CN210518097U

CN210518097U - 一种栅极驱动电路及开关电源电路

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Publication number: CN210518097U
Application number: CN201921437001.7U
Authority: CN
Inventors: 虞楠楠; 朱勤为; 励晔; 黄飞明
Original assignee: WUXI SI-POWER MICRO-ELECTRONICS CO LTD
Current assignee: WUXI SI-POWER MICRO-ELECTRONICS CO LTD
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2029-08-30

Abstract

本实用新型涉及集成电路技术领域，具体公开了一种栅极驱动电路，其中，包括：功率管导通电路、功率管关断电路和至少一路轻载标志电路，功率管导通电路、功率管关断电路和轻载标志电路的输入端均能够连接主控芯片，功率管导通电路、功率管关断电路和轻载标志电路的输出端均能够与功率开关管的栅极驱动端连接，每路轻载标志电路与功率关断电路连接；每路轻载标志电路在当前开关电源电路的工作状态为轻载时产生功率管第二关断信号，功率管第二关断信号能够与功率管第一关断信号共同控制功率开关管关断。本实用新型还公开了一种开关电源电路。本实用新型提供的栅极驱动电路达到了兼顾了满载EMI和轻载待机功耗的目的。

Description

一种栅极驱动电路及开关电源电路

技术领域

本实用新型涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种栅极驱动电路及包括该栅极驱动电路的开关电源电路。

背景技术

开关电源系统中，功率开关管控制信号的产生，是通过将驱动逻辑信号经过栅极驱动模块的适当转换，最终驱动功率管的导通与截止。对于原边控制隔离式反激变换器工作时，主线圈与次级线圈之间进行能量传递；次级线圈将输出信息传递到辅助绕组上，利用变压器实现输入和输出的隔离。通用的开关电源控制系统，均存在功率管的开启和关断两个过程。功率管开启时，原边电感会对地形成一个通路，输入端为变压器提供能量，同时原边电感进行储能，副边二极管截止，负载输出能量由输出电容上存储的能量进行供应；当功率管关断时，变压器释放能量，副边电感释放能量。

经分析，现有技术中的开关电源系统中，下降延时对满载条件下的影响比轻载下影响要小得多。而在现代PWM控制工程应用中，往往在满载条件下，测试EMI效果；在空载条件下，测待机功耗。满载条件下，延时影响小，为了改善驱动引起的EMI，行业中通用的做法是人为控制EMI，让驱动电压信号下降变得缓慢一些，有了这段延时，驱动电压信号下降变缓的同时，EMI效果也改善了。但是，在人为增加延时后，改善了EMI的同时，会增加待机功耗。这部分由于延时产生的额外的能量通过变压器传递到副边，对输出能量产生影响。并且，这部分能量是系统固有存在的，并且不受反馈环路控制，也不会因控制环路改善而发生变化，这就会使待机功耗大大增加。从待机功耗的角度分析，为了减小待机功耗，我们必须尽可能地缩短关断延时。因此，如何能够兼顾满载条件下的EMI和降低空载下的待机功耗成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本实用新型提供了一种栅极驱动电路及包括该栅极驱动电路的开关电源电路，解决相关技术中存在的满载EMI和空载待机功耗不能兼顾的问题。

作为本实用新型的一个方面，提供一种栅极驱动电路，其中，所述栅极驱动电路包括：功率管导通电路、功率管关断电路和至少一路轻载标志电路，所述功率管导通电路、功率管关断电路和轻载标志电路的输入端均能够连接主控芯片，所述功率管导通电路、功率管关断电路和轻载标志电路的输出端均能够与功率开关管的栅极驱动端连接，每路所述轻载标志电路与所述功率关断电路连接；

所述功率管导通电路和所述功率管关断电路均根据所述主控芯片的控制信号交替导通，所述功率管导通电路在导通时能够产生功率管导通信号以控制功率开关管导通，所述功率管关断电路在导通时能够产生功率管第一关断信号以控制功率开关管关断；

每路所述轻载标志电路均能够根据主控芯片的控制信号判断当前开关电源电路的工作状态，且在当前开关电源电路的工作状态为轻载时产生功率管第二关断信号，所述功率管第二关断信号能够与所述功率管第一关断信号共同控制所述功率开关管关断。

进一步地，所述主控芯片的控制信号包括反馈控制信号和开关控制信号，所述功率管导通电路和所述功率管关断电路均根据所述开关控制信号交替导通，每路所述轻载标志电路均根据所述反馈控制信号判断当前开关电路的工作状态。

