CN213990523U - 一种同步整流装置 - Google Patents

Abstract

一种同步整流装置，包括同步整流管、驱动控制电路、Vcc电容和对同步整流管栅极进行充电的充电电路，利用施加于同步整流装置的反向电压，通过充电电路给Vcc电容充电，当检测到Vcc电容电压上升到其上限值Vcc_H时，停止给Vcc电容充电；当检测到Vcc电压降低到下限值Vcc_L时，开始给Vcc电容充电，以使充电电路的开关管工作在间歇性且完全导通状态下。本实用新型通过控制Vcc电压的上下限，促使充电电路间歇性工作，大大的降低了供电电路的功耗；在待机状态下，工作频率更低时，Vcc端的电流消耗极小，充电电路工作的间歇时间会更长，进一步的降低功耗，减少发热和待机功耗。

Description

一种同步整流装置

技术领域

本实用新型涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种能降低供电电路的功率损耗的同步整流装置。

背景技术

二极管是一种常用的整流装置，在施加正向电压时导通，电流正向流过，而在施加反向电压时截止，反向电流被阻止，由于二极管导通时会有一个固有的导通压降，且电流越大，压降越大，二极管的损耗通常被描述为电流乘以导通压降，因此，随着流过二极管的电流的增大，其损耗也随之增大，造成开关电源效率的降低。为了解决整流二极管损耗的问题，可以采用功率半导体器件，如MOS管，替代二极管整流，即同步整流技术，与二极管不同的是，MOS管导通时的特性被描述为导通内阻，导通时的损耗被描述为流过MOS管有效值电流的平方乘以导通内阻，通常功率半导体的导通内阻很小，尤其是作为同步整流用的耐压较低的MOS管，导通内阻为毫欧姆级别，可以大大降低整流电路的损耗，从而提高开关电源的效率。采用功率半导体器件替代二极管作为整流装置的好处是提高了效率，但是功率半导体器件是受控器件，需要对电路的信号进行检测和控制，而检测电路和控制电路需要合适的电源供电才能正常工作。

NMB公司在1998年公布的美国专利US6060943A中公开了一种模拟二极管的电路，该电路具有A和K两个端子，从端子A到K的一个方向上流过电流，而在K到A的相反方向上截止电流；该电路还包括一个比较器和一个三端子切换装置，电压比较器控制三端子切换装置的控制端以接通切换装置,从而当端子A的电压高于端子K的电压时,从端子A到端子K导通电流,当端子K的电压高于端子A的电压时中断从端子K到端子A的电流。文献中提到的控制方法使得半导体器件具有和传统二极管相同的特性，目前已经成为公知技术，同时文献中未提及控制部分的电源供电方案。

英飞凌公司在2016年公布的中国专利CN105846695A中公开了一种用于同步整流器的自供电电路，该电路需要以隔离拓扑进行布置，包含初级侧和次级侧，其同步整流器布置在次级侧，具有同步整流晶体管、电压调节器、辅助晶体管、钳位器件和栅极驱动器电路。该充电电路示意图如图1所示，包括充电MOS管、稳压管等，基本原理是利用隔离拓扑初级侧开关动作在次级侧整流器产生的反向电压来给控制电路供电，通过充电MOS管栅极连接的稳压管对Vcc电压进行钳位，正常工作时，当Vcc电压与充电MOS管的栅极电压差小于辅助晶体管的开通阈值时，停止给Vcc充电，所以Vcc电压被稳压管钳位到一定的电压值下，实际应用中，当电路达到稳态时，辅助晶体管工作在非完全导通状态下，类似于线性稳压器，每个周期都会有电流流过辅助晶体管，造成极大的功率损耗，导致发热、效率低和待机功耗大的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型要解决的技术问题是提供一种同步整流装置，能降低供电电路的功率损耗，减少发热和待机功耗，提高开关电源效率。

为解决上述技术问题，本实用新型提供的技术方案如下：

一种同步整流装置，包括同步整流管、驱动控制电路、Vcc电容和充电电路，同步整流管的源极作为同步整流装置的阳极A，同步整流管的漏极作为同步整流装置的阴极K，驱动控制电路用以检测同步整流管两端的电压从而控制同步整流管的导通和关断，Vcc电容用以在同步整流管导通时给驱动控制电路提供适合的工作电压，充电电路用以控制Vcc电容电压，利用施加于同步整流管的反向电压，给Vcc电容充电，其特征在于：充电电路的输入端连接同步整流管的漏极和驱动控制电路的第一输入端，充电电路的第一输出端连接Vcc电容的一端和驱动控制电路的第二输入端，充电电路的第二输出端连接Vcc电容的另一端、驱动控制电路的第三输入端和同步整流管的源极，驱动控制电路的输出端连接同步整流管的栅极。

