CN102931821A - 场效应管驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高效率的场效应管驱动电路，用于驱动开关电源场效应管。该场效应管驱动电路包括工作电源、驱动信号发生电路、延时驱动电路、延时电路，其中，驱动信号发生电路、延时驱动电路及延时电路依次连接并进一步连接至开关电源场效应管。所述驱动电路包括慢速关断电路及快速关断电路，延时驱动电路包括第一反相器、第二反相器及电压比较器，第一反相器提供给慢速关断电路驱动信号，第二反相器向快速关断电路提供驱动电路信号。电压比较器位于第二反相器之前，当电压比较器反相输入端的驱动信号上升到高于一参考电压时，关断快速关断电路，只剩下慢速关断电路；直至第一反相器和第二反相器导通，关断慢速关断电路。

Description

场效应管驱动电路

技术领域

本发明是有关于一种开关电源技术，且特别是有关于一种高效率场效应管驱动电路，其应用于开关电源。

背景技术

在很多电路中，特别是开关电源中，场效应管常被用来作为开关的元件，用于导通和阻断电路的某一部份，特别是大电流高电压的功率转换部份。因为是高功率电路，场效应管导通时常常要承受大电流，阻断时常常要承受高电压。当场效应管阻断和开通的过程中产生功率损耗。

图1为场效应管关断时的波形图。200为场效应管漏极到源极的电流。204为漏极到源极的电压。202为门极驱动电压。以N型的场效应管作例子进行说明，在t2之前场效应管以最大的速度关断以减小功率损耗。而场效应管的门极（gate）的电压有个平台（t1到t2），在这个平台时期场效应管漏极和源极之间的电压几乎升到了跟输入直流电压相平的电压。如果继续保持高速度关断，将引起强烈过冲。图1中的阴影部分即为每一次关断时的损耗，可见频率越高功率损耗越大。

另外，开关电路中的开关器件，例如是场效应管，导通时的最小电阻值对功率损耗影响很大。导通电阻越高，功率损耗就越高。而通常从漏极到源极额定电压低的场效应管的导通电阻小于额定电压高的场效应管。因此为了要减小功率损耗，常常选择尽可能低的额定电压的的场效应管。场效应管开关电路中产生的电磁干扰应该被减少到最小。开关电路中的电磁干扰是由开关过程引起。而电压越高产生的干扰越大。

在开关电路中，因为开关的速度较高，比如以100或200纳秒级的速度开关，这速度常常引起在漏极和源极上电压的过冲和尖刺。这是因为连接源极或漏极的通路总有一定的长度，而这长度就会有一定的电感。电感的特征就是其中的电流不能突变。所以当场效应管迅速关断时，电感中的电流对场效应管漏极到源极上的电容充电后，与电容一起形成二阶振荡电路，使得场效应管漏极到源极的电压过冲并产生振荡。如果不采用任何措施阻尼过冲电压和振荡，那么为了避免场效应管的损坏，必须使用高额定电压的场效应管。因此功率损耗大大增加。而高频率振荡的电压产生了电磁干扰，可能破坏其他电子设备的正常工作。如图2所示，为没有任何阻尼措施的场效应管漏极到源极的电压波形仿真结果。在图2中，显示的是没有任何阻尼电压过冲和振荡波形。实际的直流电压只有75伏左右，但场效应管关断时的电压过冲到280伏，并强烈振荡。图3显示没有阻尼的场效应管关断时的功率损耗。因此，降低电压过冲，减低振荡，成为场效应管驱动电路需要解决的一个重要问题。

现有技术中，有几种典型的做法。第一种是延长关断时间。图4为低速率关断的场效应管漏极到源极电压仿真波形。图5为低速率关断的开关功率损耗仿真结果。当关断时间延长时，电感中的电流有足够的时间减下来。但这个方法大大增加了关断时的功率损耗，场效应管也因此要求体积增大以降低由功耗引起的温升。

