《電子技術(shù)應(yīng)用》
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隔離開關(guān)電源同步整流器數(shù)字控制與驅(qū)動技術(shù)
摘要: 摘要:敘述了在SMPS隔離拓?fù)渲心軘?shù)字控制尤其是能適當(dāng)關(guān)斷作為整流器使用的一只或兩只MOSFET的一種方法,同時介紹了推薦技術(shù)的基本電路履行及智能驅(qū)動器STSRx系列ICs。關(guān)鍵詞:同步整流器;數(shù)字控制與驅(qū)動;STSRx系列
Abstract:
Key words :

1引言

在主PWM控制器位于初級側(cè)的低DC輸出電壓隔離型開關(guān)電源(SMPS)中,通常采用專門設(shè)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(dǎo)通損耗,有助于提高系統(tǒng)效率。

在初級側(cè)控制的隔離SMPS拓?fù)渲校捎谠诟綦x變壓器次級側(cè)沒有PWM控制信號,故欲產(chǎn)生適當(dāng)?shù)腟R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(shù)據(jù)。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withdrawn)時,相對于初級PWM信號會發(fā)生延遲,并且在不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)狀態(tài)會出現(xiàn)振蕩。因此,為SR提供驅(qū)動的控制電路必須能避免發(fā)生錯誤的操作。

在初級側(cè)控制的隔離拓?fù)渲校瑸轵?qū)動SR需要適當(dāng)?shù)目刂齐娐罚蕴幚硗綍r鐘信號(clock)從隔離變壓器的輸出移開,解決驅(qū)動信號相對于時鐘輸入的定時等問題。若對SR控制不當(dāng),在兩個器件之間會發(fā)生“跨越導(dǎo)通”(crossconduction)。同時,在隔離拓?fù)涞拇渭売捎谙鄬τ诔跫壷鏖_關(guān)(MOSFET)驅(qū)動信號的延遲,會在相關(guān)元件之間形成短路,發(fā)生“貫通”(shootthrough)現(xiàn)象。產(chǎn)生貫通的機(jī)理,具體取決于變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2同步整流器的數(shù)字控制方法

在用作產(chǎn)生SR驅(qū)動信號的方案中,首推數(shù)字控制方法。

21系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

SR數(shù)字控制系統(tǒng)一般由振蕩器(OSC)、限定狀態(tài)機(jī)構(gòu)(FiniteStatesMachine,簡寫FSM)、兩個耦合的向上/向下(UP/DOWN)計數(shù)器和兩個控制輸出邏輯等單元電路所組成,系統(tǒng)框圖如圖1所示。

控制電路有3個輸入和2個輸出。其中,2個輸出為隔離變換器次級2只MOSFETs提供互補(bǔ)驅(qū)動信號,3個輸入包括1個時鐘信號和2個輸出的期望(anticipation)時間設(shè)定。不論是接通還是關(guān)斷,2個輸出OUT1和OUT2沒有任何交迭。開關(guān)頻率為fs的方波信號出現(xiàn)在時鐘輸入端,期望的定時通過外部有關(guān)


圖1同步整流器數(shù)字控制器組成方框圖

 

 


圖2OUT2預(yù)期時間產(chǎn)生波形

 

 


圖4在TS1>TS2時OUT2及相關(guān)波形

 

 


圖3OUT1預(yù)期時間產(chǎn)生波形

 

 


輸入設(shè)定。2個計數(shù)器工作方式及作用不同:DOWN計數(shù)器用于處理輸出截止,UP計數(shù)器連續(xù)獲取OUT2開關(guān)周期期間或OUT1接通時間內(nèi)的有關(guān)數(shù)據(jù)。控制系統(tǒng)根據(jù)前面周期內(nèi)存儲的有關(guān)信息,在開關(guān)周期截止期內(nèi)的輸出被預(yù)先處理。采用這種控制方法,開關(guān)周期和接通時間(tON)被逐周連續(xù)監(jiān)測。

22穩(wěn)定條件

在穩(wěn)態(tài)條件(固定頻率和固定占空比)下,兩個開關(guān)周期中與輸出OUT2相關(guān)的波形如圖2所示。

在第1個開關(guān)周期(TS1)內(nèi),在時鐘輸入的上升沿上,兩個(UP/DOWN)計數(shù)器中第1個開始計算內(nèi)部時鐘(CK)脈沖。在接下來的一個時鐘輸入的上升沿(TS1結(jié)束)上,計數(shù)器停止計算。計算過的脈沖數(shù)目(n2)把開關(guān)周期的持續(xù)時間考慮在內(nèi)。所存儲的數(shù)據(jù),在下一個開關(guān)周期中被利用。

