CN106787633B - 隔离驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明应用于功率开关管驱动领域，涉及需要隔离的开关电源原边副边功率开关管驱动电路并行而成的隔离驱动系统。隔离驱动电路包括第一电容、第二电容、二极管、功率开关管、电阻。所述第一电容的负极引出作为隔离驱动电路的输入端，用于连接原边控制芯片的输出端，所述二极管的阴极与所述第一电容的正极连接，所述二极管的阳极与所述第二电容的正极相连，所述功率开关管的栅极通过一电阻连接于二极管的阴极，所述功率开关管的源极连接于第二电容的正极。本发明采用电容替代传统的隔离变压器，简化了驱动电路的结构，缩小了驱动电路体积，节约了成本，且该驱动电路还可实现多个支路并联，为变换器模块并行提供驱动，实现了开关电源驱动的有效隔离。

Description

隔离驱动系统

技术领域

本发明涉及开关电源的功率开关管驱动领域，特别涉及一种需要隔离的开关电源原边副边功率开关管的隔离驱动电路及隔离驱动系统。

背景技术

在实际应用中，由于电气隔离的需求，控制芯片与功率管之间存在一定电压差，例如开关电源中原边控制芯片与副边同步整流管之间存在着电压差，此时，需要对控制芯片产生的控制信号进行隔离传输。

如图1为传统的功率开关管磁隔离驱动电路，其运用的隔离驱动电路主要由控制系统、隔直电容C1、驱动变压器T1、电平转移电容C2、续流二极管D1及电阻R1构成。

该传统的磁隔离驱动电路存在固有的缺陷。比如：1、整个驱动电路的体积过大、元器件过多，对于追求小体积的开关电源是相悖的；2、驱动电路的占空比不能过大，否则驱动变压器易饱和，且驱动变压器易受温度的影响，温度越高，其更易趋于饱和状态；3、在控制系统异常时，功率开关管易接收误动作。如控制系统在异常而突然由开通动作转换为关断动作时，隔直电容C1与驱动变压器原边电感发生谐振而使其原边电感端电压下降，副边驱动变压器端电压也相应降低，而电平转移电容C2的端电压为左负右正，先通过续流二极管D1短暂充电后经功率开关管G-S端的结电容放电，功率开关管G-S端的电压易飘高至其开启电压，导致功率开关管误动作，此现象对于输入电压比较严谨的用户后端来讲是具有破坏性和不可恢复性的。

中国专利号为201210528787.X的一项专利解决了功率开关管误导通的问题。如图2为其基于传统的磁隔离驱动电路的基础上添加了新的工作电路——电平转移电容的快速泄放电路。当控制系统因异常而停止工作时，电平转移电容的端电压能快速通过泄放电路降低其端电压，避免了功率开关管的误导通。电平转移电容C2的端电压快速泄放电路包含NPN三极管TR1、TR2、TR3、光耦U1、稳压二极管ZD1、电容C3、电阻R2、R3、R4和直流电压源VCC1；但是，该改良的磁隔离驱动电路依然存在一些不足，除了传统磁隔离电路的固有缺陷外，其又新添加了元器件，增加了体积和成本；从产品寿命角度来讲，光耦的工作时长降低了整个电路整体的寿命。

中国专利号为201110079238.4的一项专利用了光耦实现了对信号的传输。其组成由PNP三极管管Q1、NPN三极管管Q2、电阻R1、R2、R3、电阻R4、R5、……Rn+1和光耦U1-Un。虽然电路简单，但是其依然存在一些不足如：1、初始信号比较容易衰减；2、原边与副边不能够实现信号的有效隔离；3、光耦的正常工作时长影响了整个电路的使用寿命。其工作电路如图3所示。

综上，即现有隔离驱动电路的不足主要有体积较大、不能工作在高频、宽占空比范围状态、成本高、电路工作周期有限和电路寿命不长等。

发明内容

有鉴于此，本申请要解决现有隔离开关管驱动电路所存在的不足，提供一种体积小、成本低、可工作在高频、宽占空比状态、控制简单的隔离驱动电路。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术措施实现的：

