CN112542954B - 一种适用于dcm的自适应软驱动控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于DCM的自适应软驱动控制电路，包括由整流滤波电路反激电路以及外部功率MOS依次连接而构成的基础电路、参考阈值产生电路，其特征在于所述参考阈值产生电路输入端与基础电路中的辅助绕组上分压电阻RUP和下分压电阻RDN的连接点相连接，参考阈值产生电路输出端连接有驱动速度检测电路，所述驱动速度检测电路输出端连接有动态调整电路，所述动态调整电路输出端与外部功率MOS的门极相连接。本发明本发明通过检测芯片外部CS脚的电压尖峰直接采样外部功率开关开启瞬间的电流尖峰，控制环路结构简单，不存在常见闭环调节带来的稳定性问题。

Description

一种适用于DCM的自适应软驱动控制电路

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种适用于DCM的自适应软驱动控制电路。

背景技术

图1为反激电路，变压器的TR0的原边侧NP0连接初级电路，输入电压Vin0输入到初级电路中，初级利用输入电压实现励磁电感的储能，并向次级传递，次级测NS0的二极管D01流过输出电流Iout1，Iout1给电容C01充电，并给负载提供能量。

为了实现开关电源效率的最优，通常采用准谐振控制模式，这时整个系统工作在断续模式(DCM)，图2给出了工作在DCM下的反激拓扑，当次级输出电容C11上的电压VO1低于额定输出电压时，通过光耦的负反馈反馈产生反馈电压FB1升高，控制初级控制器CT1加快开关频率并提高导通占空比，以期望获得更多的能量传递到次级，维持输出的稳定。辅助绕组NA1通过检测功率管M10漏极电压，转变为Vaux1，经过RUP1和RDN1分压后，送入VS端口，判断该电压何时谐振到谷底，通过和频率控制信号的与逻辑产生控制信号控制开关管的导通。

参看图3，原边功率MOS导通后，电感电流会线性上升，但在MOS导通的瞬间，由于变压器原边绕组的层间电容Cp3以及MOS本身的源漏电容Coss3，通过MOS管放电，会产生一个很高的电流尖峰，这一尖峰会影响系统的EMI特性，并且会加大导通瞬间的开关损耗。图4所示的波形中，Ip为原边电流波形，Is为次边电流波形，Vgs和Vds分别为原边功率MOS的栅源与漏源电压，可以看到当初级功率MOS的Vgs上升到开启电压后，源级采样电阻上会产生电压尖峰，之后由于米勒平台的形成，MOS的Vgs会维持一段时间，之后被上拉到完全导通。适当降低MOS的驱动速度，对MOS导通速度进行分段控制，能有效抑制电流尖峰，但不同系统中的MOS等效的Qg有差异，因此，实现反激原边MOS驱动的自适应调节是一个挑战。

现针对以上问题设计出一种适用于DCM的自适应软驱动控制电路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于DCM的自适应软驱动控制电路，具备能够根据不同MOS，调节驱动速度，降低开关瞬间产生的电流尖峰，改善EMI特性的优点，解决了ACDC系统中，由于原边驱动速度过快导致的开关瞬间电流尖峰过大，EMI特性较差的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种适用于DCM的自适应软驱动控制电路，包括由整流滤波电路、反激电路依次连接而构成的基础电路、参考阈值产生电路，其中，反激电路包含外部功率MOS，该外部功率MOS作为切换原边绕组的主开关管，其特征在于，所述参考阈值产生电路输入端与基础电路中的辅助绕组上分压电阻RUP和下分压电阻RDN的连接点相连接，参考阈值产生电路输出端连接有驱动速度检测电路，所述驱动速度检测电路输出端连接有动态调整电路，所述动态调整电路输出端与外部功率MOS的门极相连接；

所述驱动速度检测电路包括快速比较器、延时单元和采样保持单元，所述外部功率MOS源极连接的采样电阻RCS与快速比较器的正向输入端相连接，所述快速比较器的反向输入端与参考阈值产生电路的输出端连接，所述快速比较器的输出端与延时单元相连接，延时单元的输出端连接有采样保持单元，所述采样保持单元输出的判决信号EN与动态调整电路相连接；

