有源鉗位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)斷重置開(kāi)關(guān)的正向轉(zhuǎn)換器

　　有源鉗位結(jié)構(gòu)中的一種，因?yàn)槠湓试S在一個(gè)電子子系統(tǒng)中高效地將總線電壓轉(zhuǎn)換為邏輯 IC 上所需的電壓。一篇回顧有源鉗位關(guān)斷重置開(kāi)關(guān)的文章已經(jīng)刊發(fā)[1]。這篇文章完整地介紹了開(kāi)關(guān)周期。此外，該文章還描述了主開(kāi)關(guān)從“開(kāi)”到“關(guān)”的轉(zhuǎn)換，以及“有源鉗位”開(kāi)關(guān)開(kāi)啟點(diǎn)電路的電壓和電流。這種對(duì)于有源鉗位開(kāi)關(guān)的描述，主要針對(duì)有源鉗位正向轉(zhuǎn)換器輸出電感中存在連續(xù)電流的情況。文中提及的變壓器為一種理論模型，其描述了漏極電感 LL、磁化電感 Lm 以及耦合繞組 Np 和 Ns 等獨(dú)立元件。該介紹以周期的功率分配中點(diǎn)開(kāi)始，并將圖 1 所示電路作為討論的根據(jù)。箭頭表示正電流。由于其本身固有的主體二極管和漏—源電容，圖中還顯示了開(kāi)關(guān) Q1(有源鉗位開(kāi)關(guān))和 Q2。我們之所以還能夠看到 Q3 和 Q4 柵—漏電容，是由于它們會(huì)影響電流。

圖 1 拓?fù)?、電壓和電流為了?jiǎn)化示波器波形，將主次接地參考連接在一起以形成一個(gè)公共接地。初始條件為：Q2 開(kāi)啟，流經(jīng) Q2 (Iq2) 的電流等于來(lái)自 Vin (IIN) 的電流。Q3 開(kāi)啟，并將電流導(dǎo)過(guò)次級(jí)繞組 Iout。Q1 和 Q4 都關(guān)閉。Q1 的漏極具有約負(fù) 2 Vin 偏置電壓，同時(shí) Q4 漏極的電壓為 Vin*(Ns/Np)。電流 Iin 流經(jīng)變壓器的主繞組、引腳 1 和 引腳 2，從而首先流經(jīng)漏極電感 LL，之后分流為 Im 和 Ip。Im 為流經(jīng) Lm 的磁化電流，而 Ip 為通過(guò)主繞組 Np 與次級(jí)耦合的電流。隨后，Im 和 Ip 電流重新會(huì)合，在引腳 2 從變壓器流出，最后流過(guò)開(kāi)關(guān) Q2。電流 Is 等于在引腳 4 從變壓器次級(jí)繞組流出的電流 Ip*(Np/Ns)，其反映了流經(jīng) Np的電流 Ip。結(jié)果是這兩種電流在磁芯中磁通相抵。另一方面，磁化電流是由一次側(cè)磁化電感兩端的輸入電壓引起的。該電流以 Vin/Lm 比率不斷增加。在引腳 4 上，變壓器的二次側(cè)電壓高于輸出電壓。二者之間的差會(huì)導(dǎo)致 Q2 開(kāi)啟期間流經(jīng)輸出電感的電流不斷增加。同時(shí)，該電流還以 (((Vin*(Ns/Np)) – Vout)/Lout 比率不斷增加。當(dāng)反射至一次側(cè)時(shí)，這種變化的電流會(huì)比 Im 具有更高的變動(dòng)率。因此，它通常是計(jì)算控制環(huán)路時(shí)唯一要考慮的電流斜坡。測(cè)試部件的變壓器擁有 6：1 的匝數(shù)比，因此您在查看波形時(shí)必須將其考慮在內(nèi)。由于變壓器引腳 3 和引腳 4 兩端存在電壓，Q3 在 Q3 米勒電容柵極側(cè)被偏置，同時(shí) Cgdq3 被偏置為高電平。由于轉(zhuǎn)換開(kāi)始 Q1 關(guān)閉，因此在該 P 通道 FET 漏極上存在一個(gè)負(fù)電壓。假設(shè)占空比為 50%， Cr 兩端的電壓則約為 Vin 的 2 倍，同時(shí) Q1 漏極(即 P 通道 FET)上的電壓為低于接地電壓 2*Vin。由于相比 LL，Lout 和 Lm 均相對(duì)較大，并且這種情況下我們所說(shuō)的是約 120 納秒的時(shí)幀，因此我們可以假設(shè) Iout(流經(jīng) Lout 電流)和 Im(流經(jīng)磁化電感的電流)始終保持恒定。我們將要描述的事件順序共有 5 個(gè)不同的階段。每個(gè)階段的開(kāi)始和結(jié)尾均在如圖 2-3 所示屏幕截圖中標(biāo)示出來(lái)，其分別為 t1、t2、t3、t4 和 t5。從 t1 開(kāi)始，該控制電路關(guān)閉 Q2。這是一個(gè)非?？焖俚霓D(zhuǎn)換。由于 Q2 和 Q1 的極大漏—源電容，其為一個(gè)從 Q2 的低阻抗到高阻抗的零電壓轉(zhuǎn)換。從變壓器引腳 2 流出的電流現(xiàn)在正對(duì) Q2 的固有漏—源電容充電，并經(jīng)過(guò)重置電容 Cr 流入 Q1，從而導(dǎo)致變壓器引腳 2 的電壓線性上升，以及 Q1 漏極電壓的相應(yīng)上升?，F(xiàn)在，我們需要來(lái)研究一下相對(duì)電壓。

