CN112803785B - 基于mos器件的新型rcc电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于MOS器件的新型RCC电路，采用了Q1和Q2双晶体管片上设计，两个晶体管共用一个晶圆，减小体积、降低成本、提升可靠性控制。电路沿用RCC电路主变压器中的第三辅助绕组Na，采用正反馈模式的自激驱动腔自动为Q1提供驱动信号，无须控制芯片。电路进一步采用了集成式的高频电流逐周期检测方案，与自激驱动腔共用一个线圈，省去了电流检测电阻，实现了无损耗电流检测。电路还采用了积分反馈法实现原边反馈，通过在关断时间内，对Q1漏极电压进行积分计算，间接获取输出电压信息，从而实现对输出电压的实时精确调控。

Description

基于MOS器件的新型RCC电路
技术领域
本发明涉及一种基于MOS器件的新型RCC电路。
背景技术
随着科技的高速发展和对国家低能耗战略的响应，开关电源市场呈现逐年持续增长的态势，开关电源领域对于效率、尺寸等的要求也越来越高。由于反激式变换器的结构简单、元器件数量少、可靠性高、成本低，再加上其采用电感储能，往往初级电流大、变压器漏感大，且其最大占空比通常被限制在0.4以内，大大限制了反激电路的最大功率，因而，在小于75W的小功率场合，反激式变换器发展成为占市场主导地位。反激式变换器中有一个特殊的电路形式，即自激式反激变换器，也称作RCC变换器。RCC变换器通过自激振荡工作，频率不固定，器件的参数及电路的杂散参数对其影响很大，且开关器件工作于准饱和状态，对电路的可靠性挑战很大。随着集成电路的高速发展，RCC变换器慢慢的被边缘化，通常RCC变换器仅用于25W甚至15W以下的低成本应用场合，一直以来难以突破。
另一方面，器件的发展一直制约着开关电源电路的演变，随着LDMOS(具有横向双扩散结构的MOS器件)的出现，开关电源电路出现新的发展突破口。LDMOS比常规MOS器件多了一个轻掺杂的漂移区，可承担更高的工作高压，具有准饱和效应和大功率情况下的负阻效应，因而其线性度高、增益高、温度稳定性好、偏置电路简单等，特别适合用来提高RCC变换器的工作可靠性，扩展RCC变换器的功率水平，使RCC电路重新燃起希望。但是，LDMOS器件的工作频率更高，器件工作的dv/dt和di/dt大大增加，而其导通电阻略有增加且具有负温度系数，导通损耗需要被优化处理，因而，器件的驱动需要重新设计。
图1为传统技术一：芯片+硅基MOSFET+Flyback电路的电路图。在反激式(Flyback)应用电路中，目前采用芯片来控制的方式占主导地位。该电路中，场效应晶体管(MOSFET)Q1作为主开关管，Q1的工作占空比由集成控制芯片来控制。控制芯片主要采集通过Q1的逐周期电流信号(CS)以及由副边输出产生的电压反馈信号(FB)，通过辅助绕组提供VCC供电，输出驱动信号(DRV)控制Q1的占空比。芯片的控制方式有很多种，产生连续工作方式(CCM)、断续工作方式(DCM)、准谐振工作方式(QR)和混合式工作方式等等。但是，突出的问题是集成芯片的成本较高。
图2为传统技术二：Si基双极型晶体管+RCC电路图。在10W以下、小电流输出的反激式(Flyback)应用电路中，有很多采用RCC(自激式反激变换器)电路。该电路中，双极型晶体管(BJT)Q1作为主开关管，Q1的驱动和工作占空比均由外围电路来控制，不需要控制芯片，大大节约成本。Q1首先通过母线电压经由Rsta限流驱动启动，Q1启动后，流经Q1的电流由于变压器原边电感Np的作用而线性上升，同时辅助绕组Na通过限流电阻R1和隔直电容C1为Q1提供持续的驱动。当流经Q1的电流增大到使Rs上的电压触发Q2导通，Q2将Q1的基极驱动信号拉低，使Q1终止开通，转入关断状态。同时，由副边输出产生的电压反馈信号(FB)也叠加影响Q2的基极电平，从而影响Q1关断的时序。Q1关断后，辅助绕组Na的电平也发生翻转，通过C1和R1快速抽离Q1基极电荷，使Q1加速关断。直到输出电流下降到0时之后，D2由于没有电流流过，使得Ns线圈与输出自动解耦合，原边电感Np与Q1的输出结电容发生谐振，当Np的电平发生翻转时，也即Na的电平再次发生翻转，通过R1和C1触发Q1再次自动导通。该电路工作于准谐振模式，实现了零电流软开关，工作效率较高，缺点是采用BJT的Q1功率能力较低，不适用于较大功率的场合。