作为上述同步整流装置的一种具体实施方式，充电电路包括负压保护电路、开关电路、充电控制电路和限流电路；负压保护电路的输入端作为充电电路的输入端连接驱动控制电路的第一输入端和同步整流管的漏极，负压保护电路的输出端连接到开关电路的第一输入端，开关电路的第二输入端连接到充电控制电路的第一输出端，开关电路的输出端连接到限流电路的输入端，限流电路的输出端连接充电控制电路的第一输入端作为充电电路的第一输出端连接Vcc电容的一端和驱动控制电路的第二输入端，充电控制电路的第二输出端作为充电电路的第二输出端连接Vcc电容的另一端、驱动控制电路的第三输入端和同步整流管的源极，驱动控制电路的输出端连接同步整流管的栅极。

作为上述同步整流装置的一种具体实施方式，驱动控制电路包括信号检测电路和驱动电路，信号检测电路的第一输入端作为驱动控制电路的第一输入端，信号检测电路的第二输入端连接驱动电路的第一输入端作为驱动控制电路的第二输入端，同时作为供电端连接Vcc电容，信号检测电路的第三输入端连接信号检测电路的第四输入端同时连接驱动电路的第二输入端作为驱动控制电路的第三输入端，同时作为信号地连接到GND；信号检测电路的输出端连接驱动电路的第三输入端，驱动电路的输出端作为驱动控制电路的输出端连接同步整流管的栅极。

作为上述同步整流装置的一种具体实施方式，充电电路包括二极管、充电MOS管、恒流源、滞回比较器、稳压管、基准电压；二极管的阳极作为充电电路的输入端，二极管的阴极连接充电MOS管的漏极，充电MOS管的源极连接恒流源的一端，恒流源的另一端连接滞回比较器的第一输入端作为充电电路的第一输出端连接Vcc电容的一端，基准电压的正极连接滞回比较器的第二输入端，基准电压的负极连接稳压管的阳极作为充电电路的第二输出端连接Vcc电容的另一端；稳压管的阴极连接充电MOS管的栅极，同时连接滞回比较器的输出端。

作为上述同步整流装置的另一种具体实施方式，充电电路包括二极管、充电MOS管、限流电阻、滞回比较器、稳压管、基准电压；二极管的阳极作为充电电路的输入端，二极管的阴极连接充电MOS管的漏极，充电MOS管的源极连接限流电阻的一端，限流电阻的另一端连接滞回比较器的第一输入端作为充电电路的第一输出端连接Vcc电容的一端，基准电压的正极连接滞回比较器的第二输入端，基准电压的负极连接稳压管的阳极作为充电电路的第二输出端连接Vcc电容的另一端，稳压管的阴极连接充电MOS管的栅极，同时连接滞回比较器的输出端。

