IR1167智能同步整流控制器

，AdnaanLokhandwala，MarcoSoldano目录IR1167简介智能整流（SmartRectifier™）概念反激电路断续模式和连续模式分析谐振桥式电路分析典型线路和无源元件命名设计实例是一片智能同步整流芯片，用于反激型电源中次级电路N沟道开关管同步整流的控制，IR1167可以控制一个或多个并联的整流开关管,从而取代肖特基二级管。该芯片的工作机理是通过检测整流开关管的漏源电压，选择合适时机，让同步整流开关管开通和关断。以下是管脚定义。图1:IR1167智能整流（SmartRectifier™）芯片管脚定义智能整流(SmartRectifier™)概念典型反激型电源电路如图2所示，当初级电路开关M1关断，因为M2尚未开通，次级电路中的电流通过M2的寄生二极管(这类似于利用整流二极管整流的情况)。智能整流控制技术的关键是检测整流开关管源极到漏极的电压，通过比较两个电平阙值决定何时开通和关断同步整流开关。当-VDS上升到VTH2时开通开关管，当-VDS下降到VTH1时关断开关管，当VDS达到VTH3时IR1167复位。VGateVTH1VTH2VTH3VDS图3:IR1167智能整流（SmartRectifier™）的三个电压阙值。⋅，而且此时变压器漏感和初级开关管输出电容之间会产生寄生震荡，导致整流开关管上有电压振铃而会令VDS电平下降到VTH1,可能导致误关断。所以IR1167芯片内部采用专用逻辑电路（MOT和tblank）防止抖动引起的误关断和导通，这将在后文中详细介绍。反激型电源断续及连续操作模式分析可以根据不同的模式（断续、连续和临界）设定IR1167参数，控制同步整流开关管，以仿效二极管整流在不同模式下所起的效果。通过漏极到源极的电压检测流过开关管的电流，与如图3所示3个阙值电平相比较，在连续模式(CCM)，断续模式(DCM)和临界模式(CrCM)采取相应的动作。开通同步整流开关管在几种模式中都是相同的,主要区别在于关断同步整流开关管的时刻。详细分析如下：¾开通过程初级开关关断后，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），这将产生一个较高的负向VDS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。断续模式下的MOT和tBLANK。MOT和消隐时间（如图4的tblank）在一个开关周期都只出现一次。当VDS达到VTH3后（初级开关导通），IR1167复位,为下一个开关周期做好准备。¾断续/临界模式关断过程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dtdI相对而言很低。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。断续模式波形示意timetimeT1T2ID_PRIMID_SECVDS_SECVDS_PRIM图6:临界模式波形示意¾连续模式关断过程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。timetimeT1T2ID_PRIMID_SECVDS_SECVDS_PRIM图7:连续模式波形示意谐振桥式电路分析图8所示为典型谐振桥式电路次级线路。用分立元件实现同步整流需要两个电流传感器，两个高速比较器和两个大电流、低延时的驱动器。现有的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，并且没有类似分立方法（变压器传感）响应过慢的缺点，非常适合桥式谐振电路。波形示意如图9。谐振桥式电路次级整流示意。GateDriveID_SECVDS_SECBlankingtimetimeT1T2VTH1VTH2VTH3MOTtblank图9:谐振桥式线路中使用IR1167控制整流所产生的波形。在谐振桥式线路中，输出电压调整可以通过定频变占空比和变频定占空比（50％）两种方式。若为变频定占空比，最小频率会出现在最低交流电压、满负载的情况下，而最大频率会出现在最高交流电压、空载的情况下。因此，在谐振桥式设计中选择MOT必须参考最大开关频率。MOT的选取须保证在最轻载情况（同步整流开关管开通时间最短）下可以正常工作。