CN105429436B

CN105429436B - 一种单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制方法与电路

Info

Publication number: CN105429436B
Application number: CN201510768947.1A
Authority: CN
Inventors: 徐严; 陈大科; 杨波; 罗佳亮
Original assignee: Lianyungang Jierui Electronics Co Ltd
Current assignee: Lianyungang Jierui Electronics Co Ltd
Priority date: 2015-11-12
Filing date: 2015-11-12
Publication date: 2018-05-01
Anticipated expiration: 2035-11-12
Also published as: CN105429436A

Abstract

本发明是一种单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制方法，采用耐压100V以上的BCD集成电路加工工艺，以及粗精双稳压技术，可实现12V~100V的宽电压输入，7V~8V的电压输出;采用时钟可同步技术，实现多芯片的并联使用和多电源热备份功能。采用双时钟技术，双路PWM方波生成电路，实现双路的PWM控制。本发明还公开了单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制电路，该电路由宽电压转换电路、可同步双时钟振荡电路、双路PWM方波生成电路、双路有源箝位驱动电路、基准电路、保护电路组成。本发明集成度高、输入电压宽、时钟可同步、双路控制、有源箝位驱动输出、集成保护功能等特点。

Description

一种单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制方法与电路

技术领域

本发明属于专用集成电路设计（ASIC）领域，涉及一种单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制方法。通过对外电路反馈信号的处理，实现输出双路有源箝位软开关控制信号，应用于直流到直流电压转换电路；本发明还涉其实现该方法的电路。

背景技术

在直流到直流电压转换电路中，目前常见的转换方式有线性转换与开关转换。开关转换方式较低线性转换方式而言，因自身消耗功耗较小，转换效率高，体积小等优点，得到较为广泛的应用。

根据开关转换方式的不同，可分为硬开关与软开关两种。硬开关，实现的电路结构相对简单，但是存在一定缺点。其缺点表现在开关通断的过程中，电流与电压同时变化，形成了开关损耗，影响转换效率；感性关断与容性开通，产生电压尖锋与电流尖峰，影响电路的工作寿命。随着开关频率的提高，开关的损耗与电压电流尖锋会越来越大。相比硬开关，软开关优点表现在开关通断的过程中，电流与电压单独变化，开关损耗在理想情况下近似为零；避免感性关断与容性开通，解决了电压尖锋与电流尖峰问题。软开关的工作方式，更有利于电路向高频方向发展。但是为了实现软开关需要额外的控制逻辑，电路结构相对复杂。

在开关电源控制电路中，有源箝位控制是一种软开关的控制方式。相较普通的硬开关工作方式而言，其需要一对带有重叠时间的驱动信号，这一方面实现了软开关工作方式，但是另一方面，因其需要额外的逻辑功能电路，增加了电路结构的复杂程度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出了一种单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制方法及电路。该方法可以同时输出两路有源箝位控制信号，控制两路有源箝位转换电路，同时具备宽电压输入、时钟可同步、欠压过流保护等功能。

本发明所要解决的技术问题可以通过以下的技术方案来实现。本发明是一种单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制方法，其特点是：该方法采用耐压100V以上的BCD集成电路加工工艺，以及粗精双稳压方法，实现12V~100V的宽电压输入，7V~8V的电压输出；采用时钟可同步方法，实现多芯片的并联使用和多电源热备份功能；采用双时钟方法，双路PWM方波生成电路，实现双路的PWM控制；采用重叠方波生成方法，实现对有源箝位电压转换电路的软开关控制；采用温度补偿方法，实现低温漂基准电压输出；采用欠压、过流采样方法，实现对电路出现欠压、过流现象的保护。

以上所述的一种单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制方法，进一步优选的技术方案是：所述的BCD集成电路加工工艺将所有功能电路集成在一块芯片上，实现输出端口对有源箝位转换电路直接驱动控制，无需在外电路增加其它有源箝位控制电路；所述的粗精双稳压方法，先对输入的高电压进行粗稳压，得到一个初步的稳定的低电压，再对低电压进行精确稳压，得到相对精确的内部供电电压。

