CN102185466A - 一种应用于反激式变换器的驱动电路、驱动方法以及应用其的准谐振软开关反激式变换器 - Google Patents

一种应用于反激式变换器的驱动电路、驱动方法以及应用其的准谐振软开关反激式变换器 Download PDF

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Abstract

依据本发明的一种应用于反激式变换器的驱动电路,通过一微分电路对反激式变换器中的主功率开关管的漏源电压进行微分,从而将所述漏源电压达到谷底的时刻对应为所述微分电压正向过零点的时刻。一谷底电压检测电路与所述微分电路连接,接收所述微分电压信号,当所述主功率开关管的漏源电压到达谷底时,输出谷底控制信号,从而控制所述驱动电路驱动主功率开关管,从而准确实现了主功率开关管的谷底开通。依据本发明的驱动电路精确的实现了对主功率开关管的准谐振软开关控制,降低了开关损耗和电磁干扰EMI,最优化反激式变换器的驱动电路,使得控制效果、可靠性大大提高,降低了实现成本。

Description

一种应用于反激式变换器的驱动电路、驱动方法以及应用其的准谐振软开关反激式变换器
技术领域
本发明涉及一种驱动电路,尤其涉及一种反激式变换器中的驱动电路和驱动方法,以及应用其的准谐振软开关反激式变换器。
背景技术
开关的高频化是现代开关电源发展的一个重要方向,其原因在于开关高频化可以使开关变换器的体积和重量大大减小,从而提高变换器的功率密度,同时提高开关频率还可以降低开关电源的音频噪声,改善动态响应。实现高频化,必须降低开关损耗,软开关技术是减少开关损耗的重要方法之一。通过谐振的原理使开关变换器中开关管的电压或者电流按照正弦或者准正弦规律变化,当电压自然过零时,使开关器件导通;当电流自然过零时,使开关器件关断,从而实现开关损耗为零,提高开关频率。
反激式变换器在低功率场合应用十分广泛,但是,由于开关管存在容性开通损耗,限制了开关频率的提高。原理上有很多种方法可实现软开关,但是大多数开关要承受很高的电压应力,因此不适合用于输入电压比较高的场合。由反激式变换器的工作原理可知,当电感电流工作在断续工作模式(DCM)下,在电感电流减小到零以后,开关管两端的电容与变压器的原边电感会发生谐振。
图1A示出了一种传统的硬开关反激式变换器电路原理图,其中,主功率开关管M为一金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET,其包含若干个寄生电容,例如漏极和源极之间的寄生电容CDS,栅极和源极之间的寄生电容CGS,栅极和漏极之间的寄生电容CGD
在这种传统的反激式变换器的断续工作模式的停滞期间内,主功率开关管M自身的寄生电容与变压器T的电感发生振荡,寄生电容上的电压会随振荡而变化,但始终具有相当大的数值。当下一个时钟周期的主功率开关管M导通时间开始时,寄生电容会通过主功率开关管M放电,从而产生很大的电流尖峰。 此时主功率开关管M具有很大的电压,从而造成开关损耗,并且,电流尖峰含有大量的谐波,从而产生电磁干扰。
参考图1B,所示为图1A所示的反激式变换器的主功率开关管M的漏源电压Vds波形图。
从图1B可以看出,在主功率开关管M关断之后,主功率开关管M的两端会产生一个电压尖峰。这个电压尖峰是变压器漏感和寄生电容产生振荡的结果。振荡的幅值经过几个周期后减小为零,此后漏源电压Vds保持不变,其数值由下式(1)计算:
Vdss=Vin+n(Vout+Vf)    (1)
其中:n为变压器T的匝数比;
Vout为输出电压;
Vf为副边整流二极管D0的导通压降。
经过一段时间tFW以后,反激能量完全传送给负载,流过整流二极管D0的电流减小到零,整流二极管D0截止。变压器T的原边电压不再被钳在n(Vout+Vf)。寄生电容Cd,原边电感Np以及线路电阻Rp将构成一个RLC谐振电路,功率开关管M的两端电压将产生振荡,漏源电压VDS的振荡曲线的谷值处A的漏源电压Vds的值如下式(2)计算:
Vds,min=Vin-n(Vout+Vf)    (2)
通过式(2)可以看出,如果n(Vout+Vf)=Vin,驱动主功率开关管M在tv时刻导通,则即可以实现零电压开通。如果n(Vout+Vf)≤Vin,尽管无法实现零电压开通,但是驱动主功率开关管在tv时刻导通仍然可以在最大程度上减小开关的开通损耗。从以上的分析可以看出,电路零电压开关工作的条件只与电路的设计参数相关,而与电路的具体工作状况无关。
因此,如果在漏源电压VDS的的振荡曲线的谷底处A开通主功率开关管M,则由于寄生电容被充电至最小电压,导通的电流尖峰将会最小化,从而减小了开关损耗和电磁干扰。
