CN100459391C - 一种开关电源的自驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种开关电源的自驱动电路。其变换器电路包括主功率MOSFET、箝位管或同步整流管,所述的自驱动电路包括一个两端分别连接到PWM信号和主功率管门极的延时驱动电路,其特征在于还设有包括一个PNP晶体管、一个NPN晶体管和两个电阻的关断电路,以及一个包括两个二极管、三个电阻、两个电容和一个PNP晶体管的驱动维持电路。由于本发明的自驱动电路都是用由分立元件构成,不需要隔离驱动变压器,使得在中小功率应用场合,高功率密度、低成本设计更容易实现。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源,具体地说是一种新颖的开关电源的有源箝位管或同步整流管的自驱动电路。
背景技术
高效率永远是开关电源设计的一项重要指标。为了达到高效率,有源箝位和同步整流技术得到了广泛的应用。但有源箝位电路中箝位管或应用同步整流技术变换器中同步整流管的驱动却成了困绕设计者的一个难题。本发明以有源箝位正激变换器为例介绍一种自驱动电路。
图1(a)所示为目前常用的一种有源箝位正激变换器中有源箝位管的驱动电路。该变换器的主电路包括原边功率电路和副边电路,所述的原边功率电路包括主功率MOSFET S1、变压器原边绕组Np、有源箝位管S2和箝位电容CA,所述的副边电路包括变压器副边绕组Ns、整流管S3、S4、输出电感Lo和输出端电容Co。驱动电路由二极管D2、电容C2、电阻R2、一个隔离驱动变压器T2、电容C1、电阻R1和一个延时驱动电路组成,所述延时驱动电路由延时电路和驱动电路构成,其中,所述延时电路的一个例子是通过将二极管与电阻并联后,再与接地电容串联而构成。
当来自控制芯片的PWM信号由低变为高时,PWM信号经微分电路R1C1使隔离驱动变压器T2的原边绕组Npp同名端为正,因而T2副边绕组Nss电压变成上负下正(同名端为正)导通D2对C2充电,有源箝位管S2因此被关断。PWM信号经延时电路延时后开通主功率管S1将能量通过变压器T1传到副边。当PWM信号由高变为低时,隔离驱动变压器T2的原边绕组Npp电压变成上负下正(同名端为负),因而T2副边绕组Nss电压变成上正下负,有源箝位管S2被开通对变压器T1进行复位。该方案解决了有源箝位管的驱动,但这种驱动电路是将整个PWM信号从隔离驱动变压器的原边传到副边实现有源箝位管S2的关断和开通,隔离驱动变压器需要传递功率,因此,隔离驱动变压器的体积很难做的很小。在中小功率应用中,这就使得高功率密度难以实现,且隔离驱动变压器的成本也使低成本设计难以实现。
发明内容
本发明要克服的是现有技术存在的上述不足,旨在提供一种使高功率密度、低成本设计容易实现,并且高效、可靠的自驱动电路。该自驱动电路适用于有源箝位电路中箝位管的驱动,也可应用于同步整流变换器中同步整流管的驱动。
本发明通过下述方案实现:一种开关电源的自驱动电路,其变换器电路包括主功率MOS管、箝位管或同步整流管,所述的自驱动电路包括一个两端分别连接到PWM信号和主功率MOS管门极的延时驱动电路,其特征在于还设有:
一个关断电路,包括一个第一PNP晶体管、一个NPN晶体管、第一电阻和第二电阻;所述第一电阻跨接于所述第一PNP晶体管的基极与发射极之间;所述第二电阻的一端与所述第一PNP晶体管的基极相连,另一端与所述NPN晶体管的集电极相连;所述第一PNP晶体管的发射极与所述的箝位管或同步整流管的门极相连,第一PNP晶体管的集电极与所述的箝位管或同步整流管的源极相连;所述NPN晶体管的发射极接地,基极与PWM信号相连;
