CN107742971A - 一种驱动电路及开关电源电路 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种驱动电路及开关电源电路，该驱动电路应用于反激型，正激型等开关电源电路，通过高通滤波器检测开关电源电路变压器原边侧功率开关的开通时刻，并由斜坡电容计时功率开关工作的当前周期，维持电容存储功率开关工作的过往周期时间，再通过锁频比较器在功率开关开通前，关断同步整流功率场效应晶体管。本发明实施例提供的一种驱动电路及开关电源电路，能够使开关电源电路变压器副边侧同步整流功率场效应晶体管在变压器原边侧功率开关开通前关断，适用于定频驱动的开关电源电路，避免了同步整流功率场效应晶体管的硬关断，提升了开关电源效率，降低了同步整流功率场效应晶体管的电压电流应力，提升了系统可靠性。

Description

一种驱动电路及开关电源电路
技术领域
本发明实施例涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种驱动电路及开关电源电路。
背景技术
传统的开关电源输出侧整流使用的是二极管，但二极管有正向压降，因此开关电源效率会受到限制。同步整流技术利用场效应晶体管替代二极管，并设计合理的电路驱动场效应晶体管的开通与关断，模拟二极管的工作特性，并且较二极管更具正向开通性，从而可改善开关电源的效率。
当前，对于开关电源电路中的场效应晶体管的控制，往往通过检测场效应晶体管的漏极和源级之间的电压，判断场效应晶体管所需的通断状态，其中，当其漏源电压高于预设阈值时，需开通场效应晶体管；当其漏源电压低于预设阈值时，需关断场效应晶体管。通常场效应晶体管的关断速度会受到集成电路中比较器速度和驱动速度的限制，因而，场效应晶体管的关断速度一般在几十纳秒数量级。在开关电源中变压器电流断续工作模式情况下，同步整流功率场效应晶体管中的电流可以缓慢地下降至零；但是当变压器电流为连续工作模式时，在开关电源的原边功率开关开通瞬间，场效应晶体管的电流迅速下降，而此时对场效应晶体管进行通断控制的驱动电路，无法满足此状态下场效应晶体管的快速关断。
因此，对于现有的采用集成电路对开关电源电路中场效应晶体管的控制中，在开关电源电路中变压器电流连续工作模式情况下，需采用硬关断的方式实现场效应晶体管的关断，这将影响开关电源的整体效率，同时，也造成场效应晶体管的漏源电压产生大的尖刺。
发明内容
有鉴于此，为提升场效应晶体管的关断检测速度和驱动速度，本发明实施例提供了一种驱动电路及开关电源电路，能够解决现有技术中对开关电源电路中场效应晶体管的控制不够及时，造成场效应晶体管中源漏电压的不稳定，从而影响开关电源的功率输出效率的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种驱动电路，应用于开关电源电路，所述开关电源电路包括：一变压器，一同步整流功率场效应晶体管，所述驱动电路包括：
一高通滤波器，所述高通滤波器的输入信号为所述同步整流功率场效应晶体管漏极的电信号；
一参考电流源连接一斜坡电容，一第一开关，所述第一开关在每次所述高通滤波器输出信号时将所述斜坡电容放电；
一第二开关和一维持电容，所述第二开关在每次所述高通滤波器输出信号时将所述斜坡电容与所述维持电容并联；
一锁频比较器，所述锁频比较器比较所述维持电容和所述斜坡电容的电压信号，并在所述锁频比较器翻转时，关断所述同步整流功率场效应晶体管。
可选的，所述锁频比较器的同相输入端输入的信号与反相输入端输入的信号之间具有偏差，用于在所述锁频比较器同相输入端和反相输入端输入的电信号之差在设定阈值范围内时，控制所述锁频比较器的输出信号进行翻转。
可选的，所述驱动电路还包括：一电阻和一偏差电流源；
所述电阻的阻值对所述偏差电流源进行分压，以控制所述锁频比较器的输入端偏差。
