CN101207336A - 电源转换器的晶体管驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电源转换器的晶体管驱动电路，该晶体管驱动电路能在宽电压范围内工作。该晶体管驱动电路包括一N型电源侧晶体管，一P型电源侧晶体管及一N型接地侧晶体管。一电压钳制装置连接至该N型电源侧晶体管的栅极以限制最大输出电压。一检测电路连接检测该晶体管驱动电路的供应电压以相应于供应电压的电压电平产生一截止信号。当供应电压的电压电平大于阀值电压时，截止信号会被传输至P型电源侧晶体管以将其截止。

Description

电源转换器的晶体管驱动电路
技术领域
本发明涉及一种晶体管驱动电路，尤其涉及一种电源转换器的晶体管驱动电路。
背景技术
电源转换器现在已广泛地应用于计算机，家庭用品，通信设备，移动电话等电器中为其调节电源供应。图1提供了一种用于电池充电器中的电源转换器。该电源转换器的最大输出电压和最大输出电流可以调节。该电源转换器包括变压器10，而变压器10包括主线圈Np，次线圈Ns及辅助线圈NA。主线圈Np的一端连接至输入电压VIN，其另一端连接至晶体管20。晶体管20被用来开关变压器10且调节该电源转换器的输出。开关控制电路100通过光耦合器70连接至该电源转换器的输出端，以产生开关晶体管20的切换信号VG。光耦合器70的输出端产生反馈信号VFB，反馈信号VFB输出至开关控制电路100的FB端。电阻25连接晶体管20至接地间以检测变压器10的开关电流并产生一切换电流信号。电阻25进一步地连接至切换控制电路100的VI端。通过整流器30和电容35、37，次线圈Ns的电压Vs于电源转换器的输出端产生输出电压Vo。晶体管60连接至光耦合器70以对其进行控制。晶体管60进一步地通过齐纳二极管80和电阻51、52连接至输出电压Vo以形成电压反馈回路以控制输出电压Vo。进一步地，电阻50连接至该电源转换器的输出端以检测输出电流Io。晶体管65也连接至光耦合器70以对其进行控制。晶体管65进一步地连接至电阻50以形成一电流反馈回路以控制输出电流Io。该电压反馈回路控制电源转换器的最大输出电压Vo处于V0_MAX值以下。该电流反馈回路调节该电源转换器的最大输出电流Io处于I0_MAX值以下。图2提供了该电源转换器的输出特性。当该电压反馈回路支配该反馈回路时，该电源转换器在恒压(constant voltage，CV)模式下工作。而当电流反馈回路工作时，该电源转换器在恒流(Constant Current，CC)模式下工作。
电阻40连接至输入电压VIN而对电容45进行充电以给开关控制电路100提供最初的电源。一旦变压器10启动，辅助线圈NA用来给该开关控制电路100提供进一步的电源。辅助线圈NA产生的电压VA与次线圈Ns的电压Vs有关。通过整流器41，电压VA将产生与电源转换器的输出电压Vo相关的供应电压Vcc。
V A = N A N S × V S - - - ( 1 )
V CC + V D 41 = N A N S × ( V O + V D 30 ) - - - ( 2 )
其中，NA和NS分别为辅助线圈NA和次线圈NS的线圈绕组匝数；VD41是整流器41的正向电压，VD30是整流器30的正向电压。
供应电压Vcc由连接至切换控制电路100的VCC端的电容45所产生，以提供电源给切换控制电路100。然而，一旦电源转换器处于恒流模式，输出电压Vo的改变幅度较大，这将在供应电压Vcc上导致更明显的变化。例如，输出电压Vo在1～5伏特范围内改变时，将导致供应电压Vcc在6～30伏特范围内改变。
图3为开关控制电路100的电路示意图。反馈信号VFB通过电平偏移电路(level shift circuit)连接至比较器130的正输入端。晶体管140，电阻145、146组成该电平偏移电路。比较器130的负输入端连接至VI端以接受切换电流信号。比较器130的输出端连接至双稳态多谐振荡器120的重置输入端以重置切换信号VG。振荡电流110产生时钟周期脉冲信号PLS以启动切换信号VG。时钟周期脉冲信号PLS通过反相器115连接至双稳态多谐振荡器120的时钟输入端。反相器115的输出端进一步的连接至与门125的一输入端以限制切换信号VG的最大工作周期。双稳态多谐振荡器120的输出端连接至与门125的另一输入端。与门125的输出端产生控制信号PWM并连接驱动电路200的一输入端。驱动电路200用来在切换电路100的OUT端产生切换信号VG以控制晶体管20。