一个驱动维持电路,包括第一二极管、第二二极管、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一电容、第二电容和一个第二PNP晶体管;所述第三电阻一端与第二二极管的阴极和所述第二PNP晶体管的发射极连接,另一端与所述第四电阻和所述第二PNP晶体管的基极相连;所述第四电阻的另一端与第二电容的一端相连;所述第二电容的另一端接地;所述第五电阻跨接于所述的箝位管或同步整流管的门极和源极之间;所述第二PNP晶体管的集电极与所述的箝位管或同步整流管的门极相连,第二PNP晶体管的发射极与第一电容的一端、第一二极管和第二二极管的阴极相连;所述第一电容的另一端与所述的箝位管或同步整流管的源极相连;所述第一二极管的阳极与辅助电源正端VDD相连。
所述延时驱动电路由延时电路和驱动电路构成,其中,所述延时电路的一个例子是通过将一个二极管与一个电阻并联后,再与接地电容串联而构成。
所述变换器是有源箝位正激变换器,具有主变压器原边绕组、副边绕组、原边主功率MOS管、箝位管、输入电容、有源箝位电容和副边整流功率MOS管、续流功率MOS管、输出虑波电感、输出电容;所述原边绕组的非同名端与原边主功率MOS管的漏极和箝位管的源极相连;有源箝位电容的一端与原边绕组的同名端相连,另一端与箝位管的漏极相连;副边绕组的同名端与续流功率MOS管的漏极及输出虑波电感相连,非同名端与整流功率MOS管的漏极相连;所述延时驱动电路与所述原边主功率MOS管的门极相连;所述的自驱动电路用于驱动所述的箝位管。
所述变换器是有源箝位反激变换器,具有主变压器原边绕组、副边绕组、原边主功率MOS管、箝位管、有源箝位电容、输入电容、副边功率MOS管、输出虑波电容;所述原边绕组的非同名端与原边主功率MOS管的漏极和箝位管的源极相连;有源箝位电容的一端与原边绕组的同名端相连,另一端与箝位管的漏极相连;所述副边绕组的同名端与副边功率MOS管的漏极相连;所述延时驱动电路与原边主功率MOS管的门极相连;所述的自驱动电路用于驱动所述的有源箝位管。
所述变换器是BOOST升压变换器,具有主功率MOS管、同步整流管、电感、输入电容和输出电容;所述电感的一端与输入电容的正极相连,另一端与主功率MOS管的漏极、同步整流管的源极相连;所述同步整流管的漏极与输出电容的正极相连;所述主功率MOS管源极接地;所述延时驱动电路与所述主功率MOS管的门极相连;所述的自驱动电路用于驱动所述的同步整流管。
所述变换器是SEPIC变换器,具有主功率MOS管、同步整流管、第一电感、第二电感、一个电容、输入电容和输出电容;所述第一电感的一端与输入电容的正极相连,另一端与主功率MOS管的漏极、所述电容的一端相连;所述电容的另一端与同步整流管的源极、第二电感的一端相连;所述同步整流管的漏极与输出电容的正极相连;所述主功率MOS管源极接地;所述第二电感的另一端接地;所述延时驱动电路与所述主功率MOS管的门极相连;所述的自驱动电路用于驱动所述的同步整流管。
本发明的自驱动电路所包含的关断电路和驱动维持电路都是由分立的电阻、电容、二极管和晶体管构成,不需要隔离驱动变压器。在主功率管导通之前,关断电路先关断有源箝位管避免共通;驱动维持电路参数的选择可以调节主功率管关断与有源箝位管开通之间的死区。在原边主功率MOS管导通期间,所述的箝位管或同步整流管的关断由所述关断电路维持。在原边主功率MOS管关断期间,所述的箝位管或同步整流管的导通由所述驱动维持电路维持。隔离驱动变压器的去除使得在中小功率应用场合,高功率密度、低成本设计更容易实现。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1(a)为一种常用的有源箝位正激变换器中箝位管的驱动电路;
图1(b)为图1(a)电路中各主要点的波形;
图2(a)为本发明的一种新颖的有源箝位正激变换器中箝位管的自驱动电路;
图2(b)为图2(a)电路中各主要点的波形;
图3为应用图2(a)自驱动电路的有源箝位反激变换器;
图4为应用图2(a)自驱动电路的BOOST升压变换器;
图5为应用图2(a)自驱动电路的SEPIC变换器;
具体实施方式
图1(a)所示为一种常用的有源箝位正激变换器中箝位管的驱动电路,其缺陷前面已经描述过了,在此不再累述。
