CN1380739A - 低压输出同步整流管的自驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低压输出同步整流管的自驱动电路,包括不对称半桥的主功率MOSFETS₁、S₂,变压器Tr,同步整流管S₃、S₄,一个驱动绕组Na,两个二极管D₁和D₂、两个稳压管ZD₁和ZD₂、两个三极管Q₁和Q₂、两个三极管门极电阻R₁和R₂、两个电容C₁和C₂。该发明所涉及的电路极大地改善了同步整流管的在低压输出时的自驱动性能,并且结构简单,性能稳定、可靠。

Description

低压输出同步整流管的自驱动电路

本发明涉及低压输出同步整流管的自驱动电路，属电源领域。特别是指集成电路的电源。采用肖特基二极管作为输出整流二极管，其正向导通压降约为0.4～0.6V，因此在低压大电流输出时，输出二极管上的导通损耗很大。由于低电压功率MOSFET的导通电阻很小，80年代初即陆续将其应用于低压输出的DC-DC开关电源，称为同步整流管(Synchronous Rectifier)。

同步整流管的驱动方式有外驱动(Externally-driven)和自驱动(Self-driven)两种。外驱动方式虽然运用起来比较灵活，但却增加了电路的复杂性与成本，并相应使电路的可靠性下降。因此在小功率DC-DC变换器中同步整流管的驱动电路通常采用自驱动方式。图1(A)给出了一种不对称半桥电路中常用的自驱动电路，图1(B)则是电路中各点主要的波形。其中，V_gs1，V_gs2为不对称半桥电路的主功率MOSFET的门极电压波形，V_p为变压器原边电压波形，V_gs3，V_gs4为同步整流管的门极电压波形。虽然这种自驱动电路十分简单，但它只适合于输出电压为3V到6V的DC-DC变换器。根据图1，可得同步整流管S3和S4的门极电压为： $V_{\mathrm{gs}3}=\frac{{2N}_s}{N_p}{\mathrm{DV}}_{\mathrm{in}}=\frac{2}{N}{\mathrm{DV}}_{\mathrm{in}}=\frac{V_o}{1-D}---\left(1\right)$ $V_{\mathrm{gs}4}=\frac{2N_s}{N_p}{(1-D)V}_{\mathrm{in}}=\frac{2(1-D)}{N}{V}_{\mathrm{in}}=\frac{V_o}{D}---\left(2\right)$ 其中，V_in为输入电压、V_o为输出电压、D为稳态工作的占空比、N为变压器原边到副边的匝比(以下同)。

如果假设电路在满载时，稳态占空比为30％，则V_gs3大约为1.4V_o，而V_gs4大约为3.3V_o。因为大多数同步整流管的门极驱动电压为4V到20V之间，因此只有当输出电压在2.9V到6V时电路才能正常工作。因为当输出电压低于2.9V时，同步整流管S₃无法驱动，而当输出电压大于6V时，同步整流管S₄会因为门极电压过高而损坏。

图2(A)给出了不对称半桥电路中同步整流管的另一种自驱动电路。其在图1(A)的基础上增加了一个驱动绕组N_a、两个二极管D₁、和D₂、两个稳压管ZD₁、和ZD₂，从而极大地改善了同步整流管的自驱动性能，图2(B)则是电路中各点主要的波形，其中V_gs1，V_gs2为不对称半桥电路的主功率MOSFET的门极电压波形，V_p为变压器原边电压波形，V_Na为驱动绕组上的电压波形，V_gs3，V_gs4为同步整流管的门极电压波形。由图2可得同步整流管S₃和S₄的门极电压为： $V_{\mathrm{gs}3}=\frac{N_a}{N_p}{\mathrm{DV}}_{\mathrm{in}}---\left(3\right)$ $V_{\mathrm{gs}4}=\frac{N_a}{N_p}{(1-D)V}_{\mathrm{in}}---\left(4\right)$

