CN104539177B - 一种开关电源的同步整流驱动电路及同步整流方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电源的同步整流驱动电路及同步整流方法，特别是一种反激拓扑的同步整流驱动电路及同步整流方法。反激拓扑开关电源的开关管漏极‑源极Vds电压，经过隔离驱动电容传输到开关电源的副边，经过隔离驱动电容、同步整流MOS的栅极‑源极G‑S结电容和共模Y电容分压，分压后形成的Vgs电压提供给同步整流MOS管做驱动。本发明的同步整流驱动电路应用在开关电源中具有电路简单、成本低、体积小，驱动脉冲信号无负电压，适应开关电源输入电压范围宽等优点。

Description

一种开关电源的同步整流驱动电路及同步整流方法

技术领域

本发明涉及一种开关电源的同步整流驱动电路及同步整流方法，特别适用在输入电压范围宽，电源体积小、空载功耗小的开关电源应用领域。

背景技术

随着半导体器件及超大规模集成电路的快速发展，对大电流、低电压，低成本隔离开关电源的需求也随之大幅增加。正向压降只有0.3V-0.7V的肖特基二极管整流，大导通损耗成为开关电源小型化的瓶颈。为了提高低电压、大电流开关电源的效率，输出整流都采用了同步整流技术，现有技术中，普遍都是采用了两种驱动方式，变压器绕组自驱动和隔离外驱动。

图1示出了带变压器绕组自驱动电路图的反激同步整流拓扑，变压器同步整流驱动电路由驱动绕组Nr、驱动电阻R1、下拉电阻R2、同步整流MOS管SR组成；同步整流MOS管反偏，该电路的优点是电路简单，设计方便，因此在市场应用比较广泛。但是此电路的缺点也比较多，如下。

1、同步整流驱动波形有负电压，造成驱动损耗大。

2、同步整流驱动波形负电压和开关电源的输入电压成正比，而一般MOS管的Vgs电压只有±20V，所以在宽输入电压范围的开关电源就不能应用；而在模块电源应用领域中输入电压范围就有2:1输入电压范围和4:1输入电压范围，此电路无法在4:1输入电压范围应用。

如图2所示为现有技术的另一种同步整流隔离驱动技术，其驱动信号来自原边开关的驱动信号，经过同步原副边驱动电容、隔离变压器，提供给副边的同步整流MOS管，虽然输入电压范围比较宽，驱动电平也没有负电压等优点，但是其采用了隔离变压器，增加了电容的成本和体积，在小体积、高功率密度的模块电源里很难应用。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种开关电源的同步整流方法，本发明的同步整流方法能克服上述缺点。

本发明的第一个目的是通过以下技术方案实现的：

一种开关电源的同步整流方法，包括功率转换原边电路、功率转换副边电路、隔离电容驱动电路，其实现同步整流的工作过程如下：

所述功率转换原边电路，其主要功能是：在开关电源在工作期间，原边功率开关一直工作在开关切换状态，变压器原边绕组将电能转换成磁能，原边功率开关的两边在开关切换过程将产生一个脉冲电压。

所述功率转换副边电路，其主要功能是：在开关电源在工作期间，接收来自功率转换原边电路的磁能，转换成电能，并通过副边整流开关和副边滤波电容整流滤波，转换成输出所需要的直流输出电平。

所述的副边整流开关为一个有源开关，需要一个开关时序逻辑电平为其提供驱动。

所述的隔离电容驱动电路，其主要功能是：在开关电源的工作期间，接收来自原边功率开关两端的脉冲电压，并将该脉冲电压通过电容串联分压后提供给所述的副边整流开关做驱动；可以实现电路简单、体积小、驱动脉冲信号无负电压、可以适应很宽的输入电压范围等优点；

所述的电容串联分压，等效后电路如图4所示，原边功率开关产生的脉冲电压加在隔离电容、副边整流开关的结电容和共模Y电容上的串联回路上，在副边整流开关的结电容上形成分压。

