反激變換器副邊同步整流控制器STSR3應用電路詳解

摘要：為大幅度提高小功率反激開關(guān)電源的整機效率，可選用副邊同步整流技術(shù)取代原肖特基二極管整流器。它是提高低壓直流輸出開關(guān)穩(wěn)壓電源性能的最有效方法之一。

關(guān)鍵詞：反激變換器；副邊同步整流控制器STSR3；高效率變換器

1    概述

    本文給出ST公司2003年新推出的開關(guān)電源IC產(chǎn)品STSR3應用電路分析。它是反激變換器副邊同步整流控制器，具有數(shù)字控制的智能IC驅(qū)動器。采用STSR3作同步整流控制芯片的反激變換器基本電路簡化結(jié)構(gòu)見圖1。STSR3的內(nèi)部功能方框見圖2，其引腳排列見圖3。

圖1    STSR3典型應用電路簡化示意圖

圖2    STSR3內(nèi)部功能方框圖

圖3    STSR3各引腳排列圖

    STSR3智能驅(qū)動器IC可提供大電流輸出，以正常地驅(qū)動副邊的功率MOSFET，使之作為大電流輸出的高效率反激變換器中的同步整流器。根據(jù)取自隔離變壓器副邊的一個同步時鐘輸入，IC產(chǎn)生一個驅(qū)動信號，它具有與原邊PWM信號相關(guān)的死區(qū)時間設(shè)置。

    在原邊開關(guān)導通時，IC的工作可防止副邊發(fā)生錯誤狀態(tài)，它提供預期的輸出截止狀態(tài)。這個智能的功能實現(xiàn)了快速的逐周邏輯控制機制，它是建立在高頻振蕩器由時鐘脈沖信號來同步。該項預置可由IC外部元件來調(diào)節(jié)。

    經(jīng)傳感檢測同步整流器的源極—漏極電壓脈沖。這個特殊的禁止功能可以關(guān)閉驅(qū)動輸出，因此當有必要時即刻關(guān)掉它。該特性使電源能工作在非連續(xù)導通模式下，及避免與變換器并聯(lián)工作的同步整流器反向?qū)ā?

    STSR3允許開關(guān)電源工作在非連續(xù)模式PWM，連續(xù)模式PWM，以及在準諧振狀態(tài)的反激變換器，均能實現(xiàn)同步整流任務。

    STSR3的封裝如圖3所示的SO-8片狀部件，各引腳的符號與功能概述如下：

    腳1    N/C，它并不接內(nèi)電路；

    腳2    V_CC，供電輸入4～5.5V；

    腳3    SET_ANT，設(shè)置預期的關(guān)斷輸出；

    腳4    CK，為IC工作的同步信號；

    腳5    INHIBT，接非連續(xù)模式檢測器；

    腳6    SGLGND，所有控制邏輯信號的基準地線；

    腳7    OUT_GATE，輸出去MOSFET柵極驅(qū)動；

    腳8    PWRGND，功率信號的基準地電平。

2    STSR3的應用電路分析

    STSR3同步整流器控制器具體應用于一種90W筆記本電腦穩(wěn)壓電源的實際電路見圖4，其直流輸出為＋19V，4.74A。開關(guān)電源是反激式變換器，原邊主芯片采用復合PFC/PWM新品CM6805。圖4中給出了詳細的阻容數(shù)值。下面分別介紹STSR3在電路設(shè)計上的一些特點。

圖4    采用STSR3作副邊同步整流控制器的實際應用電路圖之一 [!--empirenews.page--]

2.1    IC供電V_cc和欠壓閉鎖輸出

    STSR3的V_cc供電范圍是4～5.5V，其內(nèi)部有一個齊納二極管限制最大的供電電壓為5?8V。需要外接一只100nF瓷介電容器連在腳2（V_cc）與腳6（SGLGND）之間，以確保穩(wěn)定供電。該高頻電容器應盡量緊靠芯片。而用另一只100nF瓷介電容器接在腳2（V_cc）與腳8（PWMGND）之間。欠壓閉鎖輸出特性保證了正常的起動，避免了萬一在V_cc過低時不希望的驅(qū)動工作狀態(tài)。V_cc電壓也供給輸出端驅(qū)動器，因此最大的驅(qū)動電壓設(shè)在5.5V，所以推薦用邏輯柵極門限電平的MOSFET。

2.2    同步工作狀態(tài)

