CN105305844B - 一种隔离型同步整流控制电路及其装置与控制方法 - Google Patents

一种隔离型同步整流控制电路及其装置与控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隔离型同步整流控制电路及其装置与控制方法，控制电路包括：供电模块、基准模块、比较器模组、原边开通判定单元、副边断续预估单元、逻辑单元及驱动单元；控制装置包括：变压器；旁路电容，用于提供稳定电压；时间常数设置电阻，用于设定原边开通的时间常数和副边续流时间预估的判断；同步整流控制电路，用于其时间设置端流入的电流判定原边是否开通同时预估副边断续时间，并根据结果生成导通或关断的逻辑控制信号对同步整流管进行驱动；输出电容，连接整流控制电路的电压端，用于电容的输出。本发明采用原边开通判定和副边断续时间预估电路，及双电压的判定机制，保证同步整流管在面临复杂的工作情况下精准工作。

Description

一种隔离型同步整流控制电路及其装置与控制方法
技术领域
本发明涉及一种隔离型同步整流控制电路及其装置与控制方法，属于同步整流控制电路的技术领域。
背景技术
目前，隔离型同步整流的目的主要是为了在低压大电流的输出场合取代副边的肖特基整流管，从而获得更好的效率，更小的应用体积，更低的系统成本。低导通压降的肖特基管的正向导通压降在0.2-0.3V左右，而同步整流管的导通压降，在合理设计的情况下可以做到0.15V以下，从而大大降低整流管本身的损耗，提升系统效率。
图1为目前市面上的一种同步整流控制方案，其中包括变压器101、同步整流管102、输出电容103、VCC供电电阻104、VCC旁路电容105、时间常数设定电阻108、时间常数设定电阻107、同步整流控制芯片106。由时间常数设定电阻108、时间常数设定电阻107组成的电阻网络共同确定原边开通判定，所述同步整流控制芯片106通过DET和AE脚位组成积分来判定原边功率管的开通。VCC脚位是芯片供电引脚。
但是上述的控制方案，元器件较多，控制方案复杂。而且VCC引脚的供电来自于输出Vout，当整个控制系统工作在低输出电压模式时，VCC因为供电不足，会导致同步整流控制芯片106不工作，整流功能只能通过整流管寄生的体二极管来维持，造成发热严重，效率损失。
图2为目前市面上另一种存在的同步整流芯片，其中包括一个变压器201、输出电容202、VCC旁路电容203、同步整流驱动芯片204、滤波电容205。这种控制架构完全靠判定电压来控制同步整流管的开通和关断，缺少原边开通识别机制，很容易造成同步整流管的误操作，造成炸机现象。
因此，现有的同步整流控制电路无法在面临复杂的系统工作情况下精准工作，不具备双电压的判定机制，工作效率低下。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种隔离型同步整流控制电路及其装置与控制方法，解决现有的同步整流控制电路缺少原边开通识别机制，造成同步整流管的误操作或发热严重，效率损失的问题。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种隔离型同步整流控制电路，包括：
供电模块，用于提供电压；
基准模块，用于产生至少第一和第二基准源；
比较器模组，包括开通比较器和第一关断比较器，其中所述开通比较器用于控制电路的电压端电压与第一基准源对比；所述第一关断比较器用于控制电路的电压端电压与第二基准源对比；
原边开通判定单元，用于根据控制电路的时间设置端流入的电流获得电流的积分值，并对比电流的积分值与设定值的大小；
副边断续预估单元，用于根据原边开通判定单元所获得的电流的积分值预测同步整流管导通所需时间，及根据预测的同步整流管导通所需时间来提供屏蔽时间，并对比所述屏蔽时间与同步整流管实际导通所需时间的大小；
逻辑单元，用于根据所述开通比较器的对比结果和原边开通判定单元的对比结果，生成用于导通同步整流管的逻辑控制信号，且根据第一关断比较器的对比结果和副边断续预估单元的对比结果，生成用于关断同步整流管的逻辑控制信号；
