原邊反饋控制功率開關電路的製作方法
2023-11-08 11:54:37
原邊反饋控制功率開關電路的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種原邊反饋功率管開關控制電路，包括功率管、驅動所述功率管的驅動級電路、和檢測副邊電感電流過零的過零檢測電路，所述過零檢測電路包括：電阻，所述驅動級電路的低電位點通過所述電阻接地；比較器，其第一輸入端接地，其第二輸入端連接到所述功率管的柵極，所述比較器配置為，其第二輸入端的輸入信號小於其第一輸入端的輸入信號時，其輸出端輸出控制所述功率管開啟的第一開啟信號。本發明包括了可集成的過零檢測電路，使得無需任何外圍器件和晶片引腳，還提供了各種保護方案，以保證過零檢測的可靠性，從而進一步省略外圍電路、降低成本和減小晶片面積。
【專利說明】原邊反饋控制功率開關電路
【技術領域】
[0001]本發明涉及原邊反饋功率管開關控制電路，特別涉及一種集成過零檢測電路的原邊反饋功率管開關控制電路。
【背景技術】
[0002]在單管反激型開關變換器中，工作於電流斷續模式或者臨界模式的應用時，經常採用原邊反饋控制技術。這種原邊反饋功率管開關控制電路，其工作原理通常是，通過檢測原邊峰值電流來控制功率管的關斷，通過檢測副邊電感電流過零來控制功率管的開啟。
[0003]如圖1所示，功率管Q導通時，原邊電感Lp的電流不斷增加。將原邊電感Lp的電流通過電阻Rcs採樣後產生採樣信號Vcs，該採樣信號Vcs通過比較器0CP_C0MP與基準電壓VREFl進行比較，當採樣信號Vcs大於基準電壓VREFl時輸出關斷信號，該關斷信號通過RS觸發器輸出到驅動級DRIVER，從而關斷功率管Q。該過程即為通過檢測原邊峰值電流來控制功率管的關斷。
[0004]功率管Q關斷後，副邊電感Ls的電流逐漸減小到零。然後，通過外置輔助繞組或者反饋分壓網絡產生過零檢測信號VFB，將該過零檢測信號Vfb通過比較器ZCD_C0MP與基準電壓VREF2進行比較，當該過零檢測信號Vfb小於基準電壓VREF2時輸出開啟信號，該開啟信號通過RS觸發器輸出到驅動級DRIVER，從而打開功率管Q。該過程即為通過檢測副邊電感電流過零來控制功率管的開啟。
[0005]因此，如何檢測副邊電感Ls的電流過零成為這種控制方案的關鍵技術。現有的對副邊電感Ls電流的過零檢測，是通過增加輔助繞組或者通過檢測原邊電壓分壓來實現的。這些過零檢測方案通常都要增加外圍器件和晶片引腳，而外圍器件的成本較高，會使得系統的成本增加；同時這些方案還會增加晶片的面積，這對於一些對面積要求嚴格的應用(例如，小體積LED照明器材)的影響很大。
【發明內容】
[0006]為此，本發明提供了一種原邊反饋功率管開關控制電路，包括功率管、驅動所述功率管的驅動級電路、和檢測副邊電感電流過零的過零檢測電路，其特徵在於，所述過零檢測電路包括:電阻，所述驅動級電路的低電位點通過所述電阻接地；比較器，其第一輸入端接地，其第二輸入端連接到所述功率管的柵極，所述比較器配置為，其第二輸入端的輸入信號小於其第一輸入端的輸入信號時，其輸出端輸出控制所述功率管開啟的第一開啟信號。
[0007]進一步地，所述控制電路還包括功率管驅動級低電壓嵌位保護電路，其包括二極體，所述驅動級電路的低電位點還通過所述二極體接地。
[0008]進一步地，所述控制電路還包括檢測原邊電感的電流大於閾值時輸出控制所述功率管關斷的第一關斷信號的原邊反饋電路、輸出低壓保護電路、以及判決電路，其中，所述輸出低壓保護電路配置為，在所述第一關斷信號開始輸出時，輸出第一延時信號；所述判決電路配置為，在所述第一延時信號結束時，所述判決電路輸出控制所述功率管開啟的第二開啟信號。
[0009]進一步地，所述控制電路還包括輸出過壓保護電路，其配置為在所述第一關斷信號開始輸出時，輸出第二延時信號，所述第二延時信號的持續時間小於所述第一延時信號的持續時間；所述判決電路進一步配置為，接收所述第一開啟信號，當所述第一開啟信號在所述第二延時信號的持續期間內到達，所述判決電路輸出控制所述功率管關斷的第二關斷信號。
