隔离开关电源同步整流器数字控制与驱动技术

分类：解决方案日期：2007-02-05 00:00:00

1 引言
　　
　　在主PWM控制器位于初级侧的低DC输出电压隔离型开关电源（SMPS）中，通常采用专门设计的MOSFET作为同步整流器（SR）。作为SR使用的MOSFET具有非常小的导通损耗，有助于提高系统效率。
　　
　　在初级侧控制的隔离SMPS拓扑中，由于在隔离变压器次级侧没有PWM控制信号，故欲产生适当的SR控制信号显得比较困难。但是，可以从变压器次级输出获得有关数据。由于电路寄生元件的存在，同步信号在从隔离变压器输出分离（withdrawn）时，相对于初级PWM信号会发生延迟，并且在不连续导通模式（DCM）状态会出现振荡。因此，为SR提供驱动的控制电路必须能避免发生错误的操作。
　　
　　在初级侧控制的隔离拓扑中，为驱动SR需要适当的控制电路，以处理同步时钟信号（clock）从隔离变压器的输出移开，解决驱动信号相对于时钟输入的定时等问题。若对SR控制不当，在两个器件之间会发生“跨越导通”（crossconduction）。同时，在隔离拓扑的次级由于相对于初级主开关（MOSFET）驱动信号的延迟，会在相关元件之间形成短路，发生“贯通”（shootthrough）现象。产生贯通的机理，具体取决于变换器拓扑结构。
　　
　　 2同步整流器的数字控制方法
　　
　　在用作产生SR驱动信号的方案中，首推数字控制方法。
　　
　　 2.1系统基本结构
　　
　　 SR数字控制系统一般由振荡器（OSC）、限定状态机构（FiniteStatesMachine，简写FSM）、两个耦合的向上/向下（UP/DOWN）计数器和两个控制输出逻辑等单元电路所组成，系统框图如图1所示。
　　

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　　控制电路有3个输入和2个输出。其中，2个输出为隔离变换器次级2只MOSFETs提供互补驱动信号，3个输入包括1个时钟信号和2个输出的期望（anticipation）时间设定。不论是接通还是关断，2个输出OUT1和OUT2没有任何交迭。开关频率为fs的方波信号出现在时钟输入端，期望的定时通过外部有关输入设定。2个计数器工作方式及作用不同：DOWN计数器用于处理输出截止，UP计数器连续获取OUT2开关周期期间或OUT1接通时间内的有关数据。控制系统根据前面周期内存储的有关信息，在开关周期截止期内的输出被预先处理。采用这种控制方法，开关周期和接通时间（tON）被逐周连续监测。
　　
　　 2.2稳定条件
　　
　　在稳态条件（固定频率和固定占空比）下，两个开关周期中与输出OUT2相关的波形如图2所示。
　　

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　　在第1个开关周期（TS1）内，在时钟输入的上升沿上，两个（UP/DOWN）计数器中第1个开始计算内部时钟（CK）脉冲。在接下来的一个时钟输入的上升沿（TS1结束）上，计数器停止计算。计算过的脉冲数目（n2）把开关周期的持续时间考虑在内。所存储的数据，在下一个开关周期中被利用。
　　
　　在第2个开关周期中，在内部时钟输入的上升沿上，第1个计数器由大到小计算（countsDOWN）内部时钟脉冲，并且在计算到（n2－x2）个脉冲时终止。第2个计数器计算新的尚未计算的内部时钟脉冲，并适时修正开关周期（TS）期间的有关数据。OUT2超前截止总量为X2·TI（TI为内部时钟脉冲周期），并通过OUT2预期时间输入设定。计数器UP或DOWN在每个周期内的功能，相对于先前周期被交换。
　　
　　为预期关断OUT1，另外两个UP/DOWN计数器将考虑计及接通时间（tON）期间的有关数据，相关波形如图3所示
　　

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　　在第1个开关周期内，第1个计数器在时钟输入上升沿上开始计数，并且在时钟输入下降沿上停止。其间计算的脉冲数量为n1，只计及tON时间之内的脉冲数。
　　
　　在第2个开关周期内，第1个计数器递减计数，在计算到n1－x1时停止。关断OUT1的超前时间总计为x1·Ti，并由OUT1预期时间输入设定。第2个计数器向上（由小到大）计算时钟输入上升沿与下降沿之间的脉冲数目。
　　
　　 2.3变化条件
　　
　　 2.3.1开关频率发生变化
　　当开关频率（fs）发生变化时，对于输出OUT2而言，可能存在三种情况：
　　
　　 1）TS1>TS2
　　
　　当第2个开关周期TS2小于先前周期TS1时，OUT2的截止发生延迟，相对于时钟输入没有超前，而是随时钟输入的前沿强迫关断。图4示出了该条件下的相关波形。
　　
　　 2）TS1>TS2
　　关波形如图5所示。在此情况下，OUT2发生提前关断。MOSFET体二极管的导通时间恰为一个周期，效率损失非常小。
　　

