CN219535881U - 一种死区控制电路及开关电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种死区控制电路，用于采用有源钳位反激拓扑的开关电源，开关电源包括控制电路、驱动电路及主功率电路；死区控制电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、比较器U1、MOS管Q1、二极管D1及电容C1；比较器U1的负相输入端接收电阻R3和电阻R4采集的输入电压信号，负相输入端接基准电压Vref，输出端接MOS管Q1的栅极；MOS管Q1的漏极与电阻R2的第一端连接；电阻R2的第二端分别与电容C1的第一端、电阻R1的第一端和二极管D1的阳极连接后接驱动电路的输入端；电阻R1的第二端与二极管D1的阴极连接后接控制电路的输出端；电阻R4的第二端、MOS管Q1的源极与电容C1的第二端均接地。本申请电路结构简单且在全输入范围下死区时间可调。

Description

一种死区控制电路及开关电源

技术领域

本实用新型涉及开关电源领域，尤其涉及一种应用于有源钳位反激拓扑的死区控制电路。

背景技术

在有源钳位反激电路中，通过实现开关管的零电压导通(ZVS)或波谷导通能够减少开关管的开关损耗从而实现更高的效率，而为提高效率同时降低整流管的应力，有源钳位反激电路一般在低压输入时工作在CCM模式(连续模式)，在标称及高压输入时工作在DCM模式(断续模式)，但由于工作在CCM模式和DCM模式实现ZVS或波谷导通所需要的死区时间(钳位管关断到开关管关断的时间)不同，因此需要对有源钳位反激电路进行死区时间调节，一般来说，DCM模式下所需死区时间比较短，CCM模式下所需死区时间比较长。

为使有源钳位反激电路在CCM模式和DCM模式下都能实现死区时间自适应调节，业界常在反激有源钳位拓扑中采用IC控制来调节，但IC控制较为复杂且一般应用于高压输入，不太适用于低压输入；目前，应用于低压输入的反激有源钳位电路一般采用固定死区的控制方式，此方式控制简单，调试方便，但由于无法实现死区调试，难以保证开关电源的主功率开关管在全输入范围下实现零电压导通或波谷导通。

实用新型内容

鉴于现有技术存在的问题，本申请提供一种死区控制电路及开关电源，所述开关电源采用有源钳位反激拓扑，以解决固定死区控制不能满足主功率开关管在全输入范围下零电压导通或波谷导通，从而产生较大开关损耗的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

第一方面，提供一种死区控制电路，应用于开关电源，开关电源采用有源钳位反激拓扑，开关电源包括控制电路、驱动电路及主功率电路；死区控制电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、比较器U1、开关单元及电容C1；

电阻R3的第一端接入输入电压Vin，第二端分别与电阻R4的第一端和比较器U1的负相输入端连接；比较器U1的正相输入端接基准电压Vref，比较器U1的输出端与开关单元的控制端连接；开关单元的输出端与电阻R2的第一端连接；电阻R2的第二端分别与电容C1的第一端和电阻R1的第一端连接，其公共端与驱动电路的输入端连接；电阻R1的第二端与控制电路的输出端连接；电阻R4的第二端、开关单元的接地端与电容C1的第二端均接输入参考地GND_in。

作为优选，开关单元为电压型开关器件。

作为优选，开关单元为MOS管Q1，开关单元的控制端为MOS管Q1的栅极，开关单元的输出端为MOS管Q1的漏极，开关单元的接地端为MOS管Q1的源极。

作为优选，开关单元为电流型开关器件。

作为优选，开关单元包括：三极管Q1、电阻R5及电阻R6，电阻R5的第一端作为开关电源的控制端，电阻R5的第二端分别与三极管Q1的基极和电阻R6的第一端连接；三极管Q1的发射极与电阻R6的第二端的连接节点作为开关单元的接地端，三极管Q1的集电极作为开关单元的输出端。

