专利名称：有源钳位开关管的自适应驱动电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及开关电源领域，具体是指在采用反激式准谐振控制模式的开 关电源的有源箝位电路中用于驱动箝位开关管实现有源钳位功能的一种自适 应驱动控制电路。
背景技术：
反激准谐振模式开关电源变换器由于具有电路拓扑简洁、开关管零电压开 通、损耗小、噪音低、电磁兼容特性好等优点，可广泛用于中小功率开关电源变 换器中，因而时下应用非常热门，但是，反激准谐振模式变换器的功率开关管的
电压、电流应力大，漏感引起的开关管电压振铃尖峰示意图如图2所示，图中箭 头所指处即为漏感引起的开关管尖锋脉冲，这个电压振铃尖峰必须用如图3所示 的由二极管D5、电阻R8、电容C5组成的一种RCD钳位电路或者图3虚线框中所 示由二极管D6、电阻R9、电容C6组成的另一种RCD钳位电路来限制，否则，漏
感引起的开关管电压振铃尖峰会超过开关管的耐压值而使开关管损坏。
目前在采用PWM控制模式的开关电源变换器中，功率开关管的钳位电路主要 采用RCD钳位，功率稍大一些的电源有的会采用有源钳位方式，有源箝位方式可 以减小钳位电路损耗，减小开关管电压应力，变压器磁芯可以双向对称磁化，可 以减小主开关关断时的电压，降低开关损耗。虽然有源钳位方式有很多优点，但 目前需要专用的集成电路来控制主开关管和钳位开关管，如果钳位开关管接在高 电位点，则钳位开关管需要用变压器来驱动或者用带自举驱动功能的集成电路来 驱动，增加了电路的复杂性和成本。
在反激准谐振模式开关电源变换器中，功率开关管的导通时间和关断时间是 不定的，其会随输出负载大小和输入电压的高低变化而变化，图4和图5分别是 本发明所述的图3电路示意图实施例在输出额定负载的一半时和额定负载时的次 级绕组Ns两端的实测波形图，可以看出功率开关管的导通时间和关断时间都在 变化，总的变化趋势是当负载由大到小变化时，导通时间和关断时间都是由长变 短，即开关频率随负载由大到小变化而由低至高变化。因此，在反激准谐振模式开关电源变换器中要采用有源钳位方式来钳位主开关管上的漏感振铃电压尖峰。 当反激准谐振模式开关电源变换器采用有源钳位方式时，理想的钳位开关管
的驱动波形如图6中S2所示，即钳位开关管导通时间Ton2和主开关管(波形如 图6中Sl所示)的导通时间Tonl之间不能有重叠区域，要留有一定的死区时间 Td和Tr，否则，钳位开关管和主开关管会导致共通，将输入电压源短路而造成 故障或电源的损耗增加。有源钳位反激准谐振模式开关电源变换器实质是单开关 控制，有源钳位开关的频率不会影响主开关的频率，而主开关的频率变化则会影 响钳位开关的频率变化，否则，钳位开关的导通时间和主开关的导通时间肯定会 有重叠区域，会导致故障出现，因此电路的工作时序是以主开关的的工作时序为 主线的。如图6所示的死区时间Tr实现比较容易，只需检测到主开关管的关断 信号后经过RC电路延迟Tr时间即可输出正向脉冲去驱动钳位开关的导通，如图 6所示的死区时间Td实现相当困难，因为一般情况下钳位开关的驱动脉冲的关断 需要检测变压器的能量完全泄放完的时刻，否则钳位开关不好判断要在何时关 断，受钳位开关的输入电容和开关速度的影响，钳位开关的关断会有延迟，而此 时可能主开关管早已导通，会出现两个开关管共通的现象，会导致出现故障和电 源损耗增加。因此设计有源钳位开关的驱动电路将比较复杂和困难，到目前为止 还未看到有成熟商用的集成电路来实现反激准谐振模式下的有源钳位功能。
发明内容
本发明需解决的技术问题是提供一种实现反激准谐振模式下的有源钳位功 能的钳位开关管的驱动控制电路，该电路要满足以下要求1)电路简洁、成本 低；2)保证钳位开关的导通时间和主开关的导通时间没有重叠区域，驱动性能 稳定可靠。
为解决上述技术问题，本发明电路所采取的技术方案是提供一种有源钳位 开关管的自适应驱动电路，所述电路输入端Vin、 Vss分别与变压器的有源钳位
信号检测绕组Nf两端连接，输出端Gate连接有源钳位开关管控制端，包括
