CN103546047B - 一种适用于电子变压器的同步整流电路及开关电源 - Google Patents

一种适用于电子变压器的同步整流电路及开关电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于电子变压器的同步整流电路，依据对同步整流电路的输入电压信号的检测来控制整流电路中四个可控开关管的工作状态，以达到同步整流的目的，同时，本发明将整流桥中各个可控开关管及开关控制电路集成于一个独立的芯片中，实现电路的高度集成，从而体积小而效率高。本发明还公开了一种包含上述同步整流电路的开关电源。

Description

一种适用于电子变压器的同步整流电路及开关电源
技术领域
本发明涉及电力电子领域，更具体地说，涉及一种适用于电子变压器的同步整流电路及开关电源。
背景技术
现有技术中对开关电源的交流输入的整流方案通常采用整流桥进行整流，可分为全桥和半桥，如图1中所示为一种应用于开关电源中的整流桥结构图，以全桥为例，其包括D1、D2、D3、D4四个二极管，并将四个整流二极管接成电桥结构，然后封装在一个芯片中。其整流过程为：当所述开关电源的交流输入处于正半周时，D1和D4二极管导通，当所述交流输入处于负半周时，D2和D3二极管导通，这样，利用二极管的单向导通性，开关电源的交流输入就转换为脉动的直流输出，以供给后级功率级电路使用。
这种整流桥虽然成本低，但其占用面积大，且由于整流二极管管耗大而导致电源效率低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种应用于电子变压器的的同步整流方案，其通过同步整流开关管来替代整流二极管，开关控制电路根据电子变压器输出的电压信号来控制同步整流开关管的工作状态，实现同步整流的目的。
依据本发明的一种适用于电子变压器的同步整流电路，应用于开关电源中，外部交流电源经所述电子变压器处理后产生一包络线为正弦的电压信号传输给所述同步整流电路，所述同步整流电路包括连接成桥式整流电路的第一可控开关管、第二可控开关管、第三可控开关管和第四可控开关管，以及开关控制电路，
所述第三可控开关管和第四可控开关管的公共连接端作为所述同步整流电路的第一输入端；
所述第一可控开关管和第二可控开关管的公共连接端作为所述同步整流电路的第二输入端；
开关控制电路检测所述第一输入端和第二输入端的电压，并根据所述检测结果控制所述第一可控开关管、第二可控开关管、第三可控开关管和第四可控开关管的通断，其中，
所述开关控制电路根据所述第一输入端的电压控制所述第二可控开关管的工作状态；
所述开关控制电路根据所述第二输入端的电压控制所述第四可控开关管的工作状态；
所述开关控制电路根据所述第二可控开关管和第四可控开关管的工作状态来控制所述第一可控开关管和第三可控开关管的工作状态。
进一步的，所述开关控制电路包括第一开关控制电路、第二开关控制电路、第三开关控制电路和第四开关控制电路，
所述第二开关控制电路包括第一电压判定电路和第二逻辑电路，所述第一电压判定电路接收所述第二输入端的电压，并将其分别与一第一阈值电压和一第二阈值电压比较，产生一第一比较信号和第二比较信号，
所述第二逻辑电路接收所述第一比较信号、第二比较信号和一死区时间信号，当所述第二输入端的电压小于所述第一阈值电压，并且所述死区时间信号有效时，所述第二逻辑电路产生第二导通信号以导通所述第二可控开关管，当所述第二输入端的电压大于所述第二阈值电压时，所述第二逻辑电路产生第二关断信号以关断所述第二可控开关管；
所述第四开关控制电路包括第二电压判定电路和第四逻辑电路，所述第二电压判定电路接收所述第一输入端的电压，并将其分别与一第三阈值电压和第四阈值电压比较，产生一第三比较信号和第四比较信号，
