简化隔离式开关电源同步整流器设计的一种智能型驱动器

　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。

　　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。

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。