CN115224914B - 实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构，包括反激电源的副边整流电路用于反激隔离电源的副边整流输出，获取电源的直流输出；场效应管驱动电路用于控制栅极电压，开关反激电源的副边整流电路的效应管；开关检测电路用于检测场效应管的漏极与源极间的电压。采用了该实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构，通过检测同步整流场效应管的压降以及计算前面工作周期的有效开通时间，预测本开关周期的关断时刻，提前降低同步整流场效应管的栅极端电压。在场效应管关断时刻前，预先增加场效应管导通电阻。在反激电路原副边换流时，降低共通电流，降低场效应管关断时的电压振荡幅度，增强反激电路同步整流的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，特别是涉及电力电子领域，具体是指一种实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构。
背景技术
芯片，又称集成电路，一般指内含集成电路的硅片反激拓扑，是一种电源结构，常用于中小功率的隔离型电源。同步整流芯片，是一种电源管理芯片。在反激拓扑电源中，应用在隔离变压器的副边，利用MOSFET功率器件取代传统的肖特基二极管，可以显著提高电源整体效率。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足结构简单、可靠性高、适用范围较为广泛的实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构。
为了实现上述目的，本发明的实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构如下：
该实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构，其主要特点是，所述的电路结构包括：
反激电源的副边整流电路，所述的反激电源的副边整流电路上有场效应管，用于反激隔离电源的副边整流输出，获取电源的直流输出；
场效应管驱动电路，与所述的反激电源的副边整流电路的栅极相连，用于控制栅极电压，开关反激电源的副边整流电路的效应管；
开关检测电路，与所述的场效应管驱动电路相连接，还与反激电源的副边整流电路的漏极相连接，用于检测场效应管的漏极与源极间的电压，输出开通、预关断和关断逻辑信号。
较佳地，所述的开关检测电路包括：
开通检测模块，与所述的场效应管驱动电路和反激电源的副边整流电路的漏极相连，用于检测场效应管的漏极电压，并在漏极电压小于源极电压时，触发开通信号并传输至场效应管驱动电路；
电流检测模块，与所述的反激电源的副边整流电路的漏极相连接，用于检测场效应管的漏极对源极的相对压差VDS；
开通时长检测模块，与所述的反激电源的副边整流电路的漏极相连接，用于检测每个周期场效应管从开通到关断的时间间隔；
预关断时间预测模块，与所述的开通时长检测模块相连接，用于根据开通时长检测，判断当前开关周期的关断时间；
预关断和关断控制模块，与所述的电流检测模块、预关断时间预测模块和场效应管驱动电路相连接，用于根据关断时间预测和电流检测，触发预关断和关断信号，传输给场效应管驱动电路。
较佳地，所述的开通时长检测模块，检测相对压差VDS的极性来判断场效应管的开通和关断，通过计时电路从检测到相对压差VDS从正变负的时刻开始计时，直到相对压差VDS从负变正的时刻结束计时，两次计时之间的时间间隔即为该开关周期内的开通时长。
较佳地，所述的预关断时间预测模块根据所述的开通时长检测模块检测到的之前5个周期的开通时长，来预测当前周期的开通时长T’n。
较佳地，所述的预关断时间预测模块预测当前周期的开通时长T’n，具体为：
根据以下公式预测当前周期的开通时长T’n：
其中， 的具体取值根据实际电路结构情况做具体设定。
较佳地，所述的预关断和关断控制模块在所述的预关断时间预测模块发出进入预关断的信号后，根据所述电流检测模块检测的相对压差VDS，通过场效应管驱动电路降低栅极电压VGATE，增加场效应管导通电阻。
较佳地，所述的开通时长检测电路包括计时器电路，所述的计时器电路与所述的预关断时间预测模块相连接，所述的计时器电路用于计时一次开通信号和一次关断信号之间的时间间隔。