该同步整流管的自驱动电路与前述电路相比，其优点为：(1)将(3)式、(4)式与(1)式、(2)式比较可知，当输入电压V_in、稳态

工作的占空比D及变压器的原副边匝数N_p、N_s一定时，改进后的同步整

流管的驱动电压仍能通过调整驱动绕组N_a的匝数，使同步整流管在电源

输出电压低于3V或高于6V时都能获得正常工作所需的驱动电压。(2)当同步整流管S₃导通时，二极管D₁将同步整流管S₄的门极电压钳位于

零电压。从而在保证同步整流管S₄可靠关断的同时又不增加其门极的驱

动损耗。二极管D₂对同步整流管S₄的作用也是如此。(3)当同步整流管S₃(S₄)导通时，稳压管ZD₁(ZD₂)对门极的过电压有抑

制作用，从而保护了门极，使其正常工作；而D₁、D₂则确保S₄、S₃不出

现共同导通现象。

该电路曾一度满足了工业界对同步整流管自驱动电路的要求，但随着近年来集成电路的电源电压的进一步降低，该电路的运用则受到了极大的挑战。如图2(A)所示，该电路在实际应用中有一个隐含的前提：

           2N_s≥N_a                  (5)

如果2N_s≤N_a，则N_a，D₁，2N_s和ZD₁(或者是N_a，D₂，2N_s和ZD₂)所构成的回路将使线圈N_a短路。而当输出电压很低时，为了保证同步整流管也能正常导通，则在减小N_s的同时N_a却无法减小。从而当输出电压低到一定程度时，如图2(A)所示的自驱动电路将无法工作。

本发明的目的是要提供一种改进型的低压输出同步整流管的自驱动电路，使输出电压很低时也能获得正常工作的驱动电压。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：低压输出同步整流管的自驱动电路，包括不对称半桥的主功率MOSFET S₁、S₂，变压器Tr，同步整流管S₃、S₄，一个电容C_b，一个驱动绕组Na，两个二极管D₁和D₂、两个稳压管ZD₁和ZD₂，所述同步整流管S₃、S₄的门极电压分别为： $V_{\mathrm{gs}3}=\frac{N_a}{N_p}{\mathrm{DV}}_{\mathrm{in}}$ $V_{\mathrm{gs}4}=\frac{N_a}{N_p}{(1-D)V}_{\mathrm{in}}$

调整所述驱动绕组Na的匝数使同步整流管在电源输出电压低于3V或高于6V时均能获得正常工作的驱动电压；所述二极管D₁、D₂和稳压管ZD₁、ZD₂的作用是：当所述同步整流管S₃导通时，二极管D₁和稳压管ZD₂将同步整流管S₄的门极电压钳位于零电压；当所述同步整流管S₄导通时，二极管D₂和稳压管ZD₁将同步整流管S₃的门极电压钳位于零电压；ZD₁和ZD₂抑制门极电压，保护门极正常工作，D₁和D₂使S₃、S₄不同时导通；其特征在于：还设有二个三极管Q₁、Q₂，所述三极管Q₁、Q₂的作用是：当同步整流管S₄导通时，三极管Q₁关断，切断N_a，D₁，2N_s和ZD₁所构成的回路；而当同步整流管S₃导通时，三极管Q₂关断，切断N_a，D₂，2N_s和ZD₂所构成的回路。

本发明的低压输出同步整流管的自驱动电路还设有两个三极管门极电阻R₁和R₂、二个电容C₁和C₂，电阻R₁和R₂的作用是避免三极管产生误动作，所述电容C₁、C₂的作用是加速三极管Q₁、Q₂的开通，从而确保同步整流管S₄、S₃不出现共同导通现象。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1(A)是现有技术不对称半桥电路中常用的自驱动电路。

