專利名稱：直流/直流變換器同步整流驅動電路及驅動方法
技術領域：
本發明涉及一種直流/直流(即DC/DC)變換器同步整流驅動電路及驅動方法，用于在副邊采用同步整流MOS晶體管進行整流的DC/DC變換器中，對其同步整流MOS晶體管的整流管和續流管的門極的驅動。
現有的驅動電路或者不能完全滿足以上三個要求，或者僅能基本滿足要求但控制復雜，成本較高。
目前已有的一種同步整流驅動電路如
圖1a所示，其主要信號波形如圖1b所示，同步整流驅動電路由PWM驅動信號GT、隔離驅動電路、延時驅動電路以及二極管Da、電阻Ra、小功率晶體管Sa組成，對續流管SR2進行驅動。它的原理為在t1時刻，GT為高電平，通過隔離驅動電路使Sa導通，將SR2的門極電荷釋放，SR2關斷；經過延時驅動電路，在t2時刻，功率MOS管(簡稱功率管)S導通，整流管SR1導通；在t3時刻，功率管S關斷，SR1關斷，SR2的寄生二極管導通續流，由于此時變壓器T1副邊繞組Ns的電壓極性為下正上負，正電壓通過Da、Ra加在SR2門極上，使SR2導通，由于SR2的門極除連接有Sa外，沒有其它放電回路，SR2將持續導通，直到GT變為高電平；因此以上過程可滿足(1)整流時SR1導通，SR2關斷；續流時SR2導通，SR1關斷；(2)SR1與SR2不會同時處于導通狀態。因此由于同步整流的作用，變換器的效率較高。
但同時存在的問題是在變換器停止工作的t4時刻，GT為低電平，功率管S關斷，SR1關斷，SR2的寄生二極管導通續流，此時變壓器T1副邊繞組Ns的電壓極性為下正上負，正電壓通過Da、Ra加在SR2門極上，使SR2導通，由于變換器停止工作后GT一直為低電平，Sa無法導通將SR2的門極電荷釋放，SR2將一直導通，續流結束后輸出端電容C上的電荷將通過電感L、SR2泄放，電流由SR2的漏極流過源極，與正常續流電流方向相反，由于電感L、SR2回路上的阻抗往往較小，泄放電流會很大，對SR2造成很大的電流應力，同時電感L與電容C還會形成振蕩，在輸出端形成負電壓，對輸出端的有極性電容和負載造成損傷，在輸出空載或輕載時，由于負載阻抗相對較大，流過電感L、SR2的電流也相對較大，這個問題會更加嚴重。由于同樣的原因，采用這種同步整流驅動電路的DC/DC變換器也無法應用在要求輸出直接并聯的場合。因此以上過程無法滿足第3條要求，即變換器停止工作的時候要及時關斷SR2，避免反向導通。
為實現上述目的，本發明提出一種DC/DC變換器同步整流驅動電路及驅動方法，用于在副邊采用同步整流MOS晶體管進行整流的DC/DC變換器中，對其同步整流MOS晶體管的整流管和續流管的門極的驅動。
所述DC/DC變換器同步整流驅動電路包括PWM驅動信號(GT)產生電路和脈沖同步信號(SYNC)產生電路，所述PWM驅動信號(GT)用于觸發整流管(SR1)的開通和關斷，所述脈沖同步信號(SYNC)用于觸發續流管(SR2)的關斷，其前沿超前于PWM驅動信號(GT)的前沿。
所述DC/DC變換器同步整流驅動方法的特征是變換器正常工作時，在每一個開關周期內，在PWM驅動信號(GT)之前，首先發出一個脈沖同步信號(SYNC)；所述PWM驅動信號(GT)用于觸發整流管(SR1)的開通和關斷，所述脈沖同步信號(SYNC)用于觸發續流管(SR2)的關斷，所述脈沖同步信號(SYNC)的前沿超前于PWM驅動信號(GT)的前沿；變換器停止工作后，所述脈沖同步信號(SYNC)仍然會繼續發出至少一個脈沖，且繼續發出的脈沖至少有一個是在小于一個開關周期的時間內發出的，以便將同步整流MOS晶體管的續流管(SR2)關斷。