较佳地，所述的预关断时间预测电路包括开通时长的比例积分电路，开通时长的比例积分电路的输入端与开通时长检测电路的计时器电路相连接，输出端与预关断和关断控制模块相连接，用于通过之前开关周期中开通时间的比例积分，预测本周期的开通时长和关断时刻。
较佳地，包括预关断和关断控制电路包括定时电路，所述的定时电路的输入端与开通时长的比例积分电路相连，用于接收开通时长的比例积分电路输出的本周期的预测开通时长，根据所述的预测开通时长和预关断时长的差值为定时时间，在场效应管开通时开始计时，定时时间到时以后，输出预关断信号至场效应管驱动电路。
较佳地，包括预关断和关断控制电路包括栅极端高电平调制电路，所述的栅极端高电平调制电路的输入端与定时电路相连，输出端与场效应管驱动电路相连接，接收定时电路输出的预关断信号，在收到预关断信号后，输出与场效应管漏端电压成比例的调制电平信号至场效应管驱动电路。
采用了本发明的实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构，通过预测工作周期的关断时刻，提前做出预关断动作。其中，通过检测同步整流场效应管的压降以及计算前面工作周期的有效开通时间，预测本开关周期的关断时刻，提前降低同步整流场效应管的栅极端电压。在场效应管关断时刻前，预先增加场效应管导通电阻基于此，在反激电路原副边换流时，降低共通电流，降低场效应管关断时的电压振荡幅度，增强反激电路同步整流的可靠性。
附图说明
图1为本发明的实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构的电路示意图。
图2为本发明的实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构的具体电路连接示意图。
图3a为本发明的实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构的场效应管驱动电路的应用所述预关断功能的VGS和VDS波形示意图。
图3b为本发明的实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构的没有场效应管驱动电路的应用所述预关断功能的VGS和VDS波形示意图。
图4为本发明的实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构的计时器电路的示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明的该实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构，其中包括：
反激电源的副边整流电路，所述的反激电源的副边整流电路上有场效应管，用于反激隔离电源的副边整流输出，获取电源的直流输出；
场效应管驱动电路，与所述的反激电源的副边整流电路的栅极相连，用于控制栅极电压，开关反激电源的副边整流电路的效应管；
开关检测电路，与所述的场效应管驱动电路相连接，还与反激电源的副边整流电路的漏极相连接，用于检测场效应管的漏极与源极间的电压，输出开通、预关断和关断逻辑信号。
作为本发明的优选实施方式，所述的开关检测电路包括：
开通检测模块，与所述的场效应管驱动电路和反激电源的副边整流电路的漏极相连，用于检测场效应管的漏极电压，并在漏极电压小于源极电压时，触发开通信号并传输至场效应管驱动电路；
电流检测模块，与所述的反激电源的副边整流电路的漏极相连接，用于检测场效应管的漏极对源极的相对压差VDS；
开通时长检测模块，与所述的反激电源的副边整流电路的漏极相连接，用于检测每个周期场效应管从开通到关断的时间间隔；
预关断时间预测模块，与所述的开通时长检测模块相连接，用于根据开通时长检测，判断当前开关周期的关断时间；
预关断和关断控制模块，与所述的电流检测模块、预关断时间预测模块和场效应管驱动电路相连接，用于根据关断时间预测和电流检测，触发预关断和关断信号，传输给场效应管驱动电路。
作为本发明的优选实施方式，所述的开通时长检测模块，检测相对压差VDS的极性来判断场效应管的开通和关断，通过计时电路从检测到相对压差VDS从正变负的时刻开始计时，直到相对压差VDS从负变正的时刻结束计时，两次计时之间的时间间隔即为该开关周期内的开通时长。
作为本发明的优选实施方式，所述的预关断时间预测模块根据所述的开通时长检测模块检测到的之前5个周期的开通时长，来预测当前周期的开通时长T’n。
作为本发明的优选实施方式，所述的预关断时间预测模块预测当前周期的开通时长T’n，具体为：
