隔離開(kāi)關(guān)電源同步整流器數字控制與驅動(dòng)技術(shù)介紹

摘要：敘述了在SMPS隔離拓撲中能數字控制尤其是能適當關(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動(dòng)器STSRx系列ICs。關(guān)鍵詞：同步整流器；數字控制與驅動(dòng)；STSRx系列智能驅動(dòng)器

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(kāi)關(guān)電源（SMPS）中，通常采用專(zhuān)門(mén)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(méi)有PWM控制信號，故欲產(chǎn)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(guān)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withdrawn）時(shí)，相對于初級PWM信號會(huì )發(fā)生延遲，并且在不連續導通模式（DCM）狀態(tài)會(huì )出現振蕩。因此，為SR提供驅動(dòng)的控制電路必須能避免發(fā)生錯誤的操作。

在初級側控制的隔離拓撲中，為驅動(dòng)SR需要適當的控制電路，以處理同步時(shí)鐘信號（clock）從隔離變壓器的輸出移開(kāi)，解決驅動(dòng)信號相對于時(shí)鐘輸入的定時(shí)等問(wèn)題。若對SR控制不當，在兩個(gè)器件之間會(huì )發(fā)生“跨越導通”（crossconduction）。同時(shí)，在隔離拓撲的次級由于相對于初級主開(kāi)關(guān)（MOSFET）驅動(dòng)信號的延遲，會(huì )在相關(guān)元件之間形成短路，發(fā)生“貫通”（shootthrough）現象。產(chǎn)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(chǎn)生SR驅動(dòng)信號的方案中，首推數字控制方法。

21系統基本結構

SR數字控制系統一般由振蕩器（OSC）、限定狀態(tài)機構（FiniteStatesMachine，簡(jiǎn)寫(xiě)FSM）、兩個(gè)耦合的向上/向下（UP/DOWN）計數器和兩個(gè)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(gè)輸入和2個(gè)輸出。其中，2個(gè)輸出為隔離變換器次級2只MOSFETs提供互補驅動(dòng)信號，3個(gè)輸入包括1個(gè)時(shí)鐘信號和2個(gè)輸出的期望（anticipation）時(shí)間設定。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(kāi)關(guān)頻率為fs的方波信號出現在時(shí)鐘輸入端，期望的定時(shí)通過(guò)外部有關(guān)

圖1同步整流器數字控制器組成方框圖

圖2OUT2預期時(shí)間產(chǎn)生波形

圖4在TS1>TS2時(shí)OUT2及相關(guān)波形

圖3OUT1預期時(shí)間產(chǎn)生波形

輸入設定。2個(gè)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(kāi)關(guān)周期期間或OUT1接通時(shí)間內的有關(guān)數據?？刂葡到y根據前面周期內存儲的有關(guān)信息，在開(kāi)關(guān)周期截止期內的輸出被預先處理。采用這種控制方法，開(kāi)關(guān)周期和接通時(shí)間（tON）被逐周連續監測。

22穩定條件

在穩態(tài)條件（固定頻率和固定占空比）下，兩個(gè)開(kāi)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(kāi)關(guān)周期（TS1）內，在時(shí)鐘輸入的上升沿上，兩個(gè)（UP/DOWN）計數器中第1個(gè)開(kāi)始計算內部時(shí)鐘（CK）脈沖。在接下來(lái)的一個(gè)時(shí)鐘輸入的上升沿（TS1結束）上，計數器停止計算。計算過(guò)的脈沖數目（n2）把開(kāi)關(guān)周期的持續時(shí)間考慮在內。所存儲的數據，在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中被利用。

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

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

在第1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內，第1個(gè)計數器在時(shí)鐘輸入上升沿上開(kāi)始計數，并且在時(shí)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(shí)間之內的脈沖數。

在第2個(gè)開(kāi)關(guān)周期內，第1個(gè)計數器遞減計數，在計算到n1－x1時(shí)停止。關(guān)斷OUT1的超前時(shí)間總計為x1·Ti，并由OUT1預期時(shí)間輸入設定。第2個(gè)計數器向上（由小到大）計算時(shí)鐘輸入上升沿與下降沿之間的脈沖數目。