作者：John Bottrill，德州儀器 (TI)

有源鉗位拓撲是眾多流行拓撲結(jié)構(gòu)中的一種，因為其允許在一個電子子系統(tǒng)中高效地將總線電壓轉(zhuǎn)換為邏輯 IC 上所需的電壓。

一篇回顧有源鉗位拓撲關(guān)斷重置開關(guān)的文章已經(jīng)刊發(fā)[1]。這篇文章完整地介紹了開關(guān)周期。此外，該文章還描述了主開關(guān)從“開”到“關(guān)”的轉(zhuǎn)換，以及“有源鉗位”開關(guān)開啟點電路的電壓和電流。這種對于有源鉗位開關(guān)的描述，主要針對有源鉗位正向轉(zhuǎn)換器輸出電感中存在連續(xù)電流的情況。文中提及的變壓器為一種理論模型，其描述了漏極電感 LL、磁化電感 Lm 以及耦合繞組 Np 和 Ns 等獨立元件。

該介紹以周期的功率分配中點開始，并將圖 1 所示電路作為討論的根據(jù)。箭頭表示正電流。由于其本身固有的主體二極管和漏—源電容，圖中還顯示了開關(guān) Q1（有源鉗位開關(guān)）和 Q2。我們之所以還能夠看到 Q3 和 Q4 柵—漏電容，是由于它們會影響電流。

圖 1 拓撲、電壓和電流

為了簡化示波器波形，將主次接地參考連接在一起以形成一個公共接地。

初始條件為：Q2 開啟，流經(jīng) Q2 (Iq2) 的電流等于來自 Vin (IIN) 的電流。Q3 開啟，并將電流導(dǎo)過次級繞組 Iout。Q1 和 Q4 都關(guān)閉。Q1 的漏極具有約負 2 Vin 偏置電壓，同時 Q4 漏極的電壓為 Vin*(Ns/Np)。電流 Iin 流經(jīng)變壓器的主繞組、引腳 1 和 引腳 2，從而首先流經(jīng)漏極電感 LL，之后分流為 Im 和 Ip。Im 為流經(jīng) Lm 的磁化電流，而 Ip 為通過主繞組 Np 與次級耦合的電流。

隨后，Im 和 Ip 電流重新會合，在引腳 2 從變壓器流出，較后流過開關(guān) Q2。

電流 Is 等于在引腳 4 從變壓器次級繞組流出的電流 Ip*(Np/Ns)，其反映了流經(jīng) Np的電流 Ip。結(jié)果是這兩種電流在磁芯中磁通相抵。

另一方面，磁化電流是由一次側(cè)磁化電感兩端的輸入電壓引起的。該電流以 Vin/Lm 比率不斷增加。

在引腳 4 上，變壓器的二次側(cè)電壓高于輸出電壓。二者之間的差會導(dǎo)致 Q2 開啟期間流經(jīng)輸出電感的電流不斷增加。同時，該電流還以 (((Vin*(Ns/Np)) – Vout)/Lout 比率不斷增加。當反射至一次側(cè)時，這種變化的電流會比 Im 具有更高的變動率。因此，它通常是計算控制環(huán)路時唯一要考慮的電流斜坡。

測試部件的變壓器擁有 6：1 的匝數(shù)比，因此您在查看波形時必須將其考慮在內(nèi)。

由于變壓器引腳 3 和引腳 4 兩端存在電壓，Q3 在 Q3 米勒電容柵極側(cè)被偏置，同時 Cgdq3 被偏置為高電平。由于轉(zhuǎn)換開始 Q1 關(guān)閉，因此在該 P 通道 FET 漏極上存在一個負電壓。假設(shè)占空比為 50%， Cr 兩端的電壓則約為 Vin 的 2 倍，同時 Q1 漏極（即 P 通道 FET）上的電壓為低于接地電壓 2*Vin。

由于相比 LL，Lout 和 Lm 均相對較大，并且這種情況下我們所說的是約 120 納秒的時幀，因此我們可以假設(shè) Iout（流經(jīng) Lout 電流）和 Im（流經(jīng)磁化電感的電流）始終保持恒定。

