CN101667781A - 有源钳位开关管的自适应驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及开关电源领域中一种有源钳位开关管的自适应驱动电路。所述电路输入端Vin、Vss分别与变压器的有源钳位信号检测绕组Nf两端连接，输出端Gate连接有源钳位开关管控制端，包括相互间电气连接的频率－电压转换控制单元、脉冲宽度控制单元、输入脉冲限流整形单元、驱动电路单元和供电电路单元；所述电路还可设置使能端口和扩展功能端口。本发明所述电路电路简洁、成本低，其应用于反激准谐振模式开关电源变换器中，实现电压箝位功能，不但能减小主开关管电压应力、减小开关电源电磁噪音，提高电源电磁兼容特性；同时还能减小箝位电路的损耗，提高电源的效率，使得反激准谐振模式开关电源变换器性能显著提高。

Description

有源钳位开关管的自适应驱动电路

技术领域

本发明涉及开关电源领域，具体是指在采用反激式准谐振控制模式的开关电源的有源箝位电路中用于驱动箝位开关管实现有源钳位功能的一种自适应驱动控制电路。

背景技术

反激准谐振模式开关电源变换器由于具有电路拓扑简洁、开关管零电压开通、损耗小、噪音低、电磁兼容特性好等优点，可广泛用于中小功率开关电源变换器中，因而时下应用非常热门，但是，反激准谐振模式变换器的功率开关管的电压、电流应力大，漏感引起的开关管电压振铃尖峰示意图如图2所示，图中箭头所指处即为漏感引起的开关管尖锋脉冲，这个电压振铃尖峰必须用如图3所示的由二极管D5、电阻R8、电容C5组成的一种RCD钳位电路或者图3虚线框中所示由二极管D6、电阻R9、电容C6组成的另一种RCD钳位电路来限制，否则，漏感引起的开关管电压振铃尖峰会超过开关管的耐压值而使开关管损坏。

目前在采用PWM控制模式的开关电源变换器中，功率开关管的钳位电路主要采用RCD钳位，功率稍大一些的电源有的会采用有源钳位方式，有源箝位方式可以减小钳位电路损耗，减小开关管电压应力，变压器磁芯可以双向对称磁化，可以减小主开关关断时的电压，降低开关损耗。虽然有源钳位方式有很多优点，但目前需要专用的集成电路来控制主开关管和钳位开关管，如果钳位开关管接在高电位点，则钳位开关管需要用变压器来驱动或者用带自举驱动功能的集成电路来驱动，增加了电路的复杂性和成本。

在反激准谐振模式开关电源变换器中，功率开关管的导通时间和关断时间是不定的，其会随输出负载大小和输入电压的高低变化而变化，图4和图5分别是本发明所述的图3电路示意图实施例在输出额定负载的一半时和额定负载时的次级绕组Ns两端的实测波形图，可以看出功率开关管的导通时间和关断时间都在变化，总的变化趋势是当负载由大到小变化时，导通时间和关断时间都是由长变短，即开关频率随负载由大到小变化而由低至高变化。因此，在反激准谐振模式开关电源变换器中要采用有源钳位方式来钳位主开关管上的漏感振铃电压尖峰。

当反激准谐振模式开关电源变换器采用有源钳位方式时，理想的钳位开关管的驱动波形如图6中S2所示，即钳位开关管导通时间Ton2和主开关管(波形如图6中S1所示)的导通时间Ton1之间不能有重叠区域，要留有一定的死区时间Td和Tr，否则，钳位开关管和主开关管会导致共通，将输入电压源短路而造成故障或电源的损耗增加。有源钳位反激准谐振模式开关电源变换器实质是单开关控制，有源钳位开关的频率不会影响主开关的频率，而主开关的频率变化则会影响钳位开关的频率变化，否则，钳位开关的导通时间和主开关的导通时间肯定会有重叠区域，会导致故障出现，因此电路的工作时序是以主开关的的工作时序为主线的。如图6所示的死区时间Tr实现比较容易，只需检测到主开关管的关断信号后经过RC电路延迟Tr时间即可输出正向脉冲去驱动钳位开关的导通，如图6所示的死区时间Td实现相当困难，因为一般情况下钳位开关的驱动脉冲的关断需要检测变压器的能量完全泄放完的时刻，否则钳位开关不好判断要在何时关断，受钳位开关的输入电容和开关速度的影响，钳位开关的关断会有延迟，而此时可能主开关管早已导通，会出现两个开关管共通的现象，会导致出现故障和电源损耗增加。因此设计有源钳位开关的驱动电路将比较复杂和困难，到目前为止还未看到有成熟商用的集成电路来实现反激准谐振模式下的有源钳位功能。

