隔離開關(guān)電源同步整流器數(shù)字控制與驅(qū)動(dòng)技術(shù)
1 引言
在主PWM控制器位于初級(jí)側(cè)的低DC輸出電壓隔離型開關(guān)電源（SMPS）中，通常采用專門設(shè)計(jì)的MOSFET作為同步整流器（SR）。作為SR使用的MOSFET具有非常小的導(dǎo)通損耗，有助于提高系統(tǒng)效率。
在初級(jí)側(cè)控制的隔離SMPS拓?fù)渲校捎谠诟綦x變壓器次級(jí)側(cè)沒有PWM控制信號(hào)，故欲產(chǎn)生適當(dāng)?shù)腟R控制信號(hào)顯得比較困難。但是，可以從變壓器次級(jí)輸出獲得有關(guān)數(shù)據(jù)。由于電路寄生元件的存在，同步信號(hào)在從隔離變壓器輸出分離（withdrawn）時(shí)，相對(duì)于初級(jí)PWM信號(hào)會(huì)發(fā)生延遲，并且在不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)振蕩。因此，為SR提供驅(qū)動(dòng)的控制電路必須能避免發(fā)生錯(cuò)誤的操作。
在初級(jí)側(cè)控制的隔離拓?fù)渲校瑸轵?qū)動(dòng)SR需要適當(dāng)?shù)目刂齐娐罚蕴幚硗綍r(shí)鐘信號(hào)（clock）從隔離變壓器的輸出移開，解決驅(qū)動(dòng)信號(hào)相對(duì)于時(shí)鐘輸入的定時(shí)等問題。若對(duì)SR控制不當(dāng)，在兩個(gè)器件之間會(huì)發(fā)生“跨越導(dǎo)通”（crossconduction）。同時(shí)，在隔離拓?fù)涞拇渭?jí)由于相對(duì)于初級(jí)主開關(guān)（MOSFET）驅(qū)動(dòng)信號(hào)的延遲，會(huì)在相關(guān)元件之間形成短路，發(fā)生“貫通”（shootthrough）現(xiàn)象。產(chǎn)生貫通的機(jī)理，具體取決于變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
2同步整流器的數(shù)字控制方法
在用作產(chǎn)生SR驅(qū)動(dòng)信號(hào)的方案中，首推數(shù)字控制方法。
2.1系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
SR數(shù)字控制系統(tǒng)一般由振蕩器（OSC）、限定狀態(tài)機(jī)構(gòu)（FiniteStatesMachine，簡(jiǎn)寫FSM）、兩個(gè)耦合的向上/向下（UP/DOWN）計(jì)數(shù)器和兩個(gè)控制輸出邏輯等單元電路所組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
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控制電路有3個(gè)輸入和2個(gè)輸出。其中，2個(gè)輸出為隔離變換器次級(jí)2只MOSFETs提供互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，3個(gè)輸入包括1個(gè)時(shí)鐘信號(hào)和2個(gè)輸出的期望（anticipation）時(shí)間設(shè)定。不論是接通還是關(guān)斷，2個(gè)輸出OUT1和OUT2沒有任何交迭。開關(guān)頻率為fs的方波信號(hào)出現(xiàn)在時(shí)鐘輸入端，期望的定時(shí)通過外部有關(guān)輸入設(shè)定。2個(gè)計(jì)數(shù)器工作方式及作用不同：DOWN計(jì)數(shù)器用于處理輸出截止，UP計(jì)數(shù)器連續(xù)獲取OUT2開關(guān)周期期間或OUT1接通時(shí)間內(nèi)的有關(guān)數(shù)據(jù)。控制系統(tǒng)根據(jù)前面周期內(nèi)存儲(chǔ)的有關(guān)信息，在開關(guān)周期截止期內(nèi)的輸出被預(yù)先處理。采用這種控制方法，開關(guān)周期和接通時(shí)間（tON）被逐周連續(xù)監(jiān)測(cè)。
2.2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(gè)開關(guān)周期中與輸出OUT2相關(guān)的波形如圖2所示。
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在第1個(gè)開關(guān)周期（TS1）內(nèi)，在時(shí)鐘輸入的上升沿上，兩個(gè)（UP/DOWN）計(jì)數(shù)器中第1個(gè)開始計(jì)算內(nèi)部時(shí)鐘（CK）脈沖。在接下來的一個(gè)時(shí)鐘輸入的上升沿（TS1結(jié)束）上，計(jì)數(shù)器停止計(jì)算。計(jì)算過的脈沖數(shù)目（n2）把開關(guān)周期的持續(xù)時(shí)間考慮在內(nèi)。所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，在下一個(gè)開關(guān)周期中被利用。
