探索LLC谐振变换器的二次侧整流：SRK2000与EVLSRK2000的应用与优化

在电力电子领域，LLC谐振变换器凭借其高效、高功率密度等优点，广泛应用于各种电源设计中。而二次侧同步整流（SR）技术的引入，进一步提升了变换器的效率和性能。今天，我们就来深入探讨一下基于SRK2000的LLC谐振变换器二次侧整流技术，以及EVLSRK2000演示板的相关应用。

文件下载：EVLSRK2000-D-40.pdf

一、EVLSRK2000演示板概述

EVLSRK2000是一系列用于评估SRK2000在LLC谐振变换器中同步整流性能的演示板。该演示板有四种不同的配置，根据所安装的SR MOSFET不同进行区分，具体信息如下表所示：	订购代码	SR MOSFET P/N	MOSFET封装	MOSFET R DS(on)	MOSFET BV DSS
EVLSRK2000-L-40	STL140N4LLF5	PowerFLAT™	2.75 mΩ	40 V
EVLSRK2000-L-60	STL85N6F3	PowerFLAT™	5.70 mΩ	60 V
EVLSRK2000-D-40	STD95N4F3	DPAK	5.80 mΩ	40 V
EVLSRK2000-S-40	STS15N4LLF3	SO-8	5.00 mΩ	40 V

二、SRK2000主要特性

1. 漏极MOSFET感应与驱动逻辑

SRK2000的核心功能是在相应的变压器半绕组开始导通时（即MOSFET体二极管开始导通）开启同步整流MOSFET，并在电流接近零时关闭。它通过两个引脚（DVS1和DVS2）感应功率MOSFET的漏极电压。当电流ISR1开始流经体二极管时，功率MOSFET漏源电压变为负，达到负阈值VTH.ON时，功率MOSFET开启。开启阈值可通过公式 (V{THON }=R{D} cdot I{D V S 1,2 O N}+V_{D V S 1,2 T H}) 设定。当功率MOSFET开启后，其漏源电压下降，达到关断阈值V_DVS1,2_Off时，功率MOSFET关闭。用户可在IC启动阶段通过对EN引脚进行适当偏置来选择两个不同的关断阈值。

2. 漏极感应优化

漏极电压感应必须非常精确，以避免干扰并最小化影响它的寄生元件。功率MOSFET引脚的杂散电感、内部键合和PCB走线会导致感应电压与实际 (R_{DS(on)}) 上的电压降存在差异，从而导致功率MOSFET提前关断。可通过在DVS引脚添加外部电容来部分补偿这种误差，但需注意避免过度延迟关断，以免导致电流反向和转换器故障。此外，寄生元件还会导致功率MOSFET开启延迟，可通过在感应电阻上并联旁路二极管来解决。

3. 消隐时间

谐振变换器（尤其是LLC）的二次电流呈正弦形，这要求采用专门的逻辑方案处理同步整流。为避免在第一次过零后关断，引入了消隐时间，SRK2000将消隐时间设置为每个半周期的50%。在轻载情况下，关断阈值可能接近峰值电流，导致占空比出现亚谐波振荡，SRK2000通过跟踪开关周期设置消隐时间来减少这种影响。

4. 轻载运行与睡眠模式

SRK2000具有智能自动睡眠模式，内部逻辑电路能够检测转换器的轻载状态并停止栅极驱动，降低IC的静态功耗，从而提高轻载时的转换器效率。当至少一个SR功率MOSFET的导通时间低于测量半周期的40%时，IC进入睡眠模式；当两个MOSFET的体二极管导通时间超过半周期的60%时，栅极驱动重新启用。

5. 使能引脚

EN引脚可用于远程启用或禁用功率MOSFET驱动。通过电阻分压器将EN引脚连接到Vcc，可精确设置IC开始驱动功率MOSFET的最小Vcc电压。此外，EN引脚还可用于设置SR功率MOSFET的关断阈值。

