CN113765404A - 一种判断副边开关开启时间的方法及其开关电源电路 - Google Patents

一种判断副边开关开启时间的方法及其开关电源电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种判断副边开关开启时间的方法及其开关电源电路，其中方法包括以下步骤：检测副边的同步整流管的跨压；所述跨压为同步整流管的漏极和源极之间的电压；将所述跨压的参数与参考数值比较，识别准备动作时间段；通过是否出现准备动作时间段，判断是否进入副边能量传递时间段或者柔性开关动作时间段；当出现准备动作时间段，则在准备动作时间段结束后，判断进入副边能量传递时间段，在副边能量传递时间段控制同步整流管导通开启；当未出现准备动作时间段，则在柔性开关动作时间段控制同步整流管截止。本发明可以有效识别柔性切换时机和副边能量传递时机，并据此确认副边同步整流器的开启和截止的时间点，降低开关电源的能量损失。

Description

一种判断副边开关开启时间的方法及其开关电源电路
技术领域
本发明涉及开关电源领域，具体涉及一种判断副边开关开启时间的方法及其开关电源电路。
背景技术
在反激式开关电源中，需要对副边开关进行开启或者截止的控制。当使用同步整流器作为开关器件时，副边的同步整流控器的控制方法有两种，其一为直接侦测副边开关的跨压(即副边的同步整流管的漏极和源极之间的电压)，决定副边开关开启与关闭时机，其二为侦测副边开关的跨压，决定副边开关开启时机，再利用伏秒平衡(Voltage-Second)原理判断开关何时关闭。
为了达到高功率密度以及考虑适配器成本，已经广泛应用了辅助开关进行柔性切换。在这样的电路结构中，遇到的一个问题是如何区别副边能量传递时机与柔性切换时机。当柔性开关动作时，副边开关跨压将会低于开关器件的导通门坎电压值，因此副边开关开启会使变压器短路造成输出能量的损失。
结合上述问题，在带有辅助开关的反激变换式开关电源中，优选采用直接检测副边开关跨压的方式决定副边开关开启与关闭时机，其优点为获得最小死区时间进而降低导通损失，但是这样做的缺点就是在现有的直接检测副边开关跨压的方式中无法区分柔性切换时机与副边能量传递时机。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种判断副边开关开启时间的方法及其开关电源电路。
本发明所采用的技术方案如下：
一种判断副边开关开启时间的方法，包括：
检测副边的同步整流管的跨压；所述跨压为同步整流管的漏极和源极之间的电压；
将所述跨压的参数与参考数值比较，识别准备动作时间段；通过是否出现准备动作时间段，判断是否进入副边能量传递时间段或者柔性开关动作时间段；
当出现准备动作时间段，则在准备动作时间段结束后，判断进入副边能量传递时间段，在副边能量传递时间段控制同步整流管导通开启；
当未出现准备动作时间段，则在柔性开关动作时间段控制同步整流管截止。
其进一步的技术方案为：所述跨压在稳定阶段的电压数值高于第一参考数值，或者所述跨压在稳定阶段的持续时间大于第二参考数值，或者所述跨压在上升转态阶段的上升速度快于第三参考数值时，判断出现准备动作时间段。
其进一步的技术方案为：当跨压的数值为负，且跨压的绝对值小于导通门坎电压值时，判断为处于柔性开关动作时间段或者处于副边能量传递时间段。
其进一步的技术方案为：当开关电源为升压开关电源时，判断同步整流管的跨压在稳定阶段的持续时间是否大于设定时间，当持续时间大于设定时间，判断处于准备动作时间段，则当准备动作时间段结束后，判断进入副边能量传递时间段，在副边能量传递时间段，控制同步整流管导通开启。