发明内容

本发明需解决的技术问题是：提供一种实现反激准谐振模式下的有源钳位功能的钳位开关管的驱动控制电路，该电路要满足以下要求：1)电路简洁、成本低；2)保证钳位开关的导通时间和主开关的导通时间没有重叠区域，驱动性能稳定可靠。

为解决上述技术问题，本发明电路所采取的技术方案是：提供一种有源钳位开关管的自适应驱动电路，所述电路输入端Vin、Vss分别与变压器的有源钳位信号检测绕组Nf两端连接，输出端Gate连接有源钳位开关管控制端，包括：

频率-电压转换控制单元，用于产生幅值随Vin端的输入脉冲信号频率变化而变化的直流电压并输出给下级脉冲宽度控制单元使用；脉冲宽度控制单元，与驱动电路单元连接，用于控制驱动电路单元输出的正向驱动脉冲的宽度；输入脉冲限流整形单元，与驱动电路单元连接，将Vin端输入的脉冲信号限流后作为驱动信号提供给驱动电路单元；驱动电路单元，通过输出端Gate直接连接有源钳位开关管控制端，控制有源钳位开关管工作时序；供电电路单元，将Vin、Vss端引入的变压器的有源钳位信号检测绕组Nf两端的感应电压，整流限压后用于给驱动电路单元供电，提供驱动所需的能量。

进一步的，所述电路还设置用于控制所述电路输出和关闭的输出使能端口En，该端口与脉冲宽度控制单元、输入脉冲限流整形单元及驱动电路单元均连接，同时该端口作为扩展功能端口。

更进一步，所述电路还可设置与脉冲宽度控制单元连接的用于扩展脉冲宽度控制方式的扩展功能端口Exp。

本发明所述有源钳位开关管的自适应驱动电路成功应用到反激准谐振模式开关电源变换器中，实现电压箝位功能，使得反激准谐振模式开关电源变换器比未用本发明电路的性价比显著提高。具体表现在：1)使主开关管电压应力减小，变压器磁芯双向磁化，使磁芯能可靠复位；2)减小开关电源电磁噪音，提高电源电磁兼容特性；3)减小箝位电路的损耗；4)使开关管关断时的漏、源极电压低，关断损耗降低，提高电源的效率。

相对于现有技术，本发明电路的有益效果还在于：

1)、电路简洁，成本低，无需采用昂贵的、外围电路复杂的专用自举驱动集成电路；

2)、解决了行业内普遍存在的当反激准谐振模式开关电源变换器采用有源钳位方式时，开关电源变换器主功率开关管和钳位开关管的死区时间难以实现的难题。

附图说明

图1是本发明所述的有源钳位自适应驱动控制电路模块原理框图；

图2是本发明所述的反激准谐振模式开关电源变换器功率开关漏源极电压波形示意图；

图3是本发明所述的反激准谐振模式开关电源变换器目前常用的RCD钳位电路示意图；

图4是本发明所述的图3电路示意图实施例在输出额定负载的一半时的次级绕组Ns两端的实测电压波形图；

图5是本发明所述的图3电路示意图实施例在输出额定负载时的次级绕组Ns两端的实测电压波形图；

图6是本发明所述的有源钳位的理想驱动波形示意图；

图7是本发明所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路模块一具体实施例电路原理图；

图8是本发明所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路模块一种优选的性能增强的具体实施例电路原理图；

图9是本发明所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路模块应用实例一；

图10是本发明所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路模块应用实例二。

具体实施方式

为了便于本领域的技术人员理解，下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路用于在反激式准谐振控制模式的开关电源中驱动箝位开关管实现有源钳位功能，电路具体包括：相互电气连接的驱动电路单元、频率-电压转换控制单元、脉冲宽度控制单元、输入脉冲限流整形单元及供电电路单元。

