基于IR1167的智能同步整流控制

引 言

隨著近年來數字處理電路電壓的不斷降低，電源功率密度的不斷提高，對于電源次級整流的要求越來越高。整流器件已從最初的肖特基二極管整流，發展到用同步整流開關管替代二極管，以降低功耗。目前，控制同步整流開關管的方法主要有分立式和基于鎖相環的控制芯片兩種。用分立元件實現同步整流的缺點是響應過慢，系統可靠性相對差。單芯片同步整流是基于鎖相環技術的，從初級取信號同步控制次級整流開關管，這種方法的缺點是不能保證在間隔模式(輕載或空載時發生)下可靠操作。

智能同步整流(smartrectifier )技術相對這兩種方法有明顯的優勢，它檢測的是次級開關管電壓，完全不依賴初級信號，并且響應很快。

同步整流

以一個6a/5v的反激型電路為例。如圖1所示，左圖為使用二級管作為次級整流器件，右圖為使用同步整流開關管作為整流器件。兩種方式的器件壓降、功耗和器件體積如表1所示。

然而，目前驅動同步整流開關管需要相對復雜的線路。最常見的方法有分立式自驅動和單芯片鎖相環兩種。

第一種方法的性能往往不是很好，原因是同步整流開關管的寄生二極管導通時間很長， 另一個原因是柵極驅動電壓是變化的。為了控制柵極驅動信號以防止它們在切換過程中出現同時導通的現象，必須采用特殊的電路，例如在副邊使用pwm控制器 ，或者使用耦合器件把切換信息從原邊傳送到副邊。這增加了電源轉換器的復雜程度。通常利用兩個電流傳感器，兩個高速比較器和兩個大電流、低延時的驅動器，響應慢，可靠性低。

單芯片鎖相環驅動方法利用初級關斷時在次級產生的電壓信號開啟同步整流開關管。這種方法需要較多的外圍元器件。當電路進入間隔模式，次級整流實際上并不與初級信號同步，這樣芯片只能采用邏輯方法禁止輸出，從而無法控制同步整流開關管，仍然依靠開關管寄生二極管整流。

智能同步整流原理

ir1167芯片中通過檢測整流開關管的漏源電壓，與三個內部闕值電平(參見圖3)vth1 、vth2 和vth3比較，選擇合適時機，讓同步整流開關管開通和關斷。

開通同步整流開關管

ir1167的應用如圖2所示，以單端反激型電路斷續模式為例。當初級開關關斷后，電流轉移到次級的同步整流開關管的寄生二極管（此時開關管尚未開通），如圖4所示id_sec，這將產生一個較高的負向vds_sec電壓（遠高于因電流流過導通電阻產生的壓降）。此負向電壓將會達到ir1167開通比較電平闕值vth2，使同步整流開關管開通，電流流過開關管導通溝道，vds壓降下降。伴隨這個壓降下降過程的是一些電壓抖動，這可能使得開關管 vds 下降到vth1，使開關管再次關斷。所以，ir1167芯片加入最小導通時間來防止誤關斷。這個最小導通時間可通過一個外部電阻設定。

同時，這個可編程的最小導通時間（mot）限制了次級最小占空比，相當于限制了初級的最大占空比。

關斷同步整流開關管(反激型電路斷續模式)

同步整流開關管開通后，由于整流過程中電流逐漸減小，vds的絕對值也會減小，當它減小到vth1時，開關管關斷。不同的模式，關斷的情況有所不同。

在斷續模式下，關斷時的di/dt相對較低。一旦達到關斷條件( vds減小到關斷闕值vth1)，殘余的電流轉到寄生二極管， vds上升， vds可能會達到vth2 ，這會導致誤開通。所以在關斷開關管后，ir1167內部設置了消隱時間tblank (如圖4所示) ，保證在關斷后的消隱時間內不做動作。當vds 達到 vth3后，消隱時間結束，ir1167復位，為下一個開關周期做好準備。

關斷同步整流開關管(反激型電路連續模式)

如圖5，電路工作在連續模式，整流過程中電流逐漸減小， vds也會隨之減小。當初級開關再次開通，通過次級同步整流開關管的電流會迅速減小，使 vds減小至vth1 ，整流開關管關斷。與另兩種模式所不同的是，在連續模式下，會有剩余電流從次級轉移到初級。所以，關斷時機在連續模式中更為重要以避免初級和次級同時導通。同時，準確的關斷有利于減小開關損耗。顯然， 在電流到零時是關斷整流開關管的最佳時機。考慮到ir1167內部邏輯延時 (規格書中所示tdoff) 和門極完全放電時間(門極回路時間常數的三倍，t_{gate off}=(r_{g fet}+r_{g}+r_{down}) c_{sync}式中三個阻值分別為開關管門極阻抗、外部門極阻抗和驅動下拉阻抗)，應提前給出關斷信號。 時間常數通常在 100ns以內。

智能同步整流技術優勢

降低開關損耗

圖6為用ir1167驅動同步整流開關管時的門極特性圖。定義門極總電荷qg 、門極到漏極電荷 qgd 以及對應的門極電壓vgs。因為ir1167是使整流開關管的寄生二極管先通過電流，再打開開關管。開關管打開前漏源電壓已經降低，所以開通電荷不包括密勒電荷。圖6中黑線為常規的開關開通時門極特性曲線，虛線所示為應用ir1167時開關開通的情況。前者所需開通電荷為qg，后者所需的開通電荷為qg qgd，這樣就降低了開關損耗，提高了系統效率。