摘要 - 本文介紹一種用數字方法控制在隔離式開關型電源（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斷的方法。利用時鐘信號的方波形成一個或者兩個相位與輸入信號相同或者相位相反的方波。用數字控制的方法能夠產生一個定時信號，因而可以期望輸出信號按照時鐘信號的變從高電平轉變為低電平。本文還介紹了這種方法在正激式和回掃式電源轉換器中的應用。
　　一、引言
　　在電源轉換領域，輸出直流電壓不高的隔離式轉換器（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通損耗較小，能夠提高效率 [4、5]，因而應用越來越廣泛。
　　為了這種電路能夠正常運作，必須對同步整流器（SR）加以控制，這是基本的要求。同步整流器是用來取代二極管的，所以必須選擇適當的方法，按照二極管的工作規律來驅動同步整流器。驅動信號必須用PWM控制信號來形成，而PWM控制信號決定著開關型電路的不同狀態。
　　一般而言，同步整流器是使用自驅動電路[2]或者用外來控制信號來推動。第一種方法的性能往往不是很好，原因是同步MOSFET的體內二極管導通時間很長， 另一個原因是柵極驅動電壓是變化的。用控制驅動電路的方法時，如何控制柵極驅動信號以防止它們在切換過程中出現同時導通的現象，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換器的復雜程度，并且提高了成本[3]。
　　如果在電源轉換器中，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動電路來實現同步整流，并且可以避免在副邊出現短路或者在原邊和副邊之間出現短路。
　　二、短路的形成
　　控制驅動同步整流的一個主要問題是如何產生驅動MODFET的信號而又能避免兩只MOSFET出現同時導通的現象。必須防止正激式轉換器中兩只MOSFET同時導通的現象，或者防止回掃式轉換器中同步MOSFET和主開關MOSFEF出現同時導通的現象。
　　圖1是正激式轉換器副邊的同步整流電路，當主開關MOSFET導通時，電壓Vs是趨向於成為正電壓。這個電壓使得整流MOSFET（FR）中的體內二極管成為正偏置。而且，由於檢測高電平Vs與續流MOSFET（FW）的關斷之間存在延遲，在t₀-t₁.這段時間內，續流MOSFET、整流MOSFET中的體內二極管、以及隔離變壓器的副邊便形成短路回路，在其中流過的電流在理論上不受限制。短路電流的數值只受到電路中寄生參數的限制，而且最終是由PWM中的保護電路來限制短路電流。 

圖1. 在副邊形成的短路回路

　　對於整流MOSFET關斷過程，這些考慮同樣成立，對於其他的隔離式轉換器要關斷的開關器件也同樣是適用的。為了避免出現這種惡劣的情況出現，必須先把續流MOSFET關斷，然後整流MOSFET才由關斷變成導通。
　　這就是說，必須提前把續流整流器件切斷，或者說在關斷續流整流件時必須有一些“提前量”。

圖 2. 在關斷續流MOSFET時必須有一些“提前量”以防止電路中出現短路

　　在圖2中，繪出了驅動同步整流器的正確信號 。在這里，控制MOSFET在進入導通之前，續流MOSFET處於關斷狀態（VGS 為低電平）。當電壓Vs 為正時，續流MOSFET是關斷的，它的體內二極管不會讓回路中有電流流過。
　　三、本文提出的方法
　　本文提出的方法是利用時鐘輸入信號來產生一個正確的驅動信號，用於推動同步整流器，它與主要的PWM信號有關。特別是，在使用兩只同步整流器件的情況下，驅驅動信號是互補的，用這個方法能夠按照圖3所示的時間來運作，也就是說，輸出信號OUT₂由高電平轉變為低電平有一個提前量AN2，　OUT₁由高電平轉變為低電平存在一個提前量AN1。