[0010]進一步地，所述判決電路進一步配置為，當所述第一開啟信號在所述第二延時信號結束之後且所述第一延時信號結束之前到達，所述判決電路輸出控制所述功率管開啟的第二開啟信號。
[0011 ] 進一步地，所述控制電路還包括誤觸發保護電路，其包括開關管，所述驅動級電路的低電位點還通過所述開關管接地，所述開關管的控制端連接到所述第二延時信號。
[0012]優選地，所述輸出低壓保護電路包括第一延時反向器和第一與門，其中，所述第一延時反向器的輸入端接所述第一關斷信號；所述第一與門的兩個輸入端分別接所述第一延時反向器的輸出信號和所述第一關斷信號，其輸出所述第一延時信號。
[0013]優選地，所述輸出過壓保護電路包括第二延時反向器、第一延時緩衝器和第二與門，其中，所述第二延時反向器的輸入端接所述第一關斷信號；所述第一延時緩衝器的輸入端接所述第二延時反向器的輸出信號；所述第二與門的兩個輸入端分別接所述第一延時緩衝器的輸出信號和所述第一關斷信號，其輸出所述第二延時信號。
[0014]優選地，所述判決電路包括或門、第一與非門和第二延時緩衝器，其中，所述或門的兩個輸入端分別接第二延時信號和第一開啟信號；所述第一與非門的兩個輸入端分別接第一延時信號和所述或門的輸出信號；所述第二延時緩衝器的輸入端接所述第一與非門的輸出信號，其輸出所述第二開啟信號。
[0015]優選地，所述判決電路還包括非門、第三與門和第一 RS觸發器，其中，所述非門的輸入端接所述第一開啟信號；所述第三與門的兩個輸入端分別接第二延時信號和所述非門的輸出信號；所述第一 RS觸發器的R輸入端接所述第三與門的輸出信號，其S輸入端接復位信號，其Q輸出端輸出所述第二關斷信號。
[0016]本發明的原邊反饋功率管開關控制電路，提供了可集成的過零檢測電路，在其應用於原邊反饋功率管開關控制晶片時，無需任何外圍器件和晶片引腳；還提供了同樣可集成的功率管驅動級低電位嵌位保護電路、輸出低壓保護電路、輸出過壓保護電路、以及誤觸發保護電路等各種保護方案，以保證過零檢測的可靠性，從而進一步省略外圍電路、降低成本和減小晶片面積。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為現有技術的原邊反饋功率管開關控制電路的電路結構示意圖；
[0018]圖2為本發明的原邊反饋功率管開關控制電路的電路結構示意圖；
[0019]圖3為本發明的原邊反饋功率管開關控制電路的優選的實施方式的電路結構示意圖；
[0020]圖4為本發明的原邊反饋功率管開關控制電路的實施效果示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明的原邊反饋功率管開關控制電路作進一步的詳細描述，但不作為對本發明的限定。
[0022]參照圖2，本發明的原邊反饋功率管開關控制電路，除了包括現有技術中的功率管Q和驅動所述功率管的驅動級電路DRIVER之外，還包括可集成的用來檢測副邊電感電流過零的過零檢測電路。該過零檢測電路包括電阻Rz和比較器ZCD_C0MP。
[0023]驅動級電路DRIVER內部的低電位點通過該電阻Rz接地，即使得功率管Q的柵極形成浮地結構。該比較器ZCD_C0MP的第一輸入端接地，第二輸入端連接到功率管Q的柵極，以檢測功率管Q的柵極電壓\。比較器ZCD_C0MP配置為當第二輸入端小於第一輸入端的電壓時，輸出控制功率管Q開啟的第一開啟信號Vzm。
[0024]該結構使得在功率管Q導通時，功率管Q能夠像現有技術中的功率管一樣正常工作。當功率管Q關閉以後，其寄生電容CeD和電阻Rz形成了一個高通濾波器。此時，由於當副邊電感Ls的電流等於零時，原邊電感Lp的電壓將產生一個中頻振蕩，該中頻振蕩的頻率取決於原邊電感Ls，通常在IMHz左右。該中頻振蕩通過功率管Q的寄生電容CeD和電阻Rz形成的高通濾波器後，將使功率管Q的柵極電壓Ve產生一個圍繞地電平振蕩的中頻信號，該信號即為該過零檢測電路產生的過零檢測信號。通過比較器ZCD_C0MP將功率管Q的柵極電壓\和地電平比較，當柵極電壓Ve小於地電平時，輸出控制功率管Q開啟的第一開啟信號Vzm。
