一種同步整流控制電路以及應用其的開關電源的製作方法
2024-03-08 07:56:15
專利名稱：一種同步整流控制電路以及應用其的開關電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及同步整流控制領域，更具體的說，涉及一種同步整流控制電路以及應用其的開關電源。
背景技術：
反激變換器由於其電路簡單、輸入輸出電壓隔離、成本低、空間要求少等優點而得到了廣泛的應用，但是當其輸出電流較大、輸出電壓較低時，傳統反激變換器的次級整流二極體通態損耗和反向恢復損耗大，效率較低，因此採用同步整流技術，採用通態電阻極低的MOSFET功率管來取代整流二極體，能夠很好提高整個變換器的轉換效率。通常採用的同步整流控制方法如圖I所示當所述反激式變換器的原邊側關斷時，檢測到所述同步整流管的漏源電壓信號Vds發生陡降，在其降至零伏電壓以下一定電位，通常為數百毫伏，達到閾值Vhi時，所述同步整流管的控制信號Gate為高電平控制其導通；在所述漏源電壓信號Vds逐漸由負電壓向零伏電壓上升的過程中，當其電位達到設定的關斷閾值Vh2時，則信號Gate變為低電平以控制所述同步整流管關斷。為了防止所述漏源電壓信號Vds陡降至閾值Vm後發生振蕩從而導致所述同步整流管的誤關斷，因此設定一最小導通時間Tmin.m。由此帶來的問題是當所述漏源電壓信號Vds達到設定的關斷閾值時，如果不滿足最小導通時間條件，所述同步整流管仍會保持導通，如圖中A時刻到t2時刻的周期內，由於原邊傳輸的電能有限，導致副邊電流Is在最小導通時間內下降至負值，負電流的出現會造成整個電路的轉換效率下降。目前常用的解決方法為控制所述同步整流管在出現負電流的下一個開關周期內關斷，即圖中t2時刻到t3時刻的周期中無Gate信號，所述同步整流管保持關斷。雖然這種方法能夠防止副邊繼續出現負電流，但可以看出由於控制所述同步整流管的關斷是在出現負電流的下個開關周期，因此副邊電流Is的波形中存在的負電流不可能完全消失。
發明內容
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種同步整流控制電路以及應用其的開關電源，以解決現有技術中為滿足同步整流開關管的最小導通時間導致出現副邊負電流的問題。依據本發明一實施例的一種同步整流控制電路，應用於一反激式變換器中，包括，第一控制電路，接收所述反激式變換器的同步整流開關管的漏源電壓信號和所述反激式變換器的輸出電壓，並根據所述反激式變換器的原邊功率開關管的導通時間，產生第一控制信號；所述第一控制信號與所述原邊功率開關管的導通時間和所述反激式變換器的原邊輸入電壓成正比例關係；第二控制電路，接收所述漏源電壓信號以產生第二控制信號；在所述原邊功率開關管關斷時刻所述第一控制信號大於閾值信號時，在所述原邊功率開關管再次導通前，所述第二控制信號控制所述同步整流開關管的開關動作；
在所述原邊功率開關管關斷時刻所述第一控制信號小於閾值信號時，在所述原邊功率開關管再次導通前，所述同步整流開關管不動作；其中，所述閾值信號的數值為所述同步整流開關管的最小導通時間對應的第一控制信號的數值。進一步的，所述第一控制電路包括一使能信號發生電路，用以根據所述第一控制信號和所述閾值信號產生一使能信號；所述使能信號有效時，所述第二控制信號控制所述同步整流開關管的開關動作；所述使能信號無效時，所述同步整流開關 管不動作。進一步的，所述使能信號發生電路包括比較電路，時鐘信號發生電路和觸發電路；所述比較電路用以比較所述第一控制信號和所述閾值信號以輸出一比較信號；所述時鐘信號發生電路接收所述漏源電壓信號和所述輸出電壓，以輸出一時鐘信號;所述觸發電路接收所述時鐘信號和比較信號，在所述時鐘信號的上升沿時刻輸出所述比較信號作為所述使能信號。進一步的，所述第一控制電路包括一斜坡信號發生電路，所述斜坡信號發生電路接收所述漏源電壓信號、所述輸出電壓以及所述時鐘信號，據此產生一斜坡信號作為所述