进一步地，所述轻载标志电路包括：轻载标志产生电路和控制电路，所述轻载标志产生电路的输入端与所述主控芯片连接，所述轻载标志产生电路的输出端与所述控制电路连接；

所述轻载标志产生电路能够根据所述主控芯片的控制芯片判断当前开关电源电路的工作状态，且在当前开关电源电路的工作状态为轻载时产生轻载标志信号；

所述控制电路能够根据所述轻载标志信号产生功率管第二关断信号。

进一步地，所述控制电路包括逻辑与门和第一开关管，所述逻辑与门的第一输入端连接所述轻载标志产生电路，所述逻辑与门的第二输入端连接所述功率管关断电路，所述逻辑与门的输出端连接所述第一开关管的驱动端，所述第一开关管的第一端连接所述功率开关管的栅极驱动端，所述第一开关管的第二端连接信号地。

进一步地，所述功率管关断电路包括功率管关断信号发生电路、第二开关管和第一电阻，所述功率管关断信号发生电路的输入端与所述主控芯片连接，所述功率管关断信号发生电路的输出端分别连接所述逻辑与门以及所述第二开关管的驱动端，所述第二开关管的第一端通过所述第一电阻连接所述功率开关管的栅极驱动端，所述第二开关管的第二端连接信号地。

进一步地，所述第一开关管和第二开关管均包括N型开关管。

进一步地，所述功率管导通电路包括功率管导通信号发生电路和第三开关管，所述功率管导通信号发生电路的输入端与所述主控芯片连接，所述功率管导通信号发生电路的输出端与所述第三开关管的驱动端连接，所述第三开关管的第一端连接电源电压，所述第三开关管的第二端连接所述功率开关管的栅极驱动端。

进一步地，所述第三开关管包括N型开关管。

作为本实用新型的另一个方面，提供一种开关电源电路，其中，所述开关电源电路包括主控芯片、功率开关管和前文所述的栅极驱动电路，所述主控芯片与所述栅极驱动电路连接，所述栅极驱动电路与所述功率开关管连接，所述栅极驱动电路能够在所述主控芯片的控制下产生驱动所述功率开关管导通或关断的信号。

通过上述栅极驱动电路，通过轻载标志电路能够判断当前开关电源电路的工作状态，在工作状态为轻载时能够共同与功率管关断电路产生的关断信号控制功率开关管的关断，从而能够实现在空载条件下提高泄放能力的目的，进而降低了空载条件下的待机功耗，同时由于满载条件下功率管关断电路的泄放速度相比现有技术降低，故增加了延时，从而提高了满载条件下的EMI，因此本实施例提供的栅极驱动电路达到了兼顾了满载条件下的EMI和轻载条件下的待机功耗的目的。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为功率开关管驱动信号产生的电路结构示意图。

图2为满载和轻载条件下驱动相关信号对应的波形示意图。

图3为本实用新型实施例提供的栅极驱动电路的结构框图。

图4为本实用新型实施例提供的栅极驱动电路的电路结构图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

开关电源系统中，功率开关管控制信号的产生，是通过将驱动逻辑信号经过栅极驱动模块的适当转换，最终驱动功率管的导通与截止。图1示出了功率管驱动信号产生电路的示意图。该功率管驱动信号产生电路包括驱动逻辑信号产生电路100和栅极驱动电路101。驱动逻辑信号产生电路100通过接收来自反馈环路产生的开关控制信号(包括导通信号和关断信号)，产生逻辑控制信号 108；由于外置MOSFET功率开关管102的晶体管尺寸往往较大，单独仅采用 100模块驱动能力有限，无法驱动功率开关管102，故增加栅极驱动电路101，用以增加驱动能力。栅极驱动电路101通过接收来自外部输入高压信号110和逻辑驱动信号108，产生栅极驱动信号109，驱动外置功率管102的导通与关断。当功率开关管102导通时，变压器104的原边电感储存能量，控制芯片采样原边采样电阻103上的电压，将原边采样电压值111输入控制芯片；同时，副边整流二极管105截止，输出能量通过输出电容106上存储的能量提供。当开关功率管102关断时，变压器104将储存的能量以电流形式通过辅助绕组Ns释放，向负载107和输出电容106提供能量。

