CN102170232B - 一种自驱动有源缓冲器和反激式开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供自驱动有源缓冲器和反激式开关电源，自驱动有源缓冲器和反激式开关电源不需要外部驱动电路，自驱动有源缓冲器包括第一端子、第二端子、第一电容、第二电容和MOS管；所述第一电容的一端连接第一端子，另一端依次通过串联的MOS管和第二电容连接第二端子；所述MOS管的衬底和源极短接，栅极连接第二端子。由于MOS管的栅极和源极分别连接第二电容的两端，第二电容上的电压为MOS提供驱动电压，因此MOS管可以通过第二电容上的电压实现自驱动。并且该有源缓冲器可以吸收尖峰电压，并且不会以热量的形式消耗掉，从而不会降低开关电源的效率。

Description

一种自驱动有源缓冲器和反激式开关电源

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，特别涉及一种自驱动有源缓冲器和反激式开关电源。

背景技术

开关电源具有体积小，效率高以及电流大的优点，因此被广泛应用于手机充电器和笔记本电脑适配器等场合。近年来，由于绿色电源概念的兴起，更加强调高转换效率和低待机功耗。

在所有类型的开关电源中，反激式开关电源是最通用的。而变压器是反激式开关电源中的核心器件之一，变压器的作用是提供电源输入端和输出端的静电隔离。

随着技术的发展，开关电源的发展趋势是智能尺寸和高开关频率。但是高的开关频率将带来开关损耗和高热量问题。目前为了解决高的开关频率带来的开关损耗，开关电源常采用准谐振控制型设计。在准谐振控制型设计中，当电源开关的漏极电压最低时将电源开关闭合，这样电源开关损耗就越小。

参见图1，该图为现有技术中的一种带有电压关断型缓冲器的开关电源的结构图。

电压关断型缓冲器包括电阻102、电容103和二极管104。

电源开关101的闭合和断开由驱动信号S1来控制。

当电源开关101闭合时，变压器105原边的感应电流会线性增加。

当电源开关101断开时，电源开关101的漏极将出现一个电压尖峰。该电压尖峰的成因主要是变压器105的原边漏电感。当电源开关101断开时，变压器105的原边漏电感的能量将给原边电感的寄生电容充电，产生该电压尖峰。

该电压尖峰将导致严重的电磁干扰，因此，电压关断型缓冲器用来吸收该电压尖峰。

当该电压尖峰高于输入电压Vin时，二极管104导通，电容103吸收能量，该电压尖峰小时。电阻102将电容103吸收的能量转换为热能。

但是，电阻102消耗的热能将降低开关电源的效率。为了提高开关电源的效率，现有技术中利用图2所示的有源缓冲器来吸收尖峰电压。

参见图2，该图为现有技术中带有另一种缓冲器的开关电源的结构图。

图2中的有源缓冲器包括第一电容C1和MOS管M2。

电源开关M1的闭合和断开由驱动信号S1来控制。

当电源开关M1断开时，电压尖峰出现在MOS管M2的漏极上。当M1断开时，M2将会导通来抑制电压尖峰，C1帮助泄露电压尖峰产生的能量。

该有源缓冲器没有将电压尖峰产生的能量以热能消耗掉，因此提高了开关电源的效率，但是M2需要复杂的驱动电路产生驱动信号S2来控制M2的开关状态，现有美国专利US2007/0263415A1公开了一种自驱动的有源缓冲器，但是结构比较复杂，增加了整个电路的成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种自驱动有源缓冲器和反激式开关电源，结构简单，成本较低。

