與輸出電容直接並聯的MOSFET同步整流電路及同步整流方法與流程

2023-05-04 18:55:11

本發明屬於電子技術領域，涉及同步整流電路，更具體地說，本發明涉及一種用於可與輸出濾波電容直接並聯的低成本同步整流電路，即與輸出電容直接並聯的MOSFET同步整流電路及方法。

背景技術：
在低壓大電流交直流應用中，首先需要一個橋式整流器將輸入的交流轉變為直流；在交流轉變為直流的過程中，橋式整流器的損失是降低整個系統效率主要因數；如通常橋式整流器的輸入電壓為6V，而橋式整流器兩端的電壓降是大約1.5V，即通過橋式整流器後的電位損失可以達到25％。為了減少損失，研究中發現，通過使用肖特基二極體，可以將損失降低50％左右，而使用如圖1所示的具有MOSFET的同步整流橋，則可以將損失進一步降低(降低到幾乎為零的程度)，從而使得系統的效率大大提高。如圖1所示的MOSFET同步整流橋由兩個P溝道MOSFET和兩個N溝道MOSFET構成，以上所述的四個MOSFET(兩個P溝道MOSFET和兩個N溝道MOSFET)由MOSFET同步整流橋的交流輸入驅動。這類的MOSFET同步整流橋電路結構十分簡單，且成本低廉，並能在比較寬的輸入電壓範圍內使用。但是此類MOSFET同步整流橋的輸出不能與輸出濾波電容直接並聯。具體的說，在此類MOSFET同步整流橋中，MOSFET的作用是同步整流橋的交流輸入控制的雙向開關閥，而不是用於電流流動的單向開關閥；因此，輸出濾波電容會向同步整流橋反向輸入電流而回饋到交流輸入或被MOSFET短路；由於以上所述的缺陷，導致了此類電路電源應用的輸出必須是電感或電阻；並且限制了此類電路在許多場合的應用。

技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種與輸出電容直接並聯的MOSFET同步整流電路及方法。為了解決上述技術問題，本發明提供一種與輸出電容直接並聯的MOSFET同步整流電路，包括包括MOSFET構成的整流電路；所述MOSFET構成的整流電路中包括兩個用於電流流動的單向開關閥和兩個雙向開關閥。作為對本發明的與輸出電容直接並聯的MOSFET同步整流電路的改進：所述單向開關閥通過MOSFET和驅動電路A構成；所述驅動電路A包括依次信號連接的MOSFET檢測網絡、電平比較器和驅動器；所述MOSFET檢測網絡包括電流源、電阻和穩壓管；MOSFET檢測網絡的輸入端與MOSFET構成的整流電路的電壓輸入端相連接，所述電阻的一端與MOSFET檢測網絡的輸入端相連接，所述電阻的另外一端與MOSFET檢測網絡的輸出端相連接，所述電流源和穩壓管分別在MOSFET檢測網絡的輸出端與電阻相連接；所述電壓比較器包括參考電壓和比較器；所述參考電壓與比較器的正極輸入端相連接；所述MOSFET檢測網絡的輸出端與比較器的負極輸入端相連接；所述比較器的輸出端與驅動器的輸入端相連接；所述驅動器的輸出端與MOSFET的柵極相連接；所述的電流源通過在參考電壓上外接外接電阻產生。一種與輸出電容直接並聯的MOSFET同步整流電路的方法：MOSFET構成的整流電路的電壓輸入端向MOSFET檢測網絡輸入輸入電壓Vin；所述MOSFET檢測網絡輸出輸出電壓VO；所述輸出電壓VO輸入到電壓比較器；電壓比較器通過輸出電壓VO和參考電壓Vref進行比較後輸出電平信號；所述驅動器根據電壓比較器輸出的電平信號控制MOSFET的開通和關斷。作為對本發明的與輸出電容直接並聯的MOSFET同步整流電路的方法的改進：當輸入電壓Vin大於穩壓管電壓VCLAMP時，MOSFET檢測網絡的輸出電壓VO是VCLAMP；當輸入電壓Vin小於穩壓管電壓VCLAMP時，MOSFET檢測網絡的輸出電壓VO＝ISS×RDET+VDS；所述VDS為MOSFET工作於同步整流狀態時，MOSFET所流過的電流IDS在MOSFET的導通電阻RDSON上的電壓降；所述電流IDS為負值，所述電壓降VDS<0。作為對本發明的與輸出電容直接並聯的MOSFET同步整流電路的方法的改進：所述輸出電壓VO大於參考電壓Vref，比較器輸出低電平；所述參考電壓Vref大於輸出電壓VO，比較器輸出高電平。作為對本發明的與輸出電容直接並聯的MOSFET同步整流電路的方法的改進：所述低電平經驅動器輸出到MOSFET的柵極，使得MOSFET關斷；所述高電平經驅動器輸出到MOSFET的柵極，使得MOSFET保持開通。作為對本發明的與輸出電容直接並聯的MOSFET同步整流電路的方法的改進：當MOSFET關斷時，流過MOSFET的電流換流到MOSFET的體二極體；所述MOSFET的體二極體的電流為零時，MOSFET的電壓降VDS增加；所述MOSFET的電壓降VDS大於穩壓管電壓VCLAMP時，MOSFET檢測網絡的輸出電壓VO為穩壓管電壓VCLAMP。