CN105450023A - 一种开关管控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开关管控制电路，包括开关管、微分电路、比较器、控制电路；微分电路的输入端与开关管的漏极相连，微分电路的输出端与比较器的第一输入端相连，将开关管漏极电压发生变化时产生的微分电流进行采样；比较器的第二输入端输入电压预设阈值，比较器将微分电路的输出电压与电压预设阈值进行比较，比较器的输出端输出开关管控制信号。控制电路的输入端连接比较器的输出端、控制电路的输出端连接开关管的栅极，所述控制电路根据比较器输出的开关管控制信号，判断开关管漏极电压是否达到最小值，并在开关管的漏极电压达到最小值时控制开关管导通。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源领域，尤其涉及一种开关管控制电路。
背景技术
绝缘栅型场效应管(MetalOxideSemiconductorFET，简称MOSFET，或MOS管)常作为开关管应用于开关电源电路中。临界导通模式是开关电源的工作模式之一，发生在MOS管的关断周期，希望能在电感电流下降至零后、MOS管的漏极电压为最低时导通MOS管，这样可以最大程度地减少MOS管导通时的瞬间开关功耗，提高系统效率。因此，检测电路需要精确检测到MOS管的漏、源极电压之差最低的时刻。
请参考图1，目前一般的检测电路包括第一电感L1、第一续流二极管D1、第一开关MOS管Q1、比较器1和控制电路2，比较器1的负输入端连接第一开关管Q1的漏极、正输入端输入电压的预设阈值，控制电路2的输入端连接比较器1的输出端、输出端连接第一开关MOS管Q1的栅极。在第一开关MOS管Q1的关断周期内，比较器1对第一开关MOS管Q1的漏极电压与预设阈值进行比较，当第一开关MOS管Q1的漏极电压小于预设阈值时，比较器1输出第一开关MOS管Q1导通信号，控制电路2根据这一信号导通第一开关MOS管Q1，第一电感L1电流和第一开关MOS管Q1的漏极电压随第一开关MOS管Q1的导通、关断的变化关系如图2所示。
但是，第一开关MOS管Q1的漏极的电压的最小值会随应用电路的不同而变化，而比较器1的阈值为预设不能改变，请参考图3，检测电路有时会无法检测到电压的最低点，造成检测误差，影响系统效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种开关管控制电路，解决现有检测电路会出现无法检测到电压差最低点、造成检测误差、影响系统效率的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种开关管控制电路，包括开关管、微分电路、比较器；所述微分电路的输入端与开关管的漏极相连，微分电路的输出端与比较器的第一输入端相连，将开关管漏极电压发生变化时产生的微分电流进行采样；比较器的第二输入端输入电压预设阈值，比较器将微分电路的输出电压与电压预设阈值进行比较，比较器的输出端输出开关管控制信号。
可选的，还包括控制电路；所述控制电路的输入端连接比较器的输出端、控制电路的输出端连接开关管的栅极；所述控制电路根据比较器输出的开关管控制信号，判断开关管漏极电压是否达到最小值，并在开关管的漏极电压达到最小值时控制开关管导通。
可选的，所述比较器第二输入端输入的电压预设阈值小于零电位。
可选的，所述微分电路包括第一电阻和第一电容，所述第一电阻两端分别连接微分电路的输出端和零电位，所述第一电容的两端分别连接开关管的漏极和微分电路的输出端。
可选的，所述第一电阻两端分别连接开关管的栅极和零电位。
可选的，所述第一电容为开关管漏、栅极寄生电容。