第一控制信號。優選的，所述斜坡信號發生電路包括由電壓控制電流源和第一電容組成的充電電路和第一開關管； 所述電壓控制電流源的輸入電壓為所述漏源電壓信號和所述輸出電壓的差值，其輸出電流與其輸入電壓成比例關係；所述時鐘信號控制所述第一開關管的開關動作，以控制所述充電電路的充放電動作；所述第一電容電壓為所述第一控制信號。優選的，所述時鐘信號經過一延時電路處理後控制所述第一開關管的開關動作。進一步的，所述比較電路包括一第一比較器，其同相輸入端接收所述斜坡信號，反相輸入端接收所述閾值信號，輸出端輸出所述比較信號。進一步的，所述時鐘信號發生電路包括第二比較器，其同相輸入端接收所述輸出電壓信號，反相輸入端接收所述漏源電壓信號，輸出端輸出所述時鐘信號。依據本發明一實施例的一種開關電源，包括前述的任一項同步整流控制電路，並進一步包括變壓器，其具有原邊繞組和副邊繞組，用以將接收的輸入電源向副邊側傳遞；原邊功率開關管，其與所述原邊繞組串聯，用以控制所述原邊繞組接收所述輸入電源的電能；原邊控制電路，用以控制所述原邊功率開關管的開關動作；同步整流開關管，其與所述副邊繞組串聯，所述同步整流控制電路控制其開關動作以將副邊側接收的電能轉換為一定的輸出電壓。優選的，所述開關電源的工作方式包括電流連續模式、電流斷續模式或準諧振模式。
經由上述的技術方案可知，與現有技術相比，依據本發明的同步整流控制電路，在原邊功率開關管的導通區間內即能判斷出同一開關周期內同步整流開關管的導通時間是否滿足最小導通時間要求，並據此控制該開關周期內同步整流開關管是否導通，從而徹底杜絕了副邊負電流的出現，節省電能，大大提高了整個電源電路的轉換效率。
圖I所示為現有的一種同步整流控制方法的示意圖；圖2所示為圖I中的同步整流控制方法的工作波形圖；圖3所示為依據本發明的一種同步整流控制電路的第一實施例的電路圖；圖4所示為依據本發明的一種同步整流控制電路的第二實施例的電路圖；圖5所示為圖4所示實施例工作在QR模式下的工作波形圖；圖6所示為圖4所示實施例工作在CCM模式下的工作波形圖；圖7所示為圖4所示實施例工作在DCM模式下的工作波形圖；圖8所示為依據本發明一實施例的開關電源的電路圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的幾個優選實施例進行詳細描述，但本發明並不僅僅限於這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精髓和範圍上做的替代、修改、等效方法以及方 案。為了使公眾對本發明有徹底的了解，在以下本發明優選實施例中詳細說明了具體的細節，而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。參考圖3，所示為依據本發明的一種同步整流控制電路的第一實施例的電路圖。所述同步整流控制電路應用於一反激式變換器，以控制同步整流開關管SR的開關動作，其包括第一控制電路和第二控制電路；其中，所述第一控制電路，接收所述反激式變換器的同步整流開關管的漏源電壓信號Vds和所述反激式變換器的輸出電壓V。