一种隔离驱动电路，用于开关电源中原边控制芯片与功率开关管之间的隔离传输控制，采用电容作为隔离器件，包括第一电容、第二电容、二极管和电阻；第一电容的负极引出作为隔离驱动电路的首端输入端，用于连接产生PWM控制信号的控制系统输出端(Out管脚)；第一电容的正极与电阻的一端连接，电阻的另一端引出作为隔离驱动电路的第一输出端，用于连接功率开关管的驱动脚；第一电容的正极还与二极管的阴极连接，二极管的阳极引出作为隔离驱动电路的第二输出端，用于与功率开关管的源极连接；二极管的阳极还与第二电容的正极连接，第二电容的负极引出作为隔离驱动电路的末端输入端(Gnd管脚)，用于接地。

优选的，所述第一电容为贴片陶瓷电容；第二电容为贴片陶瓷电容、电解电容或超级充电电容。

优选的，所述隔离驱动电路在瞬态下，当功率开关管由关断转为开通时，第一电容、电阻、功率开关管的极间电容与第二电容形成回路，此时，第一电容端电压、第二电容端电压保持不变，功率开关管的极间电容经电阻被充电，待充电至功率开关管的开启电压时，功率开关管导通并开始进入稳定工作状态；当功率开关管由开通转为关断时，功率开关管极间电容电荷通过电阻、第一电容放电至零，此时，第一电容、第二电容与二极管形成回路，功率开关管栅源端电压被钳位在二极管的正向导通压降范围内。

本发明还提供一种隔离驱动系统，适用于串联连接的负载电容组中各个负载电容的开关电源中原边控制芯片与功率开关管之间的隔离传输控制，包括若干上述的隔离驱动电路、原边控制芯片、功率开关管和负载电容，所述隔离驱动电路省去第二电容，每一隔离驱动电路与一负载电容组合形成一驱动模块电路，每一驱动模块电路中作为隔离驱动电路第二输出端的二极管的阳极与负载电容的正极连接，负载电容的负极与下一驱动模块电路中负载电容的正极连接，负载电容组的最后一个负载电容的负极接地。

本发明再提供一种隔离驱动系统，适用于串联连接的负载电容组中各个负载电容的开关电源中原边控制芯片与功率开关管之间的隔离传输控制，包括若干上述的隔离驱动电路、原边控制芯片、功率开关管和负载电容，每一隔离驱动电路与一负载电容组合形成一驱动模块电路，每一驱动模块电路中作为隔离驱动电路第二输出端的二极管的阳极与负载电容的正极连接，负载电容的负极与下一驱动模块电路中负载电容的正极连接，负载电容组的最后一个负载电容的负极接地。

本发明提供了一种隔离驱动电路，可以有效的减小驱动电路体积，并且可使控制端PWM控制信号占空比的范围更宽，满足了高频下MOS管正常稳定驱动的功能。

附图说明

图1为传统的驱动功率开关管磁隔离电路原理图；

图2为改良后隔离驱动电路原理图；

图3为利用光耦实现信号传输电路原理图；

图4为本发明第一实施例隔离驱动电路原理图；

图5为本发明电路输出时序逻辑原理图；

图6为本发明第二实施例隔离驱动电路多个并行组合应用的电路原理图。

具体实施方式

本发明实施案例一

请参考图4，本发明的一种隔离驱动电路包括产生PWM控制信号的控制系统、场效应管Q1、电容C1、电容C2、二极管D1及电阻R1，产生PWM控制信号的控制系统又可称为原边控制芯片，图中主要示出其输出端Out和接地端Gnd。场效应管Q1为功率开关管，采用N沟道增强型MOS管，电容C1、电容C2为隔离电容，电容C1的负极引出作为隔离驱动电路的首端输入端，用于连接产生PWM控制信号的控制系统的输出端(Out管脚)；电容C1的正极与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端引出作为隔离驱动电路的第一输出端，用于连接功率开关管Q1的驱动脚，功率开关管Q1的驱动脚即其栅极；电容C1的正极还与二极管D1的阴极连接，二极管D1的阳极引出作为隔离驱动电路的第二输出端，用于与功率开关管Q1的源极连接；二极管D1的阳极还与电容C2的正极连接，电容C2的负极引出作为隔离驱动电路的末端输入端，用于与控制系统U的接地端(Gnd管脚)共同连接系统地。

