摘要 - 本文介紹一種用數(shù)字方法控制在隔離式開(kāi)關(guān)型電源（SMPS）中用作整流的一只或者兩只MOSFET的方法，特別是討論了將它們關(guān)斷的方法。利用時(shí)鐘信號(hào)的方波形成一個(gè)或者兩個(gè)相位與輸入信號(hào)相同或者相位相反的方波。用數(shù)字控制的方法能夠產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)信號(hào)，因而可以期望輸出信號(hào)按照時(shí)鐘信號(hào)的變從高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?。本文還介紹了這種方法在正激式和回掃式電源轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用。
　　一、引言
　　在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，輸出直流電壓不高的隔離式轉(zhuǎn)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(dǎo)通損耗較小，能夠提高效率 [4、5]，因而應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
　　為了這種電路能夠正常運(yùn)作，必須對(duì)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(dāng)?shù)姆椒?，按照二極管的工作規(guī)律來(lái)驅(qū)動(dòng)同步整流器。驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須用PWM控制信號(hào)來(lái)形成，而PWM控制信號(hào)決定著開(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(qū)動(dòng)電路[2]或者用外來(lái)控制信號(hào)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(nèi)二極管導(dǎo)通時(shí)間很長(zhǎng)， 另一個(gè)原因是柵極驅(qū)動(dòng)電壓是變化的。用控制驅(qū)動(dòng)電路的方法時(shí)，如何控制柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)以防止它們?cè)谇袚Q過(guò)程中出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象，在這方面存在著困難。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(zhuǎn)換器的復(fù)雜程度，并且提高了成本[3]。
　　如果在電源轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)同步整流，并且可以避免在副邊出現(xiàn)短路或者在原邊和副邊之間出現(xiàn)短路。
　　二、短路的形成
　　控制驅(qū)動(dòng)同步整流的一個(gè)主要問(wèn)題是如何產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)MODFET的信號(hào)而又能避免兩只MOSFET出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象。必須防止正激式轉(zhuǎn)換器中兩只MOSFET同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象，或者防止回掃式轉(zhuǎn)換器中同步MOSFET和主開(kāi)關(guān)MOSFEF出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象。
　　圖1是正激式轉(zhuǎn)換器副邊的同步整流電路，當(dāng)主開(kāi)關(guān)MOSFET導(dǎo)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(nèi)二極管成為正偏置。而且，由於檢測(cè)高電平Vs與續(xù)流MOSFET（FW）的關(guān)斷之間存在延遲，在t₀-t₁.這段時(shí)間內(nèi)，續(xù)流MOSFET、整流MOSFET中的體內(nèi)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(shù)值只受到電路中寄生參數(shù)的限制，而且最終是由PWM中的保護(hù)電路來(lái)限制短路電流。 

圖1. 在副邊形成的短路回路

　　對(duì)於整流MOSFET關(guān)斷過(guò)程，這些考慮同樣成立，對(duì)於其他的隔離式轉(zhuǎn)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(xiàn)這種惡劣的情況出現(xiàn)，必須先把續(xù)流MOSFET關(guān)斷，然後整流MOSFET才由關(guān)斷變成導(dǎo)通。
　　這就是說(shuō)，必須提前把續(xù)流整流器件切斷，或者說(shuō)在關(guān)斷續(xù)流整流件時(shí)必須有一些“提前量”。

圖 2. 在關(guān)斷續(xù)流MOSFET時(shí)必須有一些“提前量”以防止電路中出現(xiàn)短路

　　在圖2中，繪出了驅(qū)動(dòng)同步整流器的正確信號(hào) 。在這里，控制MOSFET在進(jìn)入導(dǎo)通之前，續(xù)流MOSFET處?kù)蛾P(guān)斷狀態(tài)（VGS 為低電平）。當(dāng)電壓Vs 為正時(shí)，續(xù)流MOSFET是關(guān)斷的，它的體內(nèi)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(hào)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)正確的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用於推動(dòng)同步整流器，它與主要的PWM信號(hào)有關(guān)。特別是，在使用兩只同步整流器件的情況下，驅(qū)驅(qū)動(dòng)信號(hào)是互補(bǔ)的，用這個(gè)方法能夠按照?qǐng)D3所示的時(shí)間來(lái)運(yùn)作，也就是說(shuō)，輸出信號(hào)OUT₂由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖接幸粋€(gè)提前量AN2，　OUT₁由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖酱嬖谝粋€(gè)提前量AN1。