由于采用了以上的方案，在PWM驅動信號后沿，整流管關斷，續流管開始導通；脈沖同步信號的前沿先于PWM驅動信號的前沿到來，此時續流管開始關斷；續流管關斷后，PWM驅動信號的前沿到來，整流管導通。這樣即可滿足(1)整流時整流管導通，續流管關斷；續流時續流管導通，整流管關斷；(2)整流管與續流管不會同時處于導通狀態。而在變換器停止工作的時刻，PWM驅動信號為低電平，整流管關斷，續流管導通，但續流管不會一直導通，當脈沖同步信號到來時，會將續流管關斷，直到完全關斷。從變換器停止工作的時刻到續流管完全關斷的時刻，時間間隔小于一個開關周期，輸出端電容上的電荷通過電感、續流管泄放的時間很短，泄放電流很小，更不會在輸出端形成負電壓，因此以上過程能夠滿足(3)變換器停止工作的時候能及時關斷續流管，避免反向導通。該電路及方法幾乎不增加電路成本，簡單、高效。
圖2-7是本發明的幾個典型實施例，各例中，變換器的整流部分包括整流管SR1和續流管SR2，其中，所述同步整流驅動電路由一個與PWM驅動信號GT同步的脈沖同步信號SYNC、一個隔離驅動電路以及二極管Da、電阻Ra、電阻Rb、小功率晶體管Sa組成。所述脈沖同步信號SYNC的輸出端與所述隔離驅動電路的輸入端連接，所述隔離驅動電路的輸出端與所述Sa的門極連接，所述二極管Da的陰極通過電阻Ra與所述續流管SR2的門極連接，小功率MOS晶體管Sa的漏極通過電阻Rb與續流管SR2的門極連接。
其中，所述隔離驅動電路可以采用多種常用的隔離驅動電路，其中的兩個例子分別如圖3a、圖3b所示。
圖3a表示的一種隔離驅動電路由小功率MOS晶體管Sb、脈沖變壓器Tb、電阻R1、電阻R2、電阻R3組成，小功率MOS晶體管Sb的門極通過電阻R1與所述脈沖同步信號SYNC連接，電阻R2并聯在小功率MOS晶體管Sb的門極和源極之間，脈沖變壓器Tb的原邊繞組Npb的負極端與小功率MOS晶體管Sb的漏極連接，Npb的正極端與輔助電源VCC連接，電阻R3與副邊繞組Nsb并聯，副邊繞組Nsb的正極端與所述小功率MOS晶體管Sa的門極連接，Nsb的負極端與所述小功率MOS晶體管Sa的源極連接。
圖3b表示的一種隔離驅動電路由脈沖變壓器Td、電阻Rd、電容Cd組成，電容Cd的一端與所述脈沖同步信號SYNC連接，另一端與脈沖變壓器Td的原邊繞組Npd的正極端連接，Npd的負極端與原邊共地，電阻Rd與副邊繞組Nsb并聯，副邊繞組Nsd的正極端與所述小功率MOS晶體管Sa的門極連接，Nsd的負極端與所述小功率MOS晶體管Sa的源極連接。
根據變換器原邊的不同，本發明可應用多種不同電路拓撲中，下面分別列出幾例圖2中，所述DC/DC變換器是三繞組去磁正激變換器(它有三個繞組Nc、Np、Ns)，繞組Np的負極端與功率MOS管S的漏極相連，所述脈沖同步信號SYNC的輸出端與所述隔離驅動電路的輸入端連接，所述隔離驅動電路的輸出端與所述小功率MOS晶體管Sa的門極連接。所述二極管Da的陽極與繞組Ns的負端及整流管SR1的漏極連接，其陰極通過電阻Ra與所述續流管SR2的門極連接，小功率MOS晶體管Sa的漏極通過電阻Rb與續流管SR2的門極連接。
