中心論題：
- Soxyless原理
- 功率MOSFET模型
- 典型應(yīng)用和仿真
- Soxyless實(shí)現(xiàn)
- 硅集成實(shí)現(xiàn)
解決方案：
- 已經(jīng)開(kāi)發(fā)出專(zhuān)用的功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器
- 功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器由混合的推挽輸出電路組成
- 電路的工作原理如同有源電壓鉗位網(wǎng)絡(luò)
在工作于自激振蕩模式的SMPS中，需要檢測(cè)磁芯的完全去磁狀態(tài)。去磁檢測(cè)的最新技術(shù)基于對(duì)與變壓器主繞組耦合的輔助繞組的使用。此繞組可對(duì)磁芯實(shí)際去磁后出現(xiàn)的零電壓進(jìn)行檢測(cè)(ZCD)。在準(zhǔn)諧振工作中，重新啟動(dòng)新一輪導(dǎo)通周期的最佳時(shí)機(jī)位于功率MOSFET漏極電壓的“谷點(diǎn)”處。電壓ZCD和漏極電壓谷點(diǎn)之間的時(shí)間間隔取決于漏極振鈴周期。
本文描述了一種被稱(chēng)為SOXYLESS的新技術(shù)，它無(wú)需采用輔助繞組和時(shí)間補(bǔ)償元件就能進(jìn)行“谷點(diǎn)”檢測(cè)。
Soxyless原理
圖1表明了反激SMPS的功率MOSFET漏極上的電壓 。
為了工作在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通準(zhǔn)諧振狀態(tài)，最佳時(shí)刻必須和漏極電壓的“谷點(diǎn)”相對(duì)應(yīng)。此事件和存儲(chǔ)在漏極總電容中的最小能量相重合：
開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)該能量越小，SMPS的損耗和干擾就越小。
“谷點(diǎn)”檢測(cè)基于對(duì)流經(jīng)功率MOSFET柵極節(jié)點(diǎn)的電流的測(cè)量。在功率MOSFET漏極上出現(xiàn)的平坦電壓末端，電壓的變化由Lp變壓器電感與漏極上的總電容之間傳輸?shù)闹C振能量決定。當(dāng)電壓由平坦電平下降至SMPS的VIN dc電壓時(shí)，MOSFET漏極上的振蕩電壓便會(huì)發(fā)生變化。在柵極和漏極之間，形成一個(gè)固有的MOSFET電容。因此，便產(chǎn)生一個(gè)電流流經(jīng)功率MOSFET柵極。
施加到電容上的電壓源提供對(duì)電壓有負(fù)90°相移的電流。所以當(dāng)電流上升到零點(diǎn)時(shí)，電壓便對(duì)應(yīng)于其峰值。所述的Soxyless技術(shù)包含檢測(cè)正柵極電流的過(guò)零檢測(cè)器(ZCD)以確定“谷點(diǎn)”的出現(xiàn)。
本文將從SMPS初級(jí)側(cè)接地點(diǎn)流出的電流通過(guò)下部柵極驅(qū)動(dòng)器流向功率MOSFET柵極的方向定義為負(fù)。
在半導(dǎo)體技術(shù)中，驅(qū)動(dòng)并測(cè)量這樣的負(fù)電流并非易事。
功率MOS柵極上產(chǎn)生的電流與漏極電壓和電容之間的關(guān)系可表述成如下：
其中Zc為電容阻抗：
此柵極電流的大小取決于MOSFET、諧振頻率F和在平坦電壓末端漏極上的電壓擺幅(Vring)。
谷點(diǎn)發(fā)生在諧振周期的一半處：
其中：Lp是變壓器初級(jí)電感；Cdrain是MOSFET漏極上的總電容。此電容包括緩沖電容(如有)，變壓器繞組雜散電容和MOSFET寄生電容。
功率MOSFET模型
MOSFET的物理結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其端口之間形成電容。金屬氧化物柵極結(jié)構(gòu)決定了柵極到漏極(Cgd)以及柵極到源極(Cgs)的固有電容。漏極和源極之間的PN結(jié)(Cds)是因P+體的存在而產(chǎn)生，其中MOS單元建立在N+襯底頂部上的外延層附近。
Cgd和Cgs電容在高溫中非常穩(wěn)定，因?yàn)槠浣殡姴牧嫌刹Ａе瞥伞?br />
圖4為功率MOSFET的器件模型。該模型顯示存在3個(gè)電源電容，如圖4所示。此種表示法更像是出自于器件工程師之手，而非應(yīng)用工程師。實(shí)際上，在應(yīng)用中使用的功率MOSFET的參數(shù)應(yīng)是可從功率器件接入節(jié)點(diǎn)處測(cè)得的全局性代表參數(shù)。這意味著應(yīng)用數(shù)據(jù)表中使用了其他電容定義，是內(nèi)部電容的組合。