其进一步的技术方案为：判断同步整流管的跨压在稳定阶段的绝对值是否大于开关电源的输出电压的绝对值的三倍；当同步整流管的跨压的绝对值大于开关电源的输出电压的绝对值的三倍时，判断处于准备动作时间段，则当准备动作时间段结束后，判断进入副边能量传递时间段，在副边能量传递时间段，控制同步整流管导通开启。
其进一步的技术方案为：判断同步整流管的跨压在上升转态阶段的上升速度是否快于设定速度；当同步整流管的跨压在上升阶段的上升速度快于设定速度，判断处于准备动作时间段，则当准备动作时间段结束后，判断进入副边能量传递时间段，在副边能量传递时间段，控制同步整流管导通开启。
其进一步的技术方案为：所述设定速度快于同步整流管的跨压在开关电源的谐振周期的上升速度。
用于实现上述任一项所述判断副边开关开启时间的方法的开关电源电路，包括变压器；所述变压器包括原边绕组和副边绕组；所述变压器还包括第二辅助绕组；副边绕组的第一端和接地端之间串联有同步整流管，副边绕组的第二端和接地端之间的电压为输出电压；原边绕组的第一端接入输入电压，原边绕组的第二端和参考接地端串联有主功率管；在第二辅助绕组的第一端和参考接地端之间串联有辅助开关；副边控制器获取同步整流管的跨压，副边控制器的输出端连接至同步整流管的栅极；原边控制器的第一输出端连接辅助开关的栅极；原边控制器的第二输出端连接主功率管的栅极。
其进一步的技术方案为：所述变压器还包括第一辅助绕组；第一辅助绕组的第一端连接参考接地端；第一辅助绕组的第二端通过二极管和电容连接至参考接地端；二极管和电容的公共端连接至原边控制器的输入端。
本发明的有益效果如下：
本发明适用于带有辅助开关的反激式开关电源，可以有效识别柔性切换时机和副边能量传递时机，并据此确认副边同步整流器的开启和截止的时间点，在具有小的死区时间的前提下，只在副边能量传递时机开启副边的同步整流器，降低开关电源的能量损失。且本发明不影响反激式开关电源本身的工作过程，还适用于类似的反激式的电路拓扑结构，大幅提升产品的衍生性。
附图说明
图1为本发明的实施例中的电路示意图。
图2为本发明的实施例中的各个电路参数在时域的变化图。
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1为本发明的实施例中的电路示意图。如图1所示，开关电源电路包括变压器T1。变压器T1包括原边绕组W1和副边绕组W2。变压器T1还包括第一辅助绕组W3和第二辅助绕组W4。在本实施例中，绕组的第一端为同名端，绕组的第二端为异名端。
副边绕组W2的第一端连接同步整流管S2的漏极，同步整流管S2的源极连接接地端。副边绕组W2的第二端和接地端之间的电压为输出电压VO，在副边绕组W2的第二端和接地端之间还并联有输出电容CO。同步整流管S2的漏极和源极之间的电压定义为同步整流管S2的跨压VDS2。副边绕组W2的第一端连接至副边控制器的第一输入端。副边绕组W2的第二端连接至副边控制器的第二输入端。副边控制器的输出端连接至同步整流管S2的栅极。副边控制器可以获取同步整流管S2的跨压VDS2，并以此控制同步整流管S2的栅极电压，控制同步整流管S2的源极和漏极之间导通或者截止。
原边绕组W1的第一端接入输入电压VIN，原边绕组W1的第二端连接主功率管S1的漏极，主功率管S1的源极连接参考接地端。在主功率管S1的源极和漏极之间连接有电容CP。
第一辅助绕组W3的第一端连接参考接地端。第一辅助绕组W3的第二端连接二极管D3的阳极。二极管D3的阴极连接电容CVDD的第一端。电容CVDD的第二端连接参考接地端。第二辅助绕组W4的第一端连接辅助开关S4的漏极，辅助开关S4的源极连接参考接地端。第二辅助绕组W4的第二端和辅助开关的源极之间连有电容CZVS。
