CN111726011A - 一种包含集成式隔离dc-dc的数字隔离器电路及包括该电路的数字隔离器 - Google Patents

一种包含集成式隔离dc-dc的数字隔离器电路及包括该电路的数字隔离器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种包含集成式隔离DC‑DC的数字隔离器电路及包括该电路的数字隔离器。该电路具体包括隔离变压器，隔离变压器的输入端和输出端分别连接原边驱动电路和数字式自适应驱动电路，数字式自适应驱动电路包括依次连接的开关电容比较器、计数器、导通时间产生电路、驱动电路和功率MOSFET，开关电容比较器用于检测由所述隔离变压器输入的电压信号，并将检测结果输至所述计数器，计数器根据检测结果改变计数值，并将该计数值输至导通时间产生电路，由导通时间产生电路得到周期导通时间，该周期导通时间经驱动电路后驱动功率MOSFET，将电压信号输出。本发明的数字隔离器电路能够有效提高隔离DC‑DC的整体转换效率。

Description

一种包含集成式隔离DC-DC的数字隔离器电路及包括该电路 的数字隔离器
技术领域
本发明涉及数字隔离器技术领域，尤其是涉及一种包含集成式隔离DC-DC的数字隔离器电路及包括该电路的数字隔离器。
背景技术
随着越来越多的终端产品往小型化方向发展，全集成式隔离DC-DC转换器具有集成度高体积小的优点，但是受限于体积和片上的变压器的Q值偏低，目前的集成式的隔离DC-DC的整体转换效率仍然很低。集成式隔离DC-DC由原边驱动电路、变压器、副边接收电路、反馈控制电路等几部分组成，其中不同的副边接收电路的转换效率差异较大。
传统的集成式的隔离DC-DC数字隔离器的副边接收电路主要分为两种：
(1)采用四个二极管实现整流桥的接收侧电路，其缺点是：每次导通时，有两个串联的二极管导通，会产生1.4V的巨大压降，输出电压通常为3.3V或5V，该1.4V的压降损耗巨大，极大的降低了整个隔离DC-DC系统的转换效率。
(2)采用MOSFET实现整流桥的有源接收侧驱动电路。高边为两个接成锁存器的PMOS,不需要额外的驱动电路，低边为两个NMOS做功率开关管，比较器实时检测变压器电压信号低于GND，以便导通NMOS，但是为了防止低边NMOS与高边的PMOS同时导通，造成芯片烧毁，尤其是当开关频率很高的时候(本例中为60MHz)，并且必需留出足够长的死区时间，这样NMOS真正导通的时间可能很短，因此，转换效率也比较低，同时模拟方式也容易受到噪声的干扰。
因此，不论是用四个二极管实现整流桥的接收侧电路，还是MOSFET实现整流桥的有源接收侧驱动电路，当开关速度很高时，都存在转换效率不高的问题。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种包含集成式隔离DC-DC的数字隔离器电路及包括该电路数字隔离器，该数字隔离器电路能够有效提高隔离DC-DC的整体转换效率。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于集成式隔离DC-DC的数字隔离器电路，包括隔离变压器，所述隔离变压器的输入端和输出端分别连接原边驱动电路和数字式自适应驱动电路，所述数字式自适应驱动电路包括依次连接的开关电容比较器、计数器、导通时间产生电路、驱动电路和功率MOSFET，所述开关电容比较器用于检测由所述隔离变压器输入的电压信号，并将检测结果输至所述计数器，所述计数器根据检测结果改变计数值，并将该计数值输至所述导通时间产生电路，由所述导通时间产生电路得到周期导通时间，经过该周期导通时间后，所述驱动电路驱动所述功率MOSFET，将电压信号输出。
上述功率MOSFET即功率金属氧化物半导体场效应晶体管。
进一步地，所述计数器根据开关电容比较器的输出信号为高/低，进行进位/退位，调整所述导通时间产生电路的输出导通时间的长短，得到最优的周期导通时间。
进一步地，每经过8个周期，所述开关电容比较器对输入的电压信号进行一次检测，且所述导通时间产生电路重新得到一个周期导通时间。
进一步地，所述功率MOSFET的高边为两个组成锁存器的PMOS管，根据输入信号的电压而自动导通或者关断；低边为两个NMOS管做功率开关管。