可选的，所述驱动电路还包括：一延时模块；
所述延时模块用于对所述高通滤波器输入所述第一开关的信号进行延时，控制所述第一开关的通断，以使所述斜坡电容充放电。
可选的，所述驱动电路还包括：一关断比较器；
所述关断比较器在检测到所述同步整流功率场效应晶体管中电流下降至预设阈值时，关断所述同步整流功率场效应晶体管。
可选的，所述驱动电路还包括：一或门；
所述锁频比较器的输出信号和所述关断比较器的输出信号分别输入所述或门的输入端，以使所述或门根据所述锁频比较器和所述关断比较器的输出信号，控制所述同步整流功率场效应晶体管的关断。
可选的，所述驱动电路还包括：一开通判定单元；
所述开通判定单元用于检测所述同步整流功率场效应晶体管的源漏极电压信号，以控制所述同步整流功率场效应晶体管的开通。
可选的，所述驱动电路还包括：一RS触发器；
所述RS触发器的置位端连接所述开通判定单元的输出信号，所述RS触发器的复位端连接所述或门的输出信号，用于根据所述开通判定单元和所述或门的输出信号控制所述同步整流功率场效应晶体管的通断。
可选的，所述驱动电路还包括：一驱动单元；
所述驱动单元的输入端连接所述RS触发器的输出端，所述驱动单元的输出端连接所述同步整流功率场效应晶体管的栅极。
可选的，所述驱动电路还包括：一内部电源和一供电电容；
所述内部电源在所述同步整流功率场效应晶体管关断时，对所述开关电源电路的变压器副边侧绕组输出的电信号进行转换后，对所述供电电容充电，以为所述驱动电路提供电信号。
可选的，所述高通滤波器包括：结型场效应晶体管、场效应晶体管、第一电阻、第二电阻、滤波电容、以及偏压电源；
当所述同步整流功率场效应晶体管的漏极电压信号快速上升时，所述结型场效应晶体管的输出电压也快速上升，使所述场效应晶体管的栅源电压升高，以将所述场效应晶体管开通，并在所述第二电阻上产生一脉冲信号。
第二方面，本发明实施例还提供了一种开关电源电路，至少包括：一变压器和一同步整流功率场效应晶体管；
所述开关电源电路的所述同步整流功率场效应晶体管采用采用上述驱动电路进行驱动。
本发明实施例提供了一种驱动电路及开关电源电路，该驱动电路应用于开关电源电路，该开关电源电路设置有一变压器和一同步整流功率场效应晶体管，该驱动电路包括一高通滤波器、一参考电流源、一斜坡电容、一维持电容，一第一开关、一第二开关、以及一锁频比较器，其中，高通滤波器的输入信号为开关电源电路中同步整流功率场效应晶体管的漏极电信号，参考电流源连接斜坡电容，为斜坡电容充电，并在每次高通滤波器输出信号时第一开关开通，使得斜坡电容放电，而第二开关在每次高通滤波器输出信号时将斜坡电容与维持电容并联，并采用锁频比较器比较维持电容电压和斜坡电容电压，在锁频比较器翻转时，关断开关电源电路中同步整流功率场效应晶体管，由此，解决了现有技术中对开关电源电路中场效应晶体管的控制不够及时，影响开关电源的功率转换效率的技术问题。本发明实施例通过驱动电路对开关电源电路中同步整流功率场效应晶体管进行控制，从而使得同步整流功率场效应晶体管能够及时的执行通断动作，提高开关电源电路的功率转换效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种驱动电路的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种驱动电路的工作时序图；
图3是本发明实施例提供的一种高通滤波器的具体电路结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种开关电源电路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的目的在于，通过驱动电路的设计，在开关电源电路原边侧功率开关导通之前，预关断同步整流功率场效应晶体管，同步整流功率场效应晶体管关闭之后，其寄生二极管导通，因此，实现了原边侧和副边侧功率开关之间的死区，避免同步整流功率场效应晶体管的硬关断。