，並根據所述反激式變換器的原邊功率開關管Sm的導通時間，產生第一控制信號；所述第一控制信號Vmp與所述原邊功率開關管Sm的導通時間和所述反激式變換器的原邊輸入電壓Vin成正比例關係；所述第二控制電路，接收所述漏源電壓信號Vds和以產生第二控制信號Gate ； 在所述原邊功率開關管Sm關斷時刻所述第一控制信號大於閾值信號Vth時，在所述原邊功率開關管Sm再次導通前，所述第二控制信號Gate控制所述同步整流開關管SR的開關動作；在所述原邊功率開關管Sm關斷時刻所述第一控制信號小於閾值信號Vth時，在所述原邊功率開關管Sm再次導通前，所述同步整流開關管SR不動作；其中，所述閾值信號Vth的數值為所述同步整流開關管的最小導通時間對應的第一控制信號的數值。本實施例中，所述第一控制電路具體包括一斜坡信號發生電路301和使能信號發生電路302。所述斜坡信號發生電路301接收所述漏源電壓信號Vds、所述輸出電壓V。以及時鐘信號CLK，據此產生一與原邊功率開關管Sm的導通時間和所述反激式變換器的原邊輸入電壓Vin成正比例關係的斜坡信號Vramp作為所述第一控制信號。所述使能信號發生電路302用以根據所述第一控制信號Vramp和所述閾值信號Vth產生一使能信號EN ;所述使能信號EN的狀態決定了所述第二控制信號Gate能否控制所述同步整流開關管SR的開關動作。在所述原邊功率開關管Sm關斷時刻所述第一控制信號Vmp大於閾值信號Vth時，在所述原邊功率開關管Sm再次導通前，所述 使能信號EN必須為有效狀態，才能保證所述第二控制信號Gate能夠控制所述同步整流開關管SR的開關動作；在所述原邊功率開關管Sm關斷時刻所述第一控制信號Vmp小於閾值信號Vth時，在所述原邊功率開關管Sm再次導通前，所述使能信號EN必須為無效狀態，以保證所述同步整流開關管SR不動作。為實現以上功能，所述使能信號發生電路302包括比較電路303、時鐘信號發生電路304和觸發電路305 ;其中所述比較電路303用以比較所述第一控制信號和所述閾值信號Vth以輸出一比較
信號;所述時鐘信號發生電路304接收所述漏源電壓信號Vds和所述輸出電壓V。，以輸出所述時鐘信號CLK ；所述觸發電路305接收所述時鐘信號和比較信號，在所述時鐘信號CLK的上升沿時刻輸出所述比較信號作為所述使能信號EN。由以上可以看出，依據本發明的同步整流控制電路，在原邊功率開關管Sm導通區間內即能判斷出同一開關周期內同步整流開關管SR的導通時間是否滿足最小導通時間要求，並根據判讀的結果控制該開關周期內同步整流開關管能否導通，從而徹底杜絕了副邊負電流的出現，節省電能，大大提高了整個電源電路的轉換效率。其中所述第二控制電路的實現可以為任何合適的電路結構，均在本發明的保護範圍之內，也可以採用背景技術中所介紹的Gate信號的產生方法，在此不再贅述。參考圖4，所示為依據本發明的一種同步整流控制電路的第二實施例的電路圖；其在圖3所示實施例的基礎上詳細介紹了斜坡信號發生電路301和使能信號發生電路302中各部分電路的實現方法和工作原理。其中所述斜坡信號發生電路301具體包括由電壓控制電流源和第一電容C1組成的充電電路和第一開關管S1 ；所述電壓控制電流源的輸入電壓為所述漏源電壓信號Vds和所述輸出電壓信號V。的差值，其輸出電流與其輸入電壓成比例關係；所述時鐘信號CLK控制所述第一開關管S1的開關動作，以控制所述充電電路的充放電動作，所述第一電容C1兩端的電壓Vmp (斜坡信號)作為所述第一控制信號。所述使能信號發生電路302中的比較電路303包括一第一比較器401，其同相輸入端接收所述第一控制信號(斜坡信號Vmp)，反相輸入端接收所述閾值信號Vth，輸出端輸出所述比較信號。