CN102437725A - 一种自驱同步整流电源及其关机方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自驱同步整流电源以及一种关机方法。该自驱同步整流电源包括：关机控制单元，所述关机控制单元被配置成响应于所述电源的关机信号，增加变压器的原边主开关的导通时间；控制值获取单元，所述控制值获取单元被配置成获取与所述变压器的原边输入电压在所述导通时间内的伏秒积相对应的控制值；以及副边控制单元，所述副边控制单元被配置成检测所述控制值，并根据所述控制值来控制所述变压器的副边的同步整流器的导通和关断。本发明的自驱同步整流电源能够有效地关断电源避免自激振荡，且面积小，节约成本，结构简单，安装方便。

Description

一种自驱同步整流电源及其关机方法

技术领域

本发明涉及一种电源及其控制方法，尤其涉及一种自驱同步整流电源及其关机方法。

背景技术

在电源技术领域，自驱同步整流电源具有的同步整流电路采用通态电阻极低的功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)来取代整流二极管，因此能大大降低整流器的损耗，提高DC/DC变换器的效率，满足低压、大电流整流的需要。但是这种电源在关机后容易产生自激振荡，会影响电源的可靠性。

图1是说明现有的有源钳位正激电源关机前后的变化的波形图。在图1中，t＝550μs时，电源关机，但是可以看到出现了密集的波形，这是因为当电源关机时，电源中的同步整流电路发生了自激振荡。

在现有技术中，为了避免上述自激振荡现象的发生，在电源关机时利用光耦等隔离器切断同步整流电路回路。图2是现有技术中利用光耦控制电源关机的示意性电路图。要关机时，变压器原边的控制驱动电路发送关机信号给光耦，光耦响应于关机信号，输出控制信号至副边控制模块，副边控制模块响应于控制信号将同步整流器中的开关管Q2、Q3关断，以切断同步整流，从而电源彻底关机。

然而，在上述方法中，因加入了光耦，光耦在电路中占据着较大的面积，且在安装时要满足爬电距离要求，因而不利于电路的集成且成本提高。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种自驱同步整流电源及其关机方法。

根据本发明的一个实施例，提出了一种自驱同步整流电源，其包括：关机控制单元，所述关机控制单元被配置成响应于所述电源的关机信号增加变压器的原边主开关的导通时间；控制值获取单元，所述控制值获取单元被配置成获取与所述变压器的原边输入电压在所述导通时间内的伏秒积相对应的控制值；以及副边控制单元，所述副边控制单元被配置成检测所述控制值，并根据所述控制值来控制所述变压器的副边的同步整流器的导通和关断。

根据本发明的另一个方面，提出了一种对自驱同步整流电源进行关机的方法，其包括：当电源变压器的原边发出关机信号时，在原边增加原边主开关的最后一个导通时间；在副边检测原边输入电压在所述导通时间内的伏秒积；当所述伏秒积大于或等于预定值时，则关闭副边的同步整流电路，以对所述电源进行关机。

根据本发明实施例的自驱同步整流电源能够有效地关断电源避免自激振荡，且面积小，节约成本，结构简单，安装方便。根据本发明实施例的对自驱同步整流电源进行关机的方法能够有效地避免自激振荡。

附图说明

本文结合附图来描述本发明的实施例，在附图中：

图1是说明现有的有源钳位正激电源关机前后的变化的波形图；

图2是现有技术中利用光耦控制电源关机的示意性电路图；

图3是根据本发明的一个实施例的自驱同步整流电源的电路图；

图4是根据本发明的另一个实施例的自驱同步整流电源的电路图；

图5是根据本发明的另一个实施例的自驱同步整流电源的电路图；

图6是根据本发明的另一个实施例的自驱同步整流电路的电路图；

图7是说明图6所示的自驱同步整流电源的信号时序图；以及

图8是根据本发明的一个实施例的对自驱动同步整流电源进行关机的方法的流程图。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，并且这些决定可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