以上所述的一种单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制方法，进一步优选的技术方案是：采用可同步时钟方法，通过外接时钟信号，同步多个芯片的内部时钟，实现多芯片的并联使用和多电源热备份功能；采用双时钟方法，生成双路时钟，结合双路PWM方波生成电路，实现对双路转换电路的PWM控制；采用重叠方波生成方法，生成带重叠时间的驱动方波，结合双路PWM方波生成电路，实现对双路有源箝位电压转换电路的软开关控制。

以上所述的一种单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制方法，进一步优选的技术方案是：采用温度补偿方法，减小温度变化对电压信号的影响，实现低的温度漂移的基准电压信号输出；采用信号采样处理方法，对欠压、过流信号进行采样处理，实现对电路出现欠压、过流现象的保护。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。本发明还公开了一种实现以上所述的方法的单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制电路，其特点是：该电路主要由宽电压转换电路、可同步双时钟振荡电路、双路PWM方波生成电路、双路有源箝位驱动电路、基准电路和保护电路组成；分述如下：

（1）所述的宽电压转换电路包括粗稳压电路和反馈环路，所述的反馈环路为精稳压电路，对粗稳压电路初步稳压后的电压进行精确稳压，得到的稳定电压作为芯片内部的供电电压；

（2）所述的基准电路为芯片工作提供一个基准电压；基准电路采用一阶温度补偿的方法，产生1.25V的带隙电压；

（3）所述的可同步双时钟振荡电路由充电电路，比较电路及逻辑电路组成；

（4）所述的双路PWM方波生成电路在两路时钟的控制下，对外产生两路PWM方波控制信号；

（5）所述的保护电路包括欠压保护电路与过流保护电路；

（6）所述的双路有源箝位驱动电路由两路相同的有源箝位驱动电路组成；电路分为两路，输入为同一方波信号；一路经由两个反向器、比较器、缓冲器依次连接，其中比较器的负端接基准电压信号，正端接反向器输出，同时正端接电容到地；另一路经由三个反向器、比较器、反向器、缓冲器依次连接，其中比较器的负端接基准电压信号，正端接反向器输出，同时正端接电容到地；以上两路中，比较器前一级的反向器由可控电流源供电，电流源为普通电流镜结构，电流大小由运放、MOS管、电阻组成的控制回路控制。

以上所述的单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制电路，进一步优选的技术方案是：所述的可同步双时钟振荡电路中：外电阻R1、运放N5及MOS管M3组成回路，生成充电电流，电流经电流镜镜像分别为电容C1、C2充电，MOS管M1与M2分别并联电路C1、C2，以上组成充电电路；

充电电路输出分别接比较器N1、N2正端，二者负端接VREF，比较器N1输出接入RS触发器R端；同步信号接入D触发器，输出与比较器N2输出共同接入或门，或门输出接入RS触发器S端；RS触发器正输出接入M2，RS触发器负输出接入M1与D触发器N4，以上组成比较电路；

RS触发器正输出与D触发器N4正输出接入与门，生成CLK1，后接反向器生成其负时钟；RS触发器正输出与D触发器N4负输出接入另一与门，生成CLK2，后接反向器生成其负时钟；以上组成逻辑电路。

以上所述的单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制电路，进一步优选的技术方案是：述的有源箝位驱动电路将一个方波转换成一对有重叠时间的方波，两路方波直接驱动外电路开关管；一路有源箝位驱动电路产生主开关管控制信号，另一路产生有源箝位管控制信号；方波信号同时进入两路有源箝位驱动电路中，经由反向器后，信号分别到达点和点，对相应的电容进行充放电；当信号为低电平时，电容通过反向器直接接地；当出现高电平时，电容通过反向器充电，充电时间由充电电流决定。