可选的，所述微分电路还包括第一绝缘栅型场效应管，第一绝缘栅型场效应管的漏、源两极分别连接开关管的栅极和零电位，所述第一绝缘栅型场效应管的等效电阻为第一电阻。
可选的，所述控制电路包括边沿检测电路；所述边沿检测电路检测到下降沿后，输出控制信号，使开关管导通；所述边沿检测电路检测到上升沿后，延时一段时间，输出控制信号，使开关管导通。
可选的，所述控制电路还包括控制驱动电路、开关管导通开关、开关管关断开关；所述边沿检测电路的输入端为开关管控制电路的输入端，边沿检测电路和控制驱动电路顺序电连接，控制驱动电路的第一输出端连接开关管导通开关的控制端、控制驱动电路的第二输出端连接开关管关断开关的控制端；所述开关管导通开关的两端分别连接开关管的栅极和高电位，所述开关管关断开关的两端分别连接开关管的栅极和零电位；所述边沿检测电路检测比较器输出信号的下降沿，检测到下降沿后输出控制信号至控制驱动电路，控制驱动电路控制开关管导通开关导通、开关管关断开关关断，使开关管导通；所述边沿检测电路检测比较器输出信号的上升沿，检测到上升沿后，延时一段时间，输出控制信号至控制驱动电路，控制驱动电路控制开关管导通开关导通、开关管关断开关关断，使开关管导通。
可选的，所述开关管关断开关为第一绝缘栅型场效应管，所述第一绝缘栅型场效应管的漏极连接微分电路的输出端、源极连接零电位、栅极连接下降沿检测电路的第二输出端，所述第一绝缘栅型场效应管等效为所述微分电路的第一电阻。
与现有技术相比，本技术方案具有以下优点：
本发明的开关管控制电路包括开关管、微分电路、比较器；所述微分电路的输入端与开关管的漏极相连，微分电路的输出端与比较器的第一输入端相连，将开关管漏极电压发生变化时产生的微分电流进行采样；比较器的第二输入端输入电压预设阈值，比较器将微分电路的输出电压与电压预设阈值进行比较，比较器的输出端输出开关管控制信号。当开关管断开、电感电流下降为零后，开关管的漏极电压开始下降，此时本发明的微分电路会对漏极电压变化时在电容上产生的微分电流进行采样，通过检测微分电路的输出端的电压来确定开关管的漏极电压的最低点，在最低点时将开关管导通，最大程度减少开关损耗，提高系统效率。从而解决了现有的检测电路有时无法检测到电压差的最低点，造成检测误差、影响系统效率的问题。
本发明的微分电路包括第一电阻和第一电容，所述第一电阻两端分别连接微分电路的输出端和零电位，所述第一电容的两端分别连接开关管的漏极和微分电路的输出端。当开关管由导通状态切换到截止状态后，在电感电流下降为零之前，开关管的漏极电压为输入电压加上二极管的正向导通电压，并保持不变，此时微分电路输出电压为零，比较器输出低电平，当电感电流下降为零时，开关管的漏极电压开始下降，微分电路的输出电压小于零，当开关管的漏极电压下降斜率足够大时，微分电电路的输出电压将小于电压预设阈值，比较器输出高电平；当开关管的漏极电压减小至最低点时，微分电路的输出电压再次等于零且大于电压预设阈值，比较器再次输出低电平，此时控制电路输出开关管控制信号，将开关管导通。控制电路也可以在检测到比较器的上升沿后，延时一段时间，输出开关管控制信号，将开关管导通。从而在开关管漏极电压最低点附近开通MOS管，大大降低了开关损耗，提高系统效率，解决了现有的检测电路有时无法检测到电压差的最低点的问题。
附图说明
图1是现有检测电路的结构框图；
图2是现有检测电路的第一电感L1电流、第一开关MOS管Q1漏极电压的波形图；
图3是现有检测电路在实际应用中的第一电感L1电流、第一开关MOS管Q1漏极电压的波形图；
图4是本发明实施例一的开关管控制电路的结构框图；
图5是本发明实施例一的第二电感L2电流、第二开关MOS管Q2漏极电压、第一电阻R1两端电压、比较器输出电压之间的波形图；