根据以下公式预测当前周期的开通时长T’n：
其中， 的具体取值根据实际电路结构情况做具体设定。
作为本发明的优选实施方式，所述的预关断和关断控制模块在所述的预关断时间预测模块发出进入预关断的信号后，根据所述电流检测模块检测的相对压差VDS，通过场效应管驱动电路降低栅极电压VGATE，增加场效应管导通电阻。
作为本发明的优选实施方式，所述的开通时长检测电路包括计时器电路，所述的计时器电路与所述的预关断时间预测模块相连接，所述的计时器电路用于计时一次开通信号和一次关断信号之间的时间间隔。如图4所示，计时器电路连接场效应管的漏极,漏极低于源极开始计时，漏极高于源极结束计时。计时时间为本次开通时长，输出给预关断时刻预测电路进行计算。
作为本发明的优选实施方式，所述的预关断时间预测电路包括开通时长的比例积分电路，开通时长的比例积分电路的输入端与开通时长检测电路的计时器电路相连接，输出端与预关断和关断控制模块相连接，用于通过之前开关周期中开通时间的比例积分，预测本周期的开通时长和关断时刻。开通时长的比例积分电路输入为开通时间计数器电路，开通时长电路储存之前5个周期的开通时间计时时间，通过加权运算，输出本周期的预测开通时长给预关断和关断控制模块。
作为本发明的优选实施方式，包括预关断和关断控制电路包括定时电路，所述的定时电路的输入端与开通时长的比例积分电路相连，用于接收开通时长的比例积分电路输出的本周期的预测开通时长，根据所述的预测开通时长和预关断时长的差值为定时时间，在场效应管开通时开始计时，定时时间到时以后，输出预关断信号至场效应管驱动电路。
作为本发明的优选实施方式，包括预关断和关断控制电路包括栅极端高电平调制电路，所述的栅极端高电平调制电路的输入端与定时电路相连，输出端与场效应管驱动电路相连接，接收定时电路输出的预关断信号，在收到预关断信号后，输出与场效应管漏端电压成比例的调制电平信号至场效应管驱动电路。
本发明的具体实施方式中，同步整流芯片需要在反激拓扑原边功率器件完全开启前，关断变压器副边的场效应管功率器件。基于此，同步整流芯片在关断前进行预关断的操作，可以提高关断的速度，抑制原副边直通电流，增加反激拓扑工作的可靠性。
图1为反激拓扑电源变压器副边的系统电路连接示意图。其中，同步整流芯片电路包括图中场效应管驱动电路和开关检测电路。图2为反激拓扑电源变压器副边的系统电路连接示意图。其中，开关检测电路又分为开通检测、电流检测、开通时长检测、预关断时刻预测以及预关断和关断控制。图3a和图3b为反激拓扑电源的变压器副边的场效应管功率器件的VGS和VDS波形。其中，图3a为应用所述预关断功能的VGS和VDS波形，图3b为没有应用所述预关断功能的VGS和VDS波形。
该同步整流芯片预关断电路，属于开关检测电路部分电路，工作于反激电源的副边整流电路。
所述反激电源的副边整流电路用于反激隔离电源副边整流输出，以获得电源DC输出；
所述场效应管驱动电路用于控制栅极电压，开关反激电源副边的整流场效应管；
所述开关检测电路用于检测场效应管的漏极与源极间Drain-Source电压，输出开通、预关断和关断逻辑信号。
开关检测电路包括开通检测电路、电流检测电路、开通时长检测电路、预关断时刻预测电路以及预关断和关断控制电路。
所述开通检测电路，通过检测场效应管漏极端电压，漏极端电压小于源极端电压时(源极端为参考地，零电位)，电路触发开通信号，传输给场效应管驱动电路。
所述电流检测电路，检测场效应管的漏极端和源极端之间流通的电流。
所述开通时长检测电路，检测每个周期场效应管从开通到关断的时间间隔。
所述预关断时间预测电路，基于开通时长检测，预测本周期的关断时间。
所述预关断和关断控制电路，基于关断时间预测和电流检测，触发预关断和关断信号，传输给场效应管驱动电路。
开通时长检测电路包括计时器电路。计时器电路计时一次开通信号和一次关断信号之间的时间间隔。计时器电路连接场效应管的漏极,漏极低于源极开始计时，漏极高于源极结束计时。计时时间为本次开通时长，输出给预关断时刻预测电路进行计算。
预关断时间预测电路包括开通时长的比例积分电路。通过之前开关周期中开通时间的比例积分，预测本周期的开通时长和关断时刻。开通时长的比例积分电路输入为开通时间计数器电路，开通时长电路储存之前5个周期的开通时间计时时间，通过加权运算，输出本周期的预测开通时长给预关断和关断控制模块。