第一辅助绕组W3的第二端连接至原边控制器的输入端。原边控制器的第一输出端连接辅助开关S4的栅极，用于控制辅助开关S4的开启或者截止。原边控制器的第二输出端连接主功率管S1的栅极，通过PMW信号控制主功率管S1的开启或者截止。
在图1所示的带有辅助开关的反激变换式开关电源中，控制主功率管S1和同步整流管S1的导通和截止时间实现开关电源的功能，其原理不再赘述。
基于图1所示的电路，本发明公开了一种判断副边开关开启时间的方法，图2为本发明的实施例中的各个电路参数在时域的变化图。在图2中，由上至下依次显示了如下的电路参数在时域的变化图：主功率管S1的栅极电压S1C，同步整流管S2的栅极电压S2C，辅助开关S4的栅极电压S4C，主功率管S1的漏极和源极之间的电压VDS1，同步整流管S2的漏极和源极之间的电压VDS2，在下文将同步整流管S2的漏极和源极之间的电压称为跨压VDS2，主功率管S1的漏极至源极之间的导通电流IS1，同步整流管S2的源极至漏极之间的导通电流IS2，辅助开关S4的漏极至源极的导通电流IS4。
在图2中，t0～t1时间段，辅助开关S4导通，电流IS4由0上升直到最大值；主功率管S1截止，电压VDS1为最大值，电流IS1为0；此时间段为柔性开关动作时间段，同步整流管S2的跨压VDS2为负值，且跨压VDS2的绝对值由导通门坎电压值VTH-ON逐渐减小至0，如果此时同步整流管S2导通，会造成变压器T1的短路，造成能量损失。所以此时应该控制同步整流管S2截止，所以控制同步整流管S2的栅极电压S2C为低电平。
t1～t2时间段，辅助开关S4截止，电流IS4为0；主功率管S1截止，电压VDS1由最大值逐渐下降至0，电流IS1为负，且电流IS1的绝对值由最大值开始下降至0；同步整流管S2截止，电流IS2为0，跨压VDS2处于上升转态阶段，开始由0上升，在时间点t2上升至最大值，跨压VDS2的斜率代表了其上升速度。
t2～t3时间段；辅助开关S4截止，电流IS4为0；主功率管S1导通，电压VDS1为0，电流IS1为正，且电流IS1由0开始上升至最大值；同步整流管S2截止，电流IS2为0，跨压VDS2处于稳定阶段，保持在最大值。
由于在时间段t1～t3之后，会开启同步整流管S2进行能量传递，也即进入副边能量传递时间段。所以将进入副边能量传递时间段之前的t1～t3时间段定义为准备动作时间段。辅助开关S4的栅极电压S4C转为低电平标志准备动作时间段的开始。主功率管S1的栅极电压S1C转为低电平且同步整流管S2的栅极电压S2C转为高电平，标志准备动作时间段的结束。
t3～t4时间段，辅助开关S4截止，电流IS4为0；主功率管S1截止，电压VDS1为最大值，电流IS1为0；跨压VDS2为负值，且跨压VDS2的绝对值由导通门坎电压值VTH-ON逐渐减小至0，此时间段为副边能量传递时间段，应该开启同步整流管S2，所以控制同步整流管S2的栅极电压S2C为高电平，同步整流管S2导通，电流IS2由最大值开始下降。
t4～t5时间段，辅助开关S4截止，电流IS4为0；主功率管S1截止，电流IS1为0；同步整流管S2截止，跨压VDS2有微小的电压尖峰。此时为死区时间。
t5～t7时间段，此时间段为谐振周期。辅助开关S4、主功率管S1和同步整流管S2均截止，电流IS1、电流IS2和电流IS4均为0，电压VDS1和跨压VDS2呈谐振曲线。其中t5～t6时间段为在谐振周期中跨压VDS2的上升阶段，其曲线斜率反应其上升速度。
在谐振周期结束后，重新进入柔性开关动作时间段，形成一个开关电源的工作周期。