下面发明人对本发明所述的单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制电路进行具体地阐述。

本发明电路由宽电压转换电路、可同步双时钟振荡电路、双路PWM方波生成电路、双路有源箝位驱动电路、基准电路、保护电路组成，如图1所示。外部电压输入接入电压转换电路，电压转换电路生成工作电压，为内部电路供电。欠压设置信号接入欠压保护电路生成V_OFF信号，V_OFF信号接入PWM方波生成电路1、PWM方波生成电路2。时钟设置及同步信号接入可同步双时钟振荡电路，生成双时钟CLK1、CLK2，CLK1接入PWM方波生成电路1，CLK2接入PWM方波生成电路2。采样反馈信号1接入PWM方波生成电路1、过流保护电路1，过流保护电路1生成使能信号接入PWM方波生成电路1。PWM方波生成电路1生成方波信号接入有源箝位驱动电路1。有源箝位驱动电路1生成主开关管驱动输入1与有源箝位管驱动输出1。

同样地，采样反馈信号2接入PWM方波生成电路2、过流保护电路2，过流保护电路2生成使能信号接入PWM方波生成电路2。PWM方波生成电路2生成方波信号接入有源箝位驱动电路2。有源箝位驱动电路2生成主开关管驱动输入2与有源箝位管驱动输出2。

下面分述之。

1.宽电压转换电路

宽电压转换电路如图2所示。宽电压转换电路由初步稳压电路、精稳压电路组成。电阻R1、R2、稳压管D1串联，电阻R1并联三极管Q1，组成初步稳压电路。电阻R3、R4接输出电压，组成分压反馈，分压信号接入比较器N1，比较器N1另一输入端接基准信号VREF，输出接三极管Q2，组成精稳压电路。

电路中，、、、组成粗稳压电路，对输入电压进行初步稳压，可将电压稳定在10V左右。、、、组成反馈环路，为精稳压电路，对初步稳压后的电压进行精确稳压。最终得到的稳定电压将作为芯片内部的供电电压。由电路可得：

同时运放输入端电流为零，可以得到：

内部基准电压为1.25V。通过设置、阻值比，可以精确地调节的大小。一般情况下，为了实现对外部的开关管的直接驱动，可以通过电阻，将电压设置到7V~8V。

2 基准电路

基准电路如图3所示。芯片工作时，需要一个基准电压，这个电压由基准电路模块产生。基准电路采用一阶温度补偿的方法，产生1.25V的带隙电压。基准电压输出表达式为：

表示三极管BE结电压。、分别表示与的电流，与构成1：1的电流镜，得到：

与上基极电流较小，同时电阻较小，其上电压近似为零。得到：

已知表达式如下：

上式中，为负温度系数电压，为正温度系数电压，n为与的面积比值。为使得二者相互补偿，，在取n=10，得到，可以生成经过一阶温度补偿的1.25V基准电压。在实际电路中，因工艺不同，电阻比值也会有差异。

3 可同步双时钟振荡电路

可同步双时钟振荡电路如图4所示。工作时，先由一路电流源对相应的电容进行充电，此时栅电压为低电平，关断。当电压超过时，比较器输出高电平，重置后级的RS触发器。触发器反向输出端输出高电平，此时，栅电压变为高电平，导通，电容接地放电，比较器输出低电平。同时，栅电压变为低电平，关断，对相应的电容进行充电。当电压超过时，比较器输出高电平，置位后级的RS触发器。触发器正向输出端输出高电平，栅电压为变高电平，导通，电容接地放电，比较器输出低电平。同时，关断，对相应的电容进行充电。如此重复，触发器的正向输出端就会产生一个内部时钟信号。

时钟频率由电容充放电时间决定，已知电容值与充电时间关系为：

如图4所示，两路充电电流经电流镜镜像产生，电流大小相等，电流大小可通过外置电阻设置，进而可通过电阻调节时钟频率。由上式进一步可得：

说明内部时钟的占空比由电容比值决定。该时钟信号经过后级的D触发器进行分频，再通过两个与门，就产生了两路时钟信号，为两路PWM方波生成电路分别提供时钟信号。

当多个芯片并联工作时，需要时钟同步，此时需要通过外置电阻将几个时钟设置在同一频率上，同时在图4中的同步信号端口输入同步时钟信号，通过D触发器，可实现多个时钟同步。

