CN112713756A - 一种功率开关管的控制电路及控制方法 - Google Patents

一种功率开关管的控制电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种功率开关管的控制电路，所述控制电路包括：功率表征信号产生电路，产生表征功率k的功率表征电压信号，其中k包含对所述功率开关管预设的功率信息；采样及计算电路，接收所述功率表征电压信号和所述功率开关管的工作电压信号Vds，并据此获得离散型输出信号，所述离散型输出信号作为表征数值k/Vds的参考电流信号；驱动控制电路，根据所述参考电流信号调整所述功率开关管的工作电流信号id，以使所述工作电流信号id与所述参考电流信号保持一致。本发明还涉及一种功率开关管的控制方法。本发明提供的技术方案通过设置的参数使得功率开关管工作在稳定的功率状态，可以延长开关管的使用寿命并提高电路整体的平稳性。

Description

一种功率开关管的控制电路及控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子领域，更具体地说，涉及一种功率开关管的控制电路及控制方法。
背景技术
在电池保护，以太网供电(PoE)和开关电源等应用中，经常涉及到母线功率开关管的开启问题。功率开关管开启速度过快，可能导致电流浪涌；如果开启速度过慢，则功率开关管的功率可能超出安全工作区(SOA)从而导致功率开关管损坏。因此，往往需要将功率开关管控制在比较稳定的功率输出状态。
目前已经有一些文献提出了稳定功率开关管的功率输出的技术方案。2017年12月22日公开的发明专利申请CN107508468A披露一种控制电路，用于隔离式开关电源中主功率管的控制，该控制电路包括一个限流模块，在开通过程中，当控制信号变为表征开通的有效时，主功率管控制端的电压开始上升，限流模块开始工作，随着控制端电压的上升，主功率管开始逐步导通，流经主功率管的电流也开始上升，并在限流模块的调节下达到设定的限流值；通过控制主功率管控制端的电压使得主功率管电流保持在限流值，同步整流管中断，主功率管的漏源极之间的阻抗降低，漏源电压持续下降；主功率管的电流从限流值下降到正常工作电流，主功率管的控制端电压在此拉升并达到最大值，主功率管处于完全导通状态。
然而，鉴于电路设计的复杂多样，已有的控制功率开关管功率稳定输出的技术方案并不能适用于所有电路，因而需要对现有技术做出改进。
发明内容
本发明的目的在于提出一种功率开关管的控制电路及控制方法，以使得功率开关管工作于基本恒定的功率状态，从而提高功率开关管的使用寿命和系统的稳定性。
鉴于上述目的，本发明提出一种功率开关管的控制电路，所述控制电路包括：
功率表征信号产生电路，产生表征功率k的功率表征电压信号，其中k包含对所述功率开关管预设的功率信息；
采样及计算电路，接收所述功率表征电压信号和所述功率开关管的工作电压信号Vds，并据此获得离散型输出信号，所述离散型输出信号作为表征数值k/Vds的参考电流信号；
驱动控制电路，根据所述参考电流信号调整所述功率开关管的工作电流信号id，以使所述工作电流信号id与所述参考电流信号保持一致。
可选的，所述驱动控制电路包括：误差检测电路及驱动电路，所述误差检测电路接收所述工作电流信号id和所述表征数值k/Vds的参考电流信号并进行误差比较，输出一误差检测结果，所述驱动电路根据所述误差检测结果驱动所述功率开关管的工作状态，以调整所述功率开关管的工作电流信号id。
可选的，所述采样及计算电路包括：
第一运算放大单元，包括第一跨导运算放大器，用于获取所述表征功率k的电压信号并输出一个第一电压信号V1，该第一跨导运算放大器的输出端连接一个接地的第一电容C1；
第二运算放大单元，包括第二跨导运算放大器，用于获取所述功率开关管的工作电压Vds电压信号并输出一个第二电压信号V2，所述第一跨导运算放大器的输出端连接一个接地的第二电容C2；
时钟同步单元，用于产生窄脉冲时钟信号，对所述接地的电容C1及C2周期性放电复位；
采样单元，用于当所述第一电压信号V1达到一个预设的阈值电压时，生成一个采样指令信号以控制对所述第二电压信号V2进行采样,