图6是本发明实施例二的开关管控制电路的结构框图；
图7是本发明实施例三的开关管控制电路的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
实施例一
请参考图4，本发明实施例公开了一种开关管控制电路，包括第二电感L2、第二续流二极管D2、第二开关管Q2、负载、微分电路3、比较器4和控制电路5。
在本实施例中，第二开关管Q2为第二开关MOS管Q2。
在本实施例中，微分电路3包括第一电阻R1和第一电容C1，第一电阻R1的两端分别连接微分电路3的输出端和零电位，第一电容C1的两端分别连接第二开关MOS管Q2的漏极和微分电路3的输出端。
在本实施例中，比较器4的第一输入端连接微分电路3的输出端，比较器4的第二输入端输入电压预设阈值，电压预设阈值小于零电位。
在本实施例中，控制电路5的输入端连接比较器4的输出端，控制电路5的输出端连接第二开关MOS管Q2的栅极。控制电路5包括边沿检测电路6、控制驱动电路7、开关管导通开关S1、开关管关断开关S2。边沿检测电路6的输入端为控制电路5的输入端，边沿检测电路6和控制驱动电路7顺序电连接；控制驱动电路7的第一输出端连接开关管导通开关S1的控制端，控制驱动电路7的第二输出端连接开关管关断开关S2的控制端。开关管导通开关S1的两端分别连接第二开关MOS管Q2的栅极和高电位。开关管关断开关S2的两端分别连接第二开关MOS管Q2的栅极和零电位。在其它实施例中，开关管关断开关S2可以由一个栅极下拉MOS管代替，栅极下拉MOS管的漏极连接开关管的栅极、源极连接零电位、栅极连接控制驱动电路7的第二输出端。
在本实施例中，在电路中设有一个与第二电感L2并联的第二续流二极管D2。当第二开关MOS管Q2导通时，控制电路5中的开关管导通开关S1导通、开关管关断开关S2关断，第二电感L2的电流线性上升。当需要第二开关MOS管Q2关断时，开关管导通开关S1关断、开关管关断开关S2导通。当第二开关MOS管Q2完全关断后，开关管关断开关S2和开关管导通开关S1均断开。在第二开关MOS管Q2的关断周期中，第二电感L2与负载和第二续流二极管D2构成闭合回路，由于第二电感L2的电流不可突变，第二电感L2的电流经第二续流二极管D2和负载释放，经过一段时间后降低为0。
请参考图5，在第二电感L2电流下降为0之前，第二开关MOS管Q2的漏极电压为电源正极电压加上第二续流二极管D2的正向导通压降，并保持不变，因此第一电容C1两端电压为第二开关MOS管Q2漏极电压，第一电阻R1两端电压为0，即微分电路3的输出端电压为零电位。比较器4将微分电路3的输出电压与小于零电位的电压预设阈值进行比较后，输出低电平。
在第二电感L2电流下降为0之后，第一电容C1与第二电感L2、负载及第二续流二极管D2的寄生电容形成串联谐振，第二开关MOS管Q2的漏极电压下降，在第一电阻R1上产生微分电流，微分电流流过第一电阻R1，使第一电阻R1两端电压变为负值，即微分电路3的输出电压小于零电位。当第二开关MOS管Q2的漏极电压下降斜率足够大时，微分电路3的输出电压小于比较器4的电压预设阈值，比较器4输出高电平。
当第二开关MOS管Q2的漏极电压下降到最低点时，第一电容C1上产生的微分电流为0，第一电阻R1两端电压重新恢复为0，即微分电路3的输出电压为0，大于比较器4的电压预设阈值，比较器4的输出恢复为低电平。
控制电路5中的边沿检测电路6检测比较器4输出信号的下降沿，检测到下降沿后，输出控制信号至控制驱动电路7，控制驱动电路7控制开关管导通开关S1导通、开关管关断开关S2关断，使第二开关MOS管Q2导通。另一种开关方法为，控制电路5中的边沿检测电路6检测比较器4输出信号的上升沿，检测到上升沿后，延时一段时间，输出控制信号至控制驱动电路7，控制驱动电路7控制开关管导通开关S1导通、开关管关断开关S2关断，使第二开关MOS管Q2导通。