频率-电压转换控制单元，用于产生幅值随Vin端的输入脉冲信号频率变化 而变化的直流电压并输出给下级脉冲宽度控制单元使用；脉冲宽度控制单元，与 驱动电路单元连接，用于控制驱动电路单元输出的正向驱动脉冲的宽度；输入脉 冲限流整形单元，与驱动电路单元连接，将Vin端输入的脉冲信号限流后作为驱 动信号提供给驱动电路单元；驱动电路单元，通过输出端Gate直接连接有源钳位开关管控制端，控制有源钳位开关管工作时序；供电电路单元，将Vin、 Vss 端引入的变压器的有源钳位信号检测绕组Nf两端的感应电压，整流限压后用于 给驱动电路单元供电，提供驱动所需的能量。
进一步的，所述电路还设置用于控制所述电路输出和关闭的输出使能端口 En，该端口与脉冲宽度控制单元、输入脉冲限流整形单元及驱动电路单元均连接， 同时该端口作为扩展功能端口 。
更进一步，所述电路还可设置与脉冲宽度控制单元连接的用于扩展脉冲宽度 控制方式的扩展功能端口 Exp。
本发明所述有源钳位开关管的自适应驱动电路成功应用到反激准谐振模式 开关电源变换器中，实现电压箝位功能，使得反激准谐振模式开关电源变换器比 未用本发明电路的性价比显著提高。具体表现在1)使主开关管电压应力减小， 变压器磁芯双向磁化，使磁芯能可靠复位；2)减小开关电源电磁噪音，提高电 源电磁兼容特性；3)减小箝位电路的损耗；4)使开关管关断时的漏、源极电压 低，关断损耗降低，提高电源的效率。
相对于现有技术，本发明电路的有益效果还在于
1) 、电路简洁，成本低，无需采用昂贵的、外围电路复杂的专用自举驱动集 成电路；
2) 、解决了行业内普遍存在的当反激准谐振模式开关电源变换器采用有源钳 位方式时，开关电源变换器主功率开关管和钳位开关管的死区时间难以实现的难 题。
图1是本发明所述的有源钳位自适应驱动控制电路模块原理框图； 图2是本发明所述的反激准谐振模式开关电源变换器功率开关漏源极电压波 形示意图3是本发明所述的反激准谐振模式开关电源变换器目前常用的RCD钳位电 路示意图4是本发明所述的图3电路示意图实施例在输出额定负载的一半时的次级 绕组Ns两端的实测电压波形图5是本发明所述的图3电路示意图实施例在输出额定负载时的次级绕组Ns 两端的实测电压波形6图6是本发明所述的有源钳位的理想驱动波形示意图7是本发明所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路模块一具体实施例电 路原理图8是本发明所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路模块一种优选的性能 增强的具体实施例电路原理图9是本发明所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路模块应用实例一； 图10是本发明所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路模块应用实例二。
具体实施例方式
为了便于本领域的技术人员理解，下面结合具体实施例及附图对本发明作进 一步的详细描述。
如图l所示，所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路用于在反激式准谐振 控制模式的开关电源中驱动箝位开关管实现有源钳位功能，电路具体包括相互 电气连接的驱动电路单元、频率-电压转换控制单元、脉冲宽度控制单元、输入 脉冲限流整形单元及供电电路单元。
上述单元组成一个电路模块，该电路模块至少包括三个必需端口，分别为
Vin、 Gate、 Vss，可方便的应用于开关电源中。其中，Vin、 Vss分别与开关电源 中变压器的有源钳位信号检测绕组Nf两端连接，Vin为信号输入端，Vss为信号 参考电位端；Gate端口作为输出端，连接有源钳位开关管控制端。所述电路模 块还可设置En、 Exp两个端口， En端口与脉冲宽度控制单元、输入脉冲限流整形 单元及驱动电路单元均连接，该端口作为整个电路模块的使能端口或扩展功能端 口； Exp端口与脉冲宽度控制单元连接，作为扩展脉冲宽度控制方式的扩展功能 端口。
