专利名称：一种同步整流直流-直流变换器中的关机方案的制作方法
技术领域：
本发明涉及开关电源领域，特别是涉及ー种直流-直流同步整流变换器的关机控制方法。
背景技术：
同步整流技术是现代电源设计中ー项非常重要的新技木。它是在传统的电源拓扑中，采用功率MOSFET来取代整流ニ极管以降低整流损耗，提高电压变换器的效率。用功率MOSFET做整流器时，要求门极电压必须与被整流电压的相位保持同步，故称之为同步整流。近年来，电子技术的发展，特别是数据处理和传输速度的快速提升，对电源的功率和功率密度的要求不断上升，使提高变换器的效率成为实现高功率和高功率密度的关键。整流ニ极管的导通损耗所占输出功率的比例(即对效率的影响)基本可以从整流ニ极管导 通压降与输出电压的比例来确定。输出电压越低，ニ极管压降所帯来的效率损失就越大。快恢复ニ极管(FRD)或超快恢复ニ极管的导通压降约为I. 0 I. 2V，即使采用低压降的肖特基ニ极管也会产生大约0. 6V的压降。以5V输出电压为例，仅肖特基ニ极管导通损耗就占了大于输出功率的10%，因而获得大于90%转化效率是不可能的。因此，传统的ニ极管整流电路已无法满足实现高效率及小体积的需要，成为制约直流-直流变换器发展的瓶颈。而同步整流技术可以大大减少开关电源输出端的整流损耗，从而提高转换效率，降低电源本身发热，使高性能高功率密度成为可能。同步整流器的控制方式可以按照信号源分为直接控制和间接控制。这里的直接控制是指同步整流的控制信号来源于变换器中的PWM控制器；间接控制是指同步整流的控制信号由功率线路中的信号构造而成，一般由主变压器线圈上的电压信号构成。直接控制方式对PWM控制器的要求较高，在最常见的PWM控制器位于原边的设计中还需要使用隔离器件把同步整流的驱动信号传递到次边。间接控制方式取用变压器次级的信号，相对比较简单、成本低。但在间接控制方案中多存在关机放电的问题，即当原边的PWM信号停止时，副边的全部或部分同步整流MOSFET处在导通状态。由于原边不再发生PWM，故这些副边导通的同步整流MOSFET会在一个较长的时间内保持导通状态，导致输出电容上的电压经过输出电感和导通的同步整流MOSFET被泄放。在泄放的过程中，输出电感和输出电容的谐振导致输出电压急剧下降，甚至降变为负压。因此在关机过程中须及时关掉同步整流MOSFET的门极驱动，防止输出电容的能量经同步整流MOSFET泄放。作为例子的采用间接驱动同步整流的有源嵌位单端正激拓扑线路如图I所示。其原边和副边的MOSFET控制波形如图2所示。QlOO为原边主MOSFET ；Q101为有源嵌位MOSFET ;Q200和Q201为副边同步整流MOSFET。t0至t2为ー个PWM开关周期。Q200的驱动信号与QlOO的驱动信号同步；Q201的驱动信号与QlOl的驱动信号同步。在t3时刻关机发生，其后不再出现PWM信号，因此Vg_Q201将在t3时刻后保持一段时间的高电平。导通的Q201使输出电感中的电流i_L200从正向下降、变负、且其负电流幅度持续增加。这ー増大的负电流将使输出电容上的电荷被迅速泄放。这种对输出电容的快速放电可能带来若干问题，包括输出电容上的电压变负(某些负载不能承受)；电感饱和后放电电流急剧增大而损伤MOSFET ；Q201在L200中流有负电流时关断，切断电流回路，造成同步整流MOSFET过电压损坏。本发明针对间接控制同步整流方案中存在的关机放电问题提出一种解决方案和线路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种同步整流直流-直流变换器的关机控制方法，实现关机时输出电压不会经过同步整流MOSFET放电。