CN105356727B - 用于开关电源的开关管驱动控制方法以及控制电路 - Google Patents

用于开关电源的开关管驱动控制方法以及控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于开关电源的开关管驱动控制方法以及控制电路，采用了对开关管栅极电压检测和漏极电压检测相结合的控制方法，基于高压启动管与功率开关管的连接关系，将高压启动晶体管的电压转换成较小电压进行检测，通过栅极电压检测电路检测功率开关管的栅极电压，通过漏极电压检测电路检测功率开关管的漏极电压，并根据栅极检测信号和漏极检测信号控制驱动电流的大小。采用本发明的控制策略，可以实现对功率开关管的分段驱动优化控制，无需检测开关管的密勒平台电压，从而即可以降低电源的EMI干扰，改善电源的EMI特性，又可以减小开关管的开关损耗，提高电源的效率。

Description

用于开关电源的开关管驱动控制方法以及控制电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种用于开关电源的开关管驱动控制方法以及控制电路。
背景技术
在开关电源中，主功率开关管的栅极驱动方式对电源性能有很大的影响。如果驱动能力过强(即驱动电流过大)，会导致主功率开关管的di/dt和dv/dt过大，从而带来很严重的EMI干扰；如果驱动能力过弱(即驱动电流过小)，会导致主功率开关管的开关延迟变大，开关速度变慢，从而增加开关损耗。
为了既降低EMI干扰，又减小开关损耗，需要对开关管的栅极驱动电路进行优化设计。现有技术的做法是通过调整开关管的栅极驱动电阻R1的大小来调整栅极驱动开通和关断的能力，或通过R1来调整栅极驱动开通的能力、通过R2来调整栅极驱动关断的能力，如图1所示。
图1现有技术相对应的驱动波形如图2所示，VPWM为控制器产生的PWM控制信号，VDRV为PWM信号经过驱动器后产生的驱动信号，VGate为经过驱动电阻后的开关管栅极驱动信号，VMiller为开关管的密勒平台电压。当电阻R1、R2较大时，电源EMI特性较好，但开关管S1损耗较大；当电阻R1、R2较小时，开关管S1损耗较小，但电源EMI特性较差。因此，这种做法是在EMI干扰和开关损耗之间所做的折中选择，因此仍然无法解决现有技术之技术问题。
针对上述技术问题，人们提出了一种开关管栅极分段驱动的控制方式，但对于栅极驱动的分段控制是基于对开关管密勒平台电压的检测与比较，由于密勒平台电压不易检测，且不同开关管的密勒平台电压差别很大，因此只能提前设定好密勒平台的近似值，并基于此设定的近似值进行栅极驱动的分段控制。由此可见，该控制方式存在很大的制约性。若设定值比实际密勒平台电压低，会产生di/dt较大的现象，导致EMI变差；若设定值比实际密勒平台电压高，则在部分工作阶段中，栅极的驱动电流会变小，从而导致开关速度变慢、开关损耗变大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于开关电源的开关管驱动控制方法以及控制电路，用以解决现有技术存在的EMI干扰大、开关损耗大的技术问题。
本发明的技术解决方案是，提供一种以下结构的用于开关电源的开关管驱动控制方法，包括以下步骤：
开通阶段：检测开关电源的功率开关管的栅极电压，当栅极电压小于第一阈值电压时，则采用大开通驱动电流以缩短功率开关管开通的延迟时间；
当检测到功率开关管的栅极电压大于第一阈值电压时，则采用小开通驱动电流以减小开关电源中功率器件在该阶段换流时的电流变化率；
检测开关电源的功率开关管的漏极电压，当漏极电压下降至第二阈值电压时，则再次采用大开通驱动电流以加快功率开关管的开通速度；
关断阶段：关断驱动电流从零开始逐步上升或采用小关断驱动电流使栅极电压逐步下降以减小开关电源中功率器件在该阶段换流时的电流变化率；
关断驱动电流上升至大关断驱动电流或切换至大关断驱动电流，以驱动电流控制栅极电压快速下降，从而加快关断速度；
检测开关电源的功率开关管的漏极电压，当漏极电压大于第二阈值电压时，则采用小关断驱动电流以减小开关电源中功率器件在该阶段换流时的电流变化率和漏极电压的变化率；