我們將要描述的事件順序共有 5 個不同的階段。每個階段的開始和結(jié)尾均在如圖 2-3 所示屏幕截圖中標示出來，其分別為 t1、t2、t3、t4 和 t5。

從 t1 開始，該控制電路關(guān)閉 Q2。這是一個非常快速的轉(zhuǎn)換。由于 Q2 和 Q1 的極大漏—源電容，其為一個從 Q2 的低阻抗到高阻抗的零電壓轉(zhuǎn)換。

從變壓器引腳 2 流出的電流現(xiàn)在正對 Q2 的固有漏—源電容充電，并經(jīng)過重置電容 Cr 流入 Q1，從而導(dǎo)致變壓器引腳 2 的電壓線性上升，以及 Q1 漏極電壓的相應(yīng)上升。

現(xiàn)在，我們需要來研究一下相對電壓。

圖 2 變壓器引腳 2 和引腳 4 上的電壓

圖 3 變壓器引腳 2 和引腳 3 上的電壓

引腳 2 上的電壓增加（也即時間t1的電壓），反映在整個變壓器繞組中。這就導(dǎo)致引腳 4 上電壓的下降。由于 Np 和 Ns 繞組的電壓必須保持平衡，所以在 Q4 的漏—源電容以及 Q3 和 Q4 的柵—漏電容均存在電壓變化。

Lout 中的電流不會有較大的變化，因此從這三個電容流出的電流必然是 Is 和 Ip 變化的結(jié)果。Ip 中電流的微小變化導(dǎo)致主次級電容電壓以一種平穩(wěn)的速率變化。

這時，當 Q3 即將關(guān)閉時，輸出電感便能夠通過 FET 自身下拉所有其需要的電流（柵極電阻延遲了 FET 關(guān)閉）。Q4 的主體二極管被反向偏置。

在這部分轉(zhuǎn)換期間，引腳 2 的電壓仍然低于 Vin，因此主電流即流入變壓器的 Iin 沒有理由下降。輸出電感兩端的電壓隨引腳 4 的電壓下降而變化，以反映主繞組電壓的逐漸下降。由于變壓器引腳 4 的電壓不斷下降，因此輸出電感兩端的電壓會發(fā)生變化。現(xiàn)在，輸出電壓 Vout 超出了變壓器引腳 4 的電壓。

這些因素以一個固定比率不斷變化，因為 Iin 不斷線性地對 Q1 和 Q2 的漏—源電容充電，直到出現(xiàn)時間 t2，也即引腳 2 電壓達到 Vin (50V)，Q1 漏極電壓達到–50V，以及引腳 4 電壓達到零伏時。

時間 t2至 t3 期間，流經(jīng)一次側(cè)漏極電感的電流仍然幾乎與轉(zhuǎn)換之初相同，同時引腳 4 的電壓不斷下降。這反映在引腳 2 的電壓中，其超出變壓器引腳 1 的電壓。

輸入電流的任何變化都是由對輸出開關(guān)柵—源電容的充電和放電引起的，并且這種變化非常小。

反向一次側(cè)電壓可使引腳 4 的電壓繼續(xù)下降，達到接地電平以下，而引腳 3 卻保持在接地電平，因為 Q3 連續(xù)關(guān)閉，請參見圖 3。

FET Q4 兩端的電壓下降不足以使電流通過 Q4 的主體二極管。與此同時，Q3 還沒有完全關(guān)閉。這就迫使輸出電感不斷從變壓器二次側(cè)吸收電源。結(jié)果是，在一次側(cè)中出現(xiàn)持續(xù)電流，而在引腳 2 上電壓不斷上升。這種情況將會持續(xù)到時間 t3，其 Q4 的主體二極管開始導(dǎo)電。現(xiàn)在，可以從變壓器引腳 4 吸收輸出電感電流，并流經(jīng) Q4。一次側(cè)漏極電感現(xiàn)在將形成一個電壓，以平衡引腳 2 上不斷上升的電壓，這樣便可以持續(xù)地吸收電流。這種情況開始減少可反映流經(jīng) Q3 電流減少的輸入電流 Iin，因為 Iout 電流開始向 Q4 主體二極管轉(zhuǎn)換。