参照图2a,本发明的自驱动电路应用在有源箝位正激变换器中。该变换器具有主变压器原边绕组Np、副边绕组Ns、原边主功率MOS管S1、有源箝位管S2、有源箝位电容CA、输入电容Cin和副边整流功率MOS管S3、续流功率MOS管S4、输出虑波电感Lo、输出电容Vo;所述原边绕组Np的非同名端与原边主功率MOS管S1的漏极和有源箝位管S2的源极相连;有源箝位电容CA的一端与原边绕组的同名端相连,另一端与有源箝位管S2的漏极相连;副边绕组Ns的同名端与续流功率MOS管S4的漏极及输出虑波电感Lo相连,非同名端与整流功率MOS管S3的漏极相连;所述的自驱动电路用于驱动所述的有源箝位管S2。
所述的自驱动电路包括一个两端分别连接到PWM信号和主功率管门极的延时驱动电路,以及:
一个关断电路,包括一个PNP晶体管Q2、一个NPN晶体管Q3和两个电阻R3、R4;所述第一电阻R3跨接于所述PNP晶体管Q2的基极与发射极之间;所述第二电阻R4的一端与所述PNP晶体管Q2的基极相连,另一端与所述NPN晶体管Q3的集电极相连;所述PNP晶体管Q2的发射极与所述的箝位管S2的门极相连,集电极与所述的箝位管S2的源极相连;所述NPN晶体管Q3的发射极接地,基极与PWM信号相连;
一个驱动维持电路,包括两个二极管D1、D2、三个电阻R1、R2、R5、两个电容C1、C2和一个PNP晶体管Q1构成;所述第一电阻R1一端与第二二极管D2的阴极和所述PNP晶体管Q1的发射极连接,另一端与所述第二电阻R2和所述PNP晶体管Q1的基极相连;所述第二电阻R2的另一端与第二电容C2的一端相连;所述第二电容C2的另一端接地;所述第三电阻R5跨接于所述的箝位管S2的门极和源极之间;所述PNP晶体管Q1的集电极与所述的箝位管S2的门极相连,发射极与第一电容C1的一端、第一二极管D1和第二二极管D2的阴极相连;所述第一电容C1的另一端与所述的箝位管S2的源极相连;所述第一二极管D1的阳极与辅助电源正端VDD相连。
所述延时驱动电路包括延时电路和驱动电路,所述的延时电路的一个例子是将二极管与电阻并联后,再与接地电容串联。所述延时驱动电路也可以采用任何形式的制式电路,例如伊博电源有限公司的07CY-60T系列产品中所用的延时驱动电路。
上述自驱动电路的工作原理如下:
参照图2(a)和2(b),图中所示Vgs1为主功率MOS管S1的门极电压,VA为PNP晶体管Q1的发射极的电压,VC2为第二电容C2的电压,Vgs2有源箝位管S2的门极电压,Vin为输入电压,Vo为输出电压,D为占空比。
在t=t0时刻前,来自控制芯片的PWM信号和Vgs1皆为高电平,原边主功率MOS管S1和关断电路中的晶体管Q2、Q3处于导通状态,有源箝位管S2因此处于关断状态,这时原边的能量通过变压器T1传到副边。电容C1和C2上的电压相等且为辅助源电压VDD。t=t0时刻,来自控制芯片的PWM信号和Vgs1皆由高变为低,关断电路中的晶体管Q2、Q3关断,原边主功率MOS管S1也关断,功率MOS管S1的漏极电压升高,A点的电压也随之升高。在设计时选择合适的参数,使R1+R2与C2的时间常数远大于A点电压上升的时间,例如,在辅助源电压VDD为12V,电容C1为1uF时,电容C2选用2.2nF,R1+R2选用660欧,则晶体管Q1的Veb随A点电压的上升而增大。t=t1时刻,晶体管Q1的Veb增大到使其开通的电压,Q1导通从而导通有源箝位管S2,变压器T1开始磁复位。由于压差的存在,C2上的电压继续上升,至t=t2时刻Veb小于Q1的导通电压使其关断。Q1关断后,有源箝位管S2栅源结电容上的电荷维持其导通。合理选择R5,例如,有源箝位管S2选用SI3430D,R5选用500K,可以使S2在主功率MOS管S1关断期间维持导通。t=t3时刻,来自控制芯片的PWM信号由低变为高导通晶体管Q2、Q3,有源箝位管S2栅源经晶体管Q2放电从而关断。t=t4时刻,Vgs1由低变为高开通主功率MOS管S1,A点电压开始下降。至t=t5时刻,A点电压下降至辅助源电压VDD。同理,由于R2与C2的时间常数远大于A点电压下降的时间,A点电压下降过程中,C2上的电压经电阻R2和二极管D2放电,晶体管Q1的Veb承受的反压位二极管D2的正向导通压降。至t=t6时刻,电容C2上的电压也回降到辅助源电压VDD,电路回到t=t0时刻前的初始状态。