[0025]在過零檢測的過程中，為了防止過零檢測信號振蕩幅度過高而誤導通功率管Q，本發明的原邊反饋功率管開關控制電路還包括功率管驅動級低電位嵌位保護電路，其包括二極體Dz，驅動級電路DRIVER內部的低電位點還通過該二極體Dz接地。由於二極體的正嚮導通電壓遠小於功率管的開啟電壓，因此，在功率管Q的關閉期間，該功率管驅動級低電壓嵌位保護電路的結構能夠使得功率管Q的柵極的最高電壓等於二極體Dz的正嚮導通電壓。
[0026]在系統剛剛啟動時，變壓器副邊的輸出電壓很低，故此時從副邊反激到原邊的電壓幅度很小，使得過零檢測信號的幅度也極小，此時可能會存在過零檢測失效的風險。另夕卜，當輸出短路時，輸出電壓也極低，也會出現和系統剛啟動時同樣的過零檢測失效的風險。
[0027]為此，本發明的原邊反饋功率管開關控制電路，還包括輸出低壓保護電路100和判決電路300，其在原邊反饋電路輸出第一關斷信號Voc之後開始工作。此處的原邊反饋電路可以與現有技術中的相同或相似，用於檢測原邊電感Lp的電流大於一定的值時，輸出控制功率管Q關斷的第一關斷信號Voc。
[0028]輸出低壓保護電路100配置為，在第一關斷信號Voc開始輸出時，輸出低壓保護電路100輸出第一延時信號VTDH。判決電路300配置為，在第一延時信號Vtdh結束時，判決電路300輸出控制功率管Q開啟的第二開啟信號VzmT。通常,第一延時信號Vtdh要求具有一個較長的持續時間，該信號的持續時間TDH為消磁時間的上限值，其決定輸出電壓的下閾值:TDH = N*Ls*Ip/V0UT(MIN)。
[0029]S卩，通過輸出低壓保護電路100和判決電路300，使得本發明的原邊反饋功率管開關控制電路，在輸出端電壓較低或者極低並可能導致過零檢測失效的情況下，在延時TDH時間後，強制輸出第二開啟信號Vzqit來開啟功率管Q，有效地避免了因反激電壓過小導致無法開啟功率管Q的情況。
[0030]如圖3所示，優選地，輸出低壓保護電路100包括第一延時反向器和第一與門，其中，第一延時反向器的輸入端接第一關斷信號Voc ;第一與門的兩個輸入端分別接第一延時反向器的輸出信號和第一關斷信號Voc,其輸出第一延時信號VTDH。判決電路300包括或門、第一與非門和第二延時緩衝器，其中，或門的兩個輸入端分別接第二延時信號Vm和第一開啟信號Vzm ;第一與非門的兩個輸入端分別接第一延時信號Vtdh和或門的輸出信號；第二延時緩衝器的輸入端接第一與非門的輸出信號，其輸出第二開啟信號VzmT。
[0031]另外，本發明的原邊反饋功率管開關控制電路還具有過壓保護功能，通過過壓保護電路200和判決電路300來實現。具體地，如圖2所示，輸出過壓保護電路200配置為，在第一關斷信號Voc開始輸出時,輸出第二延時信號Vim,該第二延時信號Vim的持續時間TDL小於第一延時信號Vtdh的持續時間TDH。TDL為消磁時間的下限值，其決定輸出電壓的上閾值:TDL = N*Ls*Ip/V0UT(MAX)。
[0032]第一開啟信號Vzm輸入到判決電路300，該判決電路300進一步配置為，當第一開啟信號Vzm在第二延時信號Vna的持續期間TDL內到達，判決電路300輸出控制功率管Q關斷的第二關斷信號Vovp。
[0033]過壓保護電路200和判決電路300實現過壓保護的原理為，當輸出過壓時，隨著輸出電壓的增高，副邊電感的電流下降到零的時間(消磁時間TDEM)會變短，Vzcd的持續時間也會變短。當TDEM〈TDL時，判決電路300會輸出過壓保護信號Vovp，Vovp通過控制驅動級電路DRIVER關閉功率管Q，從而實現輸出過壓時關斷功率管Q的過壓保護功能。如圖3所示，輸出過壓保護電路200包括第二延時反向器、第一延時緩衝器和第二與門，其中，第二延時反向器的輸入端接第一關斷信號Voc ;第一延時緩衝器的輸入端接第二延時反向器的輸出信號；第二與門的兩個輸入端分別接第一延時緩衝器的輸出信號和第一關斷信號Voc，其輸出第二延時信號Vm。判決電路300包括非門、第三與門和第一 RS觸發器，其中，非門的輸入端接第一開啟信號Vzm ;第三與門的兩個輸入端分別接第二延時信號Vim和非門的輸出信號；第一 RS觸發器的R輸入端接第三與門的輸出信號，其S輸入端接晶片內部的上電復位信號，其Q輸出端輸出第二關斷信號Vovp。