所述第四逻辑电路接收所述第三比较信号、第四比较信号和一死区时间信号，当所述第一输入端的电压小于所述第三阈值电压，并且所述死区时间信号有效时，所述第四逻辑电路产生第四导通信号以导通所述第四可控开关管，当所述第一输入端的电压大于所述第四阈值电压时，所述第四逻辑电路产生第四关断信号以关断所述第四可控开关管；
所述第一开关控制电路包括第一逻辑电路，所述第一逻辑电路接收所述第二关断信号和第四导通信号经与逻辑运算产生第一导通信号以导通所述第一可控开关管；所述第一逻辑电路接收所述第二导通信号和第四关断信号经或逻辑运算产生第一关断信号以关断所述第一可控开关管；
所述第三开关控制电路包括第三逻辑电路，所述第三逻辑电路接收所述第二导通信号和第四关断信号经与逻辑运算产生第三导通信号以导通所述第三可控开关管；所述第三逻辑电路接收所述第二关断信号和第四导通信号经或逻辑运算产生第三关断信号以关断所述第三可控开关管。
优选的，所述死区时间信号表征所述第二可控开关管与所述第四可控开关管的死区时间间隔。
优选的，所述第一可控开关管、第二可控开关管、第三可控开关管、第四可控开关管以及开关控制电路集成于同一芯片中。
优选的，所述集成芯片包括与外围电路连接的四个引脚，分别为两个输入引脚和两个输出引脚；
依据本发明的一种开关电源，包括一功率级电路、驱动控制电路，还包括上述的任一项同步整流电路。
上述的同步整流电路，依据对同步整流电路的输入电压信号的检测来控制四个可控开关管的工作状态，以达到同步整流的目的，同时，本发明将整流桥中各个可控开关管及开关控制电路集成于一个芯片中，实现电路的高度集成，从而体积小而效率高。
附图说明
图1所示为现有技术中一种应用于开关电源中的整流桥结构图；
图2所示为依据本发明的一种适应于电子变压器的同步整流电路的电路图；
图3所示为图2中所示开关控制电路的具体电路图；
图4所示为依据本发明的同步整流电路的工作波形图。
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2，所示为依据本发明的应用于电子变压器的的同步整流电路的电路图，本实施例中，外部交流电源经过可控硅和电子电压器处理后产生一包络线为正弦的电压信号传输给所述同步整流电路，所述同步整流电路包括第一可控开关管Q1、第二可控开关管Q2、第三可控开关管Q3和第四可控开关管Q4，所述四个可控开关管构成一桥式整流电路，其中，所述第一可控开关管Q1和第四可控开关管Q4构成第一桥式电路，所述第二可控开关管Q2和第三可控开关管Q3构成第二桥式电路，这里，所述四个可控开关管均以N型MOS晶体管为例。所述同步整流电路还包括开关控制电路201。
这里，所述第三可控开关管Q3和第四可控开关管Q4的公共连接端作为所述同步整流电路的第一输入端，设为L端；所述第一可控开关管Q1和第二可控开关管Q2的公共连接端作为所述同步整流电路的第二输入端，设为N端；所述第一输入端和第二输入端用以接收电子变压器传输的电压信号。此外，所述第一可控开关管Q1和第三可控开关管Q3的公共连接端作为所述同步整流电路的第一输出端，记为Vout端，所述第二可控开关管Q2和第四可控开关管Q4的公共连接端作为所述同步整流电路的第二输出端，记为GND端。
所述开关控制电路201根据所述第一输入端的电压和第二输入端的电压控制所述四个可控开关管的开关状态。具体地，所述开关控制电路201包括第一开关控制电路201-1、第二开关控制电路201-2、第三开关控制电路201-3和第四开关控制电路201-4，分别用以控制第一可控开关管Q1、第二可控开关管Q2、第三可控开关管Q3和第四可控开关管Q4的开关动作。
