CN113746360B - 同步整流驱动电压调节电路、系统及调节方法 - Google Patents

同步整流驱动电压调节电路、系统及调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种同步整流驱动电压调节电路、系统及调节方法，其中同步整流驱动电压调节电路包括用于判断开关电源工作模式的工作模式判断电路、用于调节同步整流管的驱动电压的栅极驱动电压调节电路、逻辑门电路以及开关器件；同步整流管串联于开关电源的次级侧；工作模式判断电路的输入端连接于同步整流管的漏极，工作模式判断电路的输出端连接于逻辑门电路的使能端；栅极驱动电压调节电路的输入端连接于同步整流管的漏极，栅极驱动电压调节电路的输出端连接于逻辑门电路的第一输入端，逻辑门电路的输出端连接于开关器件的栅极。本发明可以在离线反激系统连续导通模式的情况下，减小同步整流管的漏极上的过压应力，从而提高系统的可靠性。

Description

同步整流驱动电压调节电路、系统及调节方法
技术领域
本发明涉及离线反激系统的调节方式，具体涉及一种同步整流驱动电压调节电路、系统及调节方法。
背景技术
图1是离线反激系统的主要电路结构示意图。如图1所示，离线反激系统将110V/220V 的交流输入电压通过变压器转换成直流输出电压。在一些技术方案中，离线反激系统的次级侧串联有肖特基二极管，随着系统功率的不断提升以及对系统效率要求的不断提高，离线反激系统次级侧的二极管逐渐被同步整流功率管所替代，极大的减小传统肖特基二极管上的功率损耗。如图1所示，同步整流管串联于次级侧，还包括同步整流控制器，用来产生同步整流管的驱动电压。同步整流控制器检测同步整流管的漏极电压VD的波形控制同步整流管的栅极电压SG，使得当同步整流管开启时，其栅极电压SG保持恒定以保证同步整流管以低导通电阻完全导通，从而降低其导通损耗。
图2是图1工作在非连续导通模式（DCM，Discontinuous Conduction Mode）下的典型波形示意图。如图2所示，当离线反激系统的初级侧的主功率管的栅极电压PG为PWM波形时，当同步整流管的漏极电压VD小于导通负压门限Vthon时，同步整流管导通，当同步整流管的漏极电压VD逐渐上升大于关断阈值Vthoff时，同步整流管截止。
但是，如果离线反激系统工作在原边电感电流连续导通模式（CCM，ContinuousConduction Mode），则初级侧主功率管导通时，次级侧的电感电流并没有完全放电到零，从而次级侧的同步整流管并没有关断，导致初级侧主功率管和次级侧同步整流管同时导通。这种情况下，虽然同步整流控制器可以检测到同步整流管的漏级电压VD上升而快速关断同步整流管，但初级侧主功率管和次级侧同步整流管短暂同时导通仍然会对同步整流管的漏级造成极大的过压应力，导致系统可靠性的降低。严重的会导致初级侧主功率管和次级侧同步整流管电流直通而烧毁功率管，从而损毁电源系统。图3是图1工作在连续导通模式下的典型波形示意图，示出了同步整流管的漏极的过压应力。
在现有技术中，有采用同步整流管恒压控制其导通压降的方法，图4是采用了同步整流管恒压控制其导通压降的方法的现有技术工作在非连续导通模式下的典型波形示意图。图5是采用了同步整流管恒压控制其导通压降的方法的现有技术工作在连续导通模式下的典型波形示意图。参考图4、图5，当同步整流管上导通压降随着导通电流减小而减小时，通过导通压降恒压环路调节同步整流管的驱动电压以增大整流管导通阻抗，从而达到同步整流管上的压降恒定。这样在同步整流管关断时，由于其驱动电压较低，导通阻抗高，即使出现初级侧主功率管和次级侧同步整流管短暂同时导通，也能有效减小同步整流管漏级在连续导通模式下的电压应力。但是这样做的缺点是，会使同步整流管驱动电压在比较大的导通电流时就开始下降，尤其是选用极低导通电阻的同步整流管时，导致同步整流管上的功率损耗加大，另外，这样的技术方案，在系统工作在非连续导通模式时，继续使用同样的同步整流管驱动电压调节方式，这也会增加同步整流管上的不必要的功率损耗，从而降低系统效率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了同步整流驱动电压调节电路、系统及调节方法。