[0034]在功率管Q關閉後的瞬間，副邊電感Ls的電流還沒有下降到零，原邊電感Lp的電壓將產生一個高頻的減幅振蕩，該振蕩的頻率取決於原邊電感Lp的漏感，通常在5MHz左右。該高頻振蕩容易誤觸發過零檢測電路並打開功率管。為了避免這種情況下引起的誤觸發，本發明的原邊反饋功率管開關控制電路還包括誤觸發保護電路，其包括開關管Mz，驅動級電路DRIVER內部的低電位點還通過該開關管Mz接地，該開關管Mz的控制端接輸出過壓保護電路200輸出的第二延時信號VTm。
[0035]如圖2和3所示，開關管優選為NMOS管，其柵極接過壓保護電路200輸出的第二延時信號Vm。從而在功率管Q關閉以後的TDL時間內，第二延時信號Vim —直維持開關管Mz導通，從而將功率管Q的柵極接地以避免產生易引起誤觸發的過零檢測信號，同時還避免了誤打開功率管Q而影響效率。
[0036]同時,如果第一開啟信號Vzm在第二延時信號Vim結束之後且第一延時信號Vtdh結束之前到達，則判決電路300輸出控制功率管Q開啟的第二開啟信號VzmT。
[0037]如此，本發明的原邊反饋功率管開關控制電路可實現如下功能:參照圖4，如果第一開啟信號Vzm在第二延時信號Vm結束之前到達，則認為是輸出過壓，判決模塊300不輸出最終的打開功率管Q的開啟信號(即，第二開啟信號VzmT)。如果第一開啟信號Vzm在第二延時信號Vm結束之後且第一延時信號Vtdh結束之前到達，則判決模塊300正常輸出第二開啟信號VzmT。如果第一延時信號Vtdh結束之後,第一開啟信號Vzm還未到達,則認為是輸出短路或輸出電壓極低的情況，判決模塊300強制輸出第二開啟信號VzmT。
[0038]如圖3所示，本發明的原邊反饋功率管開關控制電路還包括第二 RS觸發器和用於驅動所述功率管的驅動級電路DRIVER。第二 RS觸發器的R輸入端接第一關斷信號Voc，其S輸入端接第二開啟信號VzmT。驅動級電路DRIVER包括第二與非門、NMOS管、PMOS管和輔助電源，其中，第二與非門的兩個輸入端分別接第二 RS觸發器的Q輸出端的輸出信號和第二關斷信號Vovp，使得當接收到第二關斷信號Vovp時，關閉功率管Q。PMOS管和NMOS管串聯連接後連接在輔助電源VCC和電阻Rz之間，驅動功率管Q，其中PMOS管接輔助電源VCC，可打開功率管Q，?OS管接電阻Rz，可關閉功率管Q。
[0039]在上述實施方式中，通過對驅動級電路的地電平有限制的浮地，形成功率管Q的寄生電容CeD和電阻Rz的高通濾波器採集過零信號，通過調節輸出低壓保護電路100中的延時反向器，來調節第一延時信號Vtdh的持續時間TDH ;通過調節輸出過壓保護電路200的延時反向器和延時緩衝器，來調節第二延時信號的持續時間TDL ;通過判決電路300，來保證TDL ( TDEM ( TDH，最終實現了對過零檢測電路的全面保護。
[0040]本發明的原邊反饋功率管開關控制電路，其過零檢測信號的產生能夠集成於晶片內部，且結果簡單穩定，能夠省略晶片外圍的檢測器件和吸收電路，進而實現了該類應用的小型化和集成化。同時，通過對消磁時間TDEM的限制和監測，可同時實現系統軟啟動、防誤觸發、防輸出短路、防輸出過壓四種功能，為這種過零檢測方式提供了全面的保護，保證了這種方案的高可靠性，且實施的電路簡單，多個電路可實現功能復用，節省了晶片的面積和成本。
