CN116545257A - 一种开关电路的控制方法及开关电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开关电路的控制方法及开关电路，在开关电路的关机过程中通过对功率开关管和同步开关管的控制端进行控制，并结合输入电压和输出电压的大小关系对同步开关管的体二极管的指向进行控制，从而实现系统在关机过程中电感电流始终有续流回路，且不会产生电压尖峰。同时，在主电路停止工作后，其输入端与输出端完全阻断，即使发生电路故障系统也能得到及时有效的保护，可靠性好。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源领域，更具体地说，涉及一种开关电路的控制方法及开关电路。
背景技术
现有技术中的同步整流升压电路的原理图如图1所示，所述升压电路的功率级电路包括电感L1、功率开关管M1(以NMOS开关管为例)和同步开关管M2(以PMOS开关管为例)、输入电容C1和输出电容C2，电感L1两端分别接在直流输入电压VIN正极和NMOS开关管M1的漏极，NMOS开关管M1的源极接地，PMOS开关管M2的漏极接NMOS开关管M1的漏极，PMOS开关管M2的源极接输出电压VOUT正极，输出电压VOUT的负极接地，开关管M1、M2通过PWM信号控制开关状态以达到控制输出电压VOUT的目的。
然而，上述的升压电路存在以下缺点：第一，在系统上电时刻，输入电压VIN和输出电压VOUT压差比较大，输入电压VIN通过电感L1、PMOS开关管M2的体二极管向输出电容C2充电，较大的输入电压会形成冲击电流，对电路元件可能造成损伤，降低了系统可靠性；第二，电路在工作过程中只能控制输出电压VOUT高于输入电压VIN；第三，当系统停止工作时，由于PMOS开关管M2的体二极管的存在，使得输入端到输出端的低阻抗回路无法完全切断。如果发生故障(例如输出短路)，将导致电流不受控，威胁到系统安全。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种开关电路的控制方法及开关电路，通过设置同步开关管的体二极管的连接方式以及控制同步开关管的开通电压，可以解决上述现有技术中的开关电路存在的问题。
依据本发明的开关电路的控制方法，所述开关电路包括电感、功率开关管和同步开关管，所述电感连接在所述开关电路的输入电压和所述功率开关管与同步开关管的公共连接点之间，所述开关电路的关机过程包括步骤：
控制功率开关管的控制端接地；
关机时刻时输出电压高于输入电压，控制同步开关管的控制端接地，待电感电流降至零时若输出电压大于输入电压则控制同步开关管的控制端连接输出电压，并控制同步开关管的体二极管悬空或控制同步开关管的体二极管的方向从公共连接点指向输出端，或者待电感电流降至零时若输出电压小于输入电压则控制同步开关管的体二极管悬空或控制同步开关管的体二极管的方向从输出端指向公共连接点指向；
关机时刻输出电压低于输入电压，控制同步开关管的控制端连接输入电压。
进一步的，当控制同步开关管的栅极接直流输入电压，同步开关管工作在饱和状态，直至电感电流下降到零后，同步开关管关断。
一种开关电路，包括电感、功率开关管和同步开关管，所述电感连接在所述开关电路的输入电压和所述功率开关管与同步开关管的公共连接点之间，其特征在于，所述同步开关管的体二极管包括第一二极管和第二二极管，第一二极管和第二二极管的阴极连接，所述第一二极管的阳极连接所述输出端，所述第二二极管的阳极连接所述功率开关管和同步开关管的公共连接点，所述开关电路的关机过程包括：
控制功率开关管的控制端接地；
