摘要 - 本文介绍一种用数字方法控制在隔离式开关型电源（SMPS）中用作整流的一只或者两只MOSFET的方法，特别是讨论了将它们关断的方法。利用时钟信号的方波形成一个或者两个相位与输入信号相同或者相位相反的方波。用数字控制的方法能够产生一个定时信号，因而可以期望输出信号按照时钟信号的变从高电平转变为低电平。本文还介绍了这种方法在正激式和回扫式电源转换器中的应用。
一、引言
在电源转换领域，输出直流电压不高的隔离式转换器（正激式、回扫式、双端式）都使用 MOSFET作为整流器件。由於这些器件上的导通损耗较小，能够提高效率 [4、5]，因而应用越来越广泛。
为了这种电路能够正常运作，必须对同步整流器（SR）加以控制，这是基本的要求。同步整流器是用来取代二极管的，所以必须选择适当的方法，按照二极管的工作规律来驱动同步整流器。驱动信号必须用PWM控制信号来形成，而PWM控制信号决定著开关型电路的不同状态。
一般而言，同步整流器是使用自驱动电路[2]或者用外来控制信号来推动。第一种方法的性能往往不是很好，原因是同步MOSFET的体内二极管导通时间很长， 另一个原因是栅极驱动电压是变化的。用控制驱动电路的方法时，如何控制栅极驱动信号以防止它们在切换过程中出现同时导通的现象，在这方面存在著困难。为了解决这些困难，必须采用特殊的电路，例如在副边使用PWM控制器 ，或者使用某种耦合器件把切换信息从原边传送到副边。这些电路增加了电源转换器的复杂程度，并且提高了成本[3]。
如果在电源转换器中，PWM的频率是固定不变的，而且PWM控制器是放在原边，那麽可以用本文介绍的方法用控制驱动电路来实现同步整流，并且可以避免在副边出现短路或者在原边和副边之间出现短路。
二、短路的形成
控制驱动同步整流的一个主要问题是如何产生驱动MODFET的信号而又能避免两只MOSFET出现同时导通的现象。必须防止正激式转换器中两只MOSFET同时导通的现象，或者防止回扫式转换器中同步MOSFET和主开关MOSFEF出现同时导通的现象。
图1是正激式转换器副边的同步整流电路，当主开关MOSFET导通时，电压Vs是趋向於成为正电压。这个电压使得整流MOSFET（FR）中的体内二极管成为正偏置。而且，由於检测高电平Vs与续流MOSFET（FW）的关断之间存在延迟，在t0-t1.这段时间内，续流MOSFET、整流MOSFET中的体内二极管、以及隔离变压器的副边便形成短路回路，在其中流过的电流在理论上不受限制。短路电流的数值只受到电路中寄生参数的限制，而且最终是由PWM中的保护电路来限制短路电流。
图1. 在副边形成的短路回路
对於整流MOSFET关断过程，这些考虑同样成立，对於其他的隔离式转换器要关断的开关器件也同样是适用的。为了避免出现这种恶劣的情况出现，必须先把续流MOSFET关断，然後整流MOSFET才由关断变成导通。
这就是说，必须提前把续流整流器件切断，或者说在关断续流整流件时必须有一些“提前量”。
图 2. 在关断续流MOSFET时必须有一些“提前量”以防止电路中出现短路
在图2中，绘出了驱动同步整流器的正确信号 。在这里，控制MOSFET在进入导通之前，续流MOSFET处於关断状态（VGS 为低电平）。当电压Vs 为正时，续流MOSFET是关断的，它的体内二极管不会让回路中有电流流过。
三、本文提出的方法
本文提出的方法是利用时钟输入信号来产生一个正确的驱动信号，用於推动同步整流器，它与主要的PWM信号有关。特别是，在使用两只同步整流器件的情况下，驱驱动信号是互补的，用这个方法能够按照图3所示的时间来运作，也就是说，输出信号OUT2由高电平转变为低电平有一个提前量AN2， OUT1由高电平转变为低电平存在一个提前量AN1。
图 3. 时钟信号、OUT1和OUT2在时间上的相互关系
这些功能是按照输入的时钟信号、通过控制电路的同步运作来实现的。它检测切换转换过程和电源转换器的切换频率（fS）。为了形成时间提前量AN1和AN2，电路必须能够预先知道是在甚麽时间进行切换。这是用一只频率为fI 的振荡器来实现的，它的频率比电源转换器的开关频率高很多，并且使用两组数字式计数器。这两组数字式计数器起的作用是不同的，一组是用於测量整个切换周期，这逐周地进行的，并把测量结果存储起来供下一周使用，而另外一组数字式计数器则测量时钟信号处於高电平的时间长短，并把测量结果存放起来，供下一周使用。系统的精确度和分辨率取决於用於这个方法的内部振荡器频率。转换器的切换周期和时钟信号处於高电平的时间是作为前一周的参数，那麽就可以在下周形成一个合适的时间输出 信号，特别是在关断过程中形成一个在时间上适当的提前量。这个在时间上的提前量可以用内部振荡器的周期TI 的个数、以离散的数字设定。