当检测到功率开关管的栅极电压小于第一阈值电压时，则再次采用大关断驱动电流以缩短功率开关管关断的延迟时间。
优选地，在开通阶段中，当栅极电压上升至等于功率开关管的密勒平台电压时，此阶段为小开通驱动电流驱动以减小漏极电压的变化率。
本发明的另一技术解决方案是，提供一种以下结构的用于开关电源的开关管驱动控制电路，包括高压启动晶体管、栅极电压检测电路和漏极电压检测电路，所述的高压启动晶体管的漏极与开关电源的功率晶体管的漏极连接，高压启动晶体管的源极与漏极电压检测电路连接，
所述的栅极电压检测电路通过检测功率晶体管的栅极电压，并与第一阈值电压进行比较，以相应改变开通驱动电流和关断驱动电流；
所述的漏极电压检测电路通过检测功率晶体管的漏极电压，并与第二阈值电压进行比较，以相应改变开通驱动电流和关断驱动电流。
优选地，所述的驱动控制电路还包括开通电流控制电路、关断电流控制电路和驱动电路，所述的开通电流控制电路接收栅极电压检测电路输出的第一栅极检测信号和漏极电压检测电路输出的第一漏极检测信号，以输出开通电流控制信号，所述的关断电流控制电路接收栅极电压检测电路输出的第二栅极检测信号和漏极电压检测电路输出的第二漏极检测信号，以输出关断电流控制信号，所述的驱动电路接收所述的开通电流控制信号和关断电流控制信号，用于产生相应的开通驱动电流和关断驱动电流至功率开关管的栅极。
优选地，高压启动晶体管导通完成高压启动后，高压启动晶体管的栅极被置为低电平，当所述高压启动晶体管的漏极电压大于第三阈值电压时，则其源极电压被箝位于第三阈值电压，当所述高压启动晶体管的漏极电压小于第三阈值电压时，则其源极电压与其漏极电压保持一致。
优选地，所述的高压启动晶体管为N沟道耗尽型晶体管，其开启电压阈值为负值，所述的第三阈值电压等于N沟道耗尽型晶体管之开启电压阈值的绝对值。
优选地，所述的漏极电压检测电路包括分压电路，所述的分压电路接收高压启动晶体管的源极电压，所述分压电路输出分压信号，所述的分压信号与表征第二阈值电压的阈值表征电压进行比较，以检测漏极电压的大小，得到第一漏极检测信号和第二漏极检测信号。
优选地，所述的漏极电压检测电路还包括第三开关，所述的第三开关串联于分压电路中，第三开关根据PWM信号和漏极检测信号来实现导通和截止。
优选地，所述的漏极电压检测电路还包括反相器，所述的反相器的输入端接收所述的分压信号，所述的分压信号与反相器自身的电压阈值进行比较，以在反相器的输出端输出漏极检测信号。
优选地，所述的反相器自身的电压阈值用于表征第二阈值电压。
采用本发明的电路结构和方法，与现有技术相比，具有以下优点：采用了对开关管栅极电压检测和漏极电压检测相结合的控制方法，基于高压启动管与功率开关管的连接关系，将高压启动晶体管的电压转换成较小电压进行检测，通过栅极电压检测电路检测功率开关管的栅极电压，通过漏极电压检测电路检测功率开关管的漏极电压，并根据栅极检测信号和漏极检测信号控制驱动电流的大小。采用本发明的控制策略，可以实现对功率开关管的分段驱动优化控制，无需检测开关管的密勒平台电压，从而即可以降低电源的EMI干扰，改善电源的EMI特性，又可以减小开关管的开关损耗，提高电源的效率。
附图说明
图1为现有技术的开关管驱动控制电路的示意图；
图2为图1现有技术的工作波形图；
图3为本发明用于开关电源的开关管驱动控制电路的电路结构图；
图4为为本发明用于开关电源的开关管驱动控制电路的工作波形图；
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神和范围上做的替代、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。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
参考图3所示，示意了本发明用于开关电源的开关管驱动控制电路，并基于该控制电路实现相应的控制方法。所述的开关电源包括功率开关管S1，本发明的开关管驱动控制电路连接在功率开关管S1的栅极Gate和漏极Drain。所述的开关管驱动控制电路包括高压启动晶体管S2、栅极电压检测电路、漏极电压检测电路、开通电流控制电路、关断电流控制电路和驱动电路。