需要说明的是，为简洁起见，图1中未画出控制芯片。本领域技术人员应该理解的是，该功率管驱动信号示意图适用于其它开关电源系统，且不仅限于该类系统拓扑。

图2示出了驱动相关输出信号的对应波形。其中PWM波形200对应图1 所示，工作在满载条件下的输出108信号；PWM波形208对应图1所示，工作在轻载条件下的输出108信号；DRV波形201对应图1所示，工作在满载条件下的输出109信号；DRV波形209对应图1所示，工作在轻载条件下的输出109 信号；V_cs波形203对应图1所示，工作在满载条件下的输出111信号；V_cs 波形211对应图1所示，工作在轻载条件下的输出111信号。波形206为DRV 信号201在上升(开关导通)过程中的米勒平台；波形207为DRV信号201在下降(开关关断)过程中的米勒平台；波形214为DRV信号209在上升(开关导通)过程中的米勒平台；波形215为DRV信号209在下降(开关关断)过程中的米勒平台。逻辑导通信号200的上升沿到来后，原边采样电压203并未开始上升，这是因为实际栅极驱动信号201中米勒平台的206的存在，当米勒平台206结束，原边采样电压203开始上升；同理，关断过程中，当逻辑导通信号200的下降沿205到来后，原边采样电压203并未停止上升，这是因为实际栅极驱动信号201中米勒平台的207的存在，当米勒平台207结束，原边采样电压203停止上升。同理，在轻载条件下，逻辑导通信号208的上升沿到来后，原边采样电压211并未开始上升，这是因为实际栅极驱动信号209中米勒平台的214的存在，当米勒平台214结束，原边采样电压211开始上升；同理，关断过程中，当逻辑导通信号208的下降沿213到来后，原边采样电压211并未停止上升，这是因为实际栅极驱动信号208中米勒平台的215的存在，当米勒平台215结束，原边采样电压211停止上升。

以关断延时为例，对应图2所示的波形204和波形212，即为关断过程中，产生的传输时延；即逻辑关断信号205和213产生到实际关断之间的延时。在确定的系统应用中，延时204和212由驱动模块和外置功率开关管的栅电容决定，故在确定的系统中，该延时是恒定不变的。因此，在满载条件和轻载条件下，关断延时204和212相等。

另外，波形202为满载条件下，原边采样电压203的峰值参考电平；波形 210为轻载条件下，原边采样电压211的峰值参考电平。

对比满载条件下输出波形200～207，和轻载条件下输出波形208～215，可以发现，在不同的负载条件下，因米勒平台产生的关断延时204和212相等，并假设其值为V_ref。假设203波形中阴影部分面积为S₂₀₄，波形203整体的三角形面积为S₂₀₃；211波形中阴影部分面积为S₂₁₂，波形211整体的三角形面积为S₂₁₁。由于确定系统下，原边采样电压上升斜率不变，故波形203和波形211的三角形斜边斜率相等，并假设其值为k。假设参考电平202值为V_{ref_202}，参考电平210 值为V_{ref_210}。

通过计算阴影面积占各自三角形总面积的比值可得：

在实际系统中，因米勒平台产生的关断延时T_d往往在ns级别，在公式推导时，为了简洁直观地比较，可将其进行简化计算得：

具体地，可以将参考电平202设置为500mV，电平210设置为100mV，则上式

由上述分析可知，因下降延时导致的原边采样电压的误差量(用阴影部分面积S₂₀₄占总面积S₂₀₃的占比A₁来量化表示)，满载条件下(即A₁)产生的影响，比轻载条件下(即A₂)产生的影响要小得多。

因此，从待机功耗的角度分析，为了减小待机功耗，必须尽可能地缩短关断延时。而缩短关断延时则通过实现满载条件下提供弱泄放能力，在空载条件下提供强泄放能力的方式可以实现。

为了实现兼顾在满载条件下的EMI效果和空载条件下的待机功耗的目标，在本实施例中提供了一种栅极驱动电路，图3是根据本实用新型实施例提供的栅极驱动电路101的结构框图，如图3所示，包括：

功率管导通电路10、功率管关断电路20和至少一路轻载标志电路30，所述功率管导通电路10、功率管关断电路20轻载标志电路30的输入端均能够连接主控芯片，所述功率管导通电路10、功率管关断电路20和轻载标志电路30 的输出端均能够与功率开关管的栅极驱动端连接，每路所述轻载标志电路与所述功率关断电路连接；

所述功率管导通电路10和所述功率管关断电路20均根据所述主控芯片的控制信号交替导通，所述功率管导通电路在导通时能够产生功率管导通信号以控制功率开关管导通，所述功率管关断电路在导通时能够产生功率管第一关断信号以控制功率开关管关断；

每路所述轻载标志电路30均能够根据主控芯片的控制信号判断当前开关电源电路的工作状态，且在当前开关电源电路的工作状态为轻载时产生功率管第二关断信号，所述功率管第二关断信号能够与所述功率管第一关断信号共同控制所述功率开关管关断。