如图3所示为开关控制电路201的具体电路图，进一步的，所述第二开关控制电路201-2包括第一电压判定电路和第二逻辑电路，所述第一电压判定电路接收所述第二输入端的电压，即VN，并将其分别与一第一阈值电压Vth1和第二阈值电压Vth2比较，产生一第一比较信号和第二比较信号，这里，所述第一阈值电压Vth1设置为小于零，优选的，本实施例中设置为-30mv，所述第二阈值电压设置为大于零，优选的，本实施例中设置为10mv。
所述第二逻辑电路接收所述第一比较信号、第二比较信号和一死区时间信号，当所述第二输入端的电压小于所述第一阈值电压，并且所述死区时间信号有效时，所述第二逻辑电路产生第二导通信号SQ2-on以导通所述第二可控开关管，当所述第二输入端的电压大于所述第二阈值电压时，所述第二逻辑电路产生第二关断信号SQ2-off以关断所述第二可控开关管，所述死区时间信号表征所述第二可控开关管和第四可控开关管的死区时间间隔。
具体地，本实施例中所述第一电压判定电路包括第一采样电路、第一比较器和第二比较器，所述第二逻辑电路包括与第一与门和第二触发器。所述第一开关控制电路还可以有其他具有相同功能的电路等同替代。
所述第四开关控制电路201-4包括第二电压判定电路和第四逻辑电路，所述第二电压判定电路接收所述第一输入端的电压，即VL，并将其分别与一第三阈值电压Vth3和第四阈值电压Vth4比较，产生一第三比较信号和第四比较信号，所述第四逻辑电路接收所述第三比较信号、第四比较信号和一死区时间信号，当所述第一输入端的电压小于所述第三阈值电压，并且所述死区时间信号有效时，所述第四逻辑电路产生第四导通信号SQ4-on以导通所述第四可控开关管，当所述第一输入端的电压大于所述第四阈值电压时，所述第四逻辑电路产生第四关断信号SQ4-off以关断所述第四可控开关管；同上理，所述第三阈值电压Vth3设置为小于零，优选的，本实施例中设置为-30mv，所述第四阈值电压设置为大于零，优选的，本实施例中设置为10mv。
具体地，本实施例中所述第二电压判定电路包括第二采样电路、第三比较器和第四比较器，所述第四逻辑电路包括与第二与门和第四触发器。所述第二开关控制电路还可以有其他具有相同功能的电路等同替代。
所述第一开关控制电路201-1包括第一逻辑电路，所述第一逻辑电路接收所述第二关断信号SQ2-off和第四导通信号SQ4-on经与逻辑运算后产生第一导通信号SQ1-on以导通所述第一可控开关管；所述第一逻辑电路接收所述第二导通信号SQ2-on和第四关断信号SQ4-off经或逻辑运算产生第一关断信号SQ1-off以关断所述第一可控开关管；
具体地，所述第一逻辑电路包括第三与门、第一或门和第一触发器，所述第三开关控制电路还可以有其他具有相同功能的电路等同替代。
所述第三开关控制电路201-3包括第三逻辑电路，所述第三逻辑电路接收所述第二导通信号SQ2-on和第四关断信号SQ4-off经与逻辑运算后产生第三导通信号SQ3-on以导通所述第三可控开关管；所述第三逻辑电路接收所述第二关断信号SQ2-off和第四导通信号SQ4-on经或逻辑运算产生第三关断信号SQ3-off以关断所述第三可控开关管。
具体地，所述第三逻辑电路包括第四与门、第二或门和第三触发器，所述第三开关控制电路还可以有其他具有相同功能的电路等同替代。
下面根据图4所示为依据本发明的同步整流电路的工作波形图以及上述的具体电路图阐述本实施例中同步整流电路的工作过程。