本发明所采用的技术方案如下：
一种同步整流驱动电压调节电路，包括用于判断开关电源工作模式的工作模式判断电路、用于调节同步整流管的驱动电压的栅极驱动电压调节电路、逻辑门电路以及开关器件；所述同步整流管串联于开关电源的次级侧；
工作模式判断电路的输入端连接于同步整流管的漏极，工作模式判断电路的输出端连接于逻辑门电路的使能端；
栅极驱动电压调节电路的输入端连接于同步整流管的漏极，栅极驱动电压调节电路的输出端连接于逻辑门电路的第一输入端；栅极驱动电压调节电路通过检测同步整流管的漏极电压，判断是否需要对同步整流管的栅极电压进行调整作为调整信号；将同步整流管的栅极电压与参考电压进行比较得到比较结果；将比较结果与调整信号进行逻辑与运算，运算结果用于控制同步整流管的栅极与接地端的连接状态；调整信号的宽度设定在比较小的值，使得由于同步整流管的栅极驱动电压下降导致的导通损耗增加可以最大限度的减小；
开关器件串联于同步整流管的栅极和接地端之间；逻辑门电路的输出端连接于开关器件的栅极；
还包括参考电压比较器；所述逻辑门电路为与门电路；参考电压比较器的同相输入端连接于同步整流管的栅极；参考电压比较器的反相输入端输入参考电压；参考电压比较器的输出端连接于逻辑门电路的第二输入端。
其进一步的技术方案为，还包括根据同步整流管的漏极电压控制同步整流管的栅极电压的同步整流控制器。
其进一步的技术方案为，同步整流控制器包括第一比较器、第二比较器和SR触发电路；同步整流管的漏极连接至第一比较器的反相输入端和第二比较器的同相输入端；第一比较器的同相输入端输入导通负压门限；第二比较器的反相输入端输入关断阈值；第一比较器的输出端连接SR触发电路的S输入端；第二比较器的输出端连接SR触发电路的R输入端；SR触发电路的输出端连接同步整流管的栅极。
一种安装有根据上述的同步整流驱动电压调节电路的离线反激系统，包括变压器；变压器的初级侧的第一输入端为信号输入端；变压器初级侧的第二输入端连接于主功率管的漏极，主功率管的源极连接接地端；主功率管的栅极输入PWM信号；变压器的次级侧的第一输出端连接电容的第一端；变压器的次级侧的第二输出端连接同步整流管的漏极；同步整流管的源极连接电容的第二端。
一种同步整流驱动电压调节方法，包括：
通过检测同步整流管的漏极电压，判断开关电源的工作模式；通过检测同步整流管的漏极电压，判断是否需要对同步整流管的栅极电压进行调整；
当开关电源的工作模式为连续导通模式，且需要对同步整流管的栅极电压进行调整时，输出控制信号使得同步整流管的栅极与接地端导通，同步整流管的栅极电压下降；
当开关电源的工作模式为连续导通模式，且不需要对同步整流管的栅极电压进行调整时，不输出控制信号，同步整流管的栅极与接地端断开；
当开关电源的工作模式为非连续导通模式，不对同步整流管的栅极电压进行调整，同步整流管的栅极与接地端断开。
当开关电源的工作模式在连续导通模式，还包括对同步整流管的栅极电压的下降程度的检测步骤；将同步整流管的栅极电压与参考电压进行比较，当同步整流管的栅极电压降低至参考电压时，将同步整流管的栅极与接地端断开。
通过检测同步整流管的漏极电压，判断是否需要对同步整流管的栅极电压进行调整作为调整信号；将同步整流管的栅极电压与参考电压进行比较得到比较结果；将比较结果与调整信号进行逻辑与运算，运算结果用于控制同步整流管的栅极与接地端的连接状态；通过检测同步整流管的漏极电压，判断开关电源的工作模式，作为逻辑与运算的使能信号；
调整信号的宽度设定在比较小的值，使得由于同步整流管的栅极驱动电压下降导致的导通损耗增加可以最大限度的减小。
其进一步的技术方案为，还包括根据同步整流管的漏极电压控制同步整流管的工作状态的过程；当同步整流管的漏级电压小于导通负压门限时，控制同步整流管的栅极电压使得同步整流管导通；当同步整流管的漏级电压大于关断阈值时，控制同步整流管的栅极电压使得同步整流管截止。
本发明的有益效果如下：
本发明通过检测离线反激系统开关电源的工作模式，并通过同步整流管的漏极电压，选择在恰当的时机对同步整流管的栅极电压进行调整，可以在连续导通模式的情况下，减小同步整流管的漏极上的过压应力，从而提高系统的可靠性。由于本发明还通过逻辑运算的方式，使得调节电路在非连续导通的模式下不工作，几乎不影响整个系统的工作效率。