图7为本发明所述有源钳位开关管的自适应驱动电路一具体实施例电路图。 如图，所述频率-电压转换控制单元包括依次串接在输入端Vin、 Vss之间的电阻 R2、电容C1、 二极管D2及电容C2， 二极管D3阳极接Vss端、阴极接二极管D2 阳极及电容C2的连接点，二极管D2阴极接脉冲宽度控制单元。所述驱动电路单 元包括三极管Q1、 Q2， Ql、 Q2的发射极连接在一起作为Gate输出端口， Ql集电 极连接供电电路单元，Q2的集电极连接Vss端。所述输入脉冲限流整形单元包括 依次串接在输入端Vin、 Vss之间的电阻R3、电容C3、稳压二极管ZD1， ZD1的 阴极与电容C3的连接点同时连接驱动电路单元两三极管Q1、 Q2基极、ZD1的阳说明书第5/7页
极连接Vss端；所述端口 En连接稳压二极管ZD1的阴极。所述脉冲宽度控制单 元包括串联的电阻R5和R6、串联的电阻R4和电容C4;三极管Q3集电极接电容 C3、基极接电阻电阻R5—端，及电阻R4和电容C4的交点；电阻R7与R5、 R6 交点连接，电阻另一端接频率-电压转换控制单元的二极管D2阴极；电容C4的另 一端、三极管Q3发射极、电阻R7的另一端同时接Vss端；二极管D4并联于电 阻R4两端，且其阳极与R4、 C4的交点接扩展功能端口Exp。所述供电电路单元 包括串联的二极管D1、电阻R1，电阻Rl—端与输入端Vin连接，另一端连接二 极管Dl阳极，Dl阴极连接驱动电路单元三极管Ql的集电极。
图7电路工作原理如下①、所述电路Vin端口和Vss端口接收变压器Tl 的Nf绕组产生3脚为正、4脚为负的感应电压，该电压经电阻R1、 二极管D1组 成的供电电路单元限流和整流后给由Ql和Q2组成的驱动电路部分供电，提供输 出所需的驱动和关断的能量；②、Vin端口的输入脉冲信号经由电阻R3、电容C3、 稳压二极管ZD1组成的输入脉冲限流整形单元限流整形后为驱动电路单元提供驱 动信号，R3、 C3的主要功能是限制驱动电压和电流，ZD1的主要功能是对输入脉 冲的正向和负向钳位，脉冲被钳位在+Vz和-Vf之间，其中Vz是ZDl的齐纳电压 值，Vf是正向导通电压值；③、Vin端口的输入脉冲信号还可以经由电阻R2、电 容C1、 C2、 二极管D2、 D3组成的频率-电压转换控制单元在C2两端产生幅值随 Vin端口的输入脉冲信号频率变化而变化的直流电压，输入脉冲信号频率低时， C2两端直流电压也低，频率高时，C2两端直流电压也就高，R2的主要作用是限 流，Cl的主要作用是限流和实现对频率变化的跟踪，利用了电容的通高频阻低频 的特性，D2的作用是对Cl流过来的输入脉冲整流向C2充电，D3的作用是使Cl 的电流能双向流通；④、C2上随频率变化的直流电压输入到由电阻R4、 R5、 R6、 R7、 二极管D4、电容C4、 NPN三极管Q3组成的脉冲宽度控制单元，去控制输出端 的正向驱动脉冲的宽度，Q3主要是起比较器和开关作用，C4作为定时电容，电 阻R4、 R5、 R6、 R7主要是控制对电容C4的充电电流强弱，二极管D4主要是在 输入脉冲为负时，将C4储存的电荷泄放掉，使电容C4复位，为下一充电周期做 准备，当C2上的直流电压随频率变化时，经电阻R5、 R6、 R7后，对C4的充电 电流也就会随着改变，此路充电电流和流经R4的充电电流一起向C4的充电，当 Vin正脉冲来时，C4开始充电，电压上升，达到Q3的开启门限时，Q3饱和导通， 使模块的Gate端口输出变为低电平，当输入脉冲频率高时，C2两端电压高，充电加快，Q3很快导通，输出的脉冲宽度变小，当输入脉冲频率低时，C2两端电 压低，充电变慢，Q3导通延长，输出的脉冲宽度变宽，从图4和图5可知道，反 激准谐振模式开关电源变换器输入交流最高和负载最轻时，开关频率最高，而反 激准谐振模式开关电源变换器输入交流最低和满负载时，开关频率最低，通过控 制合适的参数，可以实现输出的驱动脉冲宽度即钳位开关的导通时间能自动适应 开关频率的变化，从而保证有源钳位功能的实现；⑤、通过合适控制电阻R4、 R5、 R6、R7和电容C4的选取，保证当反激准谐振模式开关电源变换器输入交流最高和 负载最轻时，模块的Gate端口正输出时间Ton2小于主开关管的关断时间，即在 主开关管导通前有一段死区时间Td，而当反激准谐振模式开关电源变换器输入交 流最低和满负载时，仍然能够维持死区时间Td基本不变，是实现反激准谐振模 式开关电源变换器的有源钳位的关键所在。