所述的高压启动晶体管S2的漏极D_S2与开关电源的功率晶体管S1的漏极Drain连接，高压启动晶体管的源极S_S2与漏极电压检测电路连接，高压启动晶体管S2的栅极G_S2与高压启动供电控制电路连接。高压启动晶体管S2为控制器高压启动用的N沟道耗尽型晶体管，S2的开启电压阈值VTH为负值。在控制器启动时，S2导通给控制器供电。启动结束后，S2的栅极G_S2被置为低电平，当S2的漏极电压VHV大于-VTH时，S2的源极电压VS_S2被箝位于-VTH，当S2的漏极电压VHV小于-VTH时，S2的源极电压VS_S2等于其漏极电压VHV(所述的等于并不是完全的、精确的相等，允许存在一定的误差)，这是由S2的自身特性所决定的，由于S2的的漏极和S1的漏极相连接，则S1的漏极电压也为VHV。
根据以上所述，漏极电压检测电路可以通过对S2源极电压的检测间接检测到S2的漏极电压，也即S1的漏极电压，因此可以根据电源di/dt、dv/dt与EMI特性的关系，通过该漏极电压检测电路实现对S1栅极的分段驱动优化控制。
根据PWM信号的高低电平状态，所述的栅极电压检测电路通过检测功率晶体管S1的栅极电压VDRV(即S1的驱动电压)，并与第一阈值电压VSD_TH1(该阈值可设定为与功率开关管S1的开启阈值电压相近)进行比较，根据比较结果控制开通电流控制电路和关断电流控制电路，来相应改变开通驱动电流和关断驱动电流。
根据PWM信号的高低电平状态，所述的漏极电压检测电路通过检测高压启动晶体管S2的源极电压来实现对功率晶体管S1的漏极电压的检测，并与第二阈值电压VSD_TH2进行比较，根据比较结果控制开通电流控制电路和关断电流控制电路，以相应改变开通驱动电流和关断驱动电流。对于S1的漏极电压与第二阈值电压VSD_TH2的比较，可以采用比较器实现，但本实施例中采用了更优的方案，即利用反相器自身的阈值电压来判断分压信号的大小，既能够借助反相器的阈值电压实现比较，同时反相器本身也可实现逻辑转换。
所述的开通电流控制电路接收栅极电压检测电路输出的第一栅极检测信号VG_det1和漏极电压检测电路输出的第一漏极检测信号VD_det1，以输出开通电流控制信号IDRV_ON，所述的关断电流控制电路接收栅极电压检测电路输出的第二栅极检测信号VG_det2和漏极电压检测电路输出的第二漏极检测信号VD_det2，以输出关断电流控制信号IDRV_OFF，所述的驱动电路接收所述的开通电流控制信号IDRV_ON和关断电流控制信号IDRV_OFF，用于产生相应的开通驱动电流和关断驱动电流至功率开关管的栅极。
所述的漏极电压检测电路包括分压电路和第三开关S3，所述的分压电路由电阻R2和R3组成，接收高压启动晶体管的源极电压S_S2，所述分压电路输出分压信号FB，所述的分压信号FB与表征第二阈值电压VSD_TH2的阈值表征电压进行比较，以检测漏极电压的大小，得到第一漏极检测信号VD_det2和第二漏极检测信号VD_det2。
所述的第三开关串联于分压电路中，第三开关S3根据PWM信号和漏极检测信号来实现导通和截止。
所述的漏极电压检测电路还包括反相器，所述的反相器的输入端接收所述的分压信号FB，所述的分压信号FB与反相器自身的电压阈值进行比较(表征了高压启动晶体管的源极电压S_S2与第二阈值电压VSD_TH2进行比较)，从而实现功率晶体管S1和与第二阈值电压VSD_TH2的比较，以在反相器的输出端输出漏极检测信号。反相器的输出端接入或非门的第一输入端，PWM信号作为所述或非门的第二输入端，所述的或非门的输出端连接于RS触发器的重置端R(所述的或非门的输出端输出的信号可作为第二漏极检测信号VD_det2)，PWM信号输入所述RS触发器的置位端S，所述RS触发器的输出端与第三开关S3的控制端连接。反相器的输出端和PWM信号分别接入与门的两个输入端，从而由所述与门输出第一漏极检测信号VD_det1。