本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的一种同步整流直流-直流变换器的关机控制方法，该方法采用包含原边线路和副边线路的直流-直流变换器，原边线路包含输入电压源、耦合原边线路和副边线路的变压器，与变压器原边线路耦合的ー个或多个功率开关器件构成的多种拓扑的原边开关线路，副边线路包含由ー个或多个功率开关 器件构成的多种拓扑的同步整流线路，同步整流MOSFET的控制线路，和输出滤波线路；其特征在于通过对原边开关器件的脉冲宽度调制(PWM)使变压器的副边感应出与原边PWM同步的交变电压；该交变电压经过同步整流MOSFET和其后的滤波线路产生ー个直流输出电压；由副边线圈上感应的，包括经过处理的，同步整流驱动信号通过ー个充电保持线路产生ー个直流电压信号；该直流电压信号在变换器正常工作期间始终保持高于ー个设定电平；当原边PWM信号停止，即关机时，同步驱动信号不再出现，因而上述充电保持线路持续放电，直至低于上述设定电平，使连接在充电保持线路后的比较线路翻转，发出关机信号；该关机信号通过关机控制线路将全部同步整流MOSFET关断，从而实现同时和及时关断全部同步整流MOSFET的目的。
图I是正激有源嵌位间接驱动同步整流直流-直流变换器的线路示意图。图2是正激有源嵌位间接驱动同步整流直流-直流变换器主要波形图。图3是采用本发明具有关机线路的正激有源嵌位间接驱动同步整流直流-直流变换器的线路示意图。图4是采用本发明关机线路的主要波形图。
具体实施例方式下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。本发明提供一种用于间接驱动同步整流直流-直流变换器的关机控制方法。采用该控制方法的正激有源嵌位间接驱动同步整流直流-直流变换器的线路如图3所示。该正激有源嵌位间接驱动同步整流直流-直流变换器包含原边线路20和副边线路30，原边线路20包含输入电压源21、耦合原边线路20和副边线路30的变压器T100、与输入电压源21耦合的变压器原边绕组22、与变压器原边绕组22耦合的第一开关器件Q100、与变压器原边绕组22耦合的嵌位电容ClOO和第二开关器件QlOl构成的有源嵌位支路。副边线路30为单独正激整流结构，副边线路30包含第三开关器件Q200、第四开关器件Q201、第一变压器副边绕组31、第二变压器副边绕组32、输出电感L200、输出电容C200、与第二变压器副边绕组耦合的充电保持线路33、电压比较器U3、同步驱动关机控制线路34、同步整流MOSFET驱动器Ul和U2。同步驱动信号由第二变压器副边绕组32产生。在某些拓扑中，当第一变压器副边绕组的电压和參考地合适时，也可以用第一变压器副边绕组的信号来作为同步驱动信号。同步驱动信号经过电阻Rl和ニ极管Dl对电容Cl充电。R2为放电电阻。Rl —般阻值较小，甚至可以不用(短路)，R2的阻值较大，放电的速度远低于充电的速度。Cl上的电压波形如图4所示。本发明的关机控制方法包含以下步骤当同步信号在t0时刻变高吋，Cl上的电压迅速冲至等于同步驱动信号幅值减去 ニ极管Dl导通压降的电平。当同步信号在tl时刻变低吋，Cl上的电压开始经电阻R2放电。在下ー个同步驱动信号出现的t2时刻，Cl上的电压仍高于设定电平VI。在正常工作期间，同步驱动信号按确定的周期重复，因此Cl上的电压始终高于基准电压VI。在t3时刻关机吋，同步驱动信号将不再出现，因此电容Cl上的电压将持续下降，在t4时刻下降至VI。比较器U3在t4时刻后马上翻转，产生关机信号。该关机信号作用于关机线路34，切断给同步驱动器Ul和U2的输入信号，或以其它形式使同步整流驱动器Ul和U2的输出为低，使同步整流M0SFETQ200和Q201同时关断。图3中的第一开关器件Q100、第二开关器件Q101、第三开关器件Q200和第四开关器件Q201 都为 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,金属氧化物半导体场效应管)，这四个开关器件都包含反并联体ニ极管。