所述动态调整电路包括双向计数器、可变电流调节模块、上拉开关管；

所述可变电流调节模块包括多个开关阵列S1～SK、多个镜像电流源I1～Ik和一恒定电流源，恒定电流源为恒定导通电流，所述开关阵列S1～SK分别与多个镜像电流源I1～IK串联控制连接后并联相接；

所述双向计数器的输入端与判决信号EN相连接，所述可变电流调节模块中开关阵列S1～SK的控制端与双向计数器的输出端一一对应连接，所述可变电流调节模块的输出端与上拉开关管的栅极相连接，所述上拉开关管的源极输出直接接到外部功率MOS的门极，用于控制外部功率MOS的导通。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

1.本发明通过检测芯片外部CS脚的电压尖峰直接采样外部功率开关开启瞬间的电流尖峰，控制环路结构简单，不存在常见闭环调节带来的稳定性问题；

2.本发明不需要增加额外的管脚，仅仅复用现有的辅助绕组采样管脚，在不改变上下分压电阻比例的基础上，同时改变上下分压电阻的阻值即可设置需要的参考阈值，进而控制驱动调节模块逐步自适应调整驱动电流到设定值；

3.有效降低DCM工作模式下功率管开启瞬间的电流尖峰，能适应不同系统中MOS寄生电容不同的场景，能改善EMI特性；

4.不同于现有技术，只要芯片上电正常工作，动态调整就一直存在，因此在工作中由于温度等因素带来的器件参数的改变也能被本技术实时地调整。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为反激电路示意图；

图2为工作在电流断续模式(DCM)下的反激拓扑；

图3为变压器层间电容和MOS管寄生电容放电路径示意图；

图4为原边功率MOS开通电流和电压波形示意图；

图5为本发明提出的一种适用于DCM的自适应软驱动控制电路示意图；

图6为本发明参考阈值产生电路的时序波形示意图；

图7为本发明自适应调整驱动速度的时序波形示意图；

图8为本发明的一种可变电流调节模块示意图。

具体实施方式

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。

参照图1-8，一种适用于DCM的自适应软驱动控制电路，包括由整流滤波电路、反激电路依次连接而构成的基础电路、参考阈值产生电路，其中，反激电路包含外部功率MOS，该外部功率MOS作为切换原边绕组的主开关管，其特征在于，所述参考阈值产生电路输入端与基础电路中的辅助绕组上分压电阻RUP和下分压电阻RDN的连接点相连接，参考阈值产生电路输出端连接有驱动速度检测电路，所述驱动速度检测电路输出端连接有动态调整电路，所述动态调整电路输出端与外部功率MOS的门极相连接；

所述驱动速度检测电路包括快速比较器、延时单元和采样保持单元，所述外部功率MOS源极连接的采样电阻RCS与快速比较器的正向输入端相连接，所述快速比较器的反向输入端与参考阈值产生电路的输出端连接，所述快速比较器的输出端与延时单元相连接，延时单元的输出端连接有采样保持单元，所述采样保持单元输出的判决信号EN与动态调整电路相连接；

所述动态调整电路包括双向计数器、可变电流调节模块、上拉开关管；

所述可变电流调节模块包括多个开关阵列S1～SK、多个镜像电流源I1～Ik和一恒定电流源，恒定电流源为恒定导通电流，所述开关阵列S1～SK分别与多个镜像电流源I1～IK串联控制连接后并联相接；

所述双向计数器的输入端与判决信号EN相连接，所述可变电流调节模块中开关阵列S1～SK的控制端与双向计数器的输出端一一对应连接，所述可变电流调节模块的输出端与上拉开关管的栅极相连接，所述上拉开关管的源极输出直接接到外部功率MOS的门极，用于控制外部功率MOS的导通。