圖4中，所述DC/DC變換器是諧振箝位正激變換器，繞組Np與電容Cc并聯后與功率MOS管S的漏極相連，所述脈沖同步信號SYNC的輸出端與所述隔離驅動電路的輸入端連接，所述隔離驅動電路的輸出端與所述小功率MOS晶體管Sa的門極連接。其中，繞組Np與電容Cc并聯后與功率MOS管S的漏極相連。
圖5中，所述DC/DC變換器是二極管箝位雙正激變換器，繞組Np的正極端與功率MOS管S1的源極相連，繞組Np的負極端與功率MOS管S2的漏極相連，二極管D1的陽極與繞組Np的負極端連接，陰極與功率MOS管S1的漏極連接，二極管D2的陰極與繞組Np的正極端連接，陽極與功率MOS管S2的源極連接，所述脈沖同步信號SYNC的輸出端與所述隔離驅動電路的輸入端連接，所述隔離驅動電路的輸出端與所述小功率MOS晶體管Sa的門極連接。其中，繞組Np的正極端與功率MOS管S1的源極相連，繞組Np的負極端與功率MOS管S2的漏極相連，二極管D1的陽極與繞組Np的負極端連接，陰極與功率MOS管S1的漏極連接，二極管D2的陰極與繞組Np的正極端連接，陽極與功率MOS管S2的源極連接。
圖6中，所述DC/DC變換器是諧振箝位雙正激變換器，繞組Np的正極端與功率MOS管S1的源極相連，繞組Np的負極端與功率MOS管S2的漏極相連，電容Cc與繞組Np并聯，所述脈沖同步信號SYNC的輸出端與所述隔離驅動電路的輸入端連接，所述隔離驅動電路的輸出端與所述小功率MOS晶體管Sa的門極連接。其中，繞組Np的正極端與功率MOS管S1的源極相連，繞組Np的負極端與功率MOS管S2的漏極相連，電容Cc與繞組Np并聯。
根據變換器副邊的不同，本發明也可適用于多種情形，下面給出兩例圖2中，所述DC/DC變換器的副邊同步整流電路是直接自驅動電路，整流管SR1的門極與Ns的正極端及續流管SR2的漏極連接，整流管SR1的源極與續流管SR2的源極連接，所述二極管Da的陽極與繞組Ns的負端及整流管SR1的漏極連接，其陰極通過電阻Ra與所述續流管SR2的門極連接。
圖7中，所述DC/DC變換器的副邊同步整流電路是繞組驅動電路，整流管SR1的源極與繞組Ns的正極端及驅動繞組N1的負極端連接，整流管SR1的門極與驅動繞組N1的正極端連接，續流管SR2的源極與繞組Ns的負極端及驅動繞組N2的正極端連接，整流管SR1的漏極與續流管SR2的漏極連接，所述二極管Da的陽極與驅動繞組N2的負極端連接，其陰極通過電阻Ra與所述續流管SR2的門極連接。其中，整流管SR1的源極與繞組Ns的正極端及驅動繞組N1的負極端連接，整流管SR1的門極通過電阻R11與驅動繞組N1的正極端連接，續流管SR2的源極與繞組Ns的負極端及驅動繞組N2的正極端連接，整流管SR1的漏極與續流管SR2的漏極連接，所述二極管Da的陽極與驅動繞組N2的負極端連接，其陰極通過電阻Ra與所述續流管SR2的門極連接。
圖8表示圖7所示的采用本發明的同步整流驅動電路時變換器的典型工作波形圖(其他情形略有不同，不再詳述)，在t1時刻，功率MOS管S的PWM驅動信號GT由高變為低，變壓器的副邊繞組Ns極性改變，同步整流MOS晶體管SR1關斷，SR2開始導通，到t2時刻SR2完全導通；在t3時刻，脈沖同步信號SYNC到來，同步整流MOS晶體管SR2開始關斷，到t4時刻SR2完全關斷，在t4時刻，功率MOS管S的PWM驅動信號GT由低變為高，同步整流MOS晶體管SR1導通；因此以上過程可滿足
