高級門驅(qū)動器 IC 技術可提高同步整流器應用的效率

當今眾多高頻率與高效率同步整流器應用均需要強大可靠的門驅(qū)動電路，該電路可將具有快速切換轉(zhuǎn)換及軌對軌輸出電壓擺動的高峰值電流傳遞到大型電容性負載中。在大多情況下，設計人員會添加外部 MOSFET 驅(qū)動器集成電路 (IC) 來完成這一任務，這種方法在業(yè)界中非常普遍。

采用全套 MOSFET 制造工藝為出發(fā)點在最初看來可能是門驅(qū)動器 IC 的最佳選擇，但實際上，采用結(jié)合 MOSFET 結(jié)構(gòu)的組合型高速雙極工藝技術才能達到卓越的性能，并且還可提供 MOSFET 制作工藝所具有的低靜態(tài)電流、短傳播延遲以及軌對軌輸出擺動等全面優(yōu)勢。但主要優(yōu)勢　在于利用無阻抗的雙極晶體管來切換高電流負載。

眾多基于 MOSFET 的門驅(qū)動 IC 通常要求特定的額定峰值電流，例如 6A。此處會造成這樣的假象：設計人員可能會被誤導，認為驅(qū)動器能在整個開關間隔期間提供6A的額定峰值電流，但真實情況并非如此。對數(shù)據(jù)手冊的詳查將顯示更有意義且更量化的輸出切換阻抗。例如，6A 峰值電流器件的測試條件可能規(guī)定為 12 VDC 的電源電壓。這會轉(zhuǎn)換成 12V / 6A 或2歐姆 25℃ 的輸出驅(qū)動器阻抗。但只有當驅(qū)動器與負載均為電源電壓的相反極值時，驅(qū)動器才會提供 6A 的電流。具體說來，在啟動時，輸出為低電壓，而驅(qū)動器啟動時正極電源軌的"高值"達到 12V。反之亦然，關斷時，負載已達到電源電壓，而低端的內(nèi)部驅(qū)動晶體管開始將輸出拉低，到達低電平。

問題是采用這種方式的額定驅(qū)動器會產(chǎn)生某些誤導，例如在最需要峰值電流時（達到 MOSFET 的 "米勒"平坦區(qū)閾值）可處理的峰值電流量為多少。由于針對這一數(shù)值所采用的近似值為 6V，因此由該驅(qū)動器所提供的峰值電流被限制在電源軌與輸出（由驅(qū)動器晶體管阻抗分壓形成的）二者間電壓電位的差值上。因此若采用先前確定的2歐姆，則在"米勒"平坦區(qū)閾值交叉時可獲得的峰值電流為 12V-6V / 2 歐姆，或 3A！這只是在周圍環(huán)境溫度測試條件下。因為驅(qū)動器 IC 的溫度會升高，并且由于其電阻特性的正溫度系數(shù)而導致的內(nèi)部阻抗增加，因此可進一步將峰值電流能力降低近一半，從而相應的值為1.5A。

真正的驅(qū)動

TI 的新系列 TrueDriveTM 門驅(qū)動器 IC 結(jié)合了雙極與 MOSFET 工藝，這樣可使兩種工藝均趨近完美。UCC37321/2 9A 門驅(qū)動器 IC 的雙極部分在主要切換的米勒平坦區(qū)可提供額定電流。具體說來，當這些新型驅(qū)動器的輸出端驅(qū)動6V負載時，這些新型驅(qū)動器的電流為全額定電流。當每次繁重的雙極切換也與 MOSFET 器件并行時，MOSFET 工藝會在輸出時產(chǎn)生高速邏輯與軌對軌擺動。雙極部分可在 MOSFET 完成到電源軌轉(zhuǎn)換的同時處理高電流。

Predictive Gate Drive™（這是個商標名嗎？如果是的話，我們需在整篇文章中將整個短語作為專有名詞使用）技術實際上可消除體二極管導電的必要

MOSFET導通電阻是導致同步整流器應用中功率損失的主要原因。在眾多情況下，由次之的是低端或整流 MOSFET的體二極管導電導致的設計中功率損失。一般來講，這種情況每個開關周期會發(fā)生兩次，在啟動整流開關導通前會發(fā)生一次，在關斷整流開關后也會再出現(xiàn)一次。其根源是為防止交叉導通在兩個同步開關導通門驅(qū)動之間造成的故意延遲，交叉導通指的是高端和低端開關同時導通。

直到現(xiàn)在，才有了實現(xiàn)這一延遲的兩種主要驅(qū)動技術：固定延遲技術與適應性延遲方法。固定延遲技術可對關斷同步整流器中的一個整流器與啟動另一個整流器之間具體的固定延遲段進行編程。目的是要確保兩種切換永遠不同步，方法是為每次切換提供足夠的延遲時間，以便在一個整流器啟動之前正確地關斷另一個。適應性技術采用交叉耦合的門驅(qū)動來確定啟動切換的時間。具體而言，當極電壓降至低于某一閾值后，可啟動整流開關。同樣，當整流切換的門驅(qū)動低于其門閾值電壓后便可啟動主要降壓開關。

如何比較兩種方法的優(yōu)劣？

原則上，固定與適應性延遲這兩種方案均可提供合理的性能。但是延遲時間必須適應所有最壞情況下的各種參數(shù)的容差，和它們對超出產(chǎn)品公差和整個溫度范圍的影響。這一般會導致較長的延遲時間，從而使體二極管的導電周期比最佳狀況的還要長。

