摘要 - 本文介紹一種用數(shù)字方法控制在隔離式開關(guān)型電源（SMPS）中用作整流的一只或者兩只MOSFET的方法，特別是討論了將它們關(guān)斷的方法。利用時鐘信號的方波形成一個或者兩個相位與輸入信號相同或者相位相反的方波。用數(shù)字控制的方法能夠產(chǎn)生一個定時信號，因而可以期望輸出信號按照時鐘信號的變從高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?。本文還介紹了這種方法在正激式和回掃式電源轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用。
　　一、引言
　　在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，輸出直流電壓不高的隔離式轉(zhuǎn)換器（正激式、回掃式、雙端式）都使用 MOSFET作為整流器件。由於這些器件上的導(dǎo)通損耗較小，能夠提高效率 [4、5]，因而應(yīng)用越來越廣泛。
　　為了這種電路能夠正常運作，必須對同步整流器（SR）加以控制，這是基本的要求。同步整流器是用來取代二極管的，所以必須選擇適當?shù)姆椒?，按照二極管的工作規(guī)律來驅(qū)動同步整流器。驅(qū)動信號必須用PWM控制信號來形成，而PWM控制信號決定著開關(guān)型電路的不同狀態(tài)。
　　一般而言，同步整流器是使用自驅(qū)動電路[2]或者用外來控制信號來推動。第一種方法的性能往往不是很好，原因是同步MOSFET的體內(nèi)二極管導(dǎo)通時間很長， 另一個原因是柵極驅(qū)動電壓是變化的。用控制驅(qū)動電路的方法時，如何控制柵極驅(qū)動信號以防止它們在切換過程中出現(xiàn)同時導(dǎo)通的現(xiàn)象，在這方面存在著困難。為了解決這些困難，必須采用特殊的電路，例如在副邊使用PWM控制器 ，或者使用某種耦合器件把切換信息從原邊傳送到副邊。這些電路增加了電源轉(zhuǎn)換器的復(fù)雜程度，并且提高了成本[3]。
　　如果在電源轉(zhuǎn)換器中，PWM的頻率是固定不變的，而且PWM控制器是放在原邊，那麼可以用本文介紹的方法用控制驅(qū)動電路來實現(xiàn)同步整流，并且可以避免在副邊出現(xiàn)短路或者在原邊和副邊之間出現(xiàn)短路。
　　二、短路的形成
　　控制驅(qū)動同步整流的一個主要問題是如何產(chǎn)生驅(qū)動MODFET的信號而又能避免兩只MOSFET出現(xiàn)同時導(dǎo)通的現(xiàn)象。必須防止正激式轉(zhuǎn)換器中兩只MOSFET同時導(dǎo)通的現(xiàn)象，或者防止回掃式轉(zhuǎn)換器中同步MOSFET和主開關(guān)MOSFEF出現(xiàn)同時導(dǎo)通的現(xiàn)象。
　　圖1是正激式轉(zhuǎn)換器副邊的同步整流電路，當主開關(guān)MOSFET導(dǎo)通時，電壓Vs是趨向於成為正電壓。這個電壓使得整流MOSFET（FR）中的體內(nèi)二極管成為正偏置。而且，由於檢測高電平Vs與續(xù)流MOSFET（FW）的關(guān)斷之間存在延遲，在t₀-t₁.這段時間內(nèi)，續(xù)流MOSFET、整流MOSFET中的體內(nèi)二極管、以及隔離變壓器的副邊便形成短路回路，在其中流過的電流在理論上不受限制。短路電流的數(shù)值只受到電路中寄生參數(shù)的限制，而且最終是由PWM中的保護電路來限制短路電流。 

圖1. 在副邊形成的短路回路

　　對於整流MOSFET關(guān)斷過程，這些考慮同樣成立，對於其他的隔離式轉(zhuǎn)換器要關(guān)斷的開關(guān)器件也同樣是適用的。為了避免出現(xiàn)這種惡劣的情況出現(xiàn)，必須先把續(xù)流MOSFET關(guān)斷，然後整流MOSFET才由關(guān)斷變成導(dǎo)通。
　　這就是說，必須提前把續(xù)流整流器件切斷，或者說在關(guān)斷續(xù)流整流件時必須有一些“提前量”。

