引 言

随着近年来数字处理电路电压的不断降低,电源功率密度的不断提高,对于电源次级整流的要求越来越高。整流器件已从最初的肖特基二极管整流,发展到用同步整流开关管替代二极管,以降低功耗。目前,控制同步整流开关管的方法主要有分立式和基于锁相环的控制芯片两种。用分立元件实现同步整流的缺点是响应过慢,系统可靠性相对差。单芯片同步整流是基于锁相环技术的,从初级取信号同步控制次级整流开关管,这种方法的缺点是不能保证在间隔模式(轻载或空载时发生)下可靠操作。

智能同步整流(smartrectifier )技术相对这两种方法有明显的优势,它检测的是次级开关管电压,完全不依赖初级信号,并且响应很快。

同步整流

以一个6a/5v的反激型电路为例。如图1所示,左图为使用二级管作为次级整流器件,右图为使用同步整流开关管作为整流器件。两种方式的器件压降、功耗和器件体积如表1所示。

然而,目前驱动同步整流开关管需要相对复杂的线路。最常见的方法有分立式自驱动和单芯片锁相环两种。

第一种方法的性能往往不是很好,原因是同步整流开关管的寄生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。为了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,必须采用特殊的电路,例如在副边使用pwm控制器 ,或者使用耦合器件把切换信息从原边传送到副边。这增加了电源转换器的复杂程度。通常利用两个电流传感器,两个高速比较器和两个大电流、低延时的驱动器,响应慢,可靠性低。

单芯片锁相环驱动方法利用初级关断时在次级产生的电压信号开启同步整流开关管。这种方法需要较多的外围元器件。当电路进入间隔模式,次级整流实际上并不与初级信号同步,这样芯片只能采用逻辑方法禁止输出,从而无法控制同步整流开关管,仍然依靠开关管寄生二极管整流。

智能同步整流原理

ir1167芯片中通过检测整流开关管的漏源电压,与三个内部阙值电平(参见图3)vth1 、vth2 和vth3比较,选择合适时机,让同步整流开关管开通和关断。

开通同步整流开关管

ir1167的应用如图2所示,以单端反激型电路断续模式为例。当初级开关关断后,电流转移到次级的同步整流开关管的寄生二极管（此时开关管尚未开通）,如图4所示id_sec,这将产生一个较高的负向vds_sec电压（远高于因电流流过导通电阻产生的压降）。此负向电压将会达到ir1167开通比较电平阙值vth2,使同步整流开关管开通,电流流过开关管导通沟道,vds压降下降。伴随这个压降下降过程的是一些电压抖动,这可能使得开关管 vds 下降到vth1,使开关管再次关断。所以,ir1167芯片加入最小导通时间来防止误关断。这个最小导通时间可通过一个外部电阻设定。

同时,这个可编程的最小导通时间（mot）限制了次级最小占空比,相当于限制了初级的最大占空比。

关断同步整流开关管(反激型电路断续模式)

同步整流开关管开通后,由于整流过程中电流逐渐减小,vds的绝对值也会减小,当它减小到vth1时,开关管关断。不同的模式,关断的情况有所不同。

在断续模式下,关断时的di/dt相对较低。一旦达到关断条件( vds减小到关断阙值vth1),残余的电流转到寄生二极管, vds上升, vds可能会达到vth2 ,这会导致误开通。所以在关断开关管后,ir1167内部设置了消隐时间tblank (如图4所示) ,保证在关断后的消隐时间内不做动作。当vds 达到 vth3后,消隐时间结束,ir1167复位,为下一个开关周期做好准备。

关断同步整流开关管(反激型电路连续模式)

如图5,电路工作在连续模式,整流过程中电流逐渐减小, vds也会随之减小。当初级开关再次开通,通过次级同步整流开关管的电流会迅速减小,使 vds减小至vth1 ,整流开关管关断。与另两种模式所不同的是,在连续模式下,会有剩余电流从次级转移到初级。所以,关断时机在连续模式中更为重要以避免初级和次级同时导通。同时,准确的关断有利于减小开关损耗。显然, 在电流到零时是关断整流开关管的最佳时机。考虑到ir1167内部逻辑延时 (规格书中所示tdoff) 和门极完全放电时间(门极回路时间常数的三倍,t_{gate off}=(r_{g fet}+r_{g}+r_{down}) c_{sync}式中三个阻值分别为开关管门极阻抗、外部门极阻抗和驱动下拉阻抗),应提前给出关断信号。 时间常数通常在 100ns以内。

智能同步整流技术优势

降低开关损耗

图6为用ir1167驱动同步整流开关管时的门极特性图。定义门极总电荷qg 、门极到漏极电荷 qgd 以及对应的门极电压vgs。因为ir1167是使整流开关管的寄生二极管先通过电流,再打开开关管。开关管打开前漏源电压已经降低,所以开通电荷不包括密勒电荷。图6中黑线为常规的开关开通时门极特性曲线,虚线所示为应用ir1167时开关开通的情况。前者所需开通电荷为qg,后者所需的开通电荷为qg qgd,这样就降低了开关损耗,提高了系统效率。