由此获得所述离散型输出信号。
可选的，所述预设的阈值电压的取值为0.5V-2V之间任一值。
可选的，所述第一电容C1及所述第二电容C2的取值成一定比例。
可选的，所述时钟同步单元包括：
第一放电开关管，其漏极与所述第一跨导运算放大器的输出端连接，源极接地；
第二放电开关管，其漏极与所述第一跨导运算放大器的输出端连接，源极接地；
时钟脉冲产生器，用于产生窄脉冲时钟信号；
其中，所述时钟脉冲产生器与所述第一放电开关管的栅极以及所述第二放电开关管的栅极同时连接，所述窄脉冲时钟信号可控制所述第一放电开关管与所述第二开关管周期性导通。
可选的，所述采样单元包括：
比较器，用于输入所述第一电压V1及所述阈值电压，并对两者进行比较，输出一个比较结果供进一步处理；
数字逻辑电路，用于接收所述比较结果并进行数字逻辑运算，以输出所述采样指令信号。
可选的，所述数字逻辑电路包括一个异或门电路，一个与门电路，一个非门电路，以控制所述比较结果在变为高电平有效状态后产生一个短脉冲信号，所述短脉冲信号作为所述采样指令信号。
可选的，所述采样单元进一步包括：
缓冲器，用于保持所述第二电压信号V2不衰减地输出；
采样开关管，其输入端接收所述第二电压信号V2，输出端连接一个接地的电容C3，其控制端接收来自采样控制电路的所述采样指令信号；
其中，当所述采样开关管接收到来自所述采样指令信号时，进入导通状态，输出所述第二电压信号V2在所述特定时刻的取值。
鉴于前述目的，本发明还提出一种功率开关管的控制方法，包括步骤：
产生表征功率k的功率表征电压信号，其包含对所述功率开关管预设的功率信息；
接收所述功率表征电压信号和所述功率开关管的工作电压信号Vds，并据此获得离散型输出信号，所述离散型输出信号作为表征数值k/Vds的参考电流信号；
根据所述参考电流信号调整所述功率开关管的工作电流信号id，以使所述工作电流信号id与所述参考电流信号保持一致。
本发明提出的控制电路和控制方法，通过采样输出电压和控制输出电流来实现了功率基本恒定输出，不需要使用乘法器等复杂的电子器件或电路设计，电路实现简单方便。
附图说明
图1为根据本发明一种实施方式的功率开关管的控制电路结构示意图；
图2为根据本发明一种实施方式的功率开关管的控制电路中的采样及计算电路结构示意图；
图3为根据本发明的一种实施方式的电压信号波形示意图。
图4为根据本发明一种实施方式的用一种功率开关管的控制方法的流程示意图。
附图仅出于示意的目的，而并不旨在按照比例绘制。在附图中，相同的参考符号被用于指示相同的元素。出于简明的目的，不是每一个组件在每张附图中均被标号。
具体实施例
以下将参照若干实例来描述本发明。应当理解，描述这些实施方式是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解和实现本发明，而不表示或暗示对本发明范围的任何限制。
图1为根据本发明一种实施方式的功率开关管的控制电路结构示意图。如图所示，本发明通过数个电路模块对一个功率开关管100的功率输出实施控制，包括：功率表征信号产生电路110，产生表征功率k的功率表征电压信号，其中k的取值包含对所述功率开关管预设的功率信息；采样及计算电路120，接收所述功率表征电压信号和所述功率开关管的工作电压信号Vds，并据此获得离散型输出信号，所述离散型输出信号作为表征数值k/Vds的参考电流信号；驱动控制电路130，根据所述参考电流信号调整所述功率开关管的工作电流信号id，以使所述工作电流信号id与所述参考电流信号保持一致。这一控制电路的基本原理可以略述如下。功率开关管100开启时的功率输出为的Vds与id乘积，即PMOS＝Vds*id，因而PMOS控制在常数k,只需将要将id控制在k/Vds即可。这样通过一个简洁的电路结构，将工作电流信号id控制与与表征k/Vds的参考电流信号一致，即可实现将功率开关管输出稳定输出在功率k的目标。。
示例性的，本图中的功率表征信号产生电路110包括了一个产生初始电流信号IREF的电流源以及接地的可预设数值的电阻RPSET，通过对电阻阻值的调整可以方便地产生表征功率k的功率表征电压信号。