图3为传统技术三：Si基MOSFET+RCC电路图。该方案与传统技术二非常相似，仅用MOS管替代了BJT晶体管，利用MOS管功率大、频率高等特点扩展了电路的功率等级，使其使用于10W以上甚至高达50W的应用场合。另外，MOS管相较于BJT管，没有二次击穿的问题，其可靠性也得到大幅度的提升。缺点是，传统的Si基MOS管由于结电容大，权衡损耗、成本、EMI等因素之后，其工作频率一般只在30kHz-100kHz之间，这不利于提高产品的功率密度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于MOS器件的新型RCC电路。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于MOS器件的新型RCC电路，包括：启动电路、功率变换电路、保护电路、稳压二极管Dz1、电压检测输送电路、自激驱动和逐周期电流检测电路、输出整流电路；
所述启动电路由电阻Rsta组成，一段接电源输入正线，另一端接稳压二极管Dz1的阴极；
所述功率变换电路由变压器的绕组Np、主功率管Q1和反馈功能管Q2组成，Q1为增强型MOS器件，其栅极接稳压二极管Dz1的阴极，源极接稳压二极管Dz1的阳极且接地，绕组Np的同名端接输入正线，异名端接Q1的漏极，Q2为增强型MOS器件，其漏极接Q1的栅极，栅极接电阻R4，源极接地；
所述保护电路由稳压二极管Dz1组成；
所述电压检测输送电路由稳压二极管Dz3、电阻R6、隔直电容C5、电阻R7和R8组成，稳压二极管Dz2的阴极连接Q1的漏极，电阻R6一端接稳压二极管Dz3的阳极，另一端接并联的隔直电容C5及电阻R7，隔直电容C5及电阻R7另一端接Q1的源极，电阻R8一端接在电阻R6与隔直电容C5之间，另一端接Q2栅极；
所述输出整流电路由变压器的绕组Ns、二极管D2和极性电容C4组成，绕组Ns的异名端接二极管D2的阳极，绕组Ns的同名端接输出负极，二极管D2的阴极接输出正极，极性电容C4的正极接二极管D2的阴极，负极接输出负极；
所述自激驱动和逐周期电流检测电路包括自激驱动电路以及逐周期电流检测电路，自激驱动电路由辅助绕组Na和电阻R1、隔直电容C1组成，绕组Na的同名端与电阻R1、隔直电容C1串联，隔直电容C1另一端接Q1的栅极；
逐周期电流检测电路与自激驱动电路共用辅助绕组Na，还包括稳压二极管Dz2、二极管D3、D4、极性电容C2、C3、电阻R2、R3、R4和R5，绕组Na的同名端接二极管D3的阴极，二极管D3的阳极接极性电容C2的负极，极性电容C2的正极接二极管D4的阳极，二极管D4的阴极接极性电容C3的正极，极性电容C3的负极接极性电容C2的负极，构成VCC电压第二级形成环路，极性电容C3的负极接输入回线；二极管D4的阴极处还可以根据需要输出电压Vcc；
电阻R2与极性电容C2并联，极性电容C2的正极与隔直电容C6、电阻R5串联，电阻R5另一端连Q2的栅极，稳压二极管Dz2与电阻R3串联，电阻R4与稳压二极管Dz2及电阻R3并联，电阻R4及稳压二极管Dz2的一端连到绕组Na的同名端与电阻R1之间，电阻R4及电阻R3的另一端连到电阻R5与Q2的栅极之间。
优选的，所述Q1和Q2为LDMOS器件。
优选的，所述Q1和Q2共用一个晶圆。
优选的，所述Q1和Q2均为集成式反向并联二极管结构。
本发明采用Q1和Q2双晶体管片上设计，两个晶体管共用一个晶圆，减小体积、降低成本、提升可靠性控制。器件还采用了集成式反向并联二极管结构，提升器件的反向导通特性。本发明的电路主体部分与传统RCC电路基本相同，但是在反馈方式、无损电流检测方式、主功率管驱动方式、斜率补偿方式上均有创新，提升了传统RCC电路的工作频率，扩展了电路的应用功率等级，不需要额外的驱动芯片，降低了MOS器件的系统应用成本。
器件还采用了集成式反向并联二极管结构，提升器件的反向导通特性。
优选的，所述极性电容C2的容值为极性电容C3容值的1/10～1/5。