上述单元组成一个电路模块，该电路模块至少包括三个必需端口，分别为Vin、Gate、Vss，可方便的应用于开关电源中。其中，Vin、Vss分别与开关电源中变压器的有源钳位信号检测绕组Nf两端连接，Vin为信号输入端，Vss为信号参考电位端；Gate端口作为输出端，连接有源钳位开关管控制端。所述电路模块还可设置En、Exp两个端口，En端口与脉冲宽度控制单元、输入脉冲限流整形单元及驱动电路单元均连接，该端口作为整个电路模块的使能端口或扩展功能端口；Exp端口与脉冲宽度控制单元连接，作为扩展脉冲宽度控制方式的扩展功能端口。

图7为本发明所述有源钳位开关管的自适应驱动电路一具体实施例电路图。如图，所述频率-电压转换控制单元包括依次串接在输入端Vin、Vss之间的电阻R2、电容C1、二极管D2及电容C2，二极管D3阳极接Vss端、阴极接二极管D2阳极及电容C2的连接点，二极管D2阴极接脉冲宽度控制单元。所述驱动电路单元包括三极管Q1、Q2，Q1、Q2的发射极连接在一起作为Gate输出端口，Q1集电极连接供电电路单元，Q2的集电极连接Vss端。所述输入脉冲限流整形单元包括依次串接在输入端Vin、Vss之间的电阻R3、电容C3、稳压二极管ZD1，ZD1的阴极与电容C3的连接点同时连接驱动电路单元两三极管Q1、Q2基极、ZD1的阳极连接Vss端；所述端口En连接稳压二极管ZD1的阴极。所述脉冲宽度控制单元包括串联的电阻R5和R6、串联的电阻R4和电容C4；三极管Q3集电极接电容C3、基极接电阻电阻R5一端，及电阻R4和电容C4的交点；电阻R7与R5、R6交点连接，电阻另一端接频率-电压转换控制单元的二极管D2阴极；电容C4的另一端、三极管Q3发射极、电阻R7的另一端同时接Vss端；二极管D4并联于电阻R4两端，且其阳极与R4、C4的交点接扩展功能端口Exp。所述供电电路单元包括串联的二极管D1、电阻R1，电阻R1一端与输入端Vin连接，另一端连接二极管D1阳极，D1阴极连接驱动电路单元三极管Q1的集电极。

图7电路工作原理如下：①、所述电路Vin端口和Vss端口接收变压器T1的Nf绕组产生3脚为正、4脚为负的感应电压，该电压经电阻R1、二极管D1组成的供电电路单元限流和整流后给由Q1和Q2组成的驱动电路部分供电，提供输出所需的驱动和关断的能量；②、Vin端口的输入脉冲信号经由电阻R3、电容C3、稳压二极管ZD1组成的输入脉冲限流整形单元限流整形后为驱动电路单元提供驱动信号，R3、C3的主要功能是限制驱动电压和电流，ZD1的主要功能是对输入脉冲的正向和负向钳位，脉冲被钳位在+Vz和-Vf之间，其中Vz是ZD1的齐纳电压值，Vf是正向导通电压值；③、Vin端口的输入脉冲信号还可以经由电阻R2、电容C1、C2、二极管D2、D3组成的频率-电压转换控制单元在C2两端产生幅值随Vin端口的输入脉冲信号频率变化而变化的直流电压，输入脉冲信号频率低时，C2两端直流电压也低，频率高时，C2两端直流电压也就高，R2的主要作用是限流，C1的主要作用是限流和实现对频率变化的跟踪，利用了电容的通高频阻低频的特性，D2的作用是对C1流过来的输入脉冲整流向C2充电，D3的作用是使C1的电流能双向流通；④、C2上随频率变化的直流电压输入到由电阻R4、R5、R6、R7、二极管D4、电容C4、NPN三极管Q3组成的脉冲宽度控制单元，去控制输出端的正向驱动脉冲的宽度，Q3主要是起比较器和开关作用，C4作为定时电容，电阻R4、R5、R6、R7主要是控制对电容C4的充电电流强弱，二极管D4主要是在输入脉冲为负时，将C4储存的电荷泄放掉，使电容C4复位，为下一充电周期做准备，当C2上的直流电压随频率变化时，经电阻R5、R6、R7后，对C4的充电电流也就会随着改变，此路充电电流和流经R4的充电电流一起向C4的充电，当Vin正脉冲来时，C4开始充电，电压上升，达到Q3的开启门限时，Q3饱和导通，使模块的Gate端口输出变为低电平，当输入脉冲频率高时，C2两端电压高，充电加快，Q3很快导通，输出的脉冲宽度变小，当输入脉冲频率低时，C2两端电压低，充电变慢，Q3导通延长，输出的脉冲宽度变宽，从图4和图5可知道，反激准谐振模式开关电源变换器输入交流最高和负载最轻时，开关频率最高，而反激准谐振模式开关电源变换器输入交流最低和满负载时，开关频率最低，通过控制合适的参数，可以实现输出的驱动脉冲宽度即钳位开关的导通时间能自动适应开关频率的变化，从而保证有源钳位功能的实现；⑤、通过合适控制电阻R4、R5、R6、R7和电容C4的选取，保证当反激准谐振模式开关电源变换器输入交流最高和负载最轻时，模块的Gate端口正输出时间Ton2小于主开关管的关断时间，即在主开关管导通前有一段死区时间Td，而当反激准谐振模式开关电源变换器输入交流最低和满负载时，仍然能够维持死区时间Td基本不变，是实现反激准谐振模式开关电源变换器的有源钳位的关键所在。