作為例子，表1顯示了安森美半導(dǎo)體MTD1N60E數(shù)據(jù)表上的不同電容?！?/p>
Crss電容表示共源極配置中的短路反向傳輸電容。此參數(shù)表示了功率MOSFET在反激式SMPS的關(guān)斷階段中的狀態(tài)。
典型應(yīng)用
作為典型實(shí)例，諧振頻率在500kHz的范圍內(nèi)，從漏極平臺(tái)到谷點(diǎn)的電壓變化為100V。根據(jù)式3，一般柵極電流峰-峰值幅度的大小是10mA。負(fù)值部分的范圍是5mA。
Crss值隨著功率MOSFET生產(chǎn)商的不同而變化。對(duì)最常用的功率MOSFET所做的調(diào)查顯示，Crss在10pF和100pF之間變化。
另一方面，漏極上的總電容越大，諧振頻率就越低。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)恼壑?，將在變化中流進(jìn)柵極的電流選為30mA峰-峰值以對(duì)應(yīng)15mA正負(fù)電流。
仿真
圖5顯示了采用簡(jiǎn)化功率MOS模型的混合驅(qū)動(dòng)。
漏極電壓源的電壓是反激結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化表示，它包括耦合電感、次級(jí)二極管和電容、負(fù)載及輸入儲(chǔ)能電壓源。
PSPICE仿真使用MTD1N60E功率MOSFET 和100pF緩沖電容。
電容Crss的值為6pF。
圖6中的波形表示仿真結(jié)果。
a.上方的曲線(xiàn)代表功率MOS的柵極電流。圖中的左邊部分對(duì)應(yīng)于關(guān)斷之后出現(xiàn)的寄生振蕩。漏極上出現(xiàn)的任何dV/dt都會(huì)在周?chē)须娙葜挟a(chǎn)生相應(yīng)的電流。
b.中間曲線(xiàn)表示流經(jīng)功率MOS源極的電流。
c.下方曲線(xiàn)是功率MOS的漏極電壓。
柵極和源極電流在形狀上可以相互比擬。兩者幅度之間的關(guān)系可近似地用Crss和Coss的值來(lái)表示：
Coss/Crss = 27/6=4.5
Igate/Isource=3.4
Soxyless實(shí)現(xiàn)
已經(jīng)開(kāi)發(fā)出專(zhuān)用的功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器，可通過(guò)MOS和雙極晶體管的混合電路來(lái)測(cè)量負(fù)柵極電流，該電路不經(jīng)過(guò)底部而是經(jīng)由參考正Vcc電壓的路徑傳輸負(fù)柵極電流。因此，測(cè)量的電流從Vcc軌經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的補(bǔ)償電路流至柵極，該電路的工作相當(dāng)于有源負(fù)電壓鉗位。結(jié)果，“負(fù)柵極電流”轉(zhuǎn)換為便于處理的正電流。因此，使用簡(jiǎn)單的比較器便可進(jìn)行柵極電流過(guò)零檢測(cè)，從而提供“谷點(diǎn)”信號(hào)。
圖7為Soxyless功能的方塊原理圖。功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器由混合的推挽輸出電路組成(上部的PMOS+下部的NMOS和PNP并聯(lián))。在閉塞窗之后禁用Q1 NMOS。在其余的關(guān)斷反激序列中只有Q2 PNP保持導(dǎo)通。這種技術(shù)無(wú)須考慮功率MOS Toff之后出現(xiàn)的振鈴。如果假設(shè)下面的FET其Rdson為10W，則10mA柵極電流就能產(chǎn)生一個(gè)100mV信號(hào)。這是任何使用CMOS結(jié)構(gòu)的典型MOSFET驅(qū)動(dòng)器的典型性能。
因?yàn)镼2 PNP不能流過(guò)任何反向電流，只要負(fù)電流出現(xiàn)，體二極管就開(kāi)始導(dǎo)通，形成一個(gè)對(duì)地的負(fù)電壓。選擇Vacl電壓源使得一旦Q3的源極存在負(fù)電壓，NMOS的柵極就導(dǎo)通。負(fù)柵極電流流過(guò)Q3。此電路的工作原理如同有源電壓鉗位網(wǎng)絡(luò)。
于是體二極管電壓鉗位到：
的Vacl值接近于Vth，這決定了DRV電壓接近于驅(qū)動(dòng)器的接地點(diǎn)。用這種方法可以實(shí)現(xiàn)虛擬接地。
