CN103391016A - 与输出电容直接并联的mosfet同步整流电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路，包括MOSFET构成的整流电路；MOSFET构成的整流电路中包括两个用于电流流动的单向开关阀和两个双向开关阀。单向开关阀通过MOSFET和驱动电路A构成；驱动电路A包括MOSFET检测网络等；MOSFET检测网络包括电流源等；MOSFET检测网络的输入端与电压输入端相连接，电阻的一端与MOSFET检测网络的输入端相连接，电阻的另外一端与MOSFET检测网络的输出端相连接，电流源和稳压管与电阻相连接；电压比较器包括参考电压等；参考电压与比较器的正极输入端相连接；MOSFET检测网络的输出端与比较器的负极输入端相连接；比较器的输出端与驱动器的输入端相连接；驱动器与MOSFET的栅极相连接；的电流源通过在参考电压上外接外接电阻产生。

Description

与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路及方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及同步整流电路，更具体地说，本发明涉及一种用于可与输出滤波电容直接并联的低成本同步整流电路，即与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路及方法。

背景技术

在低压大电流交直流应用中，首先需要一个桥式整流器将输入的交流转变为直流；在交流转变为直流的过程中，桥式整流器的损失是降低整个***效率主要因数；如通常桥式整流器的输入电压为6V，而桥式整流器两端的电压降是大约1.5V，即通过桥式整流器后的电位损失可以达到25％。为了减少损失，研究中发现，通过使用肖特基二极管，可以将损失降低50％左右，而使用如图1所示的具有MOSFET的同步整流桥，则可以将损失进一步降低（降低到几乎为零的程度），从而使得***的效率大大提高。

如图1所示的MOSFET同步整流桥由两个P沟道MOSFET和两个N沟道MOSFET构成，以上所述的四个MOSFET（两个P沟道MOSFET和两个N沟道MOSFET）由MOSFET同步整流桥的交流输入驱动。这类的MOSFET同步整流桥电路结构十分简单，且成本低廉，并能在比较宽的输入电压范围内使用。

但是此类MOSFET同步整流桥的输出不能与输出滤波电容直接并联。具体的说，在此类MOSFET同步整流桥中，MOSFET的作用是同步整流桥的交流输入控制的双向开关阀，而不是用于电流流动的单向开关阀；因此，输出滤波电容会向同步整流桥反向输入电流而回馈到交流输入或被MOSFET短路；由于以上所述的缺陷，导致了此类电路电源应用的输出必须是电感或电阻；并且限制了此类电路在许多场合的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路及方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路，包括包括MOSFET构成的整流电路；所述MOSFET构成的整流电路中包括两个用于电流流动的单向开关阀和两个双向开关阀。

作为对本发明的与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路的改进：所述单向开关阀通过MOSFET和驱动电路A构成；所述驱动电路A包括依次信号连接的MOSFET检测网络、电平比较器和驱动器；所述MOSFET检测网络内包括有电流源、电阻和稳压管；MOSFET检测网络的输入端与MOSFET构成的整流电路的电压输入端相连接，所述电阻的一端与MOSFET检测网络的输入端相连接，所述电阻的另外一端与MOSFET检测网络的输出端相连接，所述电流源和稳压管分别在MOSFET检测网络的输出端与电阻相连接；所述电压比较器包括参考电压和比较器；所述参考电压与比较器的正极输入端相连接；所述MOSFET检测网络的输出端与比较器的负极输入端相连接；所述比较器的输出端与驱动器的输入端相连接；所述驱动器的输出端与MOSFET的栅极相连接；所述的电流源通过在参考电压上外接外接电阻产生。

一种与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路的方法：MOSFET构成的整流电路的电压输入端向MOSFET检测网络输入输入电压Vin；所述MOSFET检测网络输出输出电压V_O；所述输出电压V_O输入到电压比较器；电压比较器通过输出电压V_O和参考电压Vref进行比较后输出电平信号；所述驱动器根据电压比较器输出的电平信号控制MOSFET的开通和关断。

作为对本发明的与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路的方法的改进：当输入电压Vin大于稳压管电压V_CLAMP时，MOSFET检测网络的输出电压V_O是V_CLAMP；当输入电压Vin小于稳压管电压V_CLAMP时，MOSFET检测网络的输出电压V_O=I_SS×R_DET+V_DS；所述V_DS为MOSFET工作于同步整流状态时，MOSFET所流过的电流I_DS 在MOSFET的导通电阻R_DSON上的电压降；所述电流I_DS为负值，所述电压降V_DS<0。

