鉅大鋰電 | 點擊量：0次 | 2020年05月14日
隔離開關電源同步整流器數(shù)字控制與驅(qū)動技術
摘要：敘述了在SMpS隔離拓撲中能數(shù)字控制尤其是能適當關斷作為整流器使用的一只或兩只MOSFET的一種方法，同時介紹了推薦技術的基本電路履行及智能驅(qū)動器STSRx系列ICs。關鍵詞：同步整流器；數(shù)字控制與驅(qū)動；STSRx系列智能驅(qū)動器
1引言
在主pWM控制器位于初級側(cè)的低DC輸出電壓隔離型開關電源（SMpS）中，通常采用專門設計的MOSFET作為同步整流器（SR）。作為SR使用的MOSFET具有非常小的導通損耗，有助于提高系統(tǒng)效率。
在初級側(cè)控制的隔離SMpS拓撲中，由于在隔離變壓器次級側(cè)沒有pWM控制信號，故欲出現(xiàn)適當?shù)腟R控制信號顯得比較困難。但是，可以從變壓器次級輸出獲得有關數(shù)據(jù)。由于電路寄生元件的存在，同步信號在從隔離變壓器輸出分離（withdrawn）時，相關于初級pWM信號會發(fā)生延遲，并且在不持續(xù)導通模式（DCM）狀態(tài)會出現(xiàn)振蕩。因此，為SR供應驅(qū)動的控制電路必須能防止發(fā)生錯誤的操作。
在初級側(cè)控制的隔離拓撲中，為驅(qū)動SR要適當?shù)目刂齐娐罚蕴幚硗綍r鐘信號（clock）從隔離變壓器的輸出移開，解決驅(qū)動信號相關于時鐘輸入的按時等問題。若對SR控制不當，在兩個器件之間會發(fā)生“跨越導通”（crossconduction）。同時，在隔離拓撲的次級由于相關于初級主開關（MOSFET）驅(qū)動信號的延遲，會在相關元件之間形成短路，發(fā)生“貫通”（shootthrough）現(xiàn)象。出現(xiàn)貫通的機理，具體取決于變換器拓撲結(jié)構。
2同步整流器的數(shù)字控制方法
在用作出現(xiàn)SR驅(qū)動信號的方法中，首推數(shù)字控制方法。
21系統(tǒng)基本結(jié)構
SR數(shù)字控制系統(tǒng)一般由振蕩器（OSC）、限定狀態(tài)機構（FiniteStatesMachine，簡寫FSM）、兩個耦合的向上/向下（Up/DOWN）計數(shù)器和兩個控制輸出邏輯等單元電路所組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
控制電路有3個輸入和2個輸出。其中，2個輸出為隔離變換器次級2只MOSFETs供應互補驅(qū)動信號，3個輸入包括1個時鐘信號和2個輸出的期望（anticipation）時間設定。不論是接通還是關斷，2個輸出OUT1和OUT2沒有任何交迭。開關頻率為fs的方波信號出現(xiàn)在時鐘輸入端，期望的按時通過外部有關
圖1同步整流器數(shù)字控制器組成方框圖
圖2OUT2預期時間出現(xiàn)波形
圖4在TS1>TS2時OUT2及相關波形
圖3OUT1預期時間出現(xiàn)波形
輸入設定。2個計數(shù)器工作方式及用途不同：DOWN計數(shù)器用于處理輸出截止，Up計數(shù)器持續(xù)獲取OUT2開關周期期間或OUT1接通時間內(nèi)的有關數(shù)據(jù)。控制系統(tǒng)根據(jù)前面周期內(nèi)存儲的有關信息，在開關周期截止期內(nèi)的輸出被預先處理。采用這種控制方法，開關周期和接通時間（tON）被逐周持續(xù)監(jiān)測。
22穩(wěn)定條件
在穩(wěn)態(tài)條件（固定頻率和固定占空比）下，兩個開關周期中與輸出OUT2相關的波形如圖2所示。
