CN107968569A - 一种同步整流控制器及同步整流控制方法 - Google Patents

一种同步整流控制器及同步整流控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同步整流控制器及同步整流控制方法，该控制器包括：采样模块，用于采样同步整流MOS管的漏、源极电压，获取漏、源极电压的电压差值；驱动模块，用于调整该管的栅极电压；控制模块，用于比较电压差值、第一阈值电压和第二阈值电压，当电压差值小于第一阈值电压时，控制驱动模块将该管的栅极电压调整为最大输出电压；当电压差值大于第一阈值电压并小于第二阈值电压时，控制驱动模块调整该管的栅极电压在零到最大输出电压之间变化，以将电压差值调整为等于第一阈值电压；当电压差值大于第二阈值电压时，控制驱动模块将该管的栅极电压调整为零。本发明能够加快同步整流MOS管的开启和关断速度，使效率明显提高、损耗明显降低。

Description

一种同步整流控制器及同步整流控制方法
技术领域
本发明涉及基本电子电路领域，特别是涉及一种同步整流控制器及同步整流控制方法。
背景技术
由于节能环保的要求逐步提高，各国也制定出更高标准的能效标准来规范电源产品和家用电器等的效率和能耗，但是在某些大电流输出应用下，一般的反激式拓扑应用中使用的整流二极管存在导通压降大，耐压达不到要求，寄生电阻大等问题而导致无法满足能效标准的要求。
同步整流电路则是专门针对大电流输出情况进行应用的，它通过采用同步整流MOS管来替代一般应用中的整流二极管，增强耐压能力和降低导通电阻，降低整流器件开通状态下的工作电压，从而达到降低损耗，提高效率的目的。
然而，由于同步整流MOS管应用在大电流系统，所以同步整流MOS管的面积大且栅极寄生电容较大。目前的同步整流控制方式一般为固定电压关断模式，这样会造成电流关断时机不合适，或同步整流MOS管匹配或选择上的困难，且同步整流MOS管的开通和关断延时较长，使系统效率提高较少。在电流连续状态下，同步整流MOS管的关断延时会导致功率开关管与同步整流MOS管同时导通的情况发生，从而导致变压器饱和等现象，会造成效率降低或导致电源系统损坏。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种同步整流控制器及同步整流控制方法，能够加快同步整流MOS管的开启和关断速度，使效率明显提高、损耗明显降低。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种同步整流控制器包括：采样模块，用于采样同步整流MOS管的漏极电压和源极电压，获取漏极电压和源极电压的电压差值；驱动模块，用于调整所述同步整流MOS管的栅极电压，以使得所述同步整流MOS管开启或关断；控制模块，用于比较所述电压差值、第一阈值电压和第二阈值电压，当所述电压差值小于第一阈值电压时，控制所述驱动模块将同步整流MOS管的栅极电压调整为最大输出电压；当所述电压差值大于第一阈值电压并小于第二阈值电压时，控制所述驱动模块调整同步整流MOS管的栅极电压在零到最大输出电压之间变化，以将所述电压差值调整为等于第一阈值电压；当所述电压差值大于第二阈值电压时，控制所述驱动模块将同步整流MOS管的栅极电压调整为零；其中，所述第一阈值电压小于第二阈值电压。