结合图2，判断副边的开关开启时间的方法包括：
步骤1、检测副边的同步整流管S2的跨压VDS2。跨压VDS2为同步整流管S2的漏极和源极之间的电压。
步骤2、将跨压VDS2的参数与参考数值比较，识别准备动作时间段。通过准备动作时间段，判断副边能量传递时间段和柔性开关动作时间段，具体的，在柔性开关动作时间段或者副边能量传递时间段，跨压VDS2均有以下相同的特征：跨压VDS2的数值为负，且跨压VDS2的绝对值小于同步整流管的导通门坎电压值VTH-ON。
跨压VDS2包括由0上升至最大值的上升转态阶段和保持在最大值的稳定阶段。步骤2中识别准备动作时间段的方法具体可以是以下任意一种。
(1)当开关电源为升压开关电源时，判断同步整流管S2的跨压VDS2在稳定阶段的持续时间是否大于设定时间，当跨压VDS2在稳定阶段的持续时间大于设定时间，判断开关电源处于准备动作时间段，则当准备动作时间段结束后，判断进入副边能量传递时间段。
在低输入电压VIN高输出电压VO的情况，副边的同步整流管S2的跨压VDS2的绝对值，也即图2中跨压VDS2的高度，将会被变压器T1的电压VIN/n所限制，其中n为变压器T1的原边副边的绕组之比，在这种情况下，跨压VDS2在上升转态阶段的上升速度很难辨识，所以优选使用跨压VDS2在稳定阶段的持续时间来判断。也即判断t2～t3的时间持续长度，当其大于设定时间时，判断此时开关电源处于准备动作时间段，在准备动作时间段结束后，将跨压VDS2的数值为负，且跨压VDS2的绝对值由导通门坎电压值TTH-ON逐渐减小至0的这一时间段，识别为副边能量传递时间段。
(2)判断同步整流管S2的跨压VDS2在稳定阶段的绝对值是否大于开关电源的输出电压VO的绝对值的三倍。当同步整流管S2的跨压VDS2的绝对值大于开关电源的输出电压VO的绝对值的三倍时，判断开关电源处于准备动作时间段，则当准备动作时间段结束后，判断进入副边能量传递时间段，将跨压VDS2的数值为负，且跨压VDS2的绝对值由导通门坎电压值TTH-ON逐渐减小至0的这一时间段，识别为副边能量传递时间段。在一些实施例中，当主功率管S1导通时，跨压VDS2的绝对值会高于三倍的输出电压VO的绝对值。
(3)判断同步整流管S2的跨压VDS2在上升转态阶段的上升速度是否大于设定速度。当同步整流管S2的跨压VDS2在上升转态阶段的上升速度比设定速度快，判断开关电源处于准备动作时间段，则当准备动作时间段结束后，判断进入副边能量传递时间段，将跨压VDS2的数值为负，且跨压VDS2的绝对值由导通门坎电压值TTH-ON逐渐减小至0的这一时间段，识别为副边能量传递时间段。如图2所示，也即判断t1～t2时间段，跨压VDS2在上升转态阶段的上升速度是否大于设定速度。这里的设定速度大于谐振周期中t5～t6时间段跨压VDS2的上升速度，虽然在开关电源工作在谐振周期t5～t6的时间段也会有同步整流管S2的跨压VDS2快速上升至较高数值的情况，但是，由于实施例中开关电源的柔性切换的特性，副边的跨压VDS2的上升速度必定会快过其在谐振区间t5～t6的上升速度。据此可以作为准备动作时间段的识别方法。
步骤3、当跨压VDS2的参数与参考数值比较，结果为开关电源处于准备动作时间段，则在准备动作时间段结束后，判断进入副边能量传递时间段，则在之后紧接着的，跨压的数值为负，且跨压的绝对值由导通门坎电压值TTH-ON逐渐减小至0的这一时间段，控制同步整流管S2的栅极电压S2C为高电平，也即控制同步整流管S2漏极和源极之间导通。