图5为本发明的系统框图。其中参考阈值产生电路主要包括采样保持单元和减法器，主要产生参考阈值，其中ST1和ST2的反信号用ST1B和ST2B表示。功能波形参看图6所示的时序波形，假设原副边及辅助线圈的轧数比为NP：NS：NA，则当外部功率MOS开启时，辅助绕组上的电压为

当外部功率MOS关断后，辅助绕组上的电压变为(NA/NS)×Vo。这两个电压通过分压电阻分压后送到芯片VS管脚，芯片VS管脚为上分压电阻和下分压电阻的连接点，进行输入电压和输出电压的检测，在上述两个电压检测完成后，图5所示的两个内部电流源Is和2Is分别在信号ST1和ST2有效的时间内灌入到VS管脚，参看图6，在ST1和ST2信号的有效时间T1和T2内，产生不同的两种电压VSA1和VSA2。VSA1和VSA2的表达式由下式给出，式中Vaux表示辅助绕组端的电压，RUP和RDN分别表示上分压电阻和下分压电阻：

通过在分别采样保持VSA1和VSA2的电压后，得到VS1和VS2，送到减法器的输入端，二者作差可以得到二电压差值V为：

由于分压比已经确定，因此，只需要同时调节上下分压电阻，即可改变采样所得的电压差值V，令Vref＝V，就可根据调节外部上下分压电阻得到不同的Vref值，根据Vref的值来调整外部功率器件开启瞬间CS电阻上的电压尖峰V_CS，从而设定不同的驱动速度以满足不同系统下不同MOS的需求。

参看图5，驱动速度检测模块主要包括快速比较器、延时采样单元和采样保持单元。首先检测MOS管栅极电压从0逐渐上升的过程中，当Vgs到达MOS管开启电压后，电流尖峰开始形成，直到MOS的漏极电压被泄放到0，也就是米勒平台结束时，电压尖峰消失。这段时间内，电容要释放的能量是恒定的，但释放时间取决于驱动电流的大小，若上拉电流过大，会使得尖峰峰值很高，因此需要动态降低MOS管栅极电压在达到米勒平台之前的驱动电流，也就是需要分段驱动，为此，参看图7，在外部功率管开启的一个较短的LEB时间内(350ns)，将外部CS采样电阻的电压V_CS输入到快速比较器的一端与阈值设定模块产生的阈值电压Vref进行比较，快速比较器的比较结果为图6中的Flag信号，当驱动速度过快时，V_CS很容易触碰到Vref，当V_CS大于Vref时，Flag翻转为高电平；当驱动速度较为缓慢时，V_CS不会触碰到Vref，此时Flag保持低电平。Flag信号经过下降沿的延时处理后得到FlagD，方便在LEB信号的下降沿到来时对其进行采样，采样结果保持在电容或寄存器中，输出EN信号。

参看图7，EN信号控制动态调整电路的使能端，当EN为高电平时，调整信号控制电路内的双向计数器开始正向UP计数，输出信号逐步+1，如某一周期输出为二进制码00001，则下一周期输出为00010；当EN为低电平，双向计数器开始开始反向计数，输出信号逐步-1，如某一周期输出为二进制码00011，则下一周期输出为00010。输出信号的最低位代表可调节电流的最小变化量，为一个LSB。上述输出的数字信号经过触发器，控制开关阵列S1～Sk的导通与关断，调节驱动电流。当调整进行到某一周期时，EN信号变低，由于计数始终进行，则下一周期EN又变高，然后再过一个周期再变低，以此往复，此后调整虽然一直进行，但采样得到的V_CS始终在阈值电压上下小幅度动态波动。则认为达到了动态平衡，说明CS上的电流尖峰处于设定阈值的附近。整个调整过程的时序参看图7，调整在芯片上电之后的软启动过程中完成，软启动完成后，输出已经建立，驱动速度这时已经被调整到预设值，调整在芯片上电之后始终存在。