预关断和关断控制电路包括定时电路和栅极端高电平调制电路。基于关断时刻预测的结果，利用定时电路，在预测的关断时刻前一个固定时间，进入预关断状态。在预关断状态中，基于电流检测结果，降低栅极端的高电平电压，使场效应管进入较大导通电阻状态。在定时电路定时完成后，触发关断信号，完全关断场效应管。
定时电路输入为开通时长的比例积分电路输出的本周期的预测开通时长。根据这个时长和预关断时长的差值为定时时间，在场效应管开通时开始计时，定时时间到时以后，输出预关断信号给栅极端高电平调制电路。
预关断和关断控制电路的定时电路输出预关断信号给栅极端高电平调制电路。栅极端高电平调制电路连接场效应管漏端，在收到预关断信号后，输出与场效应管漏端电压成比例的调制电平信号给场效应管驱动电路。
在本发明的具体实施例中，反激拓扑的同步整流芯片预关断电路，包括电流检测模块、开通时长检测模块、关断时间预测模块、预关断和关断控制模块。
所述电流检测模块，用于检测变压器副边的场效应管导通时电流ID，根据电流调节场效应管栅极电压。
所述电流检测模块，检测副边场效应管的漏极对源极的相对压差。在导通时间内，漏极对源极的相对压差为VDS＝RDSON×ID。其中，RDSON为场效应管的导通电阻，ID为场效应管导通时流过的电流。
由于，场效应管的栅极电压恒定时，RDSON基本不变，所以检测VDS电压量可以代表ID电流量。
所述开通时长检测模块，用于检测每个开关周期开通时长。
所述开通时长检测模块，检测VDS电压的极性判断场效应管的开通和关断。VDS极性为正电压时，场效应管处于关断状态；反之，VDS极性为负电压时，场效应管处于开通状态。
每个开关周期内，场效应管开通和关断一次。所以，利用计时电路，从检测到VDS从正变负的时刻开始计时，直到VDS从负变正的时刻结束计时，之间的时间间隔即为该开关周期内的开通时长。
所述预关断时间预测模块，用于判断当前开关周期关断的时间。
所述预关断时间预测模块，利用所述开通时长检测模块检测到的之前5个周期的开通时长Tn-5、Tn-4、Tn-3、Tn-2、Tn-1，预测当前周期的开通时长T’n。当前周期场效应管开通后，开启定时器电路，定时时间为预测当前周期的开通时长T’n-TPRE。TPRE为预关断时间，设为1μs。定时器定时到时后，即进入预关断时间。
所述预关断时间预测模块的预测当前周期的开通时长T’n为之前5个周期的开通时长的加权平均，具体的计算方法如下：
其中， 的具体取值根据实际系统情况做具体设定。
所示预关断和关断控制模块，用于预关断和关断变压器副边的场效应管功率器件。
所述预关断和关断控制模块，在所述的预关断时间预测模块发出进入预关断的信号后，根据所述电流检测模块检测的VDS电压，通过场效应管驱动电路降低栅极电压VGATE，增加场效应管导通电阻。当电流检测模块检测的VDS电压由负变正时，控制电路由预关断状态转向关断状态，迅速降低栅极电压至场效应管门极开通电压VTH以下，直至把栅极电压下降到0V。
所述预关断和关断控制模块在预关断期间根据电流检测模块检测的VDS电压降低栅极电压VGATE的公式如下：
VGATE＝VDS×β
其中，β根据不同型号的场效应管，可以通过芯片外部引脚设定，取值范围为10-200
本技术方案中的“预关断”指预先实施关断动作，预关断后场效应管电路实际处于关断状态(场效应管栅极电压降低到0V)。本技术方案中“预关断”的概念是预备关断，为即将发生的关断做好准备，预关断后场效应管电路处于可变电阻区状态(场效应管栅极电压降低到关断阈值VTH附近，略高于VTH)，不处于关断状态。
本发明中预关断电路的技术手段是通过电流检测变压器副边的场效应管导通时电流ID，根据电流调节场效应管栅极电压以及通过开通时长检测模块检测VDS电压的极性判断场效应管的开通和关断。结合电流ID和开通时长预测这两方面信息，调节场效应管栅极电压，使其在预关断期间处于可变电阻状态。
本实施例的具体实现方案可以参见上述实施例中的相关说明，此处不再赘述。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
采用了本发明的实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构，通过预测工作周期的关断时刻，提前做出预关断动作。其中，通过检测同步整流场效应管的压降以及计算前面工作周期的有效开通时间，预测本开关周期的关断时刻，提前降低同步整流场效应管的栅极端电压。在场效应管关断时刻前，预先增加场效应管导通电阻基于此，在反激电路原副边换流时，降低共通电流，降低场效应管关断时的电压振荡幅度，增强反激电路同步整流的可靠性。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (7)
