CN117318448B - 一种隔离驱动放大电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隔离驱动放大电路，包括隔离变压器、整流储能滤波电路、差分滞环电路和驱动放大电路，隔离变压器的副边绕组同名端连接所述整流储能滤波电路第一输入端、差分滞环电路第一输入端，异名端连接整流储能滤波电路第二输入端、差分滞环电路第二输入端；整流储能滤波电路第一输出端分别连接差分滞环电路的第三输入端、驱动放大电路第二输入端；差分滞环电路第一输出端与驱动放大电路第一输入端连接；驱动放大电路第一输出端与功率开关器件连接，驱动放大电路第二输出端接地。本发明能将原边信号和电压同时传递副边，还能隔离驱动，采用的差分滞环电路抗干扰信号的能力强，具有输出滞环锁定功能。

Description

一种隔离驱动放大电路
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，具体涉及一种隔离驱动放大电路。
背景技术
开关电源相对于线性电源具有体积小、效率高、功率大等特点，被广泛应用在汽车、光伏、工控、医疗及手持设备等领域，随着技术的不断迭代，开关电源正向着高频化高功率小体积的方向发展，MOSFET绝缘双极性品体管IGBT等在较高的频率下具有优越的性能，因而被用于开关电源中作为功率级的功率于关器件，众所周知，每一个功率开关器件都需要一个驱动电路，开关电源在不同的应用中有着不同的拓扑架构，功率开关管在不同拓扑架构中的位置决定了驱动的方式，目前关于功率开关器件的驱动有两种方式，一种是非隔离直驱，另外一种是隔离的浮地驱动。
现有的隔离驱动有三种：自举驱动、变压器隔离驱动、驱动电源并用驱动器。其中，自举驱动是应用于桥式拓扑最理想的驱动方案，但受限于自身的隔离耐压，只能应用于常规的场合，超过1KV的应用或者非桥式拓扑则无法直接使用，有一定的局限性。驱动电源并用驱动器的方案成本高、体积大，适用于大功率驱动且相对体积和成本不敏感的场合。变压器隔离驱动器是全场景适用且成本体积较折中的一种方案，传统的变压器隔离驱动采用不对称半桥架构，原副边均放置有电容由于在传递占空比信号的时候，变压器始终处励磁和去磁状态，所以必须加大感量以减小励磁电流，从而降低损耗，带来的弊端是体积偏大，另外，当传输的上空比过大或者发生突变时，副边电容电压不能突变导致输出端会出现持续高电平损坏功率开关管的问题，解决这个问题需要增加副边电容放电电路，进一步增加了成本和体积。
因此，为了能达到隔离驱动的目的具有保持功率开关管持续导通的敞开功能以及关断时提供可靠的零电压或者负电压钳位功能，亟需研究一种新的驱动隔离放大电路。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种隔离驱动放大电路，以解决现有隔离驱动电路中存在的稳定性差、功耗大、体积大的问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：
一种隔离驱动放大电路，包括隔离变压器、整流储能滤波电路、差分滞环电路和驱动放大电路，其中：
所述隔离变压器的副边绕组的同名端分别连接所述整流储能滤波电路的第一输入端、差分滞环电路的第一输入端，所述隔离变压器的副边绕组的异名端分别连接所述整流储能滤波电路的第二输入端、差分滞环电路的第二输入端；
所述整流储能滤波电路的第一输出端分别连接差分滞环电路的第三输入端、驱动放大电路的第二输入端；所述整流储能滤波电路的第二输出端接地；
所述差分滞环电路的第一输出端与驱动放大电路的第一输入端连接；差分滞环电路的第二输出端接地；
所述驱动放大电路的第一输出端与功率开关器件连接，驱动放大电路的第二输出端接地。
进一步的，所述的整流储能滤波电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、稳压二极管D7和滤波电容C1；其中，二极管D1阳极连接二极管D3阴极，且该连接点作为整流储能滤波电路的第一输入端与隔离变压器的副边绕组的同名端连接；二极管D2阳极连接二极管D4阴极，且该连接点作为整流储能滤波电路的第二输入端，与隔离变压器的副边绕组的异名端连接；二极管D1阴极、二极管D2阴极、滤波电容C1一端、稳压二极管D7阴极共同连接，且该共同连接点作为整流储能滤波电路的第一输出端分别与差分滞环电路和驱动放大电路连接；二极管D3阳极、二极管D4阳极、滤波电容C1另一端、稳压二极管D7阳极共同连接，且该连接点作为整流储能滤波电路的第二输出端接地。