在使用两个同步整流器件、它们由两个互补的控制信号驱动的情况下，整个系统由以下部件组成：一个内部振荡器、有限状态机、两对加数/减数（UP/DOWN）计数器以及两个控制输出逻辑电路（图4）。这个系统有一个输入，两个输出：输出是推动转换器副边两只MOSFET晶体管的驱动信号；输入是时钟信号（CK）。另外两个参数是用於设定两个输出信号OUT1 和OUT2的时间提前量。
图 4. 系统的总体结构
四、系统的工作原理
有限状态机是整个系统的中枢，它产生OUT1和OUT２两个信号，这两个信号在导通和关断之间完全不存在重叠。有限状态机与内部的振荡器时钟信号（CK1）的上升沿是同步的，内部时钟频率f1高於电源转换器的开关频率fS：f1>fS。开关频率为fS（周期为TS）的方波信号加在“时钟信号输入端”。时间提前量是在外面用相应的输入来设定。两只计数器所做的工作是不同的。减数（DOWN）计数器是用於形成输出信号由高电平转变为低电平的时间提前量；加数（UP）计数器是用於不断地得到有关OUT2的开关周期的长短，或者OUT1的处於高电平的时间TON的长短。用这个方法，在一个开关周期内，提前将输出关断的时间是根据在前一周期存放的数据来确定的。测量开关周期和时间TON是逐周地连续进行的。与OUT2有关的两个计数器的位数是根据电源转换器的最低和最高开关频率来确定的。与OUT1有关的两个计数器的位数是根据TON的最小值和最大值来确定的。
在稳态时（这时开关频率是固定的，占空比也是固定的），与OUT2有关那部份系统在两个周期时间内的运作过程如下（图5）。
第一个开关周期：
在时钟输入信号的上升沿， 两个加数/减数（UP/DOWN）计数器中的第一个计数器工作在计数增加状态，开始对内部时钟（CKI）的脉冲进行计数。在时钟输入信号的下一个上升沿（第一个周期TS结束时），计数器停止计数。计算到的脉冲数为n2，它代表开关周期的时间长短。这个数据存放在起来，以便在下一个开关周期使用。
图 5. OUT2 的时间提前量的产生
第二个开关周期：
在CK输入的上升沿，第一个计数器工作在减数状态，对内部时钟脉冲进行减数计数，计算到脉冲数为n2-x2时，停止计数。在此时，OUT2 由高电平转变为低电平。第二个计数器则计算内部时钟新的脉冲数，将开关周期TS更新。
OUT2由高平转变为低电平的提前量的数值为x2．TI ，是由时间提前量Anticipation2 这个输入来确定。在每个周期，计数器的功能，是进行加数计数还是做减数计数，是相对於前一个周期而互相交换的。
至於系统中与OUT1有关的部份，另外两个加数/减数（UP/DOWN）计数器计算时间TON的长短，以便形成时间提前量，把输出OUT1由高电平转变为低电平（图6）:
第一个开关周期：
在时钟的上升沿出现时，第一个计数器开始计数，在下降沿出现时停止计数。计算到的脉冲数是n1 ，这个数字代表时间TON。
第二个开关周期：
第一个计数器工作在减数计数状态，在n1-x1时停止计数。它产生把OUT1由高电平转变为低电平的提前量，它等於x1．TI。这个时间提前量是由输入Anticipation1来设定。第二个计数器是工作在加数计数状态，它计算在当前周期内上升沿与下降沿之间内部时钟的脉冲个数。
图 6. OUT1的时间提前量的产生
五、在正激式和回扫式转换器中的应用
控制同步整流器关断的这个方法已经用在新的STSRx系列半导体器件上[1]。在这个系列中，STSR2是专门针对正激式转换器设计的，而STSR3是为回扫式转换器而设计的。
如图7所示，为了实现上面所讲的方法，除了高频振荡器和控制逻辑电路之外，其它的电路还有：峰值检测器，禁止比较器以及两个输出驱动器（在STSR2中）或者一个输出驱动器（在STSR3中）。
图 7. STSR2的原理图
(a)
(b)
图 8. STSR2 (a) and STSR3 (b)
