CN204216865U - 原边反馈功率管开关控制电路 - Google Patents

原边反馈功率管开关控制电路 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种原边反馈功率管开关控制电路，包括功率管、驱动所述功率管的驱动级电路、和检测副边电感电流过零的过零检测电路，所述过零检测电路包括：电阻，所述驱动级电路的低电位点通过所述电阻接地；比较器，其第一输入端接地，其第二输入端连接到所述功率管的栅极，所述比较器配置为，其第二输入端的输入信号小于其第一输入端的输入信号时，其输出端输出控制所述功率管开启的第一开启信号。本实用新型包括了可集成的过零检测电路，使得无需任何外围器件和芯片引脚，还提供了各种保护方案，以保证过零检测的可靠性，从而进一步省略外围电路、降低成本和减小芯片面积。

Description

原边反馈功率管开关控制电路
技术领域
本实用新型涉及原边反馈功率管开关控制电路，特别涉及一种集成过零检测电路的原边反馈功率管开关控制电路。 
背景技术
在单管反激型开关变换器中，工作于电流断续模式或者临界模式的应用时，经常采用原边反馈控制技术。这种原边反馈功率管开关控制电路，其工作原理通常是，通过检测原边峰值电流来控制功率管的关断，通过检测副边电感电流过零来控制功率管的开启。 
如图1所示，功率管Q导通时，原边电感Lp的电流不断增加。将原边电感Lp的电流通过电阻Rcs采样后产生采样信号Vcs，该采样信号Vcs通过比较器OCP_COMP与基准电压VREF1进行比较，当采样信号Vcs大于基准电压VREF1时输出关断信号，该关断信号通过RS触发器输出到驱动级DRIVER，从而关断功率管Q。该过程即为通过检测原边峰值电流来控制功率管的关断。 
功率管Q关断后，副边电感Ls的电流逐渐减小到零。然后，通过外置辅助绕组或者反馈分压网络产生过零检测信号VFB，将该过零检测信号VFB通过比较器ZCD_COMP与基准电压VREF2进行比较，当该过零检测信号VFB小于基准电压VREF2时输出开启信号，该开启信号通过RS触发器输出到驱动级DRIVER，从而打开功率管Q。该过程即为通过检测副边电感电流过零来控制功率管的开启。 
因此，如何检测副边电感Ls的电流过零成为这种控制方案的关键技术。现有的对副边电感Ls电流的过零检测，是通过增加辅助绕组或者通过检测原边电压分压来实现的。这些过零检测方案通常都要增加外围器件和芯片引脚，而外围器件的成本较高，会使得系统的成本增加；同时这些方案还会增加芯片的面积，这对于一些对面积要求严格的应用(例如，小体积LED照明器材)的影响很大。 
实用新型内容
为此，本实用新型提供了一种原边反馈功率管开关控制电路，包括功率管、驱动所述功率管的驱动级电路、和检测副边电感电流过零的过零检测电路，其特征在于，所述过零检测电路包括：电阻，所述驱动级电路的低电位点通过所述电阻接地；比较器，其第一输入端接地，其第二输入端连接到所述功率管的栅极，所述比较器配置为，其第二输入端的输入信号小于其第一输入端的输入信号时，其输出端输出控制所述功率管开启的第一开启信号。 
进一步地，所述控制电路还包括功率管驱动级低电压嵌位保护电路，其包括二极管，所述驱动级电路的低电位点还通过所述二极管接地。 
进一步地，所述控制电路还包括检测原边电感的电流大于阈值时输出控制所述功率管关断的第一关断信号的原边反馈电路、输出低压保护电路、以及判决电路，其中，所述输出低压保护电路配置为，在所述第一关断信号开始输出时，输出第一延时信号；所述判决电路配置为，在所述第一延时信号结束时，所述判决电路输出控制所述功率管开启的第二开启信号。 
进一步地，所述控制电路还包括输出过压保护电路，其配置为在所述第一关断信号开始输出时，输出第二延时信号，所述第二延时信号的持续时间小于所述第一延时信号的持续时间；所述判决电路进一步配置为，接收所述第一开启信号，当所述第一开启信号在所述第二延时信号的持续期间内到达，所述判决电路输出控制所述功率管关断的第二关断信号。 