圖 2. 在關(guān)斷續(xù)流MOSFET時必須有一些“提前量”以防止電路中出現(xiàn)短路

　　在圖2中，繪出了驅(qū)動同步整流器的正確信號 。在這里，控制MOSFET在進入導(dǎo)通之前，續(xù)流MOSFET處於關(guān)斷狀態(tài)（VGS 為低電平）。當電壓Vs 為正時，續(xù)流MOSFET是關(guān)斷的，它的體內(nèi)二極管不會讓回路中有電流流過。
　　三、本文提出的方法
　　本文提出的方法是利用時鐘輸入信號來產(chǎn)生一個正確的驅(qū)動信號，用於推動同步整流器，它與主要的PWM信號有關(guān)。特別是，在使用兩只同步整流器件的情況下，驅(qū)驅(qū)動信號是互補的，用這個方法能夠按照圖3所示的時間來運作，也就是說，輸出信號OUT₂由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖接幸粋€提前量AN2，　OUT₁由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖酱嬖谝粋€提前量AN1。

圖 3.　時鐘信號、OUT₁和OUT₂在時間上的相互關(guān)系

這些功能是按照輸入的時鐘信號、通過控制電路的同步運作來實現(xiàn)的。它檢測切換轉(zhuǎn)換過程和電源轉(zhuǎn)換器的切換頻率（fS）。為了形成時間提前量AN1和AN2，電路必須能夠預(yù)先知道是在甚麼時間進行切換。這是用一只頻率為fI 的振蕩器來實現(xiàn)的，它的頻率比電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率高很多，并且使用兩組數(shù)字式計數(shù)器。這兩組數(shù)字式計數(shù)器起的作用是不同的，一組是用於測量整個切換周期，這逐周地進行的，并把測量結(jié)果存儲起來供下一周使用，而另外一組數(shù)字式計數(shù)器則測量時鐘信號處於高電平的時間長短，并把測量結(jié)果存放起來，供下一周使用。系統(tǒng)的精確度和分辨率取決於用於這個方法的內(nèi)部振蕩器頻率。轉(zhuǎn)換器的切換周期和時鐘信號處於高電平的時間是作為前一周的參數(shù)，那麼就可以在下周形成一個合適的時間輸出 信號，特別是在關(guān)斷過程中形成一個在時間上適當?shù)奶崆傲俊＿@個在時間上的提前量可以用內(nèi)部振蕩器的周期TI 的個數(shù)、以離散的數(shù)字設(shè)定。
　在使用兩個同步整流器件、它們由兩個互補的控制信號驅(qū)動的情況下，整個系統(tǒng)由以下部件組成：一個內(nèi)部振蕩器、有限狀態(tài)機、兩對加數(shù)/減數(shù)（UP/DOWN）計數(shù)器以及兩個控制輸出邏輯電路（圖4）。這個系統(tǒng)有一個輸入，兩個輸出：輸出是推動轉(zhuǎn)換器副邊兩只MOSFET晶體管的驅(qū)動信號；輸入是時鐘信號（CK）。另外兩個參數(shù)是用於設(shè)定兩個輸出信號OUT₁ 和OUT₂的時間提前量。

圖 4. 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

四、系統(tǒng)的工作原理
　　有限狀態(tài)機是整個系統(tǒng)的中樞，它產(chǎn)生OUT₁和OUT２兩個信號，這兩個信號在導(dǎo)通和關(guān)斷之間完全不存在重疊。有限狀態(tài)機與內(nèi)部的振蕩器時鐘信號（CK₁）的上升沿是同步的，內(nèi)部時鐘頻率f1高於電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率fS：f1>fS。開關(guān)頻率為fS（周期為T_S）的方波信號加在“時鐘信號輸入端”。時間提前量是在外面用相應(yīng)的輸入來設(shè)定。兩只計數(shù)器所做的工作是不同的。減數(shù)（DOWN）計數(shù)器是用於形成輸出信號由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖降臅r間提前量；加數(shù)（UP）計數(shù)器是用於不斷地得到有關(guān)OUT₂的開關(guān)周期的長短，或者OUT₁的處於高電平的時間TON的長短。用這個方法，在一個開關(guān)周期內(nèi)，提前將輸出關(guān)斷的時間是根據(jù)在前一周期存放的數(shù)據(jù)來確定的。測量開關(guān)周期和時間TON是逐周地連續(xù)進行的。與OUT₂有關(guān)的兩個計數(shù)器的位數(shù)是根據(jù)電源轉(zhuǎn)換器的最低和最高開關(guān)頻率來確定的。與OUT₁有關(guān)的兩個計數(shù)器的位數(shù)是根據(jù)TON的最小值和最大值來確定的。
　在穩(wěn)態(tài)時（這時開關(guān)頻率是固定的，占空比也是固定的），與OUT₂有關(guān)那部份系統(tǒng)在兩個周期時間內(nèi)的運作過程如下（圖5）。
　　第一個開關(guān)周期：
　　在時鐘輸入信號的上升沿， 兩個加數(shù)/減數(shù)（UP/DOWN）計數(shù)器中的第一個計數(shù)器工作在計數(shù)增加狀態(tài)，開始對內(nèi)部時鐘（CKI）的脈沖進行計數(shù)。在時鐘輸入信號的下一個上升沿（第一個周期T_S結(jié)束時），計數(shù)器停止計數(shù)。計算到的脈沖數(shù)為n2，它代表開關(guān)周期的時間長短。這個數(shù)據(jù)存放在起來，以便在下一個開關(guān)周期使用。 

