中心論題：
- Soxyless原理
- 功率MOSFET模型
- 典型應用和仿真
- Soxyless實(shí)現
- 硅集成實(shí)現
解決方案：
- 已經(jīng)開(kāi)發(fā)出專(zhuān)用的功率MOSFET驅動(dòng)器
- 功率MOSFET驅動(dòng)器由混合的推挽輸出電路組成
- 電路的工作原理如同有源電壓鉗位網(wǎng)絡(luò )
在工作于自激振蕩模式的SMPS中，需要檢測磁芯的完全去磁狀態(tài)。去磁檢測的最新技術(shù)基于對與變壓器主繞組耦合的輔助繞組的使用。此繞組可對磁芯實(shí)際去磁后出現的零電壓進(jìn)行檢測(ZCD)。在準諧振工作中，重新啟動(dòng)新一輪導通周期的最佳時(shí)機位于功率MOSFET漏極電壓的“谷點(diǎn)”處。電壓ZCD和漏極電壓谷點(diǎn)之間的時(shí)間間隔取決于漏極振鈴周期。
本文描述了一種被稱(chēng)為SOXYLESS的新技術(shù)，它無(wú)需采用輔助繞組和時(shí)間補償元件就能進(jìn)行“谷點(diǎn)”檢測?！ ?/p>
Soxyless原理
圖1表明了反激SMPS的功率MOSFET漏極上的電壓 。
為了工作在開(kāi)關(guān)導通準諧振狀態(tài)，最佳時(shí)刻必須和漏極電壓的“谷點(diǎn)”相對應。此事件和存儲在漏極總電容中的最小能量相重合：
開(kāi)關(guān)導通時(shí)該能量越小，SMPS的損耗和干擾就越小。
“谷點(diǎn)”檢測基于對流經(jīng)功率MOSFET柵極節點(diǎn)的電流的測量。在功率MOSFET漏極上出現的平坦電壓末端，電壓的變化由Lp變壓器電感與漏極上的總電容之間傳輸的諧振能量決定。當電壓由平坦電平下降至SMPS的VIN dc電壓時(shí)，MOSFET漏極上的振蕩電壓便會(huì )發(fā)生變化。在柵極和漏極之間，形成一個(gè)固有的MOSFET電容。因此，便產(chǎn)生一個(gè)電流流經(jīng)功率MOSFET柵極。
施加到電容上的電壓源提供對電壓有負90°相移的電流。所以當電流上升到零點(diǎn)時(shí)，電壓便對應于其峰值。所述的Soxyless技術(shù)包含檢測正柵極電流的過(guò)零檢測器(ZCD)以確定“谷點(diǎn)”的出現。
本文將從SMPS初級側接地點(diǎn)流出的電流通過(guò)下部柵極驅動(dòng)器流向功率MOSFET柵極的方向定義為負。
在半導體技術(shù)中，驅動(dòng)并測量這樣的負電流并非易事。
功率MOS柵極上產(chǎn)生的電流與漏極電壓和電容之間的關(guān)系可表述成如下：
其中Zc為電容阻抗：
此柵極電流的大小取決于MOSFET、諧振頻率F和在平坦電壓末端漏極上的電壓擺幅(Vring)。
谷點(diǎn)發(fā)生在諧振周期的一半處：
其中：Lp是變壓器初級電感；Cdrain是MOSFET漏極上的總電容。此電容包括緩沖電容(如有)，變壓器繞組雜散電容和MOSFET寄生電容。
功率MOSFET模型
MOSFET的物理結構導致其端口之間形成電容。金屬氧化物柵極結構決定了柵極到漏極(Cgd)以及柵極到源極(Cgs)的固有電容。漏極和源極之間的PN結(Cds)是因P+體的存在而產(chǎn)生，其中MOS單元建立在N+襯底頂部上的外延層附近。
Cgd和Cgs電容在高溫中非常穩定，因為其介電材料由玻璃制成。
圖4為功率MOSFET的器件模型。該模型顯示存在3個(gè)電源電容，如圖4所示。此種表示法更像是出自于器件工程師之手，而非應用工程師。實(shí)際上，在應用中使用的功率MOSFET的參數應是可從功率器件接入節點(diǎn)處測得的全局性代表參數。這意味著(zhù)應用數據表中使用了其他電容定義，是內部電容的組合。