示例性的，所述驱动控制电路包括：误差检测电路131及驱动电路132，所述误差检测电路131接收所述工作电流信号id和所述表征数值k/Vds的参考电流信号并进行误差比较，输出一误差检测结果，所述驱动电路132根据所述误差检测结果驱动所述功率开关管的工作状态，以调整所述功率开关管的工作电流信号id。具体的，图中的误差检测电路131包括一个误差放大器EA，可以方便地实现工作电流信号id和参考电流信号k/Vds的比较及误差检测结果输出。驱动电路132的具体结构本身可以通过多种现有技术实现，在此不做赘述。结合其他模块，这样的驱动控制电路可以将功率开关管的稳定控制在一个比较理想的数值为k的预设功率。
图2为根据本发明一种实施方式的功率开关管的控制电路中的采样及计算电路结构示意图。如图所示，所述采样及计算电路包括：第一运算放大单元210，包括第一跨导运算放大器，用于获取所述表征功率k的电压信号并输出一个第一电压信号V1，该第一跨导运算放大器的输出端连接一个接地的第一电容C1；第二运算放大单元220，包括第二跨导运算放大器，用于获取所述功率开关管的工作电压Vds电压信号并输出一个第二电压信号V2，所述第一跨导运算放大器的输出端连接一个接地的第二电容C2；时钟同步单元230，用于产生窄脉冲时钟信号，对所述接地的电容C1及C2周期性放电复位；采样单元240，用于当所述第一电压信号V1达到一个预设的阈值电压时，生成一个采样指令信号以控制对所述第二电压信号V2进行采样，由此获得离散型输出信号。
根据一个实施例，所述预设的阈值电压的取值为0.5V-2V之间任一值。
根据一个实施例，所述第一电容C1及所述第二电容C2的取值成一定比例。这里的成一定比例，包括C1与C2取值相同的情况，也包括C1与C2取值不同的情况。
示例性的，如图2所示，所述时钟同步单元230包括：第一放电开关管，其漏极与所述第一跨导运算放大器的输出端连接，源极接地；第二放电开关管，其漏极与所述第一跨导运算放大器的输出端连接，源极接地；时钟脉冲产生器，用于产生窄脉冲时钟信号；其中，所述时钟脉冲产生器与所述第一放电开关管的栅极以及所述第二放电开关管的栅极同时连接，所述窄脉冲时钟信号可控制所述第一放电开关管与所述第二开关管周期性导通。
示例性的，如图2所示，所述采样单元240包括：比较器241，用于输入所述第一电压V1及所述阈值电压，并对两者进行比较，输出一个比较结果供进一步处理；数字逻辑电路242，用于接收所述比较结果并进行数字逻辑运算，以生成所述采样指令信号。
示例性的，如图2所示，所述数字逻辑电路242包括一个异或门电路，一个与门电路，一个非门电路，以控制所述比较结果在变为高电平有效状态后产生一个短脉冲信号，所述短脉冲信号作为所述采样指令信号。
示例性的，如图2所示，所述采样单元240还包括：缓冲器243，用于保持所述第二电压信号V2不衰减地输出；采样开关管244，其输入端接收所述第二电压信号V2，输出端连接一个接地的电容C3，其控制端接收所述采样指令信号；其中，当所述采样开关管接收到来自所述采样指令信号时，进入导通状态，输出所述第二电压信号V2在所述特定时刻的取值。
示例性的，如图2所示，所述第一跨导运算放大器和第二运算放大器具有相同的跨导Gm,分析可知
Figure BDA0002853585110000061
Figure BDA0002853585110000062
其中t为第一跨导运算放大器和第二跨导运算放大器导通的时间。
推导可得
Figure BDA0002853585110000063
Figure BDA0002853585110000064
取(4)对(3)的比值，可得
Figure BDA0002853585110000065
对(5)变换可得
Figure BDA0002853585110000066
示例性的，如果令C1与C2取值相同，即C1＝C2＝C,且取V1＝1V，则
Figure BDA0002853585110000067
也就是说，根据公式(7)，在这一实施例中，第二电压信号V2即可用来表征希望得到的取值
Figure BDA0002853585110000068
可对第二电压信号V2进行采样并输出相关离散型信号。这样，通过对C1，C2以及V1采取适当的取值，可以用非常简单的方式直接得到