其中，所述驱动模块包括第一场效应管、第二场效应管和第三场效应管，所述第一场效应管的源极接同步整流MOS管的栅极以及第二场效应管和第三场效应管的漏极，所述第一场效应管的漏极接电源电压，所述第二场效应管和第三场效应管的源极均接同步整流MOS管的源极，所述第一场效应管、第二场效应管和第三场效应管的栅极均接控制模块，所述同步整流MOS管的源极接参考地；所述控制模块具体用于当所述电压差值小于第一阈值电压时，控制所述第一场效应管开启并控制第二场效应管和第三场效应管关断；当所述电压差值大于第一阈值电压并小于第二阈值电压时，控制所述第一场效应管和第二场效应管开启并控制第三场效应管关断，以将所述电压差值调整为等于第一阈值电压；当所述电压差值大于第二阈值电压时，控制所述第一场效应管关断并控制第二场效应管和第三场效应管开启。
其中，所述驱动模块还包括第四场效应管，所述第四场效应管的漏极接第一场效应管的栅极，所述第四场效应管的源极接同步整流MOS管的源极，所述第四场效应管的栅极接控制模块；所述控制模块还用于当所述电压差值小于第一阈值电压时，控制第四场效应管关断；当所述电压差值大于第一阈值电压并小于第二阈值电压时，控制第四场效应管关断；当所述电压差值大于第二阈值电压时，控制第四场效应管开启。
其中，所述采样模块包括第五场效应管，所述控制模块包括运算放大器和比较器，所述第五场效应管用于采样同步整流MOS管的漏极电压得到采样电压，并对所述采样电压进行钳位；所述运算放大器的正输入端输入第一阈值电压，所述运算放大器的负输入端和比较器的正输入端输入采样电压，所述比较器的负输入端输入第二阈值电压，所述运算放大器的第一输出端接第一场效应管的栅极，所述运算放大器的第二输出端接第二场效应管的栅极，所述比较器的输出端接第三场效应管和第四场效应管的栅极，其中，所述运算放大器的第一输出端和第二输出端输出模拟信号，所述比较器的输出端输出数字信号。
其中，所述第五场效应管为N沟道耗尽型MOS管，所述第五场效应管的漏极接同步整流MOS管的漏极，所述第五场效应管的栅极接同步整流MOS管的源极，所述第五场效应管的源极接运算放大器的负输入端以及比较器的正输入端。
其中，所述第五场效应管为N沟道增强型MOS管，所述第五场效应管的漏极接同步整流MOS管的漏极，所述第五场效应管的栅极接电源电压，所述第五场效应管的源极接运算放大器的负输入端以及比较器的正输入端。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种同步整流控制方法，包括：采样同步整流MOS管的漏极电压和源极电压，获取漏极电压和源极电压的电压差值；设定第一阈值电压和第二阈值电压，并比较所述电压差值、第一阈值电压和第二阈值电压，其中，所述第一阈值电压小于第二阈值电压；当所述电压差值小于第一阈值电压时，将同步整流MOS管的栅极电压调整为最大输出电压；当所述电压差值大于第一阈值电压并小于第二阈值电压时，调整同步整流MOS管的栅极电压在零到最大输出电压之间变化，以将所述电压差值调整为等于第一阈值电压；当所述电压差值大于第二阈值电压时，将同步整流MOS管的栅极电压调整为零。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明通过采样同步整流MOS管的漏极电压和源极电压的电压差值，通过比较电压差值、第一阈值电压和第二阈值电压对同步整流MOS管进行控制。电源系统工作在轻载状态时，电压差会大于第一阈值电压并小于第二阈值电压，同步整流MOS管的栅极电压不用上升到最大输出电压，从而能够降低损耗、提高效率；电源系统工作在电流连续状态或电流临界连续状态或电流断续状态时，在同步整流MOS关断前，同步整流MOS管的栅极电压已经预先从最大输出电压调整到了合适的值，便于电源系统迅速关断同步整流MOS管，这样，就能够加快同步整流MOS管的开启和关断速度，使效率明显提高、损耗明显降低，避免一般同步整流控制方式在电源系统电流连续状态时，电源控制功率管和同步整流MOS管可能会同时导通而产生的系统损坏问题，在重载状态下可以更快速的实现同步整流MOS管的关断，在轻载状态下使电源系统损耗更小、效率更高。
