CN110896271B - 零电压开通控制电路、方法及应用其的开关电源 - Google Patents

零电压开通控制电路、方法及应用其的开关电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种零电压开通控制电路、方法及应用其的开关电源，通过在主功率开关下个周期导通前,提前一段时间或者提前一定个数的谐振周期,开通同步整流开关一段时间以实现主功率开关的零电压开通。

Description

零电压开通控制电路、方法及应用其的开关电源
技术领域
本发明涉及一种电力电子技术，更具体地说，涉及一种零电压开通控制电路、方法及应用其的开关电源。
背景技术
现有技术中，flyback功率变换器由于设计简单、输入输出范围宽，非常适合于小功率开关电源.但是由于CCM、QR或者DCM状态下，不可避免地会有开通损耗，极大的限制了开关频率的提升，体积的减小以及效率的提高。为了解决上述问题，普遍的做法是利用另一个开关管将某一输出电压反向给励磁电感励磁，以此实现原边MOS管的零电压开通，从而提高系统的性能。
一种实现方法是共用同步整流的开关管,但是这种方法只能在QR模式下工作，不能在DCM状态工作，因此限制了应用场合。另一种实现方法是采用控制电路供给一路输出电压,这需要额外增加一个开关管,增加了系统复杂度。另外，这些方案也不能拓展到其他拓扑结构中，限制了应用范围。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可以适应多种应用场合的零电压开通控制电路及方法，以解决现有技术中无法在多种模式下实现零电压开通的问题。
第一方面，提供一种零电压开通控制电路，应用于开关电源，所述开关电源包括主功率开关以及同步整流开关，其特征在于，所述零电压开通控制电路根据表征所述主功率开关的开通时刻的采样信号，在所述主功率开关下个开关周期导通前，使得所述同步整流开关预先导通一次，以允许负电流流过所述同步整流开关，从而减小所述主功率开关导通时的两个功率端之间的电压。
优选地，通过检测所述主功率开关的开关周期，以获取所述表征所述主功率开关的开通时刻的采样信号。
优选地，通过检测每个所述开关周期中谐振周期的个数，以获取表征所述主功率开关的开通时刻的采样信号。
优选地，所述零电压开通控制电路包括周期计时电路，所述周期计时电路对当前开关周期的工作时间进行计时，并在对应的计时值达到计时基准时，导通所述同步整流开关，其中所述计时基准比上个开关周期的计时值小一时间阈值。
优选地，所述周期计时电路包括：
计时器，用以对当前开关周期的工作时间进行计时，以获得所述当前开关周期的计时值；
采样保持电路，用以将所述当前开关周期的计时值减去所述时间阈值后进行采样保持，以作为下个开关周期的计时基准；
比较电路，用以比较所述当前开关周期的计时值以及所述计时基准输出比较信号，所述比较信号用以导通所述同步整流开关。
优选地，所述零电压开通控制电路包括周期检测电路，所述周期检测电路用以获取当前开关周期的开始时刻，以对所述当前开关周期的工作时间进行计时。
优选地，所述的周期检测电路响应于所述同步整流开关的漏源电压上升至一电压阈值时，生成清零信号，所述清零信号用以对所述计时值进行清零，并对所述计时基准进行更新。
优选地，当所述同步整流开关的漏源电压高于所述电压阈值的维持时间小于一时间阈值时，不对所述计时基准进行更新。
优选地，所述零电压开通控制电路包括谐振计数电路，所述谐振计数电路对当前开关周期中谐振周期的个数进行计数，并同步地将上个开关周期的计数值进行减计数，当减到预定值时，导通所述同步整流开关。
优选地，所述谐振计数电路包括：
计数电路，用以交替地实现对当前开关周期中谐振周期的个数进行计数以获得所述计时值，以及将上个开关周期的所述计数值进行减计数；
逻辑电路，被配置为当所述计数值减到所述预定值时，输出逻辑信号，所述逻辑信号用以导通所述同步整流开关。
优选地，所述计数电路包括：
第一计数器，用以对当前周期中谐振周期的个数进行计数以获得所述计数值，并在下个周期同步地将所述计数值进行减计数，依次交替工作；