如图4中所示波形VL表示所述第一输入端的电压波形图，波形VN表示所述第二输入端的电压波形图。在t1时刻，所述L点处电压VL开始增大，当电压VL与电压VN的压差大于第二可控开关管和第三可控开关管的体二极管的导通压降之和时，第二可控开关管和第三可控开关管的体二极管导通，此时，所述第二可控开关管Q2的漏源电压为负值，需要说明的是所述电压VN表征所述第二可控开关管的漏源电压，当所述第一电压判定电路检测到所述电压VN小于所述第一电压阈值Vth1时，所述第一比较信号翻转为高电平状态，直至在t2时刻，所述死区时间信号为有效时，所述第二开关控制电路201-2控制所述第二可控开关管Q2导通；此时，由于第四可控开关管Q4为关断状态，所述第三开关控制电路201-3控制所述第三可控开关管Q3导通。到t3时刻，所述第一电压判定电路检测到所述电压VN大于所述第二电压阈值Vth2时，所述第二比较信号翻转为高电平状态，所述第二开关控制电路201-2控制所述第二可控开关管Q2关断，此时，所述第三开关控制电路201-3控制所述第三可控开关管Q3关断。这样，所述同步整流电路的的输出端输出半个正弦波。
然后，在t3时刻，所述N点处电压VN开始增大，当电压VN与电压VL的压差大于第四可控开关管和第一可控开关管的体二极管的导通压降之和时，第四可控开关管和第一可控开关管的体二极管导通，此时，所述第四可控开关管Q4的漏源电压为负值，需要说明的是所述电压VL表征所述第四可控开关管的漏源电压，当所述第二电压判定电路检测到所述电压VL小于所述第三电压阈值时，所述第三比较信号翻转为高电平状态，直至在t4时刻，在死区时间信号为有效时，所述第四开关控制电路201-4控制所述第四可控开关管Q4导通；此时，由于第二可控开关管Q2为关断状态，所述第一开关控制电路201-1控制所述第一可控开关管Q1导通。到t5时刻，所述第二电压判定电路检测到所述电压VL大于所述第二电压阈值时，所述第四比较信号翻转为高电平状态，所述第四开关控制电路201-4控制所述第四可控开关管Q4关断，此时，所述第一开关控制电路201-1控制所述第一可控开关管Q1关断。这样，所述同步整流电路的输出端输出下一个半个正弦波。
通过上述的整流过程，所述电子变压器输出的交流电压经所述同步整流电路整流后得到脉动的直流输出。这里，所述第一可控开关管Q1、第二可控开关管Q2、第三可控开关管Q3、第四可控开关管Q4以及开关控制电路201集成于同一芯片中。需要说明的是，对于第一可控开关管Q1和第三可控开关管Q3，需在芯片外部配备一自举电容，以提供开关管的栅极与源极之间所需的压差。在实际电路工作中，还需要在第一可控开关管Q1和第三可控开关管Q3的栅极设置一驱动器以使得第一可控开关管Q1和第三可控开关管Q3的栅源电压能到达到其导通阈值电压。
通过上述的过程可知，本发明的同步整流电路通过四个可控开关管来将交流输入转换为直流输出，其控制电路简单，效率高，并且通过高度集成技术减小了芯片体积。本发明实施例中，所述同步整流电路的各个元器件封装于一个独立的半导体芯片中，所述芯片包括与外围电路连接的四个引脚，分别为两个输入引脚和两个输出引脚，两个输入引脚对应于所述同步整流电路的第一输入端和第二输入端，两个输出引脚对应于所述同步整流电路的第一输出端和第二输出端。相对于现有技术中整流桥采用四个二极管，一方面大大减小了整流桥的体积，另一方面也减少了引脚的数目。本发明的同步整流电路可适应于对电子变压器输出的包络线为正弦的电压信号进行整流，但不限于此。
本发明一实施例还公开了一种开关电源，包括一功率级电路、驱动控制电路，还包括上述的同步整流电路，同理，其同样具有效率高，体积小的优点。
以上对依据本发明的优选实施例的应用于电子变压器的同步整流电路进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。