圖 3.　時鐘信號、OUT₁和OUT₂在時間上的相互關系

這些功能是按照輸入的時鐘信號、通過控制電路的同步運作來實現的。它檢測切換轉換過程和電源轉換器的切換頻率（fS）。為了形成時間提前量AN1和AN2，電路必須能夠預先知道是在甚麼時間進行切換。這是用一只頻率為fI 的振蕩器來實現的，它的頻率比電源轉換器的開關頻率高很多，并且使用兩組數字式計數器。這兩組數字式計數器起的作用是不同的，一組是用於測量整個切換周期，這逐周地進行的，并把測量結果存儲起來供下一周使用，而另外一組數字式計數器則測量時鐘信號處於高電平的時間長短，并把測量結果存放起來，供下一周使用。系統的精確度和分辨率取決於用於這個方法的內部振蕩器頻率。轉換器的切換周期和時鐘信號處於高電平的時間是作為前一周的參數，那麼就可以在下周形成一個合適的時間輸出 信號，特別是在關斷過程中形成一個在時間上適當的提前量。這個在時間上的提前量可以用內部振蕩器的周期TI 的個數、以離散的數字設定。
　在使用兩個同步整流器件、它們由兩個互補的控制信號驅動的情況下，整個系統由以下部件組成：一個內部振蕩器、有限狀態機、兩對加數/減數（UP/DOWN）計數器以及兩個控制輸出邏輯電路（圖4）。這個系統有一個輸入，兩個輸出：輸出是推動轉換器副邊兩只MOSFET晶體管的驅動信號；輸入是時鐘信號（CK）。另外兩個參數是用於設定兩個輸出信號OUT₁ 和OUT₂的時間提前量。

圖 4. 系統的總體結構

四、系統的工作原理
　　有限狀態機是整個系統的中樞，它產生OUT₁和OUT２兩個信號，這兩個信號在導通和關斷之間完全不存在重疊。有限狀態機與內部的振蕩器時鐘信號（CK₁）的上升沿是同步的，內部時鐘頻率f1高於電源轉換器的開關頻率fS：f1>fS。開關頻率為fS（周期為T_S）的方波信號加在“時鐘信號輸入端”。時間提前量是在外面用相應的輸入來設定。兩只計數器所做的工作是不同的。減數（DOWN）計數器是用於形成輸出信號由高電平轉變為低電平的時間提前量；加數（UP）計數器是用於不斷地得到有關OUT₂的開關周期的長短，或者OUT₁的處於高電平的時間TON的長短。用這個方法，在一個開關周期內，提前將輸出關斷的時間是根據在前一周期存放的數據來確定的。測量開關周期和時間TON是逐周地連續進行的。與OUT₂有關的兩個計數器的位數是根據電源轉換器的最低和最高開關頻率來確定的。與OUT₁有關的兩個計數器的位數是根據TON的最小值和最大值來確定的。
　在穩態時（這時開關頻率是固定的，占空比也是固定的），與OUT₂有關那部份系統在兩個周期時間內的運作過程如下（圖5）。
　　第一個開關周期：
　　在時鐘輸入信號的上升沿， 兩個加數/減數（UP/DOWN）計數器中的第一個計數器工作在計數增加狀態，開始對內部時鐘（CKI）的脈沖進行計數。在時鐘輸入信號的下一個上升沿（第一個周期T_S結束時），計數器停止計數。計算到的脈沖數為n2，它代表開關周期的時間長短。這個數據存放在起來，以便在下一個開關周期使用。 

圖 5. OUT₂ 的時間提前量的產生 

第二個開關周期：
　　在CK輸入的上升沿，第一個計數器工作在減數狀態，對內部時鐘脈沖進行減數計數，計算到脈沖數為n2-x2時，停止計數。在此時，OUT₂ 由高電平轉變為低電平。第二個計數器則計算內部時鐘新的脈沖數，將開關周期T_S更新。
　　OUT₂由高平轉變為低電平的提前量的數值為x₂．T_I ，是由時間提前量Anticipation2 這個輸入來確定。在每個周期，計數器的功能，是進行加數計數還是做減數計數，是相對於前一個周期而互相交換的。
　　至於系統中與OUT₁有關的部份，另外兩個加數/減數（UP/DOWN）計數器計算時間T_ON的長短，以便形成時間提前量，把輸出OUT₁由高電平轉變為低電平（圖6）:
　　第一個開關周期：
　　在時鐘的上升沿出現時，第一個計數器開始計數，在下降沿出現時停止計數。計算到的脈沖數是n₁ ，這個數字代表時間T_ON。
　　第二個開關周期：
　　第一個計數器工作在減數計數狀態，在n₁-x₁時停止計數。它產生把OUT₁由高電平轉變為低電平的提前量，它等於x₁．T_I。這個時間提前量是由輸入Anticipation1來設定。第二個計數器是工作在加數計數狀態，它計算在當前周期內上升沿與下降沿之間內部時鐘的脈沖個數。

圖 6. OUT₁的時間提前量的產生

五、在正激式和回掃式轉換器中的應用
　　控制同步整流器關斷的這個方法已經用在新的STSRx系列半導體器件上[1]。在這個系列中，STSR2是專門針對正激式轉換器設計的，而STSR3是為回掃式轉換器而設計的。 
　　如圖7所示，為了實現上面所講的方法，除了高頻振蕩器和控制邏輯電路之外，其它的電路還有：峰值檢測器，禁止比較器以及兩個輸出驅動器（在STSR2中）或者一個輸出驅動器（在STSR3中）。