进一步的，所述的差分滞环电路，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C2、电容C3、比较器U1、二极管D5、二极管D6、MOS管Q1和MOS管Q2；其中，电阻R1一端作为差分滞环电路的第一输入端与隔离变压器的副边绕组的同名端连接；电阻R2一端作为差分滞环电路的第二输入端与隔离变压器的副边绕组的异名端连接；电阻R1另一端、电阻R3一端、二极管D5阳极、电容C2一端、比较器U1的同相输入端1脚共同连接；电阻R2另一端、电阻R4一端、电容C2另一端、二极管D6阴极、电阻R5一端、比较器U1的反相输入端3脚共同连接；电阻R3另一端、比较器U1的输出端4脚、电阻R6一端、电阻R7一端、电阻R8一端共同连接，且该共同连接点作为差分滞环电路的第一输出端与驱动放大电路连接；电阻R4另一端与MOS管Q1的漏极连接；电阻R5另一端与MOS管Q2的漏极连接；MOS管Q1的源极接地，MOS管Q1、MOS管Q2的栅极分别与电阻R7另一端和R8另一端相连接；二极管D5阴极、二极管D6阴极、电容C3一端、比较器U1的2脚、MOS管Q2的源极、R6的另外一端共同作为差分滞环电路的第三输入端与整流储能滤波电路的第一输出端连接。
进一步的，所述的驱动放大电路的第一输入端连接差分滞环电路的第一输出端，驱动放大电路的第二输入端连接整流储能滤波电路的第一输出端；驱动放大电路的第一输出端连接驱动功率开关器件，驱动放大电路的第二输出端接地。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
（1）本发明通过变压器副边电路信号和能量的同时传递，将交流脉冲信号通过隔离变压器传输输出的信号进行滤波，解决了交流脉冲信号通过变压器进行信号传输的震荡问题，能达到隔离驱动的目的，且可以提高输出驱动电压的幅值和工作频率，降低整个电路的损耗。
（2）整流储能滤波电路储存的能量用于为差分滞环电路和驱动放大电路供电和储能，差分滞环电路对输入隔离变压器的信号进行差分采样比较和滞环锁定，并输出至驱动放大电路作为驱动放大电路的输入信号，差分滞环电路解决了隔离变压器由于寄生参数的存在导致传输信号的不稳定或者抖动产生的影响，能够提高输出的脉冲信号的稳定性，元器件少，进一步降低了产品的成本及减小产品的体积。
（3）现有技术可以解决固定输入电压，在较窄的工作频率范围（一般都是几KHz-几百KHz之间）内经过隔离驱动电路实现驱动的放大，而本发明可在宽频率范围内（该频率没有下限，上限可到几MHz的工作频率）实现隔离驱动的放大，可实现长开和长闭功能。
附图说明
图1为本发明的隔离驱动放大电路的原理图；
图2为本发明的实施例的结构图；
图3为本发明的关键点位的波形。
以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。
具体实施方式
如图1所示，本发明给出的隔离驱动放大电路包括隔离变压器1、整流储能滤波电路2、差分滞环电路3和驱动放大电路4，其中：
隔离变压器1的副边绕组的同名端分别连接所述整流储能滤波电路2的第一输入端、差分滞环电路3的第一输入端，所述隔离变压器1的副边绕组的异名端分别连接所述整流储能滤波电路2的第二输入端、差分滞环电路3的第二输入端；
整流储能滤波电路2的第一输出端分别连接差分滞环电路3的第三输入端、驱动放大电路4的第二输入端；所述整流储能滤波电路2的第二输出端接地；
差分滞环电路3的第一输出端与驱动放大电路4的第一输入端连接；差分滞环电路3的第二输出端接地；
驱动放大电路4的第一输出端与功率开关器件5连接，功率开关器件5为本发明的隔离驱动放大电路所应用的对象；驱动放大电路4的第二输出端接地。
上述技术方案中，各部分的作用如下：
所述隔离变压器1用于将外部的交流脉冲信号以隔离的形式从原边传输到副边；
所述整流储能滤波电路2用于将隔离变压器1输出的交流脉冲信号整流和储能生成稳定的直流电压，为差分滞环电路3和驱动放大电路4提供稳定的直流供电；
差分滞环电路3用于采样隔离变压器1副边的信号进行比较，输出高低电平信号，并保持输出信号的稳定，只有当输入的脉冲信号发生反转时输出的高低电平信号才发生改变，并为驱动放大电路4提供输入信号，当驱动放大电路4的输出为高电平信号时通过回滞电阻将驱动放大电路的输入信号锁定为高电平信号。
驱动放大电路4用于将差分滞环电路3输出电压幅值高于自身开通阈值时并将输入信号进行驱动能力的放大，产生输出电压用于驱动功率开关器件5。