具体地，所述主控芯片的控制信号包括反馈控制信号和开关控制信号，所述功率管导通电路10和所述功率管关断电路20均根据所述开关控制信号交替导通，每路所述轻载标志电路30均根据所述反馈控制信号判断当前开关电路的工作状态。

具体地，如图4所示，所述轻载标志电路30包括：轻载标志产生电路402 和控制电路，所述轻载标志产生电路402的输入端与所述主控芯片连接，所述轻载标志产生电路402的输出端与所述控制电路连接；

所述轻载标志产生电路402能够根据所述主控芯片的控制芯片判断当前开关电源电路的工作状态，且在当前开关电源电路的工作状态为轻载时产生轻载标志信号；

进一步具体地，所述控制电路包括逻辑与门406和第一开关管405，所述逻辑与门406的第一输入端连接所述轻载标志产生电路402，所述逻辑与门406的第二输入端连接所述功率管关断电路，所述逻辑与门406的输出端连接所述第一开关管405的驱动端，所述第一开关管405的第一端连接所述功率开关管102 的栅极驱动端，所述第一开关管405的第二端连接信号地。

优选地，所述第一开关管405包括N型开关管，则所述第一开关管的驱动端为栅极，第一端为漏极，第二端为源极。

具体地，所述功率管关断电路20包括功率管关断信号发生电路401、第二开关管404和第一电阻413，所述功率管关断信号发生电路401的输入端与所述主控芯片连接，所述功率管关断信号发生电路401的输出端分别连接所述逻辑与门406以及所述第二开关管404的驱动端，所述第二开关管404的第一端通过所述第一电阻413连接所述功率开关管102的栅极驱动端，所述第二开关管 404的第二端连接信号地。

优选地，所述第二开关管404包括N型开关管，则所述第一开关管的驱动端为栅极，第一端为漏极，第二端为源极。

具体地，所述功率管导通电路10包括功率管导通信号发生电路400和第三开关管403，所述功率管导通信号发生电路400的输入端与所述主控芯片连接，所述功率管导通信号发生电路400的输出端与所述第三开关管403的驱动端连接，所述第三开关管403的第一端连接电源电压VIN，所述第三开关管403的第二端连接所述功率开关管102的栅极驱动端。

需要说明的是，所述功率管关断信号发生电路401和功率管导通信号发生电路400均可以采用现有技术中的常规设计即可，例如可以采用专利申请号201910636071.3中提到的比例缓冲器与PWM比较器以及功率管导通信号发生器的设计，此处不再赘述。

优选地，所述第三开关管403包括N型开关管，则所述第一开关管的驱动端为栅极，第一端为漏极，第二端为源极。

下面结合图4对本实施例提供的栅极驱动电路的工作原理进行详细说明。

如图4所示，功率管导通信号发生电路400、功率管关断信号发生电路401、轻载标志产生电路402、第三开关管403、第二开关管404、第一开关管405、逻辑与门406和第一电阻413共同构成栅极驱动电路101；逻辑控制信号108通过功率管导通信号发生电路400，产生功率管导通信号407；逻辑控制信号108 通过功率管关断信号发生电路401，产生功率管关断信号408。与传统栅极驱动电路不同的是，在新型驱动方式中，加入了轻载标志产生电路402，电路402通过接收环路反馈控制信号，判断系统当前工作状态，当系统工作在轻载条件下时，轻载标志产生电路402输出信号409为高电平。当功率管关断信号408为高电平时，轻载标志信号409与功率管关断控制信号408，通过逻辑与门406，共同输出控制信号410为高电平，控制MOS管405导通，其控制功率开关管102 电流泄放能力412大小为I₂；同时，功率管关断信号408单独控制MOS管404 导通，其控制功率开关管102电流泄放能力411大小为I₁。由前述分析可知，为改善EMI，往往在空/轻载条件下，增强系统泄放能力，以降低待机功耗。在本实施例中，往往将泄放电流I₂设置为泄放电流I₁的若干倍，最终控制功率开关管 102关断的泄放电流能力大小为：I₁+I₂。

本领域的技术人员应当理解的是，在这里涉及的两路泄放电流I₁和I₂，仅仅是作为示例，在变更应用时，可以是更多支路的泄放电流，或不同强度的泄放电流能力，或不同增强泄放能力的方式等等，诸如此类的变更、替换和修改，都不应该过度地限制权利要求范围。在功率开关管102的电流泄放支路411和功率开关管102的电流泄放支路412的共同控制下，在空/轻载条件下，功率开关管102关断的泄放速度比起传统驱动控制方式下的泄放速度，会明显加快，这样一来，在空/轻载条件下的待机功耗将会显著下降。