(1)整流時同步整流MOS晶體管SR1導通，SR2關斷；續流時SR2導通，SR1關斷；(2)同步整流MOS晶體管SR1與SR2不會同時處于導通狀態；因此由于同步整流的作用，變換器的效率較高。
在變換器停止工作的t5時刻，功率MOS管S的PWM驅動信號GT為低，同步整流MOS晶體管SR1關斷，SR2導通，到t6時刻，脈沖同步信號SYNC到來，同步整流MOS晶體管SR2開始關斷，到t7時刻SR2完全關斷，從變換器停止工作的t5時刻到SR2完全關斷的t7時刻，時間間隔小于一個開關周期，輸出端電容C上的電荷通過電感L、SR2泄放的時間很短，泄放電流很小，更不會在輸出端形成負電壓，因此以上過程能夠滿足第3條要求，即變換器停止工作的時候能及時關斷同步整流MOS晶體管SR2，避免反向導通。
為了簡化電路，所述脈沖同步信號SYNC一般可由集成PWM控制芯片輸出，脈沖同步信號SYNC是一個窄脈沖，源于PWM控制器的定時振蕩RAMP波，并且與功率MOS管S的PWM驅動信號GT有準確的時序關系(見圖8中的SYNC信號與GT信號)。具體時序是SYNC的前沿超前于GT的前沿。具體到圖8，就是SYNC信號的上升沿時刻t3必須超前于GT信號的上升沿時刻t4，以保證整流時在同步整流MOS晶體管SR1導通之前，SR2已可靠關斷，但SYNC的周期和脈寬并不一定要嚴格如圖8那樣，比如它的周期是GT的整數倍，或它的脈寬與圖8示意略有差異等，都不影響本發明的效果。調節t3～t4的時間間隔可以影響變換器的效率。t3～t4時間間隔過大時，SR2關斷過早，變換器通過SR2的寄生二極管續流，通態損耗增加；t3～t4時間間隔過小時，SR2關斷過晚，通過SR1、SR2形成環流，開通損耗增加。對于開關頻率為250kHz的變換器，t3～t4的推薦值為80nS左右。
本發明專利公開的同步整流驅動電路已為實驗所證實，所述電路被用在36～75V直流輸入，3.3V/35A直流輸出的DC/DC電源中，(采用諧振箝位正激電路)，功率級效率達90％以上，變換器停止工作的時候能避免反向導通，并且，變換器的輸出端可以直接并聯。
以上通過實施例對本發明進行了說明，但本發明并不限定于此，凡在不違背本發明的精神和內容所作的改進或替換，應被視為屬于本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種DC/DC變換器同步整流驅動電路，用于在副邊采用同步整流MOS晶體管進行整流的DC/DC變換器中，對其同步整流MOS晶體管的整流管(SR1)和續流管(SR2)的門極的驅動；其特征是它包括PWM驅動信號(GT)產生電路和脈沖同步信號(SYNC)產生電路，所述PWM驅動信號(GT)用于觸發整流管(SR1)的開通和關斷，所述脈沖同步信號(SYNC)用于觸發續流管(SR2)的關斷，其前沿超前于PWM驅動信號(GT)的前沿。