4 双路PWM方波生成电路

双路PWM方波生成电路，在两路时钟的控制下，可以对外产生两路PWM方波控制信号。其由两路相同的电路组成，现仅对一路PWM方波生成电路进行说明，如图5所示。正常工作时，过流信号、关断信号均为低电平时。在时钟为高电平时，正时钟信号置位RS触发器，RS触发器的输出Q为高电平。同时，芯片外电路采样电流信号与电压误差信号，二者通过比较器，输出。当电流信号高时，为高电平，进而复位RS触发器，输出低电平。RS触发器输出Q与负时钟信号通过与门，保证了时钟为高电平时，PWM控制信号为低电平，避免了触发器R与S同时为高电平。电路正常工作时，PWM控制信号每个周期由正时钟触发开始，再由比较器输出信号触发终止。

5 保护电路

芯片内部集成了欠压保护与过流保护。在电压过低时，为保持同样功率，电路流过更大的电流，过大的电流可能会损毁电路，这就需要欠压保护。欠压保护电路如图6所示。当升高时，也随之升高，在高于时，比较器输出为低电平。此时，一方面启动PWM方波生成电路；另一方面使导通，增大上的电流，升高，以稳定当前状态。当降低时，也随之降低，在低于时，比较器N1输出为高电平。此时，一方面关停PWM方波生成电路；另一方面使M1关断，上的电流更小，降低，以稳定当前状态。的值由以下公式决定：

式中，、、由工艺决定，为的宽长比，可以通过设置宽长比来设置电流的大小。同时，可通过图6中的外接电阻、来设置欠压保护的启动电压。

过流保护功能可以在电路上电流过大时，及时关断方波信号，进而切断外部的电压转换。过流保护电路如图7所示，当外部电流采样信号电压低于时，比较器输出低电平，对后级电路没有影响；当外部电流采样信号电压大于时，比较器输出高电平，此时无论为高低电平，RS触发器均被重置，因此，也就无方波输出，从而关断电路。

6 双路有源箝位驱动电路

双路有源箝位驱动电路，由两路相同的有源箝位驱动电路组成。现对一路驱动电路说明，电路如图8所示。有源箝位驱动电路可将一个方波转换成一对有重叠时间的方波，两路方波可以直接驱动外电路开关管，简化了外部电路结构。有源箝位驱动电路可分为A、B两条处理电路，一路产生主开关管控制信号，另一路产生有源箝位管控制信号。方波信号同时进入A、B电路中，经由反向器后，信号分别到达点和点，对相应的电容进行充放电。当信号为低电平时，电容通过反向器直接接地；当出现高电平时，电容通过反向器充电，充电时间由充电电流决定。图8中虚线框内的电流可控反向器电路结构如图9所示。由图9可以看出，电流可控反向器的充电电流由电压与电阻R共同控制。其中为内部基准电压，而R为芯片外置电阻，可从外部方便调节充电电流大小。得到充电时间为：

点电压最终产生方波信号，点电压最终产生方波信号。与原方波信号相比，的上升沿被延迟了，的下降沿被延迟了。最终控制信号与对比如图10所示，可以看出的低电平与的高电平有一定的重叠时间，该时间由外置电阻控制。驱动电路所驱动的主开关管是N管，在高电平时开启，有源箝位管是P管，在低电平时开启。在驱动主开关管，驱动有源箝位管时，其重叠时间就可以实现软开关控制方式。

与现有技术相比，本发明所述的一种单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制方法实现了对控制电路的高度集成化，大大降低了芯片外部电路的复杂程度。本发明电路集成度高、输入电压宽、时钟可同步、双路控制、有源箝位驱动输出、集成保护功能等特点。

