CN110138192A - 一种开关电源低边有源钳位电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种开关电源低边有源钳位电路及其控制方法，包括脉宽调制器、有源钳位电路、功率开关管、延迟驱动电路，所述有源钳位电路的输入端与脉宽调制器的输出端连接，有源钳位电路的输出端与功率开关管的漏级连接，功率开关管的源极接地；所述延迟驱动电路的输入端与脉宽调制器的输出端连接，延迟驱动电路的输出端与功率开关管的栅极连接。本发明实现了变压器的无损磁复位和功率功率开关管漏极电压的钳位，并且通过调整变压器励磁电感与钳位电容谐振，实现功率功率开关管的ZVS开关。本发明开关电源低边有源钳位电路不仅结构简单、还可以工作在低电压状态，解决了专门的有源钳位控制器在低电压下不能工作的问题。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，具体涉及一种开关电源低边有源钳位电路及其控制方法。
背景技术
开关电源广泛用于工业及国防领域，在航天、航空、船舶、兵器、铁路、通信、医疗电子、工业自动化设备等军民用电子系统中得到广泛应用。开关电源工作时，如果功率开关管的漏极电压不进行钳位，则在变压器漏感的作用下，会在功率开关管的漏极产生很高的尖峰电压，须选择更高耐压的功率开关管，造成功率开关管价格增加，功率开关管的导通电阻增加，效率下降。在功率开关管的漏极与输入地之间增加一电容就可以吸收尖峰，钳位功率开关管的漏极电压，但该电容吸收的能量会在功率开关管导通时被消耗浪费。采用有源钳位方法，当功率开关管截止时，电容吸收电压尖峰，当功率开关管导通时，通过与电容串接的钳位管阻止电容导通。适当的调整该电容的容量和变压器的励磁电感，在功率开关管截止时，电容与励磁电感发生谐振，电容上的能量回馈到电源，使得变压器能够无损磁复位，还可实现功率开关管的ZVS开关，减小功率开关管的开关损耗。
目前广泛使用的开关电源低边有源钳位电路，采用的是专门设计的有源钳位控制器芯片和有源钳位电路相结合以实现无损磁复位和功率开关管漏极的电压钳位。有源钳位控制器芯片引出端数很多，需要用到很多外围器件。控制器芯片工作电压一般要求在13.5V以上，控制器芯片比普通的单端输出脉宽调制器贵很多，还需用很多外围器件，不利于小型化应用，不能用于低压4-9V的工作电压。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开关电源低边有源钳位电路及其控制方法，该开关电源低边有源钳位电路不仅结构简单、所需器件数少，利于小型化，还能用于低压供电的场所。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种开关电源低边有源钳位电路，包括脉宽调制器N1、有源钳位电路及功率开关管G1、延迟驱动电路，所述有源钳位电路的输入端与脉宽调制器N1的输出端连接，有源钳位电路的输出端与功率开关管G1的漏级连接，功率开关管G1的源极接地，所述功率开关管G1的漏级与变压器T1的输入端连接；所述延迟驱动电路的输入端与脉宽调制器N1的输出端连接，延迟驱动电路的输出端与功率开关管G1的栅极连接；
所述有源钳位电路，用于吸收钳位开关管漏极的开关尖峰电压和对变压器进行无损磁复位，同时通过变压器励磁电感和钳位电容的相互调节，实现功率开关管G1的开关，减小开关损耗；所述延迟驱动电路，用于将脉宽调制器N1输出的脉宽可调脉冲信号进行延时并驱动功率开关管G1，防止钳位开关管在关断阶段钳位电容被功率开关管G1放电、增大功率开关损耗。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述有源钳位电路包括电阻R2、稳压二极管D2、电容C1、电容C3和功率开关管G2；所述电容C1的一端与脉宽调制器N1的输出端连接，电容C1的另一端与稳压二极管D2的阳极连接；所述稳压二极管D2的阴极与输入地连接；所述电阻R2一端与输入地连接，电阻R2的另一端与稳压二极管D2阳极连接；所述功率开关管G2的栅极与稳压二极管D2阳极连接，功率开关管G2的源极与输入地连接，功率开关管G2的漏极与电容C3一端连接；所述电容C3的另一端与功率开关管G1的漏极连接。
所述延迟驱动电路包括二极管D1、电阻R1、电容C2、三极管Q1、三极管Q2；所述二极管D1的阴极与脉宽调制器N1输出端连接，二极管D1的阳极与电容C2一端连接；所述电容C2另一端与输入地连接；所述电阻R1一端与脉宽调制器N1输出端连接，电阻R1的另一端与二极管D1的阳极连接；所述三极管Q1、Q2的基极与二极管D1的阳极连接，三极管Q1的集电极与脉宽调制器N1的供电电源Vcc连接，三极管Q1的发射极与功率开关管G1的栅极连接；所述三极管Q2的集电极与输入地连接，三极管Q2的发射极与功率开关管G1的栅极连接。
