔记本电源适配器。使用低压SO - 8 MOSFET替代传统肖特基整流器带来了诸多优势，如避免使用重型散热片和简化栅极驱动电路，减少了PCB面积和元件数量。

九、附录

9.1 变压器匝数比、占空比和次级电流关系

提供了一个图表，用于图形化估计Isec rms / Io ave比率与变压器最大占空比（Dmax）的关系，考虑了不同的工作占空比、Vdcmin和Vsec值。

9.2 电源变压器规格

详细介绍了IRAC1166 - 100W +16V SR演示板的电源变压器规格，包括绕组匝数、线径、铁芯类型、磁芯材料、初级电感等信息，并提供了绕组端子图。

十、物料清单（BOM）

文档列出了IRAC1166 - 100W +16V演示板的所有物料清单，包括元件的数量、值、参考编号、描述和制造商编号等信息。

通过对IRAC1166 - 100W演示板的详细介绍，电子工程师可以深入了解同步整流技术在反激式转换器中的应用，以及如何进行电路设计、测试和优化。你在实际应用中是否也遇到过类似的同步整流设计问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。