附图说明
图1是采用本发明实施例的同步整流控制器的一种电源系统的原理图；
图2是图1所示的电源系统处于不同电流工作状态时对同步整流MOS管的栅极电压进行控制的示意图；
图3是MOS管在VDS电压固定的情况下栅极电压与导通电阻的特性曲线图；
图4是本发明实施例的同步整流控制器一种具体应用的原理图；
图5是本发明实施例的同步整流控制方法的流程图。
具体实施例
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1，是采用本发明实施例的同步整流控制器的一种电源系统的原理图。在本实施例中，电源系统包括功率开关管1、变压器2和同步整流MOS管3。同步整流控制器4包括采样模块41、驱动模块42和控制模块43。
采样模块41用于采样同步整流MOS管3的漏极电压和源极电压，获取漏极电压和源极电压的电压差值。
驱动模块42用于调整同步整流MOS管3的栅极电压，以使得同步整流MOS管3开启或关断。
控制模块43用于比较电压差值、第一阈值电压和第二阈值电压，当电压差值小于第一阈值电压时，控制驱动模块42将同步整流MOS管3的栅极电压调整为最大输出电压；当电压差值大于第一阈值电压并小于第二阈值电压时，控制驱动模块42调整同步整流MOS管3的栅极电压在零到最大输出电压之间变化，以将电压差值调整为等于第一阈值电压；当电压差值大于第二阈值电压时，控制驱动模块42将同步整流MOS管3的栅极电压调整为零；其中，第一阈值电压小于第二阈值电压。
下面将结合图2和图3对同步整流控制器4的工作过程进行说明。如图3所示，根据MOS管的特性，当源、漏极电压基本不变时，栅极电压的大小与MOS管的导通电阻成反比，因此，可以通过调整同步整流MOS管3的栅极电压实现在满足效率需求的同时加快同步整流MOS管3的开启和关断速度，并在轻载状态下减少功耗、提高效率。如图2所示，电源系统在工作时，控制信号VPWM对功率开关管1进行控制。不论电源系统工作在电流连续状态，电流临界连续状态或电流断续状态还是轻载状态，当功率开关管1开通时，能量被存储在变压器2中，同时同步整流MOS管3的漏端电压VD变为高。当功率开关管1关闭时，同步整流MOS管3的漏端电压VD迅速降低使同步整流MOS管3的寄生二极管导通，实现续流。在该过程中，如果电压差值VDS小于第一阈值电压Vth1，控制模块43控制驱动模块42将同步整流MOS管3的栅极电压VG调整为最大输出电压，使得同步整流MOS管3迅速开启；如果电压差值VDS大于第一阈值电压Vth1并小于第二阈值电压Vth2，控制模块43控制驱动模块42调整同步整流MOS管3的栅极电压VG在零到最大输出电压之间变化，以将电压差值VDS调整为等于第一阈值电压Vth1；如果电压差值VDS大于第二阈值电压Vth2，控制模块43控制驱动模块42将同步整流MOS管3的栅极电压VG调整为零，同步整流MOS管3关断。
由于电源系统工作在电流连续状态时，在同步整流MOS管3关断前，同步整流MOS管3的栅极电压VG已经调整为接近同步整流MOS管3的阈值电压VTH，从而能够使同步整流MOS管3关断更快，达到减少功耗、提高效率的目的，并能有效避免功率开关管1和同步整流MOS管3同时导通产生的系统损坏问题；由于电源系统工作在电流临界连续状态或电流断续状态时，在同步整流MOS管3关断前，同步整流MOS管3的栅极电压VG已经调整为同步整流MOS管3的阈值电压VTH，从而能够便于迅速关闭同步整流MOS管3；由于电源系统工作在轻载状态时，同步整流MOS管3的栅极电压VG不用上升到最大输出电压，从而能够降低系统功耗，提高系统效率。