作为对本发明的与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路的方法的改进：所述输出电压V_O大于参考电压Vref，比较器输出低电平；所述参考电压Vref大于输出电压V_O，比较器输出高电平。

作为对本发明的与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路的方法的改进：所述低电平经驱动器输出到MOSFET的栅极，使得MOSFET关断；所述高电平经驱动器输出到MOSFET的栅极，使得MOSFET保持开通。

作为对本发明的与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路的方法的改进：当MOSFET关断时，流过MOSFET的电流换流到MOSFET的体二极管；所述MOSFET的体二极管的电流为零时，MOSFET的电压降V_DS增加；所述MOSFET的电压降V_DS大于稳压管电压V_CLAMP时，MOSFET检测网络的输出电压V_O为稳压管电压V_CLAMP。

在现有的MOSFET同步整流桥中，由于四个MOSFET的作用都是受同步整流桥的交流输入控制的双向开关阀而不是用于电流流动的单向开关阀，MOSFET同步整流桥的输出不能与输出滤波电容直接并联。所以在本发明的与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路及方法中，四个MOSFET中，采用了两个MOSFET是被控制成用于电流流动的单向开关阀的结构，如两个P沟道MOSFET为单向开关阀的结构组合，一个P沟道MOSFET和一个N沟道MOSFET为单向开关阀的结构组合，或两个N沟道MOSFET为单向开关阀的结构组合；这样的结构组合使得MOSFET同步整流桥能与输出滤波电容直接并联，这种结构组合的MOSFET同步整流桥输出的电容没有向同步整流桥反向输入电流的通路；

也就是说，通过如下的四种组合形成的一系列MOSFET同步整流桥都能与输出滤波电容直接并联（输出电容没有了向这同步整流桥反向输入电流的通路），四种组合如下：

第一种组合（如图4所示）：两个P沟道MOSFET为双向开关阀的结构、两个N沟道MOSFET为单向开关阀的结构组合；

第二种组合（如图5所示）：两个P沟道MOSFET为单向开关阀的结构、两个N沟道MOSFET为双向开关阀的结构组合；

第三种组合（如图2所示）：一个P沟道MOSFET和一个N沟道MOSFET为单向开关阀的的结构、一个P沟道MOSFET和一个N沟道MOSFET为双向开关阀的结构组合；

第四种组合（如图3所示）：一个P沟道MOSFET和一个N沟道MOSFET为单向开关阀的的结构、一个P沟道MOSFET和一个N沟道MOSFET为双向开关阀的结构组合；

显然以上所述的双向开关阀的结构组合中，驱动电路是由电阻和稳压管组成，成本低廉；但是以上所述的单向开关阀的结构组合中，驱动电路通常是由额外的驱动电路A或相应的集成电路A构成；而采用额外的驱动电路A的成本肯定比电阻和稳压管组成的驱动电路的成本要高。但是在本发明中，由于采用了两个双向开关阀和两个单向开关阀相结合的组合方式（具体如以上所述的四种组合），既保留了双向开关阀中电阻和稳压管组成的驱动电路，又增加了由额外的驱动电路A为基础而组成的单向开关阀，所以达到了节省成本的目的（尤其在宽输入电压应用条件下）。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是已有的MOSFET同步整流桥的结构示意图；

图2是本发明的与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路一种结构示意图；

图3是本发明的与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路另外一种结构示意图；

图4是本发明的与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路再另外一种结构示意图；

图5是本发明的与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路又再另外一种结构示意图；

图6本发明用于电流流动的单向开关阀的驱动电路A的结构示意图；

图7本发明用于电流流动的单向开关阀的驱动电路A的MOSFET检测网络100的输入V_IN输出V_O关系图；

图8是本发明用于电流流动的单向开关阀的驱动电路A的具体结构示意图。

具体实施方式

图1~图8给出了一种与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路及方法。

通过对MOSFET同步整流桥的研究发现，在MOSFET同步整流桥中（如图1所示），因为四个MOSFET都是受同步整流桥的交流输入控制的双向开关阀（而不是用于电流流动的单向开关阀），所以MOSFET同步整流桥的输出不能与输出滤波电容直接并联。

但是当四个MOSFET中的两个MOSFET是被控制成用于电流流动的单向开关阀时，MOSFET同步整流桥就能与输出滤波电容直接并联，因为这种MOSFET同步整流桥（即四个MOSFET中的两个MOSFET是被控制成用于电流流动的单向开关阀）的输出电容没有向这种MOSFET同步整流桥反向输入电流的通路。