在反激电源拓扑中，所述的副边整流开关结电容上的分压为副边整流开关的驱动电压，副边整流开关驱动电压的大小为：

所述公式中

Vo为开关电源输出电压，Vin为输入电压；

n为变压器原边和副边绕组的匝比；

C1为所述隔离电容容值、Cgs为副边功率开关结电容容值、Cy为共模Y电容容值。

从所述公式中可以看到，副边有源整流开关的驱动电压受输入电压的变化影响变化很小。

本发明的另一个目的是提供一种开关电源的同步整流驱动电路，该目的是通过以下技术方案实现的：一种开关电源的同步整流驱动电路，包括反激功率转换原边电路1和功率转换副边电路3，所述反激功率转换原边电路1将电能转化为磁能传输给所述功率转换副边电路3，其特征在于：还包括隔离电容驱动电路2，反激功率转换原边电路1产生一个脉冲电压给所述隔离电容驱动电路2，隔离电容驱动电路2将脉冲信号经过电容串联分压后提供给功率转换副边电路3，作为功率转换副边电路3的驱动电压。

优选的，所述的反激功率转换原边电路1包括输入电容、变压器的原边绕组、开关MOS管，输入电容的一端连接到输入正，输入电容的另一端连接到输入负，变压器原边绕组的一端连接到输入正，变压原边绕组的另一端连接到开关MOS管的漏极，开关MOS管源极连接到输入负；

优选的，所述功率转换副边电路3包括变压器的副边绕组、同步整流MOS管、输出滤波电容。变压器副边绕组的一端连接输出电压正端，另一端连接到同步整流MOS管的漏极，同步整流MOS管源极连接到输出电压的负端，MOS管的栅极连接到隔离电容驱动电路2的输出端，输出滤波电容的一端连接到输出电压正端，输出电容的另一端连接到输出电压的负端。

优选的，所述隔离电容驱动电路2包括了隔离电容、下拉电阻和共模Y电容。隔离电容的一端连接到所述开关MOS管的漏极，隔离电容的另一端连接到所述同步整流MOS管的栅极，所述下拉电阻一端连接到同步整流MOS管的栅极，另一端连接到同步整流MOS管的源极；所述共模Y电容的一端连接到开关MOS管的源极，另一端连接到同步整流MOS管的源极。相当于开关MOS管上的漏极-源极之间的电压加在隔离电容、同步整流MOS管栅极-源极结电容、共模Y电容上，通过分压在同步整流MOS管栅极-源极结电容上电压驱动功率转换副边电路3工作。

进一步的，隔离电容驱动电路2还包括阻尼电阻和释放三极管，阻尼电阻串联在隔离电容和同步整流MOS管的栅极之间，释放三极管为PNP三极管，释放三极管的基极连接在阻尼电阻与隔离电容相连的一端，释放三极管的发射极连接在阻尼电阻与同步整流MOS管相连的一端，释放三极管的集电极连接在输出电压的负端。