参阅图4，作为本发明的一个具体应用，驱动模块42包括第一场效应管M1、第二场效应管M2和第三场效应管M3。第一场效应管M1的源极接同步整流MOS管3的栅极以及第二场效应管M2和第三场效应管M3的漏极，第一场效应管M1的漏极接电源电压VCC，第二场效应管M2和第三场效应管M3的源极均接同步整流MOS管3的源极，第一场效应管M1、第二场效应管M2和第三场效应管M3的栅极均接控制模块43，同步整流MOS管3的源极接参考地。
控制模块43具体用于当电压差值VDS小于第一阈值电压Vth1时，控制第一场效应管M1开启并控制第二场效应管M2和第三场效应管M3关断，则最大输出电压为VCC；当电压差值VDS大于第一阈值电压Vth1并小于第二阈值电压Vth2时，控制第一场效应管M1和第二场效应管M2开启并控制第三场效应管M3关断，以将电压差值VDS调整为等于第一阈值电压Vth1，其中，控制模块43控制第一场效应管M1和第二场效应管M2工作在可变电阻区，则同步整流MOS管3的栅极电压VG为第一场效应管M1和第二场效应管M2上的分压；当电压差值VDS大于第二阈值电压Vth2时，控制第一场效应管M1关断并控制第二场效应管M2和第三场效应管M3开启，第三场效应管M3开启后，相当于同步整流MOS管3的栅极被短路。
为了进一步提高同步整流MOS管3的关断速度，在本实施例中，驱动模块42还包括第四场效应管M4，第四场效应管M4的漏极接第一场效应管M1的栅极，第四场效应管M4的源极接同步整流MOS管3的源极，第四场效应管M4的栅极接控制模块43。控制模块43还用于当电压差值VDS小于第一阈值电压Vth1时，控制第四场效应管M4关断；当电压差值VDS大于第一阈值电压Vth1并小于第二阈值电压Vth2时，控制第四场效应管M4关断；当电压差值VDS大于第二阈值电压Vth2时，控制第四场效应管M4开启。第四场效应管M4开启后，相当于第一场效应管M1被短路，可以更快速关断第一场效应管M1，以达到更快关断同步整流MOS管3的效果。
请继续参阅图4，作为本实施例的一个改进，采样模块41包括第五场效应管M5，控制模块43包括运算放大器OP和比较器COMP，第五场效应管M5用于采样同步整流MOS管3的漏极电压VD得到采样电压，并对采样电压进行钳位；运算放大器OP的正输入端输入第一阈值电压Vth1，运算放大器OP的负输入端和比较器COMP的正输入端输入采样电压，比较器COMP的负输入端输入第二阈值电压Vth2，运算放大器OP的第一输出端接第一场效应管M1的栅极，运算放大器OP的第二输出端接第二场效应管M2的栅极，比较器COMP的输出端接第三场效应管M3和第四场效应管M4的栅极，其中，运算放大器OP的第一输出端和第二输出端输出模拟信号，比较器COMP的输出端输出数字信号。
由于同步整流MOS管3的源极接参考地，所以采样同步整流MOS管3的漏极电压VD得到采样电压的相当于电压差值VDS，运算放大器OP比较电压差值VDS和第一阈值电压Vth1，同时，比较器COMP比较电压差值VDS和第二阈值电压Vth2，如果电压差值VDS小于第一阈值电压Vth1，运算放大器OP的第一输出端控制第一场效应管M1开启，运算放大器OP的第二输出端并控制第二场效应管M2关断，比较器COMP的输出端控制第三场效应管M3和第四场效应管M4关断；如果电压差值VDS大于第一阈值电压Vth1并小于第二阈值电压Vth2，运算放大器OP的第一输出端控制第一场效应管M1开启，运算放大器OP的第二输出端并控制第二场效应管M2开启，比较器COMP的输出端控制第三场效应管M3和第四场效应管M4关断；如果电压差值VDS大于第二阈值电压Vth2，运算放大器OP的第一输出端控制第一场效应管M1关断，运算放大器OP的第二输出端控制第二场效应管M2开启，比较器COMP的输出端控制第三场效应管M3和第三场效应管M4开启。由于运算放大器OP的两个输出端都输出模拟信号，所以控制第一场效应管M1关断时，会有一定延时，而比较器COMP的输出端输出数字信号，可以立即控制第三场效应管M3和第三场效应管M4开启，使得同步整流MOS管3迅速关断，从而达到了加快同步整流MOS管3关断速度的目的。