实施例1、一种与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路，包括MOSFET构成的整流电路；在MOSFET构成的整流电路中包括两个用于电流流动的单向开关阀和两个双向开关阀。

以上所述的单向开关阀通过MOSFET和驱动电路A构成；驱动电路A包括依次信号连接的MOSFET检测网络100、电平比较器200和驱动器300；MOSFET检测网络100内包括有电流源、电阻和稳压管；MOSFET检测网络100的输入端与MOSFET构成的整流电路的电压输入端相连接，电阻的一端与MOSFET检测网络100的输入端相连接，电阻的另外一端与MOSFET检测网络100的输出端相连接，电流源和稳压管分别在MOSFET检测网络100的输出端与电阻相连接；电压比较器200包括参考电压和比较器；参考电压与比较器的正极输入端相连接； MOSFET检测网络100的输出端与比较器的负极输入端相连接；比较器的输出端与驱动器300的输入端相连接；所述驱动器300的输出端与MOSFET的栅极相连接；电流源通过在参考电压上外接外接电阻产生。

实际使用的过程中，通过开通和关断对应的MOSFET来实现电流流动的单向开关阀作用；而开通和关断对应的MOSFET由如下的步骤完成：

1、MOSFET构成的整流电路的电压输入端向MOSFET检测网络100输入输入电压Vin；

2、MOSFET检测网络100输出输出电压V_O；

3、电平比较器200通过MOSFET检测网络100输出的输出电压V_O和参考电压进行比较，根据比较的结果输出相应的电平信号；

4、驱动电路300通过电平比较器200输出的电平信号驱动MOSFET的开通和关断。

下面结合附图4和图8对本发明的与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路及方法作进一步详细说明。

如图4所示，两个驱动电路A是以公共地的方式连接的。驱动电路A如图8所示，以下文中，电阻即为电阻R_DET；参考电压即为参考电压Vref；电流源即为电流源I_SS；外接电阻即为外接电阻R_SS。

电平比较器200的输出经驱动器300输出，以控制MOSFET开通和关断。

1、获得MOSFET检测网络100的输出电压V_O：

1.1、MOSFET构成的整流电路的电压输入端向电阻R_DET输入输入电压Vin；

1.2、当输入电压Vin大于稳压管电压V_CLAMP时，MOSFET检测网络100的输出电压V_O=V_CLAMP；

当输入电压Vin小于稳压管电压V_CLAMP时，MOSFET检测网络100的输出电压V_O=I_SS×R_DET+V_DS，如图8所示；而当MOSFET工作于同步整流状态时，V_DS是MOSFET所流过的电流I_DS在MOSFET的导通电阻R_DSON上的电压降V_DS；由于I_DS是负值，所以V_DS<0；电流源I_SS通过参考电压Vref外接外接电阻R_SS产生。

2、选择电平比较器200的输出电平：

当MOSFET检测网络100的输出电压V_O小于电平比较器200的参考电压Vref时，电平比较器200输出高电平；

当MOSFET检测网络100的输出电压V_O大于电平比较器200的参考电压Vref时，电平比较器200输出低电平。

3、确定MOSFET开通和关断：

当电平比较器200输出高电平时，高电平经驱动器300输出以保持MOSFET开通；

当电平比较器200输出低电平时，低电平经驱动器300输出使得MOSFET关断。

以上所述的MOSFET开通时，随着MOSFET所流过的电流I_DS减小，MOSFET检测网络100的输出电压V_O增加；当MOSFET检测网络100的输出电压V_O逐渐增加到大于电平比较器200的参考电压Vref时，电平比较器200即输出低电平。

以上所述的MOSFET关断时，流过MOSFET的电流自然换流到MOSFET的体二极管。而当MOSFET的体二极管的电流为零时，MOSFET的电压降V_DS增加；当MOSFET的电压降大于稳压管电压V_CLAMP时，MOSFET检测网络100的输出电压V_O为稳压管电压V_CLAMP。随着MOSFET的电压降进一步增加，MOSFET的电压降经电阻R_DET加载到稳压管，MOSFET检测网络100的输出电压V_O依然为稳压管电压V_CLAMP。

在本实施列的驱动电路A中，仅由成本是最低的电阻来承受外界的MOSFET高压电压。电阻R_DET的大小与电流源I_SS以及参考电压Vref相关。

如图8所示，电平比较器200的动作条件如下：

Vref≤I_SS·R_DET-I_D·R_DSON          (1)

$R_{\mathrm{DET}}\&GreaterEqual;\frac{\mathrm{Vref}}{I_{\mathrm{SS}}}+\frac{I_D}{I_{\mathrm{SS}}}\&CenterDot;R_{\mathrm{DSON}}\&GreaterEqual;\frac{\mathrm{Vref}}{I_{\mathrm{SS}}}---\left(2\right)$