在第2個(gè)開關(guān)周期中，在內(nèi)部時(shí)鐘輸入的上升沿上，第1個(gè)計(jì)數(shù)器由大到小計(jì)算（countsDOWN）內(nèi)部時(shí)鐘脈沖，并且在計(jì)算到（n2－x2）個(gè)脈沖時(shí)終止。第2個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)算新的尚未計(jì)算的內(nèi)部時(shí)鐘脈沖，并適時(shí)修正開關(guān)周期（TS）期間的有關(guān)數(shù)據(jù)。OUT2超前截止總量為X2·TI（TI為內(nèi)部時(shí)鐘脈沖周期），并通過OUT2預(yù)期時(shí)間輸入設(shè)定。計(jì)數(shù)器UP或DOWN在每個(gè)周期內(nèi)的功能，相對(duì)于先前周期被交換。
為預(yù)期關(guān)斷OUT1，另外兩個(gè)UP/DOWN計(jì)數(shù)器將考慮計(jì)及接通時(shí)間（tON）期間的有關(guān)數(shù)據(jù)，相關(guān)波形如圖3所示
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在第1個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，第1個(gè)計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘輸入上升沿上開始計(jì)數(shù)，并且在時(shí)鐘輸入下降沿上停止。其間計(jì)算的脈沖數(shù)量為n1，只計(jì)及tON時(shí)間之內(nèi)的脈沖數(shù)。
在第2個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，第1個(gè)計(jì)數(shù)器遞減計(jì)數(shù)，在計(jì)算到n1－x1時(shí)停止。關(guān)斷OUT1的超前時(shí)間總計(jì)為x1·Ti，并由OUT1預(yù)期時(shí)間輸入設(shè)定。第2個(gè)計(jì)數(shù)器向上（由小到大）計(jì)算時(shí)鐘輸入上升沿與下降沿之間的脈沖數(shù)目。
2.3變化條件
2.3.1開關(guān)頻率發(fā)生變化
當(dāng)開關(guān)頻率（fs）發(fā)生變化時(shí)，對(duì)于輸出OUT2而言，可能存在三種情況：
1）TS1>TS2
當(dāng)?shù)?個(gè)開關(guān)周期TS2小于先前周期TS1時(shí)，OUT2的截止發(fā)生延遲，相對(duì)于時(shí)鐘輸入沒有超前，而是隨時(shí)鐘輸入的前沿強(qiáng)迫關(guān)斷。圖4示出了該條件下的相關(guān)波形。
2）TS1>TS2
關(guān)波形如圖5所示。在此情況下，OUT2發(fā)生提前關(guān)斷。MOSFET體二極管的導(dǎo)通時(shí)間恰為一個(gè)周期，效率損失非常小。
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3）TS1
當(dāng)?shù)?個(gè)個(gè)開關(guān)周期的接通時(shí)間tON2大于前面的開關(guān)周期TS1時(shí)，相關(guān)波形如圖6所示。在此情況下，OUT2保持截止，MOSFET體二極管的導(dǎo)通時(shí)間雖然不是最小，但只引起很小的效率損失。
2.3.2占空比發(fā)生變化
對(duì)于輸出OUT1，當(dāng)接通時(shí)間tON發(fā)生變化時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)兩種不同的情況：
1）tON1>tON2當(dāng)?shù)?個(gè)開關(guān)周期的接通時(shí)間tON1大于第2個(gè)開關(guān)周期的接通時(shí)間tON2時(shí)，時(shí)鐘輸入、內(nèi)部時(shí)鐘和輸出OUT1波形定時(shí)圖如圖7所示。在此情況下，OUT1的關(guān)斷被延時(shí)，相對(duì)于時(shí)鐘輸入沒有提前，總是在時(shí)鐘輸入的下降沿上即時(shí)截止。
2）tON1上述的方法通過對(duì)前一個(gè)周期的測(cè)量來確定下一個(gè)周期的動(dòng)作，履行逐周控制。預(yù)期關(guān)斷同步整流器MOSFET的內(nèi)部時(shí)鐘脈沖總數(shù)是X1或X2。內(nèi)部振蕩器頻率（fi）越高，預(yù)期時(shí)間精度也就越高。
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3STSRx系列智能驅(qū)動(dòng)器ICs
STSRx系列IC是ST公司為驅(qū)動(dòng)隔離SMPS中的同步整流器而專門設(shè)計(jì)的器件。該系列ICs的時(shí)鐘信號(hào)從隔離變壓器的次級(jí)輸出獲取，為驅(qū)動(dòng)用作SR的1只或2只MOSFETs，輸出適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)。