进一步地，所述判决电路进一步配置为，当所述第一开启信号在所述第二延时信号结束之后且所述第一延时信号结束之前到达，所述判决电路输出控制所述功率管开启的第二开启信号。 
进一步地，所述控制电路还包括误触发保护电路，其包括开关管，所述驱动级电路的低电位点还通过所述开关管接地，所述开关管的控制端连接到所述第二延时信号。 
优选地，所述输出低压保护电路包括第一延时反向器和第一与门，其中，所述第一延时反向器的输入端接所述第一关断信号；所述第一与门的两个输入端分别接所述第一延时反向器的输出信号和所述第一关断信号，其输出所述第一延时信号。 
优选地，所述输出过压保护电路包括第二延时反向器、第一延时缓冲器和第二与门，其中，所述第二延时反向器的输入端接所述第一关断信号；所述第一延时缓冲器的输入端接所述第二延时反向器的输出信号；所述第二与门的两个输入端分别接所述第一延时缓冲器的输出信号和所述第一关断信号，其输出所述第二延时信号。 
优选地，所述判决电路包括或门、第一与非门和第二延时缓冲器，其中，所述或门的两个输入端分别接第二延时信号和第一开启信号； 所述第一与非门的两个输入端分别接第一延时信号和所述或门的输出信号；所述第二延时缓冲器的输入端接所述第一与非门的输出信号，其输出所述第二开启信号。 
优选地，所述判决电路还包括非门、第三与门和第一RS触发器，其中，所述非门的输入端接所述第一开启信号；所述第三与门的两个输入端分别接第二延时信号和所述非门的输出信号；所述第一RS触发器的R输入端接所述第三与门的输出信号，其S输入端接复位信号，其Q输出端输出所述第二关断信号。 
本实用新型的原边反馈功率管开关控制电路，提供了可集成的过零检测电路，在其应用于原边反馈功率管开关控制芯片时，无需任何外围器件和芯片引脚；还提供了同样可集成的功率管驱动级低电位嵌位保护电路、输出低压保护电路、输出过压保护电路、以及误触发保护电路等各种保护方案，以保证过零检测的可靠性，从而进一步省略外围电路、降低成本和减小芯片面积。 
附图说明
图1为现有技术的原边反馈功率管开关控制电路的电路结构示意图； 
图2为本实用新型的原边反馈功率管开关控制电路的电路结构示意图； 
图3为本实用新型的原边反馈功率管开关控制电路的优选的实施方式的电路结构示意图； 
图4为本实用新型的原边反馈功率管开关控制电路的实施效果示意图。 
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的原边反馈功率管开关控制电路作进一步的详细描述，但不作为对本实用新型的限定。 
参照图2，本实用新型的原边反馈功率管开关控制电路，除了包括现有技术中的功率管Q和驱动所述功率管的驱动级电路DRIVER之外，还包括可集成的用来检测副边电感电流过零的过零检测电路。该过零检测电路包括电阻Rz和比较器ZCD_COMP。 
驱动级电路DRIVER内部的低电位点通过该电阻Rz接地，即使得功率管Q的栅极形成浮地结构。该比较器ZCD_COMP的第一输入端接地，第二输入端连接到功率管Q的栅极，以检测功率管Q的栅极电压VG。比较器ZCD_COMP配置为当第二输入端小于第一输入端的电压时，输出控制功率管Q开启的第一开启信号VZCD。 
该结构使得在功率管Q导通时，功率管Q能够像现有技术中的功率管一样正常工作。当功率管Q关闭以后，其寄生电容CGD和电阻Rz形成了一个高通滤波器。此时，由于当副边电感Ls的电流等于零时，原边电感Lp的电压将产生一个中频振荡，该中频振荡的频率取决于原边电感Ls，通常在1MHz左右。该中频振荡通过功率管Q的寄生电容CGD和电阻Rz形成的高通滤波器后，将使功率管Q的栅极电压VG产生一个围绕地电平振荡的中频信号，该信号即为该过零检测电路产生的过零检测信号。通过比较器ZCD_COMP将功率管Q的栅极电压VG和 地电平比较，当栅极电压VG小于地电平时，输出控制功率管Q开启的第一开启信号VZCD。 