如图2所示，所述的整流储能滤波电路2包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、稳压二极管D7和滤波电容C1；其中，二极管D1阳极连接二极管D3阴极，且该连接点作为整流储能滤波电路2的第一输入端与隔离变压器1的副边绕组的同名端（A公共端）连接；二极管D2阳极连接二极管D4阴极，且该连接点作为整流储能滤波电路2的第二输入端，与隔离变压器1的副边绕组的异名端（B公共端）连接；二极管D1阴极、二极管D2阴极、滤波电容C1一端、稳压二极管D7阴极共同连接，且该共同连接点作为整流储能滤波电路2的第一输出端（VDD）分别与差分滞环电路3和驱动放大电路4连接，并为差分滞环电路3和驱动放大电路4提供稳定的直流供电；二极管D3阳极、二极管D4阳极连接、滤波电容C1另一端、稳压二极管D7阳极共同连接，且该连接点作为整流储能滤波电路2的第二输出端接地。
所述的差分滞环电路3，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C2、电容C3、比较器U1、二极管D5、二极管D6、MOS管Q1和MOS管Q2；其中，电阻R1一端作为差分滞环电路3的第一输入端与隔离变压器1的副边绕组的同名端（A公共端）连接；电阻R2一端作为差分滞环电路3的第二输入端与隔离变压器1的副边绕组的异名端（B公共端）连接；电阻R1另一端、电阻R3一端、二极管D5阳极、电容C2一端、比较器U1的同相输入端1脚共同连接；电阻R2另一端、电阻R4一端、电容C2另一端、二极管D6阴极、电阻R5一端、比较器U1的反相输入端3脚共同连接；电阻R3另一端、比较器U1的输出端4脚、电阻R6一端、电阻R7一端、电阻R8一端共同连接，且该共同连接点作为差分滞环电路3的第一输出端与驱动放大电路4连接；电阻R4另一端与MOS管Q1的漏极连接；电阻R5另一端与MOS管Q2的漏极连接；MOS管Q1的源极接地，MOS管Q1、MOS管Q2的栅极分别与电阻R7另一端和R8另一端相连接；二极管D5阴极、二极管D6阴极、电容C3一端、比较器U1的2脚、MOS管Q2的源极、R6的另外一端共同作为差分滞环电路3的第三输入端与整流储能滤波电路2的第一输出端（VDD）连接。
所述的驱动放大电路4，可采用常规的驱动放大电路；驱动放大电路4的第一输入端连接连接差分滞环电路3的第一输出端，驱动放大电路4的第二输入端连接整流储能滤波电路2的第一输出端（VDD）；驱动放大电路4的第一输出端的供电电压是VDD，第一输出端连接驱动功率开关器件，驱动放大电路4的第二输出端接地。
所述差分滞环电路3中，MOS管Q1采用P沟道MOS管、PNP三极管、NPN三极管、集成NMOS、集成PMOS、集成PNP和集成NPN的器件中的一种；MOS管Q2采用N沟道MOS管、PNP三极管、NPN三极管、集成NMOS、集成PMOS、集成PNP和集成NPN的器件中的一种。
电阻使用时可根据实际情况在某个范围内进行选择，比如电阻R1和R2的阻值为3k-10k；滤波电容C1的容值取值可在102（1nF）-106（10uF），阻值电阻R3、电阻R4与电阻R5的阻值相等，电阻R6阻值可为几百Ω-几k，R7和R8阻值可为几Ω-几k；隔离变压器1采用磁环变压器，漏感控制到5%以内。
本发明的关键点位的波形如图3所示，隔离变压器输入信号是隔离变压器1的左边给定的输入信号的波形，由正电平和负电平组成；差分输入信号正（A）是输入信号经过隔离变压器1之后在同名端的电压，由于二极管D3、D4会把负压进行钳位到地，所以只剩下正向的电压。差分输入信号正（B）与差分输入信号正（A）的原理一样；整流储能滤波电路2是隔离变压器1的输入信号经过四只二极管D1、D2、D3和D4组成的全桥整流电路后把能量储存在滤波电容C1中，用于差分滞环电路3和驱动放大电路4的供电和提供能量，稳压二极管D7用于钳位整流后的电压，防止高压过高超过差分滞环电路3和驱动放大电路4的供电电压范围而损伤器件；驱动放大电路是当差分输入信号正（A）高于差分输入信号负（B）时，比较器U1的输出是高电平送给驱动放大电路4的输入端，输出电压是VDD，当此电压超过驱动放大电路输入信号的开通阈值后驱动放大电路正常输出，只有当差分输入信号负（B）的电压高于差分输入信号（A）时，也就是当差分输入信号负（B）出现第一个正脉冲信号时比较器U1的输出才发现反转输出变成0，最终驱动放大电路4输出也是0。而刚开始隔离变压器输入信号经过全桥整流后开始对滤波电容C1充电储能能量，电压需要缓慢建立，所以VDD电压也就是整流储能滤波电路2的波形刚开始时有一个缓慢爬升的过程，也会导致驱动放大电路4的开始驱动电压也有一个缓慢上升的过程，当储能滤波电容C1的电量充满后整流储能滤波电路2的电压达到稳定。