本发明实施例提供的驱动电路可应用于开关电源电路，能够对开关电源电路中同步整流场效应晶体管的通断进行控制。图1是本发明实施例提供的一种驱动电路的结构示意图。如图1所示，该驱动电路10应用与开关电源电路，该开关电源电路包括：一变压器T(图1中示出的是变压器T的副边侧绕组)、一同步整流功率场效应晶体管M1，M1和变压器T的副边侧绕组串联。
驱动电路10包括：一内部电源18，该内部电源18在同步整流功率场效应晶体管M1关闭时，即同步整流功率场效应晶体管M1漏极电压Vd电压较高时，向供电电容C3充电，使供电电容C3上的电荷提供给驱动电路10及同步整流功率场效应晶体管M1驱动使用。
一高通滤波器11，该高通滤波器11的输入端为同步整流功率场效应晶体管M1的漏极，在原边侧功率开关导通瞬间，同步整流功率场效应晶体管M1的漏极电压Vd迅速上升，高通滤波器11检测到漏极电压Vd的迅速上升沿时，输出一个脉冲信号。
可选的，该驱动电路10还包括一延时模块14，该延时模块14的输入信号为高通滤波器11的输出信号，延时模块14的输出端连接一第一开关12的控制端。延时模块14使高通滤波器11的输出信号增加若干延时。
一参考电流源Iref，参考电流源Iref向一斜坡电容C1充电，第一开关12的两端与斜坡电容C1并联。当第一开关12导通时，斜坡电容C1放电。
高通滤波器11的输出信号同时连接一第二开关13的控制端。第二开关13的两端分别连接斜坡电容C1和一维持电容C2。当第二开关13导通时，斜坡电容C1和维持电容C2并联。
一锁频比较器U1，该锁频比较器U1的两个输入端分别连接斜坡电容C1和维持电容C2，锁频比较器U1对其两个输入端信号进行比较，并且带有一可调节的偏差电压Voffset。锁频比较器U1的输出端连接一或门OR的一个输入端。
一偏差电流源It，该偏差电流源It连接一电阻R1，并且在电阻R1上产生一个电压，该电压可控制锁频比较器U1的输入偏差电压Voffset，因此，锁频比较器U1的偏差电压Voffset可以由电阻R1的阻值设定。
一关断比较器15，该关断比较器15的输入信号为同步整流功率场效应晶体管M1的漏极。关断比较器15的输出信号连接或门OR的一个输入端；或门OR的输出端连接一RS触发器RS的复位端R。
一开通判定单元16，该开通判定单元16的输入信号为同步整流功率场效应晶体管M1的漏极电压信号，开通判定单元16的输出端连接RS触发器RS的置位端S。
RS触发器RS的输出端Q连接一驱动单元17，驱动单元17的输出端通过与同步整流功率场效应晶体管M1的门级连接。
图2是本发明实施例提供的一种驱动电路工作时序图。下面结合参考图1和图2所示，根据本发明实施例方式对驱动电路工作过程进行具体描述。
驱动电路10应用在开关电源电路变压器T的副边侧绕组，和变压器T原边侧绕组的功率开关驱动器无直接信号连接，因此需要根据变压器T副边侧绕组电压电流信号来控制同步整流功率场效应晶体管M1的开通和关闭。在原边侧功率开关导通时，同步整流功率场效应晶体管M1应关闭，同步整流功率场效应晶体管M1的漏极电压Vd为高。在原边侧功率开关关闭时，变压器T副边侧绕组流经电流Isec，同步整流功率场效应晶体管M1应导通，当电流Isec下降至预设阈值时，或原边侧功率开关再次导通时，同步整流功率场效应晶体管M1应被关闭。