2.如權利要求1所述的DC/DC變換器同步整流驅動電路，其特征是所述DC/DC變換器的副邊同步整流電路是直接自驅動電路，整流管(SR1)的門極接于變換器副邊繞組正端并與續流管(SR2)的漏極相連，漏極接于變換器副邊繞組負端，源極與續流管(SR2)的源極相連；所述DC/DC變換器同步整流驅動電路還包括隔離驅動電路、整流二極管(Da)、第一二電阻(Ra、Rb)和第一小功率晶體管(Sa)，所述脈沖同步信號(SYNC)輸入到所述隔離驅動電路的輸入端，所述隔離驅動電路的輸出端與所述第一小功率晶體管(Sa)的門極連接，所述整流二極管(Da)的陽極與DC/DC變換器的副邊繞組的負端及整流管(SR1)的漏極連接，其陰極通過第一電阻(Ra)與所述續流管(SR2)的門極連接，第一小功率晶體管(Sa)的漏極通過第二電阻(Rb)與續流管(SR2)的門極連接，其源極與續流管(SR2)的源極連接。
3.如權利要求1所述的DC/DC變換器同步整流驅動電路，其特征是所述DC/DC變換器的副邊同步整流電路是繞組驅動電路，整流管(SR1)的源極與副邊繞組(Ns)的正極端及第一驅動繞組(N1)的負極端連接，門極與第一驅動繞組(N1)的正極端連接，續流管(SR2)的源極與副邊繞組(Ns)的負極端及第二驅動繞組(N2)的正極端連接，整流管(SR1)的漏極與續流管(SR2)的漏極連接，整流二極管(Da)的陽極與第二驅動繞組(N2)的負極端連接，陰極通過第一電阻(Ra)與所述續流管(SR2)的門極連接。
4.如權利要求2所述的DC/DC變換器同步整流驅動電路，其特征是所述隔離驅動電路包括第二小功率晶體管(Sb)、第一脈沖變壓器(Tb)、第三至五電阻(R1、R2、R3)，所述第二小功率晶體管(Sb)的門極通過第三電阻(R1)與所述脈沖同步信號(SYNC)連接，第四電阻(R2)并聯在第二小功率晶體管(Sb)的門極和源極之間，第一脈沖變壓器(Tb)的原邊繞組的負極端與第二小功率晶體管(Sb)的漏極連接，原邊繞組的正極端與輔助電源VCC連接，第五電阻(R3)與第一脈沖變壓器(Tb)的副邊繞組并聯，副邊繞組的正極端與所述小功率晶體管(Sa)的門極連接，負極端與所述小功率晶體管(Sa)的源極連接。
5.如權利要求3所述的DC/DC變換器同步整流驅動電路，其特征是所述隔離驅動電路包括第二小功率晶體管(Sb)、第一脈沖變壓器(Tb)、第三至五電阻(R1、R2、R3)，所述第二小功率晶體管(Sb)的門極通過第三電阻(R1)與所述脈沖同步信號(SYNC)連接，第四電阻(R2)并聯在第二小功率晶體管(Sb)的門極和源極之間，第一脈沖變壓器(Tb)的原邊繞組的負極端與第二小功率晶體管(Sb)的漏極連接，原邊繞組的正極端與輔助電源VCC連接，第五電阻(R3)與第一脈沖變壓器(Tb)的副邊繞組并聯，副邊繞組的正極端與所述小功率晶體管(Sa)的門極連接，負極端與所述小功率晶體管(Sa)的源極連接。
6.如權利要求2所述的DC/DC變換器同步整流驅動電路，其特征是所述隔離驅動電路包括第二脈沖變壓器(Td)、第六電阻(Rd)、電容(Cd)，所述電容(Cd)的一端與所述脈沖同步信號(SYNC)連接，另一端與第二脈沖變壓器(Td)的原邊繞組的正極端連接，原邊繞組的負極端與原邊共地，第六電阻(Rd)與第二脈沖變壓器(Td)副邊繞組并聯，該副邊繞組的正極端與所述第一小功率晶體管(Sa)的門極連接，負極端與所述第一小功率晶體管(Sa)的源極連接。
7.如權利要求3所述的DC/DC變換器同步整流驅動電路，其特征是所述隔離驅動電路包括第二脈沖變壓器(Td)、第六電阻(Rd)、電容(Cd)，所述電容(Cd)的一端與所述脈沖同步信號(SYNC)連接，另一端與第二脈沖變壓器(Td)的原邊繞組的正極端連接，原邊繞組的負極端與原邊共地，第六電阻(Rd)與第二脈沖變壓器(Td)副邊繞組并聯，該副邊繞組的正極端與所述第一小功率晶體管(Sa)的門極連接，負極端與所述第一小功率晶體管(Sa)的源極連接。