参考图4所示，示意了本发明用于开关电源的开关管驱动控制电路的工作波形图，与图3的电路结构图相对应。图4表征了各个信号的波形以及在对应时刻下的波形变化趋势。
功率晶体管S1栅极驱动的开通过程如下：
在t1时刻，PWM信号变为高电平，第三开关S3栅极电压VG_S3变为高电平，S3开始导通。栅极电压检测电路对功率晶体管S1栅极电压即驱动电压VDRV进行检测，当驱动电压VDRV小于设定的第一阈值电压VSD_TH1时，开通电流控制电路产生较大的开通驱动电流IDRV_ON驱动VDRV快速上升，以缩短开关管开通的延迟时间。
在t2时刻，驱动电压VDRV上升至达到第一阈值电压VSD_TH1，栅极电压检测电路检测到后，开通电流控制电路产生较小的驱动电流IDRV_ON，以减小电源中功率器件在此阶段换流时的di/dt(电流变化率)，从而改善电源的EMI特性。
在t3时刻，驱动电压VDRV等于功率晶体管S1的密勒平台电压VMiller，这个过程中，无需检测密勒平台电压VMiller，功率晶体管S1的漏极电压VHV开始下降，此阶段较小的驱动电流IDRV_ON也减小了功率晶体管S1漏极电压的变化率dv/dt，因此也会改善EMI特性。当VHV下降到小于耗尽型晶体管S2的开启阈值电压负值-VTH时，S2的源极电压VS_S2开始下降。
在t4时刻，S2的源极电压VS_S2(即S1、S2的漏极电压VHV)下降到小于设定的第二阈值电压VSD_TH2，此时VS_S2经电阻R2、R3分压后的电压小于所连接的反相器的阈值，反相器输出变为高电平，漏极电压检测电路产生的第一漏极检测信号VD_det1变为高电平，开通电流控制电路检测到VD_det1的上升沿信号，并再次产生较大的驱动电流IDRV_ON驱动VDRV快速上升，以减小密勒效应的影响，加快功率晶体管S1的开通速度，减小开通损耗。
在t5时刻，开通过程结束，驱动电流IDRV_ON降为零。
S1栅极驱动关断过程如下：
在t6时刻，PWM信号变为低电平，此时关断电流控制电路控制关断驱动电流IDRV_OFF从零开始逐渐上升驱动VDRV逐渐下降(或采用恒定的较小的关断驱动电流IDRV_OFF驱动VDRV逐渐下降)，以减小此阶段换流时的di/dt，并改善EMI特性。
在t7时刻，关断驱动电流IDRV_OFF上升至设定的较大的驱动电流(或在t7时刻由初始的较小的关断驱动电流切换至较大的关断驱动电流)，并以此较大的驱动电流IDRV_OFF控制驱动电压VDRV快速下降，以加快功率晶体管S1的关断速度，减小关断损耗。当VDRV下降到功率晶体管S1的密勒平台电压VMiller结束后，功率晶体管S1的漏极电压VHV开始上升，S2的源极电压VS_S2也开始上升。
在t8时刻，VS_S2上升到大于设定的第二分段阈值VSD_TH2，此时S2的源极电压VS_S2经电阻R2、R3分压后的电压大于所连接的反相器的阈值，反向器输出变为低电平，漏极电压检测电路产生的第二漏极检测信号VD_det2变为高电平，第三开关S3栅极电压VG_S3变为低电平，S3关断。此时，关断电流控制电路检测到第二漏极检测信号VD_det2的上升沿信号，产生较小的关断驱动电流IDRV_OFF驱动VDRV下降，以减小此阶段功率器件换流时的di/dt和功率晶体管S1漏极电压变化的dv/dt，从而改善EMI特性。当VHV上升到大于耗尽型晶体管S2的开启阈值电压负值-VTH时，S2的源极电压VS_S2被箝位于-VTH。所述-VTH作为第三阈值电压。
在t9时刻，当栅极电压检测电路检测到驱动电压VDRV小于设定的第一分段阈值VSD_TH1时，关断电流控制电路再次产生较大的关断驱动电流IDRV_OFF驱动VDRV快速下降，以减小功率晶体管S1关断后VDRV的下降延迟时间。
在t10时刻，关断过程结束，驱动电流IDRV_OFF降为零。
需要注意的是，本发明中关于“大开通驱动电流、大关断驱动电流”、“小开通驱动电流、小关断驱动电流”中所述的“大”和“小”是二者相对而言的，并不对电流幅值的限制。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于开关电源的开关管驱动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