如图8所示，为本发明所述有源钳位开关管的自适应驱动电路一优选实施例电路图。该实施例比图7所示实施例中脉冲宽度控制单元内增加了电阻R0和三极管Q0，其中三极管Q3集电极与三极管Q0基极电阻及R0一端连接，R0的另一端与Q0发射极连接后与En端口连接，Q0的集电极接Vss端。目的是使由三极管Q3、Q0和电阻R0组成的比较器和开关电路关断速度加快，减少关断延迟，可以缩短最小死区时间Td的设置。

上述图7、图8两实施例中的NPN三极管Q3均可以由三端可调精密电压基准源TL432来替代，实现三极管Q3的比较器和开关功能，其好处在于，三端可调精密电压基准源的门限电压比较精密，可以使有源钳位开关管的自适应驱动电路的输出脉冲宽度精密可控。具体的，三端可调精密电压基准源的阳极Anode与所述电路模块的Vss端口相连、阴极Cathode与所述电路模块的En端口连接、基准端Reference与电容C4、电阻R4、R5连接。

如图9，为所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路应用实例。所述有源钳位开关管的自适应驱动电路模块的Vin端口和反激准谐振模式开关电源变换器中的变压器T1的有源钳位信号检测绕组Nf的3脚相连，Nf的4脚和自适应驱动控制电路模块的Vss端口、T1的初级绕组Np的2端、主功率开关管Q5的漏极以及钳位开关管Q6的源极相连，自适应驱动控制电路模块的Gate端口和Q6的栅极相连，Q6的漏极和钳位电容C8的一端相连，C8的另一端和输入高电位V+端口以及T1的初级绕组Np的1端相连，T1的初级绕组Np的2端和T1的有源钳位信号检测绕组Nf的3脚是同铭端。

上述应用实例的电路工作原理如下：当主开关管Q5关断后，在变压器T1的Nf绕组产生3脚为正，4脚为负的感应电压，此电压输入到模块的Vin端口和Vss端口，经模块内部电路处理后，在模块的Gate端口输出驱动脉冲去驱动钳位开关管Q6导通，如图6所示，钳位开关管Q6导通时间Ton2受模块内部电路控制，关断时间等于主开关管Q5的导通时间Ton1加上死区时间Td和Tr，钳位电容C8可以通过Q6加在变压器T1的初级绕组Np的两端，使得因变压器漏感产生的电压振铃尖峰能够被C8钳位吸收掉，降低了主开关管Q5的电压应力，同时使Q5关断时的电压降低，减少了关断损耗，提高了效率，降低了电磁噪音。