本发明提供一种自驱动有源缓冲器，包括：第一端子、第二端子、第一电容、第二电容和MOS管；

所述第一电容的一端连接第一端子，另一端依次通过串联的MOS管和第二电容连接第二端子；

所述MOS管的衬底和源极短接，栅极连接第二端子。

优选地，还包括MOS管的寄生体二极管，所述MOS管的寄生体二极管的阳极连接所述MOS管的源极，所述MOS管的寄生体二极管的阴极连接所述MOS管的漏极。

优选地，还包括MOS管的寄生电容，所述MOS管的寄生电容的一端连接所述MOS管的源极，另一端连接所述MOS管的漏极。

优选地，所述第一端子连接开关电源中变压器原边连接线电压的一端，所述第二端子连接所述开关电源中变压器原边的另一端。

优选地，所述MOS管为NMOS管。

本发明还提供一种具有所述自驱动有源缓冲器的反激式开关电源，包括：自驱动有源缓冲器、电源开关、变压器和开关电源控制器；

所述自驱动有源缓冲器的第一端子连接开关电源中变压器原边连接线电压的一端，第二端子连接所述开关电源中变压器原边的另一端；

所述开关电源控制器用于输出PWM脉冲，以控制所述电源开关的开关状态。

优选地，还包括电源开关的寄生体二极管，所述电源开关的寄生体二极管的阳极连接电源开关的源极，所述电源开关的寄生体二极管的阴极连接电源开关的漏极。

优选地，还包括电源开关的寄生电容，所述电源开关的寄生电容的一端连接电源开关的源极，另一端连接电源开关的漏极。

优选地，所述MOS管为NMOS管。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明实施例提供的自驱动有源缓冲器和反激式开关电源不需要外部驱动电路，由于MOS管的栅极和源极分别连接第二电容的两端，第二电容上的电压为MOS提供驱动电压，因此MOS管可以通过第二电容上的电压实现自驱动。并且该有源缓冲器可以吸收尖峰电压，并且不会以热量的形式消耗掉，从而不会降低开关电源的效率。

附图说明

图1是现有技术中的一种带有电压关断型缓冲器的开关电源的结构图；

图2是现有技术中带有另一种缓冲器的开关电源的结构图；

图3是本发明提供的用于开关电源的自驱动有源缓冲器实施例一结构图；

图4是本发明提供的用于开关电源的自驱动有源缓冲器实施例二结构图；

图5是本发明图4中关键点的电压波形图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

参见图3，该图为本发明提供的用于开关电源的自驱动有源缓冲器实施例一结构图。

本实施例提供的用于开关电源的自驱动有源缓冲器电路，包括：第一端子、第二端子、第一电容C1、第二电容C2和MOS管M2；

所述第一电容C1的一端连接第一端子，当应用于开关电源中时，第一端子为开关电源中变压器T原边的连接线电压Vin的一端，另一端依次通过串联的MOS管M2和第二电容C2连接第二端子，当应用于开关电源中时，第二端子为开关电源中变压器T原边的另一端；

所述MOS管M2的衬底和源极短接，栅极连接变压器T原边的异名端。

本发明实施例提供的自驱动有源缓冲器不需要外部驱动电路，由于MOS管M2的栅极和源极分别连接第二电容C2的两端，C2上的电压为M2提供驱动电压，因此MOS管M2可以通过第二电容C2上的电压实现自驱动。并且该有源缓冲器可以吸收尖峰电压，并且不会以热量的形式消耗掉，从而不会降低开关电源的效率。

下面结合图4来详细说明本发明实施例提供的自驱动有源缓冲器的工作原理。

参见图4，该图为本发明提供的用于开关电源的自驱动有源缓冲器实施例二结构图。

该电路还包括MOS管M2的寄生体二极管D2，所述MOS管M2的寄生体二极管D2的阳极连接所述MOS管M2的源极，所述MOS管M2的寄生体二极管D2的阴极连接所述MOS管M2的漏极。

该电路还包括MOS管M2的寄生电容Cds2，所述MOS管M2的寄生电容Cds2的一端连接所述MOS管M2的源极，另一端连接所述MOS管M2的漏极。

该电路还包括电源开关M1的寄生体二极管D1，所述电源开关M1的寄生体二极管D1的阳极连接电源开关M1的源极，所述电源开关M1的寄生体二极管D1的阴极连接电源开关M1的漏极。

