CN112671218B - 一种单端正激开关电源二极管的尖峰电压抑制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了尖峰电压抑制领域的一种单端正激开关电源二极管的尖峰电压抑制电路，包括连接在单端正激开关电源电路上的能量回馈电路以及尖峰电压抑制单元，尖峰电压抑制单元包括自驱采集电路、信号限幅电路、电平移位电路以及对整流二极管关断时的尖峰电压钳位的第一有源钳位电路、对续流二极管关断时的尖峰电压钳位的第二有源钳位电路；第一有源钳位电路中的尖峰电压能量通过能量回馈电路回馈到单端正激开关电源电路的输出电压端。本发明采用变压器自驱信号控制有源钳位电路钳位整流二极管/续流二极管的开关尖峰电压，并将尖峰能量进行回馈利用，既降低了开关尖峰电压又减小了损耗，提高了电路安全性和转换效率，为电源系统安全提供了保障。

Description

一种单端正激开关电源二极管的尖峰电压抑制电路

技术领域

本发明涉及尖峰电压抑制领域，具体是一种单端正激开关电源二极管的尖峰电压抑制电路。

背景技术

开关电源和作为系统二次电源的DC/DC变换器广泛应用于航天、航空、船舶、兵器、电子、铁路、通信、医疗电子、工业自动化设备等军民用电子系统中。单端正激拓扑结构电路是开关电源常用的拓扑结构之一，由于变压器漏感、整流二极管/续流二极管反向恢复时间以及版图走线引入的电感等影响，整流二极管/续流二极管关断时会产生很大的开关尖峰。通常会采用RC或RCD电路来吸收尖峰，但是RC或RCD吸收电路无法将较高的尖峰电压完全抑制，尖峰电压抑制的越低，产生的额外损耗也越大，所以需要一种尖峰电压抑制效果好、损耗低的抑制电路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单端正激开关电源二极管的尖峰电压抑制电路，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种单端正激开关电源二极管的尖峰电压抑制电路，包括连接在单端正激开关电源电路上的能量回馈电路以及尖峰电压抑制单元，单端正激开关电源电路包括变压器、整流二极管、续流二极管以及LC滤波电路；尖峰电压抑制单元包括：

从变压器的次级绕组侧采集驱动电压信号的自驱采集电路，

将驱动电压信号的幅度限制到安全裕度以下的信号限幅电路，

将限幅后的驱动电压信号转换为负电平信号的电平移位电路，

以及通过负电平信号驱动导通并

对整流二极管关断时的尖峰电压钳位的第一有源钳位电路、对续流二极管关断时的尖峰电压钳位的第二有源钳位电路；

所述第一有源钳位电路中的尖峰电压能量通过能量回馈电路回馈到单端正激开关电源电路的输出电压端。

作为本发明的改进方案，自驱采集电路包括第一自驱采集电路与第二自驱采集电路，第一自驱采集电路的输入端连接在变压器次级绕组同名端，第二自驱采集电路的输入端连接在变压器次级绕组异名端；信号限幅电路包括第一信号限幅电路与第二信号限幅电路，电平移位电路包括电路连接结构相同的第一电平移位电路与第二电平移位电路，第一自驱采集电路、第一信号限幅电路、第一电平移位电路、第一有源钳位电路依次连接，第二自驱采集电路、第二信号限幅电路、第二电平移位电路、第二有源钳位电路依次连接。

作为本发明的改进方案，所述能量回馈电路包括第二电感与第三二极管，第二电感的第一端连接第三二极管的阴极，第二端连接单端正激开关电源电路的输出电压端，第三二极管的阳极连接变压器次级绕组的异名端。

作为本发明的改进方案，第一自驱采集电路包括第一电容。

作为本发明的改进方案，第一信号限幅电路包括第二电阻、第一稳压管；第二电阻的第一端连接第一自驱采集电路的输出端，第二端连接第一稳压管的阴极；第一稳压管的阳极接地，并输出稳压电压到第一电平移位电路。

