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            隔離開關電源同步整流器數字控制與驅動技術


            &nbs震動落砂機p;1 引言

                在主PWM控制器位于初級側的低DC輸出電壓隔離型開關電源(SMPS)中,通常采用專門設計的MOSFET作為同步整流器(SR)。作為SR使輸送系統用的MOSFET具有非常小的導通損耗,有助于提高系統效率。

                在初級側控制的隔離SMPS拓撲中,由于在隔離變壓器次級側沒有PWM控制信號,故欲產生適當的SR控制信號顯得比較困難。但是,可以從變壓器次級輸出獲得有關數據。由于電路寄生元件的存在,同步信號在從隔離變壓器輸出分離細碎制砂機(withdrawn)時,相對于初級PWM信號會發生延遲,并且在不連續導通模式(DCM)狀態會出現振蕩。因此,為SR提供驅動的控制電路必須能避免發生錯誤的操作。

                在初級側控制的隔離拓撲中,為驅動SR需要適當的控制電路,以處理同步時鐘信號(clock)從振網篩隔離變壓器的輸出移開,解決驅動信號相對于時鐘輸入的定時等問題。若對SR控制不當,在兩個器件之間會發生“跨越導通”(crossconduction)。同時,在隔離拓撲的次級由于相對于初級主開關(MOSFET)驅動信號的延遲,會在相關元件之間形成短路,發生“貫通”(shootthrough)現象。產生貫通的機理,具體取決于變換器拓撲結構。

            &喂料機nbsp;   2同步整流器的數字控制方法

                在用作產生SR驅動信號的方案中,首推砂石料篩分設備數字控制方法。

              &nbs網篩p; 2.1系統基本結構

                SR數字控制系統一般由振蕩器(OSC)、限定狀態機構(FiniteStatesMachine,簡寫FSM)、兩個耦合的向上/向下(UP/DOWN)計數器和兩個控制輸出邏輯等單元電路所組成,系統框圖如圖1所示。 &nls螺旋輸送機bsp;

            膠帶機點擊此處查看全部新聞圖片 

                控制電路有3個輸入和2個輸出。其中,2個輸出為隔離變換器次級2只MOSFETs提供振動放礦機互補驅動信號,3個輸入包括1個時鐘信號和2個輸出的期望(anticipation)時間設定。不論是接通還是關斷,2個輸出OUT1和OUT2沒有任何交迭。開關頻率為fs的方波信號出現在時鐘輸入端,期望的定時通過外部有關輸入設定。2個計數器工作方式及作用不同:DOWN計數器用于處理輸出截止,UP計數器連續獲取OUT2開關周期期間或OUT1接通時間內的有關數據。控制系統根據前面周期內存儲的有關信息,在開關周期截止期內的輸出被預先處理。采用這種控制方法,開關周期和接通時間(tON)被逐周連續監測。

            &自動化輸送設備nbsp;   2.2穩定條件

                在穩態條件(固定頻率和固定占空比)下,兩個開關周期中與輸出OUT2相關的波形如圖2所示。反擊破碎機 

            點擊此處查看全部新聞圖片  復合破碎機 

                在第1個開關周期(TS1)內,在時鐘輸入的上升沿上,兩個(UP/DOWN)計數器中第1個開始計算內部時鐘(CK)脈沖。在接下來的一個時鐘輸入的上升沿(TS1結束)上,計數器停止計算。計算過的脈沖數目(n2)把開關周期的持續時間考慮在內。所存儲的數據,在下一個開關周期棒磨式制砂機中被利用。

                在第2個開關周期中,在內部時鐘輸入的上升沿上,第1個計數器由大到小計算(countsDOWN)內部時鐘脈沖,并且在計算到(n2-x2)個脈沖時終止。第2個計數器計算新的尚未計算的內部時鐘脈沖,并適時修正開關周期(TS)期間的有關數據。OUT2超前截止總量為X2·TI(TI為內部時鐘脈沖周期),并通過OUT2預期時間輸入設定。計數器UP或DOWN在每個周期內的功能,相對于先前周期被交換。刮板輸送

                為預期關斷OUT1,另外兩個UP/DOWN計數器將考慮計及接通時間(tON)期間的有關數據,相關波形如圖3所示。   

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                在第1個開關周期內,第1個計數器在時鐘輸入上升沿上開始計數,并且在時鐘輸入下降沿上停止。其間計算的脈沖數量為n1,只計及tON時間之內的脈沖數。

                在第2個開關周期內,第1個計數器遞減計數,在計算到n1-x1時停止。關斷OUT1的超前時間總計為x1·Ti,并由OUT1預期時間輸入設定。第2個計數器向上(由小到大)計算時鐘輸入上升沿與下降沿之間的脈沖數目。

                2.3變化條件

                2.3.1開關頻率發生變化

             當開關頻率(fs)發生變化時,對于輸出OUT2而言,可能存在三種情況:

