中心論題：
- Soxyless原理
- 功率MOSFET模型
- 典型應(yīng)用和仿真
- Soxyless實現(xiàn)
- 硅集成實現(xiàn)
解決方案：
- 已經(jīng)開發(fā)出專用的功率MOSFET驅(qū)動器
- 功率MOSFET驅(qū)動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。此繞組可對磁芯實際去磁后出現(xiàn)的零電壓進(jìn)行檢測(ZCD)。在準(zhǔn)諧振工作中，重新啟動新一輪導(dǎo)通周期的最佳時機位于功率MOSFET漏極電壓的“谷點”處。電壓ZCD和漏極電壓谷點之間的時間間隔取決于漏極振鈴周期。
本文描述了一種被稱為SOXYLESS的新技術(shù)，它無需采用輔助繞組和時間補償元件就能進(jìn)行“谷點”檢測。
Soxyless原理
圖1表明了反激SMPS的功率MOSFET漏極上的電壓 。
為了工作在開關(guān)導(dǎo)通準(zhǔn)諧振狀態(tài)，最佳時刻必須和漏極電壓的“谷點”相對應(yīng)。此事件和存儲在漏極總電容中的最小能量相重合：
開關(guān)導(dǎo)通時該能量越小，SMPS的損耗和干擾就越小。
“谷點”檢測基于對流經(jīng)功率MOSFET柵極節(jié)點的電流的測量。在功率MOSFET漏極上出現(xiàn)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?shù)闹C振能量決定。當(dāng)電壓由平坦電平下降至SMPS的VIN dc電壓時，MOSFET漏極上的振蕩電壓便會發(fā)生變化。在柵極和漏極之間，形成一個固有的MOSFET電容。因此，便產(chǎn)生一個電流流經(jīng)功率MOSFET柵極。
施加到電容上的電壓源提供對電壓有負(fù)90°相移的電流。所以當(dāng)電流上升到零點時，電壓便對應(yīng)于其峰值。所述的Soxyless技術(shù)包含檢測正柵極電流的過零檢測器(ZCD)以確定“谷點”的出現(xiàn)。
本文將從SMPS初級側(cè)接地點流出的電流通過下部柵極驅(qū)動器流向功率MOSFET柵極的方向定義為負(fù)。
在半導(dǎo)體技術(shù)中，驅(qū)動并測量這樣的負(fù)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(jié)構(gòu)導(dǎo)致其端口之間形成電容。金屬氧化物柵極結(jié)構(gòu)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(jié)(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(wěn)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(yīng)用工程師。實際上，在應(yīng)用中使用的功率MOSFET的參數(shù)應(yīng)是可從功率器件接入節(jié)點處測得的全局性代表參數(shù)。這意味著應(yīng)用數(shù)據(jù)表中使用了其他電容定義，是內(nèi)部電容的組合。
作為例子，表1顯示了安森美半導(dǎo)體MTD1N60E數(shù)據(jù)表上的不同電容。
Crss電容表示共源極配置中的短路反向傳輸電容。此參數(shù)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(yīng)用
作為典型實例，諧振頻率在500kHz的范圍內(nèi)，從漏極平臺到谷點的電壓變化為100V。根據(jù)式3，一般柵極電流峰-峰值幅度的大小是10mA。負(fù)值部分的范圍是5mA。
Crss值隨著功率MOSFET生產(chǎn)商的不同而變化。對最常用的功率MOSFET所做的調(diào)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)過適當(dāng)?shù)恼壑裕瑢⒃谧兓辛鬟M(jìn)柵極的電流選為30mA峰-峰值以對應(yīng)15mA正負(fù)電流。
仿真
圖5顯示了采用簡化功率MOS模型的混合驅(qū)動。
漏極電壓源的電壓是反激結(jié)構(gòu)的簡化表示，它包括耦合電感、次級二極管和電容、負(fù)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(jié)果。
a.上方的曲線代表功率MOS的柵極電流。圖中的左邊部分對應(yīng)于關(guān)斷之后出現(xiàn)的寄生振蕩。漏極上出現(xiàn)的任何dV/dt都會在周圍所有電容中產(chǎn)生相應(yīng)的電流。
b.中間曲線表示流經(jīng)功率MOS源極的電流。
c.下方曲線是功率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的值來表示：
Coss/Crss = 27/6=4.5
Igate/Isource=3.4
Soxyless實現(xiàn)
