高級門驅(qū)動器 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(fù)載中。在大多情況下，設(shè)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(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(fù)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(shè)計人員可能會被誤導(dǎo)，認(rèn)為驅(qū)動器能在整個開關(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(dāng)驅(qū)動器與負(fù)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(dá)到 12V。反之亦然，關(guān)斷時，負(fù)載已達(dá)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(dá)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(dǎo)，例如在最需要峰值電流時（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?yàn)轵?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(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

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(dāng)這些新型驅(qū)動器的輸出端驅(qū)動6V負(fù)載時，這些新型驅(qū)動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，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(biāo)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(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)計中功率損失。一般來講，這種情況每個開關(guān)周期會發(fā)生兩次，在啟動整流開關(guān)導(dǎo)通前會發(fā)生一次，在關(guān)斷整流開關(guān)后也會再出現(xiàn)一次。其根源是為防止交叉導(dǎo)通在兩個同步開關(guān)導(dǎo)通門驅(qū)動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)可對關(guān)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(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間，以便在一個整流器啟動之前正確地關(guān)斷另一個。適應(yīng)性技術(shù)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(dāng)極電壓降至低于某一閾值后，可啟動整流開關(guān)。同樣，當(dāng)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(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，和它們對超出產(chǎn)品公差和整個溫度范圍的影響。這一般會導(dǎo)致較長的延遲時間，從而使體二極管的導(dǎo)電周期比最佳狀況的還要長。

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)電時間。實(shí)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(shù)將會進(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)動技術(shù)不會改變忙占空比。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位計數(shù)器、數(shù)字門、多路復(fù)用器以及結(jié)合了步長 (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，該比較器可檢測實(shí)際的體二極管導(dǎo)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(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(dǎo)電的情況。如果體二極管導(dǎo)電，則四位計數(shù)器會減少一位。無論體二極管導(dǎo)電的時間有多長，均可實(shí)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(guān)周期的不斷進(jìn)行，每次比較器被觸發(fā)時延遲就會減少。在體二極管導(dǎo)電停止以及比較器沒有被觸發(fā)的地方會最終出現(xiàn)一個操作點(diǎn)。這是兩個同步降壓開關(guān)即將同時進(jìn)行的閾值。不要擔(dān)心，這不是致命情況，通過設(shè)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?yàn)樵谌绱硕痰臅r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。這種將設(shè)計、組件包及寄生元件進(jìn)行完美結(jié)合的總串聯(lián)電感將會把峰值電流限制在幾十毫安附近。計算機(jī)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(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，Predictive Gate技術(shù)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(dǎo)電的過程不斷進(jìn)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(jìn)行測量并調(diào)整延遲時間。該電路會預(yù)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(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。適應(yīng)性技術(shù)完全負(fù)載時效率高達(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 [3] 以 3 A 實(shí)現(xiàn)了超過96% 的峰值效率，完全負(fù)載時可實(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(shù)，才能獲得優(yōu)勝于競爭對手的優(yōu)勢。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》