本实用新型的工作原理将在具体实施方式进行详细分析，本实用新型对比现有技术具有如下有益效果：

1、通过控制Vcc电压的上下限，促使充电电路间歇性工作，大大的降低了供电电路的功耗；

2、在待机状态下，工作频率更低时，Vcc端的电流消耗极小，充电电路工作的间歇时间会更长，进一步的降低功耗，减少发热和待机功耗。

附图说明

图1是现有技术的充电电路示意图；

图2是本实用新型一种同步整流装置的结构示意图；

图3是本实用新型一种同步整流装置的模块化结构示意图；

图4a是本实用新型一种同步整流装置充电电路的第一种器件连接结构示意图；

图4b是本实用新型一种同步整流装置充电电路的第二种器件连接结构示意图；

图5是本实用新型一种同步整流装置充电电路工作时主要波形图。

具体实施方式

为了更好的理解本实用新型的控制电路设计，现结合附图对本实用新型的具体实施例进行详细的说明。

具体实施例

如图2所示是本实用新型一种同步整流装置的结构示意图，包括同步整流管10、充电电路20、驱动控制电路30和Vcc电容40。同步整流管10是具有三个端子的N沟道MOS管，三个端子分别为漏极、源极和栅极，其栅极与源极之间的电压表示为驱动电压Vgs，其漏极作为同步整流装置的阴极K，其源极作为同步整流装置的阳极A，在阳极A和阴极K之间跨接有二极管10a；充电电路20的输入端连接同步整流装置的阴极K和驱动控制电路30的第一输入端，充电电路20的第一输出端连接Vcc电容40的一端和驱动控制电路30的第二输入端，充电电路20的第二输出端连接Vcc电容40的另一端、驱动控制电路30的第三输入端和同步整流装置的阳极A；驱动控制电路30的输出端连接同步整流管10的栅极。

驱动控制电路30用以检测同步整流管10两端的电压从而控制同步整流管10的导通和关断，当检测到同步整流管10两端为正向电压，即A端电压高于K端电压时，控制同步整流管10导通，电流由A端流向K端；当检测到同步整流管10两端为反向电压，即A端电压低于K端电压时，控制同步整流管10关闭，阻止电流由K端流向A端。

Vcc电容40用以在同步整流管10导通时给驱动控制电路30提供适合的工作电压，以供驱动控制电路30给同步整流管10提供驱动电压。

充电电路20用以控制Vcc电容40电压，利用施加于同步整流管10的反向电压，给Vcc电容充电，当检测到Vcc电压上升到上限值Vcc_H时，停止给Vcc电容充电；当检测到Vcc电压降低到下限值Vcc_L时，开始给Vcc电容充电。

图3是本实用新型一种同步整流装置的模块化的结构示意图，驱动控制电路30包括信号检测电路31和驱动电路32；信号检测电路31的第一输入端作为驱动控制电路30的第一输入端，信号检测电路31的第二输入端连接驱动电路32的第一输入端作为驱动控制电路30的第二输入端，同时作为供电端连接Vcc电容40，信号检测电路31的第三输入端连接信号检测电路31的第四输入端同时连接驱动电路32的第二输入端作为驱动控制电路30的第三输入端，同时作为信号地连接到GND；信号检测电路31的输出端连接驱动电路32的第三输入端，驱动电路32的输出端作为驱动控制电路30的输出端。

信号检测电路31用以检测同步整流管两端的电压，当检测到同步整流管两端为正向电压，即A端电压高于K端电压时，输出高电平给驱动电路；当检测到同步整流管两端为反向电压，即A端电压低于K端电压时，输出低电平给驱动电路。

驱动电路32用以驱动同步整流管的导通和关断，当驱动电路32接收来自信号检测电路31的信号为高电平时，控制同步整流管导通，电流由A端流向K端；当驱动电路32接收来自信号检测电路31的信号为低电平时，控制同步整流管关断，阻止电流由K端流向A端。

如图3所示，充电电路20包括负压保护电路21、开关电路22、限流电路23和充电控制电路24。负压保护电路21的输入端作为充电电路20的输入端，负压保护电路21的输出端连接开关电路22的第一输入端，开关电路22的第二输入端连接充电控制电路24的第一输出端，开关电路22的输出端连接限流电路23的输入端，限流电路23的输出端连接充电控制电路24的第一输入端同时作为充电电路20的第一输出端，充电控制电路24的第二输出端作为充电电路20的第二输出端。

负压保护电路21是一种允许电流单向流过，阻止电流反向流过的电路，用以在同步整流管两端为正向电压时，阻止电流从充电电路20中流过；在同步整流管两端为反向电压时，允许电流从充电电路中流过。

开关电路22用以提供充电的路径，具有导通和关断两种状态，受控于充电控制电路24。

充电控制电路24用以检测和控制Vcc电容上的电压在一个合理的范围内，当检测到Vcc电压上升到上限值Vcc_H时，给出关断信号给开关电路22，停止给Vcc电容充电；当检测到Vcc电压降低到下限值Vcc_L时，给出开通信号给开关电路22，开始给Vcc电容充电。

作为充电电路20的一种具体实施方式，如图4a所示是本实用新型一种同步整流装置充电电路的第一种器件连接结构示意图，充电电路20包括二极管21、充电MOS管22、恒流源23a、滞回比较器241、稳压管242、基准电压243。二极管21的阳极作为充电电路20的输入端，二极管21的阴极连接充电MOS管22的漏极，充电MOS管22的源极连接恒流源23a的一端，恒流源23a的另一端连接Vcc电容40的一端同时连接滞回比较器241的第一输入端，作为充电电路20的第一输出端，基准电压243的正极连接滞回比较器241的第二输入端，基准电压243的负极连接Vcc电容40的另一端同时连接稳压管242的阳极，作为充电电路20的第二输出端，稳压管242的阴极连接充电MOS管22的栅极，同时连接滞回比较器241的输出端。