Q3電流通過(guò)M1產(chǎn)生鏡像。鏡像電流通過(guò)Rsig 產(chǎn)生“信號(hào)”。信號(hào)的擺幅可與Vzcd進(jìn)行比較，用來(lái)創(chuàng)建Vvalley信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)Vvalley信號(hào)不受干擾和靈敏的檢測(cè)，必須選擇發(fā)生在零點(diǎn)檢測(cè)前一點(diǎn)的Vzcd電平，以便補(bǔ)償比較器的傳輸延遲。
硅集成實(shí)現(xiàn)
在Soxyless功能模塊中處理的信號(hào)是非常高速的信號(hào)。在典型的應(yīng)用中，磁芯去磁之后發(fā)生的振鈴周期在500kHz范圍內(nèi)。對(duì)應(yīng)的半周期的數(shù)量級(jí)為1ms。很明顯，谷點(diǎn)檢測(cè)速度是一個(gè)影響精度的因素。
Soxyless模塊的主要功能為：?jiǎn)?dòng)PNP;禁用推挽驅(qū)動(dòng)器的下部NFET;在漏極電壓振蕩的負(fù)dV/dt部分在驅(qū)動(dòng)器輸出DRV上形成“虛擬地”;捕獲(流出DRV輸出端的)負(fù)電流;檢測(cè)“正向ZCD DRV電流”。
對(duì)于前兩點(diǎn)，常規(guī)的閉塞技術(shù)使下部的NMOS和PNP一起觸發(fā)。設(shè)定時(shí)間結(jié)束之后，NMOS關(guān)斷，只有PNP保持導(dǎo)通。采用典型的5ms閉塞窗口。
在閉塞窗口內(nèi)，下部NMOS的導(dǎo)通電阻接近于10W。Toff之后的電壓振蕩創(chuàng)建了非常強(qiáng)的振蕩電流(峰-峰值為幾十毫安)。因此出現(xiàn)在DRV上的電壓可達(dá)幾百毫伏。
此殘留電壓觸發(fā)Soxyless檢測(cè)器，因?yàn)樗M(jìn)行所需的“谷點(diǎn)”檢測(cè)。如有閉塞窗口可不考慮這些錯(cuò)誤的信號(hào)。
產(chǎn)生漏極電壓變化的振鈴電流是替代方案。
a.正向自由振鈴柵極電流通過(guò)PNP流到地。因此，飽和電壓的范圍為1.5V。電壓大大低于功率MOSFET的柵極門(mén)限，因此不會(huì)使其導(dǎo)通。
b.負(fù)向自由振鈴柵極電流由鉗位Q2 N FET通過(guò)電流鏡像進(jìn)行處理。
此有源負(fù)向鉗位的目的是確保在器件驅(qū)動(dòng)輸出上建立虛擬地。
這種電路的第一個(gè)難點(diǎn)，一方面是接近+/-15mA的電流容量，另一方面是要檢測(cè)100mA范圍內(nèi)的微小電流。
Soxyless檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍約為150。
在負(fù)電流情況下，電壓不能遠(yuǎn)低于2V，以免使體二極管導(dǎo)通。Q2的自啟動(dòng)必須精確。
強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)電流容量不能影響速度檢測(cè)。Q2柵極的有源偏置可以自調(diào)整鉗位電路。
電流鏡像可以方便地處理Soxyless電流信號(hào)。
快速比較器檢測(cè)到ZCD時(shí)刻，然后提供“谷點(diǎn)”信號(hào)。
試驗(yàn)結(jié)果
Soxyless技術(shù)已經(jīng)在硅集成上實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)器控制典型的準(zhǔn)諧振SMPS。
必須看到，在禁止窗口中存在一些殘留電壓。驅(qū)動(dòng)器行為與任何典型的CMOS推挽驅(qū)動(dòng)器相似。殘留信號(hào)的閉塞在禁止窗口中進(jìn)行。選擇Rsig和鏡像的比例，以便進(jìn)行靈敏度為100mA的負(fù)電流檢測(cè)。
比較器提供用于導(dǎo)通功率MOS的Vvalley信號(hào)。
因?yàn)橐M(jìn)行高速的Soxyless檢測(cè)，所以功率MOSFET的導(dǎo)通發(fā)生在非常接近于“谷點(diǎn)”處。
“谷點(diǎn)”檢測(cè)靈敏度的范圍是100mA。
注：有源電壓鉗位和負(fù)電流測(cè)量都在申請(qǐng)專(zhuān)利待審批中。
結(jié)語(yǔ)
Soxyless技術(shù)在硅集成上進(jìn)行了驗(yàn)證。其表明仿真結(jié)果與試驗(yàn)分析相一致。這種創(chuàng)新的技術(shù)可以無(wú)需特定的輔助繞組與反激變壓器耦合就能檢測(cè)“谷點(diǎn)”。目前無(wú)需使用任何RC定時(shí)技術(shù)便可在過(guò)零檢測(cè)和重啟點(diǎn)之間建立一致的關(guān)系。