如图8所示，为本发明所述有源钳位开关管的自适应驱动电路一优选实施例 电路图。该实施例比图7所示实施例中脉冲宽度控制单元内增加了电阻R0和三 极管Q0，其中三极管Q3集电极与三极管Q0基极电阻及R0—端连接，RO的另一 端与QO发射极连接后与En端口连接，QO的集电极接Vss端。目的是使由三极管 Q3、 QO和电阻RO组成的比较器和开关电路关断速度加快，减少关断延迟，可以 縮短最小死区时间Td的设置。
上述图7、图8两实施例中的NPN三极管Q3均可以由三端可调精密电压基准 源TL432来替代，实现三极管Q3的比较器和开关功能，其好处在于，三端可调 精密电压基准源的门限电压比较精密，可以使有源钳位开关管的自适应驱动电路 的输出脉冲宽度精密可控。具体的，三端可调精密电压基准源的阳极Anode与所 述电路模块的Vss端口相连、阴极Cathode与所述电路模块的En端口连接、基 准端Reference与电容C4、电阻R4、 R5连接。
如图9，为所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路应用实例。所述有源钳 位开关管的自适应驱动电路模块的Vin端口和反激准谐振模式开关电源变换器中 的变压器Tl的有源钳位信号检测绕组Nf的3脚相连，Nf的4脚和自适应驱动控 制电路模块的Vss端口、 Tl的初级绕组Np的2端、主功率开关管Q5的漏极以及 钳位开关管Q6的源极相连，自适应驱动控制电路模块的Gate端口和Q6的栅极 相连，Q6的漏极和钳位电容C8的一端相连，C8的另一端和输入高电位V+端口以 及Tl的初级绕组Np的1端相连，Tl的初级绕组Np的2端和Tl的有源钳位信号
9检测绕组Nf的3脚是同铭端。
上述应用实例的电路工作原理如下当主开关管Q5关断后，在变压器Tl的Nf绕组产生3脚为正，4脚为负的感应电压，此电压输入到模块的Vin端口和Vss端口，经模块内部电路处理后，在模块的Gate端口输出驱动脉冲去驱动钳位开关管Q6导通，如图6所示，钳位开关管Q6导通时间Ton2受模块内部电路控制，关断时间等于主开关管Q5的导通时间Tonl加上死区时间Td和Tr，钳位电容C8可以通过Q6加在变压器Tl的初级绕组Np的两端，使得因变压器漏感产生的电压振铃尖峰能够被C8钳位吸收掉，降低了主开关管Q5的电压应力，同时使Q5关断时的电压降低，减少了关断损耗，提高了效率，降低了电磁噪音。
本发明另一种具体的应用实例如图10所示，所述有源钳位开关管的自适应驱动电路模块的Vin端口和反激准谐振模式开关电源变换器中的变压器Tl的有源钳位信号检测绕组Nf的3脚相连，Nf的4脚和所述电路模块的Vss端口 、 Tl的初级绕组Np的2端、主功率开关管Q7的漏极以及钳位开关管Q8的源极相连，自适应驱动控制电路模块的Gate端口和Q8的栅极相连，Q8的漏极和钳位电容C9的一端相连，C9的另一端和输入低电位V-端口相连，Tl的初级绕组Np的2端和Tl的有源钳位信号检测绕组Nf的3脚是同名端。其工作原理同图9，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何均等变化与修饰均属于本发明的保护范围。
10
权利要求
1、一种有源钳位开关管的自适应驱动电路，输入端Vin、Vss分别与变压器的有源钳位信号检测绕组Nf两端连接，输出端Gate连接有源钳位开关管控制端，其特征在于，包括频率-电压转换控制单元，用于产生幅值随Vin端的输入脉冲信号频率变化而变化的直流电压并输出给下级脉冲宽度控制单元使用；脉冲宽度控制单元，与驱动电路单元连接，用于控制驱动电路单元输出的正向驱动脉冲的宽度；输入脉冲限流整形单元，与驱动电路单元连接，将Vin端输入的脉冲信号限流后作为驱动信号提供给驱动电路单元；驱动电路单元，通过输出端Gate直接连接有源钳位开关管控制端，控制有源钳位开关管工作时序；供电电路单元，将Vin、Vss端引入的变压器的有源钳位信号检测绕组Nf两端的感应电压，整流限压后用于给驱动电路单元供电，提供驱动所需的能量。