在現有的MOSFET同步整流橋中，由於四個MOSFET的作用都是受同步整流橋的交流輸入控制的雙向開關閥而不是用於電流流動的單向開關閥，MOSFET同步整流橋的輸出不能與輸出濾波電容直接並聯。所以在本發明的與輸出電容直接並聯的MOSFET同步整流電路及方法中，四個MOSFET中，採用了兩個MOSFET是被控制成用於電流流動的單向開關閥的結構，如兩個P溝道MOSFET為單向開關閥的結構組合，一個P溝道MOSFET和一個N溝道MOSFET為單向開關閥的結構組合，或兩個N溝道MOSFET為單向開關閥的結構組合；這樣的結構組合使得MOSFET同步整流橋能與輸出濾波電容直接並聯，這種結構組合的MOSFET同步整流橋輸出的電容沒有向同步整流橋反向輸入電流的通路；也就是說，通過如下的四種組合形成的一系列MOSFET同步整流橋都能與輸出濾波電容直接並聯(輸出電容沒有了向這同步整流橋反向輸入電流的通路)，四種組合如下：第一種組合(如圖4所示)：兩個P溝道MOSFET為雙向開關閥的結構、兩個N溝道MOSFET為單向開關閥的結構組合；第二種組合(如圖5所示)：兩個P溝道MOSFET為單向開關閥的結構、兩個N溝道MOSFET為雙向開關閥的結構組合；第三種組合(如圖2所示)：一個P溝道MOSFET和一個N溝道MOSFET為單向開關閥的的結構、一個P溝道MOSFET和一個N溝道MOSFET為雙向開關閥的結構組合；第四種組合(如圖3所示)：一個P溝道MOSFET和一個N溝道MOSFET為單向開關閥的的結構、一個P溝道MOSFET和一個N溝道MOSFET為雙向開關閥的結構組合；顯然以上所述的雙向開關閥的結構組合中，驅動電路是由電阻和穩壓管組成，成本低廉；但是以上所述的單向開關閥的結構組合中，驅動電路通常是由額外的驅動電路A或相應的集成電路A構成；而採用額外的驅動電路A的成本肯定比電阻和穩壓管組成的驅動電路的成本要高。但是在本發明中，由於採用了兩個雙向開關閥和兩個單向開關閥相結合的組合方式(具體如以上所述的四種組合)，既保留了雙向開關閥中電阻和穩壓管組成的驅動電路，又增加了由額外的驅動電路A為基礎而組成的單向開關閥，所以達到了節省成本的目的(尤其在寬輸入電壓應用條件下)。附圖說明下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細說明。圖1是已有的MOSFET同步整流橋的結構示意圖；圖2是本發明的與輸出電容直接並聯的MOSFET同步整流電路一種結構示意圖；圖3是本發明的與輸出電容直接並聯的MOSFET同步整流電路另外一種結構示意圖；圖4是本發明的與輸出電容直接並聯的MOSFET同步整流電路再另外一種結構示意圖；圖5是本發明的與輸出電容直接並聯的MOSFET同步整流電路又再另外一種結構示意圖；圖6本發明用於電流流動的單向開關閥的驅動電路A的結構示意圖；圖7本發明用於電流流動的單向開關閥的驅動電路A的MOSFET檢測網絡100的輸入VIN輸出VO關係圖；圖8是本發明用於電流流動的單向開關閥的驅動電路A的具體結構示意圖。具體實施方式圖1～圖8給出了一種與輸出電容直接並聯的MOSFET同步整流電路及方法。通過對MOSFET同步整流橋的研究發現，在MOSFET同步整流橋中(如圖1所示)，因為四個MOSFET都是受同步整流橋的交流輸入控制的雙向開關閥(而不是用於電流流動的單向開關閥)，所以MOSFET同步整流橋的輸出不能與輸出濾波電容直接並聯。但是當四個MOSFET中的兩個MOSFET是被控制成用於電流流動的單向開關閥時，MOSFET同步整流橋就能與輸出濾波電容直接並聯，因為這種MOSFET同步整流橋(即四個MOSFET中的兩個MOSFET是被控制成用於電流流動的單向開關閥)的輸出電容沒有向這種MOSFET同步整流橋反向輸入電流的通路。實施例1、一種與輸出電容直接並聯的MOSFET同步整流電路，包括MOSFET構成的整流電路；在MOSFET構成的整流電路中包括兩個用於電流流動的單向開關閥和兩個雙向開關閥。以上所述的單向開關閥通過MOSFET和驅動電路A構成；驅動電路A包括依次信號連接的MOSFET檢測網絡(100)、電平比較器(200)和驅動器(300)；MOSFET檢測網絡(100)包括電流源、電阻和穩壓管；MOSFET檢測網絡(100)的輸入端與MOSFET構成的整流電路的電壓輸入端相連接，電阻的一端與MOSFET檢測網絡(100)的輸入端相連接，電阻的另外一端與MOSFET檢測網絡(100)的輸出端相連接，電流源和穩壓管分別在MOSFET檢測網絡(100)的輸出端與電阻相連接；電壓比較器(200)包括參考電壓和比較器；參考電壓與比較器的正極輸入端相連接；MOSFET檢測網絡(100)的輸出端與比較器的負極輸入端相連接；比較器的輸出端與驅動器(300)的輸入端相連接；所述驅動器(300)的輸出端與MOSFET的柵極相連接；電流源通過在參考電壓上外接外接電阻產生。