    STSR3具有一種革新的特性，即內(nèi)在設(shè)計使STSR3能工作在副邊沒有任何來自原邊的同步信號條件下。STSR3的同步是直接從副邊獲得的，它利用同步開關(guān)管MOSFET兩端上施加的電壓脈沖，作為開關(guān)轉(zhuǎn)換的傳遞信息。圖2中同步信號從腳4（CK）輸入，芯片內(nèi)部的門限電平設(shè)置在2.6V。在CK的輸入端接一個峰值檢波器，該單元電路能夠辨別原邊MOSFET開關(guān)轉(zhuǎn)換感應信號以及之后出現(xiàn)的正弦波形。它由非連續(xù)模式工作或者諧振復位形態(tài)引起，如圖5之中的死區(qū)時間內(nèi)波形所示。

(a)    峰值檢波器輸入

(b)    峰值檢波器輸出

圖5    非連續(xù)模式DCM工作波形

2.3    連續(xù)導通模式

    當反激變換器工作在連續(xù)導通模式（CCM）時，在同步MOSFET開關(guān)管源極與漏極之間的電壓脈沖已變?yōu)榫匦尾?，如圖6所示。該電壓可以用兩種不同的方式加到芯片腳CK上：一是用圖7中的電阻分壓器方法；二是用圖8中的一只二極管和拉住電阻器方法。在大多數(shù)情況下，當同步MOSFETA管關(guān)斷截止時，在電壓脈沖波形上會出現(xiàn)一個尖峰信號。在芯片腳CK輸入端，必須先消除這一尖峰電壓，以避免導致虛假同步觸發(fā)。在采用電阻分壓器R₁及R₂時，可再增加一只C₁高頻小電容器來消除尖峰電壓突起，如圖7所示。

圖6    連續(xù)導通模式（CCM）波形

圖7    用電阻分壓器的同步電路

圖8    用二極管D₁和R₁給腳4（CK）脈沖輸入

    反激變換器用于電信的一個典型例子，就是直流輸入電壓具有1：2的可變性范圍，典型值為36～72V。因此，副邊繞組電壓也有1：2的可變范圍。那么在36V輸入時，由分壓電阻器可計算出在腳CK的電壓約為2?8V；而當直流輸入為72V時，則腳CK電壓達到5?6V。即使該值高于腳CK的最大電壓也是可以接受的，因為它限制了流入該腳的電流為10mA。

    電容器C₁的數(shù)值取決于同步MOSFET管關(guān)斷尖峰的幅度，并隨R₁的數(shù)值而變化。為了減小因R₁和C₁兩者引起的延遲，應選用最小的電容值。

    在用電源適配器的反激變換器時，其電網(wǎng)輸入工作電壓為AC85～270V，它的可變范圍是1：3。在電網(wǎng)輸入電壓最低時，必須保證腳CK的電壓為2.8V；因此當電網(wǎng)輸入電壓為最高值時，電壓將達到8.9V，或者更高些。該電壓值超過了器件允許的最大值。如果通過R₁限制流入腳CK的電流值，使之低于腳CK允許的最大電流值，那么芯片仍然可以正常地工作。否則，必須加接二極管D₁，以保護芯片不受損。

    圖8給出了用二極管D₁和R₁拉住電阻器的同步電路圖，用這種電路不存在關(guān)斷尖峰和腳CK最高電壓的問題。由于同步整流器的漏極電壓出現(xiàn)振鈴，故該電路不能在非連續(xù)狀態(tài)下正常工作。 [!--empirenews.page--]

    通過增設(shè)一只NPN晶體管接在腳CK與腳SGLGND之間，如圖9所示，用一只二極管和拉住電阻器去同步STSR3的關(guān)斷電路，用Q1和R2接法來等效于電阻分壓器電路，可以容易地關(guān)斷STSR3。當圖9中信號“OFF”為高電平時，該三極管導通，迫使腳CK降到地電平。在這種條件下，OUT_GATE腳將變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)，從而關(guān)斷同步MOSFET開關(guān)管。

圖9    芯片增設(shè)的外部關(guān)閉電路

2.4    非連續(xù)導通模式

    正如前面圖5所示，在非連續(xù)模式工作狀態(tài)下，當檢測原邊開關(guān)轉(zhuǎn)換信號時，可能會存在一些問題。芯片內(nèi)部的峰值檢波器，只能確定腳CK達到的峰值，而忽略其他所有較低值的信號。查看圖5可知，應確保開關(guān)轉(zhuǎn)換波形與正弦波之間最小的電壓差為V₁=400mV時，也能讓峰值檢波器正常地工作。正像前面的敘述中提到的，如果輸入電壓可變范圍大于1：2，那么就必須增加二極管D₁，來箝位腳CK上的電壓。在這種條件下，無論是開關(guān)轉(zhuǎn)換波形，還是正弦波形都被箝位，使峰值檢波器不能正確工作，則易產(chǎn)生如圖10所示STSR3錯誤觸發(fā)時的驅(qū)動脈沖波形。這時若采用一個如圖11中所示的外部峰值檢波器電路，就能解決問題，使芯片在連續(xù)或非連續(xù)模式下均能正確工作。