应用的典型实例
图8 （a和b）是 STSR2和STSR3两种电路在正激式转换器和回扫式转换器中的典型应用。PWM控制器是放在原边，而STSR2或者STSR3是放在副边，利用续流MOSFET两端的电压经过分压後作为开关的转换信息（即作为时钟输入信号）。一个线性稳压器，加上几个无源元件，为集成电路提供电源电压。
峰值检测器：
如图9所示，当工作在不连续模式时，续流MOSFET两端的电压信号不是方波。在检测原 边开关切换过程时，这会造成一些问题。芯片内部的峰值检测器会把时钟引脚上的信号达到的峰值认为是有用的信息，同时不理会所有数值较小的信号。为了峰值检测器能够正常地工作，必须确保开关转换过程的波形与正弦波形之间最小电压差值（V1）。
图9. 检测峰值
禁止比较器：
二极管整流与同步整流之间一个差别是，MOSFET有可能在两个方向上让电流流过，而二极管只让电流在一个方向流过。工作在不连续方式时，在使用二极管的情况下，在电感器中的电流达到零时，它不会反向，原因是，二极管不会让电流从阴极流到阳极去。用 MOSFET作为整流开关则不同，当电感器中的电流达到零之後，它会继续减少，变成负的，并且从漏极流往源极。在这种情况下，转换器总是工作在连续状态。
如果希望转换器工作在不连续状态，当电流为零时，必须将续流MOSFET关断，结果体内二极管起普通的整流管的作用，避免电感器上的电流反向。INHIBIT的功能是，当电流接近於零时，把续流MOSFET关断，於是转换器便工作在不连续状态。
在芯片内部，在INHIBIT引脚上接一个电压比较器，它的阈电压为-15mV。这个引脚是通过一只电阻器连接到续流MOSFET的漏极上。当续流MOSFET处於导通状态时， 在漏极上的电压是 ： Vds = -Rds(on)．D漏极。如果 Vds 是高於-15mV，那麽这表示，电流是在下降，它下降到接近-15mV时，表示电流接近於零，即接近不连续状态，所以，续流MOSFET的栅极电压由高电平转变为低电平。这只MOSFET中的体内二极管（图10）工作。
当转换器工作在连续状态时，电流经续流MOSFET的电流很大，并且产生一个电压Vds ，它总是低於-15mV， 那麽，续流MOSFET的栅极电压保持高电平。在电流并不是等於零时，便把续流MOSFET关断。剩下的电流与MOSFET的Rds(on) 有关，是经过体内二极管流走的。
当与其它的转换器并联使用时，INHIBIT引脚也可以避免转换器从输出端吸收电流。
图10. INHIBIT的运作原理
图 11是使用STSR2的正激转换器的主要波形图。甚至在变压器完成消磁之後，续流MOSFET 仍处於导通状态。与自驱动式转换器相比，就功率损耗而言，这是大优点。
图 11. 正激转换器
通道1：整流MOSFET的源极 -漏极电压
通道2：续流MOSFET的源极-漏极电压
通道3： CKk输入信号
图 12是STSR3在回扫式转换器中的工作过程。峰值检测器把正确的时钟输入端的高电平正确地检测出来。而且，由於INHIBIT 功能，当电感器中的电流接近零时，同步MOSFET关断，防止电流反向。其余的电流从这只MOSFET的体内二极管流走。
图12. 回扫式转换器
通道1是 MOSFET源极-漏极电压输入
通道2是MOSFET的源极-漏极电流
通道3是MOSFET栅极电压
六、结论
本文讨论的技术是用於实现控制驱动的方法，在频率固定的隔离式SMPS转换器中，用来驱动同步整流器。与自驱动方案相比，控制驱动的方法有一些优点。它与隔离式变压器的恢复技术是无关的。这就是说，MOSFET的体内二极管的导通时间尽量地缩短了，同时驱动信号的数值仍然一直是在栅极电压的工作范围内。值得提到的是，本文提出的数字技术已经用到STSRx系列集成电路中，可以用实现 各种简单而且效益很好的同步整流电路。
利用STSRx 系列，可以比较容易地设计高效率的电源转换器，而且成本比较低。至於那几个外接元件，并不需要对它们的精度和温度稳定性提出专门的要求。由於新的方法是逐周地运作的，当负载突然变化时，可以确保对於占空比变化的响应速度的性能是优异的。而且，在AC/DC转换器中，占空比可以随著AC电网电压而改变。因此这个系列的器件既适合於开关型DC/DC转换器，也适合於开关型AC/DC转换器。
参考文献