附图说明
图1是离线反激系统的主要电路结构示意图。
图2是图1工作在非连续导通模式下的典型波形示意图。
图3是图1工作在连续导通模式下的典型波形示意图。
图4是采用了同步整流管恒压控制其导通压降的方法的现有技术工作在非连续导通模式下的典型波形示意图。
图5是采用了同步整流管恒压控制其导通压降的方法的现有技术工作在连续导通模式下的典型波形示意图。
图6是本发明的电路结构的一个实施例的示意图。
图7是本发明的调节方法的一个实施例的流程图。
图8是本发明的实施例工作在非连续导通模式下的典型波形示意图。
图9是本发明的实施例工作在连续导通模式下的典型波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
图6是本发明的电路结构的一个实施例的示意图。结合图1、图2和图6，在实施例中，本发明的同步整流驱动电压调节电路应用于离线反激式开关电源。离线反激式开关电源包括变压器的初级侧和次级侧。
变压器的初级侧串联有主功率管，PWM控制器输出PWM信号，作为主功率管的栅极电压PG。
同步整流管的漏极和源极串联于变压器的次级侧，同步整流控制器的输入端连接于同步整流管的漏极，同步整流控制器的输出端连接于同步整流管的栅极。图6还示出了同步整流控制器的一个实施方式。如图6所示，同步整流控制器具体包括第一比较器、第二比较器和SR触发电路。同步整流管的漏极连接至第一比较器的反相输入端和第二比较器的同相输入端。第一比较器的同相输入端输入导通负压门限Vthon。第二比较器的反相输入端输入关断阈值Vthoff。导通负压门限Vthon和关断阈值Vthoff均为设定值。第一比较器的输出端连接SR触发电路的S输入端。第二比较器的输出端连接SR触发电路的R输入端。SR触发电路的输出端连接驱动管Drive的输入端，驱动管Drive的输出端连接同步整流管的栅极。同步整流控制器根据同步整流管的漏极电压VD，控制栅极电压SG，进而控制同步整流管的导通和截止状态。
同步整流驱动电压调节电路包括用于判断离线反激式开关电源工作模式的工作模式判断电路、用于调节同步整流管的驱动电压的栅极驱动电压调节电路、逻辑门电路以及开关器件M1。
工作模式判断电路的输入端连接于同步整流管的漏极，工作模式判断电路的输出端连接于逻辑门电路的使能端。工作模式判断电路根据同步整流管的漏极电压VD，判断开关电源工作在连续导通模式还是非连续导通模式，并输出使能信号Enable。当开关电源工作在连续导通模式，工作模式判断电路输出高电平信号，当开关电源工作在非连续导通模式，工作模式判断电路输出低电平信号。
栅极驱动电压调节电路的输入端连接于同步整流管的漏极，栅极驱动电压调节电路的输出端连接于逻辑门电路的第一输入端。栅极驱动电压调节电路根据同步整流管的漏极电压VD，计算调节信号SoftOff，输出至逻辑门电路的第一输入端。
在同步整流管的栅极和接地端之间串联有开关器件M1。逻辑门电路的输出端所输出的控制信号控制开关器件M1的截止或者导通。如图7所示的实施例，当开关器件M1的栅极为高电平信号时，开关器件M1导通，同步整流管的栅极可以通过开关器件M1缓慢放电，同步整流管的栅极电压SG缓慢减小。当开关器件M1的栅极为低电平信号时，开关器件M1截止。
进一步的，为了控制同步整流管的栅极电压SG的减小下限，还设置了参考电压比较器。在实施例中，逻辑门电路具体是与门电路。参考电压比较器的同相输入端连接于同步整流管的栅极。参考电压比较器的反相输入端输入参考电压Vref。参考电压比较器的输出端连接于逻辑门电路的第二输入端。
图6示出了一种可能的实施例，也可以根据需要，改变信号的高低电平，并对应的改变开关器件和逻辑门电路的类型，使得当电路中的高电平和低电平信号完全相反时，不影响电路本身的功能。
本发明还公开了一种同步整流驱动电压调节的方法，包括：
工作模式判断电路通过检测同步整流管的漏极电压VD，判断开关电源的工作模式，工作模式包括连续导通模式和非连续导通模式。当开关电源处于连续导通模式，工作模式判断电路输出高电平信号至逻辑门电路的使能端，当开关电源处于非连续导通模式，工作模式判断电路输出低电平信号至逻辑门电路的使能端。