第二计数器，用以在当前周期同步地将所述计数值进行减计数，并在下个周期对谐振周期的个数进行计数以获得所述计数值，依次交替工作。
优选地，所述谐振计数电路还包括分频电路，用以根据所述同步整流开关的控制信号，生成分频信号，所述分频信号用以控制所述计数电路工作。
优选地，通过检测每个所述开关周期中谐振的时间，以获取表征所述主功率开关的开通时刻的采样信号。
优选地，还包括同步整流控制电路，用以控制所述同步整流开关在所述主功率开关导通后的导通动作，以允许正电流流过所述同步整流开关。第二方面，提供一种开关电源，其特征在于，包括：
上述的零电压开通控制电路。第三方面，提供一种零电压开通控制方法，应用于开关电源，所述开关电源包括主功率开关以及同步整流开关，其特征在于，
根据表征所述主功率开关的开通时刻的采样信号，在所述主功率开关下个周期导通前，使得所述同步整流开关预先导通一次，以允许负电流流过所述同步整流开关，从而减小所述主功率开关导通时的两个功率端之间的电压。
优选地，通过检测所述主功率开关的工作周期，以获取所述表征所述主功率开关的开通时刻的采样信号。
优选地，通过检测每个所述周期中谐振周期的个数，以获取表征所述主功率开关的开通时刻的采样信号。
本发明技术通过在主功率开关下个周期导通前,提前一段时间或者提前一定个数的谐振周期,开通同步整流开关一段预定时间以允许负电流流过所述同步整流开关，从而减小所述主功率开关导通时的两个功率端之间的电压，以实现主功率开关的零电压开通。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为采用本发明的零电压开通控制电路的开关电源的结构框图；
图2为本发明第一实施例的零电压开通控制电路的电路图；
图3为一个采用第一实施例的零电压开通控制电路的开关电源的工作波形图；
图4为另一个采用第一实施例的零电压开通控制电路的开关电源的工作波形图；
图5为本发明第二实施例的零电压开通控制电路的电路图；
图6为采用第二实施例的零电压开通控制电路的开关电源的工作波形图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图1为采用本发明的零电压开通控制电路的开关电源的结构框图。在本发明实施例中，以功率级电路为反激式变换器为例来加以说明。如图1所示，开关电源包括功率级电路1、原边控制电路2，以及零电压开通控制电路3。
功率级电路1为反激式拓扑(flyback)，包括串联连接在电压输入端Vin和接地端之间的原边绕组L和主功率开关Q1，与原边绕组L耦合的副边绕组L2以及与副边绕组L2连接的同步整流开关Q2。原边控制电路2根据功率级电路1的反馈参量生成开关控制信号控制主功率开关Q1的导通和关断，以使得输出电压Vout或者输出电流满足需求。零电压开通控制电路3根据表征主功率开关Q1的开通时刻的采样信号，在主功率开关Q1下个周期导通前，使得同步整流开关Q2预先导通一段时间，优选地，可以设定导通预定时间Tth，从而同步整流开关Q2上有负电流流过，当同步整流开关Q2关断后，由于电感电流续流,主功率开关Q1的漏源电压可以下降至零电压附近,这样在主功率开关Q1再次导通时，便可以实现零电压开通，大大减小了开通损耗。这里，功率级电路1也可以是其他拓扑结构，例如buck、boost，或者buck-boost。
可以理解的是，开关电源还需要包含一同步整流控制电路(未示出)，同步整流控制电路用以控制同步整流开关Q2在主功率开关Q1导通后的导通动作，以允许正电流流过同步整流开关Q2。
在本发明中，可以在下个周期主功率开关Q1导通前,提前一段时间或者提前一定个数的谐振周期,预先开通同步整流开关Q2一段时间以实现主功率开关Q1的零电压开通。利用表征主功率开关Q1的开通时刻的采样信号，获取主功率开关Q1下个周期的开通时刻。优选地，在DCM(断续电流)模式下，可以通过检测主功率开关Q1的开关周期Tsw，以获取表征所述主功率开关Q1的开通时刻的采样信号；在QR(准谐振)模式下，可以通过检测每个开关周期中谐振周期的个数，以获取表征主功率开关Q1的开通时刻的采样信号。
