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功率开关寄生电容用于磁芯去磁检测 - 引言在工作于自激振荡模

鏃ユ湡;2019-08-24  鏉ユ簮锛毼粗  浣滆咃細admin

  引言 在工作于自激振荡模式的 SMPS中, 需要检测磁芯的完全去磁状态。 去磁检测的最新技术基于对与变压器主绕组耦合的辅助绕组的使用。此绕组可对磁芯实际去磁后出现的零电压进行检测(ZCD)。 在准谐振工作中, 重新启动新一轮导通周期的最佳时机位于功率 MOSFET 漏极电压的“谷点”处。 电压 ZCD 和漏极电压谷点之间的时间间隔取决于漏极振铃周期。 本文描述了一种被称为 SOXYLESS的新技术, 它无需采用辅助绕组和时间补偿元件就能进行“谷点”检测。 Soxyless 原理 图 1 表明了反激 SMPS的功率 MOSFET 漏极上的电压 。 图 1 典型的反激功率开...

  引言 在工作于自激振荡模式的 SMPS中, 需要检测磁芯的完全去磁状态。 去磁检测的最新技术基于对与变压器主绕组耦合的辅助绕组的使用。此绕组可对磁芯实际去磁后出现的零电压进行检测(ZCD)。 在准谐振工作中, 重新启动新一轮导通周期的最佳时机位于功率 MOSFET 漏极电压的“谷点”处。 电压 ZCD 和漏极电压谷点之间的时间间隔取决于漏极振铃周期。 本文描述了一种被称为 SOXYLESS的新技术, 它无需采用辅助绕组和时间补偿元件就能进行“谷点”检测。 Soxyless 原理 图 1 表明了反激 SMPS的功率 MOSFET 漏极上的电压 。 图 1 典型的反激功率开关电压 为了工作在开关导通准谐振状态, 最佳时刻必须和漏极电压的“谷点”相对应。 此事件和存储在漏极总电容中的最小能量相重合: (1) 开关导通时该能量越小, SMPS的损耗和干扰就越小。 “谷点”检测基于对流经功率 MOSFET 栅极节点的电流的测量。 在功率 MOSFET 漏极上出现的平坦电压末端, 电压的变化由 Lp 变压器电感与漏极上的总电容之间传输的谐振能量决定。 当电压由平坦电平下降至 SMPS的 VIN dc 电压时, MOSFET 漏极上的振荡电压便会发生变化。 在栅极和漏极之间, 形成一个固有的 MOSFET 电容。 因此, 便产生一个电流流经功率 MOSFET 栅极。 施加到电容上的电压源提供对电压有负 90相移的电流。 所以当电流上升到零点时, 电压便对应于其峰值。 所述的 Soxyless 技术包含检测正栅极电流的过零检测器(ZCD)以确定“谷点”的出现。 本文将从 SMPS初级侧接地点流出的电流通过下部栅极驱动器流向功率 MOSFET 栅极的方向定义为负。 在半导体技术中, 驱动并测量这样的负电流并非易事。 图 2 典型的反激拓扑 功率 MOS栅极上产生的电流与漏极电压和电容之间的关系可表述成如下: (2) 其中 Zc 为电容阻抗: (3) 此栅极电流的大小取决于 MOSFET、 谐振频率 F和在平坦电压末端漏极上的电压摆幅(Vring)。 谷点发生在谐振周期的一半处: (4) 其中 Lp 是变压器初级电感 Cdrain 是 MOSFET 漏极上的总电容。 此电容包括缓冲电容(如有) , 变压器绕组杂散电容和 MOSFET 寄生电容。 功率 MOSFET 模型 MOSFET 的物理结构导致其端口之间形成电容。 金属氧化物栅极结构决定了栅极到漏极(Cgd)以及栅极到源极(Cgs)的固有电容。 漏极和源极之间的 PN 结(Cds)是因 P+体的存在而产生, 其中 MOS单元建立在 N+衬底顶部上的外延层附近。 Cgd 和 Cgs 电容在高温中非常稳定, 因为其介电材料由玻璃制成。 