所必需外围无源器件:•C:电源去耦电容•Rg:同步开关管门极电阻•RMOT:最小导通时间设置电阻其他推荐使用器件:RCC:供电串联电阻如整流管在低侧（如图2所示M2的位置简称低侧，反之简称高侧）且输出电源在12到20V间，可以直接从电源输出引入IR1167所需供电电压。否则，须要根据情况利用以下两种办法得到所需供电电压:•如整流开关管在高侧，需要加辅助绕组供电•如整流开关管在低侧，可利用变压器副边绕组抽头图10至图16所示为各种拓扑中为IR1167供电的典型线路。+-OUTPUTCVccOVTMOTENVdVsGNDVgateIR1167RRmotRg图10:单端低侧整流，副边辅助绕组供电(Voutput12V)图11:单端低侧整流，输出电压直接供电(Voutput=12-20V)。CVccOVTMOTENVdVsGNDVgateIR1167+-OUTPUTRRmotRg图12:单端高侧整流，副边辅助绕组供电(任何输出电压)。图13:中心抽头低侧整流(半桥或全桥)，辅助绕组供电(Voutput6V)。+-OUTPUTCVccOVTMOTENVdVsGNDVgateIR1167RmotRRgCVccOVTMOTENVdVsGNDVgateIR1167RmotRg图14:中心抽头低侧整流(半桥或全桥)，绕组抽头供电(6VVoutput10V)。图15:中心抽头低侧整流(半桥或全桥)，输出电压直接供电(Voutput=12-20V)。CVccOVTMOTENVdVsGNDVgateIR1167RRmotRg+-OUTPUTCVccOVTMOTENVdVsGNDVgateIR1167RRmotRg图16:中心抽头高侧整流(半桥或全桥)，辅助绕组供电(任何输出电压)。次级最小导通时间，在智能整流技术(SmartRectifier™)中简称MOT3.工作模式:连续模式(CCM)，断续模式(DCM)或临界模式(CrCM)4.最大环境温度，ambICT(通常是印刷电路板最高温度)5.系统可为芯片提供的供电电源supplyV。可以取自输出电压（低侧整流），也可以通过副边变压器加辅助绕组或副边变压器抽头获取。¾计算最小导通时间(MOT)为了计算最小导通时间，需要获取以下参数。先用示波器探头监测次级整流波形，调整触发电平以便于放大次级导通时的局部波形；调整输入交流电压、负载条件，直到最小占空比波形出现；接下去，利用示波器测量档显示导通脉宽的统计学数据（如示波器有此功能）。最终目标是捕获在各种电路工作条件下可能出现的最小占空比波形。图17是一个最小占空比波形捕获实例次级最小导通时间注意示波器统计功能所示的最小值很可能不是所需的。有很多原因(触发问题，测量问题等等)可能引起这种最小值。本例中，推荐使用统计学的数据来获取最小值。平均值减去6sigma值即最小可能值（有3ppm的概率小于此值），本例计算如下：sMOTμ73.10987.0632.2=⋅−=¾最大开关频率最大开关频率和MOT的计算相似，改变输入交流和负载，同样应用统计方法，可以得到最大工作频率。最大开关频率不能直接从示波器上读取最大频率，因为这有可能读到并非开关频率的一些周期信号，这和上例读取MOT类似。推荐用平均值加上3sigma作为结果，计算如下:kHzfSW6.7348.2314.66max=⋅+=¾工作模式全范围改变交流输入和负载，可以看到电源工作在哪种模式。设计要点以下计算是假定同步整流开关管和上文的几个系统参数都已经获取的情况。a.OVT设置表1如何针对不同的工作模式选择OVT脚的连接。工作模式OVT连接断续模式或临界模式接地，VTH1=-3.5mV临界连续模式浮地，VTH1=-10.5mV连续模式VCC，VTH1=-19mV表1:在不同模式下的OVT设置及对应的VTH1阙值上图表是基于不同的模式设定OVT脚，以使不同的模式有各自相应的时机关断开关管。在断续和临界模式下，VTH1最好是足够小，使得通过开关管导通沟道整流的时间尽量长，降低功耗。在连续模式下，因为次级关断后初级立刻开通，关断后整流开关管反向电压会迅速升高，这就要求整流开关管尽快关断。选择较大的（指绝对值）偏置电压VTH1有助于提早检测到电流关断的趋势而防止产生反向电流。优化设计的系统会使得VTH1很接近须要关断开关管时的VDS值，如图19所示。按照连续模式设定OVT时的关断情况在本文末还有关于连续模式设计的更多内容。临界连续模式指电源只有在极端的情况下（如在最低输入电压且满载时）才进入连续模式，而正常工作于不连续模式，则OVT悬空使得VTH1