关机时刻时输出电压高于输入电压，控制同步开关管的控制端接地，待电感电流降至零时若输出电压大于输入电压则控制同步开关管的控制端连接输出电压，并控制同步开关管的体二极管悬空或控制同步开关管的体二极管的方向从公共连接点指向输出端，或者待电感电流降至零时若输出电压小于输入电压则控制同步开关管的体二极管悬空或控制同步开关管的体二极管的方向从输出端指向公共连接点指向；
关机时刻输出电压低于输入电压，控制同步开关管的控制端连接输入电压。
进一步的，当控制同步开关管的栅极接直流输入电压，同步开关管工作在饱和状态，直至电感电流下降到零后，同步开关管关断。
进一步的，所述开关电路进一步包括第一开关管，所述第一开关管并联在所述第一二极管的两端。
进一步的，所述开关电路进一步包括第二开关管，所述第二开关管并联在所述第二二极管的两端。
进一步的，所述开关电路进一步包括第三开关管和第四开关管，所述第三开关管并联在所述第一二极管的两端，所述第四开关管并联在所述第二二极管的两端。
综上所述，依据本发明的一种开关电路的控制方法及开关电路，在开关电路的关机过程中通过对功率开关管和同步开关管的控制端进行控制，并结合输入电压和输出电压的大小关系对同步开关管的体二极管的指向进行控制，从而实现系统在关机过程中电感电流始终有续流回路，且不会产生电压尖峰。同时，在主电路停止工作后，其输入端与输出端完全阻断，即使发生电路故障系统也能得到及时有效的保护，可靠性好。
附图说明
图1所示为现有技术中的同步整流的开关电路的原理图；
图2a所示为现有技术中的减小冲击电流的开关电路第一种实现方式；
图2b所示为现有技术中的减小冲击电流的开关电路第二种实现方式；
图2c所示为现有技术中的减小冲击电流的开关电路第三种实现方式；
图3a所示为现有技术中的输入输出阻断的开关电路第一种实现方式；
图3b所示为现有技术中的输入输出阻断的开关电路第二种实现方式；
图4a所示为依据本发明的开关电路的第一种实现方式；
图4b所示为依据本发明的开关电路的第二种实现方式；
图4c所示为依据本发明的开关电路的第三种实现方式；
图4d所示为依据本发明的开关电路的第四种实现方式；
图5a所示为依据本发明的开关电路工作过程中第一种电路控制图；
图5b所示为依据本发明的开关电路工作过程中第二种电路控制图；
图6所示为依据本发明的开关电路的关机工作原理图；
图7a所示为依据本发明的开关电路的启动过程的控制方法的流程图；
图7b所示为依据本发明的开关电路的关机过程的控制方法的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明的一些优选实施例，但本发明不限于此。
正如背景技术中所示，传统的升压电路由于存在启动冲击电流的问题，为了减小启动冲击电流对电路元件造成损伤，现有技术中有以下几种解决措施：
1)：在升压电路的输入端VIN和输出端VOUT连接旁路二极管D1，如图2a所示，输入电压VIN上电时，冲击电流大部分可以通过旁路二极管D1向输出电容C2充电，从而减小对主电路中元器件的损坏。
2)：在系统启动时段增加限流电阻，如图2b所示，限流电阻R1串联在输入端VIN和电感L之间，延时开关MDELAY与限流电阻R1并联。输入电压VIN上电时刻，延时开关MDELAY处于关断状态，限流电阻R1串联在主功率回路，输入电压VIN通过限流电阻R1向输出电容C2充电。延时一段时间后，控制延时开关MDELAY导通，限流电阻R1被短路而不再起作用，以此减小对主电路中元器件的损坏。
3)：增加限流控制回路，如图2c所示，在系统启动阶段，电流与电压检测单元检测同步整流管M2的压降和电流，通过环路控制功率开关管M1栅极电压达到控制M1电流的目的。当功率开关管M1压降较大时，以较小的恒定电流对输出电容C2充电；随着输出电压上升，功率开关管M1压降下降到一定阈值后，切换为较大的输出电流，直到输出电压VOUT超过输入电压VIN，再转为正常的升压工作模式。