Figure BDA0002853585110000069
的表征信号。当然，这样的取值并不是必需的，当C1，C2及V1的取值不满足上述关系的时候，根据公式(6)，V2输出值的仍然与
Figure BDA00028535851100000610
存在比例关系，在实际运用过程中注意倍数关系即可。
图3为根据本发明的一种实施方式的电压信号波形示意图。在这一实施方式中，令C1＝C2＝C,且取V1＝1V，预设功率开关管功率k＝1，功率开关管的工作电压Vds与时间的关系满足Vds＝10-t，其中t为对应特定时间单位的无量纲数值，即功率开关管的工作电压Vds在一个周期内随时间变化线性下降。根据公式(7)，V2＝k/Vds。由于V2为采样及计算电路的输出电压，在本图中用Vo代表V2,也就是说，Vo＝k/Vds。进一步的，采样及计算电路输出的实际上是一系列采样时刻的离散型输出信号，我们这里用Vo(n)表示这些离散型的电压信号。在图3中，图形(a)展示了功率开关管工作电压Vds随时间变化的曲线。图形(b)则显示了Vo随时间变化的曲线，是一条逐渐上升的曲线。图形(a)与(b)所展示的都是在没有考虑取值离散性的情况下所体现的函数关系。在根据本发明的控制电路实际工作时，Vo将体现为离散型输出信号。也就是说，图形(c)所描述的Vo(n)在一个周期内随时间的波形变化才更接近于实际输出的电压信号。同时，对比图形(b)与图形(c)可以看出，尽管Vo(n)的输出信号体现出阶梯状的离散性，但其变化趋势则可以匹配Vo与时间值之间的连续性函数关系。图3描述的波形已经实测验证，波形符合预期且可以稳定输出。
图4为根据本发明一种实施方式的用一种功率开关管的控制方法的流程示意图。本发明还提出一种功率开关管的控制方法，包括步骤：
步骤402：产生表征功率k的功率表征电压信号，其包含对所述功率开关管预设的功率信息；
步骤404：接收所述功率表征电压信号和所述功率开关管的工作电压信号Vds，并据此获得离散型输出信号，所述离散型输出信号作为表征数值k/Vds的参考电流信号；
步骤406：根据所述参考电流信号调整所述功率开关管的工作电流信号id，以使所述工作电流信号id与所述参考电流信号保持一致。
尽管在此仅仅描述了以上控制方法的几个基本步骤，但是本领域普通技术人员理解，本发明通过图1、图2、图3以及本说明书的其他文字部分所展示的其他方面，也可以通过控制方法的形式得以保护。
本发明提出的控制电路和控制方法，通过采样输出电压和控制输出电流来实现了功率基本恒定输出，不需要使用乘法器等复杂的电子器件或电路设计，电路实现简单方便，具有较强的实用价值。
在权利要求书中，词语“包括”不排除其他单元或步骤；词语“一”或“一个”并不排除多个。在权利要求书中，使用诸如“第一”“第二”等序数词来修饰权利要求元素本身并不意味着一个权利要求元素具有较另外一个权利要求元素的优先级、次序或者动作执行的时间顺序，而仅仅出于将一个权利要求的元素与另一个权利要求元素相区别的目的。尽管在互不相同的从属权利要求中分别记载了某些特定技术特征，但这并不意味着这些特定技术特征不能被组合利用。本发明的各个方面可单独、组合或者以未在前述实施例中具体讨论的各种安排来使用，从而并不将其应用限于前文所描述或附图中所示的组件的细节和排列。例如，可使用任何方式将一个实施例中描述的多个方面与其他实施例中描述的多个方面组合。多个模块或单元中所记载的步骤、功能或特征，可以由一个模块或一个单元执行或满足。本文所公开的方法的步骤不限于以任何特定的顺序执行，以其他的顺序执行部分或者全部的步骤时可能的。权利要求中的任何附图标记不应被解释为对权利要求范围的限制。
尽管已经通过附图和实施例的方式描述的本发明，但这样的描述和说明应当被认为是说明性或示例性而非限制性的。本领域的普通技术人员应当意识到,在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下,各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (10)