图4为驱动电路200的电路示意图。驱动电路200包括P型晶体管210，其源极连接至供应电压Vcc，漏极则连接至OUT端。与非门230控制P型晶体管210的栅极。控制信号PWM连接至与非门230的一个输入端。一个N型晶体管220的漏极连接至OUT端，且其源极接地。与门240连接至N型晶体管220的栅极。控制信号PWM通过反相器245连接至与门240的一输入端。在OUT端产生一个相应于控制信号PWM的切换信号。与非门230的输出端连接至与门240的另一输入端。与门240的输出端通过反相器235连接至与非门230的另一输入端。与非门230与与门240保护P型晶体管210和N型晶体管220以避免交叉传导。该电路的不足在于切换信号VG1的输出电压无限制。切换信号VG1的电压大致等于供应电压Vcc。供应电压Vcc可能高于20伏特。然而，20伏特是一般晶体管的最大栅源极间电压。当晶体管20的栅源电压高于20伏特时，将可能永久性的损毁晶体管20。
图5为驱动电路200的另一种电路示意图。N型晶体管250的漏极连接至供应电压Vcc，而其源极连接至OUT端。与门270控制N型晶体管250的栅极。控制信号PWM连接至与门270的一输入端。N型晶体管260的漏极电连接至OUT端，而其源极接地。与门280控制N型晶体管的栅极。控制信号PWM经由反相器285连接至与门280的一输入端。在OUT端产生一个相应于控制信号PWM的切换信号VG2。与门270的输出端通过反相器286连接至与门280的另一输入端。与门280的输出端通过反相器275连接至与门270的另一输入端。与门270与与门280保护N型晶体管250、260以避免交叉传导。电压钳制组件255，例如齐纳二极管，连接至N型晶体管250的栅极。电压钳制组件255钳制切换信号VG2的最大输出电压以保护晶体管20不被过大的电压所损毁。图6为与门270的电路。电流源271连接至与门270的输出端。晶体管272的漏极和晶体管273的漏极连接至与门270的输出端。晶体管272、273的栅极连接至与门270的输入端。当电压钳制组件255被制动后，电流源271限制流过电压钳制组件255的电流。图5所示的电路的不足在于切换信号VG2的低输出电压，特别是在供应电压Vcc较低时。切换信号VG2的电压公式是
VG2＝VCC-VGS250--------------------------------(3)
其中，VG2是逻辑高切换信号VG2的电压；VGS250是晶体管250的栅源极间的阀值电压，其一般大约是2伏特。
由于供应电压Vcc可能小于6V，这将可能使得切换信号VG2小于4V。然而，开启高压晶体管，如晶体管20时，栅源极间电压的最小要求值大约是4V。进一步地，低栅源电压将导致晶体管的高电阻(漏源间导通电阻)，这将增加电源转换器的能量损耗。
综上所述，图4和图5所示的外部驱动电路均不适宜应用于宽范围的供应电压Vcc。
发明内容
本发明的目的之一就是在提供一种电源转换器的晶体管驱动电路，该晶体管驱动电路可以适应于宽电压范围下工作。
本发明的另一目的是提供一种用以驱动电源转换器的开关晶体管的晶体管驱动电路，该晶体管驱动电路能在高电压的操作情况下保护自身的组件安全。
本发明提出一种电源转换器的晶体管驱动电路，其包括：一输入端，用以输入一供应电压；一输出端，用以输出切换信号以驱动电源转换器的晶体管；一N型电源侧晶体管，该N型电源侧晶体管的漏极端连接至输入端，其源极连接至输出端；一P型电源侧晶体管，该P型电源侧晶体管的源极连接至输入端，其漏极连接至输出端；一N型接地侧晶体管，该N型接地侧晶体管的漏极连接至输出端，其源极接地；一第一控制电路，该第一控制电路连接控制该N型电源侧晶体管的栅极及P型电源侧晶体管的栅极；及一第二控制电路，该第二控制电路连接控制该N型接地侧晶体管的栅极。