在第2個開關(guān)周期中,在內(nèi)部時鐘輸入的上升沿上,第1個計數(shù)器由大到小計算(countsDOWN)內(nèi)部時鐘脈沖,并且在計算到(n2-x2)個脈沖時終止。第2個計數(shù)器計算新的尚未計算的內(nèi)部時鐘脈沖,并適時修正開關(guān)周期(TS)期間的有關(guān)數(shù)據(jù)。OUT2超前截止總量為X2·TI(TI為內(nèi)部時鐘脈沖周期),并通過OUT2預(yù)期時間輸入設(shè)定。計數(shù)器UP或DOWN在每個周期內(nèi)的功能,相對于先前周期被交換。

為預(yù)期關(guān)斷OUT1,另外兩個UP/DOWN計數(shù)器將考慮計及接通時間(tON)期間的有關(guān)數(shù)據(jù),相關(guān)波形如圖3所示。

在第1個開關(guān)周期內(nèi),第1個計數(shù)器在時鐘輸入上升沿上開始計數(shù),并且在時鐘輸入下降沿上停止。其間計算的脈沖數(shù)量為n1,只計及tON時間之內(nèi)的脈沖數(shù)。

在第2個開關(guān)周期內(nèi),第1個計數(shù)器遞減計數(shù),在計算到n1-x1時停止。關(guān)斷OUT1的超前時間總計為x1·Ti,并由OUT1預(yù)期時間輸入設(shè)定。第2個計數(shù)器向上(由小到大)計算時鐘輸入上升沿與下降沿之間的脈沖數(shù)目。

23變化條件

231開關(guān)頻率發(fā)生變化

當(dāng)開關(guān)頻率(fs)發(fā)生變化時,對于輸出OUT2而言,可能存在三種情況:

1)TS1>TS2當(dāng)?shù)?個開關(guān)周期TS2小于先前周期TS1時,OUT2的截止發(fā)生延遲,相對于時鐘輸入沒有超前,而是隨時鐘輸入的前沿強(qiáng)迫關(guān)斷。圖4示出了該條件下的相關(guān)波形。

2)TS1

 

 

 

 

()

 

 


元器件應(yīng)用

 

 


圖5在TS1

 

 


關(guān)波形如圖5所示。在此情況下,OUT2發(fā)生提前關(guān)斷。MOSFET體二極管的導(dǎo)通時間恰為一個周期,效率損失非常小。

3)TS1232占空比發(fā)生變化

對于輸出OUT1,當(dāng)接通時間tON發(fā)生變化時,可能會出現(xiàn)兩種不同的情況:

1)tON1>tON2當(dāng)?shù)?個開關(guān)周期的接通時間tON1大于第2個開關(guān)周期的接通時間tON2時,時鐘輸入、內(nèi)部時鐘和輸出OUT1波形定時圖如圖7所示。在此情況下,OUT1的關(guān)斷被延時,相對于時鐘輸入沒有提前,總是在時鐘輸入的下降沿上即時截止。

2)tON1上述的方法通過對前一個周期的測量來確定下一個周期的動作,履行逐周控制。預(yù)期關(guān)斷同步整流器MOSFET的內(nèi)部時鐘脈沖總數(shù)是X1或X2。內(nèi)部振蕩器頻率(fi)越高,預(yù)期時間精度也就越高。

3STSRx系列智能驅(qū)動器ICs

STSRx系列IC是ST公司為驅(qū)動隔離SMPS中的同步整流器而專門設(shè)計的器件。該系列ICs的時鐘信號從隔離變壓器的次級輸出獲取,為驅(qū)動用作SR的1只或2只MOSFETs,輸出適當(dāng)?shù)目刂菩盘枴?/p>

31STSR2

STSR2用作驅(qū)動單端正向拓?fù)渲械膬蓚€同步整流器。該IC包含前面所敘述的控制系統(tǒng),內(nèi)置兩個大電流N溝道MOSFET驅(qū)動器和一個時鐘緩沖器等單元電路。STSR2的引腳名稱及其應(yīng)用電路如圖9所示。