但是，上述的三种方式均存在不足之处：在升压电路输入端和输出端之间增加旁路二极管的方式并不能减小启动冲击电流，只是让旁路二极管分流大部分冲击电流，因此需要选择额定电流比较大的二极管，这就导致了系统成本的增加。通过增加限流电阻和延时开关的方式也同样存在系统成本增加的问题，并且在启动过程结束后，延时开关一直串联在主功率回路，这必将导致系统的效率损失。增加限流控制电路的方案可以解决启动冲击问题，但是需要增加反馈控制环路，系统复杂，且输出只能带较轻载启动。
为了解决传统的升压电路为了实现输出与输入完全阻断，现有技术通常采用以下几种措施：
1)在输入端VIN或者输出端VOUT串接一个开关管MSCP，如图3a或3b所示中开关管MSCP所示，当需要控制升压电路停止工作则将开关管MSCP关断，由于MSCP体二极管与升压电路同步开关管的体二极管方向相反，因此可以实现电路输入与输出完全关断；
2)在电路输入或者输出端串接自恢复保险丝F1，当系统发生故障使流过自恢复保险丝电流增大发热使保险丝切断，起到保护作用，如图3a或3b所示中F1所示；
但是，上述方案也存在不足：由于需要增加额外的开关管或自恢复保险丝，系统的成本较高；或者是由于开关管或自恢复保险丝在电路正常工作状态下需要一直串联在主功率回路，导致了系统的效率较低；另外由于自恢复保险丝是通过热效应原理来保护电路，因此保护速度比较慢而且不容易做到精准的控制，降低了系统的可靠性。
因此，发明人在上述研究的基础上，提出了一种开关电路，如图4a、图4b、图4c和图4d所示为依据本发明的一种开关电路的第一实施例的电路图，如图4a、图4b、图4c和图4d所示，所述开关电路包括电感L1、功率开关管M1(以NMOS开关管为例)和同步开关管M2(以PMOS开关管为例)，所述电感L1连接在所述开关电路的直流输入电压VIN的正极和所述功率开关管M1和同步开关管M2的公共连接点SW，所述功率开关管M1的另一端接所述输入电压VIN的负极，所述同步开关管的另一端接所述开关电路的输出电压VOUT的正极，所述输出电压VOUT的负极接地。输入电容CIN并联在所述直流输入电压的两端，输出电容COUT并联在所述输出电压的两端。
如图4a中所示，所述同步开关管的体二极管包括第一二极管D1和第二二极管D2，第一二极管D1和第二二极管D2的阴极连接，所述第一二极管D1的阳极连接所述输出端，所述第二二极管D2的阳极连接所述功率开关管和同步开关管的公共连接点SW。所述同步开关管的体二极管连接点记为B极，在本实施例中，所述同步开关管的衬底的B极悬空。
根据图4a的电路结构，当所述开关电路启动时，输出电压VOUT为零，输出电压VOUT小于输入电压VIN，此时可以将所述同步开关管的体二极管B极悬空，同步开关管M2控制端即栅极G接到直流输入电压VIN，功率开关管M1的控制端即栅极接收PWM控制信号，如图5a所示中所示的功率开关管和同步开关管的栅极连接方式。功率开关管M1的栅源电压大于其导通电压，功率开关管M1导通时，公共连接点SW的电压被拉低到零。此时，显然输出电压VOUT小于直流输入电压VIN，同步开关管M2栅极相对于源极和漏极而言电位最高，因此，同步开关管M2关断，电感L1电流上升，功率开关管M1导通一定时间或者当电感电流上升到设定基准时，功率开关管M1关断；当功率开关管M1关断时，由于电感电流方向从输入端到公共连接点SW，因此公共连接点SW的电压升高，当公共连接点SW电压上升到使同步开关管M2的栅源电压VGS低于其开启电压VTH时，即VGS<VTH，其中VTH为同步开关管M2的开启电压，同步开关管M2导通，容易理解，由于同步开关管M2为PMOS开关管，所以电压VGS和电压VTH均为负电压，然后输出电压VOUT开始上升，为了维持同步开关管M2导通状态，公共连接点SW电压至少应该比直流输入电压VIN电压高出开启电压VTH的大小。