参考图2A,所示为现有的一种实现反激式变换器准谐振启动的技术方案,在反激式变换器的基础上,增加了一辅助绕组Na,来检测变压器T的初级绕组Np上的原边电压。当原边电压过零时即图1B所示的B点,延时由电容Cf决定 的一定时间后,开通主功率开关管M。可见采用这种实现方案,需要增加额外的辅助绕组,并且采用延时的方法获得的开通点并不一定是漏源电压的谷底点。因此,采用这种实现方案不仅增加了电路设计的复杂性和成本,并且并不能真正实现对主功率开关的准谐振驱动。
参考图2B,所示为现有技术中一种通过soxyless技术实现反激式变换器准谐振启动的技术方案。其通过MOSFET金属氧化物半导体场效应晶体管和双极型晶体管的混合电路来测量负栅极电流,该电路经由参考正电压源Vcc的路径传输负栅极电流。因此,测量的电流从参考正电压源Vcc经过简单的补偿电路流至栅极,相当于有源负电压箝位工作。因此将“负栅极电流”转换为便于处理的正电流。然后使用比较器进行栅极电流过零检测,从而提供“谷底”信号。可见采用这种实现方法,虽然可以实现对主功率开关的准谐振软开关控制,但是电路设计相对较复杂,实现成本也较高。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种新型的应用于反激式变换器的驱动电路,其对主功率开关管的漏源电压进行微分运算,从而将漏源电压到达谷底的时刻转换为一微分电压到达正向过零点的时刻,从而方便、精确地检测漏源电压谷底时刻,实现了对主功率开关管的准谐振驱动。
依据本发明一实施例的一种应用于反激式变换器的驱动电路,包括:
子控制信号发生电路,用以接收所述控制信号,以产生第一控制信号,第二控制信号和第三控制信号;其中,
所述控制信号的一个开关周期依次包括第一时间区间、第二时间区间和第三时间区间;
所述第一控制信号在所述第一时间区间内处于有效状态,在所述开关周期的剩余时间内处于无效状态;
所述第二控制信号在所述第二时间区间内处于有效状态,在所述开关周期的剩余时间内处于无效状态;
所述第三控制信号的有效状态持续时间不小于所述第三时间区间,并且不大于所述一个开关周期中除去所述第一时间区间的剩余时间;
依次串联连接在输入电压源和地之间的顶部功率开关管和底部功率开关管组成的一推挽驱动电路,顶部功率开关管和底部功率开关管的公共连接点连接至所述主功率开关管的控制端;其中,
所述第一控制信号控制所述顶部功率开关管的开关动作;
所述第二控制信号控制所述底部功率开关管的开关动作;
微分电路,其第一端与所述子控制信号发生电路连接,以接收所述第三控制信号,第二端接收所述主功率开关管的漏源电压;所述第三控制信号控制所述微分电路的动作,以在所述第三控制信号的有效状态时间内对主功率开关管的漏源电压进行微分,从而获得一微分电压,通过对所述漏源电压的微分运算,将所述漏源电压到达谷底的时刻对应为所述微分电压正向过零点的时刻;
谷底电压检测电路,与所述微分电路连接,以接收所述微分电压,当检测到的微分电压正向过零点时,输出谷底控制信号,从而控制所述驱动电路驱动所述主功率开关管开通。
进一步的,所述开关周期进一步包括第一死区时间和第二死区时间,所述第一死区时间保证所述第一控制信号和第二控制信号不会同时处于有效状态,所述第二死区时间保证所述第一控制信号和所述第三控制信号不会同时处于有效状态。
进一步的,所述子控制信号发生电路进一步包括死区控制电路、消隐电路和逻辑电路,以获得所述第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号。
进一步的,所述微分电路进一步包括依次串联接在主功率开关管的漏极和地之间的微分电容和微分电阻,用以接收主功率开关管的漏源电压,以获得所述微分电压。
进一步的,所述微分电路进一步包括一辅助功率开关管,其控制端与所述子控制信号发生电路连接,第一输入端连接至所述顶部功率开关管和底部功率开关管的公共连接点与所述主功率开关管的控制端之间的连线上,第二输入端连接至地;所述第三控制信号控制所述辅助功率开关管的开关动作。
优选的,所述辅助功率开关管为MOSFET晶体管,当所述辅助功率开关管导通时,主功率开关管的漏极和栅极之间的覆盖电容和辅助功率开关管的导通电阻组成所述RC微分电路。
优选的,所述谷底电压检测电路包括一过零比较器和一单脉冲发生电路,所述过零比较器的反相输入端接地,同相输入端接收所述微分电压,输出端连接至所述单脉冲发生电路;当所述微分电压到达正向过零点时,所述单脉冲发生电路的输出端输出所述谷底控制信号,从而控制所述驱动电路驱动所述主功率开关管。