作为优选，死区控制电路还包括下拉单元，下拉单元接在电阻R1的两端，用于快速关断主功率电路中的开关管。

作为优选，下拉单元为二极管D1，二极管D1的阳极与电阻R1的第一端连接，二极管D1的阴极与电阻R1的第二端连接。

第二方面，提供一种死区控制电路，应用于开关电源，开关电源采用有源钳位反激拓扑，开关电源包括控制电路、驱动电路及主功率电路；死区控制电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、比较器U1、MOS管Q1、二极管D1及电容C1；

电阻R3的第一端接入输入电压Vin，第二端分别与电阻R4的第一端和比较器U1的负相输入端连接；比较器U1的正相输入端接基准电压Vref，比较器U1的输出端与MOS管Q1的栅极连接；MOS管Q1的漏极与电阻R2的第一端连接；电阻R2的第二端分别与电容C1的第一端、电阻R1的第一端和二极管D1的阳极连接，其公共端与驱动电路的输入端连接；电阻R1的第二端与二极管D1的阴极连接，其公共端与控制电路的输出端连接；电阻R4的第二端、MOS管Q1的源极与电容C1的第二端均接输入参考地GND_in。

第三方面，提供一种死区控制电路，应用于开关电源，开关电源采用有源钳位反激拓扑，开关电源包括控制电路、驱动电路及主功率电路；死区控制电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、比较器U1、三极管Q1、二极管D1及电容C1；

电阻R3的第一端接入输入电压Vin，第二端分别与电阻R4的第一端和比较器U1的负相输入端连接；比较器U1的正相输入端接基准电压Vref，比较器U1的输出端经电阻R5与三极管Q1的基极连接；电阻R6接在三极管Q1的基极与发射极之间；三极管Q1的集电极与电阻R2的第一端连接；电阻R2的第二端分别与电容C1的第一端、电阻R1的第一端和二极管D1的阳极连接，其公共端与驱动电路的输入端连接；电阻R1的第二端与二极管D1的阴极连接，其公共端与控制电路的输出端连接；电阻R4的第二端、三极管Q1的发射极与电容C1的第二端均接输入参考地GND_in。

此外，还提供一种开关电源，开关电源采用有源钳位反激拓扑，包括控制电路、驱动电路及主功率电路；还包括上述任一项死区控制电路。

本申请的工作原理结合具体的实施方式进行详细分析，在此不赘述，本申请的有益效果在于：本实用新型提供一种可应用于全输入范围的有源钳位反激拓扑的死区控制电路，在标称及高压输入时减少死区时间，在低压输入时增加死区时间，从而实现开关管的ZVS或波谷导通；相较于使用控制IC，本申请通过简单的电路设计便可使有源钳位反激电路在CCM模式和DCM模式下都能实现死区时间自适应调节，在简化电路结构的同时降低了开关管的损耗；此外，通过在死区控制电路中增设下拉单元，实现快速关断主功率开关管的功能。本申请电路结构简单、制造成本低且灵活可靠。

附图说明

图1为本实用新型所提供的死区控制电路的电路原理框图；

图2为本实用新型第一实施例的电路原理图；

图3为本实用新型第二实施例的电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本说明书(包括任何摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

图1为本实用新型所提供的死区控制电路的原理框图，所述死区控制电路应用于采用有源钳位反激拓扑的开关电源，所述开关电源包括：控制电路、驱动电路及主功率电路；所述控制电路、所述驱动电路与所述主功率电路依次连接，所述死区控制电路接在所述控制电路与所述驱动电路之间。

所述控制电路单元在开关电源中根据采集到的输出电压、输入电压和输入电流等信号，输出合适占空比的PWM驱动信号VHgs1和VLgs1,以保证输出电压稳定；其中，VHgs1为钳位管驱动信号，VLgs1为开关管驱动信号；

所述死区控制电路根据所接收到的开关管驱动信号VLgs1输出开关管驱动控制信号VLgs2，并传输至所述驱动电路；所述死区控制电路通过检测输入电压的变化进而产生不同的死区时间，从而适应DCM模式和CCM模式下的死区要求；