而此时由于输出电压VOUT仍然小于输入电压VIN，因此可以知道同步开关管M2工作在饱和状态，同步开关管M2压降约为VIN+VTH+VDSAT-VOUT，其中，VDSAT为同步开关管M2的饱和电压，电感电流下降，当电感电流下降到设定基准值时，控制功率开关管M1导通，然后再次重复上述过程。
之后，当输出电压VOUT上升到等于或大于输入电压时，同步开关管M2的体二极管的B极悬空，功率开关管M1和同步开关管M2的控制端均接收所述PWM控制信号，功率开关管和同步开关管的栅极连接方式如图5b所示。功率开关管M1和同步开关管M2交替通断，电路进入常规升压工作模式。
由上述的启动工作模式可以知道，本发明的开关电路在启动时可以使输出电压VOUT从零开始上升，并且启动过程中的电流是受控的，对电路不会产生冲击，不会损坏电路中的元器件。依据上述的电路结构，本发明实施例采用PWM控制的方式，无需额外增加反馈环路，实现起来简单可靠，并且可实现输出端可带满载启动。
参考图4b为依据本发明的一种开关电路的第二实施例的电路图，本实施例是在图4a的实施例上增加了第一开关管S1，所述第一开关管S1并联在所述第一二极管D1的两端。同理地，在电路启动过程中，输出电压VOUT小于输入电压VIN，此时控制第一开关管S1断开；当输出电压VOUT大于输入电压VIN时，继续控制第一开关管S1断开，图4b中所示实施例的功率开关管和同步开关管的控制端的连接方式与图4a中均是相同的，在启动过程中的，本实施例的工作过程与图4a也是相同的，在此不再赘述。相对于图4a而言，在第一二极管D1的两端并联第一开关管，可以提高系统效率，减小闩锁效应发生的可能性。
参考图4c为依据本发明的一种开关电路的第三实施例的电路图，本实施例是在图4a的实施例上增加了第二开关管S2，所述第二开关管S2并联在所述第二二极管D2的两端。同理地，在电路启动过程中，输出电压VOUT小于输入电压VIN，此时控制第二开关管S2闭合；当输出电压VOUT大于输入电压VIN时，控制第二开关管S2断开，图4c中所示实施例的功率开关管和同步开关管的控制端的连接方式与图4a中均是相同的，在启动过程中的，本实施例的工作过程与图4a也是相同的，在此不再赘述。
图4d为依据本发明的一种开关电路的第四实施例的电路图，本实施例是在图4a的实施例上增加了第三开关管S3和第四开关管S4，所述第三开关管S3并联在所述第一二极管D1的两端，所述第四开关管S4并联在所述第二二极管D2的两端。同理地，在电路启动过程中，输出电压VOUT小于输入电压VIN，此时控制第三开关管S3断开，控制第四开关管S4闭合；当输出电压VOUT大于输入电压VIN时，控制第三开关管S3闭合，控制第四开关管S4断开，图4d中所示实施例的功率开关管和同步开关管的控制端的连接方式与图4a中均是相同的，在启动过程中的，本实施例的工作过程与图4a也是相同的，在此不再赘述。