另一种方法是在场效应管的漏极和源极加阻尼器。典型的阻尼器由二极管，电阻和电容组成，如图6所示。图6为现有技术中典型的场效应管开关电路。图中110为场效应管驱动电路。102为场效应管。二极管104，电阻106，和电容108组成了阻尼器来降低场效应管源极到漏极的电压尖刺。线电感100是造成电压尖刺的原因。当场效应管102关断时，开始对电容108充电。因为电容108上的电压不能突变，所以关断时的电压过冲被电容108吸收，最高过冲电压大大降低。图7为利用阻尼器的场效应管漏极到源极的电压仿真结果。图8为利用阻尼器的功率损耗仿真结果。当场效应管102导通时，电容108上的电压通过电阻106进行放电，将能量消耗在电阻106上。使用阻尼器的方法需要更多的外部元件，而且因其功率损耗随着电压大小及其他因素变化，其元件的功耗很难计算准确，导致元件尺寸很难选择。

第三种方法是在关断初期，以快速度关断。然后一延迟电路产生一定的延迟后，将开关速度降慢，所以过冲电压能够被场效应管及时吸收。这个方法可以大大减小功率损耗，同时又起到降低过冲电压的功能但不增加元件。但因为场效应管有成千上万种，每一种的关断速度等都各不相同，因此如果不增加延迟可调功能，很难做到优化开关时机，从而优化过冲电压的阻尼功能。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种场效应管驱动电路，其具有延迟可调功能，高效稳定。

本发明提出一种场效应管驱动电路，用于开关电源的场效应管驱动。该场效应管驱动电路包括工作电源、驱动信号发生电路、延时驱动电路、延时电路，其中，工作电源与驱动信号发生电路、延时驱动电路及延时电路相连接，驱动信号发生电路、延时驱动电路及延时电路依次连接并进一步连接至开关电源的场效应管。所述驱动电路包括慢速关断电路及快速关断电路，延时驱动电路包括第一反相器、第二反相器及电压比较器，第一反相器提供给慢速关断电路驱动信号，第二反相器向快速关断电路提供驱动电路信号。电压比较器位于第二反相器之前，当电压比较器反相输入端的驱动信号上升到高于一参考电压时，关断快速关断电路，只剩下慢速关断电路；直至第一反相器和第二反相器导通，关断慢速关断电路。

在本发明的一个实施例中，所述驱动信号发生电路包括第一电阻、驱动信号发生器，第二电阻及第一开关元件，第二电阻连接于驱动信号发生器两端，且第一开关元件的正输入端连接于驱动信号发生器正极，第一开关元件的负输入端与驱动信号发生器的负极共同接地；同时，第一开关元件的正输入端通过第一电阻连接至驱动电路电源的正极，驱动信号发生器发出驱动信号控制第一开关元件的通断。

在本发明的一个实施例中，所述延时驱动电路进一步包括参考电压源、第二开关元件、比较器电源及若干电阻，第一反相器和第二反相器用于将驱动信号发生器的驱动信号反相，其中参考电压源向电压比较器提供所述参考电压。

在本发明的一个实施例中，所述第一反相器和第二反相器均为P型场效应管。

在本发明的一个实施例中，所述第一反相器的门极连接至第一开关元件的正输入端，第一反相器的源极接地，第一反相器漏极通过第三电阻连接至驱动电路电源；第二反相器的门极连接至第一开关元件的正输入端，第二反相器的源极接地，第二反相器的漏极通过第十电阻连接至驱动电路电源；电压比较器连接于第二反相器的门极和工作电源之间，参考电压源的正极连接电压比较器的反相输入端，负极接地；电压比较器的输出端连接至第二开关元件的正输入端，第二开关元件的负输入端接地。

在本发明的一个实施例中，所述驱动电路为一图腾驱动电路，其包括N型场效应管、慢速关断电路、快速关断电路及若干电阻，N型场效应管的门极连接至第一反相器的漏极，N型场效应管的源极连接至驱动电路电源，N型场效应管的漏极通过第十三电阻连接至快速关断电路的漏极，N型场效应管的漏极还通过第一电阻连接至慢速关断电路的漏极，快速关断电路及慢速关断电路的源极均接地；慢速关断电路的门极连接至第一反相器的漏极，快速关断电路的门极连接至第二反相器的漏极及第二开关元件的正输入端。