3.1STSR2
STSR2用作驅(qū)動(dòng)單端正向拓?fù)渲械膬蓚€(gè)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(gè)大電流N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)時(shí)鐘緩沖器等單元電路。STSR2的引腳名稱及其應(yīng)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(hào)和控制邏輯信號(hào)的參考端；
CLOCK同步信號(hào)輸入；
OUTGATE1/22個(gè)大電流互補(bǔ)輸出。由于IC自身產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間，在兩個(gè)開通時(shí)間之間不存在任何交迭；
SETANT2為OUTGATE2設(shè)定預(yù)期截止時(shí)間（有4種不同的期望時(shí)間可供選擇）；
INHIBIT當(dāng)該腳輸入高于非常低的一個(gè)門限電壓時(shí)，OUTGATE2使能。在正向變換器應(yīng)用中，迫使OUTGATE2的接通時(shí)間減至最小。
3.2STSR3
STSR3是為驅(qū)動(dòng)在回掃式拓?fù)渲械囊粋€(gè)SR而專門設(shè)計(jì)的控制IC，其引腳名稱（符號(hào)）及應(yīng)用電路如圖10所示。STSR3與STSR2比較，主要區(qū)別是STSR3僅有一個(gè)大電流柵極驅(qū)動(dòng)輸入（OUTGATE）。
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3.3STSR4
STSR4是指定用于驅(qū)動(dòng)推挽、半橋或全橋式雙端輸出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中SR的控制IC。該器件的典型應(yīng)用電路如圖11所示。STSR4含有兩個(gè)大電流N溝道MOSFETs驅(qū)動(dòng)器輸出，同時(shí)有兩個(gè)時(shí)鐘輸入（CLOCK1和CLOCK2），分別接收來自隔離變壓器次級(jí)繞組上的時(shí)鐘信號(hào)。
STSR2、STSR3和STSR4在不同類型的隔離式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用中，都是從變壓器的次級(jí)輸出獲得時(shí)鐘信號(hào)，對(duì)作為SR使用的一只或兩只MOSFETs產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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?fù)渲校糜隍?qū)動(dòng)SR的數(shù)字控制/驅(qū)動(dòng)技術(shù)，相對(duì)于需要附加磁復(fù)位技術(shù)的所謂“自驅(qū)動(dòng)同步整流”方法來說，具有許多優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字控制方法主PWM控制器在初級(jí)側(cè)的SMPS隔離拓?fù)渲校瑸槔弥苯觼碜杂谧儔浩鞔渭?jí)輸出的同步數(shù)據(jù)提供了便利。數(shù)字控制方法所提供的驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dǎo)通時(shí)間盡可能短。通過采用一些附加技術(shù)，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(rèn)為與SR驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生有關(guān)的“跨越導(dǎo)通”和“貫通”等關(guān)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(jiǎn)化。對(duì)于ICs外部元件，其中包括SETANT腳外部用作設(shè)定預(yù)期時(shí)間的電阻，在精度和溫度特性等方面沒有嚴(yán)格的要求。STSRx系列ICs，對(duì)于來自變換器開關(guān)頻率和占空比的突然變化，具有快速瞬態(tài)響應(yīng)特性。
所有其它有關(guān)SR控制的技術(shù)，如模擬控制方法等都存在不少缺點(diǎn)。其控制電路中的很多元件，諸如電容器等，要求具有嚴(yán)格的容差和穩(wěn)定性。而利用鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)，也需要大量元件，且同步器件帶有較多的引腳。另外這種控制方法，對(duì)于開關(guān)頻率和占空比的擾動(dòng)，瞬態(tài)響應(yīng)速度也相對(duì)比較慢。
STSRx系列ICs的推出，為SMPS隔離拓?fù)渲型秸髌鞯目刂婆c驅(qū)動(dòng)，提供了有效的手段和便利。
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