图5a所示为输出电压VOUT小于输入电压VIN时功率开关管M1和同步开关管M2的控制端的连接方式以及同步开关管M2的体二极管的控制方式，其中虚线表示输出电压VOUT<输入电压VIN时同步开关管M2体二极管并联的开关管是可选的；图5b所示为输出电压VOUT大于输入电压VIN时功率开关管M1和同步开关管M2的控制端的连接方式以及同步开关管M2的体二极管的控制方式，虚线表示输出电压VOUT≥输入电压VIN情况下的同步开关管M2体二极管并联的开关管是可选的。根据图5a和5b的实施例可以看出，当输出电压小于输入电压时，所述同步开关管的体二极管的方向为从输出端指向所述功率开关管和同步开关管的公共连接点；当输出电压等于大于输入电压时，所述同步开关管的体二极管的方向为从所述功率开关管和同步开关管的公共连接点指向输出端。通过本发明实施例的对同步开关管的体二极管的指向控制，可以实现开关电路在启动时可以使输出电压VOUT从零开始上升，并且启动过程中的电流是受控的，对电路不会产生冲击，不会损坏电路中的元器件。
上述在依据本发明的开关电路在启动过程中的工作过程，在电路的正常工作过程中，如需控制输出电压VOUT高于输入电压VIN，则电路工作在传统的升压模式，如图5b所示，如需控制输出电压VOUT低于输入电压VIN，则电路工作模式与图5a相似。因此本发明的开关电路既可以使电路工作在输出电压高于输入电压的状态，也可以使电路工作在输出电压低于输入电压的状态。
最后，在开关电路需要进入停止工作状态时，则首先控制功率开关管M1的控制端即栅极接地，然后，当关机时刻输出电压VOUT高于输入电压VIN，则先将同步开关管M2的栅极接地，电感电流通过同步开关管M2续流，电感电流下降，当电感电流下降到零后，此时，如果输出电压VOUT>直流输入电压VIN，则将同步开关管M2的栅极接到输出电压VOUT，同步开关管M2体二极管B极的连接方式与图5b相似；当电感电流下降到零时，如果输出电压VOUT<直流输入电压VIN，则将同步开关管M2的栅极接到输入电压VIN，同步开关管M2体二极管B极连接与图5a相似。
如果在关机时刻，开关电路的输出电压VOUT低于输入电压VIN，则将同步开关管M2的栅极接直流输入电压VIN，同步开关管M2工作在饱和状态，电感电流下降到零后，同步开关管M2关断。
开关电路的关机工作原理如图6所示，其中虚线部分表示上述输出电压VOUT<输入电压VIN和输出电压VOUT≥输入电压VIN两种情况下的同步开关管M2体二极管并联的开关管是可选的，MAX表示选择电感电流下降到零后选择输出电压VOUT和直流输入电压VIN之间的较大值作为同步开关管M2的栅极信号。由上述关机控制电路过程描述可知，若关机时刻的电感电流方向从输入端到公共连接点SW，则电感电流将通过同步开关管M2向输出电压VOUT续流，当电感电流下降到零，同步开关管M2完全关断，主电路停止工作；若关机时刻电感电流方向由公共连接点SW到输入端，则电感电流通过功率开关管M1的体二极管进行续流，使电感电流下降到零，主电路停止工作。因此依照本发明开关电路的控制方法及开关电路可以使系统在关机过程中，电感电流始终有续流回路，而且不会产生电压尖峰，主电路停止工作后，其输入端与输出端完全阻断。即使发生电路故障，如输出短路或过载，由于电路输入与输出完全阻断，因此系统可以得到及时有效保护，可靠性好。
参考图7a为依据本发明的开关电路的启动过程的控制方法，包括步骤：在所述开关电路启动阶段，当输出电压小于输入电压时，则将所述同步开关管的体二极管悬空或是控制所述同步开关管的体二极管的方向为从输出端指向所述功率开关管和同步开关管的公共连接点，所述功率开关管的控制端接收PWM控制信号，所述同步开关管的控制端接收所述输入电压信号；
当输出电压等于大于输入电压时，则将所述同步开关管的体二极管悬空或是控制所述同步开关管的体二极管的方向为从所述功率开关管和同步开关管的公共连接点指向输出端，所述功率开关管的控制端和所述同步开关管的控制端均接收所述PWM控制信号。
参考图7b为依据本发明的开关电路的关机过程的控制方法，包括步骤：当所述开关电路停止工作时，
控制所述功率开关管的控制端接地；