由上述工作原理可见,该自驱动电路所包含的关断电路和驱动维持电路都是由分立的电阻、电容、二极管和晶体管构成,不需要隔离驱动变压器。在主功率管导通之前,关断电路先关断有源箝位管避免共通;驱动维持电路参数的选择可以调节主功率管关断与有源箝位管开通之间的死区。在原边主功率MOS管S1导通期间,有源箝位管S2的关断由所述关断电路维持。在原边主功率MOS管S1关断期间,有源箝位管S2的导通由所述驱动维持电路维持。隔离驱动变压器的去除使得在中小功率应用场合,高功率密度、低成本设计更容易实现。
对图2(a)的发明技术进行推广,还可得到图3-图5的其它发明方案。它们的特点介绍如下:
图3是本发明的自驱动电路在有源箝位反激变换器中的推广。该电路具有主变压器原边绕组Np、副边绕组Ns、原边主功率MOS管S1、有源箝位管S2、有源箝位电容CA、副边功率MOS管S3、输出虑波电容Co;所述原边绕组Np的非同名端与原边主功率MOS管S1的漏极和有源箝位管S2的源极相连;有源箝位电容CA的一端与原边绕组Np的同名端相连,另一端与有源箝位管S2的漏极相连;所述副边绕组Ns的同名端与副边功率MOS管S3的漏极相连;所述延时驱动电路与原边主功率MOS管S1的门极相连,所述的自驱动电路用于驱动所述的有源箝位管S2。
图4是本发明的自驱动电路在BOOST升压变换器中的推广。该变换器具有主功率MOS管S1、同步整流管S2、电感L1、输入电容Cin和输出电容Co;所述电感L1的一端与输入电容Cin的正极相连,另一端与主功率MOS管S1的漏极、同步整流管S2的源极相连;所述同步整流管S2的漏极与输出电容Co的正极相连;所述主功率MOS管S1源极接地;所述延时驱动电路与所述主功率MOS管的门极相连;所述的自驱动电路用于驱动所述的同步整流管S2。
图5是本发明的自驱动电路在SEPIC变换器中的推广。该变换器具有主功率MOS管S1、同步整流管S2、第一电感L1、第二电感L2、一个电容C3、输入电容Cin和输出电容Co;所述第一电感L1的一端与输入电容Cin的正极相连,另一端与主功率MOS管S1的漏极、所述电容C3的一端相连;所述电容C3的另一端与同步整流管S2的源极、第二电感L2的一端相连;所述同步整流管S2的漏极与输出电容Co的正极相连;所述主功率MOS管S1的源极接地;所述第二电感L2的另一端接地;所述延时驱动电路与所述主功率MOS管的门极相连;所述的自驱动电路用于驱动所述的同步整流管S2。
以上对本发明进行了详细说明,但本发明并不限定于此,凡在不违背发明的精神和内容所作的改进或替换,应被视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1、一种开关电源的自驱动电路,变换器电路包括主功率MOS管(S1)、箝位管或同步整流管(S2),所述的自驱动电路包括一个两端分别连接到PWM信号和主功率MOS管门极的延时驱动电路,其特征在于还设有:
一个关断电路,包括一个第一PNP晶体管(Q2)、一个NPN晶体管(Q3)、第一电阻(R3)和第二电阻(R4);所述第一电阻(R3)跨接于所述第一PNP晶体管(Q2)的基极与发射极之间;所述第二电阻(R4)的一端与所述第一PNP晶体管(Q2)的基极相连,另一端与所述NPN晶体管(Q3)的集电极相连;所述第一PNP晶体管(Q2)的发射极与所述的箝位管或同步整流管(S2)的门极相连,第一PNP晶体管(Q2)的集电极与所述的箝位管或同步整流管(S2)的源极相连;所述NPN晶体管(Q3)的发射极接地,基极与PWM信号相连;
