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 - 2

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T_S）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T_S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。

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T_S更新。
　　OUT₂由高平转变为低电平的提前量的数值为x₂．T_I ，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T_ON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T_ON。
　　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．T_I。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。

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）。

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： V_ds = -R_ds(on)．D漏极。如果 V_ds 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V_ds ，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R_ds(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。