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　　 3）TS1
　　
　　当第2个个开关周期的接通时间tON2大于前面的开关周期TS1时，相关波形如图6所示。在此情况下，OUT2保持截止，MOSFET体二极管的导通时间虽然不是最小，但只引起很小的效率损失。
　　
　　 2.3.2占空比发生变化
　　
　　对于输出OUT1，当接通时间tON发生变化时，可能会出现两种不同的情况：
　　
　　 1）tON1>tON2当第1个开关周期的接通时间tON1大于第2个开关周期的接通时间tON2时，时钟输入、内部时钟和输出OUT1波形定时图如图7所示。在此情况下，OUT1的关断被延时，相对于时钟输入没有提前，总是在时钟输入的下降沿上即时截止。
　　
　　 2）tON1上述的方法通过对前一个周期的测量来确定下一个周期的动作，履行逐周控制。预期关断同步整流器MOSFET的内部时钟脉冲总数是X1或X2。内部振荡器频率（fi）越高，预期时间精度也就越高。
　　

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3STSRx系列智能驱动器ICs
　　
　　 STSRx系列IC是ST公司为驱动隔离SMPS中的同步整流器而专门设计的器件。该系列ICs的时钟信号从隔离变压器的次级输出获取，为驱动用作SR的1只或2只MOSFETs，输出适当的控制信号。
　　
　　 3.1STSR2
　　
　　 STSR2用作驱动单端正向拓扑中的两个同步整流器。该IC包含前面所叙述的控制系统，内置两个大电流N沟道MOSFET驱动器和一个时钟缓冲器等单元电路。STSR2的引脚名称及其应用电路如图9所示。
　　
　　 STSR2的引脚功能如下：
　　
　　 VCC电源电压，范围为4.5～5.5V；
　　
　　 PWRGND和SGLGND分别为功率信号和控制逻辑信号的参考端；
　　
　　 CLOCK同步信号输入；
　　
　　 OUTGATE1/22个大电流互补输出。由于IC自身产生死区时间，在两个开通时间之间不存在任何交迭；
　　
　　 SETANT2为OUTGATE2设定预期截止时间（有4种不同的期望时间可供选择）；
　　
　　
　　
　　 INHIBIT当该脚输入高于非常低的一个门限电压时，OUTGATE2使能。在正向变换器应用中，迫使OUTGATE2的接通时间减至最小。
　　
　　 3.2STSR3
　　
　　 STSR3是为驱动在回扫式拓扑中的一个SR而专门设计的控制IC，其引脚名称（符号）及应用电路如图10所示。STSR3与STSR2比较，主要区别是STSR3仅有一个大电流栅极驱动输入（OUTGATE）。
　　

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　　3.3STSR4
　　
　　 STSR4是指定用于驱动推挽、半桥或全桥式双端输出拓扑结构中SR的控制IC。该器件的典型应用电路如图11所示。STSR4含有两个大电流N沟道MOSFETs驱动器输出，同时有两个时钟输入（CLOCK1和CLOCK2），分别接收来自隔离变压器次级绕组上的时钟信号。
　　
　　 STSR2、STSR3和STSR4在不同类型的隔离式拓扑结构应用中，都是从变压器的次级输出获得时钟信号，对作为SR使用的一只或两只MOSFETs产生恰当的栅极驱动信号，完全解决了在控制SR中易于出现的全部问题，有效地提高了系统稳定性和可靠性。
　　
　　 4结语
　　
　　在隔离SMPS拓扑中，用于驱动SR的数字控制/驱动技术，相对于需要附加磁复位技术的所谓“自驱动同步整流”方法来说，具有许多优点。数字控制方法主PWM控制器在初级侧的SMPS隔离拓扑中，为利用直接来自于变压器次级输出的同步数据提供了便利。数字控制方法所提供的驱动信号数值，总是能与MOSFETs的栅极范围相一致，可使MOSFETs体二极管的导通时间尽可能短。通过采用一些附加技术，能允许变换器在DCM操作。采用数字方法，有效地解决了被认为与SR驱动信号产生有关的“跨越导通”和“贯通”等关键问题。
　　
　　采用带有较少引脚的STSRx系列ICs，可使SR数字控制电路大为简化。对于ICs外部元件，其中包括SETANT脚外部用作设定预期时间的电阻，在精度和温度特性等方面没有严格的要求。STSRx系列ICs，对于来自变换器开关频率和占空比的突然变化，具有快速瞬态响应特性。
　　
　　所有其它有关SR控制的技术，如模拟控制方法等都存在不少缺点。其控制电路中的很多元件，诸如电容器等，要求具有严格的容差和稳定性。而利用锁相环（PLL）技术，也需要大量元件，且同步器件带有较多的引脚。另外这种控制方法，对于开关频率和占空比的扰动，瞬态响应速度也相对比较慢。
　　
　　 STSRx系列ICs的推出，为SMPS隔离拓扑中同步整流器的控制与驱动，提供了有效的手段和便利。