所述時鐘信號發生電路304包括第二比較器402，其同相輸入端接收所述輸出電壓信號V。，反相輸入端接收所述漏源電壓信號Vds，輸出端輸出所述時鐘信號CLK。所述觸發電路305包括一 D觸發器，其中D輸入端接收所述比較信號，由時鐘信號CLK控制比較信號的輸出時刻，以得到所述使能信號EN。由圖中可以看出當所述時鐘信號CLK跳變為高電平時，第一開關管S1導通，所述第一比較器401接收的斜坡信號Vramp立刻被拉低，為了防止此時第一比較器401來不及發生跳變其輸出結果即由D觸發器輸出，所述時鐘信號CLK經過一延時電路DLY處理後再控制所述第一開關管S1的開關動作。依據本發明的同步整流控制電路所應用的場合可以為電流連續模式(CCM),電流斷續模式(DCM)或準諧振(QR)模式，在本實施例中以準諧振模式為例，參照圖5所示的工作波形圖具體說明其工作原理。在此用k表示所述電壓控制電流源的輸出電流與輸入電壓的比例關係，則其輸出電流I由下式表示 I =k (Vds-V0)(I)其中在原邊功率開關管Sm導通期間，所述漏源電壓信號=i +G，其中n為
n
反激式變換器中原邊和副邊的匝數比；可以得到下式Vin=Ii(Vds-V0)(2)而通過對以上式(I)和式(2)的推導可知對第一電容C1充電的電流值I與所述原邊輸入電壓Vin成一定的比例關係。而從電路關係以及工作波形圖中可以明顯的看出，當所述原邊功率開關管Sm導通時，所述漏源電壓信號Vds大於所述輸出電壓信號V。，所述第二比較器402輸出的所述時鐘信號CLK為低電平，經過一段延遲時間後控制所述第一開關管S1關斷，所述電壓控制電流源的輸出電流I開始對第一電容C1進行充電，因此所述第一電容C1的充電時間近似為原邊功率開關管Sm的導通時間，相應的，所述斜坡信號Vmp由式(3)表示，即所述斜坡信號Vrafflp (第一控制信號)表徵了所述原邊輸入電壓Vin與原邊功率開關管Sm的導通時間的乘積
「 ， ,， k{Vds-K)tonVmm =----V 3 )
C1而當所述原邊功率開關管Sm導通時，原邊的電流峰值/其中Lm為等效的原邊激磁電感；而副邊電流峰值則可以表示為如下式所示
ZLX/
卞rnxK xtnonzs—pk = //X /p.pk = ^^~-■ = ^( 4 )
1 #可以推導出副邊同步整流開關管SR的導通時間T的表達式為T— P Ff —^S,,on( 5 )
K'由此可以推導出副邊同步整流開關管SR的導通時間T與所述原邊輸入電壓Vin與原邊功率開關管Sm的導通時間tm的乘積有一定的比例關係。由式(3)和式(5)可以看出所述斜坡信號Vmp (第一控制信號)表徵了所述同步整流開關管SR的導通時間T。而將所述閾值信號Vth設置為所述同步整流開關管的最小導通時間對應的第一控制信號的數值。由以上可以看出在所述原邊功率開關管關斷時刻，通過比較所述斜坡信號Vmp(第一控制信號)與所述閾值信號Vth，能夠判斷出在所述原邊功率開關管再次導通前，如果開通所述同步整流開關管是否會出現負電流。從圖5中可以看出在&時刻至&時刻的一個開關周期內，在原邊功率開關管Sm關斷時刻，所述斜坡信號Vmp (第一控制信號)上升至大於所述閾值信號Vth，表明此開關周期中，如果控制所述同步整流開關管SR導通，其導通時間大於所述最小導通時間，即當原邊功率開關管Sm關斷，所述副邊電流Is將不會降為負電流，因此在原邊功率開關管Sm關斷時刻，所述漏源電壓信號Vds陡降至小於所述輸出電壓信號V。