反激变换器副边同步整流控制器STSR3应用电路详解

摘要：为大幅度提高小功率反激开关电源的整机效率，可选用副边同步整流技术取代原肖特基二极管整流器。它是提高低压直流输出开关稳压电源性能的最有效方法之一。 关键词：反激变换器；副边同步整流控制器STSR3；高效率变换器 2.7 预置时间（tant）防止原边和副边共态导通 实现同步整流的一个主要难题，是确保控制IC送出的驱动信号正确无误，以?止在副边的同步整流器与原边开关管之间出现交叉的“共态导通”。其示意图可见图16中波形。当原边MOSFET导通时，图16中电压Vs倾向于负极性。如果副边同步MOSFET关断时带有一些延迟，那么在原边和副边之间就会出现一个短路环节。为了避免这种不希望的情况发生，在原边MOSFET导通之前，同步MOSFET必须是截止的，这表明有必要设置一定量的“预置”时间tant。 图17给出了详细展开的正常工作情况时，CK时钟信号与OUTGATE输出驱动信号之间的定时关系图。芯片内部的定时tant提供了所需要的预置时间，从而避免了共态导通的出现。按表1的供电条件使用脚SETANT，tant有三种不同的选择值。在脚SETANT外接电阻分压器供电，可得到表1中所需的该脚电压值和预置时间。 芯片内的数字控制单元产生这些预置时间，是通过计算在开关周期之中包含的高频脉冲数目来完成的。由于该系统具有数字性能，在计数过程中会丢失一些数位，从而导致输出驱动信号中发生跳动。表1中的预置时间值是一个平均值，考虑了这种跳动因素。图18给出了OUTGATE关断期间的跳动波形。 2.8 空载与轻载工作状态 当占空比<14％时，STSR3的内部特性能使OUTGATE关闭，并且切断芯片内部大多数电路供电，从而减小器件的功耗。在这种条件下，变换器的低输出电流，是由同步MOSFET的体二极管来完成的。当占空比>18％时，IC再次起动，所以具有4％的滞后量。当原边的PWM控制器在极轻输出负载下发生突发状态时，这种特性仍能维持STSR3系统正确工作。 输出驱动器具有承受大电流的能力，源极峰值达2A，加散热器后可达3A。因此同步MOSFET开关极快，允许并联几只MOSFET以减小导通损耗。在供电期间的高电平是Vcc，所以芯片只驱动具有逻辑电平栅极门限的MOSFET。 2.9 瞬态特征及实测波形 在负载发生大变化时，占空比可在几个开关周期里从低值极快地变为高值，反之亦然。但OUTGATE给出的预置时间，是根据计算开关周期（频率），而非依据占空比。即使在占空比快速变化时，它也能正确地提供预置时间，从而始终为同步MOSFET提供正确的驱动。图19给出了占空比在一个周期里从50％变成80％，随即又返回50％时的测量波形。图20给出了OUTGATE正确提供的预置时间，从图中看到是131ns。 2.10 同步整流控制器STSR3的典型应用电路图 图21给出了STSR3的典型应用电路板测试图。该电路可替代反激变换器中的整流二极管，用外部时钟检测器进行同步，可用于各种类型的反激变换器，例如AC/DC或者DC/DC。图中的一些电路不是必需的，例如，当原边开关截止时如果没有振铃出现，那么R24，D15，R25和C11就可以删掉。用TO220塑壳封装的同步MOSFET可装配在电路板上。ST公司提供的适合作同步整流的MOSFET产品型号、规格列在表2中。 表2 ST公司提供的专用于同步整流器超低导通电阻的MOSFET新品规格 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 该电路板，能在反激式变换器中，很容易地将二极管整流改变为MOSFET同步整流。 2.11 主芯片STSR3印刷电路板的设计布局 任何一种高频开关电源，都需要一个良好的PCB设计布局，以实现整机系统性能的最高指标，并解决干扰的辐射传导问题。电路板上元器件的排放位置、引脚走线和宽度等，都是主要的课题。本文将给出一些基本的规则，使PCB设计者能制作出良好的STSR3电路板布局。 图21 在PCB上画线时，所有电流的走线都应尽量缩短和加粗，使走线电阻和寄生电感为最小值，以增进系统的效率和降低干扰的辐射传导。电流返回的路径安排是另一个有决定意义的课题。信号的地线SGLGND与功率地线PWRGND应分别布线，并且都接芯片的信号地线脚。印刷电路板各元器件布局如图22所示。 图22 由于脚INHIBIT接芯片内部－25mV比较器，它对布线较敏感，所以要使板上接INHIBIT的连线尽可能缩短。作为经验，信号电流的走线应远离脉冲电流或快速开关电压的走线，以避免在它们之间出现耦合效应。 图23给出了从元器件焊接的正面（即顶部端）看到的印制板铜箔（按1：1面积尺寸）的绘线布局；图24则给出了印制板背面（即底部端）铜箔绘线，有十几个园形穿孔点。 2.12 怎样用STSR3控制板便捷替换原二极管 图25给出了用简便方法，在原有反激变换器上，去掉已安装的副边整流二极管，换上同步整流STSR3控制板的示意图。如果原Vout等于或大于5V，就把新板上的Vs电压线接到Vout；若它低于5V，仍把Vs接到MOS漏极。 图25 3 结语 专用于控制同步整流的新器件已问世，它能提高AC/DC或DC/DC反激式变换器的效率。STSR3对于原边PWM控制器是完全透明的，它工作在副边。该器件能工作在?何拓扑结构，为同步MOSFET开关管提供正确的驱动信号。以上介绍的控制板在任意现存的反激变换器上，均能以简单有效的方法实现同步整流。（续完）