圖 2 變壓器引腳 2 和引腳 4 上的電壓

圖 3 變壓器引腳 2 和引腳 3 上的電壓引腳 2 上的電壓增加(也即時(shí)間t1的電壓)，反映在整個(gè)變壓器繞組中。這就導(dǎo)致引腳 4 上電壓的下降。由于 Np 和 Ns 繞組的電壓必須保持平衡，所以在 Q4 的漏—源電容以及 Q3 和 Q4 的柵—漏電容均存在電壓變化。Lout 中的電流不會(huì)有較大的變化，因此從這三個(gè)電容流出的電流必然是 Is 和 Ip 變化的結(jié)果。Ip 中電流的微小變化導(dǎo)致主次級(jí)電容電壓以一種平穩(wěn)的速率變化。這時(shí)，當(dāng) Q3 即將關(guān)閉時(shí)，輸出電感便能夠通過(guò) FET 自身下拉所有其需要的電流(柵極電阻延遲了 FET 關(guān)閉)。Q4 的主體二極管被反向偏置。在這部分轉(zhuǎn)換期間，引腳 2 的電壓仍然低于 Vin，因此主電流即流入變壓器的 Iin 沒(méi)有理由下降。輸出電感兩端的電壓隨引腳 4 的電壓下降而變化，以反映主繞組電壓的逐漸下降。由于變壓器引腳 4 的電壓不斷下降，因此輸出電感兩端的電壓會(huì)發(fā)生變化?，F(xiàn)在，輸出電壓 Vout 超出了變壓器引腳 4 的電壓。這些因素以一個(gè)固定比率不斷變化，因?yàn)?Iin 不斷線性地對(duì) Q1 和 Q2 的漏—源電容充電，直到出現(xiàn)時(shí)間 t2，也即引腳 2 電壓達(dá)到 Vin (50V)，Q1 漏極電壓達(dá)到–50V，以及引腳 4 電壓達(dá)到零伏時(shí)。時(shí)間 t2至 t3 期間，流經(jīng)一次側(cè)漏極電感的電流仍然幾乎與轉(zhuǎn)換之初相同，同時(shí)引腳 4 的電壓不斷下降。這反映在引腳 2 的電壓中，其超出變壓器引腳 1 的電壓。輸入電流的任何變化都是由對(duì)輸出開(kāi)關(guān)柵—源電容的充電和放電引起的，并且這種變化非常小。反向一次側(cè)電壓可使引腳 4 的電壓繼續(xù)下降，達(dá)到接地電平以下，而引腳 3 卻保持在接地電平，因?yàn)?Q3 連續(xù)關(guān)閉，請(qǐng)參見(jiàn)圖 3。FET Q4 兩端的電壓下降不足以使電流通過(guò) Q4 的主體二極管。與此同時(shí)，Q3 還沒(méi)有完全關(guān)閉。這就迫使輸出電感不斷從變壓器二次側(cè)吸收電源。結(jié)果是，在一次側(cè)中出現(xiàn)持續(xù)電流，而在引腳 2 上電壓不斷上升。這種情況將會(huì)持續(xù)到時(shí)間 t3，其 Q4 的主體二極管開(kāi)始導(dǎo)電?，F(xiàn)在，可以從變壓器引腳 4 吸收輸出電感電流，并流經(jīng) Q4。一次側(cè)漏極電感現(xiàn)在將形成一個(gè)電壓，以平衡引腳 2 上不斷上升的電壓，這樣便可以持續(xù)地吸收電流。這種情況開(kāi)始減少可反映流經(jīng) Q3 電流減少的輸入電流 Iin，因?yàn)?Iout 電流開(kāi)始向 Q4 主體二極管轉(zhuǎn)換。時(shí)間 t3 到 t4 反映的是從 Ns 繞組吸電流到流經(jīng) Q4 主體二極管的輸出電流 Iout 轉(zhuǎn)換。