圖 3.　時(shí)鐘信號(hào)、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(hào)、通過(guò)控制電路的同步運(yùn)作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它檢測(cè)切換轉(zhuǎn)換過(guò)程和電源轉(zhuǎn)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(yù)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(xiàn)的，它的頻率比電源轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率高很多，并且使用兩組數(shù)字式計(jì)數(shù)器。這兩組數(shù)字式計(jì)數(shù)器起的作用是不同的，一組是用於測(cè)量整個(gè)切換周期，這逐周地進(jìn)行的，并把測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)起來(lái)供下一周使用，而另外一組數(shù)字式計(jì)數(shù)器則測(cè)量時(shí)鐘信號(hào)處?kù)陡唠娖降臅r(shí)間長(zhǎng)短，并把測(cè)量結(jié)果存放起來(lái)，供下一周使用。系統(tǒng)的精確度和分辨率取決於用於這個(gè)方法的內(nèi)部振蕩器頻率。轉(zhuǎn)換器的切換周期和時(shí)鐘信號(hào)處?kù)陡唠娖降臅r(shí)間是作為前一周的參數(shù)，那麼就可以在下周形成一個(gè)合適的時(shí)間輸出 信號(hào)，特別是在關(guān)斷過(guò)程中形成一個(gè)在時(shí)間上適當(dāng)?shù)奶崆傲俊＿@個(gè)在時(shí)間上的提前量可以用內(nèi)部振蕩器的周期TI 的個(gè)數(shù)、以離散的數(shù)字設(shè)定。
　在使用兩個(gè)同步整流器件、它們由兩個(gè)互補(bǔ)的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)的情況下，整個(gè)系統(tǒng)由以下部件組成：一個(gè)內(nèi)部振蕩器、有限狀態(tài)機(jī)、兩對(duì)加數(shù)/減數(shù)（UP/DOWN）計(jì)數(shù)器以及兩個(gè)控制輸出邏輯電路（圖4）。這個(gè)系統(tǒng)有一個(gè)輸入，兩個(gè)輸出：輸出是推動(dòng)轉(zhuǎn)換器副邊兩只MOSFET晶體管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；輸入是時(shí)鐘信號(hào)（CK）。另外兩個(gè)參數(shù)是用於設(shè)定兩個(gè)輸出信號(hào)OUT₁ 和OUT₂的時(shí)間提前量。