隔离驱动电路的工作原理如下：

当控制系统正常工作时，产生PWM控制信号的控制系统的输出端Out输出正常稳定的PWM控制信号，隔离驱动电路启动工作。瞬态时，控制系统的Out管脚由低电平信号(关断信号幅值记为0V)调节至高电平信号(开通信号幅值记为V_in)时，控制系统、电容C1、电阻R1、功率开关管Q1的输入电容Ciss(功率开关管的G-S端电容)与电容C2形成闭环回路，此时，电容C1端电压(记为V_c1)、电容C2端电压(记为V_c2)保持不变，功率开关管的输入电容Ciss经电阻R1被充电，待充电至其开启电压(V_iss＝V_G-S(th))时，功率开关管导通进入稳态并开始稳定工作。开通期间(即Ton段)功率开关管工作端电压可由公式1来表示。

当PWM控制信号由开通状态转为关断状态时(由Ton段转为Toff段)，即输入端由高电平(开通信号幅值记为Vin)调节为低电平(关断信号幅值记为0V),功率开关管输入电容Ciss电荷通过电阻R1、电容C1放电至零。此时，电容C1、电容C2与二极管D1构成闭环回路，功率开关管G-S端电压被钳位在二极管D1的正向导通压降范围内。驱动电路此时处于关断状态，功率开关管具体工作端电压可由公式2、3来表示。

在Ton段内：V_in-V_c1-V_R1-V_c2＝V_G-S (1)

在Toff段内：V_c2-V_D1-V_c1＝0 (2)

V_R1-V_D1＝V_G-S (3)

驱动电阻R1阻值较小，其端电压VR1可忽略不计(V_R1≈0)，二极管压降V_D1＝V_d(举例来讲，如其可约等于0.7V)。故由公式1至3可得：在Ton段内：V_G-S＝Vin-0.7(V)；在Toff段内：V_G-S＝-0.7(V)。时序逻辑波形示意图见图5所示。

由电磁感应定律可知，变压器的工作磁场强度与其开通工作的导通时间有关，具体表达式如公式4、5所示。可知，变压器隔离的驱动电路开通时间越长，即工作的占空比越大，变压器的磁场强度越高，最终或达到变压器磁材的最大磁场强度而使其饱和，导致变压器隔离驱动方案失效。本隔离驱动电路的方案正是采用电容隔离取代变压器隔离，消除了此影响，使其能够工作在较大的占空比范围，亦是本案例能够实施的最关键因素。

N*Ae*ΔB＝V*Δt (4)

由式4可推出

其中，N代表绕制驱动变压器的原边匝数；Ae代表的是驱动变压器的磁芯截面积；ΔB代表驱动变压器的工作磁场强度；Δt代表驱动变压器激磁时间；D代表驱动变压器工作周期的占空比。

综上，当产生PWM控制信号的控制系统因异常而停止工作时，由于电容C2电荷量多于电容C1的电荷量，故其会通过二极管D1构成电荷转移回路，即使电容C1电荷通过功率开关管G-S端自放电，但是电容C2很好的通过二极管D1再次对电容C1建立新的平衡，功率开关管Q1的G-S端电压始终被钳位在二极管D1的正向导通压降电压范围内，使功率开关管Q1可靠关断，避免了控制系统因异常而停止工作时功率开关管误导通的危险动作。