，此時所述時鐘信號CLK出現上升沿，所述第一比較器401的輸出為高電平信號，所述D觸發器將其輸出作為所述使能信號EN。因此在這個開關周期內，由於使能信號EN的作用，所述第二控制信號Gate控制所述同步整流開關管導通。而在&時刻至t2時刻的開關周期內，在原邊功率開關管Sm的關斷時刻，所述斜坡信號Vmp (第一控制信號)並未上升至所述閾值信號Vth，表明這個開關周期中，如果控制所述同步整流開關管SR導通，其導通時間將小於所述最小導通時間，副邊將出現負電流。因此所述第一比較器401的輸出時鐘為低電平信號，相應的所述使能信號EN始終為低電平，控制所述同步整流開關管SR保持關斷，所述副邊電流Is由於所述同步整流開掛管的等效二極體的續流作用下降至零，徹底的杜絕了負電流的產生。從t2時刻至t3時刻的開關周期內同樣如此。由圖4所示實施例可以看出，依據本發明的同步整流控制電路，控制電容的充電電流隨所述漏源電壓信號Vds與輸出電壓信號V。的差值變化，而充電時間近似為原邊功率開關管Sm的導通時間，繼而得到一與所述原邊功率開關管的導通時間和所述反激式變換器的原邊輸入電壓成正比例關係的斜坡信號作為第一控制信號，其與最小導通時間對應的閾值信號的比較，利用其比較結果決定此開關周期內是否使能第二控制信號，從而從根本上消除了負電流的產生，提高了電路的轉換效率。在這裡需要說明的是在該實施例中分別給出了斜坡信號發生電路和使能信號發生電路中各個部分的一種具體的實現方式。本領域技術人員可以得知，本發明並不局限於上述公開的實施方式，其他基於本發明原理的合適形式的電路結構同樣適用於本發明的實施例。另外，依據本發明的同步整流控制電路並沒有特別限定反激式變換器的應用場合和工作方式。當依據本發明的同步整流控制電路的工作方式為電流連續模式(CCM)或電流斷續模式(DCM)時，其工作波形圖如圖6和圖7所示，其工作原理與上述實施例類似，在此不再重複描述。參考圖8，所示為依據本發明一實施例的開關電源的電路圖，所述開關電源包括變壓器，其具有原邊繞組和副邊繞組，用以將接收的輸入電源Vin向副邊側傳遞；原邊功率開關管SM，其與所述原邊繞組串聯，用以控制所述原邊繞組接收所述輸入電源Vin的電能；
原邊控制電路，用以控制所述原邊功率開關管Sm的開關動作；同步整流開關管SR，其與所述副邊繞組串聯；
所述同步整流控制電路控制所述同步整流開關管SR的開關動作以將接收的電能轉換為一定的輸出電壓V。；其實現可以為依據本發明的任一同步整流控制電路。依據本發明的開關電源的工作方式包括電流連續模式(CCM)、電流斷續模式(DCM)或準諧振模式(QR)。
以上對依據本發明的優選實施例的交流-直流電壓轉換電路進行了描述，這些實施例並沒有詳盡敘述所有的細節，也不限制該發明僅為所述的具體實施例。顯然，根據以上描述，可作很多的修改和變化。本領域技術人員在本發明實施例公開的電路的基礎上所做的相關的改進、多個實施例的結合，以及採用其他技術、電路布局或元件而實現的相同功能的電路結構，也在本發明實施例的保護範圍之內。本發明僅受權利要求書及其全部範圍和等效物的限制。
權利要求
1.一種同步整流控制電路，應用於一反激式變換器中，其特徵在於，包括， 第一控制電路，接收所述反激式變換器的同步整流開關管的漏源電壓信號和所述反激式變換器的輸出電壓，並根據所述反激式變換器的原邊功率開關管的導通時間，產生第一控制信號；所述第一控制信號與所述原邊功率開關管的導通時間和所述反激式變換器的原邊輸入電壓成正比例關係； 第二控制電路，接收所述漏源電壓信號以產生第二控制信號； 在所述原邊功率開關管關斷時刻所述第一控制信號大於閾值信號時，在所述原邊功率開關管再次導通前，所述第二控制信號控制所述同步整流開關管的開關動作； 在所述原邊功率開關管關斷時刻所述第一控制信號小於閾值信號時，在所述原邊功率開關管再次導通前，所述同步整流開關管不動作； 其中，所述閾值信號的數值為所述同步整流開關管的最小導通時間對應的第一控制信號的數值。
