高級(jí)門驅(qū)動(dòng)器 IC 技術(shù)可提高同步整流器應(yīng)用的效率

當(dāng)今眾多高頻率與高效率同步整流器應(yīng)用均需要強(qiáng)大可靠的門驅(qū)動(dòng)電路，該電路可將具有快速切換轉(zhuǎn)換及軌對(duì)軌輸出電壓擺動(dòng)的高峰值電流傳遞到大型電容性負(fù)載中。在大多情況下，設(shè)計(jì)人員會(huì)添加外部 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器集成電路 (IC) 來完成這一任務(wù)，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(diǎn)在最初看來可能是門驅(qū)動(dòng)器 IC 的最佳選擇，但實(shí)際上，采用結(jié)合 MOSFET 結(jié)構(gòu)的組合型高速雙極工藝技術(shù)才能達(dá)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(duì)軌輸出擺動(dòng)等全面優(yōu)勢(shì)。但主要優(yōu)勢(shì)　在于利用無阻抗的雙極晶體管來切換高電流負(fù)載。

眾多基于 MOSFET 的門驅(qū)動(dòng) IC 通常要求特定的額定峰值電流，例如 6A。此處會(huì)造成這樣的假象：設(shè)計(jì)人員可能會(huì)被誤導(dǎo)，認(rèn)為驅(qū)動(dòng)器能在整個(gè)開關(guān)間隔期間提供6A的額定峰值電流，但真實(shí)情況并非如此。對(duì)數(shù)據(jù)手冊(cè)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(cè)試條件可能規(guī)定為 12 VDC 的電源電壓。這會(huì)轉(zhuǎn)換成 12V / 6A 或2歐姆 25℃ 的輸出驅(qū)動(dòng)器阻抗。但只有當(dāng)驅(qū)動(dòng)器與負(fù)載均為電源電壓的相反極值時(shí)，驅(qū)動(dòng)器才會(huì)提供 6A 的電流。具體說來，在啟動(dòng)時(shí)，輸出為低電壓，而驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)時(shí)正極電源軌的"高值"達(dá)到 12V。反之亦然，關(guān)斷時(shí)，負(fù)載已達(dá)到電源電壓，而低端的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)晶體管開始將輸出拉低，到達(dá)低電平。

問題是采用這種方式的額定驅(qū)動(dòng)器會(huì)產(chǎn)生某些誤導(dǎo)，例如在最需要峰值電流時(shí)（達(dá)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(duì)這一數(shù)值所采用的近似值為 6V，因此由該驅(qū)動(dòng)器所提供的峰值電流被限制在電源軌與輸出（由驅(qū)動(dòng)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(shí)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(cè)試條件下。因?yàn)轵?qū)動(dòng)器 IC 的溫度會(huì)升高，并且由于其電阻特性的正溫度系數(shù)而導(dǎo)致的內(nèi)部阻抗增加，因此可進(jìn)一步將峰值電流能力降低近一半，從而相應(yīng)的值為1.5A。

真正的驅(qū)動(dòng)

TI 的新系列 TrueDriveTM 門驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dāng)這些新型驅(qū)動(dòng)器的輸出端驅(qū)動(dòng)6V負(fù)載時(shí)，這些新型驅(qū)動(dòng)器的電流為全額定電流。當(dāng)每次繁重的雙極切換也與 MOSFET 器件并行時(shí)，MOSFET 工藝會(huì)在輸出時(shí)產(chǎn)生高速邏輯與軌對(duì)軌擺動(dòng)。雙極部分可在 MOSFET 完成到電源軌轉(zhuǎn)換的同時(shí)處理高電流。

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

MOSFET導(dǎo)通電阻是導(dǎo)致同步整流器應(yīng)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(dǎo)電導(dǎo)致的設(shè)計(jì)中功率損失。一般來講，這種情況每個(gè)開關(guān)周期會(huì)發(fā)生兩次，在啟動(dòng)整流開關(guān)導(dǎo)通前會(huì)發(fā)生一次，在關(guān)斷整流開關(guān)后也會(huì)再出現(xiàn)一次。其根源是為防止交叉導(dǎo)通在兩個(gè)同步開關(guān)導(dǎo)通門驅(qū)動(dòng)之間造成的故意延遲，交叉導(dǎo)通指的是高端和低端開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通。

直到現(xiàn)在，才有了實(shí)現(xiàn)這一延遲的兩種主要驅(qū)動(dòng)技術(shù)：固定延遲技術(shù)與適應(yīng)性延遲方法。固定延遲技術(shù)可對(duì)關(guān)斷同步整流器中的一個(gè)整流器與啟動(dòng)另一個(gè)整流器之間具體的固定延遲段進(jìn)行編程。目的是要確保兩種切換永遠(yuǎn)不同步，方法是為每次切換提供足夠的延遲時(shí)間，以便在一個(gè)整流器啟動(dòng)之前正確地關(guān)斷另一個(gè)。適應(yīng)性技術(shù)采用交叉耦合的門驅(qū)動(dòng)來確定啟動(dòng)切換的時(shí)間。具體而言，當(dāng)極電壓降至低于某一閾值后，可啟動(dòng)整流開關(guān)。同樣，當(dāng)整流切換的門驅(qū)動(dòng)低于其門閾值電壓后便可啟動(dòng)主要降壓開關(guān)。

