高級門(mén)驅動(dòng)器 IC 技術(shù)可提高同步整流器應用的效率

當今眾多高頻率與高效率同步整流器應用均需要強大可靠的門(mén)驅動(dòng)電路，該電路可將具有快速切換轉換及軌對軌輸出電壓擺動(dòng)的高峰值電流傳遞到大型電容性負載中。在大多情況下，設計人員會(huì )添加外部 MOSFET 驅動(dòng)器集成電路 (IC) 來(lái)完成這一任務(wù)，這種方法在業(yè)界中非常普遍。

采用全套 MOSFET 制造工藝為出發(fā)點(diǎn)在最初看來(lái)可能是門(mén)驅動(dòng)器 IC 的最佳選擇，但實(shí)際上，采用結合 MOSFET 結構的組合型高速雙極工藝技術(shù)才能達到卓越的性能，并且還可提供 MOSFET 制作工藝所具有的低靜態(tài)電流、短傳播延遲以及軌對軌輸出擺動(dòng)等全面優(yōu)勢。但主要優(yōu)勢　在于利用無(wú)阻抗的雙極晶體管來(lái)切換高電流負載。

眾多基于 MOSFET 的門(mén)驅動(dòng) IC 通常要求特定的額定峰值電流，例如 6A。此處會(huì )造成這樣的假象：設計人員可能會(huì )被誤導，認為驅動(dòng)器能在整個(gè)開(kāi)關(guān)間隔期間提供6A的額定峰值電流，但真實(shí)情況并非如此。對數據手冊的詳查將顯示更有意義且更量化的輸出切換阻抗。例如，6A 峰值電流器件的測試條件可能規定為 12 VDC 的電源電壓。這會(huì )轉換成 12V / 6A 或2歐姆 25℃ 的輸出驅動(dòng)器阻抗。但只有當驅動(dòng)器與負載均為電源電壓的相反極值時(shí)，驅動(dòng)器才會(huì )提供 6A 的電流。具體說(shuō)來(lái)，在啟動(dòng)時(shí)，輸出為低電壓，而驅動(dòng)器啟動(dòng)時(shí)正極電源軌的"高值"達到 12V。反之亦然，關(guān)斷時(shí)，負載已達到電源電壓，而低端的內部驅動(dòng)晶體管開(kāi)始將輸出拉低，到達低電平。

問(wèn)題是采用這種方式的額定驅動(dòng)器會(huì )產(chǎn)生某些誤導，例如在最需要峰值電流時(shí)（達到 MOSFET 的 "米勒"平坦區閾值）可處理的峰值電流量為多少。由于針對這一數值所采用的近似值為 6V，因此由該驅動(dòng)器所提供的峰值電流被限制在電源軌與輸出（由驅動(dòng)器晶體管阻抗分壓形成的）二者間電壓電位的差值上。因此若采用先前確定的2歐姆，則在"米勒"平坦區閾值交叉時(shí)可獲得的峰值電流為 12V-6V / 2 歐姆，或 3A！這只是在周?chē)h(huán)境溫度測試條件下。因為驅動(dòng)器 IC 的溫度會(huì )升高，并且由于其電阻特性的正溫度系數而導致的內部阻抗增加，因此可進(jìn)一步將峰值電流能力降低近一半，從而相應的值為1.5A。

真正的驅動(dòng)

TI 的新系列 TrueDriveTM 門(mén)驅動(dòng)器 IC 結合了雙極與 MOSFET 工藝，這樣可使兩種工藝均趨近完美。UCC37321/2 9A 門(mén)驅動(dòng)器 IC 的雙極部分在主要切換的米勒平坦區可提供額定電流。具體說(shuō)來(lái)，當這些新型驅動(dòng)器的輸出端驅動(dòng)6V負載時(shí)，這些新型驅動(dòng)器的電流為全額定電流。當每次繁重的雙極切換也與 MOSFET 器件并行時(shí)，MOSFET 工藝會(huì )在輸出時(shí)產(chǎn)生高速邏輯與軌對軌擺動(dòng)。雙極部分可在 MOSFET 完成到電源軌轉換的同時(shí)處理高電流。