当开关电源工作在连续导通模式，门电路的使能端为高电平信号，栅极驱动电压调节电路所输出的调节信号SoftOff由逻辑门电路的第一输入端输入，经过逻辑门电路的逻辑运算，影响逻辑门电路的输出端所输出的控制信号，使得同步整流管的栅极与接地端导通，同步整流管的栅极缓慢放电，同步整流管的栅极电压SG下降。
当开关电源工作在非连续导通模式，门电路的使能端为低电平信号，逻辑门电路不工作，栅极驱动电压调节电路所输出的调节信号SoftOff不影响逻辑门电路的输出端所输出的控制信号，同步整流管的栅极与接地端断开，不对同步整流管的栅极电压SG进行调整。
具体的，同步整流管的栅极与接地端的接通和断开是通过控制开关器件M1的栅极电压实现的。逻辑门电路的输出端输出控制信号至开关器件M1的栅极。在图6所示的实施例中，当开关器件M1的栅极为高电平信号时，开关器件M1导通，同步整流管的栅极与接地端导通，同步整流管的栅极可以通过开关器件M1缓慢放电，同步整流管的栅极电压SG缓慢减小。当开关器件M1的栅极为低电平信号时，开关器件M1截止，同步整流管的栅极与接地端断开。
进一步的，当开关电源工作在连续导通模式，为了控制同步整流管的栅极电压SG的减小程度，还包括对同步整流管的栅极电压SG下降程度进行检测的步骤。同步整流管的栅极电压SG输入至参考电压比较器的同相输入端，参考电压Vref输入至参考电压比较器的反相输入端，参考电压比较器比较同步整流管的栅极电压SG与预设参考电压Vref的大小，并将比较结果输入至逻辑门电路的第二输入端。在本实施例中，逻辑门电路具体是与门电路，逻辑门电路的第一输入端的输入信号和第二输入端的输入信号做与运算。则当同步整流管的栅极电压SG小于参考电压Vref时，参考电压比较器输出的低电平信号可直接将开关器件M1截止，使得同步整流管的栅极与接地端断开。
图7是本发明的调节方法的一个实施例的流程图。参考图7，综上有：当开关电源工作在连续导通模式，逻辑门电路的使能端为高电平信号，逻辑门电路的两个输入端所输入的信号进行与运算。
在这一前提下，逻辑门电路的第一输入端所输入的调节信号SoftOff为高电平，且，同步整流管的栅极电压SG大于预设参考电压Vref，参考电压比较器的输出端输出高电平信号至逻辑门电路的第二输入端，逻辑门电路的输出端输出高电平信号，开关器件M1导通，同步整流管的栅极经过开关器件M1缓慢放电，栅极电压SG缓慢减小。
当逻辑门电路的第一输入端所输入的调节信号SoftOff为低电平，也即此时栅极驱动电压调节电路根据同步整流管的漏极电压VD的情况判断无需对同步整流管的栅极电压SG进行调整，或者，当逻辑门电路的第二输入端所输入的信号为低电平信号，也即此时同步整流管的栅极电压SG低于预设参考电压Vref，同步整流管的栅极电压SG已经足够低无需继续放电：当以上两种情况任意一种出现或者同时出现的时候，逻辑门电路的输出端输出低电平信号，开关器件M1截止。且，由于设置了参考电压Vref，当同步整流管的栅极电压SG降低至参考电压Vref时，可以关断以使得栅极电压SG可以维持在一个较低的水平，这样在连续导通模式下，初级侧的主功率管导通时，同步整流管的栅极电压SG因为延迟关断导致同步整流管的漏极上的过压应力就会减小，从而提高系统的可靠性。
优选的，驱动信号SoftOff的宽度可以设定在比较小的值，则由于整流管的驱动电压SG 下降导致的导通损耗增加可以最大限度的减小，从而几乎不影响系统效率。
还包括根据同步整流管的漏极电压控制同步整流管的工作状态的过程；当同步整流管的漏级电压小于导通负压门限时，控制同步整流管的栅极电压使得同步整流管导通；当同步整流管的漏级电压大于关断阈值时，控制同步整流管的栅极电压使得同步整流管截止。
图8是本发明的实施例工作在非连续导通模式下的典型波形示意图。图9是本发明的实施例工作在连续导通模式下的典型波形示意图。由图8、图9可知，本发明的技术方案可以在系统工作在连续导通模式下，通过调节次级侧同步整流管驱动电压的控制方法，达到减轻同步整流管的电压应力而提高系统可靠度的目的，且对非连续导通模式的工作状态造成影响。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (6)