(a)    峰值檢波器輸入

(b)    峰值檢波器輸出

圖10    錯誤箝位的異常驅(qū)動輸出

圖11    外部加設(shè)的峰值檢波器電路

2.5    外部峰值檢測器

    當輸入電壓可變范圍高于1：2時，可用圖11外峰值鐘檢測器，取代前面圖7中電路，以保證STSR3在非連續(xù)或連續(xù)導通模式下均正確工作，它向腳CK供純凈的矩形波。

    R₂₀是一只拉住電阻器，當同步整流MOSFET導通或者它的體二極管導通時，圖11中V₁電壓值是低電平。當MOSFET截止時（對應于原邊的開關(guān)時間），電壓V₁在5V值。圖11中的R₂₂和C₁₀構(gòu)成一個低通濾波器，甚至當振鈴脈沖幾乎為零值時（見圖12中波形），它也能具備正確的同步信號。但是，R₂₂和C₁₀又會引起不希望的延遲時間，所以，再增加R₂₁和C₉組合電路，就能在快速開關(guān)轉(zhuǎn)換時減小該延遲。ST公司的邏輯器件74V1T70可消除噪聲，防止它誤觸發(fā)STSR3內(nèi)部的峰值檢波器。在后面的敘述中會給出該電路的建議值。

圖12    當振鈴電壓接近零值時可能會引起IC錯誤觸發(fā)

2.6    禁止工作電路

    在二極管整流與同步整流之間存在著一種差異，即MOSFET導通時電流可能雙向流動，而二極管導通時電流只呈單方向。在非連續(xù)模式用二極管整流時，當電感器的電流降到零值，它也不能反向流動，若用MOSFET做整流器，當電感電流降到零，它將繼續(xù)減小變?yōu)樨撝?，并從同步MOSFET漏極流向源極。在這種條件下，變換器好像就工作在連續(xù)模式。

    若需工作在非連續(xù)模式，則當電感電流為零時，同步MOSFET應截止，故體二極管作共用整流器，避免電感電流反向。當該電流接近0時，腳INHIBIT能關(guān)斷同步MOS，使變換器工作在非連續(xù)模式。

    芯片在腳INHIBIT的內(nèi)部接了一個門限電平為－25mV的比較器。該腳外部通過一只電阻器接到同步MOSFET的漏極。在開始截止時間（此時CK處于低電平），OUT_GATE處于高電平。INHIBIT電壓的監(jiān)控時間為250ns：如果腳INHIBIT上的電壓高于－25mV，那么OUT_GATE變?yōu)榈碗娖?；如果腳INHIBIT電壓低于－25mV，那么OUTGATE保持高電平，直到其電壓達到－25mV為止。這是由于當同步MOSFET導通時，其漏極上電壓為V_DS=－R_DS(ON)×I_D。如果V_DS高于－25mV，這就意味電流在減小，并且接近非連續(xù)模式，所以O(shè)UT_GATE關(guān)斷，讓MOSFET的體二極管工作，見圖13。當變換器在連續(xù)模式時，腳INHIBIT電壓總是低于－25mV，則OUT_GATE保持高電平。

(a)    同步整流MOSFET源極—漏極電壓

(b)    電感電流

(c)    禁止INHIBIT工作電壓

(d)    同步整流MOSFET柵極電壓

圖13    禁止電路工作波形

    在原邊MOSFET轉(zhuǎn)換到關(guān)斷期間，腳INHIBIT電壓應在250ns之內(nèi)從高降到－25mV。選擇R₂₆阻值應適合該特性。當變換器與其他電源并聯(lián)工作時，腳INHIBIT檢測同步MOSFET兩端電壓，也避免變換器從輸出端吸入電流。

    雖然腳INHIBIT允許工作在非連續(xù)模式，但是在原邊開關(guān)管關(guān)斷期間，－25mV門限電平對同步整流MOSFET漏極出現(xiàn)的振鈴，可能是敏感的，會引起不完全的OUT_GATE導通。利用時鐘信號提供負極性電壓加到腳INHIBIT起消隱時間作用，就能避免這一不恰當?shù)那闆r。采用圖14中所示的一些元器件，可容易地產(chǎn)生該負極性電壓。消隱時間值由C₁₁和R₂₅確定。它對覆蓋振鈴時間結(jié)束是必要的，圖15中的振鈴信號由原邊開關(guān)截止時引起。（待續(xù)）

圖14    給INHIBIT提供負極性電壓的電路

圖15    關(guān)斷原邊開關(guān)管時的振鈴波形