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    隔離開關電源同步整流器數字控制與驅動技術
    摘要: 摘要:敘述了在SMPS隔離拓撲中能數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動器STSRx系列ICs。關鍵詞:同步整流器;數字控制與驅動;STSRx系列
    Abstract:
    Key words :

    1引言

    在主PWM控制器位于初級側的低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,有助于提高系統效率。

    在初級側控制的隔離SMPS拓撲中,由于在隔離變壓器次級側沒有PWM控制信號,故欲產生適當的SR控制信號顯得比較困難。但是,可以從變壓器次級輸出獲得有關數據。由于電路寄生元件的存在,同步信號在從隔離變壓器輸出分離(withdrawn)時,相對于初級PWM信號會發生延遲,并且在不連續導通模式(DCM)狀態會出現振蕩。因此,為SR提供驅動的控制電路必須能避免發生錯誤的操作。

    在初級側控制的隔離拓撲中,為驅動SR需要適當的控制電路,以處理同步時鐘信號(clock)從隔離變壓器的輸出移開,解決驅動信號相對于時鐘輸入的定時等問題。若對SR控制不當,在兩個器件之間會發生“跨越導通”(crossconduction)。同時,在隔離拓撲的次級由于相對于初級主開關(MOSFET)驅動信號的延遲,會在相關元件之間形成短路,發生“貫通”(shootthrough)現象。產生貫通的機理,具體取決于變換器拓撲結構。

    2同步整流器的數字控制方法

    在用作產生SR驅動信號的方案中,首推數字控制方法。

    21系統基本結構

    SR數字控制系統一般由振蕩器(OSC)、限定狀態機構(FiniteStatesMachine,簡寫FSM)、兩個耦合的向上/向下(UP/DOWN)計數器和兩個控制輸出邏輯等單元電路所組成,系統框圖如圖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提供互補驅動信號,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的方波信號出現在時鐘輸入端,期望的定時通過外部有關


    圖1同步整流器數字控制器組成方框圖

     

     


    圖2OUT2預期時間產生波形

     

     


    圖4在TS1>TS2時OUT2及相關波形

     

     


    圖3OUT1預期時間產生波形

     

     


    輸入設定。2個計數器工作方式及作用不同:DOWN計數器用于處理輸出截止,UP計數器連續獲取OUT2開關周期期間或OUT1接通時間內的有關數據??刂葡到y根據前面周期內存儲的有關信息,在開關周期截止期內的輸出被預先處理。采用這種控制方法,開關周期和接通時間(tON)被逐周連續監測。

    22穩定條件

    在穩態條件(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,在時鐘輸入的上升沿上,兩個(UP/DOWN)計數器中第1個開始計算內部時鐘(CK)脈沖。在接下來的一個時鐘輸入的上升沿(TS1結束)上,計數器停止計算。計算過的脈沖數目(n2)把開關周期的持續時間考慮在內。所存儲的數據,在下一個開關周期中被利用。

    在第2個開關周期中,在內部時鐘輸入的上升沿上,第1個計數器由大到小計算(countsDOWN)內部時鐘脈沖,并且在計算到(n2-x2)個脈沖時終止。第2個計數器計算新的尚未計算的內部時鐘脈沖,并適時修正開關周期(TS)期間的有關數據。OUT2超前截止總量為X2·TI(TI為內部時鐘脈沖周期),并通過OUT2預期時間輸入設定。計數器UP或DOWN在每個周期內的功能,相對于先前周期被交換。

    為預期關斷OUT1,另外兩個UP/DOWN計數器將考慮計及接通時間(tON)期間的有關數據,相關波形如圖3所示。

    在第1個開關周期內,第1個計數器在時鐘輸入上升沿上開始計數,并且在時鐘輸入下降沿上停止。其間計算的脈沖數量為n1,只計及tON時間之內的脈沖數。

    在第2個開關周期內,第1個計數器遞減計數,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目。

    23變化條件

    231開關頻率發生變化

    當開關頻率(fs)發生變化時,對于輸出OUT2而言,可能存在三種情況:

    1)TS1>TS2當第2個開關周期TS2小于先前周期TS1時,OUT2的截止發生延遲,相對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

     

     

     

     

    ()

     

     


    元器件應用

     

     


    圖5在TS1

     

     


    關波形如圖5所示。在此情況下,OUT2發生提前關斷。MOSFET體二極管的導通時間恰為一個周期,效率損失非常小。

    3)TS1232占空比發生變化

    對于輸出OUT1,當接通時間tON發生變化時,可能會出現兩種不同的情況:

    1)tON1>tON2當第1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、內部時鐘和輸出OUT1波形定時圖如圖7所示。在此情況下,OUT1的關斷被延時,相對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的內部時鐘脈沖總數是X1或X2。內部振蕩器頻率(fi)越高,預期時間精度也就越高。

    3STSRx系列智能驅動器ICs

    STSRx系列IC是ST公司為驅動隔離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,為驅動用作SR的1只或2只MOSFETs,輸出適當的控制信號。

    31STSR2

    STSR2用作驅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,內置兩個大電流N溝道MOSFET驅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自身產生死區時間,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字控制與驅動技術

     

     


    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。

    32STSR3

    STSR3是為驅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,主要區別是STSR3僅有一個大電流柵極驅動輸入(OUTGATE)。

    33STSR4

    STSR4是指定用于驅動推挽、半橋或全橋式雙端輸出拓撲結構中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產生恰當的柵極驅動信號,完全解決了在控制SR中易于出現的全部問題,有效地提高了系統穩定性和可靠性。

    4結語

    在隔離SMPS拓撲中,用于驅動SR的數字控制/驅動技術,相對于需要附加磁復位技術的所謂“自驅動同步整流”方法來說,具有許多優點。數字控制方法主PWM控制器在初級側的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據提供了便利。數字控制方法所提供的驅動信號數值,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。采用數字方法,有效地解決了被認為與SR驅動信號產生有關的“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數字控制電路大為簡化。對于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,對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定性。而利用鎖相環(PLL)技術,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,對于開關頻率和占空比的擾動,瞬態響應速度也相對比較慢。

    STSRx系列ICs的推出,為SMPS隔離拓撲中同步整流器的控制與驅動,提供了有效的手段和便利。

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