已經(jīng)開發(fā)出專用的功率MOSFET驅(qū)動器，可通過MOS和雙極晶體管的混合電路來測量負(fù)柵極電流，該電路不經(jīng)過底部而是經(jīng)由參考正Vcc電壓的路徑傳輸負(fù)柵極電流。因此，測量的電流從Vcc軌經(jīng)過簡單的補償電路流至柵極，該電路的工作相當(dāng)于有源負(fù)電壓鉗位。結(jié)果，“負(fù)柵極電流”轉(zhuǎn)換為便于處理的正電流。因此，使用簡單的比較器便可進(jìn)行柵極電流過零檢測，從而提供“谷點”信號。
圖7為Soxyless功能的方塊原理圖。功率MOSFET驅(qū)動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(dǎo)通。這種技術(shù)無須考慮功率MOS Toff之后出現(xiàn)的振鈴。如果假設(shè)下面的FET其Rdson為10W，則10mA柵極電流就能產(chǎn)生一個100mV信號。這是任何使用CMOS結(jié)構(gòu)的典型MOSFET驅(qū)動器的典型性能。
因為Q2 PNP不能流過任何反向電流，只要負(fù)電流出現(xiàn)，體二極管就開始導(dǎo)通，形成一個對地的負(fù)電壓。選擇Vacl電壓源使得一旦Q3的源極存在負(fù)電壓，NMOS的柵極就導(dǎo)通。負(fù)柵極電流流過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(qū)動器的接地點。用這種方法可以實現(xiàn)虛擬接地。
Q3電流通過M1產(chǎn)生鏡像。鏡像電流通過Rsig 產(chǎn)生“信號”。信號的擺幅可與Vzcd進(jìn)行比較，用來創(chuàng)建Vvalley信號。為了實現(xiàn)Vvalley信號不受干擾和靈敏的檢測，必須選擇發(fā)生在零點檢測前一點的Vzcd電平，以便補償比較器的傳輸延遲。
硅集成實現(xiàn)
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(yīng)用中，磁芯去磁之后發(fā)生的振鈴周期在500kHz范圍內(nèi)。對應(yīng)的半周期的數(shù)量級為1ms。很明顯，谷點檢測速度是一個影響精度的因素。
Soxyless模塊的主要功能為：啟動PNP;禁用推挽驅(qū)動器的下部NFET;在漏極電壓振蕩的負(fù)dV/dt部分在驅(qū)動器輸出DRV上形成“虛擬地”;捕獲(流出DRV輸出端的)負(fù)電流;檢測“正向ZCD DRV電流”。
對于前兩點，常規(guī)的閉塞技術(shù)使下部的NMOS和PNP一起觸發(fā)。設(shè)定時間結(jié)束之后，NMOS關(guān)斷，只有PNP保持導(dǎo)通。采用典型的5ms閉塞窗口。
在閉塞窗口內(nèi)，下部NMOS的導(dǎo)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(xiàn)在DRV上的電壓可達(dá)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”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的柵極門限，因此不會使其導(dǎo)通。
b.負(fù)向自由振鈴柵極電流由鉗位Q2 N FET通過電流鏡像進(jìn)行處理。
此有源負(fù)向鉗位的目的是確保在器件驅(qū)動輸出上建立虛擬地。
這種電路的第一個難點，一方面是接近+/-15mA的電流容量，另一方面是要檢測100mA范圍內(nèi)的微小電流。
Soxyless檢測系統(tǒng)的動態(tài)范圍約為150。
在負(fù)電流情況下，電壓不能遠(yuǎn)低于2V，以免使體二極管導(dǎo)通。Q2的自啟動必須精確。
強大的驅(qū)動電流容量不能影響速度檢測。Q2柵極的有源偏置可以自調(diào)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時刻，然后提供“谷點”信號。
試驗結(jié)果
Soxyless技術(shù)已經(jīng)在硅集成上實現(xiàn)。驅(qū)動器控制典型的準(zhǔn)諧振SMPS。
必須看到，在禁止窗口中存在一些殘留電壓。驅(qū)動器行為與任何典型的CMOS推挽驅(qū)動器相似。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(fù)電流檢測。
比較器提供用于導(dǎo)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(dǎo)通發(fā)生在非常接近于“谷點”處。
“谷點”檢測靈敏度的范圍是100mA。
注：有源電壓鉗位和負(fù)電流測量都在申請專利待審批中。
結(jié)語
Soxyless技術(shù)在硅集成上進(jìn)行了驗證。其表明仿真結(jié)果與試驗分析相一致。這種創(chuàng)新的技術(shù)可以無需特定的輔助繞組與反激變壓器耦合就能檢測“谷點”。目前無需使用任何RC定時技術(shù)便可在過零檢測和重啟點之間建立一致的關(guān)系。