在原边侧功率开关关闭瞬间，即图2中的T1时刻，此时，原边脉冲信号PWM1为下降沿，变压器T副边侧绕组电流Isec迅速上升至峰值，同步整流功率场效应晶体管M1的体二极管导通，同步整流功率场效应晶体管M1的漏极电压Vd下降至约-600mV，此时开通判定单元16检测到同步整流功率场效应晶体管M1的漏极电压Vd低于预设阈值如-200mV，开通判定单元16输出信号给RS触发器RS并使RS触发器RS置位，驱动单元17驱动同步整流功率场效应晶体管M1的门级，从而使得同步整流功率场效应晶体管M1导通。
在原边侧功率开关开通瞬间，即图2中的T3时刻，此时，原边脉冲信号PWM1为上升沿，变压器T副边侧绕组电流Isec迅速下降至零，同步整流功率场效应晶体管M1的漏极电压Vd迅速上升，此时，高通滤波器11检测到同步整流功率场效应晶体管M1的漏极电压Vd的快速上升沿，输出一个脉冲信号PWM2，该脉冲信号PWM2经过若干小的延时后，将第一开关12导通，斜坡电容C1上的电压Vramp泄放至零(实际电路设计中可泄放至一定的偏置电压)，在每次原边侧功率开关开通瞬间，C1上的电压Vramp都会置零，其余时间时，参考电流源Iref流入斜坡电容C1，因此，C1上的电压Vramp为一个三角波，其峰值反映了原边侧功率开关的工作周期。
在每次原边侧功率开关开通瞬间，高通滤波器11输出的脉冲信号PWM2将第二开关13导通，使斜坡电容C1和维持电容C2并联，此时斜坡电容C1的电压在其峰值，因此在电路稳态工作时，维持电容C2的电压为一直流电压Vhold，且Vhold等于Vramp的峰值。
值得一提的是，第二开关13的阻抗可以设计的较大，这样斜坡电容C1和维持电容C2可以形成一个开关电容滤波器，进一步降低维持电容C2电压Vhold的变化速度。
锁频比较器U1将斜坡电容C1的电压Vramp和维持电容C2的电压Vhold进行比较，而当斜坡电容C1的电压Vramp与锁频比较器U1的偏差电压Voffset之和等于维持电容C2的电压Vhold时，即
Vhold＝Vramp+Voffset
锁频比较器U1翻转，其中Voffset为锁频比较器U1的输入信号偏差，且Voffset可以由电阻R1设置。
继续参考图2所示，在T2时刻，斜坡电容C1的电压Vramp与锁频比较器U1的偏差电压Voffset之和等于维持电容C2的电压Vhold，锁频比较器U1输出信号，通过或门OR后，复位RS触发器RS，使驱动单元17关闭同步整流功率场效应晶体管M1，此时变压器T副边侧绕组的电流继续从同步整流功率场效应晶体管M1的体二极管流过，直到下一次原边侧功率开关开通。
在电路稳定工作状态下，维持电容C2上的电压信号Vhold反映了原边侧功率开关的过往开关周期时间，斜坡电容C1上的电压反映边侧功率开关的当前开关周期时间，因此，同步整流功率场效应晶体管M1可以在原边侧功率开关开通之前提前关闭，且提前的时间可以由电阻R1设定。
在电路非稳定工作状态下，如负载跳变等情况，关断比较器15持续监测同步整流功率场效应晶体管M1的漏极电压Vd，作为硬关断比较器起到保险作用，当锁频比较器U1未能提前关断同步整流功率场效应晶体管M1，且原边侧功率开关开通瞬间，变压器T副边侧绕组电流Isec迅速下降，关断比较器15监测到同步整流功率场效应晶体管M1的漏极电压Vd低于预设阈值时，输出信号通过或门OR置位RS触发器RS，使同步整流功率场效应晶体管M1关断。
在变压器T电流断续工作状态下，变压器T副边侧绕组电流在开关周期结束之前提前下降至零，此时也需要关断比较器15动作，在锁频比较器U1翻转之前关断同步整流功率场效应晶体管M1。
图3是本发明实施例提供的一种高通滤波器的具体电路结构示意图。如结合参考图1和图3所示，该高通滤波器11包括一结型场效应晶体管M2，由于实际应用中，同步整流功率场效应晶体管M1的漏极电压Vd可能会较高，在100V数量级，而集成电路内部其他器件均为低压器件，结型场效应晶体管M2的作用为保护电路内部器件，避免其承受高电压。结型场效应晶体管M2和一场效应晶体管M3的漏极连接，该场效应晶体管M3可选为P沟道场效应晶体管。该P沟道场效应晶体管M3的源级连接一第二电阻R3并做为电路模块的输出端。