Predictive Gate Drive™（這是個(gè)商標名嗎？如果是的話(huà)，我們需在整篇文章中將整個(gè)短語(yǔ)作為專(zhuān)有名詞使用）技術(shù)實(shí)際上可消除體二極管導電的必要

MOSFET導通電阻是導致同步整流器應用中功率損失的主要原因。在眾多情況下，由次之的是低端或整流 MOSFET的體二極管導電導致的設計中功率損失。一般來(lái)講，這種情況每個(gè)開(kāi)關(guān)周期會(huì )發(fā)生兩次，在啟動(dòng)整流開(kāi)關(guān)導通前會(huì )發(fā)生一次，在關(guān)斷整流開(kāi)關(guān)后也會(huì )再出現一次。其根源是為防止交叉導通在兩個(gè)同步開(kāi)關(guān)導通門(mén)驅動(dòng)之間造成的故意延遲，交叉導通指的是高端和低端開(kāi)關(guān)同時(shí)導通。

直到現在，才有了實(shí)現這一延遲的兩種主要驅動(dòng)技術(shù)：固定延遲技術(shù)與適應性延遲方法。固定延遲技術(shù)可對關(guān)斷同步整流器中的一個(gè)整流器與啟動(dòng)另一個(gè)整流器之間具體的固定延遲段進(jìn)行編程。目的是要確保兩種切換永遠不同步，方法是為每次切換提供足夠的延遲時(shí)間，以便在一個(gè)整流器啟動(dòng)之前正確地關(guān)斷另一個(gè)。適應性技術(shù)采用交叉耦合的門(mén)驅動(dòng)來(lái)確定啟動(dòng)切換的時(shí)間。具體而言，當極電壓降至低于某一閾值后，可啟動(dòng)整流開(kāi)關(guān)。同樣，當整流切換的門(mén)驅動(dòng)低于其門(mén)閾值電壓后便可啟動(dòng)主要降壓開(kāi)關(guān)。

如何比較兩種方法的優(yōu)劣？

原則上，固定與適應性延遲這兩種方案均可提供合理的性能。但是延遲時(shí)間必須適應所有最壞情況下的各種參數的容差，和它們對超出產(chǎn)品公差和整個(gè)溫度范圍的影響。這一般會(huì )導致較長(cháng)的延遲時(shí)間，從而使體二極管的導電周期比最佳狀況的還要長(cháng)。

何謂最新技術(shù)？

新型 Predictive Gate Drive 技術(shù)可克服傳統同步整流器門(mén)驅動(dòng)方法所面臨的重重障礙。以周期循環(huán)為基礎，這一增強驅動(dòng)技術(shù)可調制切換間的延遲，以提供實(shí)際的體二極管的零導電時(shí)間。實(shí)際上，該持續時(shí)間會(huì )降至只有幾納秒。這約為優(yōu)于先前方法的一個(gè)數量級，而且該技術(shù)將會(huì )進(jìn)行自我調整來(lái)改變初始容差范圍、溫度、線(xiàn)路以及負載影響的條件。

注意以下兩點(diǎn)非常重要：降壓切換脈寬由脈寬調制解調器 (PWM) 控制 IC決定；新的門(mén)驅動(dòng)技術(shù)不會(huì )改變忙占空比。然而，該技術(shù)確實(shí)可調節同步開(kāi)關(guān)激活操作之間的延遲；精確地調節這些延遲可驅動(dòng)切換，以實(shí)現整流切換的體二極管零導通。

新技術(shù)如何工作？

Predictive Gate Drive將高速比較器、4位計數器、數字門(mén)、多路復用器以及結合了步長(cháng) (step size) 為5納秒的延遲線(xiàn)路進(jìn)行了完美組合。與適應性延遲技術(shù)不同，該比較器可檢測實(shí)際的體二極管導電--不會(huì )損壞漏極電壓或門(mén)驅動(dòng)振幅。比較器輸出并非簡(jiǎn)單地轉變整流交換，而是用于聯(lián)合計數器與多路復用器以確定防止體二極管導電所需的確切延遲次數。計數器采用作為初始條件而設置的最大延遲開(kāi)始工作，相應的延遲時(shí)間約為80納秒。這一數值符合計數器的4位乘以單時(shí)鐘周期的5納秒，或最大80納秒。