实施例二
请参考图6，本发明实施例公开了第二种控制电路，包括第二电感L2、第二续流二极管D2、第二开关管Q2、微分电路3、比较器4和控制电路5。
在本实施例中，第二开关管Q2为第二开关MOS管Q2。
在本实施例中，微分电路3包括第二电阻R2和第二开关MOS管Q2漏、栅极寄生电容Cgd，第二电阻R2的两端分别连接第二开关MOS管Q2的栅极和零电位。第二开关MOS管Q2的栅极同时作为微分电流检测电路3的输入端和输出端。
在本实施例中，比较器4的第一输入端连接第二开关MOS管Q2的栅极，比较器4的第二输入端输入电压预设阈值，电压预设阈值小于零电位。
在本实施例中，控制电路5的输入端连接比较器4的输出端，控制电路5的输出端连接第二开关MOS管Q2的栅极。控制电路5包括边沿检测电路6、控制驱动电路7、开关管导通开关S1、开关管关断开关S2。边沿检测电路6的输入端为控制电路5的输入端，边沿检测电路6和控制驱动电路7顺序电连接；控制驱动电路7的第一输出端连接开关管导通开关S1的控制端，控制驱动电路7的第二输出端连接开关管关断开关S2的控制端。开关管导通开关S1的两端分别连接第二开关MOS管Q2的栅极和高电位。开关管关断开关S2的两端分别连接第二开关MOS管Q2的栅极和零电位。在其它实施例中，开关管关断开关S2可以由一个栅极下拉MOS管代替，栅极下拉MOS管的漏极连接开关管的栅极、源极连接零电位、栅极连接控制驱动电路7的第二输出端。
在本实施例中，在电路中设有一个与第二电感L2并联的第二续流二极管D2。当第二开关MOS管Q2导通时，控制电路5中的开关管导通开关S1导通、开关管关断开关S2关断，第二电感L2的电流线性上升。当需要第二开关MOS管Q2关断时，开关管导通开关S1关断、开关管关断开关S2导通。当第二开关MOS管Q2完全关断后，开关管关断开关S2和开关管导通开关S1均断开。在第二开关MOS管Q2的关断周期中，第二电感L2与负载和第二续流二极管D2构成闭合回路，由于第二电感L2的电流不可突变，第二电感L2的电流经第二续流二极管D2和负载释放，经过一段时间后降低为0。
在第二电感L2电流下降为0之前，第二开关MOS管Q2的漏极电压为电源正极电压加上第二续流二极管D2的正向导通压降，并保持不变，第二开关MOS管Q2的栅极电压为零电位，因此第二开关MOS管Q2漏、栅极寄生电容Cgd两端电压为第二开关MOS管Q2的漏极电压，第二电阻R2两端电压为0，即微分电路3的输出端电压为零电位。比较器4将微分电路3的输出电压与小于零电位的电压预设阈值进行比较后，输出低电平。
在第二电感L2电流下降为0之后，第二开关MOS管Q2漏、栅极寄生电容Cgd与第二电感L2及第二续流二极管D2的寄生电容形成串联谐振，第二开关MOS管Q2的漏极电压下降，在第二电阻R2上产生微分电流，微分电流流过第二电阻R2，使第二电阻R2两端电压变为负值，即微分电路3的输出电压小于零电位。当第二开关MOS管Q2的漏极电压下降斜率足够大时，微分电路3的输出电压小于比较器4的电压预设阈值，比较器4输出高电平。
当第二开关MOS管Q2的漏极电压下降到最低点时，第二开关MOS管Q2漏、栅极寄生电容Cgd上产生的微分电流为0，第二电阻R2两端电压重新恢复为0，即微分电路3的输出电压为0，大于比较器4的电压预设阈值，比较器4的输出恢复为低电平。