所述驱动电路根据所接收到的钳位管驱动信号VHgs1和开关管驱动控制信号VLgs2输出钳位管控制信号VHgs2和开关管控制信号VLgs3，并传输至所述主功率电路，用以控制所述主功率电路中的钳位管和开关管的导通与关断，从而使变压器从储存能量到副边释放能量实现功率变换的过程。

所述死区控制电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、比较器U1、开关单元及电容C1；

电阻R3的第一端接入输入电压Vin，第二端分别与电阻R4的第一端和比较器U1的负相输入端连接；比较器U1的正相输入端接基准电压Vref，比较器U1的输出端与开关单元的控制端连接；开关单元的输出端与电阻R2的第一端连接；电阻R2的第二端分别与电容C1的第一端和电阻R1的第一端连接，其公共端与驱动电路的输入端连接；电阻R1的第二端与控制电路的输出端连接；电阻R4的第二端、开关单元的接地端与电容C1的第二端均接输入参考地GND_in。

作为开关单元的一个具体实施方式，所述开关单元为电压型开关器件，或者电流型开关器件；

若所述开关单元为电压型开关器件，则开关单元为MOS管Q1，开关单元的控制端为MOS管Q1的栅极，开关单元的输出端为MOS管Q1的漏极，开关单元的接地端为MOS管Q1的源极；

若所述开关单元为电流型开关器件，则开关单元包括：三极管Q1、电阻R5及电阻R6，电阻R5的第一端作为开关电源的控制端，电阻R5的第二端分别与三极管Q1的基极和电阻R6的第一端连接；三极管Q1的发射极与电阻R6的第二端的连接节点作为开关单元的接地端，三极管Q1的集电极作为开关单元的输出端。

作为优选，所述死区控制电路还包括下拉单元，下拉单元接在电阻R1的两端，用于快速关断主功率电路中的开关管；

作为下拉单元的一个具体实施方式，所述下拉单元为下拉二极管或者三极管。

下面将结合具体电路原理图对本实用新型做进一步详细描述。

第一实施例

图2所示为本实施例所提供的死区控制电路的电路原理图，在本实施例中，提供一种死区控制电路，应用于开关电源，开关电源采用有源钳位反激拓扑，开关电源包括控制电路、驱动电路及主功率电路；死区控制电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、比较器U1、开关单元、电容C1及下拉单元；所述开关单元为电压型开关器件，采用MOS管Q1；所述下拉单元为二极管D1；

电阻R3的第一端接入输入电压Vin，第二端分别与电阻R4的第一端和比较器U1的负相输入端连接；比较器U1的正相输入端接收基准电压Vref，比较器U1的输出端与MOS管Q1的栅极连接；MOS管Q1的漏极与电阻R2的第一端连接；电阻R2的第二端分别与电容C1的第一端、电阻R1的第一端和二极管D1的阳极连接，其公共端与驱动电路的输入端连接；电阻R1的第二端与二极管D1的阴极连接，其公共端与控制电路的输出端连接；电阻R4的第二端、MOS管Q1的源极与电容C1的第二端均接输入参考地GND_in。

