开关电源次级同步整流解锁.doc
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1、开关电源次级同步整流解锁一.SR 何时开通,何时关断?(一言不合,先附上BCD芯片的线路图)图1中次级侧的APR3415就是本章的主角了,图2是其内部方框图,可以看到整流MOS已经集成在芯片里面了(红色圆圈所示)。那么他何时该开通呢?判断准则其实想的出来:就是原边导通的时候他应当关断,次级侧导通的时候他才能导通。但他又不是原边控制芯片肚子里的蛔虫,怎么知道何时该导通的呢?我们知道当原边MOS Q1导通的时候,根据变压器同名端(变压器T1黑点圆圈的为同名端,没有黑点的为非同名端)判断此时次级侧非同名端,也就是和APR3415的DRAIN PIN相连的端为正,那么此时刻他必须关断。而当原边MOS由
2、导通变为关断的时候,同名端反向,次级侧和DRAIN PIN相连的一端为负,那么此时整流MOS就可以开通了,见图3VDET PIN通过电阻检测DRAIN PIN的电压,所以电势和DRAIN一样。当DRAIN PIN的电压由正变负的过程中会自然下降经过并低于一个门槛电压点VTHON(0V1V),当VDET PIN检测到低于这个门槛电压后,经过一个内部固定的延时TDON后(70ns),MOS管驱动产生,于是MOS开始导通。在MOS未导通的之前是靠体二极管续流的,所以DRAIN PIN会有一个相对较大的负压(红色圆圈内)。当MOS导通后电流才由体二极管转向流过MOS。可是天下无不散之宴席,流经MOS的
3、次级侧导通电流会随着次级侧电压对次级侧电感消磁的过程当中线性的减小,如果续流电流都已经降为0了,你还不关断MOS,那什么时候关断?留着过年才关断啊? 如果续流电流结束时不关断,轻则次级侧电容会反过来给次级侧电感充电,电流反流;重则原边导通了,次级侧MOS还在开通,这就叫共通,那么会更糟糕。所以把握好次级侧关断的时机很重要。最甜最美的情况下就是续流电流刚好降为0时才把MOS关断有助于效率,可是李嘉诚老爷爷说过绝对不挣最后一块铜板,所以我们在电流快要接近为0的时候就应该把MOS关断了,牺牲了点效率换取了可靠性,呵呵。 那么这个关断阀值就叫做VTHOFF(-20mv,-5mv),VDET PIN检测
4、一旦越过这个阀值,那么经过固定的延时TDOFF(100ns)后MOS关断。关断后要靠体二极管续流一下,所以又会有一个相对较大的负压(紫色圆圈内),如果此时原边电压采样恰巧在这个时候采那就不好了,输出电压会不稳定,关于PSR原边芯片电压采样也是一个学问,以后有机会再讲。小结一下:判断导通是靠VDET PIN检测电压低于VTHON(0V1V),判断关断是靠VDET PIN检测电压大于VTHOFF(-20mv,-5mv)二:整流芯片是怎么辨别原边导通波形和RING的说到这,好像是讲完了,其实还没有(帮我配一个捂脸的表情)。实际比理想的还复杂点,首先当整流MOS导通的瞬间会有RING中文名叫做振铃在D
5、RAIN PIN产生,如果RING的大小高过VTHOFF会引起提前关断MOS,也就是常说的还没开始就已经结束了青春还没绽放就已经衰老了 所以在这里芯片内部会设置一个最小导通时间Minimum ON Time,目的就是为了屏蔽这短时间的RING,强制导通一小段时间等到RING消除。还有,如果只是VDET PIN电压只是低于VTHON就导通的话,那次级侧消磁结束后到原边导通前的中间死区时间内的RING怎么办? 等等,怎么又是RING?我们知道消磁结束后原边的电感LP和原边MOS的输出电容及其他杂散电容会愉快的振荡一阵子,这振荡是阻尼振荡,经过一段时间就会消失。在RING没消失之前通过变压器耦合到V
6、DET PIN上,同样会引起检测电压低于VTHON的情况,但是此刻同步整流MOS是不能导通的,所以我们应该给次级侧同步整流导通再增加一个条件,先看图4图4是VDET PIN在一整个周期内的电压波形,包含了原边导通,次级消磁,消磁结束后至原边导通前的死区时刻三个阶段时刻:其中Area1是点滑线内的方框面积,它对应的是原边导通的时刻,它的高度=Vdet-Vcc(Vdet是 vdet pin的电压,Vcc是Vcc pin的电压,因为Vcc和输出电压Vo之间是靠一个20ohm电阻相连的,而且电阻上压降很小,所以VCC电压可以看做输出电压Vo),Area1的宽度就是原边的导通时间Tonp, Area1=
7、(Vdet-Vcc)*Tonp(电压X时间=伏秒积)Area3则是死区时间内的RING的面积(RING的电压 X持续时间 ),可以发现Area1是明显大于Aera3的。所以同步整流芯片此刻若有一个分别面积大小的功能,就可以将这Area1和Area3区分开来。下面简单讲解一下分别面积的逻辑功能的电路实现:要区分,首先我们需要一个比较器Tonpdet来区分(见图2绿色圈圈内),其次这里的面积本质是=电压X时间,能把电压和时间这两个参数糅合在一起转化为电信号的装置我们应该自然的想到了积分器,因为积分器的特性是在输入端加上一个电压信号后,输出端也会产生一个电压信号,并且随着时间的不断累积,该输出电压是
8、不断变高的,同时输入端的电压大小决定了上升斜率的大小。积分器如图5,当在输入端加一个恒定电压ui就可形成一个恒定的电流i=Ui/R1(运放的虚短推出), 恒定的i只会经过电容C1(运放的虚断结合KCL推出)后随着时间慢慢累加就会形成恒定斜率的不断变高的电压波形:U=i*t/C(其中t=Tonp)(输入电压Ui和输出电压vo之间关系的波形如图6,可以发现ui越高斜率会越抖,代表上升的速率越快,tonp时间越长代表上升的时间就越长,两者在一块就最终决定了上升的最高电压vo)因为原边导通时落在VDET PIN上的电压ui和持续时间tonp都是大于RING的,所以两者通过积分线路产生的输出电压Vo的高
9、低就会有明显的差别,这种差别为同步整流判断提供了足够的空间(最终的面积大小比较转化为了Vo电压大小的比较,并且由积分电路完整实现了电信号的转变)将Vo连接在比较器的正端比较器的负端连接的是电流源Iaref,电流到AREF PIN上,AREF PIN再外接一个电阻R,就产生了电压Varea2=Iaref*R。 咳咳,敲黑板了!这电压就是我们设置的门槛电压Area2,也就是用来区分Area1(积分器的输出Vo1)和Area3(积分器的输出Vo3)的。当积分器的输出Vo大于比较器负端电压后,比较器输出为高到驱动的与门,使得MOS驱动开启成为可能,反之则输出为低,那么会屏蔽掉MOS驱动。下面的细节就是
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