本发明另外提出一种用以驱动一电源转换器的开关晶体管的晶体管驱动电路，其包括：一输入端用以输入一供应电压；一输出端，该输出端输出一切换信号用以驱动该开关晶体管；一第一类型-I晶体管，该第一类型-I晶体管连接于该输入端与输出端之间；一第一类型-II晶体管，该第一类型-II晶体管连接于该输入端和输出端之间；一第二类型-I晶体管，该第二类型-I晶体管连接于该输出端与地之间；及一控制电路，该控制电路响应一控制信号以控制该类型-I晶体管及类型-II晶体管。
本发明采用检测电路产生一相应于供应电压的电压电平的截止信号，该截止信号在供应电压高于阀值电压时可以截止电源侧晶体管。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1为现有的一种用于电池充电器中的电源转换器的电路图。
图2为图1所示电源转换器的输出特性示意图。
图3为现有开关控制电路的电路图。
图4为现有一种晶体管驱动电路的电路图。
图5为现有另一种晶体管驱动电路的电路图。
图6为现有晶体管驱动电路的与门电路图。
图7为根据本发明一实施例的晶体管驱动电路的电路图。
附图符号说明
310：N型电源侧晶体管
315：电压钳制组件
320：N型接地侧晶体管
330、340：与门
335、345、346：反相器
350：P型电源侧晶体管
370：与非门
390：比较器。
具体实施方式
图7为根据本发明一实施例的晶体管驱动电路。其包括输入端VCC以接受供应电压Vcc。几个逻辑装置，例如：与门330和340，反相器335、345和346，与非门370以及比较器390，这几个逻辑装置形成一个控制电路群。输出端OUT输出切换信号VG以驱动电源转换器中的晶体管20。一个类型-I晶体管(第一类型-I晶体管)，在本实施例中是N型电源侧(high-side)晶体管310，其漏极连接至输入端VCC，源极连接至输出端OUT。一个类型-II(第一类型-II晶体管)晶体管，在本实施例中是P型电源侧晶体管350，其源极连接至输入端VCC，漏极连接至输出端OUT。另一个类型-I(第二类型-I晶体管)晶体管，在本实施例中是N型接地侧(low-side)晶体管320，其漏极连接至输出端OUT，源极接地。
与门330，反相器335和与非门370形成第一控制电路。与门330的输出端连接至N型电源侧晶体管310的栅极，以相应于控制信号PWM和反相器335的输出来控制N型电源侧晶体管310。与非门370的输出端连接至P型电源侧晶体管350的栅极，以相应于截止信号DS和与门330的输出来控制P型电源侧晶体管350。反相器335用以反相一个控制N型接地侧晶体管320的信号。
与门340和反相器345，346形成第二控制电路。控制信号PWM通过反相器345连接至与门340的一个输入端。再者，用以控制N型电源侧晶体管310的信号会由反相器346进行反相操作而产生相对应的一个反相信号，且此反相信号会被连接至与门340的另一个输入端。与门340的输出端连接至N型接地侧晶体管320的栅极，藉此以根据与门340的两个输入来控制N型接地侧晶体管320。比较器390和阀值电压VT形成检测电路。比较器390的正输入端连接至阀值电压VT。反相器390的负输入端连接检测上述的供应电压Vcc。当供应电压Vcc的电压电平高于阀值电压VT时，比较器390的输出端产生截止信号DS。比较器390会有滞后现象。一旦供应电压Vcc的电压电平高于阀值电压VT时，截止信号DS连接与非门370的另一输入端以截止P型电源侧晶体管350。
进一步地，电压钳制组件315连接至N型电源侧晶体管310的栅极以钳制切换信号VG的最大输出电压。与门340的输出端通过反相器335连接至与门330的输入端。与门330的输出端通过反相器346连接至与门340的输入端。因此，第一控制电路和第二控制电路连接形成排他(exclusive)逻辑电路，藉此以保护N型电源侧晶体管310和N型接地侧晶体管320以阻止交叉传导。此外，第一控制电路和第二控制电路的排他逻辑电路也保护P型电源侧晶体管350和N型接地侧晶体管320以阻止交叉传导。
