CN112737339A - 一种自适应软驱动控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应软驱动控制电路，包括基础电路，所述基础电路与外部功率MOS相连接，其特征在于还包括所述驱动速度检测电路和动态调整电路，所述驱动速度检测电路与动态调整电路相连接，所述动态调整电路与外部功率MOS门极相连接。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，调节精度高，本发明仅通过增加一个端口外接到地电阻，实现自适应调节终点的可调。

Description

一种自适应软驱动控制电路

技术领域

本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种自适应软驱动控制电路。

背景技术

反激电路如图1，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R_UP1和R_DN1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显得尤为重要。

现针对以上问题设计出一种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自适应软驱动控制电路，具备实现反激原边MOS驱动的自适应调节的优点，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：一种自适应软驱动控制电路，包括基础电路，所述基础电路与外部功率MOS相连接，其特征在于还包括所述驱动速度检测电路和动态调整电路，所述驱动速度检测电路与动态调整电路相连接，所述动态调整电路与外部功率MOS相连接；

所述的驱动速度检测电路，接收所述的功率MOS的源极电压，判定是否调整驱动速度，输出使能信号；

所述的动态调整电路接收所述的使能信号，逐步改变所述功率MOS的驱动电流，直至驱动速度维持在预设值附近。

所述驱动速度检测电路包括快速比较器、延时采样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与快速比较器的正极端相连接，所述快速比较器的反向输入端连接有外部RT端口，所述快速比较器的输出端与延时采样单元相连接，延时采样单元相连接的有采样保持单元，所述采样保持单元的输出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，所述双向计数器输入端与所述驱动速度检测电路的输出相连接，可变电流调节模块的输入端与所述双向计数器的输出相连接，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。

进一步的，所述可变电流调节模块包括开关阵列S1～SK、电流源I1～Ik、恒定电流源I0，恒定电流源I0为恒定导通电流，所述开关阵列分别与各电流源串联控制连接后并联相接。

进一步的，所述电流源I1～IK的镜像比例为1:2:4:8:...:2^K-1。

进一步的，所述基础电路基于AC-DC原边控制转换器拓扑结构、外部包括整流滤波、反激电路。

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.本发明仅通过增加一个端口外接到地电阻，实现自适应调节终点的可调；

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；

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为本发明自适应软驱动控制电路的系统框图；

图6为本发明自适应调整驱动速度的时序波形示意图；

图7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1-7，一种自适应软驱动控制电路，包括基础电路，所述基础电路与外部功率MOS相连接，其特征在于还包括所述驱动速度检测电路和动态调整电路，所述驱动速度检测电路与动态调整电路相连接，所述动态调整电路与外部功率MOS相连接；

所述的驱动速度检测电路用于接收所述的功率MOS的源极电压，判定是否调整驱动速度，输出使能信号；

所述的动态调整电路用于接收所述的使能信号，逐步改变所述功率MOS的驱动电流，直至驱动速度维持在预设值附近；

所述驱动速度检测电路包括快速比较器、延时采样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与快速比较器的正极端相连接，所述快速比较器的反向输入端连接有外部RT端口，所述快速比较器的输出端与延时采样单元相连接，延时采样单元相连接的有采样保持单元，所述采样保持单元的输出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、可变电流调节模块和上拉开关管，所述双向计数器的输入与所述驱动速度检测电路的输出相连接，可变电流调节模块的输入端与所述双向计数器的输出相连接，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。

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。

所述多个镜像电流源的镜像比例为1:2:4:8：...:2^K-1。

所述基础电路基于AC-DC原边控制转换器拓扑结构、外部包括整流滤波、反激电路。

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。为此提供了一种自适应软驱动控制电路，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电压高于另一阈值Vth2时用全电流进行驱动。于此同时，快速检测MOS管源级的电流尖峰Ipks，并与通过电阻RT预设的基准值Vref进行比较，比较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。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：一种自适应软驱动控制电路，基于AC-DC原边控制转换器拓扑结构，外部包括整流滤波，反激电路和驱动功率管；控制部分主要包括驱动速度检测电路、动态调整电路两个模块。

在驱动速度检测模块中，外部功率MOS源极采样电阻的一端接到快速比较器的正向输入端，外部RT端口接到快速比较器的反向输入端，反向输入端的电压设定由内部基准电流和RT端口串联到地的电阻乘积决定。快速比较器的输出经过延时处理，被LEB信号采样后送入电容或寄存器中，寄存器输出判决信号EN。

判决信号EN接到动态调整电路的输入端，动态调整电路产生多路数字信号输出。

上述数字信号控制可变驱动电流阵列的开关，实现MOS驱动电流的周期性调整，电流阵列驱动上拉开关管的栅极，上拉开关管的源极输出直接接到外部功率MOS的门极，控制外部功率MOS的导通。

使用时，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6，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基准电压Vref进行比较，基准电压Vref可通过外部电阻进行设置。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6，EN信号控制双向计数器的使能端，当EN为高电平时，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DN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6，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。

图7给出了一种可调电流单元的电路原理示意图，图7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7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2^N-1个周期，全部开关都断开对应调整的最大值，记作I_{adj_max}，则最小步长，即一个LSB为：

通过RT端口外接到地的电阻，可以设置不同的基准电压Vref，内部基准电流为Iref，则Vref可由下式决定：

V_ref＝I_ref×R_T

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，通过外部电阻设定目标值后，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。

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 (6)

1.一种自适应软驱动控制电路，包括基础电路，所述基础电路与外部功率MOS相连接，其特征在于还包括驱动速度检测电路和动态调整电路；

所述的驱动速度检测电路用于接收所述的功率MOS的源极电压，判定是否调整驱动速度，输出使能信号；

所述的动态调整电路用于接收所述的使能信号，逐步改变所述功率MOS的驱动电流，直至驱动速度维持在预设值附近。

2.根据权利要求1所述的自适应软驱动控制电路，其特征在于：所述的驱动速度检测电路包括快速比较器、延时采样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与快速比较器的正极端相连接，所述快速比较器的反向输入端连接有外部RT端口，所述快速比较器的输出端与延时采样单元相连接，延时采样单元相连接的有采样保持单元，所述采样保持单元输出与动态调整电路相连接。

3.根据权利要求1所述的自适应软驱动控制电路，其特征在于：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，所述双向计数器输入端与所述驱动速度检测电路的输出相连接，所述双向计数器的输出端与可变电流调节模块的输入端连接，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的栅极，用于控制外部功率MOS的导通。

4.根据权利要求3所述的自适应软驱动控制电路，其特征在于：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。

5.根据权利要求4所述的自适应软驱动控制电路，其特征在于：所述多个镜像电流源的镜像比例为1:2:4:8：...:2^K-1。

6.根据权利要求1所述的自适应软驱动控制电路，其特征在于：所述基础电路基于AC-DC原边控制转换器拓扑结构、外部包括整流滤波、反激电路。

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