圖 5. OUT₂ 的時間提前量的產(chǎn)生 

第二個開關(guān)周期：
　　在CK輸入的上升沿，第一個計數(shù)器工作在減數(shù)狀態(tài)，對內(nèi)部時鐘脈沖進行減數(shù)計數(shù)，計算到脈沖數(shù)為n2-x2時，停止計數(shù)。在此時，OUT₂ 由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?。第二個計數(shù)器則計算內(nèi)部時鐘新的脈沖數(shù)，將開關(guān)周期T_S更新。
　　OUT₂由高平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖降奶崆傲康臄?shù)值為x₂．T_I ，是由時間提前量Anticipation2 這個輸入來確定。在每個周期，計數(shù)器的功能，是進行加數(shù)計數(shù)還是做減數(shù)計數(shù)，是相對於前一個周期而互相交換的。
　　至於系統(tǒng)中與OUT₁有關(guān)的部份，另外兩個加數(shù)/減數(shù)（UP/DOWN）計數(shù)器計算時間T_ON的長短，以便形成時間提前量，把輸出OUT₁由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑▓D6）:
　　第一個開關(guān)周期：
　　在時鐘的上升沿出現(xiàn)時，第一個計數(shù)器開始計數(shù)，在下降沿出現(xiàn)時停止計數(shù)。計算到的脈沖數(shù)是n₁ ，這個數(shù)字代表時間T_ON。
　　第二個開關(guān)周期：
　　第一個計數(shù)器工作在減數(shù)計數(shù)狀態(tài)，在n₁-x₁時停止計數(shù)。它產(chǎn)生把OUT₁由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖降奶崆傲?，它等於x₁．T_I。這個時間提前量是由輸入Anticipation1來設(shè)定。第二個計數(shù)器是工作在加數(shù)計數(shù)狀態(tài)，它計算在當前周期內(nèi)上升沿與下降沿之間內(nèi)部時鐘的脈沖個數(shù)。

圖 6. OUT₁的時間提前量的產(chǎn)生

五、在正激式和回掃式轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用
　　控制同步整流器關(guān)斷的這個方法已經(jīng)用在新的STSRx系列半導(dǎo)體器件上[1]。在這個系列中，STSR2是專門針對正激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計的，而STSR3是為回掃式轉(zhuǎn)換器而設(shè)計的。 
　　如圖7所示，為了實現(xiàn)上面所講的方法，除了高頻振蕩器和控制邏輯電路之外，其它的電路還有：峰值檢測器，禁止比較器以及兩個輸出驅(qū)動器（在STSR2中）或者一個輸出驅(qū)動器（在STSR3中）。

圖 7. STSR2的原理圖

(a)

(b)

圖 8. STSR2 (a) and STSR3 (b) 

應(yīng)用的典型實例
　　圖8 （a和b）是 STSR2和STSR3兩種電路在正激式轉(zhuǎn)換器和回掃式轉(zhuǎn)換器中的典型應(yīng)用。PWM控制器是放在原邊，而STSR2或者STSR3是放在副邊，利用續(xù)流MOSFET兩端的電壓經(jīng)過分壓後作為開關(guān)的轉(zhuǎn)換信息（即作為時鐘輸入信號）。一個線性穩(wěn)壓器，加上幾個無源元件，為集成電路提供電源電壓。 
　　峰值檢測器：
　　如圖9所示，當工作在不連續(xù)模式時，續(xù)流MOSFET兩端的電壓信號不是方波。在檢測原 邊開關(guān)切換過程時，這會造成一些問題。芯片內(nèi)部的峰值檢測器會把時鐘引腳上的信號達到的峰值認為是有用的信息，同時不理會所有數(shù)值較小的信號。為了峰值檢測器能夠正常地工作，必須確保開關(guān)轉(zhuǎn)換過程的波形與正弦波形之間最小電壓差值（V1）。 