2.根據權利要求I所述的同步整流控制電路，其特徵在於，所述第一控制電路包括一使能信號發生電路，用以根據所述第一控制信號和所述閾值信號產生一使能信號； 所述使能信號有效時，所述第二控制信號控制所述同步整流開關管的開關動作； 所述使能信號無效時，所述同步整流開關管不動作。
3.根據權利要求2所述的同步整流控制電路，其特徵在於，所述使能信號發生電路包括比較電路，時鐘信號發生電路和觸發電路； 所述比較電路用以比較所述第一控制信號和所述閾值信號以輸出一比較信號； 所述時鐘信號發生電路接收所述漏源電壓信號和所述輸出電壓，以輸出一時鐘信號；所述觸發電路接收所述時鐘信號和比較信號，在所述時鐘信號的上升沿時刻輸出所述比較信號作為所述使能信號。
4.根據權利要求3所述的同步整流控制電路，其特徵在於，所述第一控制電路包括一斜坡信號發生電路，所述斜坡信號發生電路接收所述漏源電壓信號、所述輸出電壓以及所述時鐘信號，據此產生一斜坡信號作為所述第一控制信號。
5.根據權利要求4所述的同步整流控制電路，其特徵在於，所述斜坡信號發生電路包括由電壓控制電流源和第一電容組成的充電電路和第一開關管； 所述電壓控制電流源的輸入電壓為所述漏源電壓信號和所述輸出電壓的差值，其輸出電流與其輸入電壓成比例關係； 所述時鐘信號控制所述第一開關管的開關動作，以控制所述充電電路的充放電動作；所述第一電容電壓為所述第一控制信號。
6.根據權利要求5所述的同步整流控制電路，其特徵在於，所述時鐘信號經過一延時電路處理後控制所述第一開關管的開關動作。
7.根據權利要求3所述的同步整流控制電路，其特徵在於，所述比較電路包括一第一比較器，其同相輸入端接收所述斜坡信號，反相輸入端接收所述閾值信號，輸出端輸出所述比較信號。
8.根據權利要求3所述的同步整流控制電路，其特徵在於，所述時鐘信號發生電路包括第二比較器，其同相輸入端接收所述輸出電壓信號，反相輸入端接收所述漏源電壓信號，輸出端輸出所述時鐘信號。
9.一種開關電源，其特徵在於包括權利要求1-8所述的任一項同步整流控制電路，並進一步包括 變壓器，其具有原邊繞組和副邊繞組，用以將接收的輸入電源向副邊側傳遞； 原邊功率開關管，其與所述原邊繞組串聯，用以控制所述原邊繞組接收所述輸入電源的電能； 原邊控制電路，用以控制所述原邊功率開關管的開關動作； 同步整流開關管，其與所述副邊繞組串聯，所述同步整流控制電路控制其開關動作以將副邊側接收的電能轉換為一定的輸出電壓。
10.根據權利要求9所述的開關電源，其特徵在於所述開關電源的工作方式包括電流連續模式、電流斷續模式或準諧振模式。
全文摘要
依據本發明的一種同步整流控制電路以及應用其的開關電源，在原邊功率開關管的導通區間內即能判斷出同一開關周期內同步整流開關管的導通時間是否滿足最小導通時間要求，並據此控制該開關周期內同步整流開關管是否導通，從而徹底杜絕了副邊負電流的出現，節省電能，大大提高了整個電源電路的轉換效率。
文檔編號H02M1/08GK102723856SQ20121023073
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月2日 優先權日2012年7月2日
發明者鄧建 申請人:矽力傑半導體技術(杭州)有限公司