驱动单元，用于根据所述逻辑单元所生成逻辑控制信号对同步整流管进行驱动。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述比较器模组还包括第二关断比较器，所述第二关断比较器用于控制电路的电压端电压与基准模块产生的第三基准源对比。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：还包括用于防止同步整流管误开通的钳位电路。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述原边开通判定单元包括积分电容、由两个NMOS管组成的第一电流镜、由两个PMOS管组成的第二电流镜、比较器单元及下拉NMOS管；所述基准单元还产生第一基准电压；所述第一电流镜，用于在控制电路的时间设置端为高电位时产生电流，及通过第二电流镜为积分电容充电；所述比较器单元用于将积分电容的电压与第一基准电压对比及根据对比结果输出电位信号；所述下拉NMOS管，用于每个开断周期结束时清空积分电容上的电压。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述副边断续预估单元单路包括NPN管、由两个PMOS管组成的第三电流镜、由两个NMOS管组成的第四电流镜、比较器单元；所述基准单元还产生第二基准电压；所述NPN管，用于实现钳位零；所述第三电流镜，用于在控制电路的时间设置端为低电位时产生电流，及通过第四电流镜对积分电容放电；所述比较器单元用于将积分电容的电压与第二基准电压对比及根据对比结果输出电位信号。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述供电模块包括启动电路、调制电阻、高压PMOS管、两个分压电阻、运放电路及高压NMOS管；所述启动电路，用于在控制电路的电压端为高电平时产生电流；所述调制电阻，用于产生电压；所述高压PMOS管，用于接收电压及导通；所述运放电路，用于在控制电路的电压端达到启动电压时，将两个分压电阻的电压和基准电平对比，及根据对比结果输出电压信号控制高压NMOS管关断。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述供电模块还包括用于防止电流从控制电路的供电端向电压端倒灌的NPN管。
本发明还提供一种基于上述隔离型同步整流控制电路的控制装置，包括：
变压器，其副边输出绕组的一端连接同步整流控制电路的接地端和旁路电容，变压器的副边输出绕组的另一端接地；
旁路电容，连接同步整流控制电路的供电端，用于为同步整流控制电路提供稳定电压；
时间常数设置电阻，连接同步整流控制电路的时间设置端，用于设定原边开通的时间常数和副边断续时间预估的判断；
同步整流控制电路，用于根据其时间设置端流入的电流判定原边是否开通同时预估副边断续时间，并根据判定和预估结果生成逻辑控制信号对同步整流管进行导通或关断驱动；
输出电容，连接整流控制电路的电压端，用于电容的输出。
本发明还提供一种隔离型同步整流控制方法，包括：
设定原边开通的时间常数，及根据流入控制电路的电流获得电流的积分值；并将电流的积分值与设定值对比，且根据控制电路的电压与基准源的大小，控制同步整流管的导通；
根据所述电流积分值预测同步整流管导通所需时间，及根据预测的同步整流管导通所需时间提供屏蔽时间；当同步整流管实际导通所需时间超过所述屏蔽时间，且在控制电路的电压大于基准源时，控制同步整流管的关断。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述同步整流管导通所需时间由同步整流控制电路的时间设置端和输出地之间在副边续流时的负向压差估算获得。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
（1）、本发明所提供的一种隔离型同步整流控制电路及其装置与控制方法，通过原边开通判定的方式，防止同步整流管的误导通，同时通过副边续流预估的方式，防止同步整流管的提前误关断。采用了优化的VCC供电电路，保证电源系统工作在各种模式下的电源供电充足。同时采用了精准的原边开通判定电路和副边续流时间预估电路，以及双电压的判定机制，保证同步整流管在面临复杂的系统工作情况下，都可以精准工作。
附图说明
图1为现有技术中一种同步整流控制装置的结构示意图。
图2为现有技术中另一种同步整流控制装置的结构示意图。
图3为本发明的隔离型同步整流控制装置的结构示意图。
图4为本发明的隔离型同步整流控制电路的结构示意图。
图5为本发明中原边开通判定单元和副边断续预估单元的电路示意图。
图6为本发明中供电模块的电路示意图。