图1(B)是图1(A)中各点的主要波形(D＜50％)。

图2(A)是现有技术另一种不对称半桥电路的自驱动电路。

图2(B)是图2(A)中各点的主要波形。

图3是本发明不对称半桥电路的自驱动电路。

图4是本发明正激电路的自驱动电路。

图5是本发明全桥电路的自驱动电路。

图6是本发明对称半桥电路的自驱动电路。

图7是本发明正-反激混合型电路的自驱动电路。

图1、2为现有技术，在前面已经说明。参照图3，我们可以清楚地看到，本发明增加了两个三极管Q₁和Q₂，两个电容C₁和C₂以及两个三极管门极电阻R₁和R₂，其电路中各点主要的波形与图2(B)相同，且两个同步整流管的门极电压的表达式也与(3)式、(4)式相同。当同步整流管S₄导通时，三极管Q₁关断，切断了N_a，D₁，2N_s和ZD₁所构成的回路，防止当了2N_s≤N_a时，线圈N_a发生短路。从而使同步整流管在电源输出电压很低(即2N_s≤N_a)时也能获得正常工作的驱动电压。三极管Q₂对同步整流管S₃的作用也是如此。当同步整流管S₄导通时，三极管Q₂开通，Q₂与二极管D₂所构成的支路将同步整流管S₃的门极电压钳位于零电压。从而在保证同步整流管S₃可靠关断的同时又不增加其门极的驱动损耗。三极管Q₁与二极管D₁对同步整流管S₄的作用也是如此。电容C₁、C₂的作用是加速三极管Q₁、Q₂的开通，从而确保同步整流管S₄、S₃不出现共同导通现象。当同步整流管S₃(S₄)导通时，稳压管ZD₁(ZD₂)对门极的过电压有抑制作用，从而保护了门极，使其正常工作。

该自驱动电路不仅可以用于不对称半桥电路，还可以应用于正激电路(如图4)、全桥电路(如图5)、对称半桥电路(如图6，其中包括占空比接近50％的零电压型半桥电路)、正-反激混合型电路(如图7)等。总之，该电路的结构并不复杂、但可靠性高，应用前景十分广阔。

Claims (3)

1、低压输出同步整流管的自驱动电路，包括不对称半桥的主功率MOSFETS₁、S₂，变压器Tr，同步整流管S₃、S₄，一个电容C_b、一个驱动绕组Na，两个两极管D₁和D₂、两个稳压管ZD₁和ZD₂，所述同步整流管S₃、S₄的门极电压分别为： $V_{\mathrm{gs}3}=\frac{N_a}{N_p}{\mathrm{DV}}_{\mathrm{in}}$ $V_{\mathrm{gs}4}=\frac{N_a}{N_p}{(1-D)V}_{\mathrm{in}}$

调整所述驱动绕组Na的匝数使同步整流管在电源输出电压低于3V或高于6V时均能获得正常工作的驱动电压；所述二极管D₁、D₂和稳压管ZD₁、ZD₂的作用是：当所述同步整流管S₃导通时，二极管D₁和稳压管ZD₂将同步整流管S₄的门极电压钳位于零电压；当所述同步整流管S₄导通时，二极管D₂和稳压管ZD₁将同步整流管S₃的门极电压钳位于零电压；ZD₁和ZD₂抑制门极电压，保护门极正常工作，D₁和D₂使S₃、S₄不同时导通；其特征在于：还设有二个三极管Q₁、Q₂，所述三极管Q₁、Q₂的作用是：当同步整流管S₄导通时，三极管Q₁关断，切断N_a，D₁，2N_s和ZD₁所构成的回路；而当同步整流管S₃导通时，三极管Q₂关断，切断N_a，D₂，2N_s和ZD₂所构成的回路。

2、如权利要求1所述的低压输出同步整流管的自驱动电路，其特征在于还设有两个三极管门极电阻R₁、R₂，以避免三极管产生误动作。

3、如权利要求2所述的低压输出同步整流管的自驱动电路，其特征在于还设有电容C₁、C₂，所述电容C₁、C₂的作用是加速三极管Q₁、Q₂的开通，从而确保同步整流管S₄、S₃不出现共同导通现象。

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