最大MOSFET电压降是V_DSM，MOSFET关断时，电阻R_DET的最大电流I_DET：

$I_{\mathrm{DET}}\&le;\frac{V_{\mathrm{DSM}}}{R_{\mathrm{DET}}}\&le;\frac{V_{\mathrm{DSM}}}{\mathrm{Vref}}\&CenterDot;I_{\mathrm{SS}}---\left(3\right)$

R_DET的最大功耗是P_DET:

$P_{\mathrm{DET}}=I_{\mathrm{DET}}\&CenterDot;V_{\mathrm{DSM}}=\frac{{V^2}_{\mathrm{DSM}}}{\mathrm{Vref}}\&CenterDot;I_{\mathrm{SS}}---\left(4\right).$

本实施列的方案中，电流源I_SS通过参考电压Vref外接外接电阻R_SS产生；精度问题是由参考电压Vref的精度加上电阻R_DET和外接电阻R_SS的精度，再加上电压转电流和电流镜的总增益k精度组成。通常电阻（即电阻R_DET和外接电阻R_SS）选择1%的精度，电压转电流和电流镜的总增益k的精度为2%。如果参考电压Vref的精度是2%，则MOSFET的导通电压V_DSON检测精度可以达到6%。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路，包括MOSFET构成的整流电路；其特征是：所述MOSFET构成的整流电路中包括两个用于电流流动的单向开关阀和两个双向开关阀。

2.根据权利要求1所述的与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路，其特征是：所述单向开关阀通过MOSFET和驱动电路A构成；

所述驱动电路A包括依次信号连接的MOSFET检测网络（100）、电平比较器（200）和驱动器（300）；

所述MOSFET检测网络（100）内包括有电流源、电阻和稳压管；

MOSFET检测网络（100）的输入端与MOSFET构成的整流电路的电压输入端相连接，所述电阻的一端与MOSFET检测网络（100）的输入端相连接，所述电阻的另外一端与MOSFET检测网络（100）的输出端相连接，所述电流源和稳压管分别在MOSFET检测网络（100）的输出端与电阻相连接；

所述电压比较器（200）包括参考电压和比较器；所述参考电压与比较器的正极输入端相连接；所述MOSFET检测网络（100）的输出端与比较器的负极输入端相连接；

所述比较器的输出端与驱动器（300）的输入端相连接；所述驱动器（300）的输出端与MOSFET的栅极相连接；

所述的电流源通过在参考电压上外接外接电阻产生。

3.一种与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路的方法，其特征是：MOSFET构成的整流电路的电压输入端向MOSFET检测网络（100）输入输入电压Vin；

所述MOSFET检测网络（100）输出输出电压V_O；

所述输出电压V_O输入到电压比较器（200）；

电压比较器（200）通过输出电压V_O和参考电压Vref进行比较后输出电平信号；

所述驱动器（300）根据电压比较器（200）输出的电平信号控制MOSFET的开通和关断。

4.根据权利要求3所述的与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路的方法，其特征是：当输入电压Vin大于稳压管电压V_CLAMP时，MOSFET检测网络（100）的输出电压V_O是V_CLAMP；

当输入电压Vin小于稳压管电压V_CLAMP时，MOSFET检测网络（100）的输出电压V_O=I_SS×R_DET+V_DS；

所述V_DS为MOSFET工作于同步整流状态时，MOSFET所流过的电流I_DS 在MOSFET的导通电阻R_DSON上的电压降；

所述电流I_DS为负值，所述电压降V_DS<0。

5.根据权利要求4所述的与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路的方法，其特征是：所述输出电压V_O大于参考电压Vref，比较器输出低电平；所述参考电压Vref大于输出电压V_O，比较器输出高电平。

6.根据权利要求5所述的与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路的方法，其特征是：所述低电平经驱动器（300）输出到MOSFET的栅极，使得MOSFET关断；所述高电平经驱动器（300）输出到MOSFET的栅极，使得MOSFET保持开通。

7.根据权利要求6所述的与输出电容直接并联的MOSFET同步整流电路的方法，其特征是：当MOSFET关断时，流过MOSFET的电流换流到MOSFET的体二极管；

所述MOSFET的体二极管的电流为零时，MOSFET的电压降V_DS增加；

所述MOSFET的电压降V_DS大于稳压管电压V_CLAMP时，MOSFET检测网络（100）的输出电压V_O为稳压管电压V_CLAMP。

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