作为本发明的改进方案，第一电平移位电路包括第二电容、第三电阻、第四电阻、第二二极管；第二电容的第一端作为第一电平移位电路的输入端，第二端与第三电阻的第一端连接；第三电阻的第二端作为第一电平移位电路的输出端，连接第四电阻的第一端与第二二极管的阳极；第四电阻的第二端与第二二极管的阴极接地。

作为本发明的改进方案，第一有源钳位电路包括第三电容与第一PMOS管，第一PMOS管的栅极作为驱动端，连接第一电平移位电路的输出端，源极接地，漏极连接第三电容的第二端，第三电容的第一端连接第三二极管的阴极。

作为本发明的改进方案，第二有源钳位电路包括第六电容、第六二极管、第九电阻与第二PMOS管；第六电容的第一端作为第二有源钳位电路的输出端，连接变压器次级绕组的同名端，第二端连接第九电阻的第二端与第六二极管的阳极；第六电阻的第一端连接第二PMOS管的漏极，第二PMOS管的栅极作为驱动端连接第二电平移位电路的输出端，第六二极管的阴极与第二PMOS管的源极接地。

作为本发明的改进方案，第一自驱采集电路与第二自驱采集电路的电路连接结构相同。

作为本发明的改进方案，第一信号限幅电路与第二信号限幅电路的电路连接结构相同。

有益效果：本发明提供了一种适用于单端正激拓扑开关电源输出整流/续流二极管尖峰电压的无损抑制吸收电路，采用变压器自驱信号控制有源钳位电路钳位整流二极管/续流二极管的开关尖峰电压，并将尖峰能量进行回馈利用，既降低了开关尖峰电压又减小了损耗，提高了电路安全性和转换效率，为电源系统安全提供了保障。

附图说明

图1为本发明的电路框图；

图2为本发明的电路原理图。

图中：1-第一自驱采集电路；2-第二自驱采集电路；3-第一信号限幅电路；4-第二信号限幅电路；5-第一电平移位电路；6-第二电平移位电路；7-第一有源钳位电路；8-第二有源钳位电路；9-能量回馈电路。

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。

一种单端正激开关电源二极管的尖峰电压抑制电路，包括连接在单端正激开关电源电路上的能量回馈电路9以及尖峰电压抑制单元，单端正激开关电源电路包括变压器T1、整流二极管D7、续流二极管D8以及LC滤波电路，LC滤波电路包括电感L1与电容C7。变压器T1次级绕组的同名端连接续流二极管D8的阴极与电感L1的第一端，异名端连接整流二极管D7的阴极，整流二极管D7的阳极、续流二极管D8的阳极与电容C7的第二端均接地，电容C 7的第一端连接电感L1的第二端，也作为单端正激开关电源电路的输出电压端。

尖峰电压抑制单元包括：自驱采集电路、信号限幅电路、电平移位电路、第一有源钳位电路7与第二有源钳位电路8。

如图1所示，自驱采集电路包括第一自驱采集电路1与第二自驱采集电路2，信号限幅电路包括第一信号限幅电路3与第二信号限幅电路4，电平移位电路包括结构相同的第一电平移位电路5与第二电平移位电路6。第一自驱采集电路1、第一信号限幅电路3、第一电平移位电路5、第一有源钳位电路7依次连接，第二自驱采集电路2、第二信号限幅电路4、第二电平移位电路6、第二有源钳位电路8依次连接。

第一自驱采集电路1的输入端连接在变压器T1次级绕组同名端，第二自驱采集电路2的输入端连接在变压器T1次级绕组异名端，均用于从变压器T1的次级绕组侧采集驱动电压信号，第一自驱采集电路1采集处理后将驱动电压信号送入到第一信号限幅电路3，第二自驱采集电路2采集处理后将驱动电压信号送入到第二信号限幅电路4。

第一信号限幅电路3与第二信号限幅电路4均用于对前级采集的驱动电压信号的幅度进行限制，使驱动电压信号的幅度限制到安全裕度以下。第一信号限幅电路3将限幅后的信号送入第一电平移位电路5，第二信号限幅电路4将限幅后的信号送入第二电平移位电路6。

