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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電源的整機效率，可選用副邊同步整流技術取代原肖特基二極管整流器。它是提高低壓直流輸出開關穩壓電源性能的最有效方法之一。關鍵詞：反激變換器；副邊同步整流控制器STSR3；高效率變換器
2.7預置時間（tant）防止原邊和副邊共態導通
實現同步整流的一個主要難題，是確保控制IC送出的驅動信號正確無誤，以?止在副邊的同步整流器與原邊開關管之間出現交叉的“共態導通”。其示意圖可見圖16中波形。當原邊MOSFET導通時，圖16中電壓Vs傾向于負極性。如果副邊同步MOSFET關斷時帶有一些延遲，那么在原邊和副邊之間就會出現一個短路環節。為了避免這種不希望的情況發生，在原邊MOSFET導通之前，同步MOSFET必須是截止的，這表明有必要設置一定量的“預置”時間tant。
圖17給出了詳細展開的正常工作情況時，CK時鐘信號與OUTGATE輸出驅動信號之間的定時關系圖。芯片內部的定時tant提供了所需要的預置時間，從而避免了共態導通的出現。按表1的供電條件使用腳SETANT，tant有三種不同的選擇值。在腳SETANT外接電阻分壓器供電，可得到表1中所需的該腳電壓值和預置時間。
芯片內的數字控制單元產生這些預置時間，是通過計算在開關周期之中包含的高頻脈沖數目來完成的。由于該系統具有數字性能，在計數過程中會丟失一些數位，從而導致輸出驅動信號中發生跳動。表1中的預置時間值是一個平均值，考慮了這種跳動因素。圖18給出了OUTGATE關斷期間的跳動波形。
2.8空載與輕載工作狀態
當占空比<14％時，STSR3的內部特性能使OUTGATE關閉，并且切斷芯片內部大多數電路供電，從而減小器件的功耗。在這種條件下，變換器的低輸出電流，是由同步MOSFET的體二極管來完成的。當占空比>18％時，IC再次起動，所以具有4％的滯后量。當原邊的PWM控制器在極輕輸出負載下發生突發狀態時，這種特性仍能維持STSR3系統正確工作。
輸出驅動器具有承受大電流的能力，源極峰值達2A，加散熱器后可達3A。因此同步MOSFET開關極快，允許并聯幾只MOSFET以減小導通損耗。在供電期間的高電平是Vcc，所以芯片只驅動具有邏輯電平柵極門限的MOSFET。
2.9瞬態特征及實測波形
在負載發生大變化時，占空比可在幾個開關周期里從低值極快地變為高值，反之亦然。但OUTGATE給出的預置時間，是根據計算開關周期（頻率），而非依據占空比。即使在占空比快速變化時，它也能正確地提供預置時間，從而始終為同步MOSFET提供正確的驅動。圖19給出了占空比在一個周期里從50％變成80％，隨即又返回50％時的測量波形。圖20給出了OUTGATE正確提供的預置時間，從圖中看到是131ns。
2.10同步整流控制器STSR3的典型應用電路圖
圖21給出了STSR3的典型應用電路板測試圖。該電路可替代反激變換器中的整流二極管，用外部時鐘檢測器進行同步，可用于各種類型的反激變換器，例如AC/DC或者DC/DC。圖中的一些電路不是必需的，例如，當原邊開關截止時如果沒有振鈴出現，那么R24，D15，R25和C11就可以刪掉。用TO?220塑殼封裝的同步MOSFET可裝配在電路板上。ST公司提供的適合作同步整流的MOSFET產品型號、規格列在表2中。
表2ST公司提供的專用于同步整流器超低導通電阻的MOSFET新品規格
P/N
VDss/V
RDS(on)@5V/mΩ
ID(cont)/A
STP100NF03L－03
30
4.5
100
STP80NF03L－04
30
5
80
STP90NF03L
30
12
90
STP85NF3LL
30
9
85
STP70NF3LL
30
12
70
STP100NF04L
40
5
100
STP80NF55L－06
55
8
80
STP60NF06L
60
16
60
STP80NF75L
75
13
80
STP40NF10L
100
36
40
該電路板，能在反激式變換器中，很容易地將二極管整流改變為MOSFET同步整流。
2.11主芯片STSR3印刷電路板的設計布局
任何一種高頻開關電源，都需要一個良好的PCB設計布局，以實現整機系統性能的最高指標，并解決干擾的輻射傳導問題。電路板上元器件的排放位置、引腳走線和寬度等，都是主要的課題。本文將給出一些基本的規則，使PCB設計者能制作出良好的STSR3電路板布局。
圖21
在PCB上畫線時，所有電流的走線都應盡量縮短和加粗，使走線電阻和寄生電感為最小值，以增進系統的效率和降低干擾的輻射傳導。電流返回的路徑安排是另一個有決定意義的課題。信號的地線SGLGND與功率地線PWRGND應分別布線，并且都接芯片的信號地線腳。印刷電路板各元器件布局如圖22所示。
圖22
由于腳INHIBIT接芯片內部－25mV比較器，它對布線較敏感，所以要使板上接INHIBIT的連線盡可能縮短。作為經驗，信號電流的走線應遠離脈沖電流或快速開關電壓的走線，以避免在它們之間出現耦合效應。
圖23給出了從元器件焊接的正面（即頂部端）看到的印制板銅箔（按1：1面積尺寸）的繪線布局；圖24則給出了印制板背面（即底部端）銅箔繪線，有十幾個園形穿孔點。
2.12怎樣用STSR3控制板便捷替換原二極管
圖25給出了用簡便方法，在原有反激變換器上，去掉已安裝的副邊整流二極管，換上同步整流STSR3控制板的示意圖。如果原Vout等于或大于5V，就把新板上的Vs電壓線接到Vout；若它低于5V，仍把Vs接到MOS漏極。
圖25
3結語
專用于控制同步整流的新器件已問世，它能提高AC/DC或DC/DC反激式變換器的效率。STSR3對于原邊PWM控制器是完全透明的，它工作在副邊。該器件能工作在?何拓撲結構，為同步MOSFET開關管提供正確的驅動信號。以上介紹的控制板在任意現存的反激變換器上，均能以簡單有效的方法實現同步整流。（續完）
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