P沟道场效应晶体管M3的门级连接一滤波电容C4，滤波电容C4的另一端接地。P沟道场效应晶体管M3的门级和漏极之间连接一第一电阻R2。
当同步整流功率场效应晶体管M1的漏极电压Vd由低变高时，滤波电容C4上的电压不能突变，因此P沟道场效应晶体管M3处于导通态，并且输出信号为高，当滤波电容C4上的电压由第一电阻R2中的电流充高时，P沟道场效应晶体管M3被关闭，输出信号为低，因此可以实现高通滤波器11的功能：当同步整流功率场效应晶体管M1的漏极电压Vd有从低向高的快速变化时，输出一个脉冲信号PWM2。
本发明实施例提供的驱动电路，应用于开关电源电路。开关电源电路使变压器副边侧绕组同步整流功率场效应晶体管在变压器原边侧绕组功率开关开通之前预关断，适用于定频驱动的开关电源电路，避免了同步整流功率场效应晶体管的硬关断，提升了开关电源电路的效率，降低了同步整流功率场效应晶体管的电压电流应力，提升了系统可靠性。
本发明实施例还提供了一种开关电源电路，该开关电源电路可应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等电子设备中。图4是本发明实施例提供的一种开关电源电路的结构示意图。参考图4所示，该开关电源电路中至少包括一变压器T和一同步整流功率场效应晶体管M1，且该开关电源电路的同步整流功率场效应晶体管M1采用本发明实施例提供的驱动电路10进行驱动。
示例性的，本发明实施例提供的开关电源电路可以为正激型、反激型等。如图4所示，以反激型开关电源电路为例，开关电源电路由变压器T分为原边侧绕组和副边侧绕组。其中，驱动电路10与变压器T副边侧绕组的同步整流功率场效应晶体管M1连接，并通过检测同步整流功率场效应晶体管M1的漏极电压控制其通断。此外，开关电源电路变压器T副边侧绕组还设置有第二滤波电容C6。第二滤波电容C6的第一极板与变压器T副边的一端连接，第二滤波电容C6的第二极板接地，且第二滤波电容C6的第一极板为开关电源电路的输出端。而变压器T的原边侧绕组设置有整流单元，以对开关电源电路输入的交流电源进行整流，该整流单元由四个二极管组成，即第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、以及第四二极管D4，第一二极管D1的阳极与第三二极管D3的阴极连接，第一二极管D1的阴极与绕组变压器T原边的一端连接，第三二极管D3的阳极接地；第二二极管D2的阳极与第四二极管D4的阴极连接，第二二极管D2的阴级与绕组变压器T原边的一端连接，第四二极管D4的阳极与第三二极管D3的阳极连接，且第一二极管的阳极和第二二极管的阳极为整流单元的输入端以输入交流电源Vac，第一二极管D1的阴极和第三二极管D3的阳极为整流单元的输出端。此外，变压器T的原边侧绕组还设置有第一滤波电容C5和功率开关M4。第一滤波电容C5的第一极板与第一二极管的阴极连接、第二极板与第三二极管D3的阳极连接，以对整流单元输出的信号进行滤波；功率开关M4的门极输入脉冲信号PWM1，以控制功率开关M4的通断，功率开关M4的漏极与变压器T原边侧绕组的另一端连接、以及源极与第三二极管D3的阳极连接，用于控制变压器T副边侧绕组的输出电压信号。
本发明实施例提供的开关电源电路通过上述驱动电路对其同步整流功率场效应晶体管进行及时地控制，从而能够保证同步整流功率场效应晶体管源漏电压的稳定性，进而提高开关电源电路输出功率的效率。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (12)

1.一种驱动电路，应用于开关电源电路，其特征在于，所述开关电源电路包括：一变压器，一同步整流功率场效应晶体管，所述驱动电路包括：