全部开关器件也可以是其它类型的主动开关器件。原边和副边线路的拓扑都可以采用其它形式，对该控制方法及其特性没有影响。上述控制方法虽然只是对单端正激拓扑进行的叙述，其原理对多种原、副边的拓扑结构同样适用。上述控制方法的描述中使用了 MOSFET作为功率开关器件。该控制方法同样适用于任何其它具备开关特性的器件。上述控制方法的描述中使用了独立关机线路34。在实际设计中，实现的方法可以有多种，在Ul和U2具有施能端(Enable)时，可以用关机信号直接控制Ul和U2的施能端。上述控制方法的描述中使用了基准电压和比较器U3。在实际设计中，基准电压可以是某种开关器件的阈值电压，比如MOSFET的门极阈值电压。而比较器也可以就是ー个开关器件。虽然以上描述了本发明的具体实施方式
，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
权利要求
1.ー种间接驱动同步整流直流-直流变换器的关机控制方法，该方法采用包含由变压器副边绕组产生的同步驱动信号、充电保持线路、电压比较线路、和关机线路构成的同步整流器关机控制线路；其特征在干，同步驱动信号对充电保持线路充电，使充电保持线路的输出在正常工作期间始终保持在高于ー个设定的电平；比较线路输出状态不变；关机线路不动作；当关机发生吋，同步驱动信号消失，充电保持线路的输出持续下降到低于设定电平时触发比较线路翻转，使关机线路动作，切断全部同步整流器的驱动信号。
2.如权利要求I所述的间接驱动同步整流直流-直流变换器的关机控制方法，其特征在于，充电保持线路由充电限流电阻、ニ极管、保持电容、和放电电阻构成。
3.如权利要求2所述的间接驱动同步整流直流-直流变换器的关机控制方法，其特征在于，充电限流电阻的阻值可以较小，甚至短路。
4.如权利要求2所述的间接驱动同步整流直流-直流变换器的关机控制方法，其特征在于，放电电阻的阻值应使保持电容上的电压在关机发生后尽快下降到设定的电平，产生关机信号。
5.如权利要求I所述的间接驱动同步整流直流-直流变换器的关机控制方法，其特征在干，电压比较线路由独立的ニ端输入电压比较器构成。
6.如权利要求I所述的间接驱动同步整流直流-直流变换器的关机控制方法，其特征在干，电压比较线路和基准电压由具有阈值的开关器件MOSFET或类似器件构成。
7.如权利要求I所述的间接驱动同步整流直流-直流变换器的关机控制方法，其特征在于，关机线路由独立的可控开关器件构成。
8.如权利要求I所述的间接驱动同步整流直流-直流变换器的关机控制方法，其特征在干，关机线路由关机信号施加到同步驱动器的施能端实现。
9.ー种间接驱动同步整流直流-直流变换器的关机控制线路，该线路包含由变压器副边绕组产生的同步驱动信号、充电保持线路、电压比较线路、和关机线路构成的同步整流器关机控制线路；其特征在于，同步驱动信号对充电保持线路充电，使充电保持线路的输出在正常工作期间保持高于ー个设定的电平；比较线路输出状态不变；关机线路不动作；当关机发生时，同步驱动信号消失，充电保持线路的输出持续下降到低于设定电平，触发比较线路翻转，使关机线路动作，切断全部同步整流器的驱动信号。
全文摘要
本发明提出一种同步整流直流-直流变换器关机的控制方法和线路，其采用包含原边线路和副边线路的直流-直流变换器，原边线路包含输入电压源、功率开关器件、PWM控制器、耦合原边线路和副边线路的变压器，副边线路包含同步整流功率开关器件、关机信号检测和控制线路、和输出滤波线路。本发明结构简单，成本低，在基本不提高变换器成本的条件下解决了同步整流的输出关机放电问题，提高了系统的实用性和可靠性。
文档编号H02M1/36GK102761237SQ201110104438
公开日2012年10月31日 申请日期2011年4月26日 优先权日2011年4月26日
发明者张余进, 李华铭, 秦卫锋, 蒋毅敏, 魏槐 申请人:江苏兆能电子有限公司