下面根据本发明的实施例并结合附图来详细描述本发明。

图3是根据本发明的一个实施例的自驱同步整流电源的电路图。

在本实施例中，电源包括关机控制单元101、控制值获取单元102、副边控制单元103。电源还包括调制信号发生器104，用于对Vin进行调制。例如，调制信号发生器104可以是脉冲宽度调制(PWM)信号发生器。调制信号发生器104还可以是脉冲频率调制(PFM)信号发生器。此外，电源还包括变压器，如图3所示，初级绕组P1和次级绕组S1构成变压器。在电源的原边(即初级绕组所在的侧)设置有主开关Q1，主开关Q1的闭合和关断决定了原边电路回路的闭路和断路。在电源的副边(即次级绕组所在的侧)设置有同步整流电路，同步整流电路包括开关Q2和Q3以及电感L1和电容C1。这里，图3所示的是半桥式整流电路。本领域技术人员应当理解，这仅仅是示例性的，并非限制本发明，本发明也可以应用全桥式整流电路或倍流式整流电路。这里，开关Q1、Q2和Q3可以是MOS管、肖特基管或其它合适的开关器件。关机控制单元101响应于关机信号增加原边主开关Q1的导通时间Ton。当电源要关机时，原边发出关机信号，关机控制单元101增加原边主开关Q1的导通时间Ton。在增加的导通时间Ton内，原边输入电压Vin继续在副边感应出副边输入电压Vins，控制值获取单元102接收副边输入电压Vins，并计算得到与电压Vins在导通时间Ton内的伏秒积相对应的值，也就是计算得到与副边输入电压Vins成比例的原边输入电压Vin在此导通时间Ton内的伏秒积相对应的值，于是控制值获取单元102输出与原边输入电压Vin在导通时间Ton内的伏秒积相对应的控制值Vvs。根据一个例子，控制值Vvs可以是电压值Vvs，如图3所示。根据不同的设计需要，控制值还可以是电流值。参见图3，在本发明的本实施例中，由于主开关Q1的导通时间Ton被关机控制单元增大，因此副边输入电压Vins在导通时间Ton内的伏秒积增大，进而控制值Vvs增大。副边控制单元103检测控制值Vvs，当控制值Vvs大于或等于预定值时，副边控制单元103发出命令将同步整流电路的开关Q2和Q3关断，从而同步整流电路回路断路，电源彻底关机。这里，本领域技术人员能理解，当电源正常工作时，输入电压Vin在导通时间Ton内的伏秒积基本保持一个固定值，固定值与输出电压Vo成比例。在本文中，将电源正常工作时的伏秒积称为稳态伏秒积。在设计所述预定值时，可以根据稳态伏秒积设置预定值，预定值要比与稳态伏秒积相对应的控制值大。当电源正常工作时，原边不发出关机信号，关机控制单元101对原边电路回路不起作用，主开关Q1的导通时间Ton保持正常状态，这时原边输入电压Vin在导通时间Ton内的伏秒积为稳态伏秒积，副边控制单元103检测到这时的控制值比预定值小，正常控制同步整流电路回路的闭路或断路。如上所述，当要对电源关机时，原边发出关机信号，关机控制单元响应于关机信号，故意将主开关的导通时间增加，从而原边输入电压在此导通时间内的伏秒积增加，控制值Vvs增加为比预定值大，于是副边控制单元不再对同步整流电路进行正常控制操作，而是发出命令将同步整流电路断路，电源彻底关机。

通过根据本发明实施例的电源，能够有效地关断电源避免自檄振荡，且由于无需使用光耦装置，因此面积小，节约成本，结构简单，安装方便。

图4是根据本发明的另一个实施例的自驱同步整流电源的电路图。

在本实施例中，具体示出了关机控制单元101的一个实施形式。关机控制单元101包括控制开关1011、驱动单元1012、充放电单元1013、比较器1014和逻辑单元1015。控制开关1011被连接在调制信号发生器104的输出端与驱动单元1012的输入端之间，并响应于来自于逻辑单元1015的控制信号而闭合或断开。驱动单元1012被配置成经由控制开关1011接收调制信号发生器104的调制信号，并输出调制信号至原边主开关Q1的控制端子。充放电单元1013被连接在原边主开关Q1的控制端子与地之间，用于根据原边主开关Q1的导通时间进行充电，并将与充电结果对应的输出值输送给比较器1014。比较器1014被配置成接收充放电单元1013的输出值，将输出值与参考值进行比较，并且一方面将比较结果输出给调制信号发生器104来控制调制信号发生器104的工作，使得在充放电单元1013的输出值大于参考值时，关断调制信号发生器104，另一方面将比较结果输出给逻辑单元1015。逻辑单元1015被配置成根据关机信号、比较器1014的输出、以及驱动单元1012的输入端的信号来输出控制信号，使得在关机信号表明要关断电源时，断开控制开关1011，并且使得断开控制开关1011时，驱动单元1012的输入端上具有高电平，以便对充放电单元1013进行充电，并且在充放电单元1013的输出值大于参考值时，接通控制开关1011，使得驱动单元1012的输入端上具有低电平，以便关断原边主开关。由此可知，当要对电源关机时，原边发出关机信号，关机控制单元101响应于关机信号，将控制开关1011断开，对充放电单元1013进行充电，并使得这时的充电时间比电源正常状态下的充电时间长，当与充电结果对应的输出值大于参考值时，控制开关1011接通，这时驱动单元1013的输入被关断的调制信号拉成低电平，原边主开关Q1被关断，从而主开关Q1的导通时间Ton增加。根据本发明的一个例子，可以根据电路的设计参数来设置参考值Vref，使得在电源正常工作时充放电电路1013所输出的输出值小于参考值Vref，而在电源要关机时充放电电路1013所输出的输出值会大于参考值Vref。如上所述，当要对电源关机时，原边发出关机信号，关机控制单元101响应于关机信号，通过充放电单元1013故意将主开关的导通时间增加，从而原边输入电压在此导通时间内的伏秒积增加，控制值Vvs增加为比预定值大，于是副边控制单元不再对同步整流电路进行正常控制操作，而是发出命令将同步整流电路断路，电源彻底关机。