在过零检测的过程中，为了防止过零检测信号振荡幅度过高而误导通功率管Q，本实用新型的原边反馈功率管开关控制电路还包括功率管驱动级低电位嵌位保护电路，其包括二极管Dz，驱动级电路DRIVER内部的低电位点还通过该二极管Dz接地。由于二极管的正向导通电压远小于功率管的开启电压，因此，在功率管Q的关闭期间，该功率管驱动级低电压嵌位保护电路的结构能够使得功率管Q的栅极的最高电压等于二极管Dz的正向导通电压。 
在系统刚刚启动时，变压器副边的输出电压很低，故此时从副边反激到原边的电压幅度很小，使得过零检测信号的幅度也极小，此时可能会存在过零检测失效的风险。另外，当输出短路时，输出电压也极低，也会出现和系统刚启动时同样的过零检测失效的风险。 
为此，本实用新型的原边反馈功率管开关控制电路，还包括输出低压保护电路100和判决电路300，其在原边反馈电路输出第一关断信号Voc之后开始工作。此处的原边反馈电路可以与现有技术中的相同或相似，用于检测原边电感Lp的电流大于一定的值时，输出控制功率管Q关断的第一关断信号Voc。 
输出低压保护电路100配置为，在第一关断信号Voc开始输出时，输出低压保护电路100输出第一延时信号VTDH。判决电路300配置为，在第一延时信号VTDH结束时，判决电路300输出控制功率管Q开启的第二开启信号VZCDT。通常，第一延时信号VTDH要求具有一个较长的持 续时间，该信号的持续时间TDH为消磁时间的上限值，其决定输出电压的下阈值：TDH＝N*Ls*Ip/VOUT(MIN)。 
即，通过输出低压保护电路100和判决电路300，使得本实用新型的原边反馈功率管开关控制电路，在输出端电压较低或者极低并可能导致过零检测失效的情况下，在延时TDH时间后，强制输出第二开启信号VZCDT来开启功率管Q，有效地避免了因反激电压过小导致无法开启功率管Q的情况。 
如图3所示，优选地，输出低压保护电路100包括第一延时反向器和第一与门，其中，第一延时反向器的输入端接第一关断信号Voc；第一与门的两个输入端分别接第一延时反向器的输出信号和第一关断信号Voc，其输出第一延时信号VTDH。判决电路300包括或门、第一与非门和第二延时缓冲器，其中，或门的两个输入端分别接第二延时信号VTDL和第一开启信号VZCD；第一与非门的两个输入端分别接第一延时信号VTDH和或门的输出信号；第二延时缓冲器的输入端接第一与非门的输出信号，其输出第二开启信号VZCDT。 
另外，本实用新型的原边反馈功率管开关控制电路还具有过压保护功能，通过过压保护电路200和判决电路300来实现。具体地，如图2所示，输出过压保护电路200配置为，在第一关断信号Voc开始输出时，输出第二延时信号VTDL，该第二延时信号VTDL的持续时间TDL小于第一延时信号VTDH的持续时间TDH。TDL为消磁时间的下限值，其决定输出电压的上阈值：TDL＝N*Ls*Ip/VOUT(MAX)。 
第一开启信号VZCD输入到判决电路300，该判决电路300进一步配置为，当第一开启信号VZCD在第二延时信号VTDL的持续期间TDL内到达，判决电路300输出控制功率管Q关断的第二关断信号Vovp。 
过压保护电路200和判决电路300实现过压保护的原理为，当输出过压时，随着输出电压的增高，副边电感的电流下降到零的时间(消磁时间TDEM)会变短，VZCD的持续时间也会变短。当TDEM<TDL时，判决电路300会输出过压保护信号Vovp，Vovp通过控制驱动级电路DRIVER关闭功率管Q，从而实现输出过压时关断功率管Q的过压保护功能。如图3所示，输出过压保护电路200包括第二延时反向器、第一延时缓冲器和第二与门，其中，第二延时反向器的输入端接第一关断信号Voc；第一延时缓冲器的输入端接第二延时反向器的输出信号；第二与门的两个输入端分别接第一延时缓冲器的输出信号和第一关断信号Voc，其输出第二延时信号VTDL。判决电路300包括非门、第三与门和第一RS触发器，其中，非门的输入端接第一开启信号VZCD；第三与门的两个输入端分别接第二延时信号VTDL和非门的输出信号；第一RS触发器的R输入端接第三与门的输出信号，其S输入端接芯片内部的上电复位信号，其Q输出端输出第二关断信号Vovp。 