第五场效应管M5作为采样元件，可以是N沟道耗尽型MOS管，也可以是N沟道增强型MOS管。如果是N沟道耗尽型MOS管，第五场效应管M5的漏极接同步整流MOS管3的漏极，第五场效应管M5的栅极接同步整流MOS管3的源极，第五场效应管M5的源极接运算放大器OP的负输入端以及比较器COMP的正输入端。如果是N沟道增强型MOS管，第五场效应管M5的漏极接同步整流MOS管3的漏极，第五场效应管M5的栅极接电源电压VCC，第五场效应管M5的源极接运算放大器OP的负输入端以及比较器COMP的正输入端。
参阅图5，是本发明实施例的同步整流控制方法的流程图。本实施例的同步整流控制方法包括：
S1：采样同步整流MOS管的漏极电压和源极电压，获取漏极电压和源极电压的电压差值。
S2：设定第一阈值电压和第二阈值电压，并比较所述电压差值、第一阈值电压和第二阈值电压，其中，第一阈值电压小于第二阈值电压。
第一阈值电压和第二阈值电压可以是根据经验值设定，也可以是根据同步整流MOS管的具体参数进行设定。
S3：当电压差值小于第一阈值电压时，将同步整流MOS管的栅极电压调整为最大输出电压；当电压差值大于第一阈值电压并小于第二阈值电压时，调整同步整流MOS管的栅极电压在零到最大输出电压之间变化，以将电压差值调整为等于第一阈值电压；当电压差值大于第二阈值电压时，将同步整流MOS管的栅极电压调整为零。
在本实施例中，不论电源系统工作在电流连续状态，电流临界连续状态或电流断续状态还是轻载状态，如果电压差值小于第一阈值电压，则将同步整流MOS管的栅极电压调整为最大输出电压，使得同步整流MOS管迅速开启；如果电压差值大于第一阈值电压并小于第二阈值电压，则调整同步整流MOS管的栅极电压在零到最大输出电压之间变化，以将电压差值调整为等于第一阈值电压；如果电压差值大于第二阈值电压，将同步整流MOS管的栅极电压调整为零，同步整流MOS管关断。
由于电源系统工作在电流连续状态时，在同步整流MOS管关断前，同步整流MOS管的栅极电压已经调整为接近同步整流MOS管的阈值电压，从而能够使同步整流MOS管关断更快，达到减少功耗、提高效率的目的，并能有效避免功率开关管和同步整流MOS管同时导通产生的系统损坏问题；由于电源系统工作在电流临界连续状态或电流断续状态时，在同步整流MOS管关断前，同步整流MOS管的栅极电压已经调整为同步整流MOS管的阈值电压，从而能够便于迅速关闭同步整流MOS管；由于电源系统工作在轻载状态时，同步整流MOS管的栅极电压不用上升到最大输出电压，从而能够降低系统功耗，提高系统效率。
通过上述方式，本发明实施例的同步整流控制器及同步整流控制方法通过检测同步整流MOS管源、漏极的电压来判定电源系统的工作状态，并对同步整流MOS管进行控制，使系统工作在更合理的同步整流状态，从而能够加快同步整流MOS管的开启和关断速度，使效率明显提高、损耗明显降低。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种同步整流控制器，其特征在于，包括：
采样模块，用于采样同步整流MOS管的漏极电压和源极电压，获取漏极电压和源极电压的电压差值；
驱动模块，用于调整所述同步整流MOS管的栅极电压，以使得所述同步整流MOS管开启或关断；