圖 4. 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

四、系統(tǒng)的工作原理
　　有限狀態(tài)機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，它產(chǎn)生OUT₁和OUT２兩個(gè)信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)在導(dǎo)通和關(guān)斷之間完全不存在重疊。有限狀態(tài)機(jī)與內(nèi)部的振蕩器時(shí)鐘信號(hào)（CK₁）的上升沿是同步的，內(nèi)部時(shí)鐘頻率f1高於電源轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率fS：f1>fS。開(kāi)關(guān)頻率為fS（周期為T(mén)_S）的方波信號(hào)加在“時(shí)鐘信號(hào)輸入端”。時(shí)間提前量是在外面用相應(yīng)的輸入來(lái)設(shè)定。兩只計(jì)數(shù)器所做的工作是不同的。減數(shù)（DOWN）計(jì)數(shù)器是用於形成輸出信號(hào)由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖降臅r(shí)間提前量；加數(shù)（UP）計(jì)數(shù)器是用於不斷地得到有關(guān)OUT₂的開(kāi)關(guān)周期的長(zhǎng)短，或者OUT₁的處?kù)陡唠娖降臅r(shí)間TON的長(zhǎng)短。用這個(gè)方法，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，提前將輸出關(guān)斷的時(shí)間是根據(jù)在前一周期存放的數(shù)據(jù)來(lái)確定的。測(cè)量開(kāi)關(guān)周期和時(shí)間TON是逐周地連續(xù)進(jìn)行的。與OUT₂有關(guān)的兩個(gè)計(jì)數(shù)器的位數(shù)是根據(jù)電源轉(zhuǎn)換器的最低和最高開(kāi)關(guān)頻率來(lái)確定的。與OUT₁有關(guān)的兩個(gè)計(jì)數(shù)器的位數(shù)是根據(jù)TON的最小值和最大值來(lái)確定的。
　在穩(wěn)態(tài)時(shí)（這時(shí)開(kāi)關(guān)頻率是固定的，占空比也是固定的），與OUT₂有關(guān)那部份系統(tǒng)在兩個(gè)周期時(shí)間內(nèi)的運(yùn)作過(guò)程如下（圖5）。
　　第一個(gè)開(kāi)關(guān)周期：
　　在時(shí)鐘輸入信號(hào)的上升沿， 兩個(gè)加數(shù)/減數(shù)（UP/DOWN）計(jì)數(shù)器中的第一個(gè)計(jì)數(shù)器工作在計(jì)數(shù)增加狀態(tài)，開(kāi)始對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘（CKI）的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。在時(shí)鐘輸入信號(hào)的下一個(gè)上升沿（第一個(gè)周期T_S結(jié)束時(shí)），計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算到的脈沖數(shù)為n2，它代表開(kāi)關(guān)周期的時(shí)間長(zhǎng)短。這個(gè)數(shù)據(jù)存放在起來(lái)，以便在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期使用。 

圖 5. OUT₂ 的時(shí)間提前量的產(chǎn)生 

第二個(gè)開(kāi)關(guān)周期：
　　在CK輸入的上升沿，第一個(gè)計(jì)數(shù)器工作在減數(shù)狀態(tài)，對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘脈沖進(jìn)行減數(shù)計(jì)數(shù)，計(jì)算到脈沖數(shù)為n2-x2時(shí)，停止計(jì)數(shù)。在此時(shí)，OUT₂ 由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?。第二個(gè)計(jì)數(shù)器則計(jì)算內(nèi)部時(shí)鐘新的脈沖數(shù)，將開(kāi)關(guān)周期T_S更新。
　　OUT₂由高平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖降奶崆傲康臄?shù)值為x₂．T_I ，是由時(shí)間提前量Anticipation2 這個(gè)輸入來(lái)確定。在每個(gè)周期，計(jì)數(shù)器的功能，是進(jìn)行加數(shù)計(jì)數(shù)還是做減數(shù)計(jì)數(shù)，是相對(duì)於前一個(gè)周期而互相交換的。
　　至於系統(tǒng)中與OUT₁有關(guān)的部份，另外兩個(gè)加數(shù)/減數(shù)（UP/DOWN）計(jì)數(shù)器計(jì)算時(shí)間T_ON的長(zhǎng)短，以便形成時(shí)間提前量，把輸出OUT₁由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑▓D6）:
　　第一個(gè)開(kāi)關(guān)周期：
　　在時(shí)鐘的上升沿出現(xiàn)時(shí)，第一個(gè)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，在下降沿出現(xiàn)時(shí)停止計(jì)數(shù)。計(jì)算到的脈沖數(shù)是n₁ ，這個(gè)數(shù)字代表時(shí)間T_ON。
　　第二個(gè)開(kāi)關(guān)周期：
　　第一個(gè)計(jì)數(shù)器工作在減數(shù)計(jì)數(shù)狀態(tài)，在n₁-x₁時(shí)停止計(jì)數(shù)。它產(chǎn)生把OUT₁由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖降奶崆傲?，它等於x₁．T_I。這個(gè)時(shí)間提前量是由輸入Anticipation1來(lái)設(shè)定。第二個(gè)計(jì)數(shù)器是工作在加數(shù)計(jì)數(shù)狀態(tài)，它計(jì)算在當(dāng)前周期內(nèi)上升沿與下降沿之間內(nèi)部時(shí)鐘的脈沖個(gè)數(shù)。