当跨压VDS2的参数与参考数值比较，结果为开关电源处于为非准备动作时间段，则如果出现跨压的数值为负，且跨压的绝对值由导通门坎电压值TTH-ON逐渐减小至0的这一时间段，判断开关电源处于柔性开关动作时间段，控制同步整流管S2的栅极电压S2C为低电平，也即同步整流管S2的漏极和源极之间截止。
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 (9)

1.一种判断副边开关开启时间的方法，其特征在于，包括以下步骤：
检测副边的同步整流管的跨压；所述跨压为同步整流管的漏极和源极之间的电压；
将所述跨压的参数与参考数值比较，识别准备动作时间段；通过是否出现准备动作时间段，判断是否进入副边能量传递时间段或者柔性开关动作时间段；
当出现准备动作时间段，则在准备动作时间段结束后，判断进入副边能量传递时间段，在副边能量传递时间段控制同步整流管导通开启；
当未出现准备动作时间段，则在柔性开关动作时间段控制同步整流管截止。
2.根据权利要求1所述的判断副边开关开启时间的方法，其特征在于：所述跨压在稳定阶段的电压数值高于第一参考数值，或者所述跨压在稳定阶段的持续时间大于第二参考数值，或者所述跨压在上升转态阶段的上升速度快于第三参考数值时，判断出现准备动作时间段。
3.根据权利要求1所述的判断副边开关开启时间的方法，其特征在于：当跨压的数值为负，且跨压的绝对值小于导通门坎电压值时，判断为处于柔性开关动作时间段或者处于副边能量传递时间段。
4.根据权利要求1所述的判断副边开关开启时间的方法，其特征在于：当开关电源为升压开关电源时，判断同步整流管的跨压在稳定阶段的持续时间是否大于设定时间，当持续时间大于设定时间，判断处于准备动作时间段，则当准备动作时间段结束后，判断进入副边能量传递时间段，在副边能量传递时间段，控制同步整流管导通开启。
5.根据权利要求1所述的判断副边开关开启时间的方法，其特征在于：判断同步整流管的跨压在稳定阶段的绝对值是否大于开关电源的输出电压的绝对值的三倍；当同步整流管的跨压的绝对值大于开关电源的输出电压的绝对值的三倍时，判断处于准备动作时间段，则当准备动作时间段结束后，判断进入副边能量传递时间段，在副边能量传递时间段，控制同步整流管导通开启。
6.根据权利要求1所述的判断副边开关开启时间的方法，其特征在于：判断同步整流管的跨压在上升转态阶段的上升速度是否快于设定速度；当同步整流管的跨压在上升阶段的上升速度快于设定速度，判断处于准备动作时间段，则当准备动作时间段结束后，判断进入副边能量传递时间段，在副边能量传递时间段，控制同步整流管导通开启。
7.根据权利要求6所述的判断副边开关开启时间的方法，其特征在于：所述设定速度快于同步整流管的跨压在开关电源的谐振周期的上升速度。
8.用于实现权利要求1～7任一项所述判断副边开关开启时间的方法的开关电源电路，其特征在于，包括变压器；所述变压器包括原边绕组和副边绕组；所述变压器还包括第二辅助绕组；副边绕组的第一端和接地端之间串联有同步整流管，副边绕组的第二端和接地端之间的电压为输出电压；原边绕组的第一端接入输入电压，原边绕组的第二端和参考接地端串联有主功率管；在第二辅助绕组的第一端和参考接地端之间串联有辅助开关；副边控制器获取同步整流管的跨压，副边控制器的输出端连接至同步整流管的栅极；原边控制器的第一输出端连接辅助开关的栅极；原边控制器的第二输出端连接主功率管的栅极。
9.根据权利要求8所述的开关电源电路，其特征在于，所述变压器还包括第一辅助绕组；第一辅助绕组的第一端连接参考接地端；第一辅助绕组的第二端通过二极管和电容连接至参考接地端；二极管和电容的公共端连接至原边控制器的输入端。
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