一种开关电源低边有源钳位电路的控制方法，包括以下步骤：
在有源钳位电路中设置电容C1及稳压二极管D2，所述稳压二级管D2与电容C1连接在脉宽调制器的输出端；
当脉宽调制器的输出端处于高电平时，有源钳位电路中的电容C1通过稳压二极管D2被迅速充电，有源钳位电路中的钳位管缓慢截止；
通过延迟驱动电路，使功率开关管在钳位管完全截止后开始导通；
当脉宽调制器输出端处于低电平时，延迟驱动电路输出低电平，功率开关管截止，钳位管导通，电容C1放电，稳压二极管D2对尖峰电压进行吸收，当钳位管完全导通后，通过钳位电容对功率开关管的漏极电压进行钳位，同时与变压器的励磁电感发生谐振，钳位电容上的能量回馈到电源，使得变压器能够无损磁复位。
由以上技术方案可知，本发明所述的开关电源低边有源钳位电路，可以直接与普通的单端输出脉宽调制器配合使用，就能实现无损磁复位和电压钳位，价格还便宜，所需器件数少，利于小型化应用，也能适应于低工作电压。通过脉宽调制器N1输出端对电容C1进行充放电，电容C1获得倒相的脉冲信号，使P沟道的钳位管G2栅源极加上了负脉冲信号，实现了钳位管G2在脉宽调制器N1输出高电平关断低电平开通的要求。延迟驱动电路使功率功率开关管G1在脉宽调制器N1输出高电平时延迟开通低电平迅速关断，功率功率开关管G1的延迟开通，使钳位电容C3不能通过功率功率开关管G1泄放电流，阻止了开关功耗的增加，也使钳位电容C3能顺利的与变压器励磁电感谐振并向电源端回馈能量，实现变压器的无损磁复位，通过调整变压器励磁电感和钳位电容C3，还能实现功率功率开关管的ZVS开关。
附图说明
图1是本发明的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示的开关电源低边有源钳位电路，包括依次连接的有源钳位电路1和延迟驱动电路2；该有源钳位电路1的输入端与脉宽调制器N1输出端连接，有源钳位电路1的输出端与功率开关管G1的漏极连接；延迟驱动电路2的输入端与脉宽调制器N1输出端连接，延迟驱动电路2的输出端与功率开关管G1的栅极连接，功率开关管G1的漏级与变压器T1的原边绕组异名端连接，变压器T1的原边绕组同名端与电源连接。
有源钳位电路1，用于钳位功率开关管漏极电压、与变压器励磁电感谐振并向电源端回馈能量及实现变压器的无损磁复位、通过调整变压器励磁电感和钳位电容C3实现功率开关管G1的开关。
本实施例的，有源钳位电路1包括电阻R2、稳压二极管D2、电容C1、电容C3和钳位管G2；电容C1的一端与脉宽调制器N1输出端连接，电容C1的另一端与稳压二极管D2阳极连接；稳压二极管D2的阴极与输入地连接；电阻R2一端与输入地连接，电阻R2的另一端和稳压二极管D2阳极连接；MOS管G2的栅极与稳压二极管D2阳极连接，MOS管G2的源极与输入地连接，MOS管G2的漏极与电容C3一端连接；电容C3的另一端与功率开关管G1漏极连接。脉宽调制器N1输出脉宽可调的脉冲信号，经过稳压二极管D2的充电和电阻R2的放电，在电容C1获得了一个倒相脉冲信号，从而控制钳位管G2在脉宽调制器N1输出高电平时截止，输出低电平时导通，使得电容C3在脉宽调制器N1输出低电平时对功率开关管G1漏极进行电压钳位，并对变压器T1进行无损磁复位。
延迟驱动电路2的作用是使功率开关管G1在脉宽调制器N1输出高电平时延迟开通，低电平时迅速关断，从而降低功率开关管G1的损耗。功率开关管G1的延迟开通，使钳位电容C3不能通过功率开关管G1泄放电流，阻止了功率开关管G1增加开关功耗，同时，使钳位电容C3能与变压器励磁电感谐振并向电源端回馈能量，实现变压器的无损磁复位。
延迟驱动电路2包括二极管D1、电阻R1、电容C2、三极管Q1、三极管Q2；二极管D1的阴极与脉宽调制器N1输出端连接，二极管D1的阳极与电容C2一端连接；电容C2的另一端与输入地连接；电阻R1的一端与脉宽调制器N1输出端连接，电阻R1的另一端与二极管D1的阳极连接；三极管Q1的基极与二极管D1阳极连接，三极管Q1的集电极与脉宽调制器N1的供电电源Vcc连接，三极管Q1的发射极与功率开关管G1的栅极连接；三极管Q2的基极与二极管D1的阳极连接，三极管Q2的集电极与输入地连接，三极管Q2的发射极与功率开关管G1的栅极连接。
延迟驱动电路2是实现功率开关管ZVS开关的关键所在，通过延迟，电容C3上的电荷不流经功率开关管G1，电容C3与变压器励磁电感谐振而实现功率开关管的ZVS开关。