1.一种功率开关管的控制电路，其特征在于，所述控制电路包括：
功率表征信号产生电路，产生表征功率k的功率表征电压信号，其中k包含对所述功率开关管预设的功率信息；
采样及计算电路，接收所述功率表征电压信号和所述功率开关管的工作电压信号Vds，并据此获得离散型输出信号，所述离散型输出信号作为表征数值k/Vds的参考电流信号；
驱动控制电路，根据所述参考电流信号调整所述功率开关管的工作电流信号id，以使所述工作电流信号id与所述参考电流信号保持一致。
2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述驱动控制电路包括误差检测电路及驱动电路，
所述误差检测电路接收所述工作电流信号id和所述表征数值k/Vds的参考电流信号并进行误差比较，输出一误差检测结果，
所述驱动电路根据所述误差检测结果驱动所述功率开关管的工作状态，以调整所述功率开关管的工作电流信号id。
3.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述采样及计算电路包括：
第一运算放大单元，包括第一跨导运算放大器，用于获取所述表征功率k的电压信号并输出一个第一电压信号V1，该第一跨导运算放大器的输出端连接一个接地的第一电容C1；
第二运算放大单元，包括第二跨导运算放大器，用于获取所述功率开关管的工作电压Vds电压信号并输出一个第二电压信号V2，所述第一跨导运算放大器的输出端连接一个接地的第二电容C2；
时钟同步单元，用于产生窄脉冲时钟信号，对所述接地的电容C1及C2周期性放电复位；
采样单元，用于当所述第一电压信号V1达到一个预设的阈值电压时，生成一个采样指令信号以控制对所述第二电压信号V2进行采样，由此获得所述离散型输出信号。
4.如权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述预设的阈值电压的取值为0.5V-2V之间任一值。
5.如权利要求3或4所述的控制电路，其特征在于，所述第一电容C1及所述第二电容C2的取值成一定比例。
6.如权利要求3述的控制电路，其特征在于，所述时钟同步单元包括
第一放电开关管，其漏极与所述第一跨导运算放大器的输出端连接，源极接地；
第二放电开关管，其漏极与所述第一跨导运算放大器的输出端连接，源极接地；
时钟脉冲产生器，用于产生窄脉冲时钟信号；
其中，所述时钟脉冲产生器与所述第一放电开关管的栅极以及所述第二放电开关管的栅极同时连接，所述窄脉冲时钟信号可控制所述第一放电开关管与所述第二开关管周期性导通。
7.如权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述采样单元包括：
比较器，用于输入所述第一电压V1及所述阈值电压，并对两者进行比较，输出一个比较结果供进一步处理；
数字逻辑电路，用于接收所述比较结果并进行数字逻辑运算，以输出所述采样指令信号。
8.如权利要求7所述的控制电路，其特征在于，所述数字逻辑电路包括一个异或门电路，一个与门电路，一个非门电路，以控制所述比较结果在变为高电平有效状态后产生一个短脉冲信号，所述短脉冲信号作为所述采样指令信号。
9.如权利要求3所述控制电路，其特征在于，所述采样单元还包括：
缓冲器，用于保持所述第二电压信号V2不衰减地输出；
采样开关管，其输入端接收所述第二电压信号V2，输出端连接一个接地的电容C3，其控制端接收来自采样控制电路的所述采样指令信号；
其中，当所述采样开关管接收到来自所述采样指令信号时，进入导通状态，输出所述第二电压信号V2在所述特定时刻的取值。
10.一种功率开关管的控制方法，其特征在于，包括步骤：
产生表征功率k的功率表征电压信号，其包含对所述功率开关管预设的功率信息；
接收所述功率表征电压信号和所述功率开关管的工作电压信号Vds，并据此获得离散型输出信号，所述离散型输出信号作为表征数值k/Vds的参考电流信号；
根据所述参考电流信号调整所述功率开关管的工作电流信号id，以使所述工作电流信号id与所述参考电流信号保持一致。
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