进一步地，所述数字隔离器电路还包括反馈控制电路，所述反馈控制电路将由所述数字式自适应驱动电路输出的电压与参考电压的误差放大，并且与锯齿波比较产生PWM方波信号。
进一步地，所述数字隔离器电路还包括调制解调电路，所述调制解调电路的输入端与所述反馈控制电路的输出端连接，所述反馈控制电路产生的PWM方波信号经过所述调制解调电路后恢复出原始PWM方波信号。
本发明还提供一种数字隔离器，所述数字隔离器包括上述的数字隔离器电路。
本发明提供的一种基于集成式隔离DC-DC的数字隔离器电路，其有益效果在于：数字式自适应(adaptive)驱动电路，用于集成式隔离DC-DC的接收侧，能提高驱动电路的可靠性和隔离DC-DC的整体转换效率。本发明提出的数字式adaptive驱动电路能有效克服传统电路结构中存在的过多的死区时间和易受噪声干扰的缺陷。在不同的工作条件下，低边的NMOS工作时间不相同，数字式adaptive驱动会实时监测条件的变化，每8个周期调整一次死区的时间，保证电路安全且效率高；由于NMOS的导通时间的控制为数字式的，更为稳定可靠。
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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为集成式隔离DC-DC的基本结构；
图2为用MOSFET实现的固定死区时间的接收侧驱动电路；
图3为本发明中的数字式自适应驱动电路；
图4为数字式自适应驱动电路中的开关电容比较器以及时序；
图5为数字式自适应驱动电路中的关键节点波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作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。
参考图1，附图1中示出了集成式隔离DC-DC的基本结构。主要由原边驱动电路11、隔离变压器12、副边驱动电路20、反馈控制电路13、OOK调制电路14、隔离电容16、OOK解调电路15、驱动振荡器30构成。供电输入端23接一个外置10uF的去耦电容17，稳定输入的电压波形。由于集成式的变压器的电感值通常比较小约100nH左右，因此需要较高的频率的驱动信号去驱动。在图中，原边驱动电路11将接受的PWM信号与驱动振荡器30产生的60MHz的高频振荡信号进行调制，驱动变压器，输入能量被传递到了隔离器变压器12，同时，副边驱动电路20将接收到的变压器的能量传递到输出电压24，在输出电压24的节点上有一个10uF的外置电容18，其作用是稳定输出电压24。第一电阻21和第二电阻22组成分压网络，将输出电压24分压后送到反馈控制电路13；反馈控制电路13将反馈电压与VREF的电压的误差放大，并且与锯齿波比较产生PWM方波信号。PWM方波信号先被OOK调制电路14进行调制，再经过隔离电容16，传送到OOK解调电路15，被解调恢复出原始PWM方波信号。
参考图2，附图2中示出了用MOSFET实现的固定死区时间的接收侧驱动电路。该驱动电路的输入电压来自隔离变压器的一端输入信号25和另一端输入信号26，一侧PMOS管47和另一侧PMOS管48组成一个锁存器，根据一端输入信号25和另一端输入信号26的电压而自动导通或者关断。如一端输入信号25为高电平，则另一端输入信号26为低电平，一侧PMOS管47则会被导通，同时，另一侧PMOS管48则被关断。反之，一端输入信号25为低电平，另一端输入信号26为高电平，则一侧PMOS管47关断，另一侧PMOS管48导通。一侧NMOS管45和另一侧NMOS管46为低边驱动管，二者为互补关系，当其中一个导通时，另一个处于关断状态。比较器41和驱动器43组成一侧NMOS管45的完整驱动电路，比较器41检测变压器的一端输入信号25的电压是否过零，当变压器的一端输入信号25的电压小于零时，比较器41翻高，驱动器43会导通一侧NMOS管45。当然，由于比较器有一定的延时，需要在比较器41翻低之前就关断一侧NMOS管45，防止造成上下管的直通。右边的电路比较器42，驱动器44和另一侧NMOS管46的工作原理类似。