当开关电源电路工作在重载条件下，轻载标志产生电路402输出信号409 为低电平，当当功率管关断信号408为高电平时，轻载标志信号409与功率管关断控制信号408，通过逻辑与门406，输出控制信号410为低电平，控制MOS 管405无法导通；功率管关断信号408单独控制MOS管404导通，其控制功率开关管102电流泄放能力411大小为I₁，最终控制功率开关管102关断的泄放电流能力大小为I₁。

故在重载条件下，功率开关管102关断的泄放速度仅为I₁，在开关电源电路设计时，往往将I₁“刻意”地降低，与传统驱动控制方式比，将该关断能力减小。由此，栅极驱动控制信号109电压下降速度，在重载条件下就会变得比传统方式下的关断速度慢，EMI也就得以改善。

需要说明的是，在实际功率管驱动信号中，为了改善EMI效果，往往从两个方面进行改善：驱动信号的上升沿--辐射EMI和驱动信号的下降沿--传导 EMI。在本实用新型专利中，以改善传导EMI为例，即以处理驱动信号的下降沿为例。

作为本实用新型的另一实施例，提供一种开关电源电路，其中，所述开关电源电路包括主控芯片、功率开关管和前文所述的栅极驱动电路，所述主控芯片与所述栅极驱动电路连接，所述栅极驱动电路与所述功率开关管连接，所述栅极驱动电路能够在所述主控芯片的控制下产生驱动所述功率开关管导通或关断的信号。

本实施例提供的开关电源电路，由于采用了前文的栅极驱动电路，通过轻载标志电路能够判断当前开关电源电路的工作状态，在工作状态为轻载时能够共同与功率管关断电路产生的关断信号控制功率开关管的关断，从而能够实现在空载条件下提高泄放能力的目的，进而降低了空载条件下的待机功耗，同时由于满载条件下功率管关断电路的泄放速度相比现有技术降低，故增加了延时，从而提高了满载条件下的EMI，因此本实施例提供的栅极驱动电路达到了兼顾了满载条件下的EMI和轻载条件下的待机功耗的目的。

优选地，所述主控芯片具体可以采用型号为SP2689的芯片实现。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种栅极驱动电路，其特征在于，所述栅极驱动电路包括：功率管导通电路、功率管关断电路和至少一路轻载标志电路，所述功率管导通电路、功率管关断电路和轻载标志电路的输入端均能够连接主控芯片，所述功率管导通电路、功率管关断电路和轻载标志电路的输出端均能够与功率开关管的栅极驱动端连接，每路所述轻载标志电路与所述功率管关断电路连接；

2.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述主控芯片的控制信号包括反馈控制信号和开关控制信号，所述功率管导通电路和所述功率管关断电路均根据所述开关控制信号交替导通，每路所述轻载标志电路均根据所述反馈控制信号判断当前开关电路的工作状态。

3.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述轻载标志电路包括：轻载标志产生电路和控制电路，所述轻载标志产生电路的输入端与所述主控芯片连接，所述轻载标志产生电路的输出端与所述控制电路连接；

4.根据权利要求3所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述控制电路包括逻辑与门和第一开关管，所述逻辑与门的第一输入端连接所述轻载标志产生电路，所述逻辑与门的第二输入端连接所述功率管关断电路，所述逻辑与门的输出端连接所述第一开关管的驱动端，所述第一开关管的第一端连接所述功率开关管的栅极驱动端，所述第一开关管的第二端连接信号地。

5.根据权利要求4所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述功率管关断电路包括功率管关断信号发生电路、第二开关管和第一电阻，所述功率管关断信号发生电路的输入端与所述主控芯片连接，所述功率管关断信号发生电路的输出端分别连接所述逻辑与门以及所述第二开关管的驱动端，所述第二开关管的第一端通过所述第一电阻连接所述功率开关管的栅极驱动端，所述第二开关管的第二端连接信号地。

6.根据权利要求5所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管均包括N型开关管。

7.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述功率管导通电路包括功率管导通信号发生电路和第三开关管，所述功率管导通信号发生电路的输入端与所述主控芯片连接，所述功率管导通信号发生电路的输出端与所述第三开关管的驱动端连接，所述第三开关管的第一端连接电源电压，所述第三开关管的第二端连接所述功率开关管的栅极驱动端。

8.根据权利要求7所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述第三开关管包括N型开关管。

9.一种开关电源电路，其特征在于，所述开关电源电路包括主控芯片、功率开关管和权利要求1至8中任意一项所述的栅极驱动电路，所述主控芯片与所述栅极驱动电路连接，所述栅极驱动电路与所述功率开关管连接，所述栅极驱动电路能够在所述主控芯片的控制下产生驱动所述功率开关管导通或关断的信号。