簡(jiǎn)化隔離式開(kāi)關(guān)電源同步整流器設計的一種智能型驅動(dòng)器
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一、引言
在電源轉換領(lǐng)域，輸出直流電壓不高的隔離式轉換器（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通損耗較小，能夠提高效率 [4、5]，因而應用越來(lái)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(lái)取代二極管的，所以必須選擇適當的方法，按照二極管的工作規律來(lái)驅動(dòng)同步整流器。驅動(dòng)信號必須用PWM控制信號來(lái)形成，而PWM控制信號決定著(zhù)開(kāi)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動(dòng)電路[2]或者用外來(lái)控制信號來(lái)推動(dòng)。第一種方法的性能往往不是很好，原因是同步MOSFET的體內二極管導通時(shí)間很長(cháng)， 另一個(gè)原因是柵極驅動(dòng)電壓是變化的。用控制驅動(dòng)電路的方法時(shí)，如何控制柵極驅動(dòng)信號以防止它們在切換過(guò)程中出現同時(shí)導通的現象，在這方面存在著(zhù)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換器的復雜程度，并且提高了成本[3]。
如果在電源轉換器中，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動(dòng)電路來(lái)實(shí)現同步整流，并且可以避免在副邊出現短路或者在原邊和副邊之間出現短路。
二、短路的形成
控制驅動(dòng)同步整流的一個(gè)主要問(wèn)題是如何產(chǎn)生驅動(dòng)MODFET的信號而又能避免兩只MOSFET出現同時(shí)導通的現象。必須防止正激式轉換器中兩只MOSFET同時(shí)導通的現象，或者防止回掃式轉換器中同步MOSFET和主開(kāi)關(guān)MOSFEF出現同時(shí)導通的現象。
圖1是正激式轉換器副邊的同步整流電路，當主開(kāi)關(guān)MOSFET導通時(shí)，電壓Vs是趨向於成為正電壓。這個(gè)電壓使得整流MOSFET（FR）中的體內二極管成為正偏置。而且，由於檢測高電平Vs與續流MOSFET（FW）的關(guān)斷之間存在延遲，在t0-t1.這段時(shí)間內，續流MOSFET、整流MOSFET中的體內二極管、以及隔離變壓器的副邊便形成短路回路，在其中流過(guò)的電流在理論上不受限制。短路電流的數值只受到電路中寄生參數的限制，而且最終是由PWM中的保護電路來(lái)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(guò)程，這些考慮同樣成立，對於其他的隔離式轉換器要關(guān)斷的開(kāi)關(guān)器件也同樣是適用的。為了避免出現這種惡劣的情況出現，必須先把續流MOSFET關(guān)斷，然後整流MOSFET才由關(guān)斷變成導通。
這就是說(shuō)，必須提前把續流整流器件切斷，或者說(shuō)在關(guān)斷續流整流件時(shí)必須有一些“提前量”。
圖 2. 在關(guān)斷續流MOSFET時(shí)必須有一些“提前量”以防止電路中出現短路
在圖2中，繪出了驅動(dòng)同步整流器的正確信號 。在這里，控制MOSFET在進(jìn)入導通之前，續流MOSFET處於關(guān)斷狀態(tài)（VGS 為低電平）。當電壓Vs 為正時(shí)，續流MOSFET是關(guān)斷的，它的體內二極管不會(huì )讓回路中有電流流過(guò)。
三、本文提出的方法
本文提出的方法是利用時(shí)鐘輸入信號來(lái)產(chǎn)生一個(gè)正確的驅動(dòng)信號，用於推動(dòng)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，驅驅動(dòng)信號是互補的，用這個(gè)方法能夠按照圖3所示的時(shí)間來(lái)運作，也就是說(shuō)，輸出信號OUT2由高電平轉變?yōu)榈碗娖接幸粋€(gè)提前量AN2， OUT1由高電平轉變?yōu)榈碗娖酱嬖谝粋€(gè)提前量AN1。
圖 3. 時(shí)鐘信號、OUT1和OUT2在時(shí)間上的相互關(guān)系
這些功能是按照輸入的時(shí)鐘信號、通過(guò)控制電路的同步運作來(lái)實(shí)現的。它檢測切換轉換過(guò)程和電源轉換器的切換頻率（fS）。為了形成時(shí)間提前量AN1和AN2，電路必須能夠預先知道是在甚麼時(shí)間進(jìn)行切換。這是用一只頻率為fI 的振蕩器來(lái)實(shí)現的，它的頻率比電源轉換器的開(kāi)關(guān)頻率高很多，并且使用兩組數字式計數器。這兩組數字式計數器起的作用是不同的，一組是用於測量整個(gè)切換周期，這逐周地進(jìn)行的，并把測量結果存儲起來(lái)供下一周使用，而另外一組數字式計數器則測量時(shí)鐘信號處於高電平的時(shí)間長(cháng)短，并把測量結果存放起來(lái)，供下一周使用。系統的精確度和分辨率取決於用於這個(gè)方法的內部振蕩器頻率。轉換器的切換周期和時(shí)鐘信號處於高電平的時(shí)間是作為前一周的參數，那麼就可以在下周形成一個(gè)合適的時(shí)間輸出 信號，特別是在關(guān)斷過(guò)程中形成一個(gè)在時(shí)間上適當的提前量。這個(gè)在時(shí)間上的提前量可以用內部振蕩器的周期TI 的個(gè)數、以離散的數字設定。
在使用兩個(gè)同步整流器件、它們由兩個(gè)互補的控制信號驅動(dòng)的情況下，整個(gè)系統由以下部件組成：一個(gè)內部振蕩器、有限狀態(tài)機、兩對加數/減數（UP/DOWN）計數器以及兩個(gè)控制輸出邏輯電路（圖4）。這個(gè)系統有一個(gè)輸入，兩個(gè)輸出：輸出是推動(dòng)轉換器副邊兩只MOSFET晶體管的驅動(dòng)信號；輸入是時(shí)鐘信號（CK）。另外兩個(gè)參數是用於設定兩個(gè)輸出信號OUT1 和OUT2的時(shí)間提前量。
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