第一电平移位电路5与第二电平移位电路6均用于将前级的零电平信号(限幅后的驱动电压信号)转换为负电平信号。

第一有源钳位电路7通过第一电平移位电路5输出的负电平信号驱动导通并对整流二极管D7关断时的尖峰电压钳位，第二有源钳位电路8通过第二电平移位电路6输出的负电平信号驱动导通并对续流二极管D8关断时的尖峰电压钳位。

第一有源钳位电路7中的尖峰电压能量通过能量回馈电路9回馈到单端正激开关电源电路的输出电压端。

本发明的尖峰电压抑制电路通过从变压器次级采集自驱动信号，并通过限幅、电平移位、有源钳位电路分别钳位整流二级管和续流二级管的开关尖峰电压，使其工作在器件安全裕度以下，整个控制电路原理结构简单，尖峰电压抑制效果明显，提高了电路可靠性。并且，被抑制的尖峰电压能量通过能量回馈电路回馈到输出电压，做到无损尖峰电压钳位吸收，提高了产品转换效率。

如图2所示，作为一种实施方式，能量回馈电路9包括第二电感L2与第三二极管D3，第二电感L2起到储能滤波作用，第二电感L2的第一端连接第三二极管D3的阴极，第二端连接单端正激开关电源电路的输出电压端，第三二极管D3的阳极连接变压器T1次级绕组的异名端。

作为一种实施方式，第一自驱采集电路1包括第一电容C1，第一电容C1为隔离电容，可以采集变压器次级侧自驱信号。

优选地，还可以在第一电容C1串联第一电阻R1，第一电阻R1用于限流。第一电阻R1连接变压器T1次级绕组的同名端，第一电容C1连接第二电阻R2的第一端。

作为一种实施方式，第一信号限幅电路3包括第二电阻R2、第一稳压管VZ1；第二电阻R2为偏置电阻，第二电阻R2的第一端连接第一自驱采集电路1的输出端，第二端连接第一稳压管VZ1的阴极；第一稳压管VZ1的阳极接地，并输出稳压电压到第一电平移位电路5。

作为另一种实施方式，第一信号限幅电路3还包括第一NMOS管Q1与第一二极管D1；第二电阻R2的第一端与第一NMOS管Q1的漏极连接，第二电阻R2的第二端连接第一NMOS管Q1的栅极；第一NMOS管Q1的源极连接第一二极管D1的阴极以及第二电容C2的第一端；第一二极管D1的阳极与第一稳压管VZ1的阳极接地。

作为一种实施方式，第一电平移位电路5包括第二电容C2、第三电阻R3、第四电阻R4、第二二极管D2；第二电容C2的第二端与第三电阻R3的第一端连接；第三电阻R3的第二端连接第四电阻R4的第一端、第二二极管D2的阳极以及第一PMOS管Q2的栅极；第四电阻R4的第二端与第二二极管D2的阴极接地。第二电容C2为隔离电容，第三电阻R3为限流电阻，第四电阻R4作为第一PMOS管Q2的栅极和源极间的电荷泄放通道。

作为一种实施方式，第一有源钳位电路7包括第三电容C3与第一PMOS管Q2，第一PMOS管Q2的源极接地，漏极连接第三电容C3的第二端，第三电容C3的第一端连接第三二极管D3的阴极。

作为一种实施方式，第二自驱采集电路2包括第四电容C4，第四电容C4连接第六电阻R6的第一端。第四电容C4为隔离电容。第二自驱采集电路2与第一自驱采集电路1的电路结构可以相同，也可以不同。本实施方式中，自驱采集电路2还可以包括用于限流的第五电阻R5，第五电阻R5与第四电容C4串联连接，第五电阻R5的第一端连接变压器T1次级绕组的异名端。