该电路还包括电源开关M1的寄生电容Cds1，所述电源开关M1的寄生电容Cds1的一端连接电源开关M1的源极，另一端连接电源开关M1的漏极。

当电源开关M1导通时，MOS管M2的栅极电压将会拉低到0。MOS管M2的寄生体二极管D2是关断的，并且第二电容C2两端的电压是Vin通过第一电容C1、Cds2和C2的分压。所以MOS管M2的栅极到源极的电压Vgs可以通过下面的公式(1)获得：

$\mathrm{Vgs}=\mathrm{Vin}\frac{1/C_1}{1/C_2+1/C_1+1/C_{\mathrm{ds}2}}---\left(1\right)$

在实际应用中，C1的值要远远大于Cds2的值，这样当M1导通，M2的Vgs几乎是0，此时M2实现自动关断。

当M1断开时，变压器T副边串联的二极管411将导通，并且M1漏极的电压将等于线电压Vin和折返电压之和。所述折返电压是输出电压Vout的N倍，N是变压器原边和副边的匝数比。M2的寄生体二极管将导通，C2的极间电压可以通过下面的公式(2)来获得：

$\mathrm{Vgs}=(N\×\mathrm{Vout}-\mathrm{Vd})\frac{1/C_1}{1/C_2+1C_1}---\left(2\right)$

公式(2)中的Vd是M2的寄生体二极管的电压。

在实际应用中，C1和C2的值可以被设计为满足Vgs的要求。例如，如果Vout＝5V，N＝10，则可以设计C1＝(2/3)*C2来获得大约10V的Vgs。

在M1断开的时刻，由于变压器T原边的漏电感Lm，M1的漏极电压将上升超过折返电压，超过的数值为Vm，根据能量守恒定律，该电压Vm可以通过下面的公式(3)计算。

$\mathrm{Vm}=\mathrm{Ip}\sqrt{\frac{L_m}{C_{\mathrm{node}1}}}---\left(3\right)$

Ip是变压器T原边的尖峰电流，Cnode1是M1的漏极电容之和；

当M1关断时，M2将导通；所以在M1关断的时刻，Cnode1可以通过下式(4)得出：

$C_{\mathrm{node}1}=\frac{C_1{C}_2}{C_1+C_2}+\mathrm{Cm}+\mathrm{Cds}1---\left(4\right)$

Cm是变压器T原边的寄生并联电容。Cds1是M1的漏极到源极的寄生电容。参数[C1C2/(C1+C2)]是C1和C2串联后的容值。

在实际应用中，可以合理地选择C1和C2的绝对值以满足EMI的需求。

当变压器T副边的电流下降到0时，M1的漏极电压也开始下降，从折返电压和线电压之和下降到线电压。由于所述M1的漏极电压依然高于线电压，因此MOS管M2依然导通，M1漏极电压振荡的周期由变压器原边的励磁电感和Cnode1决定。当所述M1的漏极电压降到线电压以下时，MOS管M2将关断，并且在M1的漏极节点的寄生电容Cnode2将被充电，Cnode2充电的值可以通过公式(5)计算。

$C_{\mathrm{node}2}=\frac{1}{1/C_1+1/C_2+1/C_{\mathrm{ds}2}}\mathrm{Cm}+\mathrm{Cds}1\≈\mathrm{Cm}+\mathrm{Cds}1+\mathrm{Cds}2---\left(5\right)$

Cds2与C1和C2相比非常小。

当所述M1的漏极电压等于0时，能量以电流的形式存储在变压器T的原边电感中。接着由于连续的感应电流，所述M1的漏极电压将会下降。当感应电流减小到0，所述M1的漏极电压会降到它的最低值Vlow，如果不考虑热损耗，Vlow可以通过下面的公式(7)计算。

$V_{\mathrm{low}}=V_{\mathrm{in}}-N*V_{\mathrm{out}}\sqrt{\frac{C_{\mathrm{node}1}}{C_{\mathrm{mode}2}}}---\left(6\right)$

由以上各个公式可以得到图4中几个重要节点的电压。参见图5，该图为图4中关键节点的电压波形图。

图5对应的工作模式是准谐振模式。

当M1的电压下降到它的最低电压时电源开关将导通。

参考图5，ton是M1导通的持续时间。图4中MOS管M2的电压Vgs2在ton时间段几乎是0。在toff时间段，所述MOS管M2的电压Vgs2将会升高进而导通MOS管M2，此时Cnode1来吸收泄漏能量。