本实施例的工作原理如下：

第一个工作状态，当输入电压较高时，比较器U1的负相输入端通过电阻R3和电阻R4所采集的输入电压Vin的电压信号大于正相输入的基准电压Vref，此时，比较器U1的输出端输出低电平，MOS管Q1处于关断状态，MOS管Q1的DS端呈高阻抗状态，使得电阻R2处于开路状态；由有源钳位反激电路的控制时序可知，控制电路的输出端发出的钳位管驱动信号VHgs1为高电平信号，且高电平信号关断后经过一段延时再发出用于驱动开关管的高电平信号，即开关管驱动信号VLgs1也为高电平信号，开关管驱动信号VLgs1通过电阻R1给电容C1充电，并输出钳位管控制信号VLgs2，当钳位管控制信号VLgs2达到驱动电路的输入电压阈值时，驱动电路得以启动并输出开关管控制信号VLgs3至主功率，用以控制主功率电路中开关管的导通与关断。由于电容C1充电需要一定的时间，因此驱动电路的输出端输出开关管控制信号VLgs3时也会产生一定的延时时间；而控制电路所输出的钳位管驱动信号VHgs1直接传输至驱动电路的输入端，期间不产生延时直接通过驱动电路所输出的钳位管控制信号VHgs2控制主功率电路中钳位管的导通与关断；由此可见，通过调节电阻R1的阻值和电容C1的容值可对VHgs2和VLgs3延时进行调节，通过调试可找到最合适的死区时间，从而实现ZVS或波谷导通，此死区时间适合用于DCM模式下所需延时较短的情况。

第二个工作状态，当输入电压较低时，比较器U1的负相输入端所采集的电压信号小于正相输入的基准电压Vref，此时，比较器U1的输出端输出高电平，MOS管Q1处于导通状态，MOS管Q1的DS端呈低阻抗状态，电阻R2和电容C1并联，使得电阻R1给电容C1充电的同时，也会有部分电流流向电阻R2，致使电容C1的充电时间变长，钳位管控制信号VLgs2达到驱动电路的输入电压阈值的时间延长，使得驱动电路所输出的钳位管控制信号VHgs2和开关管控制信号VLgs3传输至主功率电路的时间延长，进而使得死区时间变长；由此可见，通过调节电阻R2的阻值可进一步调节死区的延长时间，此死区时间适合用于CCM模式下所需延时较长的情况。

综上所述，本实施例所提供的死区控制电路通过采集输入电压Vin的电压信号与比较器U1的基准电压Vref进行比较，进而针对不同的输入电压范围产生不同的死区时间，使有源钳位反激电路在CCM模式和DCM模式下都能实现死区时间自适应调节，保证开关电源的主功率开关管可以在全输入范围下实现零电压导通或波谷导通，本实施例电路结构简洁、灵活可靠且制造成本低，电路效率得到显著优化。

第二实施例

图3为本实施例所提供的死区控制电路的电路原理图，本实施例作为第一实施例的一种优选方案，其电路结构与第一实施例类似，主要区别在于：本实施例中的开关单元采用的电流型开关器件，包括三极管Q1、电阻R5及电阻R6；电阻R5的第一端作为开关电源的控制端与比较器U1的输出端连接，电阻R5的第二端分别与三极管Q1的基极和电阻R6的第一端连接；三极管Q1的集电极作为开关单元的输出端与电阻R2的第一端连接；三极管Q1的发射极与电阻R6的第二端均接输入参考地GND_in。

本实施例是第一实施例的简单变型，其细微区别在于比较器U1输出端的电压信号通过电阻R5和电阻R6分压后再驱动三极管Q1的导通与关断，防止三极管Q1误导通；本实施例的工作原理与第一实施例的工作原理大致相同，此处不再赘述。

需要说明的是，以上仅是本实用新型的优选实施例，应当指出的是，上述优选实施例不应视为对本实用新型的限制，还应认识到，本实用新型可应用于其它更为广泛的范围中。按照本实用新型的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本实用新型上述基本技术思想前提下，本实用新型还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，这些修改、替换或变更均落在本实用新型权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种死区控制电路，应用于开关电源，所述开关电源采用有源钳位反激拓扑，所述开关电源包括控制电路、驱动电路及主功率电路；其特征在于，所述死区控制电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、比较器U1、开关单元及电容C1；

所述电阻R3的第一端接入输入电压Vin，第二端分别与所述电阻R4的第一端和所述比较器U1的负相输入端连接；所述比较器U1的正相输入端接基准电压Vref，输出端与所述开关单元的控制端连接；所述开关单元的输出端与所述电阻R2的第一端连接；所述电阻R2的第二端分别与所述电容C1的第一端和所述电阻R1的第一端连接，其公共端与所述驱动电路的输入端连接；所述电阻R1的第二端与所述控制电路的输出端连接；所述电阻R4的第二端、所述开关单元的接地端与所述电容C1的第二端均接输入参考地GND_in。