开通阶段：检测开关电源的功率开关管的栅极电压，当栅极电压小于第一阈值电压时，则采用大开通驱动电流以缩短功率开关管开通的延迟时间；
当检测到功率开关管的栅极电压大于第一阈值电压时，则采用小开通驱动电流以减小开关电源中功率器件在该阶段换流时的电流变化率；
检测开关电源的功率开关管的漏极电压，当漏极电压下降至第二阈值电压时，则再次采用大开通驱动电流以加快功率开关管的开通速度；
关断阶段：关断驱动电流从零开始逐步上升或采用小关断驱动电流使栅极电压逐步下降以减小开关电源中功率器件在该阶段换流时的电流变化率；
关断驱动电流上升至大关断驱动电流或切换至大关断驱动电流，以驱动电流控制栅极电压快速下降，从而加快关断速度；
检测开关电源的功率开关管的漏极电压，当漏极电压大于第二阈值电压时，则采用小关断驱动电流以减小开关电源中功率器件在该阶段换流时的电流变化率和漏极电压的变化率；
当检测到功率开关管的栅极电压小于第一阈值电压时，则再次采用大关断驱动电流以缩短功率开关管关断的延迟时间。
2.根据权利要求1所述的用于开关电源的开关管驱动控制方法，其特征在于：在开通阶段中，当栅极电压上升至等于功率开关管的密勒平台电压时，此阶段为小开通驱动电流驱动以减小漏极电压的变化率。
3.一种用于开关电源的开关管驱动控制电路，包括高压启动晶体管、栅极电压检测电路和漏极电压检测电路、开通电流控制电路、关断电流控制电路和驱动电路，所述的高压启动晶体管的漏极与开关电源的功率晶体管的漏极连接，高压启动晶体管的源极与漏极电压检测电路连接，其特征在于：
所述的栅极电压检测电路通过检测功率晶体管的栅极电压，并与第一阈值电压进行比较，以相应改变开通驱动电流和关断驱动电流；
所述的漏极电压检测电路通过检测功率晶体管的漏极电压，并与第二阈值电压进行比较，以相应改变开通驱动电流和关断驱动电流，
所述的开通电流控制电路接收所述的栅极电压检测电路输出的第一栅极检测信号和所述的漏极电压检测电路输出的第一漏极检测信号，以输出开通电流控制信号，所述的关断电流控制电路接收所述的栅极电压检测电路输出的第二栅极检测信号和所述的漏极电压检测电路输出的第二漏极检测信号，以输出关断电流控制信号，所述的驱动电路接收所述的开通电流控制信号和关断电流控制信号，用于产生相应的开通驱动电流和关断驱动电流至功率开关管的栅极。
4.根据权利要求3所述的用于开关电源的开关管驱动控制电路，其特征在于：高压启动晶体管导通完成高压启动后，高压启动晶体管的栅极被置为低电平，当所述高压启动晶体管的漏极电压大于第三阈值电压时，则其源极电压被箝位于第三阈值电压，当所述高压启动晶体管的漏极电压小于第三阈值电压时，则其源极电压与其漏极电压保持一致。
5.根据权利要求4所述的用于开关电源的开关管驱动控制电路，其特征在于：所述的高压启动晶体管为N沟道耗尽型晶体管，其开启电压阈值为负值，所述的第三阈值电压等于N沟道耗尽型晶体管之开启电压阈值的绝对值。
6.根据权利要求4所述的用于开关电源的开关管驱动控制电路，其特征在于：所述的漏极电压检测电路包括分压电路，所述的分压电路接收高压启动晶体管的源极电压，所述分压电路输出分压信号，所述的分压信号与表征第二阈值电压的阈值表征电压进行比较，以检测漏极电压的大小，得到第一漏极检测信号和第二漏极检测信号。
7.根据权利要求6所述的用于开关电源的开关管驱动控制电路，其特征在于：所述的漏极电压检测电路还包括第三开关，所述的第三开关串联于分压电路中，第三开关根据PWM信号和漏极检测信号来实现导通和截止。
8.根据权利要求7所述的用于开关电源的开关管驱动控制电路，其特征在于：所述的漏极电压检测电路还包括反相器，所述的反相器的输入端接收所述的分压信号，所述的分压信号与反相器自身的电压阈值进行比较，以在反相器的输出端输出漏极检测信号。
9.根据权利要求8所述的用于开关电源的开关管驱动控制电路，其特征在于：所述的第二阈值电压为反相器自身的电压阈值。
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