本发明的效果：一般隔离驱动器都需要副边进行供电，而本发明是原边的信号经过隔离变压器1进行整流储能，不需要副边再供电，只需要原边提供输入信号就可以实现隔离驱动放大的目的和效果，而本发明中所使用的差分滞环电路3能有效防止输入信号的抖动和波形保证输出正常，波形不失真，稳定性高。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的范围内，还可以作出做出若干改进，对驱动放大电路和变压器结构进行改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种隔离驱动放大电路，其特征在于，包括隔离变压器（1）、整流储能滤波电路（2）、差分滞环电路（3）和驱动放大电路（4），其中：
所述隔离变压器（1）的副边绕组的同名端分别连接所述整流储能滤波电路（2）的第一输入端、差分滞环电路（3）的第一输入端，所述隔离变压器（1）的副边绕组的异名端分别连接所述整流储能滤波电路（2）的第二输入端、差分滞环电路（3）的第二输入端；
所述整流储能滤波电路（2）的第一输出端分别连接差分滞环电路（3）的第三输入端、驱动放大电路（4）的第二输入端；所述整流储能滤波电路（2）的第二输出端接地；
所述差分滞环电路（3）的第一输出端与驱动放大电路（4）的第一输入端连接；差分滞环电路（3）的第二输出端接地；所述的差分滞环电路（3）包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C2、电容C3、比较器U1、二极管D5、二极管D6、MOS管Q1和MOS管Q2；其中，所述电阻R1一端作为差分滞环电路（3）的第一输入端与隔离变压器（1）的副边绕组的同名端连接；所述电阻R2一端作为差分滞环电路（3）的第二输入端与隔离变压器（1）的副边绕组的异名端连接；电阻R1另一端、电阻R3一端、二极管D5阳极、电容C2一端、比较器U1的同相输入端1脚共同连接；电阻R2另一端、电阻R4一端、电容C2另一端、二极管D6阴极、电阻R5一端、比较器U1的反相输入端3脚共同连接；所述电阻R3另一端、比较器U1的输出端4脚、电阻R6一端、电阻R7一端、电阻R8一端共同连接，且该共同连接点作为差分滞环电路（3）的第一输出端与驱动放大电路（4）连接；所述电阻R4另一端与MOS管Q1的漏极连接；所述电阻R5另一端与MOS管Q2的漏极连接；MOS管Q1的源极接地，MOS管Q1、MOS管Q2的栅极分别与电阻R7另一端和R8另一端相连接；所述二极管D5阴极、二极管D6阴极、电容C3一端、比较器U1的2脚、MOS管Q2的源极、R6的另外一端共同作为差分滞环电路（3）的第三输入端与整流储能滤波电路（2）的第一输出端连接；
所述驱动放大电路（4）的第一输出端与功率开关器件连接；驱动放大电路（4）的第二输出端接地。
2.如权利要求1所述的隔离驱动放大电路，其特征在于，所述的整流储能滤波电路（2）包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、稳压二极管D7和滤波电容C1；其中，所述二极管D1阳极连接二极管D3阴极，且该连接点作为整流储能滤波电路（2）的第一输入端与隔离变压器（1）的副边绕组的同名端连接；所述二极管D2阳极连接二极管D4阴极，且该连接点作为整流储能滤波电路（2）的第二输入端，与隔离变压器（1）的副边绕组的异名端连接；二极管D1阴极、二极管D2阴极、滤波电容C1一端、稳压二极管D7阴极共同连接，且该共同连接点作为整流储能滤波电路（2）的第一输出端分别与差分滞环电路（3）和驱动放大电路（4）连接；所述二极管D3阳极、二极管D4阳极、滤波电容C1另一端、稳压二极管D7阳极共同连接，且该连接点作为整流储能滤波电路（2）的第二输出端接地。
3.如权利要求1所述的隔离驱动放大电路，其特征在于，所述的驱动放大电路（4）的第一输入端连接差分滞环电路（3）的第一输出端，驱动放大电路（4）的第二输入端连接整流储能滤波电路（2）的第一输出端；所述驱动放大电路（4）的第一输出端连接驱动功率开关器件，驱动放大电路（4）的第二输出端接地。
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