2、根据权利要求l所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路，其特征在于: 进一步包括用于控制所述电路输出和关闭的输出使能端口 En，该端口与脉冲宽度 控制单元、输入脉冲限流整形单元及驱动电路单元均连接，同时该端口作为扩展 功能端口。
3、 根据权利要求1或2所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路，其特征 在于进一步包括与脉冲宽度控制单元连接的用于扩展脉冲宽度控制方式的扩展 功能端口Exp。
4、 根据权利要求3所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路，其特征在于 所述频率-电压转换控制单元包括依次串接在输入端Vin、 Vss之间的电阻R2、电 容C1、 二极管D2及电容C2， 二极管D3阳极接Vss端、阴极接二极管D2阳极及 电容C2的连接点，二极管D2阴极接脉冲宽度控制单元。
5、 根据权利要求3所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路，其特征在于: 所述脉冲宽度控制单元包括串联的电阻R5和R6、串联的电阻R4和电容C4;三 极管Q3集电极接电容C3、基极接电阻电阻R5 —端，及电阻R4和电容C4的交点； 电阻R7与R5、 R6交点连接，电阻另一端接频率-电压转换控制单元的二极管D2阴极；电容C4的另一端、三极管Q3发射极、电阻R7的另一端同时接Vss端； 二极管D4并联于电阻R4两端，且其阳极与R4、 C4的交点接扩展功能端口Exp。
6、 根据权利要求3所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路，其特征在于 所述脉冲宽度控制单元进一步包括三极管Q0和电阻R0，其中三极管Q3集电极与 三极管Q0基极电阻及R0 —端连接，R0的另一端与Q0发射极连接后与En端口连 接，QO的集电极接Vss端。
7、 根据权利要求3所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路，其特征在于: 所述驱动电路单元包括三极管Q1、 Q2， Ql、 Q2的发射极连接在一起作为Gate输 出端口， Ql集电极连接供电电路单元，Q2的集电极连接Vss端。
8、 根据权利要求3所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路，其特征在于 所述输入脉冲限流整形单元包括依次串接在输入端Vin、 Vss之间的电阻R3、电 容C3、稳压二极管ZD1， ZD1的阴极与电容C3的连接点同时连接驱动电路单元两 三极管Ql、 Q2基极、ZD1的阳极连接Vss端；所述端口 En连接稳压二极管ZD1 的阴极。
9、 根据权利要求3所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路，其特征在于 所述供电电路单元包括串联的二极管D1、电阻R1，电阻Rl—端与输入端Vin连 接，另一端连接二极管D1阳极，D1阴极连接驱动电路单元三极管Q1的集电极。
10、 根据权利要求5或6所述的有源钳位开关管的自适应驱动电路，其特征 在于所述三极管Q3可采用三端可调精密电压基准源替换。
全文摘要
本发明涉及开关电源领域中一种有源钳位开关管的自适应驱动电路。所述电路输入端Vin、Vss分别与变压器的有源钳位信号检测绕组Nf两端连接，输出端Gate连接有源钳位开关管控制端，包括相互间电气连接的频率-电压转换控制单元、脉冲宽度控制单元、输入脉冲限流整形单元、驱动电路单元和供电电路单元；所述电路还可设置使能端口和扩展功能端口。本发明所述电路电路简洁、成本低，其应用于反激准谐振模式开关电源变换器中，实现电压箝位功能，不但能减小主开关管电压应力、减小开关电源电磁噪音，提高电源电磁兼容特性；同时还能减小箝位电路的损耗，提高电源的效率，使得反激准谐振模式开关电源变换器性能显著提高。
文档编号H02M3/28GK101667781SQ200910205829
公开日2010年3月10日 申请日期2009年10月9日 优先权日2009年10月9日
发明者洪光岱 申请人:天宝电子(惠州)有限公司