本发明的工作原理为：
首先，脉宽调制器N1输出调宽脉冲信号，信号同时输出到有源钳位电路1和延迟驱动电路2的输入端。当脉宽调制器N1输出端处于高电平时，有源钳位电路1中的电容C1通过稳压二极管D2被迅速充电，电容C1与N1的输出端连接的一端为正。此时，钳位管G2的栅极被稳压二极管D2钳位到0.6V，钳位管G2开始截止，直至完全截止，钳位电容C3上的电荷才完全停止流动。通过延迟驱动，使功率开关管G1在钳位管G2完全截止后才开始导通，保证了钳位电容C3上的电荷不流经功率开关管G1，功率开关管G1处于较低开关损耗。
其次，脉宽调制器N1输出端处于低电平时，延迟驱动电路2输出低电平，功率开关管G1截止；此时，已充满电的电容C1上的电压加在钳位管G2源极和栅极两端，源极为正，栅极为负，钳位管G2导通，同时，电容C1通过电阻R2放电，稳压二极管D2对尖峰电压进行吸收，保护钳位管G2。功率开关管G1截止时，钳位管G2的体二极管率先导通，随即钳位管G2也完全导通，钳位电容C3对功率开关管G1的漏极电压进行钳位，同时与变压器的励磁电感发生谐振，钳位电容C3上的能量回馈到电源，使得变压器能够无损磁复位，还可实现功率开关管的ZVS开关，减小功率开关管的开关损耗。
以上所述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种开关电源低边有源钳位电路，包括脉宽调制器N1、有源钳位电路及功率开关管G1，其特征在于：还包括延迟驱动电路，所述有源钳位电路的输入端与脉宽调制器N1的输出端连接，有源钳位电路的输出端与功率开关管G1的漏级连接，功率开关管G1的源极接地，所述功率开关管G1的漏级与变压器T1的输入端连接；所述延迟驱动电路的输入端与脉宽调制器N1的输出端连接，延迟驱动电路的输出端与功率开关管G1的栅极连接；
所述有源钳位电路，用于吸收钳位开关管G2漏极的开关尖峰电压和对变压器进行无损磁复位，同时通过变压器励磁电感和钳位电容的相互调节，实现功率开关管G1的开关，减小开关损耗；
所述延迟驱动电路，用于将脉宽调制器N1输出的脉宽可调脉冲信号进行延时并驱动功率开关管G1，防止钳位开关管G2在关断阶段钳位电容被功率开关管G1放电而增大功率开关损耗。
2.根据权利要求1所述开关电源低边有源钳位电路，其特征在于：所述有源钳位电路包括电阻R2、稳压二极管D2、电容C1、电容C3和功率开关管G2；所述电容C1的一端与脉宽调制器N1的输出端连接，电容C1的另一端与稳压二极管D2的阳极连接；所述稳压二极管D2的阴极与输入地连接；所述电阻R2一端与输入地连接，电阻R2的另一端与稳压二极管D2阳极连接；所述功率开关管G2的栅极与稳压二极管D2阳极连接，功率开关管G2的源极与输入地连接，功率开关管G2的漏极与电容C3一端连接；所述电容C3的另一端与功率开关管G1的漏极连接。
3.根据权利要求1所述开关电源低边有源钳位电路，其特征在于：所述延迟驱动电路包括二极管D1、电阻R1、电容C2、三极管Q1、三极管Q2；所述二极管D1的阴极与脉宽调制器N1输出端连接，二极管D1的阳极与电容C2一端连接；所述电容C2另一端与输入地连接；所述电阻R1一端与脉宽调制器N1输出端连接，电阻R1的另一端与二极管D1的阳极连接；所述三极管Q1、Q2的基极与二极管D1的阳极连接，三极管Q1的集电极与脉宽调制器N1的供电电源Vcc连接，三极管Q1的发射极与功率开关管G1的栅极连接；所述三极管Q2的集电极与输入地连接，三极管Q2的发射极与功率开关管G1的栅极连接。
4.一种开关电源低边有源钳位电路的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
在有源钳位电路中设置电容C1及稳压二极管D2，所述稳压二级管D2与电容C1连接在脉宽调制器N1的输出端；
当脉宽调制器N1的输出端处于高电平时，有源钳位电路中的电容C1通过稳压二极管D2被迅速充电，有源钳位电路中的钳位管缓慢截止；
通过延迟驱动电路，使功率开关管G1在钳位管完全截止后开始导通；
当脉宽调制器N1输出端处于低电平时，延迟驱动电路输出低电平，功率开关管截止，钳位管导通，电容C1放电，稳压二极管D2对尖峰电压进行吸收，当钳位管完全导通后，通过钳位电容对功率开关管的漏极电压进行钳位，同时与变压器T1的励磁电感发生谐振，钳位电容上的能量回馈到电源，使得变压器T1能够无损磁复位。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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