CN1155151C - 一种同步整流电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种同步整流电路。传统的同步整流电路存在着整流MOS管导通不足或同时导通的问题。本发明提供的同步整流电路包括变压器、一对同步整流MOS管、一个辅助MOS管和一个驱动绕组，驱动绕组的正同名端与原边绕组的正同名端具有相同的极性，且具有一个抽头；辅助MOS管的门极与一对整流MOS管之一(S1)的门极连接，并连接到驱动绕组的正同名端上，辅助MOS管的源极连接到驱动绕组的负同名端上，一对整流MOS管之另一(S2)的源极连接到驱动绕组的抽头上。
Description
本发明涉及同步整流电路，尤其涉及一种带电荷自维持驱动电路的同步整流电路。
同步整流技术已广泛应用于低压、大电流的直流对直流变换器。由于低压功率MOSFET管(以下简称MOS管)的导通压降远小于二极管的正向压降，采用同步整流技术可以大大提高变换器的效率。由于MOS管没有反向阻断的能力，因此必须在它的门极加上控制信号控制它的通断。在通常使用的正激式直流到直流变换器中，为简单起见，一般用变压器的副边绕组直接驱动MOS管。这时在占空比比较小的情况下，会出现续流的同步MOS管导通不足的问题。在这种情况下，负载电流会流过MOS管的体二极管，造成较大的损耗。为解决这一问题，International Rectifier公司(IR)开发了专用芯片，用锁相环的方法在副边产生带有延时的驱动信号，以解决这一问题，并在1998年申请了美国专利(US6026005)。但由于该技术要使用专用芯片，并需要一定的外围电路，因此这种方法的应用受到一定限制。最近香港大学的谢雪飞(XIE Xuefei)等人提出了同步整流MOS管门极电荷自维持和副边电流驱动的方法。由于副边电流驱动的方法需要用到电流互感器，不适用于小型化的电源，而且在大电流输出的情况下会带来附加的损耗。门极电荷自维持的方法电路比较简单，但在驱动效果上有一定不足。由于本发明与上述方法有一定相关性，下面较为详细地描述香港大学提出的门极电荷自维持电路。
图1是香港大学提出的电荷自维持电路的基本原理。图1A是该自维持电路的电路示意图。图中，电容器C是同步整流MOS管的门极寄生电容，开关Sa是一辅助MOS管或晶体管，V1是驱动信号。图1B是其工作波形图，如图所示，在t0时刻以前，开关Sa断开，电容器C的初始电压为零，在t0时刻输入信号V1为正，正向电流通过二极管D1对电容器C充电，并达到V1的幅值；在t1时刻输入信号V1变为零，二极管D1反偏截止。储存在电容器C上的电荷将维持V2的电压不变。在t2时刻开关Sa开始导通，电容器C上的电荷通过开关Sa放电，V2的电压下降到零。从图1B的波形可以看出，在t1到t2时刻尽管驱动信号V1已经消失，同步整流MOS管仍能维持导通。
图2A和图2B分别是带有香港大学提出的电荷自维持电路的正激直流到直流变换器的具体电路和工作波形图。图2中，S是正激变换器的主开关，S1和S2是同步整流MOS管，Sa为辅助MOS管，它与二极管D1一起用来实现同步整流MOS管S2门极驱动的电荷自维持功能。如图2B，具体工作过程如下：
在t0到t1时刻，主开关S导通，副边电压正向加在同步整流MOS管S1和辅助MOS管Sa上使之导通，辅助MOS管Sa导通使同步整流MOS管S2门极短路，MOS管S2截止，输出电流流经MOS管S1。
在t1时刻，主开关S关断，励磁电流流向磁复位电路MR。同步整流MOS管S1、辅助MOS管Sa因门极反偏而截止，而变压器T的副边电压反向通过二极管D1对MOS管S2门极充电使其导通，这样输出电流由MOS管S1转向MOS管S2流通。