优选的,所述驱动电路进一步包括一箝位电路,其具有一箝位电压,所述箝位电路连接在顶部功率开关管和底部功率开关管的公共连接点与所述主功率开关管的控制端之间的连线上,当所述主功率开关管的控制端的电压高于所述箝位电压时,将其箝位至所述箝位电压。
优选的,所述箝位电路包括一比较器、一与门和一箝位开关管,所述比较器的反相输入端接收与所述箝位电压等同的箝位基准电压,同相输入端接收所述主功率开关管的控制端的电压;所述与门的第一输入端接收所述比较器的输出端的输出信号,第二输入端接收所述第三控制信号;所述与门的输出端连接至所述箝位开关管的控制端,所述箝位开关管的第一输入端连接至所述主功率开关管的控制端,第二输入端连接至地;当所述第三控制信号有效时,如果所述主功率开关管的控制端的电压大于所述箝位基准电压时,所述箝位开关管导通,以将所述主功率开关管的控制端的电压箝位至所述箝位基准电压。
依据本发明的一种应用于反激式变换器中的驱动方法,包括以下步骤:
接收控制信号,以产生第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号;
所述控制信号的一个开关周期依次包括第一时间区间、第二时间区间和第三时间区间;
所述第一控制信号在所述第一时间区间内处于有效状态,在所述开关周期的剩余时间内处于无效状态;
所述第二控制信号在所述第二时间区间内处于有效状态,在所述开关周期的剩余时间内处于无效状态;
所述第三控制信号的有效状态持续时间不小于所述第三时间区间,并且不大于所述一个开关周期除去所述第一时间区间的剩余时间;
在所述第三控制信号的有效状态持续时间内,接收主功率开关管的漏源电压;
对所述漏源电压进行微分运算,从而获得一微分电压,以将所述漏源电压的到达谷底的时刻对应为所述微分电压正向过零点的时刻;
检测所述微分电压,当检测到所述微分电压正向过零点时,驱动所述主功率开关管在此刻导通。
优选的,所述开关周期进一步包括第一死区时间和第二死区时间,所述第一死区时间保证所述第一控制信号和第二控制信号不会同时处于有效状态,所述第二死区时间保证所述第一控制信号和所述第三控制信号不会同时处于有效状态。
进一步的,所述驱动方法还包括当微分电压到达正向过零点时,产生所述谷底控制信号,从而控制所述驱动电路驱动所述反激式变换器中的主功率开关管。
进一步的,所述驱动方法还包括,比较主功率开关管的控制端的电压和一箝位电压,所当所述主功率开关管的控制端的电压高于其箝位电压值,将其箝位至所述箝位电压值。
优选的,利用主功率开关管的漏极和栅极之间的覆盖电容和辅助功率开关管的导通电阻组成的RC微分电路对漏源电压进行微分运算。
依据本发明的一种准谐振软开关反激式变换器,包括前述的任一项驱动电路,还包括:
反激拓扑电路,包括所述主功率开关管、由初级侧绕组和次级侧绕组组成的变压器和输出二极管,用以接收输入电压,并在输出端输出一输出电压;
控制电路,接收表征输出电压的反馈电压,以据此产生所述控制信号;
所述驱动电路,接收所述控制信号,并对漏源电压的谷底电压进行检测,以实现对主功率开关的准谐振驱动。
依据本发明的驱动电路,至少可以实现以下有益效果:
(1)由于主功率开关管的开启时刻具有最小的漏源电压,可以减小甚至消除导通电流尖峰,因此这种设计能够提供较低的导通损耗。
(2)较慢的漏源电压上升时间可以减少主功率开关管关断时漏极电流和漏源电压之间的电压/电流交迭,因此关断损耗也随之降低,从而降低其工作温度,增强了可靠性。
(3)导通电流尖峰的减小或消除以及较慢的漏源电压上升速度降低了电路的电磁干扰EMI,EMI滤波器的使用数量随之减少,其设计变得相对简单,从而降低电源成本。
(4)另外,对于集成电路而言,如采用图1A所示的现有技术的准谐振软开关控制方法,需要一个单独的引脚来实现对漏源电压的检测以及一个单独的引脚来实现对主功率开关管的驱动,而对本发明而言,通过对主功率开关管的驱动引脚的复用,即实现了对漏源电压谷底时刻的精确检测,又实现了对主功率开关管的准谐振驱动,使得芯片结构更加紧凑,节省了芯片的尺寸,并且封装和外围电路的设计也相对简单;
可见采用本发明的驱动电路,可以精确检测漏源电压的谷底电压,进而精确的实现对主功率开关管的准谐振软开关控制,最优化反激式变换器的驱动电路,使得控制效果、可靠性大大提高。
附图说明
图1A所示为一种反激式变换器的电路原理框图;
图1B所示为图1A所示的反激式变换器采用硬开关控制时的主功率开关管的漏源电压的波形图;
图2A所示为采用现有技术的一种准谐振软开关技术的反激式变换器的电路原理框图;
图2B所示为采用现有技术的另一种准谐振软开关技术的反激式变换器的电路原理框图;
图3所示为依据本发明的用于反激式变换器的驱动电路的第一实施例的原理框图;
图4所示为依据本发明的用于反激式变换器的驱动电路的第二实施例的原理框图;