                1)TS1>TS2

                當第2個開關周期TS2小于先前周期TS1時,OUT2的截止發生延遲,相對于時鐘輸入沒有超前,而是隨時鐘輸入的前沿強迫關斷。圖4示出了該條件下的相關波形。

                2)TS1>TS2

              關波形如圖5所示。在此情況下,OUT2發生提前關斷。MOSFET體二極管的導通時間恰為一個周期,效率損失非常小。  

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                3)TS1<tON2

                當第2個個開關周期的接通時間tON2大于前面的開關周期TS1時,相關波形如圖6所示。在此情況下,OUT2保持截止,MOSFET體二極管的導通時間雖然不是最小,但只引起很小的效率損失。

                2.3.2占空比發生變化

                對于輸出OUT1,當接通時間tON發生變化時,可能會出現兩種不同的情況:

                1)tON1>tON2當第1個開關周期的接通時間tON1大于第2個開關周期的接通時間tON2時,時鐘輸入、內部時鐘和輸出OUT1波形定時圖如圖7所示。在此情況下,OUT1的關斷被延時,相對于時鐘輸入沒有提前,總是在時鐘輸入的下降沿上即時截止。

                2)tON1上述的方法通過對前一個周期的測量來確定下一個周期的動作,履行逐周控制。預期關斷同步整流器MOSFET的內部時鐘脈沖總數是X1或X2。內部振蕩器頻率(fi)越高,預期時間精度也就越高。

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                3STSRx系列智能驅動器ICs

                STSRx系列IC是ST公司為驅動隔離SMPS中的同步整流器而專門設計的器件。該系列ICs的時鐘信號從隔離變壓器的次級輸出獲取,為驅動用作SR的1只或2只MOSFETs,輸出適當的控制信號。

                3.1STSR2

                STSR2用作驅動單端正向拓撲中的兩個同步整流器。該IC包含前面所敘述的控制系統,內置兩個大電流N溝道MOSFET驅動器和一個時鐘緩沖器等單元電路。STSR2的引腳名稱及其應用電路如圖9所示。

                STSR2的引腳功能如下:

                VCC電源電壓,范圍為4.5~5.5V;

                PWRGND和SGLGND分別為功率信號和控制邏輯信號的參考端;

                CLOCK同步信號輸入;

                OUTGATE1/22個大電流互補輸出。由于IC自身產生死區時間,在兩個開通時間之間不存在任何交迭;

                SETANT2為OUTGATE2設定預期截止時間(有4種不同的期望時間可供選擇);   

                

                INHIBIT當該腳輸入高于非常低的一個門限電壓時,OUTGATE2使能。在正向變換器應用中,迫使OUTGATE2的接通時間減至最小。

                3.2STSR3

                STSR3是為驅動在回掃式拓撲中的一個SR而專門設計的控制IC,其引腳名稱(符號)及應用電路如圖10所示。STSR3與STSR2比較,主要區別是STSR3僅有一個大電流柵極驅動輸入(OUTGATE)。 

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             3.3STSR4

                STSR4是指定用于驅動推挽、半橋或全橋式雙端輸出拓撲結構中SR的控制IC。該器件的典型應用電路如圖11所示。STSR4含有兩個大電流N溝道MOSFETs驅動器輸出,同時有兩個時鐘輸入(CLOCK1和CLOCK2),分別接收來自隔離變壓器次級繞組上的時鐘信號。

                STSR2、STSR3和STSR4在不同類型的隔離式拓撲結構應用中,都是從變壓器的次級輸出獲得時鐘信號,對作為SR使用的一只或兩只MOSFETs產生恰當的柵極驅動信號,完全解決了在控制SR中易于出現的全部問題,有效地提高了系統穩定性和可靠性。

                

                

                4結語

                在隔離SMPS拓撲中,用于驅動SR的數字控制/驅動技術,相對于需要附加磁復位技術的所謂“自驅動同步整流”方法來說,具有許多優點。數字控制方法主PWM控制器在初級側的SMPS隔離拓撲中,為利用直接來自于變壓器次級輸出的同步數據提供了便利。數字控制方法所提供的驅動信號數值,總是能與MOSFETs的柵極范圍相一致,可使MOSFETs體二極管的導通時間盡可能短。通過采用一些附加技術,能允許變換器在DCM操作。采用數字方法,有效地解決了被認為與SR驅動信號產生有關的“跨越導通”和“貫通”等關鍵問題。

                采用帶有較少引腳的STSRx系列ICs,可使SR數字控制電路大為簡化。對于ICs外部元件,其中包括SETANT腳外部用作設定預期時間的電阻,在精度和溫度特性等方面沒有嚴格的要求。STSRx系列ICs,對于來自變換器開關頻率和占空比的突然變化,具有快速瞬態響應特性。

                所有其它有關SR控制的技術,如模擬控制方法等都存在不少缺點。其控制電路中的很多元件,諸如電容器等,要求具有嚴格的容差和穩定性。而利用鎖相環(PLL)技術,也需要大量元件,且同步器件帶有較多的引腳。另外這種控制方法,對于開關頻率和占空比的擾動,瞬態響應速度也相對比較慢。

                STSRx系列ICs的推出,為SMPS隔離拓撲中同步整流器的控制與驅動,提供了有效的手段和便利。   

             

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