本发明实施案例二

请参考图6，为本发明隔离驱动电路的多个并行组合应用的电路原理图，一种隔离驱动系统，其中每一隔离驱动电路与一原边控制芯片、一功率开关管及一负载电容组合形成一驱动模块电路，多个驱动模块并联连接。为描述方便，图6中各驱动模块编号和元器件代号按一定规则进行编码，其中第一个数字表示元器件代号，第二个数字表示模块编号，如电容C11，第一个1代表C1电容(或称为第一电容)，第二个1表示为第一个驱动模块中的C1电容；电容C12表示是第二个驱动模块中的第一电容；电容21表示是第一模块中的电容C2，电容22表示是第二驱动模块中的电容C2。需注意的是，为方便起见，下文在某此场合下可能省略其中表示模块编号的第二个数字，而仅保留作为元器件代号的第一个数字。以下详细说明。

本发明隔离驱动电路多个并行组合而成的隔离驱动电路系统，可由第一驱动模块、第二驱动模块…第N驱动模块并行组合而成。第一驱动模块包括产生PWM控制信号的控制系统U1(主要示出其输出端Out和接地端Gnd)、场效应管Q11、电容C21和第一隔离驱动电路。电容C21为负载电容，可以是超级电容，或是电池组的单个充电电池单元。第一隔离驱动电路包括电容C11、二极管D11及电阻R11。场效应管Q11为N沟道增强型功率MOS管。其中，电容C11为隔离电容，电容C11的负极引出作为第一驱动模块电路的首端输入端，用于连接产生PWM控制信号的控制系统输出端(Out管脚)；电容C11的正极与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端引出作为第一驱动模块电路的第一输出端，用于连接功率开关管Q11的驱动的漏极；电容C11的正极还与二极管D11的阴极连接，二极管D11的阳极引出作为第一驱动模块电路的第二输出端，用于与功率开关管Q11的源极连接；二极管D11的阳极还与电容C21的正极连接，电容C21的负极引出作为中间输入端，用于连接下一驱动模块中负载电容的正极，或者说，此时电容C21的负极是作为浮地端，用于与下一驱动模块连接；PWM控制信号的控制系统U1的接地端Gnd连接于系统的地。

第二驱动模块包括产生PWM控制信号的控制系统U2(主要示出输出端Out和Gnd)、场效应管Q12、电容C22和第二隔离驱动电路。电容C22为负载电容，可以是超级电容，或是电池组的单个充电电池单元。第二隔离驱动电路包括电容C12、二极管D12及电阻R12。场效应管Q12为N沟道增强型功率MOS管。其中，电容C12的正极与电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端引出作为第一驱动模块电路的第一输出端，用于连接功率开关管Q12的驱动的漏极；电容C12的正极还与二极管D12的阴极连接，二极管D12的阳极引出作为第一驱动模块电路的第二输出端，用于与功率开关管Q12的源极连接；二极管D12的阳极还与电容C22的正极连接，电容C22的负极引出作为中间输入端，用于连接下一驱动模块中负载电容的正极，或者说，此时电容C22的负极是作为浮地端，用于与下一驱动模块连接；PWM控制信号的控制系统U2的接地端Gnd连接于系统的地。

第N驱动模块包括产生PWM控制信号的控制系统Un(主要示出输出端Out和Gnd)、场效应管Q1n、电容C2n和第N隔离驱动电路。电容C2n为负载电容，可以是超级电容，或是电池组的单个充电电池单元。第N隔离驱动电路包括电容C1n、二极管D1n及电阻R1N。场效应管Q1n为N沟道增强型功率MOS管。其中，电容C1n的正极与电阻R1n的一端连接，电阻R1n的另一端引出作为第一驱动模块电路的第一输出端，用于连接功率开关管Q1n的驱动的漏极；电容C1n的正极还与二极管D1n的阴极连接，二极管D1n的阳极引出作为第一驱动模块电路的第二输出端，用于与功率开关管Q1n的源极连接；二极管D1n的阳极还与电容C2n的正极连接，电容C2n的负极引出作为隔离驱动电路的末端输入端，用于与控制系统Un的接地端Gnd共同连接系统的地。作为末端电容的负载电容C2n的作用有两个：1、作为原、副边的隔离；2、承受隔离电压，并钳制隔离电容C1n的电压，如此才能保证此末端电容C2n与电容C1n的压差永远处于一个二极管压降。