如图4b所示是本实用新型一种同步整流装置充电电路的第二种器件连接结构示意图，充电电路20包括二极管21、充电MOS管22、限流电阻23b、滞回比较器241、稳压管242、基准电压243。二极管21的阳极作为充电电路20的输入端，二极管21的阴极连接充电MOS管22的漏极，充电MOS管22的源极连接限流电阻23b的一端，限流电阻23b的另一端连接Vcc电容40的一端同时连接滞回比较器241的第一输入端，作为充电电路20的第一输出端，基准电压243的正极连接滞回比较器241的第二输入端，基准电压243的负极连接Vcc电容40的另一端同时连接稳压管242的阳极，作为充电电路20的第二输出端，稳压管242的阴极连接到充电MOS管22的栅极，同时连接滞回比较器241的第一输出端。

上述同步整流装置充电电路的两种器件连接结构中限流电路可以选用恒流源，也可以选择限流电阻，其区别在于：采用限流电阻为低成本应用，方案简单，其弊端为会导致充电电流随输入电压变化而变化，越低压，充电电流越小，难以保持供电的稳定；采用恒流源，方案略复杂，成本较限流电阻高，但恒流源可适用于宽电压范围，保证不同电压下充电电流的稳定，从而保持供电的稳定。

上述充电电路20的工作原理为：当检测到Vcc电压低于Vcc_L时，滞回比较器241输出高电平，此时充电MOS管22打开，在同步整流管两端电压为反向电压，即A端电压低于K端电压时，电流经二极管21、充电MOS管22和限流电路23给Vcc电容40充电；当检测到Vcc电压高于Vcc_H时，滞回比较器241输出低电平，此时充电MOS管22关断，充电电流被充电MOS管22阻止，在同步整流管两端为正向电压，即A端电压高于K端电压时，反向电流被二极管21阻止，此时充电电路20停止工作。当滞回比较器失效或者电路受到干扰时，Vcc电容40的电压有可能会超过Vcc_H，此时稳压管242将充电MOS管22的栅极电压钳位到一定的电压，该电压为人为设定的安全电压，当Vcc电容40的电压超过Vcc_H继续增大时，会使得充电MOS管22的栅极到源极电压低于其导通阈值而关断，有效防止Vcc电容40电压过高而损坏同步整流装置的其他电路。

如图5所示为本实用新型一种同步整流装置充电电路工作时主要波形图。t0时刻，系统开始工作，同步整流管两端开始出现正负电压，此时Vcc电压为零，充电电路20开始以最大电流给Vcc电容40充电，驱动控制电路30不工作，同步整流管10为关断状态，当同步整流装置两端为正向电压，即A端电压高于K端电压时，电流经过二极管10a，其导通压降为VF。

t1时刻，Vcc电压上升到Vth，达到驱动控制电路30的工作阈值，开始工作，此时，当检测到同步整流管两端为正向电压，即A端电压高于K端电压时，驱动控制电路30控制同步整流管10导通，电流经过同步整流管10由A端流向K端；当检测到同步整流装置两端为反向电压，即A端电压低于K端电压时，驱动控制电路30控制同步整流管10关闭，阻止电流由K端流向A端；随着Vcc电压的上升，充电电路20的充电电流逐渐减小，驱动控制电路30输出的驱动电压Vgs跟随Vcc电压，其导通压降为Vds_on。

t2时刻，Vcc电压上升到Vcc_H，达到了充电控制电路24所控制的电压上限，充电电路20停止给Vcc电容40充电，Vcc电压停止上升，此时仅由Vcc电容40维持驱动控制电路30的正常工作，随着电路的不断消耗，Vcc电压逐渐降低。

t3时刻，Vcc电压下降到Vcc_L，达到了充电控制电路24所控制的电压下限，充电电路20重新开始给Vcc电容40充电，Vcc电压重新开始上升，维持驱动控制电路30的正常工作。

t4时刻，Vcc电压受到滞回比较器失效或者干扰而飘高，超过了Vcc_H，此时虽然充电电路20停止给Vcc电容40充电，但其电压依然上升，当上升到Vcc_max时，稳压二极管242开始工作，将Vcc电压钳位到Vcc_max，保护其他电路。