图 3 功率 MOS结构 图 4 功率 MOS器件模型 图 4 为功率 MOSFET 的器件模型。 该模型显示存在 3 个电源电容, 如图 4 所示。 此种表示法更像是出自于器件工程师之手, 而非应用工程师。 实际上, 在应用中使用的功率 MOSFET 的参数应是可从功率器件接入节点处测得的全局性代表参数。 这意味着应用数据表中使用了其他电容定义, 是内部电容的组合。 作为例子, 表 1 显示了安森美半导体 MTD1N60E数据表上的不同电容。 表 1 功率 MOS特性数据表 MTP1N60E Crss 6pF Coss 27pF Ciss 224pF Crss 电容表示共源极配置中的短路反向传输电容。 此参数表示了功率 MOSFET 在反激式 SMPS的关断阶段中的状态。 典型应用 作为典型实例, 谐振频率在 500kHz 的范围内, 从漏极平台到谷点的电压变化为 1 00V。 根据式 3, 一般栅极电流峰-峰值幅度的大小是 10mA。 负值部分的范围是 5mA。 Crss 值随着功率 MOSFET 生产商的不同而变化。 对最常用的功率 MOSFET 所做的调查显示, Crss 在 1 0pF和 100pF之间变化。 另一方面, 漏极上的总电容越大, 谐振频率就越低。 经过适当的折衷, 将在变化中流进栅极的电流选为 30mA峰-峰值以对应 1 5mA 正负电流。 仿线 显示了采用简化功率 MOS模型的混合驱动。 图 5 功率 MOS及其驱动器 漏极电压源的电压是反激结构的简化表示, 它包括耦合电感、 次级二极管和电容、 负载及输入储能电压源。 图 6 仿真结果 PSPICE 仿线E功率 MOSFET 和 1 00pF缓冲电容。 电容 Crss 的值为 6pF。 图 6 中的波形表示仿真结果。 * 上方的曲线代表功率 MOS的栅极电流。 图中的左边部分对应于关断之后出现的寄生振荡。 漏极上出现的任何 dV/dt 都会在周围所有电容中产生相应的电流。 * 中间曲线表示流经功率 MOS源极的电流。 * 下方曲线是功率 MOS的漏极电压。 栅极和源极电流在形状上可以相互比拟。 两者幅度之间的关系可近似地用 Crss 和 Coss 的值来表示: Coss / Crss = 27 / 6 = 4.5 Igate / Isource = 3.4 SOXYLESS实现 已经开发出专用的功率 MOSFET 驱动器, 可通过 MOS和双极晶体管的混合电路来测量负栅极电流, 该电路不经过底部而是经由参考正 Vcc 电压的路径传输负栅极电流。 因此, 测量的电流从 Vcc 轨经过简单的补偿电路流至栅极, 该电路的工作相当于有源负电压钳位。 结果,“负栅极电流”转换为便于处理的正电流。 因此, 使用简单的比较器便可进行栅极电流过零检测, 从而提供“谷点”信号。 图 7 为 SOXYLESS功能的方块原理图。 功率 MOSFET 驱动器由混合的推挽输出电路组成(上部的 PMOS+下部的 NMOS和 PNP并联) 。在闭塞窗之后禁用 Q1 NMOS。 在其余的关断反激序列中只有 Q2 PNP保持导通。 这种技术无须考虑功率 MOS Toff.之后出现的振铃。 如果假设下面的 FET 其 Rdson 为 1 0_, 则 10mA栅极电流就能产生一个 1 00mV信号。 这是任何使用 CMOS结构的典型 MOSFET 驱动器的典型性能。 图 7 Soxyless 方块图 因为 Q2 PNP不能流过任何反向电流, 只要负电流出现, 体二极管就开始导通, 形成一个对地的负电压。 选择 Vacl 电压源使得一旦 Q3的源极存在负电压, NMOS的栅极就导通。 负栅极电流流过 Q3。 此电路的工作原理如同有源电压钳位网络。 