同样地，通过根据本发明实施例的电源，能够有效地关断电源避免自檄振荡，且由于无需使用光耦装置，因此面积小，节约成本，结构简单，安装方便。

图5是根据本发明的另一个实施例的自驱同步整流电源的电路图。

在图5所示的实施例中，具体示出了控制值获取单元102可以包括充电电路1021和放电电路1022。放电电路1022在主控制开关的导通时间开始时对充电电路1021进行放电，之后充电电路1021在导通时间Ton内进行充电，并在导通时间Ton结束时将与充电结果相对应的电压值作为所述控制值Vvs。因此，控制值获取单元102获取与输入电压Vins对时间的积分值相对应的控制值Vvs，并将控制值Vvs输出至副边控制单元103。本实施例的电源关机原理与前面所述实施例的电源关机原理基本相同，在此不再赘述。

图6是根据本发明的另一个实施例的自驱同步整流电源的电路图。

在图6所示的实施例中，具体示出了关机控制单元和控制值获取单元的一个实施形式。本实施例中，调制信号发生器104是PWM调制信号发生器，但是本领域技术人员可以理解，根据不同的应用需求，本实施例中也可以使用PFM调制信号发生器。关机控制单元101包括由电阻R3和电容器C4以及二极管构成的充放电电路、比较器U2、与门U1、控制开关K1以及驱动单元U4，其中R3和C4串联在原边主开关Q1的控制端子与地之间，并且D1跨接在R3两端，用于对C4放电。电源正常工作时，关机信号为低电平，则与门U1输出低电平，控制开关k1闭合，PWM信号通过开关k1被传送至驱动单元以驱动原边主开关Q1。当关机信号为高电平，且PWM调制信号和U2也为高电平时，则与门U1输出高电平，控制开关k1断开，驱动单元U4的输入保持高电平，输出也保持高电平，直至C4的电压充到高于Vref，比较器U2反转成低电平，于是与门重新输出低电平，开关k1闭合。同时，由于比较器U2反转成低电平，通过该变化通知PWM调制信号发生器停止工作，从而PWM调制信号变为低电平，驱动单元U4的输入被PWM调制信号拉成低电平，原边主开关Q1被关断。从关机信号为高电平到原边主开关Q1关断的这段时间即被延长的导通时间Ton.延长多久由充放电电路R3C4的时间常数决定。二极管D1用来给电容器C4放电。电容器C4不停地被充放电，会形成一个周期性的锯齿波。正常工作时，锯齿波的幅度不高，关机时幅度才会显著增加。

在本实施例中，控制值获取单元102中的充电电路1021包括串联的第一电容器C2和第一电阻R1，而放电电路1022包括串联的第二电容器C3和第二电阻R2，C3和R2所在的支路与R1和C2所在的支路并联，并且C3和R2都连接到开关Q4的控制端上，开关Q4跨接在C2两端，用于导通时对C2放电。

在本实施例中，在PWM调制信号的导通时间Ton期间，次级绕组S1感应出一个和原边输入电压Vin成比例的副边输入电压Vins，电压Vins处于上升沿时，通过电容C3和电阻R2形成的微分电路给开关Q4一个很窄的脉冲驱动，使Q4开通一瞬间，把第一电容器C2的电荷放掉，电压拉到0V。在导通时间Ton期间通过第一电阻R1给第一电容器C2充电，Ton结束时不再充电，此时第一电容器C2的电压Vvs的大小即代表了Vin在Ton时段的对时间的积分，简称伏秒积。等到下次导通时间Ton，，控制值获取单元402重新放电重新充电，如此周而复始。当电源正常工作时，Vin在Ton时段的对时间的积分即伏秒积基本保持一个固定值，而关机时，由于导通时间Ton被故意显著增大，则伏秒积亦显著增大，控制值Vvs显著增大。副边控制单元103检测到显著增大的Vvs之后，发出命令关断同步整流电路上的开关Q2和Q3，电源彻底关机，防止了电流倒灌，抑制了自激振荡。在本实施例中，副边控制单元103的两个驱动信号(用来驱动开关Q2和Q3)的输入来自变压器的次级绕组S2和S3。