附图说明

图1 宽电压转换电路；

图2 电压转换电路图；

图3 基准电路图；

图4 可同步双时钟振荡电路图；

图5 PWM方波生成电路图；

图6 欠压保护电路图；

图7 过流保护电路图；

图8 有源箝位驱动电路图；

图9 反向器电路图；

图10 有源箝位驱动电路输出对比图。

具体实施方式

以下进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。

实施例1。参照图1，一种单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制方法，采用耐压100V以上的BCD集成电路加工工艺，以及粗精双稳压技术，可实现12V~100V的宽电压输入，7V~8V的电压输出。采用时钟可同步技术，可实现多芯片的并联使用和多电源热备份功能。采用双时钟技术，双路PWM方波生成电路，实现双路的PWM控制。采用重叠方波生成技术，实现对有源箝位电压转换电路的软开关控制。采用温度补偿技术，实现低温漂基准电压输出。采用欠压、过流采样技术，实现对电路出现欠压、过流现象的保护。

实施例2。参照图2，实施例1所述的单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制方法，采用耐压100V以上的BCD集成电路加工工艺，将所有功能电路集成在一块芯片上，可实现输出端口对有源箝位转换电路直接驱动控制，无需在外电路增加其它有源箝位控制电路。采用粗精双稳压技术，先对输入的高电压进行粗稳压，得到一个初步的稳定的低电压，再对低电压进行精确稳压，得到相对精确的内部供电电压。可实现12V~100V的宽电压输入，7V~8V的电压输出。

实施例3。参照图4、图5、图8、图9、图10，实施例1或2一种单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制方法，采用可同步时钟技术，通过外接时钟信号，同步多个芯片的内部时钟，可实现多芯片的并联使用和多电源热备份功能。采用双时钟技术，生成双路时钟，结合双路PWM方波生成电路，可实现对双路转换电路的PWM控制。采用重叠方波生成技术，生成带重叠时间的驱动方波，结合双路PWM方波生成电路，可实现对双路有源箝位电压转换电路的软开关控制。

实施例4。参照图3、图6、图7，实施例1或2或3一种单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制方法，采用温度补偿技术，减小温度变化对电压信号的影响，可实现低的温度漂移的基准电压信号输出。采用信号采样处理技术，对欠压、过流信号进行采样处理，可实现对电路出现欠压、过流现象的保护。

实施例5，参照图1－10，一种单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制电路，该电路主要由宽电压转换电路、可同步双时钟振荡电路、双路PWM方波生成电路、双路有源箝位驱动电路、基准电路和保护电路组成；分述如下：

（5）所述的保护电路包括欠压保护电路与过流保护电路；

实施例6，实施例5所述的单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制电路，所述的可同步双时钟振荡电路中：外电阻R1、运放N5及MOS管M3组成回路，生成充电电流，电流经电流镜镜像分别为电容C1、C2充电，MOS管M1与M2分别并联电路C1、C2，以上组成充电电路；

实施例7，实施例5或6所述的单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制电路，所述的有源箝位驱动电路将一个方波转换成一对有重叠时间的方波，两路方波直接驱动外电路开关管；一路有源箝位驱动电路产生主开关管控制信号，另一路产生有源箝位管控制信号；方波信号同时进入两路有源箝位驱动电路中，经由反向器后，信号分别到达点和点，对相应的电容进行充放电；当信号为低电平时，电容通过反向器直接接地；当出现高电平时，电容通过反向器充电，充电时间由充电电流决定。

Claims

1.一种单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制电路，其特征在于：该宽电压可同步双路有源箝位控制电路主要由宽电压转换电路、可同步双时钟振荡电路、双路PWM方波生成电路、双路有源箝位驱动电路、基准电路和保护电路组成；分述如下：