控制模块，用于比较所述电压差值、第一阈值电压和第二阈值电压，当所述电压差值小于第一阈值电压时，控制所述驱动模块将同步整流MOS管的栅极电压调整为最大输出电压；当所述电压差值大于第一阈值电压并小于第二阈值电压时，控制所述驱动模块调整同步整流MOS管的栅极电压在零到最大输出电压之间变化，以将所述电压差值调整为等于第一阈值电压；当所述电压差值大于第二阈值电压时，控制所述驱动模块将同步整流MOS管的栅极电压调整为零；其中，所述第一阈值电压小于第二阈值电压。
2.根据权利要求1所述的同步整流控制器，其特征在于，所述驱动模块包括第一场效应管、第二场效应管和第三场效应管，所述第一场效应管的源极接同步整流MOS管的栅极以及第二场效应管和第三场效应管的漏极，所述第一场效应管的漏极接电源电压，所述第二场效应管和第三场效应管的源极均接同步整流MOS管的源极，所述第一场效应管、第二场效应管和第三场效应管的栅极均接控制模块，所述同步整流MOS管的源极接参考地；
所述控制模块具体用于当所述电压差值小于第一阈值电压时，控制所述第一场效应管开启并控制第二场效应管和第三场效应管关断；当所述电压差值大于第一阈值电压并小于第二阈值电压时，控制所述第一场效应管和第二场效应管开启并控制第三场效应管关断，以将所述电压差值调整为等于第一阈值电压；当所述电压差值大于第二阈值电压时，控制所述第一场效应管关断并控制第二场效应管和第三场效应管开启。
3.根据权利要求2所述的同步整流控制器，其特征在于，所述驱动模块还包括第四场效应管，所述第四场效应管的漏极接第一场效应管的栅极，所述第四场效应管的源极接同步整流MOS管的源极，所述第四场效应管的栅极接控制模块；
所述控制模块还用于当所述电压差值小于第一阈值电压时，控制第四场效应管关断；当所述电压差值大于第一阈值电压并小于第二阈值电压时，控制第四场效应管关断；当所述电压差值大于第二阈值电压时，控制第四场效应管开启。
4.根据权利要求3所述的同步整流控制器，其特征在于，所述采样模块包括第五场效应管，所述控制模块包括运算放大器和比较器，所述第五场效应管用于采样同步整流MOS管的漏极电压得到采样电压，并对所述采样电压进行钳位；所述运算放大器的正输入端输入第一阈值电压，所述运算放大器的负输入端和比较器的正输入端输入采样电压，所述比较器的负输入端输入第二阈值电压，所述运算放大器的第一输出端接第一场效应管的栅极，所述运算放大器的第二输出端接第二场效应管的栅极，所述比较器的输出端接第三场效应管和第四场效应管的栅极，其中，所述运算放大器的第一输出端和第二输出端输出模拟信号，所述比较器的输出端输出数字信号。
5.根据权利要求4所述的同步整流控制器，其特征在于，所述第五场效应管为N沟道耗尽型MOS管，所述第五场效应管的漏极接同步整流MOS管的漏极，所述第五场效应管的栅极接同步整流MOS管的源极，所述第五场效应管的源极接运算放大器的负输入端以及比较器的正输入端。
6.根据权利要求4所述的同步整流控制器，其特征在于，所述第五场效应管为N沟道增强型MOS管，所述第五场效应管的漏极接同步整流MOS管的漏极，所述第五场效应管的栅极接电源电压，所述第五场效应管的源极接运算放大器的负输入端以及比较器的正输入端。
7.一种同步整流控制方法，其特征在于，包括：
采样同步整流MOS管的漏极电压和源极电压，获取漏极电压和源极电压的电压差值；
设定第一阈值电压和第二阈值电压，并比较所述电压差值、第一阈值电压和第二阈值电压，其中，所述第一阈值电压小于第二阈值电压；
当所述电压差值小于第一阈值电压时，将同步整流MOS管的栅极电压调整为最大输出电压；当所述电压差值大于第一阈值电压并小于第二阈值电压时，调整同步整流MOS管的栅极电压在零到最大输出电压之间变化，以将所述电压差值调整为等于第一阈值电压；当所述电压差值大于第二阈值电压时，将同步整流MOS管的栅极电压调整为零。
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