實際使用的過程中，通過開通和關斷對應的MOSFET來實現電流流動的單向開關閥作用；而開通和關斷對應的MOSFET由如下的步驟完成：1、MOSFET構成的整流電路的電壓輸入端向MOSFET檢測網絡100輸入輸入電壓Vin；2、MOSFET檢測網絡100輸出輸出電壓VO；3、電平比較器200通過MOSFET檢測網絡100輸出的輸出電壓VO和參考電壓進行比較，根據比較的結果輸出相應的電平信號；4、驅動電路300通過電平比較器200輸出的電平信號驅動MOSFET的開通和關斷。下面結合附圖4和圖8對本發明的與輸出電容直接並聯的MOSFET同步整流電路及方法作進一步詳細說明。如圖4所示，兩個驅動電路A是以公共地的方式連接的。驅動電路A如圖8所示，以下文中，電阻即為電阻RDET；參考電壓即為參考電壓Vref；電流源即為電流源ISS；外接電阻即為外接電阻RSS。電平比較器200的輸出經驅動器300輸出，以控制MOSFET開通和關斷。1、獲得MOSFET檢測網絡100的輸出電壓VO：1.1、MOSFET構成的整流電路的電壓輸入端向電阻RDET輸入輸入電壓Vin；1.2、當輸入電壓Vin大於穩壓管電壓VCLAMP時，MOSFET檢測網絡100的輸出電壓VO＝VCLAMP；當輸入電壓Vin小於穩壓管電壓VCLAMP時，MOSFET檢測網絡100的輸出電壓VO＝ISS×RDET+VDS，如圖8所示；而當MOSFET工作於同步整流狀態時，VDS是MOSFET所流過的電流IDS在MOSFET的導通電阻RDSON上的電壓降VDS；由於IDS是負值，所以VDS<0；電流源ISS通過參考電壓Vref外接外接電阻RSS產生。2、選擇電平比較器200的輸出電平：當MOSFET檢測網絡100的輸出電壓VO小於電平比較器200的參考電壓Vref時，電平比較器200輸出高電平；當MOSFET檢測網絡100的輸出電壓VO大於電平比較器200的參考電壓Vref時，電平比較器200輸出低電平。3、確定MOSFET開通和關斷：當電平比較器200輸出高電平時，高電平經驅動器300輸出以保持MOSFET開通；當電平比較器200輸出低電平時，低電平經驅動器300輸出使得MOSFET關斷。以上所述的MOSFET開通時，隨著MOSFET所流過的電流IDS減小，MOSFET檢測網絡100的輸出電壓VO增加；當MOSFET檢測網絡100的輸出電壓VO逐漸增加到大於電平比較器200的參考電壓Vref時，電平比較器200即輸出低電平。以上所述的MOSFET關斷時，流過MOSFET的電流自然換流到MOSFET的體二極體。而當MOSFET的體二極體的電流為零時，MOSFET的電壓降VDS增加；當MOSFET的電壓降大於穩壓管電壓VCLAMP時，MOSFET檢測網絡100的輸出電壓VO為穩壓管電壓VCLAMP。隨著MOSFET的電壓降進一步增加，MOSFET的電壓降經電阻RDET加載到穩壓管，MOSFET檢測網絡100的輸出電壓VO依然為穩壓管電壓VCLAMP。在本實施列的驅動電路A中，僅由成本是最低的電阻來承受外界的MOSFET高壓電壓。電阻RDET的大小與電流源ISS以及參考電壓Vref相關。如圖8所示，電平比較器200的動作條件如下：Vref≤ISS·RDET-ID·RDSON<![CDATA[RDETVrefISS+IDISSRDSONVrefISS---(2)]]>最大MOSFET電壓降是VDSM，MOSFET關斷時，電阻RDET的最大電流IDET：<![CDATA[IDET≤VDSMRDET≤VDSMVrefISS---(3)]]>RDET的最大功耗是PDET:<![CDATA[PDET=IDETVDSM=V2DSMVrefISS---(4).]]>本實施列的方案中，電流源ISS通過參考電壓Vref外接外接電阻RSS產生；精度問題是由參考電壓Vref的精度加上電阻RDET和外接電阻RSS的精度，再加上電壓轉電流和電流鏡的總增益k精度組成。通常電阻(即電阻RDET和外接電阻RSS)選擇1％的精度，電壓轉電流和電流鏡的總增益k的精度為2％。如果參考電壓Vref的精度是2％，則MOSFET的導通電壓VDSON檢測精度可以達到6％。最後，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發明的一個具體實施例。顯然，本發明不限於以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護範圍。