作为一种实施方式，第二信号限幅电路4包括第六电阻R6、第二稳压管VZ2；第六电阻R6为偏置电阻，第六电阻R6的第二端连接第二稳压管VZ2的阴极，第二稳压管VZ2的阳极接地，第二稳压管VZ2输出稳压电压到第二电平移位电路。第二信号限幅电路4与第一信号限幅电路3的电路连接结构可以相同，也可以不同。本实施方式中，还可以包括第二NMOS管Q3与第四二极管D4，第六电阻R6的第一端与第二NMOS管Q3的漏极连接，第六电阻R6的第二端连接第二NMOS管Q3的栅极，第二NMOS管Q3的源极连接第四二极管D4的阴极以及第五电容C5的第一端；第四二极管D4的阳极接地。

第二电平移位电路6与第一电平移位电路5的电路连接结构相同。第二电平移位电路6包括第五电容C5、第七电阻R7、第八电阻R8、第五二极管D5；第五电容C5的第二端与第七电阻R7的第一端连接；第七电阻R7的第二端连接第八电阻R8的第一端、第五二极管D5的阳极以及第二PMOS管Q4的栅极；第八电阻R8的第二端与第五二极管D5的阴极接地。第五电容C5为隔离电容，第七电阻R7为限流电阻，第八电阻R8作为第二PMOS管Q4的栅极和源极间的电荷泄放通道。

作为一种实施方式，第二有源钳位电路8包括第六电容C6、第六二极管D6、第九电阻R9与第二PMOS管Q4；第六电容C6的第一端连接变压器T1次级绕组的同名端，第二端连接第九电阻R9的第二端与第六二极管D6的阳极；第六电阻R9的第一端连接第二PMOS管Q4的漏极，第六二极管D6的阴极与第二PMOS管Q4的源极接地。

工作原理：当变压器T1次级同名端的电压由负变正时，整流二级管D7导通，续流二级管D8截止，变压器T1次级异名端电压通过第五电阻R5、第四电容C4进入第二NMOS管Q3和第六电阻R6，第二NMOS管Q3栅极电压由第二稳压管VZ2稳压，由此限制第二NMOS管Q3源极电压的最大值，再将经过限幅的信号送入第五电容C5、第七电阻R7、第八电阻R8与第五二极管D5构成的第二电平移位电路6中，将零电平移位成负电平控制第二PMOS管Q4的栅极驱动，并通过第六电容C6来钳位续流二级管D8截止时产生的尖峰电压。

当变压器T1次级同名端电压由正变负时，整流二级管D7截止，续流二级管D8导通，变压器T1次级同名端电压通过第一电阻R1、第一电容C1进入第一NMOS管Q1和第二电阻R2，第一NMOS管Q1的栅极电压由第一稳压管VZ1稳压，由此限制第一NMOS管Q1源极电压的最大值，再将经过限幅的信号送入第二电容C2、第三电阻R3、第四电阻R4与第四二极管D4构成的第一电平移位电路5中，将零电平移位成负电平控制第一PMOS管Q1的栅极驱动，并通过第三电容C3来钳位整流二级管D7截止时产生的尖峰电压；当变压器T1次级同名端电压再次由负变正时，第一PMOS管Q2关断，钳位电容C3上的能量通过用于储能的第二电感L2回馈至输出电压。

虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

在本发明的描述中，需要说明的是，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种单端正激开关电源二极管的尖峰电压抑制电路，其特征在于，包括连接在单端正激开关电源电路上的能量回馈电路(9)以及尖峰电压抑制单元，单端正激开关电源电路包括变压器(T1)、整流二极管(D7)、续流二极管(D8)以及LC滤波电路；尖峰电压抑制单元包括：