其工作原理同实施例一，这里不再赘述。

通过多个隔离驱动电路的并联，一方面可实现多个电源转换模块的同步驱动，且相互不形成干扰，应用场合如超级电容充电场合的均衡电路等；另一方面借助负载电容，省去了单一隔离驱动电路的隔离电容C2，精简了隔离驱动系统的结构。

具体到隔离驱动系统中，单一隔离驱动电路中的电容C2，借助系统中的串联电容组的实现方式，比如第一驱动模块中的电容C2的功能相当于串联的电容C21、C22、C23……C2n的功能；第二驱动模块中的电容C2的功能相当于串联的电容C22、C23……C2n的功能；以此类推，第N驱动模块中的电容C2的功能即相当于串联的电容C2n的功能。

由于隔离驱动系统是由多个独立的驱动模块并联而成，即系统中各驱动模块的隔离驱动电路与单一隔离驱动电路基本相同，单一隔离驱动电路的有益效果在系统中也同样有效。即当产生PWM控制信号的控制系统因异常而停止工作时，由于电容C2电荷量多于电容C1的电荷量，故其会通过二极管D1构成电荷转移回路，即使电容C1电荷通过功率开关管G-S端自放电，但是电容C2很好的通过二极管D1再次对电容C1建立新的平衡，功率开关管Q1的G-S端电压始终被钳位在二极管D1的正向导通压降电压范围内，使功率开关管Q1可靠关断，避免了控制系统因异常而停止工作时功率开关管误导通的危险动作。

隔离驱动电路中的电容C2，可以借助负载电容来精简系统，也可不精简，以电路设计的实际需要为准。

以上只是本发明的优选实施方案，应当说明的是，上述实施方案不应视为对本发明的限制，对于本技术领域的技术人员来讲，在不脱离本发明的宗旨和范围内，还能做出若干的改进和润饰，如PWM控制信号可由控制端直接输出，也可由控制端通过反向控制模块后输出、为钳制功率开关管可将二极管置换为稳压二极管及在功率开关管G-S端并联一电阻等，这些改进和润饰也应视为本发明的有效保护范围，本发明的保护范围应当以权力要求书所设定的范围为准。

Claims (6)

1.一种隔离驱动系统，适用于串联连接的负载电容组中各个负载电容的开关电源中原边控制芯片与功率开关管之间的隔离传输控制，包括若干隔离驱动电路，采用电容作为隔离器件，包括第一电容和第二电容，还包括二极管和电阻，第一电容的负极引出作为隔离驱动电路的首端输入端，用于连接原边控制芯片的输出端；第一电容的正极与电阻的一端连接，电阻的另一端引出作为隔离驱动电路的第一输出端，用于连接功率开关管的驱动脚；第一电容的正极还与二极管的阴极连接，二极管的阳极引出作为隔离驱动电路的第二输出端，用于与功率开关管的源极连接；二极管的阳极还与第二电容的正极连接，第二电容的负极引出作为隔离驱动电路的末端输入端，用于接地；其特征在于：所述隔离驱动电路省去第二电容，若干隔离驱动电路并联使用，每一隔离驱动电路中二极管的阳极用于与负载电容的正极连接，负载电容的负极与下一驱动模块电路中负载电容的正极连接，负载电容组的最后一个负载电容的负极接地。

2.一种隔离驱动系统，适用于串联连接的负载电容组中各个负载电容的开关电源中原边控制芯片与功率开关管之间的隔离传输控制，包括若干隔离驱动电路，采用电容作为隔离器件，包括第一电容和第二电容，还包括二极管和电阻，第一电容的负极引出作为隔离驱动电路的首端输入端，用于连接原边控制芯片的输出端；第一电容的正极与电阻的一端连接，电阻的另一端引出作为隔离驱动电路的第一输出端，用于连接功率开关管的驱动脚；第一电容的正极还与二极管的阴极连接，二极管的阳极引出作为隔离驱动电路的第二输出端，用于与功率开关管的源极连接；二极管的阳极还与第二电容的正极连接，第二电容的负极引出作为隔离驱动电路的末端输入端，用于接地；其特征在于：若干隔离驱动电路并联使用，每一隔离驱动电路中二极管的阳极用于与负载电容的正极连接，负载电容的负极与下一驱动模块电路中负载电容的正极连接，负载电容组的最后一个负载电容的负极接地。