图7为本发明的各信号波形图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图3所示，本发明设计了一种隔离型同步整流控制装置，该装置主要包括同步整流管控制电路301、变压器302、旁路电容303、输出电阻304、时间常数设置电阻305，其中同步整流控制电路包括GND接地端、VCC供电端、AE时间设置端及D电压端。所述变压器302的副边输出绕组的异名端连接同步整流控制电路301的GND接地端和旁路电容303的一端，变压器302的副边输出绕组的同名端端接地；所述旁路电容303的另一端连接同步整流控制电路301的VCC供电端；所述同步整流控制电路301的AE时间设置端连接时间常数设置电阻305后接地，且同步整流控制电路301的D电压端连接输出电容304后接地。所述旁路电容303在同步整流控制电路301工作时给其提供稳定电压；所述时间常数设置电阻305可以设定同步整流控制电路301内部的原边开通电路的时间常数和副边断续时间预估电路的判断。所述同步整流控制电路301，用于其时间设置端流入的电流判定原边是否开通同时预估副边断续时间，并根据判定和预估结果生成逻辑控制信号对同步整流管进行导通或关断驱动；所述输出电容305，连接整流控制电路的电压端，用于电容的输出。
对于同步整流控制电路301,本发明给出一个具体实施例，但不限于该种方式。如图4所示的结构，该同步整流控制电路包括供电模块401、基准模块405、由开通比较器402和第一关段比较器403组成的比较器模组、原边开通判定单元406、副边断续预估单元407、逻辑单元408，驱动单元409，其中供电模块401的一端连接同步整流管410的漏极和控制电路的D电压端，及另一端连接控制电路的VCC供电端，用于提供电压；所述基准模块405连接控制电路的VCC供电端，用于产生至少第一和第二基准源；所述比较器模组的输入端分别连接同步整流管410的漏极和基准模块405，及比较器模组的输出端连接逻辑单元408的输入端，其中开通比较器402用于控制电路的D电压端电压与第一基准源对比；所述第一关断比较器403用于控制电路的D电压端电压与第二基准源对比；所述原边开通判定单元406的输入端连接控制电路的AE时间设置端和输出端接连接逻辑单元408的输入端，用于根据控制电路的AE时间设置端流入的电流获得电流的积分值，并对比电流的积分值与设定值的大小；所述副边断续预估单元407的输入端连接控制电路的AE时间设置端和输出端接连接逻辑单元408的输入端，用于根据原边开通判定单元407所获得的电流的积分值预测同步整流管410导通所需时间，及根据预测同步整流管410导通所需时间来提供屏蔽时间，并对比所述屏蔽时间与同步整流管实际导通所需时间的大小；所述逻辑单元408的输出端与驱动单元409的输入端连接，用于根据所述对比结果，生成导通或关断的逻辑控制信号；所述驱动单元409的输出端接同步整流管410的栅极，及同步整流管410的栅极与控制电路的GND接地端连接，该驱动单元409用于根据所述逻辑单元408所生成导通或关断的逻辑控制信号对同步整流管410进行驱动。
当原边控制器开始工作时，图4中同步整流控制电路的D电压端端开始出现高电压，通过供电模块401，VCC供电端建立稳定电压；当原边控制器开通时，电路的AE时间设置端和图3中的地端，通过图3中时间常数设置电阻305作用，电流流入原边开通判定单元406后获得电流的积分值，当所述电流的积分值超过设定值时，此时如果控制电路中D电压端的电压小于第一基准源，逻辑单元408生成逻辑控制信号通过驱动单元409打开同步整流管410。副边断续预估单元407的作用根据所述电流积分值，提前预测同步整流管410导通所需时间Tp，并根据预测同步整流管410导通所需时间Tp提供屏蔽时间，当同步整流管410导通实际时间超过所提供的屏蔽时间，且如果控制电路的D电压端电压大于第二基准源，则逻辑单元408生成逻辑控制信号通过驱动单元409关断同步整流管410。
进一步地，所述比较器模组还包括第二关断比较器404，所述基准模块405还产生第三基准源；同样地，第二关断比较器404输入端分别连接同步整流管410的漏极和基准模块405，及输出端连接逻辑单元408的输入端，该第二关断比较器404用于控制电路的D电压端电压与第三基准源对比。其第二关断比较器404的作用是，如果控制电路的D电压端电压在所述同步整流管410导通所需时间Tp大于第三基准源，则逻辑单元408也生成逻辑控制信号通过驱动单元409直接关断同步整流管410。
为了防止芯片上电时，同步整流管410因为自身寄生电容造成误开通，所述同步整流控制电路还可以包括钳位电路411，所述钳位电路411的一端接同步整流管410的栅极，另一端接所述同步整流控制电路的接地端，由此防止同步整流管误开通。