控制电路5中的边沿检测电路6检测比较器4输出信号的下降沿，检测到下降沿后，输出控制信号至控制驱动电路7，控制驱动电路7控制开关管导通开关S1导通、开关管关断开关S2关断，使第二开关MOS管Q2导通。另一种开关方法为，控制电路5中的边沿检测电路6检测比较器4输出信号的上升沿，检测到上升沿后，延时一段时间，输出控制信号至控制驱动电路7，控制驱动电路7控制开关管导通开关S1导通、开关管关断开关S2关断，使第二开关MOS管Q2导通。
实施例三
请参考图7，本发明实施例公开了第三种控制电路，包括第二电感L2、第二续流二极管D2、负载、第二开关管Q2、微分电路3、比较器4和控制电路5。
在本实施例中，第二开关管Q2为第二开关MOS管Q2。
在本实施例中，控制电路5包括边沿检测电路6、控制驱动电路7、开关管导通开关S1和栅极下拉MOS管Q3。边沿检测电路6的输入端为控制电路5的输入端，边沿检测电路6和控制驱动电路7顺序电连接；控制驱动电路7的第一输出端连接开关管导通开关S1的控制端，控制驱动电路7的第二输出端连接栅极下拉MOS管Q3的栅极。开关管导通开关S1的两端分别连接第二开关MOS管Q2的栅极和高电位。栅极下拉MOS管Q3的漏极连接第二开关MOS管Q2的栅极、源极连接零电位。
在本实施例中，微分电路3包括控制电路5中的栅极下拉MOS管Q3的等效电阻R3和第二开关MOS管Q2漏、栅极寄生电容Cgd，第二开关MOS管Q2的栅极同时作为微分电流检测电路3的输入端和输出端。
在本实施例中，比较器4的第一输入端连接第二开关MOS管Q2的栅极，比较器4的第二输入端输入电压预设阈值，电压预设阈值小于零电位。控制电路5的输入端连接比较器4的输出端，控制电路5的输出端连接第二开关MOS管Q2的栅极。
在本实施例中，在电路中设有一个与第二电感L2并联的第二续流二极管D2。当第二开关MOS管Q2导通时，控制电路5中的开关管导通开关S1导通、开关管关断开关S2关断，第二电感L2的电流线性上升。当需要第二开关MOS管Q2关断时，开关管导通开关S1关断、开关管关断开关S2导通。当第二开关MOS管Q2完全关断后，开关管关断开关S2和开关管导通开关S1均断开。在第二开关MOS管Q2的关断周期中，第二电感L2与负载和第二续流二极管D2构成闭合回路，由于第二电感L2的电流不可突变，第二电感L2的电流经第二续流二极管D2和负载释放，经过一段时间后降低为0。
在第二电感L2电流下降为0之前，第二开关MOS管Q2的漏极电压为电源正极电压加上第二续流二极管D2的正向导通压降，并保持不变，第二开关MOS管Q2的栅极电压为零电位，因此第二开关MOS管Q2漏、栅极寄生电容Cgd两端电压为第二开关MOS管Q2的漏极电压，栅极下拉MOS管Q3的等效电阻R3两端电压为0，即微分电路3的输出端电压为零电位。比较器4将微分电路3的输出电压与小于零电位的电压预设阈值进行比较后，输出低电平。
在第二电感L2电流下降为0之后，第二开关MOS管Q2漏、栅极寄生电容Cgd与第二电感L2及第二续流二极管D2的寄生电容形成串联谐振，第二开关MOS管Q2的漏极电压下降，在栅极下拉MOS管Q3的等效电阻R3上产生微分电流，微分电流流过栅极下拉MOS管Q3的等效电阻R3，使栅极下拉MOS管Q3的等效电阻R3两端电压变为负值，即微分电路3的输出电压小于零电位。当第二开关MOS管Q2的漏极电压下降斜率足够大时，微分电路3的输出电压小于比较器4的电压预设阈值，比较器4输出高电平。
当第二开关MOS管Q2的漏极电压下降到最低点时，第二开关MOS管Q2漏、栅极寄生电容Cgd上产生的微分电流为0，栅极下拉MOS管Q3的等效电阻R3两端电压重新恢复为0，即微分电路3的输出电压为0，大于比较器4的电压预设阈值，比较器4的输出恢复为低电平。