在第1個開關周期（TS1）內(nèi)，在時鐘輸入的上升沿上，兩個（Up/DOWN）計數(shù)器中第1個開始計算內(nèi)部時鐘（CK）脈沖。在接下來的一個時鐘輸入的上升沿（TS1結(jié)束）上，計數(shù)器停止計算。計算過的脈沖數(shù)目（n2）把開關周期的持續(xù)時間考慮在內(nèi)。所存儲的數(shù)據(jù)，在下一個開關周期中被利用。
在第2個開關周期中，在內(nèi)部時鐘輸入的上升沿上，第1個計數(shù)器由大到小計算（countsDOWN）內(nèi)部時鐘脈沖，并且在計算到（n2－x2）個脈沖時終止。第2個計數(shù)器計算新的尚未計算的內(nèi)部時鐘脈沖，并適時修正開關周期（TS）期間的有關數(shù)據(jù)。OUT2超前截止總量為X2·TI（TI為內(nèi)部時鐘脈沖周期），并通過OUT2預期時間輸入設定。計數(shù)器Up或DOWN在每個周期內(nèi)的功能，相關于先前周期被交換。
為預期關斷OUT1，另外兩個Up/DOWN計數(shù)器將考慮計及接通時間（tON）期間的有關數(shù)據(jù)，相關波形如圖3所示。
在第1個開關周期內(nèi)，第1個計數(shù)器在時鐘輸入上升沿上開始計數(shù)，并且在時鐘輸入下降沿上停止。其間計算的脈沖數(shù)量為n1，只計及tON時間之內(nèi)的脈沖數(shù)。
在第2個開關周期內(nèi)，第1個計數(shù)器遞減計數(shù)，在計算到n1－x1時停止。關斷OUT1的超前時間總計為x1·Ti，并由OUT1預期時間輸入設定。第2個計數(shù)器向上（由小到大）計算時鐘輸入上升沿與下降沿之間的脈沖數(shù)目。
23變化條件
231開關頻率發(fā)生變化
當開關頻率（fs）發(fā)生變化時，關于輸出OUT2而言，可能存在三種情況：
1）TS1>TS2當?shù)?個開關周期TS2小于先前周期TS1時，OUT2的截止發(fā)生延遲，相關于時鐘輸入沒有超前，而是隨時鐘輸入的前沿強迫關斷。圖4示出了該條件下的相關波形。
2）TS1
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元器件應用
圖5在TS1 關波形如圖5所示。在此情況下，OUT2發(fā)生提前關斷。MOSFET體二極管的導通時間恰為一個周期，效率損失非常小。 3）TS1232占空比發(fā)生變化 關于輸出OUT1，當接通時間tON發(fā)生變化時，可能會出現(xiàn)兩種不同的情況： 1）tON1>tON2當?shù)?個開關周期的接通時間tON1大于第2個開關周期的接通時間tON2時，時鐘輸入、內(nèi)部時鐘和輸出OUT1波形按時圖如圖7所示。在此情況下，OUT1的關斷被延時，相關于時鐘輸入沒有提前，總是在時鐘輸入的下降沿上即時截止。 2）tON1上述的方法通過對前一個周期的測量來確定下一個周期的動作，履行逐周控制。預期關斷同步整流器MOSFET的內(nèi)部時鐘脈沖總數(shù)是X1或X2。內(nèi)部振蕩器頻率（fi）越高，預期時間精度也就越高。 3STSRx系列智能驅(qū)動器ICs STSRx系列IC是ST公司為驅(qū)動隔離SMpS中的同步整流器而專門設計的器件。該系列ICs的時鐘信號從隔離變壓器的次級輸出獲取，為驅(qū)動用作SR的1只或2只MOSFETs，輸出適當?shù)目刂菩盘枴?/p> 31STSR2 STSR2用作驅(qū)動單端正向拓撲中的兩個同步整流器。該IC包含前面所敘述的控制系統(tǒng)，內(nèi)置兩個大電流N溝道MOSFET驅(qū)動器和一個時鐘緩沖器等單元電路。