图2为本发明第一实施例的零电压开通控制电路的电路图。本发明实施例的零电压开通控制电路3，适于在DCM(断续电流)模式下，通过检测主功率开关Q1的开关周期Tsw，以获取表征所述主功率开关Q1的开通时刻的采样信号。如图2所示，零电压开通控制电路3包括周期计时电路31、周期检测电路32以及PWM电路33。
具体地，周期计时电路31，用以对当前开关周期的工作时间进行计时，以获得对应的计时值T1，并在计时值T1达到计时基准T2时，导通同步整流开关Q2，其中计时基准T2比上个开关周期的计时值T1小一时间阈值T3。
优选地，周期计时电路31包括计时器311、采样保持电路312以及比较电路313。具体地，计时器311，用以对当前开关周期的工作时间进行计时，以获得计时值T1。采样保持电路312，用以将计时值T1减去时间阈值T3后进行采样保持，并将采样保持的值T1-T3作为下个周期的计时基准T2。比较电路313，用以比较表征当前开关周期的工作时间的计时值T1以及计时基准T2，输出比较信号VC2，比较信号VC2用以导通同步整流开关Q2。比较电路313由比较器CMP2构成，比较器CMP2的同相输入端接收计时值T1，反相输入端接收计时基准T2，当计时值T1还未上升至计时基准T2，比较器CMP2输出的比较信号VC2一直为无效电平，当计时值T1上升达到计时基准T2，比较器CMP2输出的比较信号VC2翻转为有效电平，这时导通同步整流开关Q2，导通同步整流开关Q2便是在主功率开关Q1导通前的T3时间导通的，以此实现主功率开关Q1的零电压开通。
周期检测电路32，用以获取当前开关周期的开始时刻，以使得周期计时电路31可以准确地对当前开关周期进行计时。周期检测电路32响应于同步整流开关Q2的漏源电压Vds上升至一电压阈值Vth时，生成清零信号，所述清零信号用以对计时值T1进行清零，并对计时基准T2进行更新。
图3为一个采用第一实施例的零电压开通控制电路的开关电源的工作波形图。如图3中所示，在反激式拓扑中，当主功率开关Q1导通时，主功率开关Q1的漏源电压Vds1会下降至零电压，此时同步整流开关Q2的漏源电压Vds会上升至Vin/N+Vout，这里，N为变压器的匝比。基于此，当检测到同步整流开关Q2的漏源电压Vds上升至一电压阈值Vth时，便可以确定为一个周期的开始时刻，进而可指示周期计时电路31进行工作。优选地，电压阈值Vth可以选取为K*(Vin/N+Vout)，K略小于1即可。
优选地，周期检测电路32包括阈值生成电路321以及比较电路322。具体地，阈值生成电路321，用以根据同步整流开关Q2的漏源电压Vds，生成上述电压阈值Vth时。将采样得到的漏源电压Vds乘以系数K得到该电压阈值Vth。比较电路322，由比较器CMP1构成，比较器CMP1的同相输入端接同步整流开关Q2的漏源电压Vds，反相输入端接收电压阈值Vth，当漏源电压Vd还未上升至电压阈值Vth，比较器CMP1输出的比较信号VC1一直为无效电平，当漏源电压Vds上升达到电压阈值Vth时，比较器CMP1输出的比较信号VC1翻转为有效电平，这时，再次参考图3，计时器311对计时值T1进行清零，从新开始计时，且采样保持电路312对计时基准T2进行更新，根据上个周期的计时值T1得到新的计时基准T2。
PWM电路33，用以根据比较信号VC2生成PWM信号以控制同步整流开关Q2在主功率开关Q1导通前提前导通预定时间Tth，以此实现主功率开关Q1的零电压开通。
至此可知，在DCM模式时,主功率开关Q1在频率达到时强制开通，同步整流开关Q2通过跟踪主功率开关Q1的开关周期的方式，使得同步整流开关Q2在主功率开关Q1导通前的提前导通预定时间Tth，以实现零电压开通，减小开通损耗。
需要说明的是，采用本发明的技术方案，当主功率开关Q1的开关周期不变时，根据上述工作原理可知，最终同步整流开关Q2能够实现跟上主功率开关Q1的开关周期，提前导通同步整流开关Q2，以实现主功率开关Q1的漏源电压Vds1下降至零电压时开通。