三、电气原理图描述

演示板的原理图假设在12V输出转换器上实现SR，并使用转换器输出作为SRK2000的电源总线。C502是连接在Vcc和SGND引脚之间的旁路电容，C503是从Vcc到PGND的旁路电容，R503、C502和C503构成RC滤波器。R504和R505对EN引脚进行偏置，设置Vcc使能电压为10V，并将SR功率MOSFET的关断阈值设置为 -12.5 mV。R506和R507将功率MOSFET的漏极连接到DVS1,2引脚，设置开启阈值。

四、波形检查进行感应优化

1. 功率MOSFET关断补偿

根据SR功率MOSFET的 (R{DS(on)}) 和SRK2000的关断阈值，可大致计算关断电流 (I{OFF }=frac{V{D V S 1,2 OFF}}{R{DS( on )}}) 。但实际计算需考虑IC驱动传播延迟和 (R_{DS(on)}) 随温度的变化等因素。可通过在每个DVS引脚添加电容来延迟关断，提高效率，但需注意避免过度延迟。

2. MOSFET开启延迟补偿

为避免因RC电路导致的开启延迟，可在感应电阻上并联旁路二极管和串联电阻，从而改善开启延迟。

3. 亚谐波振荡

在轻载情况下，关断阈值接近峰值电流会导致占空比振荡，SRK2000的50%消隐时间可限制振荡宽度，避免输出不稳定。

五、如何在转换器中实现演示板

演示板用于在具有中心抽头二次绕组的LLC谐振变换器中实现同步整流。如果转换器采用二极管整流，需移除整流器并按特定方式连接演示板：将变压器中心抽头连接到转换器输出，将另外两个二次输出分别连接到引脚1、2、3和引脚11、12、13，将引脚4、5、9和10连接到二次地，中央引脚7用于为SRK2000供电，可连接到转换器输出，引脚6和8连接到EN引脚，可用于远程禁用IC。

六、功率损耗与热设计

1. 功率损耗计算

以12V - 150W应用为例，计算了二极管整流和SR情况下的功率损耗。在SR情况下，大部分损耗为传导损耗，通过优化MOSFET的开启和关断时序，可忽略体二极管的损耗。此外，还需考虑SRK2000的功耗。与二极管整流相比，采用SR可节省7.05W功率，效率提升4.7%。

2. 热设计考虑

采用SR可显著提高效率，减小转换器二次侧的尺寸。与二极管整流相比，SR所需的散热片热阻要求更低，甚至在某些情况下无需散热片，仅需根据SRK2000数据手册指示计算一定的铜面积。

七、布局考虑

在设计PCB时，需考虑以下几点：

1. 尽可能缩短输出电流回路，将SR MOSFET的漏极尽可能靠近变压器终端连接。
2. 对称布线两个MOSFET漏极与变压器端子之间的连接。
3. 将MOSFET源极靠近输出电容接地端子连接。
4. 尽可能缩短连接MOSFET源极到SRK2000 PGND引脚的走线，并与负载电流返回路径分开。
5. 使两个SR MOSFET的源极端子尽可能靠近。
6. 设计PCB时尽可能保持几何对称，以确保电路电气对称。
7. 将SGND引脚通过最短路径直接连接到PGND引脚。
8. 将漏极电压感应电阻尽可能靠近漏极端子连接。
9. 在Vcc与SGND和PGND之间使用旁路陶瓷电容，并将其尽可能靠近IC引脚放置。

八、物料清单

文档提供了四种不同配置的EVLSRK2000演示板的物料清单，包括电容、二极管、MOSFET、电阻和IC等元件的详细信息。

通过对SRK2000和EVLSRK2000演示板的深入了解，我们可以看到同步整流技术在LLC谐振变换器中的重要性和优势。在实际设计中，工程师们需要根据具体应用需求，合理选择元件和优化电路，以实现高效、可靠的电源设计。你在实际应用中是否遇到过类似的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。