在t2时刻，变压器T复位过程结束，副边电压变为零，辅助MOS管Sa仍处截止状态。由于二极管D1反偏，MOS管S2门极电荷维持不变，MOS管S2继续导通。
在t0’时刻，变压器T副边电压变为正，辅助MOS管Sa导通使MOS管S2门极电容放电，并使MOS管S2截止，MOS管S1因副边正向电压而导通，新的开关周期开始，重复上述过程。
上述电路的主要问题在同步整流MOS管S2的关断过程。当变压器T副边电压上正下负的时候，MOS管S1和辅助MOS管Sa同时导通，MOS管S2的关断要等到其门极电压被辅助MOS管Sa放电至开通阈值电压以下，即MOS管S2的关断要滞后MOS管S1的开通，MOS管S1和S2有一个共态导通的时间，造成导通损耗增加。另外MOS管S2截止时，门极通过辅助MOS管Sa至零电位，而同步整流MOS管的门极导通电压一般比较低(2～3V)，所以容易受到外界干扰，也会造成共态导通的问题。
因此，本发明的目的在于提供一种带有电荷自维持电路的同步整流电路，能够克服上述的同步整流管同时导通的缺点，并且在电路结构上更加简单。
根据本发明的上述目的，本发明提供的同步整流电路包含：
由原边绕组和副边绕组组成的变压器，用于对输入电压进行变压；
一对同步整流MOS管，用于对变压器的输出进行整流；
其中，一个所述同步整流MOS管(S1)的源极与另一所述同步整流MOS管(S2)的源极相连；另一个所述同步整流MOS管(S2)的漏极与所述变压器的副边绕组相连；
其特征在于，还包括一个辅助MOS管，所述辅助MOS管的门极与所述一对同步整流MOS管之一的同步整流MOS管(S1)的门极连接，并连接到所述副边绕组的正同名端，所述辅助MOS管的源极与所述一对同步整流MOS管之一的同步整流MOS管(S1)的漏极连接，并连接到所述副边绕组的负同名端，所述辅助MOS管的漏极与所述一对同步整流MOS管之另一的同步整流MOS管(S2)的门极连接。
在本发明提供的另一个实施例中，本发明的同步整流电路包含：
由原边绕组、副边绕组和驱动绕组组成的变压器，用于对输入电压进行变压，所述驱动绕组的正同名端与所述原边绕组的正同名端具有相同的极性，且具有一个抽头；
一对同步整流MOS管，用于对变压器的输出进行整流；
其中，一个所述同步整流MOS管(S1)的门极与所述驱动绕组正同名端相连；一个所述同步整流MOS管(S1)的漏极与所述副边绕组的负同名端相连；另一个所述同步整流MOS管(S2)的漏极与所述副边绕组的正同名端相连；另一个所述同步整流MOS管(S2)的源极与所述驱动绕组的中间抽头相连；
其特征在于，所述同步整流电路还包括一个辅助MOS管，所述辅助MOS管的门极与所述一对同步整流MOS管之一的同步整流MOS管(S1)的门极连接，并连接到所述驱动绕组的正同名端，所述辅助MOS管的源极与所述一对同步整流MOS管之一的同步整流MOS管(S1)的漏极连接，并连接到所述驱动绕组的负同名端，所述辅助MOS管的漏极与所述一对同步整流MOS管之另一的同步整流MOS管(S2)的门极连接。
本发明的其它目的、效果和优点通过下面对较佳实施例的描述将变得更为明显，附图中：
图1是香港大学提出的电荷自维持电路的基本原理，其中，图1A是该自维持电路的电路示意图，图1B是其工作波形图；
图2A和图2B分别是带有香港大学提出的电荷自维持电路的正激直流到直流变换器的具体电路和工作波形图；
图3示出了本发明的同步整流电路中包含的电荷自维持电路的基本原理；其中图3A是该电荷自维持电路的电路示意图，图3B是其工作波形图；
图4示出了包含有本发明的同步整流电路的正激变换器的电路图，其中，图4A是包含有本发明的同步整流电路的正激变换器的电路结构图；图4B是本发明的同步整流电路的工作波形图；
图5示出了包含有本发明的同步整流电路的另一个实施例的正激变换器的电路图；
图6示出了本发明的同步整流电路的一个特例；