依照本发明的实施例如上文所述，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。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种适用于电子变压器的同步整流电路，应用于开关电源中，外部交流电源经所述电子变压器处理后产生一包络线为正弦的电压信号传输给所述同步整流电路，其特征在于，所述同步整流电路包括连接成桥式整流电路的第一可控开关管、第二可控开关管、第三可控开关管和第四可控开关管，以及开关控制电路，
所述第三可控开关管和第四可控开关管的公共连接端作为所述同步整流电路的第一输入端；
所述第一可控开关管和第二可控开关管的公共连接端作为所述同步整流电路的第二输入端；
开关控制电路检测所述第一输入端和第二输入端的电压，并根据所述检测结果控制所述第一可控开关管、第二可控开关管、第三可控开关管和第四可控开关管的通断，其中，
所述开关控制电路根据所述第二输入端的电压控制所述第二可控开关管的工作状态；
所述开关控制电路根据所述第一输入端的电压控制所述第四可控开关管的工作状态；
所述开关控制电路根据所述第二可控开关管和第四可控开关管的工作状态来控制所述第一可控开关管和第三可控开关管的工作状态,
其中，所述开关控制电路包括第一开关控制电路、第二开关控制电路、第三开关控制电路和第四开关控制电路，
所述第二开关控制电路包括第一电压判定电路和第二逻辑电路，所述第一电压判定电路接收所述第二输入端的电压，并将其分别与一第一阈值电压和一第二阈值电压比较，产生一第一比较信号和第二比较信号，
所述第二逻辑电路接收所述第一比较信号、第二比较信号和一死区时间信号，当所述第二输入端的电压小于所述第一阈值电压，并且所述死区时间信号有效时，所述第二逻辑电路产生第二导通信号以导通所述第二可控开关管，当所述第二输入端的电压大于所述第二阈值电压时，所述第二逻辑电路产生第二关断信号以关断所述第二可控开关管；
所述第四开关控制电路包括第二电压判定电路和第四逻辑电路，所述第二电压判定电路接收所述第一输入端的电压，并将其分别与一第三阈值电压和第四阈值电压比较，产生一第三比较信号和第四比较信号，
所述第四逻辑电路接收所述第三比较信号、第四比较信号和一死区时间信号，当所述第一输入端的电压小于所述第三阈值电压，并且所述死区时间信号有效时，所述第四逻辑电路产生第四导通信号以导通所述第四可控开关管，当所述第一输入端的电压大于所述第四阈值电压时，所述第四逻辑电路产生第四关断信号以关断所述第四可控开关管；
所述第一开关控制电路包括第一逻辑电路，所述第一逻辑电路接收所述第二关断信号和第四导通信号经与逻辑运算产生第一导通信号以导通所述第一可控开关管；所述第一逻辑电路接收所述第二导通信号和第四关断信号经或逻辑运算产生第一关断信号以关断所述第一可控开关管；
所述第三开关控制电路包括第三逻辑电路，所述第三逻辑电路接收所述第二导通信号和第四关断信号经与逻辑运算产生第三导通信号以导通所述第三可控开关管；所述第三逻辑电路接收所述第二关断信号和第四导通信号经或逻辑运算产生第三关断信号以关断所述第三可控开关管。
2.根据权利要求1所述的同步整流电路，其特征在于，所述死区时间信号表征所述第二可控开关管与所述第四可控开关管的死区时间间隔。
3.根据权利要求1所述的同步整流电路，其特征在于，所述第一可控开关管、第二可控开关管、第三可控开关管、第四可控开关管以及开关控制电路集成于同一芯片中。
4.根据权利要求3所述的同步整流电路，其特征在于，所述集成芯片包括与外围电路连接的四个引脚，分别为两个输入引脚和两个输出引脚。
5.一种开关电源，包括一功率级电路、驱动控制电路，其特征在于，还包括权利要求1-4所述的任一项同步整流电路。
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