图5所示为图4所示的用于反激式变换器的驱动电路的工作波形图;
图6所示为依据本发明的用于反激式变换器的驱动电路的第三实施例的原理框图;
图7所示为依据本发明的应用于反激式变换器中的驱动方法的一实施例的 流程图;
图8所示为依据本发明一实施例的准谐振软开关反激式变换器的原理框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述,但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解,在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节,而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
参考图3,所示为依据本发明的用于反激式变换器的驱动电路的第一实施例的原理框图,其由子控制信号发生电路301,顶部功率开关管302,底部功率开关管303,主功率开关管304,微分电路305和谷底电压检测电路306组成。
所述子控制信号发生电路301接收反激式变换器中控制电路输出的控制信号PWM,并进行一系列的逻辑运算,以产生具有一定的时序关系的第一控制信号Vctrl1,第二控制信号Vctrl2和第三控制信号Vctrl3
顶部功率开关管302和底部功率开关管303依次串联连接在输入电压源Vcc和地之间,以组成一推挽驱动电路,其公共连接点连接至所述主功率开关管304的控制端。
顶部功率开关管302和和底部功率开关管303的控制端分别与所述子控制信号发生电路301连接,用以接收所述第一控制信号ctrl1和第二控制信号Vctrl2。其中,所述第一控制信号用以控制所述顶部功率开关管302的开关动作,所述第二控制信号用以控制所述底部功率开关管303的开关动作。
微分电路305与子控制信号发生电路301连接,以接收所述第三控制信号Vctrl3,同时接收主功率开关管304的漏源电压VDS
为方便说明,以下以高电平使能逻辑,以及所述顶部功率开关管302、底部功率开关管303和主功率开关管304为MOSFET晶体管为例,详细说明所述驱动电路在一个开关周期的工作原理。
按照所述顶部功率开关管302、底部功率开关管303和主功率开关管304 的工作过程将一个开关周期依次划分为第一时间区间、第二时间区间和第三时间区间。
在第一时间区间内,所述第一控制信号Vctrl1处于高电平状态,顶部功率开关管302和主功率开关管304处于导通状态,顶部功率开关管302驱动主功率开关管304处于正常工作状态。主功率开关管304的漏源电压VDS近似为零,第二控制信号Vctrl2和第三控制信号Vctrl3保持为低电平,底部功率开关管303和微分电路305处于不工作状态。
在第二时间区间内,所述第一控制信号Vctrl1变为低电平状态,顶部功率开关管302和主功率开关管304处于关断状态;第二控制信号Vctrl2处于高电平状态,底部功率开关管303导通。
在第三时间区间的开始时刻,第一控制信号Vctrl1保持为低电平,第二控制信号Vctrl2变为低电平状态,提前关断底部功率开关管303;
第三控制信号Vctrl3的高电平状态持续时间不小于所述第三时间区间,而不大于所述一个开关周期除去第一时间区间后的剩余时间,如可以为与第三时间区间重合;或者其高电平开始时刻与第二时间区间开始时刻相同,然后保持高电平一直持续至下一开关周期;或者在第二时间区间开始时刻延时一定的延时时间(如td)后,触发所述第三控制信号Vctrl3,然后保持高电平一直持续至下一开关周期。
所述第三控制信号Vctrl3的高电平持续时间需要保证能够至少检测到所述漏源电压VDS的其中一个谷底电压时刻。
当所述第三控制信号Vctrl3为高电平时,其控制所述微分电路305对所述漏源电压VDS进行微分,从而获得一微分电压。通过对所述漏源电压VDS的微分变换,将漏源电压VDS到达谷底的时刻对应为所述微分电压达到正向过零点的时刻。所述微分电路可以为由电阻和电容串联连接组成。
为了进一步保证驱动电路的正常工作,所述开关周期可以进一步包括在第一时间区间之后的第一死区时间和第三时间区间之后的第二死区时间,以保证所述顶部功率开关管302和底部功率开关管303不会同时导通,以及保证微分电路305和所述顶部功率开关管302不会同时触发。
谷底电压检测电路306与所述微分电路305连接,接收所述微分电压。当 检测到微分电压的正向过零点时,即主功率开关管304的漏源电压VDS到达谷底时,谷底电压检测电路306输出谷底控制信号,从而控制所述驱动电路,使主功率开关管304导通,准确实现对主功率开关管304的准谐振驱动。