图8给出了一种可调电流单元的电路原理示意图，图8包含5个开关

M1～M5镜像拷贝电流源，镜像比例为1:2:4:8:16，M6为恒定导通电流。设镜像电流源为I0，则M1～M6中流过的电流分别为I0、2I0、4I0、8I0、16I0和64I0，所有这些电流都将作为分段驱动电流的第一段电流ID1，可以知道ID1的变化范围为[64I0，95I0]，最小变化为I0。开关T2在外部功率MOS的栅极电压达到5V之后才开启，表示已经越过米勒平台，这时用全电流，即ID1+ID2将外部功率MOS上拉至完全导通。图8中的M7和PM0均为高压管，用来提供较高的耐压需求。

开关阵列中如果含有N个开关，则至多调整2N-1个周期，全部开关都断开对应调整的最大值，记作Iadj_max，则最小步长，即一个LSB为：

通过调节VS端口的上下分压电阻，可以设置不同的基准电压Vref，则Vref可由下式决定：

本发明适用于工作在断续模式(DCM)下的反激变换原边控制器中，不需要增加额外的端口，分时复用现有谷底检测脚VS，通过改变VS管脚的外部上下分压电阻电阻设定目标值后，驱动速度能够朝着目标值自适应调整，从而满足不同MOS的驱动需求，并且能有效降低外部功率MOS导通瞬间的电流尖峰，改善EMI特性。

工作时，将驱动电流分成两段：当MOS的栅极电压小于某一阈值Vth1时用部分电流进行驱动；当MOS电压阈值Vth1时用全电流进行驱动。于此同时，快速检测MOS管源极的电流尖峰Ipks，并与预设的基准值Vref进行比较，在不影响绕组电压采样的基础上，通过等比例改变辅助绕组的上下分压电阻值，通过内部解码单元可以灵活设置Vref的值，因此Vref的设定不需要在芯片上增加额外的管脚，复用了现有的绕组电压采样端口。与Vref比较的结果被周期性采样并保持在寄存器内，根据比较结果，控制逻辑产生+1或-1计数来控制开关阵列交替导通或关断，逐周期降低或增加第一段驱动电流，直到最终MOS源极电流尖峰控制在预设基准值附近。本发明能够根据不同MOS，调节驱动速度，降低开关瞬间产生的电流尖峰，改善EMI特性。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种适用于DCM的自适应软驱动控制电路，包括由整流滤波电路、反激电路依次连接而构成的基础电路、参考阈值产生电路，其中，反激电路包含外部功率MOS，该外部功率MOS作为切换原边绕组的主开关管，其特征在于，所述参考阈值产生电路输入端与基础电路中的辅助绕组上分压电阻RUP和下分压电阻RDN的连接点相连接，参考阈值产生电路输出端连接有驱动速度检测电路，所述驱动速度检测电路输出端连接有动态调整电路，所述动态调整电路输出端与外部功率MOS的门极相连接；

所述驱动速度检测电路包括快速比较器、延时单元和采样保持单元，所述外部功率MOS源极连接的采样电阻RCS与快速比较器的正向输入端相连接，所述快速比较器的反向输入端与参考阈值产生电路的输出端连接，所述快速比较器的输出端与延时单元相连接，延时单元的输出端连接有采样保持单元，所述采样保持单元输出的判决信号EN与动态调整电路相连接；

所述动态调整电路包括双向计数器、可变电流调节模块、上拉开关管；

所述可变电流调节模块包括多个开关阵列S1～SK、多个镜像电流源I1～Ik和一恒定电流源，恒定电流源为恒定导通电流，所述开关阵列S1～SK分别与多个镜像电流源I1～IK串联控制连接后并联相接；

所述双向计数器的输入端与判决信号EN相连接，所述可变电流调节模块中开关阵列S1～SK的控制端与双向计数器的输出端一一对应连接，所述可变电流调节模块的输出端与上拉开关管的栅极相连接，所述上拉开关管的源极输出直接接到外部功率MOS的门极，用于控制外部功率MOS的导通。

Images