作為例子，表1顯示了安森美半導體MTD1N60E數據表上的不同電容?！?/p>
Crss電容表示共源極配置中的短路反向傳輸電容。此參數表示了功率MOSFET在反激式SMPS的關(guān)斷階段中的狀態(tài)。
典型應用
作為典型實(shí)例，諧振頻率在500kHz的范圍內，從漏極平臺到谷點(diǎn)的電壓變化為100V。根據式3，一般柵極電流峰-峰值幅度的大小是10mA。負值部分的范圍是5mA。
Crss值隨著(zhù)功率MOSFET生產(chǎn)商的不同而變化。對最常用的功率MOSFET所做的調查顯示，Crss在10pF和100pF之間變化。
另一方面，漏極上的總電容越大，諧振頻率就越低。經(jīng)過(guò)適當的折衷，將在變化中流進(jìn)柵極的電流選為30mA峰-峰值以對應15mA正負電流。
仿真
圖5顯示了采用簡(jiǎn)化功率MOS模型的混合驅動(dòng)。
漏極電壓源的電壓是反激結構的簡(jiǎn)化表示，它包括耦合電感、次級二極管和電容、負載及輸入儲能電壓源。
PSPICE仿真使用MTD1N60E功率MOSFET 和100pF緩沖電容。
電容Crss的值為6pF。
圖6中的波形表示仿真結果。
a.上方的曲線(xiàn)代表功率MOS的柵極電流。圖中的左邊部分對應于關(guān)斷之后出現的寄生振蕩。漏極上出現的任何dV/dt都會(huì )在周?chē)须娙葜挟a(chǎn)生相應的電流。
b.中間曲線(xiàn)表示流經(jīng)功率MOS源極的電流。
c.下方曲線(xiàn)是功率MOS的漏極電壓。
柵極和源極電流在形狀上可以相互比擬。兩者幅度之間的關(guān)系可近似地用Crss和Coss的值來(lái)表示：
Coss/Crss = 27/6=4.5
Igate/Isource=3.4
Soxyless實(shí)現
已經(jīng)開(kāi)發(fā)出專(zhuān)用的功率MOSFET驅動(dòng)器，可通過(guò)MOS和雙極晶體管的混合電路來(lái)測量負柵極電流，該電路不經(jīng)過(guò)底部而是經(jīng)由參考正Vcc電壓的路徑傳輸負柵極電流。因此，測量的電流從Vcc軌經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的補償電路流至柵極，該電路的工作相當于有源負電壓鉗位。結果，“負柵極電流”轉換為便于處理的正電流。因此，使用簡(jiǎn)單的比較器便可進(jìn)行柵極電流過(guò)零檢測，從而提供“谷點(diǎn)”信號。
圖7為Soxyless功能的方塊原理圖。功率MOSFET驅動(dòng)器由混合的推挽輸出電路組成(上部的PMOS+下部的NMOS和PNP并聯(lián))。在閉塞窗之后禁用Q1 NMOS。在其余的關(guān)斷反激序列中只有Q2 PNP保持導通。這種技術(shù)無(wú)須考慮功率MOS Toff之后出現的振鈴。如果假設下面的FET其Rdson為10W，則10mA柵極電流就能產(chǎn)生一個(gè)100mV信號。這是任何使用CMOS結構的典型MOSFET驅動(dòng)器的典型性能。
因為Q2 PNP不能流過(guò)任何反向電流，只要負電流出現，體二極管就開(kāi)始導通，形成一個(gè)對地的負電壓。選擇Vacl電壓源使得一旦Q3的源極存在負電壓，NMOS的柵極就導通。負柵極電流流過(guò)Q3。此電路的工作原理如同有源電壓鉗位網(wǎng)絡(luò )。
于是體二極管電壓鉗位到：
的Vacl值接近于Vth，這決定了DRV電壓接近于驅動(dòng)器的接地點(diǎn)。用這種方法可以實(shí)現虛擬接地。