3.根据权利要求2所述的隔离驱动系统，其特征在于：所述隔离驱动电路在瞬态下，

当功率开关管由关断转为开通时，第一电容、电阻、功率开关管的极间电容与第二电容形成回路，此时，第一电容端电压、第二电容端电压保持不变，功率开关管的极间电容经电阻被充电，待充电至功率开关管的开启电压时，功率开关管导通并开始进入稳定工作状态；

当功率开关管由开通转为关断时，功率开关管极间电容电荷通过电阻、第一电容放电至零，此时，第一电容、第二电容与二极管形成回路，功率开关管栅源端电压被钳位在二极管的正向导通压降范围内。

4.一种隔离驱动系统，包括若干原边控制芯片、功率开关管、负载电容和隔离驱动电路，若干负载电容串联形成负载电容组，隔离驱动电路，采用电容作为隔离器件，包括第一电容和第二电容，还包括二极管和电阻，第一电容的负极引出作为隔离驱动电路的首端输入端，用于连接原边控制芯片的输出端；第一电容的正极与电阻的一端连接，电阻的另一端引出作为隔离驱动电路的第一输出端，用于连接功率开关管的驱动脚；第一电容的正极还与二极管的阴极连接，二极管的阳极引出作为隔离驱动电路的第二输出端，用于与功率开关管的源极连接；二极管的阳极还与第二电容的正极连接，第二电容的负极引出作为隔离驱动电路的末端输入端，用于接地；其特征在于：所述隔离驱动电路省去第二电容，每一隔离驱动电路与一原边控制芯片、一功率开关管及一负载电容组合形成一驱动模块电路，若干驱动模块并联连接，每一驱动模块电路中二极管的阳极与负载电容的正极连接，负载电容的负极与下一驱动模块电路中负载电容的正极连接，负载电容组的最后一个负载电容的负极接地。

5.一种隔离驱动系统，包括若干原边控制芯片、功率开关管、负载电容和隔离驱动电路，若干负载电容串联形成负载电容组，隔离驱动电路，采用电容作为隔离器件，包括第一电容和第二电容，还包括二极管和电阻，第一电容的负极引出作为隔离驱动电路的首端输入端，用于连接原边控制芯片的输出端；第一电容的正极与电阻的一端连接，电阻的另一端引出作为隔离驱动电路的第一输出端，用于连接功率开关管的驱动脚；第一电容的正极还与二极管的阴极连接，二极管的阳极引出作为隔离驱动电路的第二输出端，用于与功率开关管的源极连接；二极管的阳极还与第二电容的正极连接，第二电容的负极引出作为隔离驱动电路的末端输入端，用于接地；其特征在于：每一隔离驱动电路与一原边控制芯片、一功率开关管及一负载电容组合形成一驱动模块电路，若干驱动模块并联连接，每一驱动模块电路中二极管的阳极与负载电容的正极连接，负载电容的负极与下一驱动模块电路中负载电容的正极连接，负载电容组的最后一个负载电容的负极接地。

6.根据权利要求5所述的隔离驱动系统，其特征在于：所述隔离驱动电路在瞬态下，

当功率开关管由关断转为开通时，第一电容、电阻、功率开关管的极间电容与第二电容形成回路，此时，第一电容端电压、第二电容端电压保持不变，功率开关管的极间电容经电阻被充电，待充电至功率开关管的开启电压时，功率开关管导通并开始进入稳定工作状态；

当功率开关管由开通转为关断时，功率开关管极间电容电荷通过电阻、第一电容放电至零，此时，第一电容、第二电容与二极管形成回路，功率开关管栅源端电压被钳位在二极管的正向导通压降范围内。