在功率管Q关闭后的瞬间，副边电感Ls的电流还没有下降到零，原边电感Lp的电压将产生一个高频的减幅振荡，该振荡的频率取决于原边电感Lp的漏感，通常在5MHz左右。该高频振荡容易误触发过零检测电路并打开功率管。为了避免这种情况下引起的误触发，本实用新型的原边反馈功率管开关控制电路还包括误触发保护电路，其包括开关管Mz，驱动级电路DRIVER内部的低电位点还通过该开关管Mz 接地，该开关管Mz的控制端接输出过压保护电路200输出的第二延时信号VTDL。 
如图2和3所示，开关管优选为NMOS管，其栅极接过压保护电路200输出的第二延时信号VTDL。从而在功率管Q关闭以后的TDL时间内，第二延时信号VTDL一直维持开关管Mz导通，从而将功率管Q的栅极接地以避免产生易引起误触发的过零检测信号，同时还避免了误打开功率管Q而影响效率。 
同时，如果第一开启信号VZCD在第二延时信号VTDL结束之后且第一延时信号VTDH结束之前到达，则判决电路300输出控制功率管Q开启的第二开启信号VZCDT。 
如此，本实用新型的原边反馈功率管开关控制电路可实现如下功能：参照图4，如果第一开启信号VZCD在第二延时信号VTDL结束之前到达，则认为是输出过压，判决模块300不输出最终的打开功率管Q的开启信号(即，第二开启信号VZCDT)。如果第一开启信号VZCD在第二延时信号VTDL结束之后且第一延时信号VTDH结束之前到达，则判决模块300正常输出第二开启信号VZCDT。如果第一延时信号VTDH结束之后，第一开启信号VZCD还未到达，则认为是输出短路或输出电压极低的情况，判决模块300强制输出第二开启信号VZCDT。 
如图3所示，本实用新型的原边反馈功率管开关控制电路还包括第二RS触发器和用于驱动所述功率管的驱动级电路DRIVER。第二RS触发器的R输入端接第一关断信号Voc，其S输入端接第二开启信号VZCDT。驱动级电路DRIVER包括第二与非门、NMOS管、PMOS管和辅助电源，其中，第二与非门的两个输入端分别接第二RS触发器的 Q输出端的输出信号和第二关断信号Vovp，使得当接收到第二关断信号Vovp时，关闭功率管Q。PMOS管和NMOS管串联连接后连接在辅助电源VCC和电阻Rz之间，驱动功率管Q，其中PMOS管接辅助电源VCC，可打开功率管Q，NMOS管接电阻Rz，可关闭功率管Q。 
在上述实施方式中，通过对驱动级电路的地电平有限制的浮地，形成功率管Q的寄生电容CGD和电阻Rz的高通滤波器采集过零信号，通过调节输出低压保护电路100中的延时反向器，来调节第一延时信号VTDH的持续时间TDH；通过调节输出过压保护电路200的延时反向器和延时缓冲器，来调节第二延时信号的持续时间TDL；通过判决电路300，来保证TDL≤TDEM≤TDH，最终实现了对过零检测电路的全面保护。 
本实用新型的原边反馈功率管开关控制电路，其过零检测信号的产生能够集成于芯片内部，且结果简单稳定，能够省略芯片外围的检测器件和吸收电路，进而实现了该类应用的小型化和集成化。同时，通过对消磁时间TDEM的限制和监测，可同时实现系统软启动、防误触发、防输出短路、防输出过压四种功能，为这种过零检测方式提供了全面的保护，保证了这种方案的高可靠性，且实施的电路简单，多个电路可实现功能复用，节省了芯片的面积和成本。 
以上具体实施方式仅为本实用新型的示例性实施方式，不能用于限定本实用新型，本实用新型的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本实用新型的实质和保护范围内，对本实用新型做出各种修改或等同替换，这些修改或等同替换也应视为落在本实用新型的保护范围内。 

Claims (10)