当主功率开关Q1的开关周期增加时，从如图4所示的另一个采用第一实施例的零电压开通控制电路的开关电源的工作波形图中可以看出，同步整流开关Q2的提前导通导致主功率开关Q1的漏源电压Vds1下降至低电压时，主功率开关Q1并不导通，而是延后到漏源电压Vds1上升到更高压时再导通,此时同步整流开关Q2的漏源电压Vds由于短时间来回穿越Vth，会把计时器311的计时值T1进行清零，周期计时电路31会因此更新开关周期，在下一个周期实现零电压开通。因此，采样保持电路312被设置为，当同步整流开关Q2的漏源电压Vds高于电压阈值Vth的维持时间小于一预定时间时，不对计时基准T2进行更新,以防止因为周期变化而引起的误导通。
当主功率开关Q1的工作周期减少时,根据上述工作原理可知，最终同步整流开关Q2能够实现跟上主功率开关Q1的开关周期，但是在这种情况下，零电压开通控制电路3需要增加负电流限制保护,防止主功率开关Q1和同步整流开关Q2共通。
图5为本发明第二实施例的零电压开通控制电路的电路图。本发明实施例的零电压开通控制电路4，适于在QR(准谐振)模式下，通过检测每个开关周期中谐振周期的个数Vcoun，以获取表征所述主功率开关Q1的开通时刻的采样信号。从而通过追踪每个开关周期中谐振周期的个数,在下个周期内,提前预定个数个谐振周期导通同步整流开关Q2预定时间Tth，以实现主功率开关Q1的漏源电压Vds1下降至零电压时开通。在本实施例中，提前一个谐振周期导通同步整流开关Q2。如图5所示，零电压开通控制电路4包括谐振计数电路41、分频电路42以及PWM电路43。
具体地，谐振计数电路41，用以对当前开关周期中谐振周期的个数进行计数，并同步地将上个开关周期的计数值Vcoun进行减计数，当减到预定值时，导通同步整流开关Q2。在本实施例中，当减至计数值为1时，导通同步整流开关Q2。
优选地，谐振计数电路41包括计数电路411以及逻辑电路412。具体地，计数电路411，用以交替地实现对当前开关周期中谐振周期的个数进行计数以获得计数值Vcoun，以及将上个开关周期的计数值Vcoun进行减计数。更进一步地，计数电路411包括：第一计数器4111，用以对当前开关周期中谐振周期的个数进行计数以获得计数值Vcoun1，并在下个周期同步地将计数值Vcoun1进行减计数，依此周期性地交替工作；第二计数器4112，用以在当前开关周期同步地将上个周期的计数值Vcoun2进行减计数，并在下个开关周期对谐振周期的个数进行计数以获得计数值Vcoun2，依此周期性地交替工作。
逻辑电路412，用以在当前开关周期进行减计数的计数器的计数值减到预定值时(在本实施例中，预定值为1)，输出逻辑信号Vlog，逻辑信号Vlog用以导通同步整流开关Q2，以此实现主功率开关Q1的零电压开通。逻辑电路412优选地又两个与门电路AND1、AND2以及一个或门电路OR构成。第一与门电路AND1接收第一计数器4111输出的计数值Vcoun1以及一分频信号Vdiv2，输出第一与信号V1；第二与门电路AND2接收第二计数器4112输出的计数值Vcoun2以及一分频信号Vdiv1，输出第二与信号V2；或门电路OR接收第一与信号V1以及第二与信号V2，并输出逻辑信号Vlog。
分频电路42，用以根据同步整流开关Q2的控制信号即PWM信号，生成分频信号Vdiv1以及Vdiv2，分频信号Vdiv1以及Vdiv2用以控制计数电路411工作。分频信号Vdiv1以及Vdiv2的周期是PWM信号的两倍，这样设置的初衷在于，使得第一计数器4111以及第二计数器4112在每两个周期内只进行一次计数以及减计数，从而使得在每个周期中，一个计数器在计数，而另一个计数器在减计数。优选地，分频信号Vdiv1以及Vdiv2互补。
PWM电路33，用以根据逻辑信号Vlog生成PWM信号以控制同步整流开关Q2在主功率开关Q1导通前提前导通预定时间Tth，以此实现主功率开关Q1的零电压开通。