从变压器(T1)的次级绕组侧采集驱动电压信号的自驱采集电路，

将驱动电压信号的幅度限制到安全裕度以下的信号限幅电路，

将限幅后的驱动电压信号转换为负电平信号的电平移位电路，

以及通过负电平信号驱动导通并

对整流二极管(D7)关断时的尖峰电压钳位的第一有源钳位电路(7)、对续流二极管(D8)关断时的尖峰电压钳位的第二有源钳位电路(8)；

所述第一有源钳位电路(7)中的尖峰电压能量通过能量回馈电路(9)回馈到单端正激开关电源电路的输出电压端。

2.根据权利要求1所述的一种单端正激开关电源二极管的尖峰电压抑制电路，其特征在于，自驱采集电路包括第一自驱采集电路(1)与第二自驱采集电路(2)，第一自驱采集电路(1)的输入端连接在变压器(T1)次级绕组同名端，第二自驱采集电路(2)的输入端连接在变压器(T1)次级绕组异名端；信号限幅电路包括第一信号限幅电路(3)与第二信号限幅电路(4)，电平移位电路包括电路连接结构相同的第一电平移位电路(5)与第二电平移位电路(6)，第一自驱采集电路(1)、第一信号限幅电路(3)、第一电平移位电路(5)、第一有源钳位电路(7)依次连接，第二自驱采集电路(2)、第二信号限幅电路(4)、第二电平移位电路(6)、第二有源钳位电路(8)依次连接。

3.根据权利要求2所述的一种单端正激开关电源二极管的尖峰电压抑制电路，其特征在于，所述能量回馈电路(9)包括第二电感(L2)与第三二极管(D3)，第二电感(L2)的第一端连接第三二极管(D3)的阴极，第二端连接单端正激开关电源电路的输出电压端，第三二极管(D3)的阳极连接变压器(T1)次级绕组的异名端。

4.根据权利要求3所述的一种单端正激开关电源二极管的尖峰电压抑制电路，其特征在于，第一自驱采集电路(1)包括第一电容(C1)。

5.根据权利要求3所述的一种单端正激开关电源二极管的尖峰电压抑制电路，其特征在于，第一信号限幅电路(3)包括第二电阻(R2)、第一稳压管(VZ1)；第二电阻(R2)的第一端连接第一自驱采集电路(1)的输出端，第二端连接第一稳压管(VZ1)的阴极；第一稳压管(VZ1)的阳极接地，并输出稳压电压到第一电平移位电路(5)。

6.根据权利要求3所述的一种单端正激开关电源二极管的尖峰电压抑制电路，其特征在于，第一电平移位电路(5)包括第二电容(C2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第二二极管(D2)；第二电容(C2)的第一端作为第一电平移位电路(5)的输入端，第二端与第三电阻(R3)的第一端连接；第三电阻(R3)的第二端作为第一电平移位电路(5)的输出端，连接第四电阻(R4)的第一端与第二二极管(D2)的阳极；第四电阻(R4)的第二端与第二二极管(D2)的阴极接地。

7.根据权利要求3所述的一种单端正激开关电源二极管的尖峰电压抑制电路，其特征在于，第一有源钳位电路(7)包括第三电容(C3)与第一PMOS管(Q2)，第一PMOS管(Q2)的栅极作为驱动端，连接第一电平移位电路(5)的输出端，源极接地，漏极连接第三电容(C3)的第二端，第三电容(C3)的第一端连接第三二极管(D3)的阴极。

8.根据权利要求3所述的一种单端正激开关电源二极管的尖峰电压抑制电路，其特征在于，第二有源钳位电路(8)包括第六电容(C6)、第六二极管(D6)、第九电阻(R9)与第二PMOS管(Q4)；第六电容(C6)的第一端作为第二有源钳位电路(8)的输出端，连接变压器(T1)次级绕组的同名端，第二端连接第九电阻(R9)的第二端与第六二极管(D6)的阳极；第六电阻(R9)的第一端连接第二PMOS管(Q4)的漏极，第二PMOS管(Q4)的栅极作为驱动端连接第二电平移位电路(6)的输出端，第六二极管(D6)的阴极与第二PMOS管(Q4)的源极接地。

9.根据权利要求2或4所述的一种单端正激开关电源二极管的尖峰电压抑制电路，其特征在于，第一自驱采集电路(1)与第二自驱采集电路(2)的电路连接结构相同。

10.根据权利要求2或5所述的一种单端正激开关电源二极管的尖峰电压抑制电路，其特征在于，第一信号限幅电路(3)与第二信号限幅电路(4)的电路连接结构相同。

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