8.如權利要求2至7所述的DC/DC變換器同步整流驅動電路，其特征是所述DC/DC變換器是三繞組去磁正激變換器，它包括三個繞組(Nc、Np、Ns)，中間繞組(Np)的負極端與功率管(S)的漏極相連；功率管(S)的門極與PWM驅動信號(GT)相連，源極接地。
9.如權利要求2至7所述的DC/DC變換器同步整流驅動電路，其特征是所述DC/DC變換器是諧振箝位正激變換器，變換器原邊繞組(Np)與其并聯電容(Cc)并聯后與功率管(S)的漏極相連；功率管(S)的門極與PWM驅動信號(GT)相連，源極接地。
10.如權利要求2至7所述的DC/DC變換器同步整流驅動電路，其特征是所述DC/DC變換器是二極管箝位雙正激變換器，原邊繞組(Np)的正極端與第一功率管(S1)的源極相連，負極端與第二功率管(S2)的漏極相連，第一二極管(D1)的陽極與原邊繞組(Np)的負極端連接，陰極與第一功率管(S1)的漏極連接，第二二極管(D2)的陰極與原邊繞組(Np)的正極端連接，陽極與第二功率管(S2)的源極連接后接地；PWM驅動信號(GT)分成兩路分別與第一、二功率管(S1、S2)的門極相連。
11.如權利要求2至7所述的DC/DC變換器同步整流驅動電路，其特征是所述DC/DC變換器是諧振箝位雙正激變換器，原邊繞組(Np)的正極端與第一功率管(S1)的源極相連，負極端與第二功率管(S2)的漏極相連，并聯電容(Cc)與原邊繞組(Np)并聯；PWM驅動信號(GT)分成兩路分別與第一、二功率管(S1、S2)的門極相連，第一功率管(S1)的漏極與電源(VIN)相連，第二功率管(S2)的源極接地。
12.一種DC/DC變換器同步整流驅動方法，用于在副邊采用同步整流MOS晶體管進行整流的DC/DC變換器中，對其同步整流MOS晶體管的整流管(SR1)和續流管(SR2)的門極的驅動，其特征是變換器正常工作時，在每一個開關周期內，在PWM驅動信號(GT)之前，首先發出一個脈沖同步信號(SYNC)；所述PWM驅動信號(GT)用于觸發整流管(SR1)的開通和關斷，所述脈沖同步信號(SYNC)用于觸發續流管(SR2)的關斷，所述脈沖同步信號(SYNC)的前沿超前于PWM驅動信號(GT)的前沿；變換器停止工作后，所述脈沖同步信號(SYNC)仍然會繼續發出至少一個脈沖，且繼續發出的脈沖至少有一個是在小于一個開關周期的時間內發出的，以便將同步整流MOS晶體管的續流管(SR2)關斷。
全文摘要
本發明公開一種DC/DC變換器同步整流驅動電路及驅動方法,用于在副邊采用同步整流MOS晶體管進行整流的DC/DC變換器中,對其同步整流MOS晶體管的整流管和續流管的門極的驅動。在PWM驅動信號之外,還增設一個脈沖同步信號,它前沿超前于PWM驅動信號的前沿。它能夠在變換器停止工作的時候及時關斷續流管,避免反向導通。該電路及方法幾乎不增加電路成本,簡單、高效。
文檔編號H02M3/24GK1379534SQ0211472
公開日2002年11月13日 申請日期2002年1月1日 優先權日2002年1月1日
發明者唐志 申請人:艾默生網絡能源有限公司