图7是说明图6所示的自驱同步整流电源的信号时序图。

图7示出了主控制开关Q1的控制端子的电压Vg1、副边的同步整流电路的开关Q2和Q3的控制端子的电压Vg2和Vg3、以及控制值获取单元102所输出的控制值Vvs的时序图。参见图7，原边主开关Q1的最后一个导通时间Ton(Vg1为高电平的最后一个时段)比前面的导通时间长，这是因为关机时关机控制单元101响应于关机信号增加导通时间Ton。从图7可以看出，在增加的导通时间Ton内，控制值获取单元102输出的控制值Vvs增加到比正常状态下的控制值Vvs大，超过预定值。在增加的导通时间Ton(即，Vg1为高电平的最后一个时段)之后，Vg1变为0，从而主开关Q1关断，且控制值Vvs超过预定值，于是副边控制单元103检测到显著增大的Vvs，发出命令控制关断同步整流电路上的开关Q2和Q3的控制端子的电平，将开关Q2和Q3关断，电源彻底关机，而没有出现自激振荡现象。

在本发明实施例的方案中，关机信号可以包括当不局限于由于远程关机、过流保护、过压保护、过温保护、欠压保护等动作触发产生的关机信号。

图8是根据本发明的一个实施例的对自驱动同步整流电源进行关机的方法的流程图。

参见图8，当要对自驱动同步整流电源进行关机时，按照以下步骤来执行关机。

在步骤S11，原边发出关机信号，在原边增加原边主开关的最后一个导通时间；在步骤S12，在副边检测原边输入电压在所述导通时间内的伏秒积；在步骤S13，当所述伏秒积大于或等于预定值时，则关闭副边的同步整流电路，以对所述电源进行关机。

由上所知，根据本发明的自驱同步整流电源通过在原边加入关机控制单元能够有效地关断电源避免自激振荡，且面积小，节约成本，结构简单，安装方便。

虽然上面结合具体的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员能理解的是，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提下，可以进行各种变化和修改。

Claims (7)

1.一种自驱同步整流电源，包括：

关机控制单元，所述关机控制单元被配置成响应于所述电源的关机信号，增加变压器的原边主开关的导通时间；

控制值获取单元，所述控制值获取单元被配置成获取与所述变压器的原边输入电压在所述导通时间内的伏秒积相对应的控制值；以及

副边控制单元，所述副边控制单元被配置成检测所述控制值，并根据所述控制值来控制所述变压器的副边的同步整流器的导通和关断。

2.如权利要求1所述的电源，其特征在于，所述控制值获取单元被设置在所述变压器的副边，接收与所述原边输入电压成比例的副边输入电压，并且包括放电电路和充电电路，所述充电电路包括第一电容器，当所述放电电路在所述导通时间开始时将所述第一电容器放电之后，所述充电电路在所述导通时间内对所述第一电容器充电，并在所述导通时间结束时将所述第一电容器上的电压值作为所述控制值。

3.如权利要求2所述的电源，其特征在于，所述副边控制单元被配置成当所述控制值大于或等于预定值时，关断所述同步整流器。

4.如权利要求1所述的电源，其特征在于，所述关机控制单元包括：

控制开关，所述控制开关被连接在驱动单元的输入端与调制信号发生器的输出端之间，并响应于控制信号而闭合或断开；

驱动单元，所述驱动单元被配置成经由所述控制开关接收所述调制信号发生器的调制信号，并输出调制信号至所述原边主开关的控制端子；

充放电单元，所述充放电单元被连接在所述原边主开关的控制端子与地之间，用于根据所述原边主开关的导通时间进行充电，并将与充电结果对应的输出值输送给比较器；

比较器，所述比较器被配置成接收所述充放电单元的输出值，将所述输出值与参考值进行比较，并且一方面将比较结果输出给所述调制信号发生器来控制调制信号发生器的工作，使得在充放电单元的输出值大于所述参考值时，关断所述调制信号发生器，另一方面将比较结果输出给逻辑单元；

逻辑单元，所述逻辑单元被配置成根据所述关机信号、所述比较器的输出、以及所述驱动单元的输入端的信号来输出控制信号，使得在关机信号表明要关断所述电源时，断开控制开关，并且使得断开控制开关时，驱动单元的输入端上具有高电平，以便对充放电单元进行充电，并且在所述充放电单元的所述输出值大于所述参考值时，接通控制开关，使得驱动单元的输入端上具有低电平，以便关断原边主开关。

5.如权利要求4所述的电源，其特征在于，所述逻辑单元是与门。

6.如权利要求4所述的电源，其特征在于，所述关机信号是由于远程关机、过流保护、过压保护、过温保护、欠压保护而触发产生的关机信号。

7.一种对自驱同步整流电源进行关机的方法，包括：

原边发出关机信号，在原边增加原边主开关的最后一个导通时间；

在副边检测原边输入电压在所述导通时间内的伏秒积；

当所述伏秒积大于或等于预定值时，则关闭副边的同步整流电路，以对所述电源进行关机。

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