Q3電流通過(guò)M1產(chǎn)生鏡像。鏡像電流通過(guò)Rsig 產(chǎn)生“信號”。信號的擺幅可與Vzcd進(jìn)行比較，用來(lái)創(chuàng )建Vvalley信號。為了實(shí)現Vvalley信號不受干擾和靈敏的檢測，必須選擇發(fā)生在零點(diǎn)檢測前一點(diǎn)的Vzcd電平，以便補償比較器的傳輸延遲。
硅集成實(shí)現
在Soxyless功能模塊中處理的信號是非常高速的信號。在典型的應用中，磁芯去磁之后發(fā)生的振鈴周期在500kHz范圍內。對應的半周期的數量級為1ms。很明顯，谷點(diǎn)檢測速度是一個(gè)影響精度的因素。
Soxyless模塊的主要功能為：?jiǎn)?dòng)PNP;禁用推挽驅動(dòng)器的下部NFET;在漏極電壓振蕩的負dV/dt部分在驅動(dòng)器輸出DRV上形成“虛擬地”;捕獲(流出DRV輸出端的)負電流;檢測“正向ZCD DRV電流”。
對于前兩點(diǎn)，常規的閉塞技術(shù)使下部的NMOS和PNP一起觸發(fā)。設定時(shí)間結束之后，NMOS關(guān)斷，只有PNP保持導通。采用典型的5ms閉塞窗口。
在閉塞窗口內，下部NMOS的導通電阻接近于10W。Toff之后的電壓振蕩創(chuàng )建了非常強的振蕩電流(峰-峰值為幾十毫安)。因此出現在DRV上的電壓可達幾百毫伏。
此殘留電壓觸發(fā)Soxyless檢測器，因為它要進(jìn)行所需的“谷點(diǎn)”檢測。如有閉塞窗口可不考慮這些錯誤的信號。
產(chǎn)生漏極電壓變化的振鈴電流是替代方案。
a.正向自由振鈴柵極電流通過(guò)PNP流到地。因此，飽和電壓的范圍為1.5V。電壓大大低于功率MOSFET的柵極門(mén)限，因此不會(huì )使其導通。
b.負向自由振鈴柵極電流由鉗位Q2 N FET通過(guò)電流鏡像進(jìn)行處理。
此有源負向鉗位的目的是確保在器件驅動(dòng)輸出上建立虛擬地。
這種電路的第一個(gè)難點(diǎn)，一方面是接近+/-15mA的電流容量，另一方面是要檢測100mA范圍內的微小電流。
Soxyless檢測系統的動(dòng)態(tài)范圍約為150。
在負電流情況下，電壓不能遠低于2V，以免使體二極管導通。Q2的自啟動(dòng)必須精確。
強大的驅動(dòng)電流容量不能影響速度檢測。Q2柵極的有源偏置可以自調整鉗位電路。
電流鏡像可以方便地處理Soxyless電流信號。
快速比較器檢測到ZCD時(shí)刻，然后提供“谷點(diǎn)”信號。
試驗結果
Soxyless技術(shù)已經(jīng)在硅集成上實(shí)現。驅動(dòng)器控制典型的準諧振SMPS。
必須看到，在禁止窗口中存在一些殘留電壓。驅動(dòng)器行為與任何典型的CMOS推挽驅動(dòng)器相似。殘留信號的閉塞在禁止窗口中進(jìn)行。選擇Rsig和鏡像的比例，以便進(jìn)行靈敏度為100mA的負電流檢測。
比較器提供用于導通功率MOS的Vvalley信號。
因為要進(jìn)行高速的Soxyless檢測，所以功率MOSFET的導通發(fā)生在非常接近于“谷點(diǎn)”處。
“谷點(diǎn)”檢測靈敏度的范圍是100mA。
注：有源電壓鉗位和負電流測量都在申請專(zhuān)利待審批中。
結語(yǔ)
Soxyless技術(shù)在硅集成上進(jìn)行了驗證。其表明仿真結果與試驗分析相一致。這種創(chuàng )新的技術(shù)可以無(wú)需特定的輔助繞組與反激變壓器耦合就能檢測“谷點(diǎn)”。目前無(wú)需使用任何RC定時(shí)技術(shù)便可在過(guò)零檢測和重啟點(diǎn)之間建立一致的關(guān)系。