如此时输出电压大于输入电压，则控制所述同步开关管的控制端接收输出电压信号，并控制所述同步开关管的体二极管悬空或是控制所述同步开关管的体二极管的方向为从所述功率开关管和同步开关管的公共连接点指向输出端，
如此时输出电压小于输入电压，则控制所述同步开关管的控制端接收输入电压信号，并控制所述同步开关管的体二极管悬空或是控制所述同步开关管的体二极管的方向为从输出端指向所述功率开关管和同步开关管的公共连接点。
以上对依据本发明的优选实施例的开关电路的控制方法及开关电路进行了详尽描述，但关于该专利的电路和有益效果不应该被认为仅仅局限于上述所述的，公开的实施例和附图可以更好的理解本发明，因此，上述公开的实施例及说明书附图内容是为了更好的理解本发明，本发明保护并不限于限定本公开的范围，本领域普通技术人员对本发明实施例的替换、修改均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种开关电路的控制方法，所述开关电路包括电感、功率开关管和同步开关管，所述电感连接在所述开关电路的输入电压和所述功率开关管与所述同步开关管的公共连接点之间，其特征在于，所述开关电路的关机过程包括步骤：
控制功率开关管的控制端接地；
关机时刻时输出电压高于输入电压，控制同步开关管的控制端接地，待电感电流降至零时若输出电压大于输入电压则控制同步开关管的控制端连接输出电压，并控制同步开关管的体二极管悬空或控制同步开关管的体二极管的方向从公共连接点指向输出端，或者待电感电流降至零时若输出电压小于输入电压则控制同步开关管的体二极管悬空或控制同步开关管的体二极管的方向从输出端指向公共连接点指向；
关机时刻输出电压低于输入电压，控制同步开关管的控制端连接输入电压。
2.如权利要求1所述的一种开关电路控制方法，其特征在于，当控制同步开关管的栅极接直流输入电压，同步开关管工作在饱和状态，直至电感电流下降到零后，同步开关管关断。
3.一种开关电路，包括电感、功率开关管和同步开关管，所述电感连接在所述开关电路的输入电压和所述功率开关管与同步开关管的公共连接点之间，其特征在于，所述同步开关管的体二极管包括第一二极管和第二二极管，第一二极管和第二二极管的阴极连接，所述第一二极管的阳极连接所述输出端，所述第二二极管的阳极连接所述功率开关管和同步开关管的公共连接点，其特征在于，所述开关电路的关机过程包括：
控制功率开关管的控制端接地；
关机时刻时输出电压高于输入电压，控制同步开关管的控制端接地，待电感电流降至零时若输出电压大于输入电压则控制同步开关管的控制端连接输出电压，并控制同步开关管的体二极管悬空或控制同步开关管的体二极管的方向从公共连接点指向输出端，或者待电感电流降至零时若输出电压小于输入电压则控制同步开关管的体二极管悬空或控制同步开关管的体二极管的方向从输出端指向公共连接点指向；
关机时刻输出电压低于输入电压，控制同步开关管的控制端连接输入电压。
4.如权利要求3所述的开关电路，其特征在于，当控制同步开关管的栅极接直流输入电压，同步开关管工作在饱和状态，直至电感电流下降到零后，同步开关管关断。
5.如权利要求3所述的开关电路，其特征在于，所述开关电路进一步包括第一开关管，所述第一开关管并联在所述第一二极管的两端。
6.如权利要求3所述的开关电路，其特征在于，所述开关电路进一步包括第二开关管，所述第二开关管并联在所述第二二极管的两端。
7.如权利要求3所述的开关电路，其特征在于，所述开关电路进一步包括第三开关管和第四开关管，所述第三开关管并联在所述第一二极管的两端，所述第四开关管并联在所述第二二极管的两端。
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