控制电路5中的边沿检测电路6检测比较器4输出信号的下降沿，检测到下降沿后，输出控制信号至控制驱动电路7，控制驱动电路7控制开关管导通开关S1导通、栅极下拉MOS管Q3关断，使第二开关MOS管Q2导通。另一种开关方法为，控制电路5中的边沿检测电路6检测比较器4输出信号的上升沿，检测到上升沿后，延时一段时间，输出控制信号至控制驱动电路7，控制驱动电路7控制开关管导通开关S1导通、栅极下拉MOS管Q3关断，使第二开关MOS管Q2导通。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种开关管控制电路，其特征在于，包括开关管、微分电路、比较器；
所述微分电路的输入端与开关管的漏极相连，微分电路的输出端与比较器的第一输入端相连，将开关管漏极电压发生变化时产生的微分电流进行采样；
比较器的第二输入端输入电压预设阈值，比较器将微分电路的输出电压与电压预设阈值进行比较，比较器的输出端输出开关管控制信号。
2.如权利要求1所述的开关管控制电路，其特征在于，还包括控制电路；所述控制电路的输入端连接比较器的输出端、控制电路的输出端连接开关管的栅极；所述控制电路根据比较器输出的开关管控制信号，判断开关管漏极电压是否达到最小值，并在开关管的漏极电压达到最小值时控制开关管导通。
3.如权利要求1所述的开关管控制电路，其特征在于，所述比较器第二输入端输入的电压预设阈值小于零电位。
4.如权利要求1所述的开关管控制电路，其特征在于，所述微分电路包括第一电阻和第一电容，所述第一电阻两端分别连接微分电路的输出端和零电位，所述第一电容的两端分别连接开关管的漏极和微分电路的输出端。
5.如权利要求4所述的开关管控制电路，其特征在于，所述第一电阻两端分别连接开关管的栅极和零电位。
6.如权利要求5所述的开关管控制电路，其特征在于，所述第一电容为开关管漏、栅极寄生电容。
7.如权利要求5所述的开关管控制电路，其特征在于，所述微分电路还包括第一绝缘栅型场效应管，第一绝缘栅型场效应管的漏、源两极分别连接开关管的栅极和零电位，所述第一绝缘栅型场效应管的等效电阻为第一电阻。
8.如权利要求2所述的开关管控制电路，其特征在于，所述控制电路包括边沿检测电路；所述边沿检测电路检测到下降沿后，输出控制信号，使开关管导通；所述边沿检测电路检测到上升沿后，延时一段时间，输出控制信号，使开关管导通。
9.如权利要求8所述的开关管控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括控制驱动电路、开关管导通开关、开关管关断开关；
所述边沿检测电路的输入端为开关管控制电路的输入端，边沿检测电路和控制驱动电路顺序电连接，控制驱动电路的第一输出端连接开关管导通开关的控制端、控制驱动电路的第二输出端连接开关管关断开关的控制端；
所述开关管导通开关的两端分别连接开关管的栅极和高电位，所述开关管关断开关的两端分别连接开关管的栅极和零电位；
所述边沿检测电路检测比较器输出信号的下降沿，检测到下降沿后输出控制信号至控制驱动电路，控制驱动电路控制开关管导通开关导通、开关管关断开关关断，使开关管导通；
所述边沿检测电路检测比较器输出信号的上升沿，检测到上升沿后，延时一段时间，输出控制信号至控制驱动电路，控制驱动电路控制开关管导通开关导通、开关管关断开关关断，使开关管导通。
10.如权利要求9所述的开关管控制电路，其特征在于，所述开关管关断开关为第一绝缘栅型场效应管，所述第一绝缘栅型场效应管的漏极连接微分电路的输出端、源极连接零电位、栅极连接下降沿检测电路的第二输出端，所述第一绝缘栅型场效应管等效为所述微分电路的第一电阻。
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