在每一個(gè)交換周期間，電路均會(huì )檢查體二極管導電的情況。如果體二極管導電，則四位計數器會(huì )減少一位。無(wú)論體二極管導電的時(shí)間有多長(cháng)，均可實(shí)施這種電路方式，該計數器在每一個(gè) PWM 交換周期僅能改變一位。這就限制了調整每周期5納秒的改變。在最糟糕情況下的匯聚延遲時(shí)間,耗用的最長(cháng)時(shí)間為 16 PWM 交換周期。

隨著(zhù)PWM 開(kāi)關(guān)周期的不斷進(jìn)行，每次比較器被觸發(fā)時(shí)延遲就會(huì )減少。在體二極管導電停止以及比較器沒(méi)有被觸發(fā)的地方會(huì )最終出現一個(gè)操作點(diǎn)。這是兩個(gè)同步降壓開(kāi)關(guān)即將同時(shí)進(jìn)行的閾值。不要擔心，這不是致命情況，通過(guò)設計，最長(cháng)僅持續5納秒。貫通電流也不會(huì )立即變得無(wú)窮大，因為在如此短的時(shí)間內很難產(chǎn)生這大電流，更何況還具有卓越的 PC 設計。這種將設計、組件包及寄生元件進(jìn)行完美結合的總串聯(lián)電感將會(huì )把峰值電流限制在幾十毫安附近。計算機模擬及測量數據均支持這種貫通電流范圍。正位于線(xiàn)性區域中的兩個(gè)MOSFET會(huì )阻止這種貫通，電壓受控電流源的器件也位于該區域中，因此他們無(wú)法承載比負載電流更多的電流。

當沒(méi)有感應到體二極管導電時(shí)，Predictive Gate技術(shù)會(huì )將計數器調整回正確的方向。由于下一個(gè)交換周期及尋找體二極管導電的過(guò)程不斷進(jìn)行，延遲時(shí)間會(huì )增加一位。根據電流周期信息，可針對下一個(gè)交換周期進(jìn)行測量并調整延遲時(shí)間。該電路會(huì )預測哪些延遲將成為下一個(gè) PWM 周期的最佳解決方案。在正常運作情況下，Predictive Gate Drive 電路將不斷調整延遲，以提供0到5納秒的體二極管導電。

測試結果

向Predictive Gate Drive技術(shù)的轉換可將同步降壓式穩壓器中的功率損失減少30%，這要取決于輸出電流、切換頻率及輸入與輸出電壓。為了比較 Predictive Gate Drive 技術(shù)與適應性技術(shù)，構建了一種 5V 到 1.8V、10A的參考設計。適應性技術(shù)完全負載時(shí)效率高達89%，而受控的 TPS40000 Predictive Gate Drive 技術(shù)的效率則可超過(guò)91%。相形之下，這兩種比例的總體改進(jìn)程度相應將功率損失降低了近20%。另一種可轉換為 3.3V 到 2.5V、10A 的參考設計 [3] 以 3 A 實(shí)現了超過(guò)96% 的峰值效率，完全負載時(shí)可實(shí)現92.5％的效率。

總結

處于非隔離式 DC/DC 轉換器激烈的競爭環(huán)境中，制造商必須不懈地探索并評估各種新型產(chǎn)品及技術(shù)，才能獲得優(yōu)勝于競爭對手的優(yōu)勢。憑借新興技術(shù)及增強的現有技術(shù)，該行業(yè)定位是開(kāi)發(fā)出能沖破先前最大效率以及功率密度限制條件的新產(chǎn)品。

1. TI 出版物 # SLUA281：《Predictive Gate Drive 技術(shù)可極大地提高同步 DC/DC 功率轉換器的效率》
   
2. 美國專(zhuān)利號6,396, 250：降低體二極管導電與逆向恢復損失 (Reverse Recovery Loss) 的控制方法。
   
3. TI 出版物 # SLUU121：《采用 TPS40000/1 的超高效率降壓式轉換器能保持極低的電源系統成本》