STSR2的引腳名稱及其應用電路如圖9所示。 STSR2的引腳功能如下： VCC電源電壓，范圍為4.5～5.5V； pWRGND和SGLGND分別為功率信號和控制邏輯信號的參考端； CLOCK同步信號輸入； OUTGATE1/22個大電流互補輸出。由于IC自身出現(xiàn)死區(qū)時間，在兩個開通時間之間不存在任何交迭； SETANT2為OUTGATE2設定預期截止時間（有4種不同的期望時間可供選擇）； 圖7在tON1>tON2下的OUT1及相關波形 圖8在tON1 圖6在TS1 隔離開關電源同步整流器數(shù)字控制與驅(qū)動技術 圖9STSR2在單端正向變換器中的應用 圖10STSR3在回掃式變換器中的應用電路 圖11STSR4在雙端拓撲結(jié)構中的應用電路 INHIBIT當該腳輸入高于非常低的一個門限電壓時，OUTGATE2使能。在正向變換器應用中，迫使OUTGATE2的接通時間減至最小。 32STSR3 STSR3是為驅(qū)動在回掃式拓撲中的一個SR而專門設計的控制IC，其引腳名稱（符號）及應用電路如圖10所示。STSR3與STSR2比較，重要差別是STSR3僅有一個大電流柵極驅(qū)動輸入（OUTGATE）。 33STSR4 STSR4是指定用于驅(qū)動推挽、半橋或全橋式雙端輸出拓撲結(jié)構中SR的控制IC。該器件的典型應用電路如圖11所示。STSR4含有兩個大電流N溝道MOSFETs驅(qū)動器輸出，同時有兩個時鐘輸入（CLOCK1和CLOCK2），分別接收來自隔離變壓器次級繞組上的時鐘信號。 STSR2、STSR3和STSR4在不同類型的隔離式拓撲結(jié)構應用中，都是從變壓器的次級輸出獲得時鐘信號，對作為SR使用的一只或兩只MOSFETs出現(xiàn)恰當?shù)臇艠O驅(qū)動信號，完全解決了在控制SR中易于出現(xiàn)的全部問題，有效地提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。 4結(jié)語 在隔離SMpS拓撲中，用于驅(qū)動SR的數(shù)字控制/驅(qū)動技術，相關于要附加磁復位技術的所謂“自驅(qū)動同步整流”方法來說，具有許多優(yōu)點。數(shù)字控制方法主pWM控制器在初級側(cè)的SMpS隔離拓撲中，為利用直接來自于變壓器次級輸出的同步數(shù)據(jù)供應了便利。數(shù)字控制方法所供應的驅(qū)動信號數(shù)值，總是能與MOSFETs的柵極范圍相一致，可使MOSFETs體二極管的導通時間盡可能短。通過采用一些附加技術，能允許變換器在DCM操作。采用數(shù)字方法，有效地解決了被認為與SR驅(qū)動信號出現(xiàn)有關的“跨越導通”和“貫通”等關鍵問題。 采用帶有較少引腳的STSRx系列ICs，可使SR數(shù)字控制電路大為簡化。關于ICs外部元件，其中包括SETANT腳外部用作設定預期時間的電阻，在精度和溫度特性等方面沒有嚴格的要求。STSRx系列ICs，關于來自變換器開關頻率和占空比的突然變化，具有快速瞬態(tài)響應特性。 所有其它有關SR控制的技術，如模擬控制方法等都存在不少缺點。其控制電路中的很多元件，諸如電容器等，要求具有嚴格的容差和穩(wěn)定性。而利用鎖相環(huán)（pLL）技術，也要大量元件，且同步器件帶有較多的引腳。另外這種控制方法，關于開關頻率和占空比的擾動，瞬態(tài)響應速度也相比較較慢。 STSRx系列ICs的推出，為SMpS隔離拓撲中同步整流器的控制與驅(qū)動，供應了有效的手段和便利。