如图6所示，为采用第二实施例的零电压开通控制电路的开关电源的工作波形图。如图6所示，在一个周期内，例如第一计数器4111对当前开关周期中谐振周期的个数进行计数以获得计数值Vcoun1，第二计数器4112，用以在当前开关周期同步地将上个开关周期的计数值Vcoun2进行减计数，此时分频信号Vdiv1为高电平，分频信号Vdiv2为低电平，当负责减计数的第二计数器4112减到1时,第一与门电路AND1输出的第一与信号V1置为高电平，则或门电路OR输出的逻辑信号Vlog也为高电平，此时导通同步整流开关Q2，便可以在主功率开关Q1导通前提前一个谐振周期导通同步整流开关Q2预定时间Tth，以此实现主功率开关Q1的零电压开通。
另外，可以理解的是，在QR(准谐振)模式下，也可以通过检测每个所述开关周期中谐振的时间，以获取表征所述主功率开关Q1的开通时刻的采样信号。从而通过追踪每个开关周期中谐振的时间,在下个开关周期,提前导通同步整流开关Q2预定时间Tth，以允许负电流流过同步整流开关Q2，从而减小主功率开关Q1导通时的两个功率端之间的电压，以实现主功率开关Q1的漏源电压Vds1下降至零电压时开通。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种零电压开通控制电路，应用于开关电源，所述开关电源包括主功率开关以及同步整流开关，其特征在于，所述零电压开通控制电路通过追踪上一个开关周期中谐振周期的个数，以在所述主功率开关下个开关周期导通前，提前预定个数个谐振周期导通所述同步整流开关预定时间，以允许负电流流过所述同步整流开关，从而减小所述主功率开关导通时的两个功率端之间的电压。
2.根据权利要求1所述的零电压开通控制电路，其特征在于，零电压开通控制电路电路包括谐振计数电路，所述谐振计数电路对上一开关周期中谐振周期的个数进行计数，当当前所述开关周期中谐振周期的个数达到上一开关周期中谐振周期的个数与预设值的差时，导通所述同步整流开关。
3.根据权利要求1所述的零电压开通控制电路，其特征在于，所述零电压开通控制电路包括谐振计数电路，所述谐振计数电路对当前开关周期中谐振周期的个数进行计数，并同步地将上个开关周期的计数值进行减计数，当减到预定值时，导通所述同步整流开关。
4.根据权利要求3所述的零电压开通控制电路，其特征在于，所述谐振计数电路包括：
计数电路，用以实现对当前开关周期中谐振周期的个数进行计数以获得所述计数值，以及将上个开关周期的所述计数值进行减计数；
逻辑电路，被配置为当所述计数值减到所述预定值时，输出逻辑信号，所述逻辑信号用以导通所述同步整流开关。
5.根据权利要求4所述的零电压开通控制电路，其特征在于，所述计数电路包括第一计数器和第二计数器，
所述第一计数器和第二计数器两者中的一个，用以对当前周期中谐振周期的个数进行计数以获得所述计数值，并在下个周期同步地将所述计数值进行减计数；
所述第一计数器和第二计数器两者中的另一个，用以在当前周期同步地将所述计数值进行减计数，并在下个周期对谐振周期的个数进行计数以获得所述计数值。
6.根据权利要求4所述的零电压开通控制电路，其特征在于，所述谐振计数电路还包括分频电路，用以根据所述同步整流开关的控制信号，生成分频信号，所述分频信号用以控制所述计数电路工作。
7.根据权利要求1所述的零电压开通控制电路，其特征在于，还包括同步整流控制电路，用以控制所述同步整流开关在所述主功率开关导通后的导通动作，以允许正电流流过所述同步整流开关。
8.一种开关电源，其特征在于，包括：
根据权利要求1-7中任一项所述的零电压开通控制电路。
9.一种零电压开通控制方法，应用于开关电源，所述开关电源包括主功率开关以及同步整流开关，其特征在于，
通过追踪上一个开关周期中谐振周期的个数，以在所述主功率开关下个开关周期导通前，提前预定个数个谐振周期导通同步整流开关预定时间，以允许负电流流过所述同步整流开关，从而减小所述主功率开关导通时的两个功率端之间的电压。
10.根据权利要求9所述的零电压开通控制方法，其特征在于，对上一开关周期中谐振周期的个数进行计数，当当前所述周期中谐振周期的个数达到上一开关周期中谐振周期的个数与预设值的差时，导通所述同步整流开关。
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