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)

摘要：敘述了在SMPS隔離拓?fù)渲心軘?shù)字控制尤其是能適當(dāng)關(guān)斷作為整流器使用的一只或兩只MOSFET的一種方法，同時(shí)介紹了推薦技術(shù)的基本電路履行及智能驅(qū)動(dòng)器STSRx系列ICs。關(guān)鍵詞：同步整流器；數(shù)字控制與驅(qū)動(dòng)；STSRx系列智能驅(qū)動(dòng)器

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(méi)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withdrawn）時(shí)，相對(duì)于初級(jí)PWM信號(hào)會(huì)發(fā)生延遲，并且在不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)振蕩。因此，為SR提供驅(qū)動(dòng)的控制電路必須能避免發(fā)生錯(cuò)誤的操作。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?，為?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(wèn)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。

21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。

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(méi)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(guò)外部有關(guān)

圖1同步整流器數(shù)字控制器組成方框圖

圖2OUT2預(yù)期時(shí)間產(chǎn)生波形

圖4在TS1>TS2時(shí)OUT2及相關(guān)波形

圖3OUT1預(yù)期時(shí)間產(chǎn)生波形

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)?？刂葡到y(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)。

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(gè)開關(guān)周期中與輸出OUT2相關(guān)的波形如圖2所示。

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(lái)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(guò)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(guò)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。

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。