本发明可以采用常规MOS器件，优选采用LDMOS器件，采用的LDMOS器件的频率特性很优良，因而，能够提升电路的工作频率至数百kHz。
通过第三辅助线圈Na实现功率开关管的自激驱动，无须第三方驱动芯片，同时，完全通过分立元件实现电路的闭环控制功能，无须第三方控制芯片，使电路成本下降至少20％。
通过第三辅助线圈复用高频逐周期电流检测的功能，实现电流无损耗探测，使电路效率至少提升0.2％，更重要地是减小了PCB布局时的环路面积，从而降低高频噪声。
采用积分反馈法实现原边反馈，无须副边隔离反馈，即可稳定输出电压。
由栅极驱动引入斜率补偿将占空比由0.4扩大到0.55。
附图说明
图1为传统技术一：芯片+硅基MOSFET+Flyback电路的电路图。
图2为传统技术二：Si基双极型晶体管+RCC电路图。
图3为传统技术三：Si基MOSFET+RCC电路图。
图4为本发明的电路图。
具体实施方式
实施例1
本基于MOS器件的新型RCC电路，包括：启动电路、功率变换电路、保护电路、稳压二极管Dz1、电压检测输送电路、自激驱动和逐周期电流检测电路、输出整流电路；
所述启动电路由电阻Rsta组成，一段接电源输入正线，另一端接稳压二极管Dz1的阴极；Rsta是Q1的高压启动电阻，一般设置为680kΩ-3MΩ；
所述功率变换电路由变压器的绕组Np、主功率管Q1和反馈功能管Q2组成，Q1为增强型LDMOS器件，其栅极接稳压二极管Dz1的阴极，源极接稳压二极管Dz1的阳极且接地，绕组Np的同名端接输入正线，异名端接Q1的漏极，Q2为增强型LDMOS器件，其漏极接Q1的栅极，栅极接电阻R4，源极接地；
所述保护电路由稳压二极管Dz1组成；Dz1是Q1栅极保护稳压管，一般为7-20V；
所述电压检测输送电路由稳压二极管Dz3、电阻R6、隔直电容C5、电阻R7和R8组成，稳压二极管Dz2的阴极连接Q1的漏极，电阻R6一端接稳压二极管Dz3的阳极，另一端接并联的隔直电容C5及电阻R7，隔直电容C5及电阻R7另一端接Q1的源极，电阻R8一端接在电阻R6与隔直电容C5之间，另一端接Q2栅极；副边输出电压无须经由隔离反馈网络，通过Dz3、R6、C5和R7将器件Q1漏极电压在关断时刻内的电压通过积分法检测出来。Dz3使得该电路只在器件关断时才会进行检测，R6、R7是对漏极电压进行降压，C5进行积分，然后把Q1在关断时的漏极电压信息通过R8送到Q2的栅极。由于Q1在关断时的漏极电压等于输入电压与n倍的输出电压之和(n为主功率变压器原副边匝数之比，即Np/Ns，是固定的数值)，因而Q1在关断时的漏极电压，也即Q2的栅极包含了输出电压反馈信息，问题是，此时还不能把输入电压信息剥离出去。由于输入电压越高，电路的工作占空比越小，进一步地，电路通过R9将输入电压反馈给Q2的栅极，实现将输入电压信息剥离的作用。因而，Q2的栅极包含了输出电压反馈信息、Q1的峰值电流信息和斜率补偿信息，从而能够实现电流内环、电压外环和子谐波消除三大功能，同时满足输出稳压、过功率保护、扩展最大占空比的功效。
所述输出整流电路由变压器的绕组Ns、二极管D2和极性电容C4组成，绕组Ns的异名端接二极管D2的阳极，绕组Ns的同名端接输出负极，二极管D2的阴极接输出正极，极性电容C4的正极接二极管D2的阴极，负极接输出负极；
所述自激驱动和逐周期电流检测电路包括自激驱动电路以及逐周期电流检测电路，自激驱动电路由辅助绕组Na和电阻R1、隔直电容C1组成，绕组Na的同名端与电阻R1、隔直电容C1串联，隔直电容C1另一端接Q1的栅极；Q1的驱动由第三辅助线圈Na经由隔直电容C1和正反馈电阻R1产生；
逐周期电流检测电路与自激驱动电路共用辅助绕组Na，还包括稳压二极管Dz2、二极管D3、D4、极性电容C2、C3、电阻R2、R3、R4和R5，绕组Na的同名端接二极管D3的阴极，二极管D3的阳极接极性电容C2的负极，极性电容C2的正极接二极管D4的阳极，二极管D4的阴极接极性电容C3的正极，极性电容C3的负极接极性电容C2的负极，构成VCC电压第二级形成环路，极性电容C3的负极接输入回线；