本发明的同步整流驱动电路的核心工作原理是，隔离电容驱动装置采样原边开关MOS管两端的电压，通过电容分压的方法，输出负边同步整流MOS管所需要驱动电压。

本发明的同步整流驱动电路和同步整流方法具有以下优点。

1、同步整流管的驱动电压无负电压，驱动损耗减小。

2、同步整流的驱动电压受输入电压变化影响小，可以适应很宽的输入电压范围；

3、相对于其它隔离外驱动型同步整流，具有体积小、成本低等优点；

4、隔离驱动装置2中的电容C1同Cgs同CY电容串联形成的回路可以做功率转换器原边1开关MOS管的吸收电路，降低开关VDS的尖峰电压。

附图说明

图1为现有技术的电路图；

图2为另一种现有技术的电路图；

图3为本发明的电路框图；

图4为本发明中所述的电容串联分压电路的等效电路图；

图5为本发明实施例一电路图；

图6为本发明实施例二电路图；

图7为本发明实施例二前驱动波形图；

图8为本发明实施例二后驱动波形图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例一

图5示出了本发明实施例一的同步整流驱动电路原理图，包括反激功率转换原边电路1、隔离电容驱动电路2、功率转换副边电路3。

所述的反激功率转换原边电路1包括输入电容C3、变压器的原边绕组Np、开关MOS管S1，输入电容C3的一端连接到输入正Vin+，另一端连接到输入负Vin-，变压器原边绕组Np的一端连接到输入正Vin+，变压原边绕组的另一端连接到开关MOS管S1的漏极，开关MOS管S1源极连接到输入负Vin-；

所述功率转换副边电路3包括变压器的副边绕组Ns、同步整流MOS管SR、输出滤波电容C2。变压边绕组Ns的一端连接输出电压正端VO+，另一端连接到同步整流MOS管SR的漏极，同步整流MOS管SR的源极连接到输出的负端VO-，输出滤波电容C2的一端连接到输出正VO+，输出电容的另一端连接到输出的负VO-。

所述隔离电容驱动电路2包括了隔离电容C1、释放电阻R4和共模Y电容CY。隔离电容C1的一端连接到所述原边开关MOS管S1的漏极，隔离电容C1的另一端连接到所述副边同步整流MOS管SR的栅极，所述释放电阻R4一端连接到副边同步整流MOS管SR的栅极，另一端连接到同步整流MOS管SR的源极；所述共模Y电容CY的一端连接到输入负端Vin-，另一端连接到输出负端VO-。

其工作原理为：

所述的反激功率转换原边电路1和功率转换副边电路3完成开关电源功率电压转换工作，开关MOS管S1导通时，Vin正负电压直接加在变压器原边绕组Np上，此时变压器激磁储能。开关管S1关断时，变压器原边绕组Np相位反相，变压器副边绕组Ns相位反相，变压器通过功率转换副边电路3释放能量，副边绕组电压被钳位在输出电压，开关管S1漏极和源极之间的电压Vds被钳位在Vo×n+Vin电压，Vo是开关电源的输出电压，滤波电容C1滤除输入开关纹波电流，保证稳定的Vin电压。

功率转换副边电路3的同步整流MOS管，主要是配合功率转换副边电路3，高效率完成开关电源副边的整流工作，副边绕组Ns上正下负的时候，同步整流MOS管SR导通，变压器副边绕组Ns一边给电容C2补充能量，一边给负载提供能量，当变压器副边绕组Ns为下正上负的时候，同步整理MOS管SR关断，负载的能量由C2提供。

隔离电容驱动电路2主要是为了给功率转换副边电路3的同步整流MOS管SR提供所需要的时序驱动信号，其工作过程是：当原边开关管S1关断时，变压能量要向负载释放，这是为了提高工作效率，同步整流MOS管SR需要导通，所以需要提供一个高电平来驱动MOS管导通，而在开关MOS管S1上形成的漏-源极电压Vds直接加在隔离驱动电容C1、驱动同步整流MOS管SR的栅极-源极结电容Cgs和共模Y电容Cy的串联回路上，近似同步整流MOS管SR的栅极-源极电压Vgs为提供给同步整流MOS管SR做驱动信号。

实施例二

图6是本发明的实施例二的同步整流驱动电路原理图，与实施例一不同的是在隔离电容驱动电路2中加入了电阻R1和释放三极管Q1，电阻R1串联在隔离电容C1和同步整流MOS管的栅极之间，所述的释放三极管Q1为PNP三极管，三极管Q1的基极连接在阻尼电阻R1与隔离电容C1相连的一端，发射极连接在阻尼电阻R1与同步整流MOS管相连的一端，集电极连接在输出负端VO-。