時間 t3 到 t4 反映的是從 Ns 繞組吸電流到流經(jīng) Q4 主體二極管的輸出電流 Iout 轉(zhuǎn)換。Np 和 Ns 繞組電流的減少，用變壓器引腳 2 電壓斜坡表示，其隨流經(jīng)變壓器一次側(cè) Np 電流的減少而變緩、變平。與此同時，引腳 3 上的電壓不斷上升，同引腳 4 電壓的情況一樣，其為負電壓。結(jié)果是變壓器引腳 3 和引腳 4 的近似零的微小變化，但卻產(chǎn)生整個繞組的正電壓漂移。這種情況將關(guān)閉 Q3，并開啟 Q4。獲得這種結(jié)果所必需的電流，對 Q4 的柵—漏電容充電，對 Q3 的柵—漏電容放電，進入引腳 4，較后從引腳 3 流出。該電流由一次側(cè)磁化電流提供，其位于周期中這一點的峰值處。

流經(jīng) Np 的磁化電流 Im以 Ip 的反向流動。其使得 Is 電流反向，從而讓 Q4 的柵極得到充電。由于該磁化電流 Im 現(xiàn)在將高效地流經(jīng) Np，因此它現(xiàn)在從 Vin 吸收電流，并使其對 Q1 和 Q2 的漏—源電容充電。所以，從引腳 2 出來轉(zhuǎn)變?yōu)樽儔浩饕�腳 2 電壓的電流極少（或者沒有）。結(jié)果是在上述 t3 和 t4 之間引腳 2 上出現(xiàn)相對穩(wěn)定的電壓。

這時候，該周期就幾乎結(jié)束了。Q4 通過內(nèi)部二極管導(dǎo)電并將被開啟，但在 t4 到 t5 時間段將會較難開啟。

就 t4 到 t5 之間的時間段而言，磁化電流在對 Q1 和 Q2 的漏—源電容充電和對 Q3 的柵—漏電容放電之間分流，并對 Q4 柵—漏電容進一步充電。由于這些電容均為非線性，并且 Q3 兩端的電壓不斷上升，因此需要的電流量不會是一個恒量。該電流 Im 來自 Lm，因此引腳 2 上的電壓將反映該轉(zhuǎn)換的非線性。

在 t5 處，Q1 的漏—源電壓從 –2 Vin 爬升至接地電平以上的二極管壓降，同時內(nèi)部主體二極管開始導(dǎo)電。這就是說，再次從引腳 2 流出的任何電流現(xiàn)在都會改變 Cr 的電壓，而 Cr 為一個更大容量的電容。因此，這種改變將極其緩慢，相比已經(jīng)出現(xiàn)的情況其可以忽略不計。

這時便能夠以一種無損耗方式開啟晶體管 Q1。這就完成了無損耗一次側(cè)開關(guān)操作。二次側(cè)轉(zhuǎn)換也為相對無損耗，因為通過內(nèi)部寄生主體二極管在零伏完成了從一個整流器到另一個整流器的電流開關(guān)。

結(jié)論

總之，對于這部分周期內(nèi)轉(zhuǎn)換順序的充分理解可以帶來更好的設(shè)計。我們已經(jīng)了解了，通過從轉(zhuǎn)換輸出開關(guān)到開啟鉗位開關(guān)關(guān)閉主開關(guān)時，變壓器和輸出開關(guān)中每一個元件所起的作用。

參考文獻

[1] 《有源鉗位拓樸的論述》，作者：Bottrill, John，Bodo’s Power Systems，46-48 頁，2007 年 9 月： http://www.bodospower.com/pe/restricted/downloads/bp_2007_09.pdf.

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? http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/ucc2897a.html
? http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/ucc2891.html

作者簡介

John Bottrill 現(xiàn)任 TI 高級應(yīng)用工程師，主要負責(zé)為客戶提供有關(guān)支持并對投放市場前的新型 IC 進行評估。在這期間，John 已發(fā)表了多篇技術(shù)論文并擁有 2 項個人專利。他畢業(yè)于女王大學(xué) (Queen’s University at Kingston, Ontario, Canada)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位。如欲聯(lián)系作者，請發(fā)送郵件至 ti_johnbottrill@list.ti.com.