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1、隔分开关电源同步整流器数字控制与驱动技术分析隔分开关电源同步整流器数字控制与驱动技术分析dujing导语：在隔离SMPS拓扑中，用于驱动SR的数字控制/驱动技术，相对于需要附加磁复位技术的所谓“自驱动同步整流方法来讲，具有很多优点1引言在主PWM控制器位于初级侧的低DC输出电压隔离型开关电源SMPS中，通常采用专门设计的MOSFET作为同步整流器SR。作为SR使用的MOSFET具有非常小的导通损耗，有助于提高系统效率。在初级侧控制的隔离SMPS拓扑中，由于在隔离变压器次级侧没有PWM控制信号，故欲产生适当的SR控制信号显得比拟困难。但是，可以从变压器次级输出获得有关数据。由于电路寄生元件的存在
2、，同步信号在从隔离变压器输出别离withdrawn时，相对于初级PWM信号会发生延迟，并且在不连续导通形式DCM状态会出现振荡。因此，为SR提供驱动的控制电路必须能防止发生错误的操纵。在初级侧控制的隔离拓扑中，为驱动SR需要适当的控制电路，以处理同步时钟信号clock从隔离变压器的输出移开，解决驱动信号相对于时钟输入的定时等问题。假设对SR控制不当，在两个器件之间会发生“跨越导通crossconduction。同时，在隔离拓扑的次级由于相对于初级主开关MOSFET驱动信号的延迟，会在相关元件之间形成短路，发生“贯穿shootthrough现象。产生贯穿的机理，详细取决于变换器拓扑构造。2同步整
3、流器的数字控制方法在用作产生SR驱动信号的方案中，首推数字控制方法。2.1系统根本构造SR数字控制系统一般由振荡器OSC、限定状态机构FiniteStatesMachine，简写FSM、两个耦合的向上/向下UP/DOWN计数器和两个控制输出逻辑等单元电路所组成，系统框图如图1所示。img=332,231cechinamag/images/Article/6eb68dc3-a7e9-4b7c-b4da-f8be78bcd61c/242.jpg/img控制电路有3个输入和2个输出。其中，2个输出为隔离变换器次级2只MOSFETs提供互补驱动信号，3个输入包括1个时钟信号和2个输出的期望antici
4、pation时间设定。不管是接通还是关断，2个输出OUT1和OUT2没有任何交迭。开关频率为fs的方波信号出如今时钟输入端，期望的定时通过外部有关输入设定。2个计数器工作方式及作用不同：DOWN计数器用于处理输出截止，UP计数器连续获取OUT2开关周期期间或者OUT1接通时间内的有关数据。控制系统根据前面周期内存储的有关信息，在开关周期截止期内的输出被预先处理。采用这种控制方法，开关周期和接通时间tON被逐周连续监测。2.2稳定条件在稳态条件固定频率和固定占空比下，两个开关周期中与输出OUT2相关的波形如图2所示。img=332,231cechinamag/images/Article/6eb
5、68dc3-a7e9-4b7c-b4da-f8be78bcd61c/242.jpg/img在第1个开关周期TS1内，在时钟输入的上升沿上，两个UP/DOWN计数器中第1个开场计算内部时钟CK脉冲。在接下来的一个时钟输入的上升沿TS1完毕上，计数器停顿计算。计算过的脉冲数目n2把开关周期的持续时间考虑在内。所存储的数据，在下一个开关周期中被利用。在第2个开关周期中，在内部时钟输入的上升沿上，第1个计数器由大到小计算countsDOWN内部时钟脉冲，并且在计算到n2x2个脉冲时终止。第2个计数器计算新的尚未计算的内部时钟脉冲，并适时修正开关周期TS期间的有关数据。OUT2超前截止总量为X2TITI
6、为内部时钟脉冲周期，并通过OUT2预期时间输入设定。计数器UP或者DOWN在每个周期内的功能，相对于先前周期被交换。为预期关断OUT1，另外两个UP/DOWN计数器将考虑计及接通时间tON期间的有关数据，相关波形如图3所示。align=centerimg=332,230cechinamag/images/Article/6eb68dc3-a7e9-4b7c-b4da-f8be78bcd61c/243.jpg/imgimg=341,256cechinamag/images/Article/6eb68dc3-a7e9-4b7c-b4da-f8be78bcd61c/244.jpg/img/align
7、在第1个开关周期内，第1个计数器在时钟输入上升沿上开场计数，并且在时钟输入下降沿上停顿。其间计算的脉冲数目为n1，只计及tON时间之内的脉冲数。在第2个开关周期内，第1个计数器递减计数，在计算到n1x1时停顿。关断OUT1的超前时间总计为x1Ti，并由OUT1预期时间输入设定。第2个计数器向上由小到大计算时钟输入上升沿与下降沿之间的脉冲数目。2.3变化条件2.3.1开关频率发生变化当开关频率fs发生变化时，对于输出OUT2而言，可能存在三种情况：1TS1TS2当第2个开关周期TS2小于先前周期TS1时，OUT2的截止发生延迟，相对于时钟输入没有超前，而是随时钟输入的前沿强迫关断。图4示出了该条