可见,采用图3所示的依据本发明的应用于反激式变换器中的驱动电路,通过对主功率开关管关断时漏源电压的微分运算,实现了对漏源电压的谷底电压时刻的精确检测,从而精确的实现了对主功率开关管的准谐振软开关控制。所述驱动电路可以在任一电压谷底时刻如第一电压谷底时刻、第二电压谷底时刻或者其他电压谷底时刻,来导通所述主功率开关管,可以根据需要设置第三时间区间的大小,实现对谷底的选择,保证能够至少检测到一个谷底电压。所述功率开关管可以为任何合适类型的开关器件。
参考图4,所示为依据本发明的用于反激式变换器的驱动电路的第二实施例的原理框图。具体描述了微分电路305和谷底电压检测电路306的一种实现方法和工作原理。
其中,子控制信号发生电路301,由顶部功率开关管302和底部功率开关管303组成的推挽驱动电路与图3所示的实施例的结构和工作原理类似,在此不再赘述。
在该实施例中,所述微分电路305通过辅助功率开关管401的导通电阻Rds(on)和主功率开关管304的覆盖电容(栅极和漏极之间的电容)Cdg来实现。所述辅助功率开关管401采用N型金属氧化物半导体晶体管MOSFET,其栅极与所述子控制信号发生电路301连接,以接收所述第三控制信号Vctrl3,漏极连接至顶部功率开关管302和底部功率开关管303的公共连接点与所述主功率开关管304的控制端之间的连线上,源极接地。所述第三控制信号Vctrl3控制所述辅助功率开关管401的开关动作。
当所述辅助功率开关管401导通时,由其导通电阻Rds(on)和主功率开关管304的漏极和栅极之间的覆盖电容Cdg组成的微分电路对主功率开关管304的漏源电压VDS进行微分,以获得一对应的微分电压Vdi,以将所述漏源电压VDS的谷底电压时刻转换为所述微分电压Vdi的正向过零点时刻。
在该实施例中,所述谷底电压检测电路306包括一过零比较器402和单脉冲发生电路403。所述过零比较器402的同相输入端接收微分电路305输出的 微分电压Vdi,其反相输入端接地,过零比较器402的输出端连接至单脉冲发生电路403。
当所述微分电压Vdi到达正向过零点时,通过过零比较器402的输出控制所述单脉冲发生电路403输出一单脉冲信号,以作为所述谷底控制信号,从而控制所述驱动电路在此刻驱动所述主功率开关管304。
以下结合图5所示的图4所示的用于反激式变换器的驱动电路的第二实施例的工作波形图来详细说明其工作过程。其中VDS表示主功率开关管304的漏源电压,Vctrl1表示控制顶部功率开关管302的第一控制信号,Vctrl2表示控制底部功率开关管303的第二控制信号,Vctrl3表示控制微分电路305中辅助功率开关管401的第三控制信号,Vctrl4表示控制主功率开关管304的驱动信号,Vdi表示微分电路输出的微分电压。
(1)t1-t1
在一个开关周期中的第一时间区间内,即t1时刻至t2时刻,控制信号Vctrl1和Vctrl4同时为高电平处于有效状态,即在第一时间区间内所述顶部功率开关管302与主功率开关管304均处于导通状态,顶部功率开关管302驱动主功率开关管304处于正常工作状态。主功率开关管304的漏源电压VDS近似为零,控制信号Vctrl2和Vctrl3保持为低电平处于无效状态,底部功率开关管303和辅助功率管开关管401处于关断状态。
(2)t2-t3
在t2时刻,第一控制信号Vctrl1由高电平变为低电平,导致顶部功率开关管302关断,同时主功率开关管304也关断,此时主功率开关管304自身的寄生电容与反激式变换器中的变压器的电感发生振荡,导致其漏源电压VDS的振荡出现。t2时刻后,经过一个很短的死区时间即第一死区时间,在t3时刻,第二控制信号Vctrl2由低电平变为高电平,底部功率开关管303开始导通。
(3)t3-t5
在第二时间区间内,即t3时刻至t5时刻,第二控制信号Vctrl2一直保持为高电平有效状态,底部功率开关管303始终导通;在t5时刻,即第三时间区间开始前,第二控制信号Vctrl2由高电平变为低电平,提前强制关断底部功率开关管303,其提前关断的时间可以根据需要设定,但必须保证底部功率开关管303 关断的时刻在所要检测的谷底电压出现之前。
(4)t4-t6
在第二控制信号Vctrl2由低电平变为高电平,底部功率开关管303开始导通后,经过一定的延迟时间td,第三控制信号Vctrl3在t4时刻由低电平变为高电平,辅助功率开关管401开始导通。所述延迟时间td可以根据需要进行设定。
从t4时刻至t5时刻,第三控制信号Vctrl3和第二控制信号Vctrl2同时为高电平,因此,辅助功率开关管401和底部功率开关管303同时处于导通状态。从t5时刻至t6时刻,即第三时间区间内,由于底部功率开关管303的提前关断,而辅助功率开关管401仍处于导通状态,微分电路305将精确地对主功率开关管304的漏源电压VDS进行微分,以获得一对应的微分电压Vdi。其微分电压的波形如波形(5-6)所示。
