傳統切換式Switching電源供應器的輸出整流器(Rectifier)是以被動元件Diode 來擔綱重任，但Diode 的導通損耗與切換速度不夠快等問題會限制Switching power supply的效率提升，所以近年來業界多以主動式的同步整流器設計來取代，以IC搭配MOSFET來減少導通及切換損失 ，進而提高效率。安森美onsemi推出的新一代同步整流IC NCP4318，此IC主要應用於LLC諧振拓樸 Topology的雙相Dual輸出整流，本文會針對NCP4318的動作原理及應用須知作介紹，以利有意選用設計者能更快上手。
二、什麼是同步整流? What is Synchronous Rectification (SR) :
同步整流係以MOSFET(如圖二)取代Diode 在輸出整流級(如圖一)，主要好處是MOSFET在導通時的損耗=導通電流的平方x導通阻抗Rds_on(mohm)，相較Didoe的導通損耗=導通電流 * Diode通電壓 (0.5~0.7V)小，所以在輸出電流越高的條件下，上述的導通損耗就會差距更大，並且MOSFET 可以透過並聯的方式將導通阻抗Rds_on再降低以提高效率，加上MOSFET的切換速度又較Diode 快，所以更適合應用於高頻小型化的電源設計。
三、現行各廠牌SR IC常見的 關斷MOSFET方法(如下圖三) ：
- Instantaneous VDrain : 根據MOS VDrain電壓快速關斷 ，如: NCP4306(onsemi),TEA1892(NXP)…等
- Prediction : 預測時間關斷，如:FAN6208 (onsemi) , UCC24639(TI)
- Mixed Control tDEAD regulation : a與b混合型關斷，如:FAN6248(onsemi), NCP4318(onsemi).
- VDrain Regulation: MOS VDrain 電壓關斷，如:MP6922/4(MPS),TEA1995(NXP)…等。
四、SR IC 關斷MOSFET 方法介紹：
1.Instantaneous Drain Voltage Type : VDrain電壓瞬斷型 (圖四)
圖四: (資料來源：onsemi )
- SR MOSFET 導通條件–當SR MOSFET VDS電壓因Body diode導通時<VTH-ON (SR IC設定之導通電壓) .
- SR MOSFET 關閉條件–
- SR MOSFET VDS電壓= -ISR * Rds_on.
- SR MOSFET VDS電壓> VTH-OFF (SR IC設定之關斷電壓) .
- 優點：在負載變動或AC on/off條件下能安全操作。
- 缺點：MOSFET 的導通路徑雜散電感會影響SR MOSFET提早關斷(如圖五)
2.Prediction Type : 預測時間關斷型 (圖六)
- 優點：關斷點無須由MOSFET VDS電壓決定，沒有雜散電感電壓影響。
- 缺點：當LLC諧振頻率變化時會發生延遲關斷問題，導致反向電流Inversion Current及MOSFET Spike 產生(如圖七)
VDrain Regulation: MOS ˇ偶3.VDrain 電壓關斷(圖八)
- 優點：降低Vgs電壓使Rds_on電阻升高可以降低雜散電感影響。
- 缺點：因Rds_on升高會造成導通損失(Conduction Loss)增加。
4.Mixed Control tDEAD regulation : a與b混合型關斷型(圖九/十)
優點：在重載的條件下，因為tDEAD的變動小可以讓VDS斜率變化快速的不利條件相對穩定。
缺點：在輕載的條件下，因為tDEAD的變動會造成不穩定。
五、NCP4318 的主要功能介紹
1.高分辨率混合模式 SR 關斷控制：瞬時漏極感應型 + 預測型
2.防短路保護 → 可靠的 SR 操作
3.獨立200V VDrain 偵測Pin與Source 偵測pin分開。
4.具有Deadtime遲滯調控機制→最小化body diode傳導時間優化效率。
5.SR 反向電流偵測 → 輕載條件下安全穩定運行及防止MOSFET VDRAIN 尖峰電壓。
6.針對不同負載條件下提供最短開啟時間Ton_min 50%/20%設定選擇 → 利於MOSFET導通和抗雜訊能力。
7.限制SR Gate導通時間的增加 → Soft Gate pulse。
8.低操作電流降低能耗: typ. 100μA
9. 6V Gate緩啟動電壓提升啟動穩定性。
10.快速開關延遲時間：30nS.
11.高啟動Gate 電流能力(Source/Sink)：1.5A/4.5A
12.寬Vcc操作電壓 : 6.5V to 35V.
13.寬範圍操作頻率(L : 22kHz~250kHz, H : 150kHz~500kHz): 22kHz ~ 500kHz
14.SOIC−8 封裝 (A版與 MPS pin to pin, B版與NXP pin to pin)
15.外部電路簡潔 (2個電阻及2個濾波電容)如下電路圖。
NCP4318 典型的電路圖：
NCP4318 各種版本及功能表：
量產版本 : NCP4318ALS, ALC, BLC
樣品評估中: NCP4318AHJ, (NCP13992 LL mode compatible), ALEP (SOIC8-EP)
NCP4318 與各廠牌SR IC比較表
NCP4318與各廠牌SR IC 效率比較(重載轉輕載)：
六、NCP4318應用須知(PCB Layout Guide) :
1.PCB Layout 須知，選用SR MOSFET (D2-PAK)
2.PCB Layout 須知，選用SR MOSFET (PQFN8) :
3.MOSFET Drain Pin Layout 建議：
4.NCP4318 VS1-VS2-GND Layout 建議 :
Connect VS1- Source1
Connect VS2- Source2
VS1-VS2-GND : connected together in PCB at around GND pin → #1,2,3 make Y-connection
Y-connection of ‘GND of IC’-VS1-VS2 is enough for GND of IC pattern.
Connect GND of IC to GND of VDD capacitor.
If GND of IC is connected to Power GND, remove the pattern.
MP6922(4) 替代Layout 注意事項 :
1.In the customer board, if there is a circuit which connected with Pin#3 for EN/LL, the circuit need to be disconnected with Pin#3. Then, soldering Pin#2 and Pin#3 in lead frame. → it provides VS1-GND connection.
2.Check GND-VS2 connection. If there is no GND-VS2 PCB pattern at around IC → need wiring between GND-VS2
結語：
NCP4318 係結合偵測電壓瞬斷及預測Deadtime 關斷兩種SR 開關的優點，再加上onsemi含遲滯區間dead time regulation control 及 多重保護(Sophisticated) 機制，在重載得到高效率及輕載增加穩定度等特性，目前已經有多家電源供應器及顯示器大廠導入評估及量產中。
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