Np 和 Ns 繞組電流的減少，用變壓器引腳 2 電壓斜坡表示，其隨流經(jīng)變壓器一次側(cè) Np 電流的減少而變緩、變平。與此同時(shí)，引腳 3 上的電壓不斷上升，同引腳 4 電壓的情況一樣，其為負(fù)電壓。結(jié)果是變壓器引腳 3 和引腳 4 的近似零的微小變化，但卻產(chǎn)生整個(gè)繞組的正電壓漂移。這種情況將關(guān)閉 Q3，并開(kāi)啟 Q4。獲得這種結(jié)果所必需的電流，對(duì) Q4 的柵—漏電容充電，對(duì) Q3 的柵—漏電容放電，進(jìn)入引腳 4，最后從引腳 3 流出。該電流由一次側(cè)磁化電流提供，其位于周期中這一點(diǎn)的峰值處。流經(jīng) Np 的磁化電流 Im以 Ip 的反向流動(dòng)。其使得 Is 電流反向，從而讓 Q4 的柵極得到充電。由于該磁化電流 Im 現(xiàn)在將高效地流經(jīng) Np，因此它現(xiàn)在從 Vin 吸收電流，并使其對(duì) Q1 和 Q2 的漏—源電容充電。所以，從引腳 2 出來(lái)轉(zhuǎn)變?yōu)樽儔浩饕_ 2 電壓的電流極少(或者沒(méi)有)。結(jié)果是在上述 t3 和 t4 之間引腳 2 上出現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的電壓。這時(shí)候，該周期就幾乎結(jié)束了。Q4 通過(guò)內(nèi)部二極管導(dǎo)電并將被開(kāi)啟，但在 t4 到 t5 時(shí)間段將會(huì)較難開(kāi)啟。就 t4 到 t5 之間的時(shí)間段而言，磁化電流在對(duì) Q1 和 Q2 的漏—源電容充電和對(duì) Q3 的柵—漏電容放電之間分流，并對(duì) Q4 柵—漏電容進(jìn)一步充電。由于這些電容均為非線性，并且 Q3 兩端的電壓不斷上升，因此需要的電流量不會(huì)是一個(gè)恒量。該電流 Im 來(lái)自 Lm，因此引腳 2 上的電壓將反映該轉(zhuǎn)換的非線性。在 t5 處，Q1 的漏—源電壓從 –2 Vin 爬升至接地電平以上的二極管壓降，同時(shí)內(nèi)部主體二極管開(kāi)始導(dǎo)電。這就是說(shuō)，再次從引腳 2 流出的任何電流現(xiàn)在都會(huì)改變 Cr 的電壓，而 Cr 為一個(gè)更大容量的電容。因此，這種改變將極其緩慢，相比已經(jīng)出現(xiàn)的情況其可以忽略不計(jì)。這時(shí)便能夠以一種無(wú)損耗方式開(kāi)啟晶體管 Q1。這就完成了無(wú)損耗一次側(cè)開(kāi)關(guān)操作。二次側(cè)轉(zhuǎn)換也為相對(duì)無(wú)損耗，因?yàn)橥ㄟ^(guò)內(nèi)部寄生主體二極管在零伏完成了從一個(gè)整流器到另一個(gè)整流器的電流開(kāi)關(guān)。

結(jié)論

　　總之，對(duì)于這部分周期內(nèi)轉(zhuǎn)換順序的充分理解可以帶來(lái)更好的設(shè)計(jì)。我們已經(jīng)了解了，通過(guò)從轉(zhuǎn)換輸出開(kāi)關(guān)到開(kāi)啟鉗位開(kāi)關(guān)關(guān)閉主開(kāi)關(guān)時(shí)，變壓器和輸出開(kāi)關(guān)中每一個(gè)元件所起的作用。