由于所述大电容Cnode1，电压尖峰将减小，电磁干扰问题也将被改善。

在t1时间内，由于没有电流流过变压器T的副边二极管411，所述电源开关M1的漏极电压Vc开始下降，并且所述大电容Cnode1开始放电。当Vc下降到线电压Vin以下时，Vgs2将降到0，图4中的MOS管M2将关断，Cnode1将减小到Cnode2。如果图4中的电容C1和C2足够大，电压Vc将降到0，当Vc在它的最低值Vlow时，电源开关M1将会导通，由于M1的漏极电压最低时M1导通，这样M1导通时对应的开关损耗较小，这样可以减小损耗。

M1在Vc的第一低谷或在第二低谷时导通，在工作模式的基础上来降低开关损耗。

综上所述，本发明实施例提供的自驱动有源缓冲器电路不但可以降低开关损耗，而且不会造成能量损耗，从而提高了电源的效率。

需要说明的是，本发明还提供一种具有以上所述的自驱动有源缓冲器的反激式开关电源，包括：自驱动有源缓冲器、电源开关、变压器、开关电源控制器；

所述自驱动有源缓冲器的第一端子连接开关电源中变压器原边连接线电压的一端，第二端子连接所述开关电源中变压器原边的另一端；

所述开关电源控制器用于输出PWM脉冲，以控制所述电源开关的开关状态。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种自驱动有源缓冲器，其特征在于，包括：第一端子、第二端子、第一电容、第二电容和MOS管；

所述第一电容的一端直接连接所述第一端子，所述第一电容的另一端直接连接所述MOS管的漏极；

所述MOS管的源极直接连接所述第二电容的第一端，所述MOS管的栅极直接连接所述第二电容的第二端，所述第二电容上的电压为所述MOS管提供驱动电压；

所述MOS管的衬底和源极短接，所述MOS管的栅极直接连接所述第二端子。

2.根据权利要求1所述的自驱动有源缓冲器，其特征在于，还包括MOS管的寄生体二极管，所述MOS管的寄生体二极管的阳极连接所述MOS管的源极，所述MOS管的寄生体二极管的阴极连接所述MOS管的漏极。

3.根据权利要求2所述的自驱动有源缓冲器，其特征在于，还包括MOS管的寄生电容，所述MOS管的寄生电容的一端连接所述MOS管的源极，另一端连接所述MOS管的漏极。

4.根据权利要求1所述的自驱动有源缓冲器，其特征在于，所述第一端子连接开关电源中变压器原边连接线电压的一端，所述第二端子连接所述开关电源中变压器原边的另一端；

所述第二端子连接电源开关的漏极，所述电源开关的源极接地。

5.根据权利要求1-4任一项所述的自驱动有源缓冲器，其特征在于，所述MOS管为NMOS管。

6.一种具有权利要求1所述自驱动有源缓冲器的反激式开关电源，其特征在于，包括：自驱动有源缓冲器、电源开关、变压器和开关电源控制器；

所述自驱动有源缓冲器的第一端子连接开关电源中变压器原边连接线电压的一端，第二端子连接所述开关电源中变压器原边的另一端；所述第二端子连接电源开关的漏极，所述电源开关的源极接地；

所述开关电源控制器用于输出PWM脉冲，以控制所述电源开关的开关状态。

7.根据权利要求6所述的反激式开关电源，其特征在于，还包括电源开关的寄生体二极管，所述电源开关的寄生体二极管的阳极连接电源开关的源极，所述电源开关的寄生体二极管的阴极连接电源开关的漏极。

8.根据权利要求7所述的反激式开关电源，其特征在于，还包括电源开关的寄生电容，所述电源开关的寄生电容的一端连接电源开关的源极，另一端连接电源开关的漏极。

9.根据权利要求6-8任一项所述的反激式开关电源，其特征在于，所述MOS管为NMOS管。

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