电阻R2与极性电容C2并联，极性电容C2的正极与隔直电容C6、电阻R5串联，电阻R5另一端连Q2的栅极，稳压二极管Dz2与电阻R3串联，电阻R4与稳压二极管Dz2及电阻R3并联，电阻R4及稳压二极管Dz2的一端连到绕组Na的同名端与电阻R1之间，电阻R4及电阻R3的另一端连到电阻R5与Q2的栅极之间。
逐周期电流检测电路中，Na、C2和D3构成VCC电压第一级形成环路，C2、D4和C3构成VCC电压第二级形成环路。其中C2的容值在3-44uF之间，C3的容值在22-220uF之间，且C2的容值远小于C3，C2的容值控制在C3容值的1/10～1/5，通常C2上的电压经由R2充放电调节，使其电压波动较大。C2上的电压波动反映了线圈Na的电流大小，也即反映了主线圈Np和晶体管Q1的电流大小。因此，将C2上的电压经由R5、C6送到Q2的栅极，即可实现对流经Q1峰值电流反馈的作用，C6的作用是将直流成份隔离，只把C2上电压的交变部分反馈给Q2的栅极。
Dz2、R3和R4把Q1的栅极驱动信号传递给Q2的栅极，从而实现了斜率补偿作用，扩展变换器的占空比范围，避免子谐波振荡。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于MOS器件的新型RCC电路，包括：启动电路、功率变换电路、保护电路、稳压二极管Dz1、电压检测输送电路、自激驱动和逐周期电流检测电路、输出整流电路；
所述启动电路由电阻Rsta组成，一端接电源输入正线，另一端接稳压二极管Dz1的阴极；
所述功率变换电路由变压器的绕组Np、主功率管Q1和反馈功能管Q2组成，Q1为增强型MOS器件，其栅极接稳压二极管Dz1的阴极，源极接稳压二极管Dz1的阳极且接地，绕组Np的同名端接输入正线，异名端接Q1的漏极，Q2为增强型MOS器件，其漏极接Q1的栅极，栅极接电阻R4，源极接地；
所述保护电路由稳压二极管Dz1组成；
所述电压检测输送电路由稳压二极管Dz3、电阻R6、隔直电容C5、电阻R7和R8组成，稳压二极管Dz2的阴极连接Q1的漏极，电阻R6一端接稳压二极管Dz3的阳极，另一端接并联的隔直电容C5及电阻R7，隔直电容C5及电阻R7另一端接Q1的源极，电阻R8一端接在电阻R6与隔直电容C5之间，另一端接Q2栅极；
所述输出整流电路由变压器的绕组Ns、二极管D2和极性电容C4组成，绕组Ns的异名端接二极管D2的阳极，绕组Ns的同名端接输出负极，二极管D2的阴极接输出正极，极性电容C4的正极接二极管D2的阴极，负极接输出负极；
所述自激驱动和逐周期电流检测电路包括自激驱动电路以及逐周期电流检测电路，自激驱动电路由辅助绕组Na和电阻R1、隔直电容C1组成，绕组Na的同名端与电阻R1、隔直电容C1串联，隔直电容C1另一端接Q1的栅极；
逐周期电流检测电路与自激驱动电路共用辅助绕组Na，还包括稳压二极管Dz2、二极管D3、D4、极性电容C2、C3、电阻R2、R3、R4和R5，绕组Na的同名端接二极管D3的阴极，二极管D3的阳极接极性电容C2的负极，极性电容C2的正极接二极管D4的阳极，二极管D4的阴极接极性电容C3的正极，极性电容C3的负极接极性电容C2的负极，构成VCC电压第二级形成环路，极性电容C3的负极接输入回线；
电阻R2与极性电容C2并联，极性电容C2的正极与隔直电容C6、电阻R5串联，电阻R5另一端连Q2的栅极，稳压二极管Dz2与电阻R3串联，电阻R4 与稳压二极管Dz2及电阻R3并联，电阻R4及稳压二极管Dz2的一端连到绕组Na的同名端与电阻R1之间，电阻R4及电阻R3的另一端连到电阻R5与Q2的栅极之间。
2.根据权利要求1所述的基于MOS器件的新型RCC电路，其特征在于：所述Q1和Q2为LDMOS器件。
3.根据权利要求1所述的基于MOS器件的新型RCC电路，其特征在于：所述Q1和Q2共用一个晶圆。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于MOS器件的新型RCC电路，其特征在于：所述Q1和Q2均为集成式反向并联二极管结构。
5.根据权利要求1、2或3所述的基于MOS器件的新型RCC电路，其特征在于：所述极性电容C2的容值为极性电容C3容值的1/10～1/5。
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