如何比較兩種方法的優(yōu)劣？

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

何謂最新技術(shù)？

新型 Predictive Gate Drive 技術(shù)可克服傳統(tǒng)同步整流器門驅(qū)動(dòng)方法所面臨的重重障礙。以周期循環(huán)為基礎(chǔ)，這一增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)可調(diào)制切換間的延遲，以提供實(shí)際的體二極管的零導(dǎo)電時(shí)間。實(shí)際上，該持續(xù)時(shí)間會(huì)降至只有幾納秒。這約為優(yōu)于先前方法的一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且該技術(shù)將會(huì)進(jìn)行自我調(diào)整來改變初始容差范圍、溫度、線路以及負(fù)載影響的條件。

注意以下兩點(diǎn)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(dòng)技術(shù)不會(huì)改變忙占空比。然而，該技術(shù)確實(shí)可調(diào)節(jié)同步開關(guān)激活操作之間的延遲；精確地調(diào)節(jié)這些延遲可驅(qū)動(dòng)切換，以實(shí)現(xiàn)整流切換的體二極管零導(dǎo)通。

新技術(shù)如何工作？

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

在每一個(gè)交換周期間，電路均會(huì)檢查體二極管導(dǎo)電的情況。如果體二極管導(dǎo)電，則四位計(jì)數(shù)器會(huì)減少一位。無論體二極管導(dǎo)電的時(shí)間有多長(zhǎng)，均可實(shí)施這種電路方式，該計(jì)數(shù)器在每一個(gè) 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(shí)間,耗用的最長(zhǎng)時(shí)間為 16 PWM 交換周期。

隨著PWM 開關(guān)周期的不斷進(jìn)行，每次比較器被觸發(fā)時(shí)延遲就會(huì)減少。在體二極管導(dǎo)電停止以及比較器沒有被觸發(fā)的地方會(huì)最終出現(xiàn)一個(gè)操作點(diǎn)。這是兩個(gè)同步降壓開關(guān)即將同時(shí)進(jìn)行的閾值。不要擔(dān)心，這不是致命情況，通過設(shè)計(jì)，最長(zhǎng)僅持續(xù)5納秒。貫通電流也不會(huì)立即變得無窮大，因?yàn)樵谌绱硕痰臅r(shí)間內(nèi)很難產(chǎn)生這大電流，更何況還具有卓越的 PC 設(shè)計(jì)。這種將設(shè)計(jì)、組件包及寄生元件進(jìn)行完美結(jié)合的總串聯(lián)電感將會(huì)把峰值電流限制在幾十毫安附近。計(jì)算機(jī)模擬及測(cè)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(gè)MOSFET會(huì)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(fù)載電流更多的電流。

當(dāng)沒有感應(yīng)到體二極管導(dǎo)電時(shí)，Predictive Gate技術(shù)會(huì)將計(jì)數(shù)器調(diào)整回正確的方向。由于下一個(gè)交換周期及尋找體二極管導(dǎo)電的過程不斷進(jìn)行，延遲時(shí)間會(huì)增加一位。根據(jù)電流周期信息，可針對(duì)下一個(gè)交換周期進(jìn)行測(cè)量并調(diào)整延遲時(shí)間。該電路會(huì)預(yù)測(cè)哪些延遲將成為下一個(gè) PWM 周期的最佳解決方案。在正常運(yùn)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(dǎo)電。

測(cè)試結(jié)果

向Predictive Gate Drive技術(shù)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(shù)與適應(yīng)性技術(shù)，構(gòu)建了一種 5V 到 1.8V、10A的參考設(shè)計(jì)。適應(yīng)性技術(shù)完全負(fù)載時(shí)效率高達(dá)89%，而受控的 TPS40000 Predictive Gate Drive 技術(shù)的效率則可超過91%。相形之下，這兩種比例的總體改進(jìn)程度相應(yīng)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(shè)計(jì) [3] 以 3 A 實(shí)現(xiàn)了超過96% 的峰值效率，完全負(fù)載時(shí)可實(shí)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(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中，制造商必須不懈地探索并評(píng)估各種新型產(chǎn)品及技術(shù)，才能獲得優(yōu)勝于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的優(yōu)勢(shì)。憑借新興技術(shù)及增強(qiáng)的現(xiàn)有技術(shù)，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(shù)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(hào)6,396, 250：降低體二極管導(dǎo)電與逆向恢復(fù)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》