(4)t6-t7
在该实施例中,以第二谷底时刻开通为例,在t6时刻,微分电路305检测到第二个谷底电压,其输出的微分电压Vdi到达正向过零点,单脉冲发生电路403输出一单脉冲信号,继而控制所述驱动电路在经过一小段死区时间后,即第二死区时间后,在t7时刻驱动主功率开关管304导通。由此进入下一开关周期。
可见,采用图4所示的依据本发明的应用于反激式变换器中的驱动电路,利用主功率开关管304自身的覆盖电容和辅助功率开关管401导通时的导通电阻组成一微分电路,通过对主功率开关管304关断时的漏源电压的微分运算,实现了对漏源电压的谷底电压时刻的精确检测,从而精确的实现了对主功率开关管的准谐振软开关控制。另外,这种微分电路的实现方法使得电路的结构达到了最简化。
根据本发明的教导,也可以在主功率开关管304的栅极和漏极并联一额外的电容,以及在辅助功率开关管的源极串联连接一额外的电阻,来进一步组成所述微分电路。
参考图6,所示为依据本发明的用于反激式变换器的驱动电路的第三实施例的原理框图。其中子控制信号发生电路301进一步包括死区控制电路601,逻辑电路602和消隐电路603。并在图4所示的实施例的基础上增加了一箝位 电路604。
所述死区控制电路601控制所述第一控制信号Vctrl1和第二控制信号Vctrl2之间的第一死区时间和第一控制信号Vctrl1和第三控制信号Vctrl3之间的第二死区时间;
所述逻辑电路602根据所接收到的反激式变换器中控制电路的控制信号,产生具有一定时序的第一控制信号Vctrl1,第二控制信号Vctrl2和第三控制信号Vctrl3
所述消隐电路603用以在一个开关周期内,在第二控制信号Vctrl2有效后,即底部功率开关管303导通后,实现对微分电路305的延迟导通。
如图5中的波形(5-6)所示,在第三时间区间内,由于主功率开关管304的漏源电压VDS的谐振导致其微分电压Vdi的变化,可能导致主功率开关管304的误导通。在本发明中,通过箝位电路604解决这一问题。
箝位电路604由迟滞比较器605,与门逻辑电路606和箝位开关管607组成。迟滞比较器605的反相输入端接收箝位基准电压Vc-ref,同相输入端接收所述主功率开关管304的控制端的电压;与门逻辑电路606的第一输入端接收所述迟滞比较器605的输出端的输出信号,第二输入端接收所述第三控制信号Vctr3,所述与门逻辑电路606的输出端连接至所述箝位开关管607的控制端,所述箝位开关管607的漏极连接至主功率开关管304的控制端,其源极接地。
在所述第三时间区间内,当主功率开关管304的控制端电压高于所述箝位基准电压Vc-ref时,所述迟滞比较器605的输出变为高电平。由于此时辅助功率开关管401导通,第三控制信号Vctrl3为高电平,因此与门逻辑电路606的输出为高电平,箝位开关管607导通,主功率开关管304控制端电压被箝位至所述箝位基准电压,有效防止其误导通。
其他组成部分的工作原理与图3和图4所示的实施例相同,在此不再赘述。
以下结合附图对依据本发明的应用于反激式变换器中的驱动方法的优选实施例进行详细描述。
参考图7,所示为依据本发明的应用于反激式变换器中的驱动方法的一实施例的流程图。其包括以下步骤:
S701:接收控制信号,以产生第一控制信号、第二控制信号和第三控制信 号;
所述控制信号的一个开关周期依次包括第一时间区间、第二时间区间和第三时间区间;
所述第一控制信号在所述第一时间区间内处于有效状态,在所述开关周期的剩余时间内处于无效状态;
所述第二控制信号在所述第三时间区间内处于有效状态,在所述开关周期的剩余时间内处于无效状态;
所述第三控制信号的有效状态持续时间不小于所述第三时间区间,并且不大于所述一个开关周期除去所述第一时间区间的剩余时间;
S702:在所述第三控制信号的有效状态持续时间内,接收主功率开关管的漏源电压;
S703:对所述漏源电压进行微分运算,从而获得一微分电压,以将所述漏源电压到达谷底的时刻对应为所述微分电压正向过零点的时刻;
S704:检测所述微分电压,当检测到所述微分电压正向过零点时,驱动所述主功率开关管在此刻导通。
所述开关周期还可以进一步包括第一死区时间和第二死区时间,所述第一死区时间保证所述第一控制信号和第二控制信号不会同时处于有效状态,所述第二死区时间保证所述第一控制信号和所述第三控制信号不会同时处于有效状态,以保证顶部功率开关管和底部功率开关管不会同时导通,以及顶部功率开关管和微分电路不会同时触发。