圖9.　檢測峰值

禁止比較器：
　　二極管整流與同步整流之間一個差別是，MOSFET有可能在兩個方向上讓電流流過，而二極管只讓電流在一個方向流過。工作在不連續(xù)方式時，在使用二極管的情況下，在電感器中的電流達到零時，它不會反向，原因是，二極管不會讓電流從陰極流到陽極去。用 MOSFET作為整流開關(guān)則不同，當電感器中的電流達到零之後，它會繼續(xù)減少，變成負的，并且從漏極流往源極。在這種情況下，轉(zhuǎn)換器總是工作在連續(xù)狀態(tài)。
　　如果希望轉(zhuǎn)換器工作在不連續(xù)狀態(tài)，當電流為零時，必須將續(xù)流MOSFET關(guān)斷，結(jié)果體內(nèi)二極管起普通的整流管的作用，避免電感器上的電流反向。INHIBIT的功能是，當電流接近於零時，把續(xù)流MOSFET關(guān)斷，於是轉(zhuǎn)換器便工作在不連續(xù)狀態(tài)。
　　在芯片內(nèi)部，在INHIBIT引腳上接一個電壓比較器，它的閾電壓為-15mV。這個引腳是通過一只電阻器連接到續(xù)流MOSFET的漏極上。當續(xù)流MOSFET處於導(dǎo)通狀態(tài)時， 在漏極上的電壓是 ： V_ds = -R_ds(on)．D漏極。如果 V_ds 是高於-15mV，那麼這表示，電流是在下降，它下降到接近-15mV時，表示電流接近於零，即接近不連續(xù)狀態(tài)，所以，續(xù)流MOSFET的柵極電壓由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖健＿@只MOSFET中的體內(nèi)二極管（圖10）工作。
　　當轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)狀態(tài)時，電流經(jīng)續(xù)流MOSFET的電流很大，并且產(chǎn)生一個電壓V_ds ，它總是低於-15mV， 那麼，續(xù)流MOSFET的柵極電壓保持高電平。在電流并不是等於零時，便把續(xù)流MOSFET關(guān)斷。剩下的電流與MOSFET的R_ds(on) 有關(guān)，是經(jīng)過體內(nèi)二極管流走的。
　　當與其它的轉(zhuǎn)換器并聯(lián)使用時，INHIBIT引腳也可以避免轉(zhuǎn)換器從輸出端吸收電流。

圖10.　INHIBIT的運作原理

　圖 11是使用STSR2的正激轉(zhuǎn)換器的主要波形圖。甚至在變壓器完成消磁之後，續(xù)流MOSFET 仍處於導(dǎo)通狀態(tài)。與自驅(qū)動式轉(zhuǎn)換器相比，就功率損耗而言，這是大優(yōu)點。

圖 11.　正激轉(zhuǎn)換器

　　通道1：整流MOSFET的源極 -漏極電壓
通道2：續(xù)流MOSFET的源極-漏極電壓
通道3： CKk輸入信號
　　圖 12是STSR3在回掃式轉(zhuǎn)換器中的工作過程。峰值檢測器把正確的時鐘輸入端的高電平正確地檢測出來。而且，由於INHIBIT 功能，當電感器中的電流接近零時，同步MOSFET關(guān)斷，防止電流反向。其余的電流從這只MOSFET的體內(nèi)二極管流走。

圖12. 回掃式轉(zhuǎn)換器

通道1是 MOSFET源極-漏極電壓輸入
　　通道2是MOSFET的源極-漏極電流 
　　通道3是MOSFET柵極電壓
　　六、結(jié)論
　　本文討論的技術(shù)是用於實現(xiàn)控制驅(qū)動的方法，在頻率固定的隔離式SMPS轉(zhuǎn)換器中，用來驅(qū)動同步整流器。與自驅(qū)動方案相比，控制驅(qū)動的方法有一些優(yōu)點。它與隔離式變壓器的恢復(fù)技術(shù)是無關(guān)的。這就是說，MOSFET的體內(nèi)二極管的導(dǎo)通時間盡量地縮短了，同時驅(qū)動信號的數(shù)值仍然一直是在柵極電壓的工作范圍內(nèi)。值得提到的是，本文提出的數(shù)字技術(shù)已經(jīng)用到STSRx系列集成電路中，可以用實現(xiàn) 各種簡單而且效益很好的同步整流電路。 
　　利用STSRx 系列，可以比較容易地設(shè)計高效率的電源轉(zhuǎn)換器，而且成本比較低。至於那幾個外接元件，并不需要對它們的精度和溫度穩(wěn)定性提出專門的要求。由於新的方法是逐周地運作的，當負載突然變化時，可以確保對於占空比變化的響應(yīng)速度的性能是優(yōu)異的。而且，在AC/DC轉(zhuǎn)換器中，占空比可以隨著AC電網(wǎng)電壓而改變。因此這個系列的器件既適合於開關(guān)型DC/DC轉(zhuǎn)換器，也適合於開關(guān)型AC/DC轉(zhuǎn)換器。
　　參考文獻