圖 6. OUT₁的時(shí)間提前量的產(chǎn)生

五、在正激式和回掃式轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用
　　控制同步整流器關(guān)斷的這個(gè)方法已經(jīng)用在新的STSRx系列半導(dǎo)體器件上[1]。在這個(gè)系列中，STSR2是專門(mén)針對(duì)正激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的，而STSR3是為回掃式轉(zhuǎn)換器而設(shè)計(jì)的。 
　　如圖7所示，為了實(shí)現(xiàn)上面所講的方法，除了高頻振蕩器和控制邏輯電路之外，其它的電路還有：峰值檢測(cè)器，禁止比較器以及兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器（在STSR2中）或者一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器（在STSR3中）。

圖 7. STSR2的原理圖

(a)

(b)

圖 8. STSR2 (a) and STSR3 (b) 

應(yīng)用的典型實(shí)例
　　圖8 （a和b）是 STSR2和STSR3兩種電路在正激式轉(zhuǎn)換器和回掃式轉(zhuǎn)換器中的典型應(yīng)用。PWM控制器是放在原邊，而STSR2或者STSR3是放在副邊，利用續(xù)流MOSFET兩端的電壓經(jīng)過(guò)分壓後作為開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換信息（即作為時(shí)鐘輸入信號(hào)）。一個(gè)線性穩(wěn)壓器，加上幾個(gè)無(wú)源元件，為集成電路提供電源電壓。 
　　峰值檢測(cè)器：
　　如圖9所示，當(dāng)工作在不連續(xù)模式時(shí)，續(xù)流MOSFET兩端的電壓信號(hào)不是方波。在檢測(cè)原 邊開(kāi)關(guān)切換過(guò)程時(shí)，這會(huì)造成一些問(wèn)題。芯片內(nèi)部的峰值檢測(cè)器會(huì)把時(shí)鐘引腳上的信號(hào)達(dá)到的峰值認(rèn)為是有用的信息，同時(shí)不理會(huì)所有數(shù)值較小的信號(hào)。為了峰值檢測(cè)器能夠正常地工作，必須確保開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程的波形與正弦波形之間最小電壓差值（V1）。 

圖9.　檢測(cè)峰值

禁止比較器：
　　二極管整流與同步整流之間一個(gè)差別是，MOSFET有可能在兩個(gè)方向上讓電流流過(guò)，而二極管只讓電流在一個(gè)方向流過(guò)。工作在不連續(xù)方式時(shí)，在使用二極管的情況下，在電感器中的電流達(dá)到零時(shí)，它不會(huì)反向，原因是，二極管不會(huì)讓電流從陰極流到陽(yáng)極去。用 MOSFET作為整流開(kāi)關(guān)則不同，當(dāng)電感器中的電流達(dá)到零之後，它會(huì)繼續(xù)減少，變成負(fù)的，并且從漏極流往源極。在這種情況下，轉(zhuǎn)換器總是工作在連續(xù)狀態(tài)。
　　如果希望轉(zhuǎn)換器工作在不連續(xù)狀態(tài)，當(dāng)電流為零時(shí)，必須將續(xù)流MOSFET關(guān)斷，結(jié)果體內(nèi)二極管起普通的整流管的作用，避免電感器上的電流反向。INHIBIT的功能是，當(dāng)電流接近於零時(shí)，把續(xù)流MOSFET關(guān)斷，於是轉(zhuǎn)換器便工作在不連續(xù)狀態(tài)。
　　在芯片內(nèi)部，在INHIBIT引腳上接一個(gè)電壓比較器，它的閾電壓為-15mV。這個(gè)引腳是通過(guò)一只電阻器連接到續(xù)流MOSFET的漏極上。當(dāng)續(xù)流MOSFET處?kù)秾?dǎo)通狀態(tài)時(shí)， 在漏極上的電壓是 ： V_ds = -R_ds(on)．D漏極。如果 V_ds 是高於-15mV，那麼這表示，電流是在下降，它下降到接近-15mV時(shí)，表示電流接近於零，即接近不連續(xù)狀態(tài)，所以，續(xù)流MOSFET的柵極電壓由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖健＿@只MOSFET中的體內(nèi)二極管（圖10）工作。
　　當(dāng)轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)狀態(tài)時(shí)，電流經(jīng)續(xù)流MOSFET的電流很大，并且產(chǎn)生一個(gè)電壓V_ds ，它總是低於-15mV， 那麼，續(xù)流MOSFET的柵極電壓保持高電平。在電流并不是等於零時(shí)，便把續(xù)流MOSFET關(guān)斷。剩下的電流與MOSFET的R_ds(on) 有關(guān)，是經(jīng)過(guò)體內(nèi)二極管流走的。
　　當(dāng)與其它的轉(zhuǎn)換器并聯(lián)使用時(shí)，INHIBIT引腳也可以避免轉(zhuǎn)換器從輸出端吸收電流。