参考图3，附图3中示出了本发明提出的接收侧数字式自适应(adaptive)驱动电路60。主要由开关电容比较器70、计数器61，本实施例优选为64档计数器、导通时间产生电路62、驱动电路63和功率MOSFET部分组成，所述功率MOSFET的高边为两个组成锁存器的一侧PMOS管67和另一侧PMOS管68，根据输入信号的电压而自动导通或者关断；低边为一侧NMOS管65和另一侧NMOS管66做功率开关管。其中开关电容比较器70主要是检测变压器的一端输入信号25和另一端输入信号26，计数器61根据开关电容比较器70的结果改变计数值，并将该计数值输至所述导通时间产生电路62，从而，得到导通时间TON，该导通时间经驱动电路63后驱动一侧NMOS管65或者另一侧NMOS管66。
接着，结合图4和图5说明图3的工作原理，一端输入信号25和另一端输入信号26为互补方波信号，频率为60MHz，作为时钟信号，经过逻辑处理，如图4所示，得到采样、保持、比较的时序逻辑信号去控制开关电容比较器70的工作，开关电容比较器70是驱动电路中的一个关键模块，要求精度高失配小、比较速度快。计数器61根据开关电容比较器70的输出信号为高/低，进行进位/退位，去调整导通时间TON导通时间产生电路62的输出导通时间TON的长短，从而使得导通时间TON最优化，既不会导致高边的PMOS与低边的NMOS直通，也尽可能的延长了TON，使得转换效率最优化。每8个周期，开关电容比较器70比较一次，导通时间TON也相应调整一次，避免频繁的对噪声进行响应。
附图4中示出了本发明提出的adaptive驱动电路中的开关电容比较器70以及时序。一端输入信号25为60MHz的接近方波的信号，波形72为采样时序信号，控制采样开关77；波形73为保持时序信号，控制保持开关78；波形74为开关电容比较器70比较的时序信号，控制比较器75，在该时序内，比较器进行比较输出结果。每8个周期，会分别重新进行一次采样、保持、比较。
附图5中示出了本发明提出的adaptive驱动电路中的关键节点波形图。波形25为输入信号波形，来自变压器。可以看到，当输入为低的时候的电平是低于GND的(图中虚线所示)，另外，波形69为产生的adaptive TON波形，当输入电平低于GND时，TON为高电平。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种包含集成式隔离DC-DC的数字隔离器电路，包括隔离变压器，所述隔离变压器的输入端和输出端分别连接原边驱动电路和数字式自适应驱动电路，其特征在于：所述数字式自适应驱动电路包括依次连接的开关电容比较器、计数器、导通时间产生电路、驱动电路和功率MOSFET，所述开关电容比较器用于检测由所述隔离变压器输入的电压信号，并将检测结果输至所述计数器，所述计数器根据检测结果改变计数值，并将该计数值输至所述导通时间产生电路，由所述导通时间产生电路得到周期导通时间，经过该周期导通时间后，所述驱动电路驱动所述功率MOSFET，将电压信号输出。
2.根据权利要求1所述的数字隔离器电路，其特征在于：所述计数器根据开关电容比较器的输出信号为高/低，进行进位/退位，调整所述导通时间产生电路的输出导通时间的长短，得到最优的周期导通时间。
3.根据权利要求1所述的数字隔离器电路，其特征在于：每经过8个周期，所述开关电容比较器对输入的电压信号进行一次检测，且所述导通时间产生电路重新得到一个周期导通时间。
4.根据权利要求1所述的数字隔离器电路，其特征在于：所述功率MOSFET的高边为两个组成锁存器的PMOS管，根据输入信号的电压而自动导通或者关断；低边为两个NMOS管做功率开关管。
5.根据权利要求1所述的数字隔离器电路，其特征在于：所述数字隔离器电路还包括反馈控制电路，所述反馈控制电路将由所述数字式自适应驱动电路输出的电压与参考电压的误差放大，并且与锯齿波比较产生PWM方波信号。
6.根据权利要求5所述的数字隔离器电路，其特征在于：所述数字隔离器电路还包括调制解调电路，所述调制解调电路的输入端与所述反馈控制电路的输出端连接，所述反馈控制电路产生的PWM方波信号经过所述调制解调电路后恢复出原始PWM方波信号。
7.一种数字隔离器，其特征在于,所述数字隔离器包括如权利要求1至6中任意一项所述的数字隔离器电路。
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