8、件下的相关波形。2TS1TS2关波形如图5所示。在此情况下，OUT2发生提早关断。MOSFET体二极管的导通时间恰为一个周期，效率损失非常小。img=307,193cechinamag/images/Article/6eb68dc3-a7e9-4b7c-b4da-f8be78bcd61c/245.jpg/img3TS1img=270,196cechinamag/images/Article/6eb68dc3-a7e9-4b7c-b4da-f8be78bcd61c/246.jpg/img2.3.2占空比发生变化对于输出OUT1，当接通时间tON发生变化时，可能会出现两种不同的情况：1tON1tO
9、N2当第1个开关周期的接通时间tON1大于第2个开关周期的接通时间tON2时，时钟输入、内部时钟和输出OUT1波形定时图如图7所示。在此情况下，OUT1的关断被延时，相对于时钟输入没有提早，总是在时钟输入的下降沿上即时截止。2tON1上述的方法通过对前一个周期的测量来确定下一个周期的动作，履行逐周控制。预期关断同步整流器MOSFET的内部时钟脉冲总数是X1或者X2。内部振荡器频率fi越高，预期时间精度也就越高。align=centerimg=319,227cechinamag/images/Article/6eb68dc3-a7e9-4b7c-b4da-f8be78bcd61c/247.jpg
10、/imgimg=319,241cechinamag/images/Article/6eb68dc3-a7e9-4b7c-b4da-f8be78bcd61c/248.jpg/img/align3STSRx系列智能驱动器ICsSTSRx系列IC是ST公司为驱动隔离SMPS中的同步整流器而专门设计的器件。该系列ICs的时钟信号从隔离变压器的次级输出获取，为驱动用作SR的1只或者2只MOSFETs，输出适当的控制信号。3.1STSR2STSR2用作驱动单端正向拓扑中的两个同步整流器。该IC包含前面所表达的控制系统，内置两个大电流N沟道MOSFET驱动器和一个时钟缓冲器等单元电路。STSR2的引脚名称及
11、其应用电路如图9所示。STSR2的引脚功能如下：VCC电源电压，范围为4.55.5V；PWRGND和SGLGND分别为功率信号和控制逻辑信号的参考端；CLOCK同步信号输入；OUTGATE1/22个大电流互补输出。由于IC自身产生死区时间，在两个开通时间之间不存在任何交迭；SETANT2为OUTGATE2设定预期截止时间有4种不同的期望时间可供选择；img=361,231cechinamag/images/Article/6eb68dc3-a7e9-4b7c-b4da-f8be78bcd61c/249.jpg/imgINHIBIT当该脚输入高于非常低的一个门限电压时，OUTGATE2使能。在正
12、向变换器应用中，迫使OUTGATE2的接通时间减至最小。3.2STSR3STSR3是为驱动在回扫式拓扑中的一个SR而专门设计的控制IC，其引脚名称符号及应用电路如图10所示。STSR3与STSR2比拟，主要区别是STSR3仅有一个大电流栅极驱动输入OUTGATE。img=360,245cechinamag/images/Article/6eb68dc3-a7e9-4b7c-b4da-f8be78bcd61c/2410.jpg/img3.3STSR4STSR4是指定用于驱动推挽、半桥或者全桥式双端输出拓扑构造中SR的控制IC。该器件的典型应用电路如图11所示。STSR4含有两个大电流N沟道MOS
13、FETs驱动器输出，同时有两个时钟输入CLOCK1和CLOCK2，分别接收来自隔离变压器次级绕组上的时钟信号。STSR2、STSR3和STSR4在不同类型的隔离式拓扑构造应用中，都是从变压器的次级输出获得时钟信号，对作为SR使用的一只或者两只MOSFETs产生恰当的栅极驱动信号，完全解决了在控制SR中易于出现的全部问题，有效地进步了系统稳定性和可靠性。img=340,226cechinamag/images/Article/6eb68dc3-a7e9-4b7c-b4da-f8be78bcd61c/2411.jpg/img在隔离SMPS拓扑中，用于驱动SR的数字控制/驱动技术，相对于需要附加磁复位技术的所谓“自驱动同步整流方法来讲，具有很多优点。数字控制方法主PWM控制器在初级侧的SMPS隔离拓扑中，为利用直接来自于变。0