（5）所述的保护电路包括欠压保护电路与过流保护电路；

（6）所述的双路有源箝位驱动电路由两路相同的有源箝位驱动电路组成；有源箝位驱动电路分为两路，输入为同一方波信号；一路经由两个反向器、比较器、缓冲器依次连接，其中比较器的负端接基准电压，正端接第二个反向器输出，同时正端接电容到地；另一路经由三个反向器、比较器、反向器、缓冲器依次连接，其中比较器的负端接基准电压，正端接第三个反向器输出，同时正端接电容到地；以上双路有源箝位驱动电路中，比较器前一级的反向器由可控电流源供电，电流源为普通电流镜结构，电流大小由运放、MOS管、电阻组成的控制回路控制；

利用该宽电压可同步双路有源箝位控制电路进行宽电压可同步双路有源箝位控制方法如下：采用耐压100V以上的BCD集成电路加工工艺，以及粗精双稳压方法，实现12V~100V的宽电压输入，7V~8V的电压输出；采用时钟可同步方法，实现多芯片的并联使用和多电源热备份功能；采用双时钟方法，双路PWM方波生成电路，实现双路的PWM控制；采用重叠方波生成方法，实现对有源箝位电压转换电路的软开关控制；采用温度补偿方法，实现低温漂基准电压输出；采用欠压、过流采样方法，实现对有源箝位电压转换电路出现欠压、过流现象的保护。

2.根据权利要求1所述的单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制电路，其特征在于：所述的BCD集成电路加工工艺将所有功能电路集成在一块芯片上，实现输出端口对有源箝位电压转换电路直接驱动控制，无需在有源箝位电压转换电路增加其它有源箝位控制电路；所述的粗精双稳压方法，先对输入的高电压进行粗稳压，得到一个初步的稳定的低电压，再对低电压进行精确稳压，得到相对精确的内部供电电压。

3.根据权利要求1所述的单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制电路，其特征在于：采用可同步时钟方法，通过外接时钟信号，同步多个芯片的内部时钟，实现多芯片的并联使用和多电源热备份功能；采用双时钟方法，生成双路时钟，结合双路PWM方波生成电路，实现对有源箝位电压转换电路的PWM控制；采用重叠方波生成方法，生成带重叠时间的驱动方波，结合双路PWM方波生成电路，实现对有源箝位电压转换电路的软开关控制。

4.根据权利要求1所述的单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制电路，其特征在于：采用温度补偿方法，减小温度变化对电压信号的影响，实现低的温度漂移的基准电压输出；采用信号采样处理方法，对欠压、过流信号进行采样处理，实现对电路出现欠压、过流现象的保护。

5.根据权利要求1所述的单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制电路，其特征在于：所述的可同步双时钟振荡电路中：外电阻R1、运放N5及MOS管M3组成回路，生成充电电流，电流经电流镜镜像分别为电容C1、C2充电，MOS管M1与M2分别并联电容C1、C2，组成充电电路；

充电电路输出分别接比较器N1、N2正端，二者负端接基准电压VREF，比较器N1输出接入RS触发器R端；同步信号接入D触发器N3，输出与比较器N2输出共同接入或门，或门输出接入RS触发器S端；RS触发器正输出接入M2的栅极，RS触发器负输出接入M1的栅极与D触发器N4，除D触发器N4外组成比较电路；

RS触发器正输出与D触发器N4正输出接入与门，生成时钟信号CLK1，后接反向器生成其负时钟；RS触发器正输出与D触发器N4负输出接入另一与门，生成时钟信号CLK2，后接反向器生成其负时钟；除RS触发器外组成逻辑电路。

6.根据权利要求1所述的单芯片的宽电压可同步双路有源箝位控制电路，其特征在于：所述的有源箝位驱动电路将一个方波转换成一对有重叠时间的方波，一对有重叠时间的方波直接驱动有源箝位电压转换电路开关管；有源箝位驱动电路中的一路驱动电路产生主开关管控制信号OUTA，有源箝位驱动电路中的另一路产生有源箝位管控制信号OUTB；有源箝位驱动电路的输入方波信号同时进入有源箝位驱动电路中的两路驱动电路中，经由反向器后，信号对相应的电容进行充放电；当信号为低电平时，电容通过反向器直接接地；当出现高电平时，电容通过反向器充电，充电时间由充电电流决定。