所述步骤S704中还可以进一步包括,将微分电压通过一过零比较器,当微分电压到达正向过零点时,利用一单脉冲发生电路输出所述谷底控制信号,从而控制所述驱动电路驱动所述反激式变换器中的主功率开关管。
图7所示的应用于反激式变换器中驱动方法还可以进一步包括,比较主功率开关管的控制端的电压和一箝位电压,所当所述主功率开关管的控制端的电压高于其箝位电压值,将其箝位至所述箝位电压值。
其中对漏源电压的微分运算可以通过利用主功率开关管的漏极和栅极之间的覆盖电容和辅助功率开关管的导通电阻组成的RC微分电路对漏源电压进行。
采用图7所示的依据本发明的应用于反激式变换器中的驱动方法,通过对 主功率开关管关断时的漏源电压的微分运算,实现了对漏源电压的到达谷底时刻的精确检测,从而精确的实现了对主功率开关管的准谐振软开关控制。所述驱动电路可以在任一谷底电压时刻如第一电压谷底时刻、第二电压谷底时刻或者其他电压谷底时刻,来导通所述主功率开关管。所述功率开关管可以为任何合适类型的开关器件。
参考图8,所示为依据本发明一实施例的准谐振软开关反激式变换器的原理框图,其由反激拓扑电路801,控制电路802和驱动电路803组成。
反激拓扑电路801用以接收输入电压,并在输出端输出一输出电压,其由输入端电容CIN,初次侧绕组和次级侧绕组组成的变压器T,输出二极管Do,输出电容COUT和主功率开关管M组成。
控制电路802用以接收表征输出电压的反馈电压,以据此产生控制信号;
驱动电路803与控制电路802连接,接收所述控制信号,并对主功率开关管M的漏源电压VDS的谷底电压进行检测,在电压谷底处控制主功率开关管M的导通,精确实现对主功率开关的准谐振控制,其实现可以为依据本发明的任一项驱动电路。
以上对依据本发明的优选实施例的应用于反激式变换器的驱动电路和驱动方法进行了描述,这些实施例并没有详尽叙述所有的细节,也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然,根据以上描述,可作很多的修改和变化。本领域技术人员在本发明实施例公开的电路的基础上所做的相关的改进、多个实施例的结合,以及采用其他技术、电路布局或元件而实现的相同功能的电路结构,如微分电路,谷底电压检测电路等也在本发明实施例的保护范围之内。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (15)

1.一种应用于反激式变换器的驱动电路,用以接收反激式变换器中控制电路输出的控制信号,并输出相应的驱动信号,以实现对主功率开关管的准谐振驱动,其特征在于,包括,
子控制信号发生电路,用以接收所述控制信号,以产生第一控制信号,第二控制信号和第三控制信号;其中,
所述控制信号的一个开关周期依次包括第一时间区间、第二时间区间和第三时间区间;
所述第一控制信号在所述第一时间区间内处于有效状态,在所述开关周期的剩余时间内处于无效状态;
所述第二控制信号在所述第二时间区间内处于有效状态,在所述开关周期的剩余时间内处于无效状态;
所述第三控制信号的有效状态持续时间不小于所述第三时间区间,并且不大于所述一个开关周期中除去所述第一时间区间的剩余时间;
依次串联连接在输入电压源和地之间的顶部功率开关管和底部功率开关管组成的一推挽驱动电路,顶部功率开关管和底部功率开关管的公共连接点连接至所述主功率开关管的控制端;其中,
所述第一控制信号控制所述顶部功率开关管的开关动作;
所述第二控制信号控制所述底部功率开关管的开关动作;
微分电路,其第一端与所述子控制信号发生电路连接,以接收所述第三控制信号,第二端接收所述主功率开关管的漏源电压;所述第三控制信号控制所述微分电路的动作,以在所述第三控制信号的有效状态时间内对主功率开关管的漏源电压进行微分,从而获得一微分电压,通过对所述漏源电压的微分运算,将所述漏源电压到达谷底的时刻对应为所述微分电压正向过零点的时刻;
谷底电压检测电路,与所述微分电路连接,以接收所述微分电压,当检测到的微分电压正向过零点时,输出谷底控制信号,从而控制所述驱动电路驱动所述主功率开关管开通。
2.根据权利要求1所述的驱动电路,其特征在于,所述开关周期进一步包括第一死区时间和第二死区时间,所述第一死区时间保证所述第一控制信号和第二控制信号不会同时处于有效状态,所述第二死区时间保证所述第一控制信号和所述第三控制信号不会同时处于有效状态。
3.根据权利要求2所述的驱动电路,其特征在于,所述子控制信号发生电路进一步包括死区控制电路、消隐电路和逻辑电路,以获得所述第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号。