当供应电压Vcc低时，P型电源侧晶体管350提供信道输出和供应电压Vcc相同的电压。当供应电压Vcc高时，电压钳制组件315钳制N型电源侧晶体管310的最大输出电压。此外，P型电源侧晶体管350被截止以限制切换信号VG的最大输出电压。因此，本发明的晶体管驱动电路能在宽范围的供应电压Vcc下工作。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视本发明的申请专利范围所界定者为准。

Claims (11)

1.一电源转换器的晶体管驱动电路，其包括：
一输入端用以输入一供应电压；
一输出端，该输出端输出一切换信号以驱动该电源转换器的晶体管；
一N型电源侧晶体管，该N型电源侧晶体管具有一漏极端连接至输入端，及一源极连接至该输出端；
一P型电源侧晶体管，该P型电源侧晶体管具有一源极连接至输入端，及一漏极连接至该输出端；
一N型接地侧晶体管，该N型接地侧晶体管具有一漏极连接至该输出端，其源极接地；
一第一控制电路，该第一控制电路连接控制该N型电源侧晶体管的栅极及该P型电源侧晶体管的栅极；及
一第二控制电路，该第二控制电路连接控制该N型接地侧晶体管的栅极。
2.如权利要求1所述的电源转换器的晶体管驱动电路，进一步包括：
一检测电路，该检测电路连接至供应电压以产生一响应供应电压的电压电平的截止信号；
其中，当该供应电压的电压电平高于一阀值电压时，该截止信号传输至第一控制电路以截止该P型电源侧晶体管。
3.如权利要求1所述的电源转换器的晶体管驱动电路，进一步包括一电压钳制组件，该电压钳制组件连接至该N型电源侧晶体管的栅极以钳制该切换信号的最大输出电压。
4.如权利要求1所述的电源转换器的晶体管驱动电路，其中，该第一控制电路及第二控制电路连接接收一控制信号以产生该切换信号；该第一控制电路及第二控制电路用来保护该N型电源侧晶体管及该N型接地侧晶体管避免交叉传导。
5.一种用以驱动电源转换器的开关晶体管的晶体管驱动电路，其包括：
一输入端，用以输入一供应电压；
一输出端，该输出端输出一切换信号用以驱动该开关晶体管；
一第一类型-I晶体管，该第一类型-I晶体管连接于该输入端与输出端之间；
一第一类型-II晶体管，该第二类型-II晶体管连接于该输入端和输出端之间；
一第二类型-I晶体管，该第二类型-I晶体管连接于该输出端与地之间；及
一控制电路群，该控制电路群响应一控制信号以控制该等第一、第二类型-I晶体管及第一类型-II晶体管。
6.如权利要求5所述的晶体管驱动电路，其中，该第一和第二类型-I晶体管为N型晶体管，该第一类型-II晶体管为一P型晶体管。
7.如权利要求5所述的晶体管驱动电路，其中，该控制电路群包括：
一第一控制电路，该第一控制电路连接控制该第一类型-I和类型-II晶体管；及
一第二控制电路，该第二控制电路连接控制该第二类型-I晶体管；
其中，该第一控制电路及第二控制电路用以保护该第一类型-I晶体管与第二类型-I晶体管间避免交叉传导；该第一控制电路及第二控制电路进一步用以保护该第一类型-II晶体管与第二类型-I晶体管间避免交叉传导。
8.如权利要求7所述的晶体管驱动电路，其中，该控制电路群进一步包括一检测电路，该检测电路连接至该供应电压以产生一响应于该供应电压的电压电平的截止信号；当该供应电压的电压电平大于一阀值电压，该截止信号传输至该第一控制电路以截止该第一类型-II晶体管。
9.如权利要求8所述的晶体管驱动电路，其中，该第一控制电路包括：
一反相器，该反相器反相一用以控制该第二类型-I晶体管的信号；
一与门，该与门接收该控制信号和该反相器的输出，并输出一控制该第一类型-I晶体管的信号；及
一与非门，该与非门根据该截止信号与与门的输出信号输出一控制该第一类型-II晶体管的信号。
10.如权利要求7所述的晶体管驱动电路，其中，该第二控制电路包括：
一第一反相器，该第一反相器反相一用以控制该第一类型-I晶体管的信号以产生一第一信号；及
一与门，该与门依据该控制信号及该第一信号，输出一控制该第二类型-I晶体管的信号。
11.如权利要求5所述的晶体管驱动电路，进一步包括一电压钳制装置，该电压钳制装置连接至该第一类型-I晶体管的栅极以钳制该切换信号的最大输出电压。
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