图7示出了在图6所示的特例上的改进；
图8至图10示出了具有本发明的同步整流电路的双管正激变换器的电路结构。
图3示出了本发明的同步整流电路中包含的电荷自维持电路的基本原理。其中图3A是该电荷自维持电路的电路示意图，图3B是其工作波形图。在t0时刻以前，开关Sa断开，电容器C的初始电压为V1的低电平值；在t0时刻输入信号V1变为高电平，正向电流通过二极管D1对电容器C充电，并达到V1的高电平幅值；在t1时刻输入信号V1变为低电平，二极管D1反偏截止。储存在电容器C上的电荷将维持V2的电压不变。在t2时刻开关Sa导通，电容器C上的电荷通过开关Sa放电，V2的电压下降到V1的低电平值。如果电容器C是同步整流MOS管的门极寄生电容，Sa是一辅助MOS管或晶体管，V1是驱动信号，从图3B的波形可以看出，在t1到t2时刻尽管驱动信号已经消失，同步整流MOS管仍能维持导通。如果V1的低电平为负值，就可以加速同步MOS管的关断过程。减少或避免共态导通的问题。
下面结合图4描述本发明的同步整流电路的一个实施例。为便于描述其工作原理，图4示出了包含有本发明的同步整流电路的正激变换器的电路图。在图4中，图4A是包含有本发明的同步整流电路的正激变换器的电路结构图；图4B是本发明的同步整流电路的工作波形图。
如图4A所示，变压器T由原边绕组Tin、副边绕组Tout和驱动绕组Tdrout构成，驱动绕组Tdrout带有一个抽头。原边绕组Tin的正同名端接到电源正极，副边绕组Tout和驱动绕组Tdrout的正同名端与原边绕组Tin正同名端具有相同的极性。S1，S2是同步整流MOS管，整流MOS管S1，S2的源极(s极)彼此相连，并与驱动绕组Tdrout的抽头相连，整流MOS管S1的漏极(d极)与副边绕组Tout的负同名端相连，整流MOS管S1的门极(g极)与驱动绕组Tdrout的正同名端相连，整流MOS管S2的漏极(d极)与副边绕组Tout的正同名端相连，整流MOS管S2的门极(g极)与辅助MOS管Sa的漏极(d极)相连，辅助MOS管Sa的源极(s极)与驱动绕组Tdrout的负同名端相连，辅助MOS管Sa的门极(d极)与驱动绕组Tdrout的正同名端相连。该驱动电路的工作过程如下：
在t0到t1时刻，主开关S导通，驱动绕组Tdrout的电压正向加在整流MOS管S1和辅助MOS管Sa的门极上使之导通，辅助MOS管Sa导通使整流MOS管S2的门极接到驱动绕组Tdrout负同名端，反相电压加在整流MOS管S2门极上，整流MOS管S2处于截止状态，输出电流流经整流MOS管S1。
在t1时刻，主开关S关断，励磁电流流向磁复位电路MR。整流MOS管S1和辅助MOS管Sa的门极电压反向，整流MOS管S1和辅助MOS管Sa截止。驱动绕组Tdrout的负同名端变为正电压，并通过辅助MOS管Sa的体二极管对整流MOS管S2门极充电使其导通，这样整流MOS管S2导通，输出电流由整流MOS管S1转向整流MOS管S2。
在t2时刻，变压器T复位过程结束，驱动绕组Tdrout电压变为零，由于辅助MOS管Sa截止，并且辅助MOS管Sa的体二极管反偏，整流MOS管S2门极电荷无放电回路，电压维持不变，整流MOS管S2继续导通。
在t0’时刻，主开关S导通，驱动绕组Tdrout的电压正向加在整流MOS管S1和辅助MOS管Sa上使之导通，辅助MOS管Sa导通使驱动绕组Tdrout的负向电压加到整流MOS管S2门极使其截止，新的开关周期开始，重复上述过程。
由于有负电压加在整流MOS管S2门极，整流MOS管S2的在关断过程加快，从而减少了整流MOS管S1和S2共态导通的时间。同样由于负电压加在整流MOS管S2门极上，增加了整流MOS管S2的抗干扰能力，使驱动电路更加稳定可靠。