何謂最新技術？

新型 Predictive Gate Drive 技術可克服傳統(tǒng)同步整流器門驅(qū)動方法所面臨的重重障礙。以周期循環(huán)為基礎，這一增強驅(qū)動技術可調(diào)制切換間的延遲，以提供實際的體二極管的零導電時間。實際上，該持續(xù)時間會降至只有幾納秒。這約為優(yōu)于先前方法的一個數(shù)量級，而且該技術將會進行自我調(diào)整來改變初始容差范圍、溫度、線路以及負載影響的條件。

注意以下兩點非常重要：降壓切換脈寬由脈寬調(diào)制解調(diào)器 (PWM) 控制 IC決定；新的門驅(qū)動技術不會改變忙占空比。然而，該技術確實可調(diào)節(jié)同步開關激活操作之間的延遲；精確地調(diào)節(jié)這些延遲可驅(qū)動切換，以實現(xiàn)整流切換的體二極管零導通。

新技術如何工作？

Predictive Gate Drive將高速比較器、4位計數(shù)器、數(shù)字門、多路復用器以及結(jié)合了步長 (step size) 為5納秒的延遲線路進行了完美組合。與適應性延遲技術不同，該比較器可檢測實際的體二極管導電--不會損壞漏極電壓或門驅(qū)動振幅。比較器輸出并非簡單地轉(zhuǎn)變整流交換，而是用于聯(lián)合計數(shù)器與多路復用器以確定防止體二極管導電所需的確切延遲次數(shù)。計數(shù)器采用作為初始條件而設置的最大延遲開始工作，相應的延遲時間約為80納秒。這一數(shù)值符合計數(shù)器的4位乘以單時鐘周期的5納秒，或最大80納秒。

在每一個交換周期間，電路均會檢查體二極管導電的情況。如果體二極管導電，則四位計數(shù)器會減少一位。無論體二極管導電的時間有多長，均可實施這種電路方式，該計數(shù)器在每一個 PWM 交換周期僅能改變一位。這就限制了調(diào)整每周期5納秒的改變。在最糟糕情況下的匯聚延遲時間,耗用的最長時間為 16 PWM 交換周期。

隨著PWM 開關周期的不斷進行，每次比較器被觸發(fā)時延遲就會減少。在體二極管導電停止以及比較器沒有被觸發(fā)的地方會最終出現(xiàn)一個操作點。這是兩個同步降壓開關即將同時進行的閾值。不要擔心，這不是致命情況，通過設計，最長僅持續(xù)5納秒。貫通電流也不會立即變得無窮大，因為在如此短的時間內(nèi)很難產(chǎn)生這大電流，更何況還具有卓越的 PC 設計。這種將設計、組件包及寄生元件進行完美結(jié)合的總串聯(lián)電感將會把峰值電流限制在幾十毫安附近。計算機模擬及測量數(shù)據(jù)均支持這種貫通電流范圍。正位于線性區(qū)域中的兩個MOSFET會阻止這種貫通，電壓受控電流源的器件也位于該區(qū)域中，因此他們無法承載比負載電流更多的電流。

當沒有感應到體二極管導電時，Predictive Gate技術會將計數(shù)器調(diào)整回正確的方向。由于下一個交換周期及尋找體二極管導電的過程不斷進行，延遲時間會增加一位。根據(jù)電流周期信息，可針對下一個交換周期進行測量并調(diào)整延遲時間。該電路會預測哪些延遲將成為下一個 PWM 周期的最佳解決方案。在正常運作情況下，Predictive Gate Drive 電路將不斷調(diào)整延遲，以提供0到5納秒的體二極管導電。

測試結(jié)果

向Predictive Gate Drive技術的轉(zhuǎn)換可將同步降壓式穩(wěn)壓器中的功率損失減少30%，這要取決于輸出電流、切換頻率及輸入與輸出電壓。為了比較 Predictive Gate Drive 技術與適應性技術，構(gòu)建了一種 5V 到 1.8V、10A的參考設計。適應性技術完全負載時效率高達89%，而受控的 TPS40000 Predictive Gate Drive 技術的效率則可超過91%。相形之下，這兩種比例的總體改進程度相應將功率損失降低了近20%。另一種可轉(zhuǎn)換為 3.3V 到 2.5V、10A 的參考設計 [3] 以 3 A 實現(xiàn)了超過96% 的峰值效率，完全負載時可實現(xiàn)92.5％的效率。

總結(jié)

處于非隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器激烈的競爭環(huán)境中，制造商必須不懈地探索并評估各種新型產(chǎn)品及技術，才能獲得優(yōu)勝于競爭對手的優(yōu)勢。憑借新興技術及增強的現(xiàn)有技術，該行業(yè)定位是開發(fā)出能沖破先前最大效率以及功率密度限制條件的新產(chǎn)品。

1. TI 出版物 # SLUA281：《Predictive Gate Drive 技術可極大地提高同步 DC/DC 功率轉(zhuǎn)換器的效率》
   
2. 美國專利號6,396, 250：降低體二極管導電與逆向恢復損失 (Reverse Recovery Loss) 的控制方法。
   
3. TI 出版物 # SLUU121：《采用 TPS40000/1 的超高效率降壓式轉(zhuǎn)換器能保持極低的電源系統(tǒng)成本》