其工作原理是，在功率转换原边电路的开关MOS管S1上形成的漏极-源极电压Vds脉冲电压为非理想的脉冲电压。

所述的功率转换器原边电路VDS脉冲电压的上升沿和下降后有高频的谐振尖峰电压，其中下降沿后的谐振尖峰电压加在同步整流的驱动上，相当于驱动时序关断延时，如果延时时间超过了死区时间，就会出现原边开关MOS管S1和副边同步整流MOS管SR出现共通。如图7所示，共通容易导致开关电源损坏。

在本实施案例中，电阻R1可以消耗阻尼谐振的能量，降低上升沿和下降沿后的谐振电压幅度和时间，释放三极管Q1可以在所述的脉冲电压下降后导通，快速释放Cgs的电荷，产生更加快速的下降沿波形。其效果为如图8所示的同步整流MOS管SR的Vgs驱动波形。

所述的隔离驱动电容C1和共模Y电容Cy为高耐压电容或安规Y电容，除了采集原边开关MOS的漏极-源极电压Vds电压信号外，还要满足开关电源原边和副边的隔离要求；

所述共模Y电容Cy，在一般开关的应用中主要是共模噪音提供旁路通路；在本发明电路中也为同步整流驱动信号提供了回路。

本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种开关电源的同步整流方法，其特征在于：包括功率转换原边电路、功率转换副边电路、隔离电容驱动电路，其实现同步整流的工作过程如下：

所述功率转换原边电路，其主要功能是：在开关电源在工作期间，原边功率开关一直工作在开关切换状态，变压器原边绕组将电能转换成磁能，原边功率开关的两端在开关切换过程将产生一个脉冲电压；

所述功率转换副边电路，其主要功能是：在开关电源在工作期间，接收来自功率转换原边电路的磁能，转换成电能，并通过副边整流开关和副边滤波电容整流滤波，转换成输出所需要的直流输出电平；

所述的隔离电容驱动电路，其主要功能是：在开关电源的工作期间，接收来自原边功率开关两端的脉冲电压，并将该脉冲电压通过电容串联分压后提供给所述的副边整流开关做驱动；电容串联分压是指：原边功率开关两端在开关切换过程将产生的脉冲电压，加在隔离电容、所述的副边整流开关结电容、共模Y电容的串联回路上，在所述的副边整流开关结电容上形成串联分压电压，作为副边整流开关的驱动电压。

2.根据权利要求1所述的一种开关电源的同步整流方法，其特征在于：所述的副边整流开关为一个有源开关，需要一个开关时序逻辑电平为其提供驱动。

3.一种开关电源的同步整流驱动电路，包括反激功率转换原边电路1和功率转换副边电路3，所述反激功率转换原边电路1将电能转化为磁能传输给所述功率转换副边电路3，其特征在于：还包括隔离电容驱动电路2，反激功率转换原边电路1产生一个脉冲电压给所述隔离电容驱动电路2，隔离电容驱动电路2将脉冲信号经过电容串联分压后提供给功率转换副边电路3，作为功率转换副边电路3的驱动电压；

所述的隔离电容驱动电路2包括了隔离电容、下拉电阻和共模Y电容；所述的隔离电容的一端连接到开关MOS管的漏极，隔离电容的另一端连接到同步整流MOS管的栅极，所述下拉电阻的一端连接到同步整流MOS管的栅极，所述下拉电阻的另一端连接到同步整流MOS管的源极；所述共模Y电容的一端连接到输入负端，另一端连接到输出负端。

4.根据权利要求3所述的一种开关电源的同步整流驱动电路，其特征在于：所述的隔离电容驱动电路2还包括阻尼电阻和释放三极管，所述的阻尼电阻串联在所述的隔离电容和所述的同步整流MOS管的栅极之间，所述的释放三极管的基极连接在所述的阻尼电阻与隔离电容相连的一端，所述的释放三极管的发射极连接在所述的阻尼电阻与同步整流MOS管相连的一端，所述的释放三极管的集电极连接在输出电压的负端。

5.根据权利要求4所述的一种开关电源的同步整流驱动电路，其特征在于：所述的释放三极管为PNP三极管。