1.一种实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构，其特征在于，所述的电路结构包括：
反激电源的副边整流电路，所述的反激电源的副边整流电路上有场效应管，用于反激隔离电源的副边整流输出，获取电源的直流输出；
场效应管驱动电路，与所述的反激电源的副边整流电路的栅极相连，用于控制栅极电压，开关反激电源的副边整流电路的场效应管；
开关检测电路，与所述的场效应管驱动电路相连接，还与反激电源的副边整流电路的漏极相连接，用于检测场效应管的漏极与源极间的电压，输出开通、预关断和关断逻辑信号；
所述的开关检测电路包括：
开通检测模块，与所述的场效应管驱动电路和反激电源的副边整流电路的漏极相连，用于检测场效应管的漏极电压，并在漏极电压小于源极电压时，触发开通信号并传输至场效应管驱动电路；
电流检测模块，与所述的反激电源的副边整流电路的漏极相连接，用于检测场效应管的漏极对源极的相对压差VDS；
开通时长检测模块，与所述的反激电源的副边整流电路的漏极相连接，用于检测每个周期场效应管从开通到关断的时间间隔；所述的开通时长检测模块，检测相对压差VDS的极性来判断场效应管的开通和关断，通过计时电路从检测到相对压差VDS从正变负的时刻开始计时，直到相对压差VDS从负变正的时刻结束计时，两次计时之间的时间间隔即为该周期内的开通时长；
预关断时间预测模块，与所述的开通时长检测模块相连接，用于根据开通时长检测，判断当前周期的关断时间；
预关断和关断控制模块，与所述的电流检测模块、预关断时间预测模块和场效应管驱动电路相连接，用于根据关断时间预测和电流检测，触发预关断和关断信号，传输给场效应管驱动电路；所述的预关断和关断控制模块在所述的预关断时间预测模块发出进入预关断的信号后，根据所述电流检测模块检测的相对压差VDS，通过场效应管驱动电路降低栅极电压VGATE，增加场效应管导通电阻，使其处于可变电阻区状态。
2.根据权利要求1所述的实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构，其特征在于，所述的预关断时间预测模块根据所述的开通时长检测模块检测到的之前5个周期的开通时长，来预测当前周期的开通时长。
3.根据权利要求2所述的实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构，其特征在于，所述的预关断时间预测模块预测当前周期的开通时长，具体为：
根据以下公式预测当前周期的开通时长：
；
其中，，/>的具体取值根据实际电路结构情况做具体设定。
4.根据权利要求1所述的实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构，其特征在于，所述的开通时长检测模块包括计时器电路，所述的计时器电路与所述的预关断时间预测模块相连接，所述的计时器电路用于计时一次开通信号和一次关断信号之间的时间间隔。
5.根据权利要求1所述的实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构，其特征在于，所述的预关断时间预测模块包括开通时长的比例积分电路，开通时长的比例积分电路的输入端与开通时长检测模块的计时器电路相连接，输出端与预关断和关断控制模块相连接，用于通过之前周期中开通时间的比例积分，预测本周期的开通时长和关断时刻。
6.根据权利要求5所述的实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构，其特征在于，包括预关断和关断控制模块包括定时电路，所述的定时电路的输入端与开通时长的比例积分电路相连，用于接收开通时长的比例积分电路输出的本周期的预测开通时长，根据所述的预测开通时长和预关断时长的差值为定时时间，在场效应管开通时开始计时，定时时间到时以后，输出预关断信号至场效应管驱动电路。
7.根据权利要求6所述的实现反激拓扑的同步整流芯片预关断电路结构，其特征在于，预关断和关断控制模块包括栅极端高电平调制电路，所述的栅极端高电平调制电路的输入端与定时电路相连，输出端与场效应管驱动电路相连接，接收定时电路输出的预关断信号，在收到预关断信号后，输出与场效应管漏端电压成比例的调制电平信号至场效应管驱动电路。
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