STSR2的引腳功能如下:

VCC電源電壓,范圍為4.5~5.5V;

PWRGND和SGLGND分別為功率信號和控制邏輯信號的參考端;

CLOCK同步信號輸入;

OUTGATE1/22個大電流互補(bǔ)輸出。由于IC自身產(chǎn)生死區(qū)時間,在兩個開通時間之間不存在任何交迭;

SETANT2為OUTGATE2設(shè)定預(yù)期截止時間(有4種不同的期望時間可供選擇);

 

 


圖7在tON1>tON2下的OUT1及相關(guān)波形

 

 


圖8在tON1

 

 


圖6在TS1

 

 


隔離開關(guān)電源同步整流器數(shù)字控制與驅(qū)動技術(shù)

 

 


圖9STSR2在單端正向變換器中的應(yīng)用

 

 


圖10STSR3在回掃式變換器中的應(yīng)用電路

 

 


圖11STSR4在雙端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的應(yīng)用電路

 

 


INHIBIT當(dāng)該腳輸入高于非常低的一個門限電壓時,OUTGATE2使能。在正向變換器應(yīng)用中,迫使OUTGATE2的接通時間減至最小。

32STSR3

STSR3是為驅(qū)動在回掃式拓?fù)渲械囊粋€SR而專門設(shè)計的控制IC,其引腳名稱(符號)及應(yīng)用電路如圖10所示。STSR3與STSR2比較,主要區(qū)別是STSR3僅有一個大電流柵極驅(qū)動輸入(OUTGATE)。

33STSR4

STSR4是指定用于驅(qū)動推挽、半橋或全橋式雙端輸出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中SR的控制IC。該器件的典型應(yīng)用電路如圖11所示。STSR4含有兩個大電流N溝道MOSFETs驅(qū)動器輸出,同時有兩個時鐘輸入(CLOCK1和CLOCK2),分別接收來自隔離變壓器次級繞組上的時鐘信號。

STSR2、STSR3和STSR4在不同類型的隔離式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用中,都是從變壓器的次級輸出獲得時鐘信號,對作為SR使用的一只或兩只MOSFETs產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動信號,完全解決了在控制SR中易于出現(xiàn)的全部問題,有效地提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

4結(jié)語

在隔離SMPS拓?fù)渲校糜隍?qū)動SR的數(shù)字控制/驅(qū)動技術(shù),相對于需要附加磁復(fù)位技術(shù)的所謂“自驅(qū)動同步整流”方法來說,具有許多優(yōu)點。數(shù)字控制方法主PWM控制器在初級側(cè)的SMPS隔離拓?fù)渲校瑸槔弥苯觼碜杂谧儔浩鞔渭壿敵龅耐綌?shù)據(jù)提供了便利。數(shù)字控制方法所提供的驅(qū)動信號數(shù)值,總是能與MOSFETs的柵極范圍相一致,可使MOSFETs體二極管的導(dǎo)通時間盡可能短。通過采用一些附加技術(shù),能允許變換器在DCM操作。采用數(shù)字方法,有效地解決了被認(rèn)為與SR驅(qū)動信號產(chǎn)生有關(guān)的“跨越導(dǎo)通”和“貫通”等關(guān)鍵問題。

采用帶有較少引腳的STSRx系列ICs,可使SR數(shù)字控制電路大為簡化。對于ICs外部元件,其中包括SETANT腳外部用作設(shè)定預(yù)期時間的電阻,在精度和溫度特性等方面沒有嚴(yán)格的要求。STSRx系列ICs,對于來自變換器開關(guān)頻率和占空比的突然變化,具有快速瞬態(tài)響應(yīng)特性。

所有其它有關(guān)SR控制的技術(shù),如模擬控制方法等都存在不少缺點。其控制電路中的很多元件,諸如電容器等,要求具有嚴(yán)格的容差和穩(wěn)定性。而利用鎖相環(huán)(PLL)技術(shù),也需要大量元件,且同步器件帶有較多的引腳。另外這種控制方法,對于開關(guān)頻率和占空比的擾動,瞬態(tài)響應(yīng)速度也相對比較慢。

STSRx系列ICs的推出,為SMPS隔離拓?fù)渲型秸髌鞯目刂婆c驅(qū)動,提供了有效的手段和便利。

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