一高通滤波器，所述高通滤波器的输入信号为所述同步整流功率场效应晶体管漏极的电信号；
一参考电流源连接一斜坡电容，一第一开关，所述第一开关在每次所述高通滤波器输出信号时将所述斜坡电容放电；
一第二开关和一维持电容，所述第二开关在每次所述高通滤波器输出信号时将所述斜坡电容与所述维持电容并联；
一锁频比较器，所述锁频比较器比较所述维持电容和所述斜坡电容的电压信号，并在所述锁频比较器翻转时，关断所述同步整流功率场效应晶体管。
2.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述锁频比较器的同相输入端输入的信号与反相输入端输入的信号之间具有偏差，用于在所述锁频比较器同相输入端和反相输入端输入的电信号之差在设定阈值范围内时，控制所述锁频比较器的输出信号进行翻转。
3.如权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，还包括：一电阻和一偏差电流源；
所述电阻的阻值对所述偏差电流源进行分压，以控制所述锁频比较器的输入端偏差。
4.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，还包括：一延时模块；
所述延时模块用于对所述高通滤波器输入所述第一开关的信号进行延时，控制所述第一开关的通断，以使所述斜坡电容充放电。
5.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，还包括：一关断比较器；
所述关断比较器在检测到所述同步整流功率场效应晶体管中电流下降至预设阈值时，关断所述同步整流功率场效应晶体管。
6.如权利要求5所述的驱动电路，其特征在于，还包括：一或门；
所述锁频比较器的输出信号和所述关断比较器的输出信号分别输入所述或门的输入端，以使所述或门根据所述锁频比较器和所述关断比较器的输出信号，控制所述同步整流功率场效应晶体管的关断。
7.如权利要求6所述的驱动电路，其特征在于，还包括：一开通判定单元；
所述开通判定单元用于检测所述同步整流功率场效应晶体管的源漏极电压信号，以控制所述同步整流功率场效应晶体管的开通。
8.如权利要求7所述的驱动电路，其特征在于，还包括：一RS触发器；
所述RS触发器的置位端连接所述开通判定单元的输出信号，所述RS触发器的复位端连接所述或门的输出信号，用于根据所述开通判定单元和所述或门的输出信号控制所述同步整流功率场效应晶体管的通断。
9.如权利要求8所述的驱动电路，其特征在于，还包括：一驱动单元；
所述驱动单元的输入端连接所述RS触发器的输出端，所述驱动单元的输出端连接所述同步整流功率场效应晶体管的栅极。
10.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，还包括：一内部电源和一供电电容；
所述内部电源在所述同步整流功率场效应晶体管关断时，对所述开关电源电路的变压器副边侧绕组输出的电信号进行转换后，对所述供电电容充电，以为所述驱动电路提供电信号。
11.如权利要求1～10任一项所述的驱动电路，其特征在于，所述高通滤波器包括：结型场效应晶体管、场效应晶体管、第一电阻、第二电阻、滤波电容、以及偏压电源；
当所述同步整流功率场效应晶体管的漏极电压信号快速上升时，所述结型场效应晶体管的输出电压也快速上升，使所述场效应晶体管的栅源电压升高，以将所述场效应晶体管开通，并在所述第二电阻上产生一脉冲信号。
12.一种开关电源电路，其特征在于，至少包括：一变压器和一同步整流功率场效应晶体管；
所述开关电源电路的所述同步整流功率场效应晶体管采用如权利要求1～11任一项所述的驱动电路进行驱动。
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