一个维持电路,包括第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三电阻(R1)、第四电阻(R2)、第五电阻(R5)、第一电容(C1)、第二电容(C2)和一个第二PNP晶体管(Q1);所述第三电阻(R1)一端与第二二极管(D2)的阴极和所述第二PNP晶体管(Q1)的发射极连接,另一端与所述第四电阻(R2)和所述第二PNP晶体管(Q1)的基极相连;所述第四电阻(R2)的另一端与第二电容(C2)的一端相连;所述第二电容(C2)的另一端接地;所述第五电阻(R5)跨接于所述的箝位管或同步整流管(S2)的门极和源极之间;所述第二PNP晶体管(Q1)的集电极与所述的箝位管或同步整流管(S2)的门极相连,第二PNP晶体管(Q1)的发射极与第一电容(C1)的一端、第一二极管(D1)和第二二极管(D2)的阴极相连;所述第一电容(C1)的另一端与所述的箝位管或同步整流管(S2)的源极相连;所述第一二极管(D1)的阳极与辅助电源正端(VDD)相连。
2、如权利要求1所述的开关电源的自驱动电路,其特征在于所述的延时驱动电路包括延时电路和驱动电路。
3、如权利要求2所述的开关电源的自驱动电路,其特征在于所述的延时电路是将一个二极管与一个电阻并联后,再与接地电容串联。
4、如权利要求1~3任何一项所述的开关电源的自驱动电路,其特征在于所述的变换器是有源箝位正激变换器,该变换器具有主变压器原边绕组(Np)、副边绕组(Ns)、原边主功率MOS管(S1)、箝位管(S2)、有源箝位电容(CA)、输入电容(Cin)和副边整流功率MOS管(S3)、续流功率MOS管(S4)、输出虑波电感(Lo)、输出电容(Vo);所述原边绕组(Np)的非同名端与原边主功率MOS管(S1)的漏极和箝位管(S2)的源极相连;有源箝位电容(CA)的一端与原边绕组的同名端相连,另一端与箝位管(S2)的漏极相连;副边绕组(Ns)的同名端与续流功率MOS管(S4)的漏极及输出虑波电感(Lo)相连,非同名端与整流功率MOS管(S3)的漏极相连;所述的自驱动电路用于驱动所述的箝位管(S2)。
5、如权利要求1~3任何一项所述的开关电源的自驱动电路,其特征在于所述的变换器是有源箝位反激变换器,该变换器具有主变压器原边绕组(Np)、副边绕组(Ns)、原边主功率MOS管(S1)、箝位管(S2)、输入电容(Cin)、有源箝位电容(CA)、副边功率MOS管(S3)、输出虑波电容(Co);所述原边绕组(Np)的非同名端与原边主功率MOS管(S1)的漏极和箝位管(S2)的源极相连;有源箝位电容(CA)的一端与原边绕组(Np)的同名端相连,另一端与箝位管(S2)的漏极相连;所述副边绕组(Ns)的同名端与副边功率MOS管(S3)的漏极相连;所述的自驱动电路用于驱动所述的箝位管(S2)。
6、如权利要求1~3任何一项所述的开关电源的自驱动电路,其特征在于所述的变换器是BOOST升压变换器,该变换器具有主功率MOS管(S1)、同步整流管(S2)、电感(L1)、输入电容(Cin)和输出电容(Co);所述电感(L1)的一端与输入电容(Cin)的正极相连,另一端与主功率MOS管(S1)的漏极、同步整流管(S2)的源极相连;所述同步整流管(S2)的漏极与输出电容(Co)的正极相连;所述主功率MOS管(S1)源极接地;所述的自驱动电路用于驱动所述的同步整流管(S2)。
7、如权利要求1~3任何一项所述的开关电源的自驱动电路,其特征在于所述的变换器是SEPIC变换器,该变换器具有主功率MOS管(S1)、同步整流管(S2)、第一电感(L1)、第二电感(L2)、一个电容(C3)、输入电容(Cin)和输出电容(Co);所述第一电感(L1)的一端与输入电容(Cin)的正极相连,另一端与主功率MOS管(S1)的漏极、所述电容(C3)的一端相连;所述电容(C3)的另一端与同步整流管(S2)的源极、第二电感(L2)的一端相连;所述同步整流管(S2)的漏极与输出电容(Co)的正极相连;所述主功率MOS管(S1)的源极接地;所述第二电感(L2)的另一端接地;所述延时驱动电路与所述主功率MOS管的门极相连;所述的自驱动电路用于驱动所述的同步整流管(S2)。
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