圖10.　INHIBIT的運(yùn)作原理

　圖 11是使用STSR2的正激轉(zhuǎn)換器的主要波形圖。甚至在變壓器完成消磁之後，續(xù)流MOSFET 仍處?kù)秾?dǎo)通狀態(tài)。與自驅(qū)動(dòng)式轉(zhuǎn)換器相比，就功率損耗而言，這是大優(yōu)點(diǎn)。

圖 11.　正激轉(zhuǎn)換器

　　通道1：整流MOSFET的源極 -漏極電壓
通道2：續(xù)流MOSFET的源極-漏極電壓
通道3： CKk輸入信號(hào)
　　圖 12是STSR3在回掃式轉(zhuǎn)換器中的工作過(guò)程。峰值檢測(cè)器把正確的時(shí)鐘輸入端的高電平正確地檢測(cè)出來(lái)。而且，由於INHIBIT 功能，當(dāng)電感器中的電流接近零時(shí)，同步MOSFET關(guān)斷，防止電流反向。其余的電流從這只MOSFET的體內(nèi)二極管流走。

圖12. 回掃式轉(zhuǎn)換器

通道1是 MOSFET源極-漏極電壓輸入
　　通道2是MOSFET的源極-漏極電流 
　　通道3是MOSFET柵極電壓
　　六、結(jié)論
　　本文討論的技術(shù)是用於實(shí)現(xiàn)控制驅(qū)動(dòng)的方法，在頻率固定的隔離式SMPS轉(zhuǎn)換器中，用來(lái)驅(qū)動(dòng)同步整流器。與自驅(qū)動(dòng)方案相比，控制驅(qū)動(dòng)的方法有一些優(yōu)點(diǎn)。它與隔離式變壓器的恢復(fù)技術(shù)是無(wú)關(guān)的。這就是說(shuō)，MOSFET的體內(nèi)二極管的導(dǎo)通時(shí)間盡量地縮短了，同時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的數(shù)值仍然一直是在柵極電壓的工作范圍內(nèi)。值得提到的是，本文提出的數(shù)字技術(shù)已經(jīng)用到STSRx系列集成電路中，可以用實(shí)現(xiàn) 各種簡(jiǎn)單而且效益很好的同步整流電路。 
　　利用STSRx 系列，可以比較容易地設(shè)計(jì)高效率的電源轉(zhuǎn)換器，而且成本比較低。至於那幾個(gè)外接元件，并不需要對(duì)它們的精度和溫度穩(wěn)定性提出專門(mén)的要求。由於新的方法是逐周地運(yùn)作的，當(dāng)負(fù)載突然變化時(shí)，可以確保對(duì)於占空比變化的響應(yīng)速度的性能是優(yōu)異的。而且，在AC/DC轉(zhuǎn)換器中，占空比可以隨著AC電網(wǎng)電壓而改變。因此這個(gè)系列的器件既適合於開(kāi)關(guān)型DC/DC轉(zhuǎn)換器，也適合於開(kāi)關(guān)型AC/DC轉(zhuǎn)換器。
　　參考文獻(xiàn)