在本发明的一个实施例中，所述慢速关断电路及快速关断电路均由一P型场效应管实现。

在本发明的一个实施例中，所述开关电源包括开关电源场效应管及变压器电路，N型场效应管的漏极连接至开关电源场效应管的门极，开关电源场效应管的源极经由第四电阻接地，开关电源场效应管的漏极连接至变压器电路。

在本发明的一个实施例中，所述场效应管驱动电路进一步包括一阻尼电路，阻尼电路与开关电源的场效应管连接。

在本发明的一个实施例中，所述阻尼器电路包括二极管、第九电阻和电感，二极管和第九电阻并联后，二极管阳极一端连接至开关电源场效应管的漏极，二极管阴极一端连接至电容，电容另一极进一步接地。

本发明所述的场效应管驱动电路，其具有延迟可调功能，效率高，功耗小。当门极电压从平台开始下降时，触发电压比较器改变输出状态。此状态的变化接着改变场效应管的关断速度，达到降低过冲电压的目的。此高速比较器也可以用不同的方法实现。比方说是一个数字式的延迟电路。当门极电压降到一定程度时，触发此延迟电路降低场效应管的关断速度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为场效应管关断过程时的波形图。

图2为现有技术中没有任何阻尼措施的场效应管漏极到源极的电压波形仿真结果。

图3为现有技术中无任何阻尼的场效应管开关功率损耗波形。

图4为现有技术中低速率关断的场效应管漏极到源极电压仿真波形。

图5为现有技术中低速率关断的开关功率损耗仿真结果。

图6为现有技术中典型的场效应管开关电路的电路图。

图7为现有技术中利用阻尼器的场效应管漏极到源极的电压仿真结果。

图8为现有技术中利用阻尼器的功率损耗仿真结果。

图9为本发明较佳实施例的场效应管驱动电路的方框图。

图10为本发明较佳实施例的场效应管驱动电路的电路图。

图11为本发明较佳实施例的场效应管的漏极到源极的电压仿真波形。

图12为利用本发明较佳实施例的场效应管驱动电路的场效应管功率损耗仿真波形。

具体实施方式

本发明是一个场效应管驱动电路，可以优化开关时机，从而优化过冲电压的功能。请结合参照图9-10，图9为本发明较佳实施例的场效应管驱动电路方框图，图10为本发明较佳实施例的场效应管驱动电路的电路图。本实施例中，以反激式电路为例进行说明。场效应管驱动电路91用于开关电源92的场效应管驱动。开关电源92包括相连接的开关921和变压器电路922，开关921用于向变压器电路922提供交流电信号。开关921一般为场效应管，图10中以标号M4表示的元件为主要的开关电源场效应管。场效应管驱动电路91包括工作电源911、驱动信号发生电路912、延时驱动电路913、延时电路914及阻尼电路915，其中，工作电源911与驱动信号发生电路912、延时驱动电路913及延时电路914相连接，为该驱动电路提供工作电源。驱动信号发生电路912、延时驱动电路913及延时电路914依次连接并进一步连接至开关921。阻尼电路915直接与开关921连接。

结合图10所示，工作电源911在本实施例中为标号V2代表的驱动电路电源。驱动信号发生电路912包括第一电阻R1、标号V1代表的驱动信号发生器，第二电阻R2、第一开关元件S1，第二电阻R2连接于驱动信号发生器V1两端，且第一开关元件S1的正输入端连接于驱动信号发生器V1正极，负输入端与驱动信号发生器V1的负极共同接地。同时，第一开关元件S1的正输入端通过第一电阻R1连接至驱动电路电源V2的正极，以获取工作电源。驱动信号发生器V1发出驱动信号控制第一开关元件S1的通断。