2.根据权利要求1所述的死区控制电路，其特征在于，所述开关单元为电压型开关器件。

3.根据权利要求2所述的死区控制电路，其特征在于，所述开关单元为MOS管Q1，所述开关单元的控制端为MOS管Q1的栅极，所述开关单元的输出端为MOS管Q1的漏极，所述开关单元的接地端为MOS管Q1的源极。

4.根据权利要求1所述的死区控制电路，其特征在于，所述开关单元为电流型开关器件。

5.根据权利要求4所述的死区控制电路，其特征在于，所述开关单元包括：三极管Q1、电阻R5及电阻R6，所述电阻R5的第一端作为所述开关电源的控制端，所述电阻R5的第二端分别与所述三极管Q1的基极和所述电阻R6的第一端连接；所述三极管Q1的发射极与所述电阻R6的第二端的连接节点作为所述开关单元的接地端，所述三极管Q1的集电极作为所述开关单元的输出端。

6.根据权利要求1所述的死区控制电路，其特征在于，还包括下拉单元，所述下拉单元接在所述电阻R1的两端，用于快速关断所述主功率电路中的开关管。

7.根据权利要求6所述的死区控制电路，其特征在于，所述下拉单元为二极管D1，所述二极管D1的阳极与所述电阻R1的第一端连接，所述二极管D1的阴极与所述电阻R1的第二端连接。

8.一种死区控制电路，应用于开关电源，所述开关电源采用有源钳位反激拓扑，所述开关电源包括控制电路、驱动电路及主功率电路；其特征在于，所述死区控制电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、比较器U1、MOS管Q1、二极管D1及电容C1；

所述电阻R3的第一端接入输入电压Vin，第二端分别与所述电阻R4的第一端和所述比较器U1的负相输入端连接；所述比较器U1的正相输入端接基准电压Vref，所述比较器U1的输出端与所述MOS管Q1的栅极连接；所述MOS管Q1的漏极与所述电阻R2的第一端连接；所述电阻R2的第二端分别与所述电容C1的第一端、所述电阻R1的第一端和所述二极管D1的阳极连接，其公共端与所述驱动电路的输入端连接；所述电阻R1的第二端与所述二极管D1的阴极连接，其公共端与所述控制电路的输出端连接；所述电阻R4的第二端、所述MOS管Q1的源极与所述电容C1的第二端均接输入参考地GND_in。

9.一种死区控制电路，应用于开关电源，所述开关电源采用有源钳位反激拓扑，所述开关电源包括控制电路、驱动电路及主功率电路；其特征在于，所述死区控制电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、比较器U1、三极管Q1、二极管D1及电容C1；

所述电阻R3的第一端接入输入电压Vin，第二端分别与所述电阻R4的第一端和所述比较器U1的负相输入端连接；所述比较器U1的正相输入端接基准电压Vref，所述比较器U1的输出端经所述电阻R5与所述三极管Q1的基极连接；所述电阻R6接在所述三极管Q1的基极与发射极之间；所述三极管Q1的集电极与所述电阻R2的第一端连接；所述电阻R2的第二端分别与所述电容C1的第一端、所述电阻R1的第一端和所述二极管D1的阳极连接，其公共端与所述驱动电路的输入端连接；所述电阻R1的第二端与所述二极管D1的阴极连接，其公共端与所述控制电路的输出端连接；所述电阻R4的第二端、所述三极管Q1的发射极与所述电容C1的第二端均接输入参考地GND_in。

10.一种开关电源，所述开关电源采用有源钳位反激拓扑，包括控制电路、驱动电路及主功率电路；其特征在于，还包括权利要求1-9任一项所述的死区控制电路。