对于电路中的原边开通判定单元和副边断续预估单元，本发明也给出具体实施例，但不限于该种方式。如图5所示的电路，所述原边开通判定单元包括由NMOS管501和502组成的第一电流镜、由PMOS管503和504组成的第二电流镜、积分电容505、下拉NMOS管506、比较器单元507；所述第一电流镜的输入端连接控制电路的AE时间设置端，第一电流镜的输出端连接第二电流镜的输入端；所述第二电流镜的输出端与积分电容505的一端、比较器单元507的第一输入端分别连接；所述积分电容505的另一端连接控制电路的GND接地端；所述下拉NMOS管506并联于积分电容505的两端；所述比较器单元507的第二输入端连接基准模块，且基准模块产生第一基准电压。当原边开关管导通时，控制电路的AE时间设置端为高电位，由NMOS管501和502组成的第一电流镜开始产生电流，通过第二电流镜给积分电容505充电；比较器单元507比较积分电容505的电压与基准模块产生的第一基准电压Vref1，当积分电容505的电压大于第一基准电压Vref1时，比较器单元507输出高电位信号PB，此时属于原边开关管导通。下拉NMOS管506的作用是每个开通周期结束时清空积分电容505上的电压，其中每个开通周期是指同步整流管开通的时刻。
其中副边断续预估单元如图5所示，主要包括：由PMOS管508和509组成的第三电流镜、由NMOS管510和511组成的第四电流镜、比较器单元512和NPN管513；所述NPN管513的发射级连接控制电路的AE时间设置端，且NPN管513的集电极与第三电流镜的输入端连接；所述第三电流镜的输出端与第四电流镜的输入端连接；所述第四电流镜的输出端与比较器单元512的第一输入端、积分电容505连接；所述比较器单元512的第二输入端连接基准模块，且基准模块产生第二基准电压。当同步整流管导通时，控制电路的AE时间设置端为低电位，通过NPN管513实现钳位零，此时由PMOS管508和509组成的第三电流镜开始产生电流，电流通过由NMOS管510和511组成的第四电流镜开始给积分电容505放电；比较器单元512比较积分电容505的电压与基准模块产生的第二基准电压Vref2，当积分电容505的电压低于第二基准电压Vref2时，比较器单元512输出低电位信号SB，电路认定副边的断续时间已经接近真实的断续时间，此时如果电路D电压端的电压高于所述第二基准源，则关断同步整流管。
本发明还提供供电模块的一种具体实施例，但不限于该种方式。如图6所示，供电模块包括高压PMOS管601、NPN管602、调制电阻603、启动电阻604、运放电路605、分压电阻606和607、高压NMOS管608、NMOS管609和610、下拉管611，其中由启动电阻604、NMOS管609和610及下拉管611组成的启动电路，该启动电路中NMOS管609和610形成第五电流镜。当控制电路的D电压端为高电平时，电路未上电之前，启动电路的EN端为低电平信号，启动电阻604和NMOS管610组成的电路产生电流，通过NMOS管609下拉电路，在调制电阻603上产生电压，从而导通高压PMOS管601。当控制电路VCC供电端的电压达到启动电压时，启动电路的EN端为高电平信号，NMOS管611导通，NMOS管609不下拉电流。此时控制电路VCC供电端通过分压电阻606和607组成的分压电阻网络与基准模块产生的基准电平进行比较，当控制电路VCC供电端的电压超过设定值时，运放电路605输出低电压信号，使得高压NMOS管608关断，调制电阻603上无压降，高压PMOS管601关断，从而实现控制电路VCC供电端稳定电压输出。所述NPN管602为二极管连接，防止控制电路VCC供电端到D电压端倒灌电流。
根据本发明的隔离型同步整流控制电路和装置，可获得图7所示的波形图。其中pwm信号为原边功率管的驱动信号；gnd信号为副边的输出地对同步整流控制电路GND接地端的波形，其中gnd信号的阴影部分积分面积大于一定值时打开同步整流管的必要条件，防止DCM干扰时的误判断；D信号为同步整流管漏端对同步整流控制电路GND接地端的波形，DRV信号为图四中同步整流管的驱动信号。
本发明还提供一种隔离型同步整流控制方法，该方法可用于本发明中的隔离型同步整流控制电路和装置，具体包括：
设定原边开通的时间常数，及根据流入控制电路的电流获得电流的积分值；并将电流的积分值与设定值对比，且根据控制电路的电压与基准源的大小，控制同步整流管的导通；可进一步设定控制电路的电压小于基准源时，控制同步整流管的导通。
根据所述电流积分值预测同步整流管导通所需时间，并根据预测同步整流管导通所需时间来提供屏蔽时间，当同步整流管实际导通所需时间超过所述屏蔽时间，且在控制电路的电压大于基准源时，控制同步整流管的关断。
优选地，上述方法中，设定原边开通的时间常数可以通过调整连接在同步整流控制电路的时间设置端和输出地之间的时间设置电阻，来调整所需原边开通判定的标准；所述同步整流管导通所需时间由同步整流控制电路的时间设置端和输出地之间在副边续流时的负向压差估算获得。