延时驱动电路913包括第一反相器M1、第二反相器M6、电压比较器U1、参考电压源V5、第二开关元件S2、比较器电源V4及若干电阻R3、R10、R11、R12，第一反相器M1和第二反相器M6为完全相同的驱动前级反相器，第一反相器M1、第二反相器M6用于将驱动信号发生器V1的驱动信号反相。在本实施例中，第一反相器M1、第二反相器M6均为P型场效应管。第一反相器M1的门极连接至第一开关元件S1的正输入端，源极接地，漏极通过电阻R3连接至驱动电路电源V2。第二反相器M6的门极连接至第一开关元件S1的正输入端，源极接地，漏极通过电阻R10连接至驱动电路电源V2。第二反相器M6的门极还通过电阻R11连接至电压比较器U1的同相输入端，即，电压比较器U1连接于第二反相器M6和工作电源V2之间。参考电压源V5的正极连接电压比较器U1的反相输入端，负极接地。电压比较器U1的输出端连接至第二开关元件S2的正输入端，第二开关元件S2的负输入端接地。同时，比较器电源V4连接至电压比较器U1，为电压比较器U1提供工作电源。

驱动电路914包括N型场效应管M3，慢速关断电路M5、快速关断电路M2及若干电阻R1、R13。本实施例中，慢速关断电路M5及快速关断电路M2均由一P型场效应管实现。N型场效应管M3的门极连接至第一反相器M1的漏极，N型场效应管M3的源极连接至驱动电路电源V2，N型场效应管M3的漏极通过电阻R13连接至快速关断电路M2的漏极，同时，N型场效应管M3的漏极通过电阻R1连接至慢速关断电路M5的漏极，快速关断电路M2及慢速关断电路M5的源极均接地。慢速关断电路M5的门极连接至第一反相器M1的漏极，快速关断电路M2的门极连接至第二反相器M6的漏极及第二开关元件S2的正输入端。上述场效应管M1、M3、M5构成一图腾驱动电路。

第一反相器M1专门提供给图腾驱动的慢速关断电路M5驱动信号，第二反相器M6向快速关断电路M2提供驱动电路信号。

开关电源92的开关91由一场效应管M4实现，N型场效应管M3的漏极连接至开关电源场效应管M4的门极。开关电源场效应管M4的源极经由一电阻R4接地，开关电源场效应管M4的漏极连接至变压器电路92。

阻尼器电路915包括二极管D2、电阻R9和电感C2，二极管D2和电阻R9并联后，二极管D2阳极一端连接至开关电源场效应管M4的漏极，二极管D2阴极一端连接至电容C2，电容C2另一极进一步接地。阴尼器电路915可以达到降低电压尖刺的目的。

上述的电路工作原理如下：

开关电源场效应管M4导通过程中，且在关断之前，驱动信号发生器V1产生驱动信号，使第一开关元件S1导通，第一反相器M1和第二反相器M6门极位于低电平，且第一反相器M1、第二反相器M6处于断开状态。场效应管M3、M2、M5处于导通状态。如果需要开关电源场效应管M4进入关断过程时，驱动信号发生器V1输出信号断开第一开关元件S1，第一反相器M1和第二反相器M6的门极电压开始升高，电压比较器U1位于第二反相器M6之前，所以当在电压比较器U1反相输入端的驱动信号上升到高于参考电压源V5的设定电压时，电压比较器U1的输出将第二开关元件S2导通，从而拉低快速关断电路M2门极上的电压，由此关断快速关断电路M2，只剩下慢速关断电路M5。之后，第一反相器M1和第二反相器M6的门极电压继续升高至导通电压，第一反相器M1和第二反相器M6导通，拉低慢速关断电路M5和N型场效应管M3门极上的电压，关断N型场效应管M3，同时关断慢速关断电路M5，由此达到减慢关断开关电源场效应管M4的目的。

综上所述，本发明所述的场效应管驱动电路，其具有延迟可调功能，效率高，功耗小。当门极电压从平台开始下降时，触发电压比较器改变输出状态。此状态的变化接着改变场效应管的关断速度，达到降低过冲电压的目的。此高速比较器也可以用不同的方法实现。比方说是一个数字式的延迟电路。当门极电压降到一定程度时，触发此延迟电路降低场效应管的关断速度。