4.根据权利要求1所述的驱动电路,其特征在于,所述微分电路进一步包括依次串联接在主功率开关管的漏极和地之间的微分电容和微分电阻,用以接收主功率开关管的漏源电压,以获得所述微分电压。
5.根据权利要求1所述的驱动电路,其特征在于,所述微分电路进一步包括一辅助功率开关管,其控制端与所述子控制信号发生电路连接,第一输入端连接至所述顶部功率开关管和底部功率开关管的公共连接点与所述主功率开关管的控制端之间的连线上,第二输入端连接至地;所述第三控制信号控制所述辅助功率开关管的开关动作。
6.根据权利要求5所述的驱动电路,其特征在于,所述辅助功率开关管为MOSFET晶体管,当所述辅助功率开关管导通时,主功率开关管的漏极和栅极之间的覆盖电容和辅助功率开关管的导通电阻组成所述RC微分电路。
7.根据权利要求1所述的驱动电路,其特征在于,所述谷底电压检测电路包括一过零比较器和一单脉冲发生电路,所述过零比较器的反相输入端接地,同相输入端接收所述微分电压,输出端连接至所述单脉冲发生电路;当所述微分电压到达正向过零点时,所述单脉冲发生电路的输出端输出所述谷底控制信号,从而控制所述驱动电路驱动所述主功率开关管。
8.根据权利要求1所述的驱动电路,其特征在于,进一步包括一箝位电路,其具有一箝位电压,所述箝位电路连接在顶部功率开关管和底部功率开关管的公共连接点与所述主功率开关管的控制端之间的连线上,当所述主功率开关管的控制端的电压高于所述箝位电压时,将其箝位至所述箝位电压。
9.根据权利要求8所述的驱动电路,其特征在于,所述箝位电路包括一比较器、一与门和一箝位开关管,所述比较器的反相输入端接收与所述箝位电压等同的箝位基准电压,同相输入端接收所述主功率开关管的控制端的电压;所述与门的第一输入端接收所述比较器的输出端的输出信号,第二输入端接收所述第三控制信号;所述与门的输出端连接至所述箝位开关管的控制端,所述箝位开关管的第一输入端连接至所述主功率开关管的控制端,第二输入端连接至地;当所述第三控制信号有效时,如果所述主功率开关管的控制端的电压大于所述箝位基准电压时,所述箝位开关管导通,以将所述主功率开关管的控制端的电压箝位至所述箝位基准电压。
10.一种应用于反激式变换器中的驱动方法,其特征在于,包括以下步骤:
接收所述反激式变换器中控制电路输出的控制信号,并据以产生第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号;
所述控制信号的一个开关周期依次包括第一时间区间、第二时间区间和第三时间区间;
所述第一控制信号在所述第一时间区间内处于有效状态,在所述开关周期的剩余时间内处于无效状态;
所述第二控制信号在所述第二时间区间内处于有效状态,在所述开关周期的剩余时间内处于无效状态;
所述第三控制信号的有效状态持续时间不小于所述第三时间区间,并且不大于所述一个开关周期除去所述第一时间区间的剩余时间;
在所述第三控制信号的有效状态持续时间内,接收主功率开关管的漏源电压;
对所述漏源电压进行微分运算,从而获得一微分电压,以将所述漏源电压的到达谷底的时刻对应为所述微分电压正向过零点的时刻;
检测所述微分电压,当检测到所述微分电压正向过零点时,驱动所述主功率开关管在此刻导通。
11.根据权利要求10所述的驱动方法,其特征在于,所述开关周期进一步包括第一死区时间和第二死区时间,所述第一死区时间保证所述第一控制信号和第二控制信号不会同时处于有效状态,所述第二死区时间保证所述第一控制信号和所述第三控制信号不会同时处于有效状态。
12.根据权利要求10所述的驱动方法,其特征在于,进一步包括,当所述微分电压到达正向过零点时,产生所述谷底控制信号,从而控制所述驱动电路驱动所述反激式变换器中的主功率开关管。
13.根据权利要求10所述的驱动方法,其特征在于,进一步包括,比较主功率开关管的控制端的电压和一箝位电压,所当所述主功率开关管的控制端的电压高于所述箝位电压时,将所述主功率开关管的控制端的电压箝位至所述箝位电压。
14.根据权利要求10所述的驱动方法,其特征在于,利用主功率开关管的漏极和栅极之间的覆盖电容和一辅助功率开关管的导通电阻组成的RC微分电路对漏源电压进行微分运算。
15.一种准谐振软开关反激式变换器,其特征在于,包括权利要求1-9所述的任一项驱动电路,还包括:
反激拓扑电路,包括所述主功率开关管、由初级侧绕组和次级侧绕组组成的变压器和输出二极管,用以接收输入电压,并在输出端输出一输出电压;
控制电路,接收表征输出电压的反馈电压,以据此产生所述控制信号;
所述驱动电路,接收所述控制信号,并对漏源电压的谷底电压进行检测,以实现对主功率开关的准谐振驱动。
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