本发明另一种具体的应用实例如图10所示，所述有源钳位开关管的自适应驱动电路模块的Vin端口和反激准谐振模式开关电源变换器中的变压器T1的有源钳位信号检测绕组Nf的3脚相连，Nf的4脚和所述电路模块的Vss端口、T1的初级绕组Np的2端、主功率开关管Q7的漏极以及钳位开关管Q8的源极相连，自适应驱动控制电路模块的Gate端口和Q8的栅极相连，Q8的漏极和钳位电容C9的一端相连，C9的另一端和输入低电位V-端口相连，T1的初级绕组Np的2端和T1的有源钳位信号检测绕组Nf的3脚是同名端。其工作原理同图9，在此不再赘述。

需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何均等变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种有源钳位开关管的自适应驱动电路，输入端Vin、Vss分别与变压器的有源钳位信号检测绕组Nf两端连接，输出端Gate连接有源钳位开关管控制端，其特征在于，包括：

频率-电压转换控制单元，用于产生幅值随Vin端的输入脉冲信号频率变化而变化的直流电压并输出给下级脉冲宽度控制单元使用；

脉冲宽度控制单元，与驱动电路单元连接，用于控制驱动电路单元输出的正向驱动脉冲的宽度；

输入脉冲限流整形单元，与驱动电路单元连接，将Vin端输入的脉冲信号限流后作为驱动信号提供给驱动电路单元；

驱动电路单元，通过输出端Gate直接连接有源钳位开关管控制端，控制有源钳位开关管工作时序；

供电电路单元，将Vin、Vss端引入的变压器的有源钳位信号检测绕组Nf两端的感应电压，整流限压后用于给驱动电路单元供电，提供驱动所需的能量。

2、根据权利要求1所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路，其特征在于：进一步包括用于控制所述电路输出和关闭的输出使能端口En，该端口与脉冲宽度控制单元、输入脉冲限流整形单元及驱动电路单元均连接，同时该端口作为扩展功能端口。

3、根据权利要求1或2所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路，其特征在于：进一步包括与脉冲宽度控制单元连接的用于扩展脉冲宽度控制方式的扩展功能端口Exp。

4、根据权利要求3所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路，其特征在于：所述频率-电压转换控制单元包括依次串接在输入端Vin、Vss之间的电阻R2、电容C1、二极管D2及电容C2，二极管D3阳极接Vss端、阴极接二极管D2阳极及电容C2的连接点，二极管D2阴极接脉冲宽度控制单元。

5、根据权利要求3所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路，其特征在于：所述脉冲宽度控制单元包括串联的电阻R5和R6、串联的电阻R4和电容C4；三极管Q3集电极接电容C3、基极接电阻电阻R5一端，及电阻R4和电容C4的交点；电阻R7与R5、R6交点连接，电阻另一端接频率-电压转换控制单元的二极管D2阴极；电容C4的另一端、三极管Q3发射极、电阻R7的另一端同时接Vss端；二极管D4并联于电阻R4两端，且其阳极与R4、C4的交点接扩展功能端口Exp。

6、根据权利要求3所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路，其特征在于：所述脉冲宽度控制单元进一步包括三极管Q0和电阻R0，其中三极管Q3集电极与三极管Q0基极电阻及R0一端连接，R0的另一端与Q0发射极连接后与En端口连接，Q0的集电极接Vss端。

7、根据权利要求3所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路，其特征在于：所述驱动电路单元包括三极管Q1、Q2，Q1、Q2的发射极连接在一起作为Gate输出端口，Q1集电极连接供电电路单元，Q2的集电极连接Vss端。

8、根据权利要求3所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路，其特征在于：所述输入脉冲限流整形单元包括依次串接在输入端Vin、Vss之间的电阻R3、电容C3、稳压二极管ZD1，ZD1的阴极与电容C3的连接点同时连接驱动电路单元两三极管Q1、Q2基极、ZD1的阳极连接Vss端；所述端口En连接稳压二极管ZD1的阴极。

9、根据权利要求3所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路，其特征在于：所述供电电路单元包括串联的二极管D1、电阻R1，电阻R1一端与输入端Vin连接，另一端连接二极管D1阳极，D1阴极连接驱动电路单元三极管Q1的集电极。

10、根据权利要求5或6所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路，其特征在于：所述三极管Q3可采用三端可调精密电压基准源替换。

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