1.一种同步整流驱动电压调节电路，其特征在于，包括用于判断开关电源工作模式的工作模式判断电路、用于调节同步整流管的栅极 驱动电压的栅极驱动电压调节电路、逻辑门电路以及开关器件；所述同步整流管串联于开关电源的次级侧；
工作模式判断电路的输入端连接于同步整流管的漏极，工作模式判断电路的输出端连接于逻辑门电路的使能端；
栅极驱动电压调节电路的输入端连接于同步整流管的漏极，栅极驱动电压调节电路的输出端连接于逻辑门电路的第一输入端；栅极驱动电压调节电路通过检测同步整流管的漏极电压，判断是否需要对同步整流管的栅极驱动 电压进行调整作为调整信号；将同步整流管的栅极驱动 电压与参考电压进行比较得到比较结果；将比较结果与调整信号进行逻辑与运算，运算结果用于控制同步整流管的栅极与接地端的连接状态；调整信号的宽度设定在比较小的值，使得由于同步整流管的栅极驱动电压下降导致的导通损耗增加可以最大限度的减小；
开关器件串联于同步整流管的栅极和接地端之间；逻辑门电路的输出端连接于开关器件的栅极；
还包括参考电压比较器；所述逻辑门电路为与门电路；参考电压比较器的同相输入端连接于同步整流管的栅极；参考电压比较器的反相输入端输入参考电压；参考电压比较器的输出端连接于逻辑门电路的第二输入端。
2.根据权利要求1所述的同步整流驱动电压调节电路，其特征在于，还包括根据同步整流管的漏极电压控制同步整流管的栅极驱动 电压的同步整流控制器。
3.根据权利要求2所述的同步整流驱动电压调节电路，其特征在于，同步整流控制器包括第一比较器、第二比较器和SR触发电路；同步整流管的漏极连接至第一比较器的反相输入端和第二比较器的同相输入端；第一比较器的同相输入端输入导通负压门限；第二比较器的反相输入端输入关断阈值；第一比较器的输出端连接SR触发电路的S输入端；第二比较器的输出端连接SR触发电路的R输入端；SR触发电路的输出端连接同步整流管的栅极。
4.安装有根据权利要求1所述的同步整流驱动电压调节电路的离线反激系统，其特征在于，包括变压器；变压器的初级侧的第一输入端为信号输入端；变压器初级侧的第二输入端连接于主功率管的漏极，主功率管的源极连接接地端；主功率管的栅极输入PWM信号；变压器的次级侧的第一输出端连接电容的第一端；变压器的次级侧的第二输出端连接同步整流管的漏极；同步整流管的源极连接电容的第二端。
5.一种同步整流驱动电压调节方法，其特征在于，包括：
通过检测同步整流管的漏极电压，判断开关电源的工作模式；通过检测同步整流管的漏极电压，判断是否需要对同步整流管的栅极驱动 电压进行调整；
当开关电源的工作模式为连续导通模式，且需要对同步整流管的栅极驱动 电压进行调整时，输出控制信号使得同步整流管的栅极与接地端导通，同步整流管的栅极驱动 电压下降；
当开关电源的工作模式为连续导通模式，且不需要对同步整流管的栅极驱动 电压进行调整时，不输出控制信号，同步整流管的栅极与接地端断开；
当开关电源的工作模式为非连续导通模式，不对同步整流管的栅极驱动 电压进行调整，同步整流管的栅极与接地端断开，当开关电源的工作模式在连续导通模式，还包括对同步整流管的栅极驱动 电压的下降程度的检测步骤；将同步整流管的栅极驱动 电压与参考电压进行比较，当同步整流管的栅极驱动 电压降低至参考电压时，将同步整流管的栅极与接地端断开；
通过检测同步整流管的漏极电压，判断是否需要对同步整流管的栅极驱动 电压进行调整作为调整信号；将同步整流管的栅极驱动 电压与参考电压进行比较得到比较结果；将比较结果与调整信号进行逻辑与运算，运算结果用于控制同步整流管的栅极与接地端的连接状态；通过检测同步整流管的漏极电压，判断开关电源的工作模式，作为逻辑与运算的使能信号；
调整信号的宽度设定在比较小的值，使得由于同步整流管的栅极驱动电压下降导致的导通损耗增加可以最大限度的减小。
6.根据权利要求5所述的同步整流驱动电压调节方法，其特征在于，还包括根据同步整流管的漏极电压控制同步整流管的工作状态的过程；当同步整流管的漏极 电压小于导通负压门限时，控制同步整流管的栅极驱动 电压使得同步整流管导通；当同步整流管的漏极电压大于关断阈值 时，控制同步整流管的栅极驱动 电压使得同步整流管截止。
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