于是体二极管电压钳位到: (5) 选择的 Vacl 值接近于 Vth, 这决定了 DRV 电压接近于驱动器的接地点。 用这种方法可以实现虚拟接地。 Q3 电流通过 M1 产生镜像。 镜像电流通过 Rsig 产生“信号”。 信号的摆幅可与 Vzcd 进行比较, 用来创建 Vvalley 信号。 为了实现 Vvalley信号不受干扰和灵敏的检测, 必须选择发生在零点检测前一点的 Vzcd 电平, 以便补偿比较器的传输延迟。 硅集成实现 在 Soxyless 功能模块中处理的信号是非常高速的信号。 在典型的应用中, 磁芯去磁之后发生的振铃周期在 500kHz 范围内。 对应的半周期的 数量级为 1 _s。 很明显, 谷点检测速度是一个影响精度的因素。 Soxyless 模块的主要功能为: * 启动 PNP * 禁用推挽驱动器的下部 NFET * 在漏极电压振荡的负 dV/dt 部分在驱动器输出 DRV上形成“虚拟地” * 捕获(流出 DRV输出端的) 负电流 * 检测“正向 ZCD DRV电流” 对于前两点, 常规的闭塞技术使下部的 NMOS和 PNP一起触发。 设定时间结束之后, NMOS关断, 只有 PNP保持导通。 采用典型的 5_s闭塞窗口。 在闭塞窗口内, 下部 NMOS的导通电阻接近于 10_。 Toff 之后的电压振荡创建了非常强的振荡电流(峰-峰值为几十 mA) 。 因此出现在DRV上的电压可达几百 mV。 此残留电压触发 Soxyless 检测器, 因为它要进行所需的“谷点”检测。 如有闭塞窗口可不考虑这些错误的信号。 产生漏极电压变化的振铃电流是替代方案。 - 正向自由振铃栅极电流通过 PNP流到地。 因此, 饱和电压的范围为 1.5V。 电压大大低于功率 MOSFET 的栅极门限, 因此不会使其导通。 - 负向自由振铃栅极电流由钳位 Q2 N FET 通过电流镜像进行处理。 此有源负向钳位的目的是确保在器件驱动输出上建立虚拟地。 这种电路的第一个难点, 一方面是接近+/-15mA的电流容量, 另一方面是要检测 1 00_A范围内的微小电流。 Soxyless 检测系统的动态范围约为 1 50。 难点 2: 在负电流情况下, 电压不能远低于 2V, 以免使体二极管导通。 Q2 的自启动必须精确。 难点 3: 强大的驱动电流容量不能影响速度检测。 Q2 栅极的有源偏置可以自调整钳位电路。 电流镜像可以方便地处理 Soxyless 电流信号。 快速比较器检测到 ZCD 时刻, 然后提供“谷点”信号。 试验结果 Soxyless 技术已经在硅集成上实现。 驱动器控制典型的准谐振 SMPS。 上部曲线 Vdrive 第二条曲线 Vswing 第三条曲线 Vvalley 下部曲线 显示了相关的示波图形曲线。 必须看到, 在禁止窗口中存在一些残留电压。 驱动器行为与任何典型的 CMOS推挽驱动器相似。 残留信号的闭塞在禁止窗口中进行。 选择 Rsig 和镜像的比例, 以便进行灵敏度为 1 00_A的负电流检测。 比较器提供用于导通功率 MOS的 Vvalley 信号。 因为要进行高速的 Soxyless 检测, 所以功率 MOSFET 的导通发生在非常接近于“谷点”处。 “谷点”检测灵敏度的范围是 1 00_A。 注: 有源电压钳位和负电流测量都在申请专利待审批中。 结语 Soxyless 技术在硅集成上进行了验证。 其表明仿真结果与试验分析相一致。 这种创新的技术可以无需特定的辅助绕组与反激变压器耦合就能检测“谷点”。 目前无需使用任何 RC定时技术便可在过零检测和重启点之间建立一致的关系。


 
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