[0041]以上【具體實施方式】僅為本發明的示例性實施方式，不能用於限定本發明，本發明的保護範圍由權利要求書限定。本領域技術人員可以在本發明的實質和保護範圍內，對本發明做出各種修改或等同替換，這些修改或等同替換也應視為落在本發明的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種原邊反饋功率管開關控制電路，包括功率管、驅動所述功率管的驅動級電路、和檢測副邊電感電流過零的過零檢測電路，其特徵在於，所述過零檢測電路包括: 電阻，所述驅動級電路的低電位點通過所述電阻接地； 比較器，其第一輸入端接地，其第二輸入端連接到所述功率管的柵極，所述比較器配置為，其第二輸入端的輸入信號小於其第一輸入端的輸入信號時，其輸出端輸出控制所述功率管開啟的第一開啟信號。
2.根據權利要求1所述的原邊反饋功率管開關控制電路，其特徵在於，所述控制電路還包括功率管驅動級低電壓嵌位保護電路，其包括二極體，所述驅動級電路的低電位點還通過所述二極體接地。
3.根據權利要求1所述的原邊反饋功率管開關控制電路，其特徵在於，所述控制電路還包括檢測原邊電感的電流大於閾值時輸出控制所述功率管關斷的第一關斷信號的原邊反饋電路、輸出低壓保護電路、以及判決電路，其中， 所述輸出低壓保護電路配置為，在所述第一關斷信號開始輸出時，輸出第一延時信號; 所述判決電路配置為，在所述第一延時信號結束時，所述判決電路輸出控制所述功率管開啟的第二開啟信號。
4.根據權利要求3所述的原邊反饋功率管開關控制電路，其特徵在於，所述控制電路還包括輸出過壓保護電路，其配置為在所述第一關斷信號開始輸出時，輸出第二延時信號，所述第二延時信號的持續時間小於所述第一延時信號的持續時間； 所述判決電路進一步配置為，接收所述第一開啟信號，當所述第一開啟信號在所述第二延時信號的持續期間內到達，所述判決電路輸出控制所述功率管關斷的第二關斷信號。
5.根據權利要求4所述的原邊反饋功率管開關控制電路，其特徵在於，所述判決電路進一步配置為，當所述第一開啟信號在所述第二延時信號結束之後且所述第一延時信號結束之前到達，所述判決電路輸出控制所述功率管開啟的第二開啟信號。
6.根據權利要求4所述的原邊反饋功率管開關控制電路，其特徵在於，所述控制電路還包括誤觸發保護電路，其包括開關管，所述驅動級電路的低電位點還通過所述開關管接地，所述開關管的控制端接所述第二延時信號。
7.根據權利要求3所述的原邊反饋功率管開關控制電路，其特徵在於，所述輸出低壓保護電路包括第一延時反向器和第一與門，其中， 所述第一延時反向器的輸入端接所述第一關斷信號； 所述第一與門的兩個輸入端分別接所述第一延時反向器的輸出信號和所述第一關斷信號，其輸出所述第一延時信號。
8.根據權利要求4所述的原邊反饋功率管開關控制電路，其特徵在於，所述輸出過壓保護電路包括第二延時反向器、第一延時緩衝器和第二與門，其中， 所述第二延時反向器的輸入端接所述第一關斷信號； 所述第一延時緩衝器的輸入端接所述第二延時反向器的輸出信號； 所述第二與門的兩個輸入端分別接所述第一延時緩衝器的輸出信號和所述第一關斷信號，其輸出所述第二延時信號。
9.根據權利要求4所述的原邊反饋功率管開關控制電路，其特徵在於，所述判決電路包括或門、第一與非門和第二延時緩衝器，其中， 所述或門的兩個輸入端分別接第二延時信號和第一開啟信號； 所述第一與非門的兩個輸入端分別接第一延時信號和所述或門的輸出信號； 所述第二延時緩衝器的輸入端接所述第一與非門的輸出信號，其輸出所述第二開啟信號。
10.根據權利要求9所述的原邊反饋功率管開關控制電路，其特徵在於，所述判決電路還包括非門、第三與門和第一 RS觸發器，其中， 所述非門的輸入端接所述第一開啟信號； 所述第三與門的兩個輸入端分別接第二延時信號和所述非門的輸出信號； 所述第一 RS觸發器的R輸入端接所述第三與門的輸出信號，其S輸入端接復位信號，其Q輸出端輸出所述第二關斷信號。
【文檔編號】H03K17/28GK104300945SQ201410542161
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月14日 優先權日:2014年10月14日
【發明者】劉燕濤, 袁政 申請人:上海貝嶺股份有限公司