由于同步整流MOS管S2的关断总是存在一定的延时，整流MOS管S1和S2可能存在一定的共态导通时间。为了避免整流MOS管S1和S2共态导通带来的额外损耗，在本发明的另一个实施例中，可以在变压器T的副边绕组Tout上串入一个饱和电感器Ls，以限制共态导通带来的电流尖峰，从而降低导通损耗。具体电路结构如图5所示。
图6示出了本发明的同步整流电路的一个特例。当图4所示的同步整流电路中的变压器T的副边绕组Tout的电压与MOS管的驱动电路比较接近的情况下，可以直接用副边绕组Tout的输出驱动同步整MOS管S1和S2。这样可以省去驱动绕组Tdrout。其中，整流MOS管S1和辅助MOS管Sa的门极(g极)连接到副边组Tout的正同名端，辅助MOS管Sa的源极(s极)连接到副边绕组Tout的负同名端，其它连接不变。其工作过程与图4的电路基本类似。
与上同理，在图6所示的特例中，也可以在变压器T的副边绕组Tout上串接一个饱和电感器Ls，以限制共态导通带来的电流尖峰，如图7所示。
图4至图7的实施例是以单管正激变换器为例子来描述本发明的同步整流电路。同样，本发明的同步整流电路也可以应用于双管正激变换器。图8至图10示出了具有本发明的同步整流电路的双管正激变换器的电路结构，其中图8—图10分别与图4、5和图7相对应。
上面已具体地详细描述了本发明的各个较佳实施例，但是应当理解，上述这些并不是对本发明的范围的限制。对于本技术领域的一般人员来说，可以在不脱离本发明的精神的情况下，作出种种变化。因此，本发明的范围应由所附权利要求书来决定。
Claims (4)
1、一种同步整流电路，包含：
由原边绕组和副边绕组组成的变压器，用于对输入电压进行变压；
一对同步整流MOS管，用于对变压器的输出进行整流；
其中，一个所述同步整流MOS管(S1)的源极与另一所述同步整流MOS管(S2)的源极相连；另一个所述同步整流MOS管(S2)的漏极与所述变压器的副边绕组相连；
其特征在于，还包括一个辅助MOS管，所述辅助MOS管的门极与所述一对同步整流MOS管之一的同步整流MOS管(S1)的门极连接，并连接到所述副边绕组的正同名端，所述辅助MOS管的源极与所述一对同步整流MOS管之一的同步整流MOS管(S1)的漏极连接，并连接到所述副边绕组的负同名端，所述辅助MOS管的漏极与所述一对同步整流MOS管之另一的同步整流MOS管(S2)的门极连接。
2、如权利要求1所述的同步整流电路，其特征在于，在所述副边绕组上还串接一个饱和电感器。
3、一种同步整流电路，包含：
由原边绕组、副边绕组和驱动绕组组成的变压器，用于对输入电压进行变压，所述驱动绕组的正同名端与所述原边绕组的正同名端具有相同的极性，且具有一个抽头；
一对同步整流MOS管，用于对变压器的输出进行整流；
其中，一个所述同步整流MOS管(S1)的门极与所述驱动绕组正同名端相连；一个所述同步整流MOS管(S1)的漏极与所述副边绕组的负同名端相连；另一个所述同步整流MOS管(S2)的漏极与所述副边绕组的正同名端相连；另一个所述同步整流MOS管(S2)的源极与所述驱动绕组的中间抽头相连；
其特征在于，所述同步整流电路还包括一个辅助MOS管，所述辅助MOS管的门极与所述一对同步整流MOS管之一的同步整流MOS管(S1)的门极连接，并连接到所述驱动绕组的正同名端，所述辅助MOS管的源极与所述一对同步整流MOS管之一的同步整流MOS管(S1)的漏极连接，并连接到所述驱动绕组的负同名端，所述辅助MOS管的漏极与所述一对同步整流MOS管之另一的同步整流MOS管(S2)的门极连接。
4、如权利要求3所述的同步整流电路，其特征在于，在所述副边绕组上还串接一个饱和电感器。
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