以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种场效应管驱动电路，用于驱动开关电源场效应管，该场效应管驱动电路包括工作电源、驱动信号发生电路、延时驱动电路、延时电路，其中，工作电源与驱动信号发生电路、延时驱动电路及延时电路相连接，驱动信号发生电路、延时驱动电路及延时电路依次连接并进一步连接至开关电源的场效应管，其中，所述驱动电路包括慢速关断电路及快速关断电路，延时驱动电路包括第一反相器、第二反相器及电压比较器，第一反相器提供给慢速关断电路驱动信号，第二反相器向快速关断电路提供驱动电路信号；电压比较器位于第二反相器之前，当电压比较器反相输入端的驱动信号上升到高于一参考电压时，关断快速关断电路，只剩下慢速关断电路；直至第一反相器和第二反相器导通，关断慢速关断电路。

2.根据权利要求1所述的场效应管驱动电路，其特征在于，所述驱动信号发生电路包括第一电阻、驱动信号发生器，第二电阻及第一开关元件，第二电阻连接于驱动信号发生器两端，且第一开关元件的正输入端连接于驱动信号发生器正极，第一开关元件的负输入端与驱动信号发生器的负极共同接地；同时，第一开关元件的正输入端通过第一电阻连接至驱动电路电源的正极，驱动信号发生器发出驱动信号控制第一开关元件的通断。

3.根据权利要求2所述的场效应管驱动电路，其特征在于，所述延时驱动电路进一步包括参考电压源、第二开关元件、比较器电源及若干电阻，第一反相器和第二反相器用于将驱动信号发生器的驱动信号反相，其中参考电压源向电压比较器提供所述参考电压。

4.根据权利要求3所述的场效应管驱动电路，其特征在于，所述第一反相器和第二反相器均为P型场效应管。

5.根据权利要求4所述的场效应管驱动电路，其特征在于，所述第一反相器的门极连接至第一开关元件的正输入端，第一反相器的源极接地，第一反相器漏极通过第三电阻连接至驱动电路电源；第二反相器的门极连接至第一开关元件的正输入端，第二反相器的源极接地，第二反相器的漏极通过第十电阻连接至驱动电路电源；电压比较器连接于第二反相器的门极和工作电源之间，参考电压源的正极连接电压比较器的反相输入端，负极接地；电压比较器的输出端连接至第二开关元件的正输入端，第二开关元件的负输入端接地。

6.根据权利要求4所述的场效应管驱动电路，其特征在于，所述驱动电路为一图腾驱动电路，其包括N型场效应管、慢速关断电路、快速关断电路及若干电阻，N型场效应管的门极连接至第一反相器的漏极，N型场效应管的源极连接至驱动电路电源，N型场效应管的漏极通过第十三电阻连接至快速关断电路的漏极，N型场效应管的漏极还通过第一电阻连接至慢速关断电路的漏极，快速关断电路及慢速关断电路的源极均接地；慢速关断电路的门极连接至第一反相器的漏极，快速关断电路的门极连接至第二反相器的漏极及第二开关元件的正输入端。

7.根据权利要求3所述的场效应管驱动电路，其特征在于，所述慢速关断电路及快速关断电路均由一P型场效应管实现。

8.根据权利要求6所述的场效应管驱动电路，其特征在于，所述开关电源包括开关电源场效应管及变压器电路，N型场效应管的漏极连接至开关电源场效应管的门极，开关电源场效应管的源极经由第四电阻接地，开关电源场效应管的漏极连接至变压器电路。

9.根据权利要求1所述的场效应管驱动电路，其特征在于，所述场效应管驱动电路进一步包括一阻尼电路，阻尼电路与开关电源的场效应管连接。

10.根据权利要求9所述的场效应管驱动电路，其特征在于，所述阻尼器电路包括二极管、第九电阻和电感，二极管和第九电阻并联后，二极管阳极一端连接至开关电源场效应管的漏极，二极管阴极一端连接至电容，电容另一极进一步接地。

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