由于充电电路间歇性工作且工作在完全导通状态下，相对于连续工作在非完全导通状态，充电电路的损耗大大降低，尤其在待机状态下，工作频率较低时，Vcc端的电流消耗极小，所以充电电路工作的间歇时间会更长，进一步的降低功耗，从而达到减少发热和待机功耗，提高开关电源效率的目的。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本实用新型的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，对变压器结构进行改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围，这里不再用实施例赘述，本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (5)

1.一种同步整流装置，包括同步整流管、驱动控制电路、Vcc电容和充电电路，同步整流管的源极作为同步整流装置的阳极A，同步整流管的漏极作为同步整流装置的阴极K，驱动控制电路用以检测同步整流管两端的电压从而控制同步整流管的导通和关断，Vcc电容用以在同步整流管导通时给驱动控制电路提供适合的工作电压，充电电路用以控制Vcc电容电压，利用施加于同步整流管的反向电压，给Vcc电容充电，其特征在于：充电电路的输入端连接同步整流管的漏极和驱动控制电路的第一输入端，充电电路的第一输出端连接Vcc电容的一端和驱动控制电路的第二输入端，充电电路的第二输出端连接Vcc电容的另一端、驱动控制电路的第三输入端和同步整流管的源极，驱动控制电路的输出端连接同步整流管的栅极。

2.根据权利要求1所述的一种同步整流装置，其特征在于：所述充电电路，包括负压保护电路、开关电路、充电控制电路和限流电路；负压保护电路的输入端作为充电电路的输入端连接驱动控制电路的第一输入端和同步整流管的漏极，负压保护电路的输出端连接到开关电路的第一输入端，开关电路的第二输入端连接到充电控制电路的第一输出端，开关电路的输出端连接到限流电路的输入端，限流电路的输出端连接充电控制电路的第一输入端作为充电电路的第一输出端连接Vcc电容的一端和驱动控制电路的第二输入端，充电控制电路的第二输出端作为充电电路的第二输出端连接Vcc电容的另一端、驱动控制电路的第三输入端和同步整流管的源极。

3.根据权利要求1所述的一种同步整流装置，其特征在于：所述驱动控制电路包括信号检测电路和驱动电路；信号检测电路的第一输入端作为驱动控制电路的第一输入端，信号检测电路的第二输入端连接驱动电路的第一输入端作为驱动控制电路的第二输入端，同时作为供电端连接Vcc电容，信号检测电路的第三输入端连接信号检测电路的第四输入端同时连接驱动电路的第二输入端作为驱动控制电路的第三输入端，同时作为信号地连接到GND；信号检测电路的输出端连接驱动电路的第三输入端，驱动电路的输出端作为驱动控制电路的输出端连接同步整流管的栅极。

4.根据权利要求2所述的一种同步整流装置，其特征在于：所述充电电路包括二极管、充电MOS管、恒流源、滞回比较器、稳压管、基准电压；二极管的阳极作为充电电路的输入端，二极管的阴极连接充电MOS管的漏极，充电MOS管的源极连接恒流源的一端，恒流源的另一端连接滞回比较器的第一输入端作为充电电路的第一输出端连接Vcc电容的一端，基准电压的正极连接滞回比较器的第二输入端，基准电压的负极连接稳压管的阳极作为充电电路的第二输出端连接Vcc电容的另一端；稳压管的阴极连接充电MOS管的栅极，同时连接滞回比较器的输出端。

5.根据权利要求2所述的一种同步整流装置，其特征在于：所述充电电路包括二极管、充电MOS管、限流电阻、滞回比较器、稳压管、基准电压；二极管的阳极作为充电电路的输入端，二极管的阴极连接充电MOS管的漏极，充电MOS管的源极连接限流电阻的一端，限流电阻的另一端连接滞回比较器的第一输入端作为充电电路的第一输出端连接Vcc电容的一端，基准电压的正极连接滞回比较器的第二输入端，基准电压的负极连接稳压管的阳极作为充电电路的第二输出端连接Vcc电容的另一端，稳压管的阴极连接充电MOS管的栅极，同时连接滞回比较器的输出端。

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