综上，本发明同时采用了精准的原边开通判定电路和副边续流时间预估电路，以及双电压的判定机制，保证同步整流管在面临复杂的系统工作情况下精准工作。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种隔离型同步整流控制电路，其特征在于，包括：
供电模块，用于提供电压；
基准模块，用于产生至少第一和第二基准源；
比较器模组，包括开通比较器和第一关断比较器，其中所述开通比较器用于控制电路的电压端电压与第一基准源对比；所述第一关断比较器用于控制电路的电压端电压与第二基准源对比；
原边开通判定单元，用于根据控制电路的时间设置端流入的电流获得电流的积分值，并对比电流的积分值与设定值的大小；
副边断续预估单元，用于根据原边开通判定单元所获得的电流的积分值预测同步整流管导通所需时间，根据预测的同步整流管导通所需时间来提供屏蔽时间，并对比所述屏蔽时间与同步整流管实际导通所需时间的大小；
逻辑单元，用于根据所述开通比较器的对比结果和原边开通判定单元的对比结果，生成用于导通同步整流管的逻辑控制信号，且根据第一关断比较器的对比结果和副边断续预估单元的对比结果，生成用于关断同步整流管的逻辑控制信号；
驱动单元，用于根据所述逻辑单元所生成逻辑控制信号对同步整流管进行驱动。
2.根据权利要求1所述隔离型同步整流控制电路，其特征在于：所述比较器模组还包括第二关断比较器，所述第二关断比较器用于控制电路的电压端电压与基准模块产生的第三基准源对比。
3.根据权利要求1所述隔离型同步整流控制电路，其特征在于：还包括用于防止同步整流管误开通的钳位电路。
4.根据权利要求1所述隔离型同步整流控制电路，其特征在于：所述原边开通判定单元包括积分电容、由两个NMOS管组成的第一电流镜、由两个PMOS管组成的第二电流镜、比较器单元及下拉NMOS管；所述基准模块还产生第一基准电压；所述第一电流镜，用于在控制电路的时间设置端为高电位时产生电流，及通过第二电流镜为积分电容充电；所述比较器单元用于将积分电容的电压与第一基准电压对比及根据对比结果输出电位信号；所述下拉NMOS管，用于每个开通周期结束时清空积分电容上的电压。
5.根据权利要求1所述隔离型同步整流控制电路，其特征在于：所述副边断续预估单元单路包括NPN管、由两个PMOS管组成的第三电流镜、由两个NMOS管组成的第四电流镜、比较器单元；所述基准模块还产生第二基准电压；所述NPN管，用于实现钳位零；所述第三电流镜，用于在控制电路的时间设置端为低电位时产生电流，及通过第四电流镜对积分电容放电；所述比较器单元用于将积分电容的电压与第二基准电压对比及根据对比结果输出电位信号。
6.根据权利要求1所述隔离型同步整流控制电路，其特征在于：所述供电模块包括启动电路、调制电阻、高压PMOS管、两个分压电阻、运放电路及高压NMOS管；所述启动电路，用于在控制电路的电压端为高电平时产生电流；所述调制电阻，用于产生电压；所述高压PMOS管，用于接收电压及导通；所述运放电路，用于在控制电路的电压端达到启动电压时，将两个分压电阻的电压和基准电平对比，及根据对比结果输出电压信号控制高压NMOS管关断。
7.根据权利要求6所述隔离型同步整流控制电路，其特征在于：所述供电模块还包括用于防止电流从控制电路的供电端向电压端倒灌的NPN管。
8.一种基于权利要求1至7任一项所述隔离型同步整流控制电路的控制装置，其特征在于，包括：
变压器，其副边输出绕组的一端连接同步整流控制电路的接地端和旁路电容，变压器的副边输出绕组的另一端接地；
旁路电容，连接同步整流控制电路的供电端，用于为同步整流控制电路提供稳定电压；
时间常数设置电阻，连接同步整流控制电路的时间设置端，用于设定原边开通的时间常数和副边断续时间预估的判断；
同步整流控制电路，用于根据其时间设置端流入的电流判定原边是否开通同时预估副边断续时间，并根据判定和预估结果生成逻辑控制信号对同步整流管进行导通或关断驱动；
输出电容，连接整流控制电路的电压端，用于电容的输出。
9.一种隔离型同步整流控制方法，其特征在于，包括：
设定原边开通的时间常数，及根据流入控制电路的电流获得电流的积分值；并将电流的积分值与设定值对比，且根据控制电路的电压与基准源的大小，控制同步整流管的导通；
根据所述电流积分值预测同步整流管导通所需时间，及根据预测的同步整流管导通所需时间提供屏蔽时间；当同步整流管实际导通所需时间超过所述屏蔽时间，且在控制电路的电压大于基准源时，控制同步整流管的关断。
10.根据权利要求9所述隔离型同步整流控制方法，其特征在于，所述同步整流管导通所需时间由同步整流控制电路的时间设置端和输出地之间在副边续流时的负向压差估算获得。
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