圖 7. STSR2的原理圖

(a)

(b)

圖 8. STSR2 (a) and STSR3 (b) 

應用的典型實例
　　圖8 （a和b）是 STSR2和STSR3兩種電路在正激式轉換器和回掃式轉換器中的典型應用。PWM控制器是放在原邊，而STSR2或者STSR3是放在副邊，利用續流MOSFET兩端的電壓經過分壓後作為開關的轉換信息（即作為時鐘輸入信號）。一個線性穩壓器，加上幾個無源元件，為集成電路提供電源電壓。 
　　峰值檢測器：
　　如圖9所示，當工作在不連續模式時，續流MOSFET兩端的電壓信號不是方波。在檢測原 邊開關切換過程時，這會造成一些問題。芯片內部的峰值檢測器會把時鐘引腳上的信號達到的峰值認為是有用的信息，同時不理會所有數值較小的信號。為了峰值檢測器能夠正常地工作，必須確保開關轉換過程的波形與正弦波形之間最小電壓差值（V1）。 

圖9.　檢測峰值

禁止比較器：
　　二極管整流與同步整流之間一個差別是，MOSFET有可能在兩個方向上讓電流流過，而二極管只讓電流在一個方向流過。工作在不連續方式時，在使用二極管的情況下，在電感器中的電流達到零時，它不會反向，原因是，二極管不會讓電流從陰極流到陽極去。用 MOSFET作為整流開關則不同，當電感器中的電流達到零之後，它會繼續減少，變成負的，并且從漏極流往源極。在這種情況下，轉換器總是工作在連續狀態。
　　如果希望轉換器工作在不連續狀態，當電流為零時，必須將續流MOSFET關斷，結果體內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，當電流接近於零時，把續流MOSFET關斷，於是轉換器便工作在不連續狀態。
　　在芯片內部，在INHIBIT引腳上接一個電壓比較器，它的閾電壓為-15mV。這個引腳是通過一只電阻器連接到續流MOSFET的漏極上。當續流MOSFET處於導通狀態時， 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，表示電流接近於零，即接近不連續狀態，所以，續流MOSFET的柵極電壓由高電平轉變為低電平。這只MOSFET中的體內二極管（圖10）工作。
　　當轉換器工作在連續狀態時，電流經續流MOSFET的電流很大，并且產生一個電壓V_ds ，它總是低於-15mV， 那麼，續流MOSFET的柵極電壓保持高電平。在電流并不是等於零時，便把續流MOSFET關斷。剩下的電流與MOSFET的R_ds(on) 有關，是經過體內二極管流走的。
　　當與其它的轉換器并聯使用時，INHIBIT引腳也可以避免轉換器從輸出端吸收電流。

圖10.　INHIBIT的運作原理

　圖 11是使用STSR2的正激轉換器的主要波形圖。甚至在變壓器完成消磁之後，續流MOSFET 仍處於導通狀態。與自驅動式轉換器相比，就功率損耗而言，這是大優點。

圖 11.　正激轉換器

　　通道1：整流MOSFET的源極 -漏極電壓
通道2：續流MOSFET的源極-漏極電壓
通道3： CKk輸入信號
　　圖 12是STSR3在回掃式轉換器中的工作過程。峰值檢測器把正確的時鐘輸入端的高電平正確地檢測出來。而且，由於INHIBIT 功能，當電感器中的電流接近零時，同步MOSFET關斷，防止電流反向。其余的電流從這只MOSFET的體內二極管流走。

圖12. 回掃式轉換器

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、結論
　　本文討論的技術是用於實現控制驅動的方法，在頻率固定的隔離式SMPS轉換器中，用來驅動同步整流器。與自驅動方案相比，控制驅動的方法有一些優點。它與隔離式變壓器的恢復技術是無關的。這就是說，MOSFET的體內二極管的導通時間盡量地縮短了，同時驅動信號的數值仍然一直是在柵極電壓的工作范圍內。值得提到的是，本文提出的數字技術已經用到STSRx系列集成電路中，可以用實現 各種簡單而且效益很好的同步整流電路。 
　　利用STSRx 系列，可以比較容易地設計高效率的電源轉換器，而且成本比較低。至於那幾個外接元件，并不需要對它們的精度和溫度穩定性提出專門的要求。由於新的方法是逐周地運作的，當負載突然變化時，可以確保對於占空比變化的響應速度的性能是優異的。而且，在AC/DC轉換器中，占空比可以隨著AC電網電壓而改變。因此這個系列的器件既適合於開關型DC/DC轉換器，也適合於開關型AC/DC轉換器。
　　參考文獻