1.一种原边反馈功率管开关控制电路，包括功率管、驱动所述功率管的驱动级电路、和检测副边电感电流过零的过零检测电路，其特征在于，所述过零检测电路包括：
电阻，所述驱动级电路的低电位点通过所述电阻接地；
比较器，其第一输入端接地，其第二输入端连接到所述功率管的栅极，所述比较器配置为，其第二输入端的输入信号小于其第一输入端的输入信号时，其输出端输出控制所述功率管开启的第一开启信号。
2.根据权利要求1所述的原边反馈功率管开关控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括功率管驱动级低电压嵌位保护电路，其包括二极管，所述驱动级电路的低电位点还通过所述二极管接地。
3.根据权利要求1所述的原边反馈功率管开关控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括检测原边电感的电流大于阈值时输出控制所述功率管关断的第一关断信号的原边反馈电路、输出低压保护电路、以及判决电路，其中，
所述输出低压保护电路配置为，在所述第一关断信号开始输出时，输出第一延时信号；
所述判决电路配置为，在所述第一延时信号结束时，所述判决电路输出控制所述功率管开启的第二开启信号。
4.根据权利要求3所述的原边反馈功率管开关控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括输出过压保护电路，其配置为在所述第一关断信号开始输出时，输出第二延时信号，所述第二延时信号的持续时间小于所述第一延时信号的持续时间；
所述判决电路进一步配置为，接收所述第一开启信号，当所述第一开启信号在所述第二延时信号的持续期间内到达，所述判决电路输出控制所述功率管关断的第二关断信号。
5.根据权利要求4所述的原边反馈功率管开关控制电路，其特征在于，所述判决电路进一步配置为，当所述第一开启信号在所述第二延时信号结束之后且所述第一延时信号结束之前到达，所述判决电路输出控制所述功率管开启的第二开启信号。
6.根据权利要求4所述的原边反馈功率管开关控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括误触发保护电路，其包括开关管，所述驱动级电路的低电位点还通过所述开关管接地，所述开关管的控制端接所述第二延时信号。
7.根据权利要求3所述的原边反馈功率管开关控制电路，其特征在于，所述输出低压保护电路包括第一延时反向器和第一与门，其中，
所述第一延时反向器的输入端接所述第一关断信号；
所述第一与门的两个输入端分别接所述第一延时反向器的输出信号和所述第一关断信号，其输出所述第一延时信号。
8.根据权利要求4所述的原边反馈功率管开关控制电路，其特征在于，所述输出过压保护电路包括第二延时反向器、第一延时缓冲器和第二与门，其中，
所述第二延时反向器的输入端接所述第一关断信号；
所述第一延时缓冲器的输入端接所述第二延时反向器的输出信号；
所述第二与门的两个输入端分别接所述第一延时缓冲器的输出信号和所述第一关断信号，其输出所述第二延时信号。
9.根据权利要求4所述的原边反馈功率管开关控制电路，其特征在于，所述判决电路包括或门、第一与非门和第二延时缓冲器，其中，
所述或门的两个输入端分别接第二延时信号和第一开启信号；
所述第一与非门的两个输入端分别接第一延时信号和所述或门的输出信号；
所述第二延时缓冲器的输入端接所述第一与非门的输出信号，其输出所述第二开启信号。
10.根据权利要求9所述的原边反馈功率管开关控制电路，其特征在于，所述判决电路还包括非门、第三与门和第一RS触发器，其中，
所述非门的输入端接所述第一开启信号；
所述第三与门的两个输入端分别接第二延时信号和所述非门的输出信号；
所述第一RS触发器的R输入端接所述第三与门的输出信号，其S输入端接复位信号，其Q输出端输出所述第二关断信号。
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