CN113162440B - 开关电源及其同步整流控制电路 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种开关电源及其同步整流控制电路，所述同步整流控制电路包括关断控制电路，所述关断控制电路包括动态检测电路，所述动态检测电路配置为：对同步整流管的开关控制信号延时第二设定时间后，结合同步整流管的漏源电压变化监测结果，输出所述关断控制信号，以控制同步整流管关断。解决现有技术中同步整流管提前关断或延后关断带来的电路损伤的问题。

Description

开关电源及其同步整流控制电路

技术领域

本申请涉及一种开关电源及其同步整流控制电路，属于开关电源技术领域。

背景技术

开关电源，即开关稳压电源，是相对于线性稳压电源的一种新型稳压电源电路，它通过对输出电压实时监测，并动态控制开关电源线路中的开关管的导通与断开的时间比值来稳定输出电压。

开关电源由于其高效的控制与精准的输出，被广泛应用于该电源***中。如图1所示，为一个反激式开关电源电路，该反激式开关电源的输出端采用二极管D1整流，在副边线圈导通的时间内，二极管D1产生的能量损耗占副边线圈总能量的比值较大，由于二极管D1压降较高，其产生的能量损耗会大降低反激式开关电源的转换效率。

发明内容

本申请提供了一种开关电源及其同步整流控制电路，可以解决现有技术中开关电源输出端通过二极管压降大，其产生的能量损耗会大降低反激式开关电源的转换效率的问题。

本申请提供如下技术方案：

第一方面，提供一种开关电源的同步整流控制电路，所述同步整流控制电路用于控制开关电源输出端的同步整流管的开关，所述同步整流控制电路包括关断控制电路，所述关断控制电路包括动态检测电路，所述动态检测电路配置为：

对同步整流管的开关控制信号延时第二设定时间后，结合同步整流管的漏源电压变化监测结果，输出所述关断控制信号，以控制同步整流管关断。

可选地，本申请第一方面的一个实施例中，所述动态检测电路包括：

第二延时电路，配置为对开关控制信号延时第二设定时间后输出；

漏源电压监测电路，配置为监测同步整流管的漏源电压变化，输出监测结果；

第二判断电路，配置为在所述第二延时电路的输出与所述漏源电压监测电路的输出均满足第二预设条件时，输出所述关断控制信号。

可选地，本申请第一方面的一个实施例中，所述漏源电压监测电路包括第二电压比较电路，所述第二电压比较电路的同相输入端接漏源电压信号；且所述漏源电压信号通过依次连接的RC延时支路和恒定压差产生支路，接入所述第二电压比较电路的反相输入端。

可选地，本申请第一方面的一个实施例中，所述关断控制电路还包括关断阈值判断电路，所述关断阈值判断电路，配置为：

对同步整流管的开关控制信号延时第一设定时间后，结合同步整流管的漏源电压与参考电压的比较结果，输出所述关断控制信号，以控制同步整流管关断，其中，所述第一设定时间小于所述第二设定时间。

可选地，本申请第一方面的一个实施例中，所述关断阈值判断电路包括：

第一延时电路，配置为对同步整流管的开关控制信号延时第一设定时间后输出；

第一电压比较电路，配置为监测同步整流管的漏源电压，并与参考电压进行比较，输出比较结果；

第一判断电路，配置为在所述第一延时电路的输出与所述电压比较电路的输出均满足第一预设条件时，输出所述关断控制信号。

可选地，本申请第一方面的一个实施例中，所述同步整流控制电路还包括参考电压产生电路，配置为产生所述关断控制电路所需的参考电压。

可选地，本申请第一方面的一个实施例中，所述同步整流控制电路还包括开启控制电路，所述开启控制电路配置为通过监测同步整流管的漏源电压，输出开启控制信号，以控制同步整流管开启。

可选地，本申请第一方面的一个实施例中，所述同步整流控制电路还包括驱动模块，所述驱动模块配置为根据所述开启控制信号和关断控制信号，输出驱动信号，以控制同步整流管的开启或关断。

可选地，本申请第一方面的一个实施例中，所述同步整流控制电路还包括开关控制信号输出电路，配置为：

根据所述开启控制电路的输出和所述关断控制电路的输出，决定输出至所述驱动模块的信号为开启控制信号或关断控制信号。

第二方面，提供一种开关电源，包括设置于所述开关电源输出端的同步整流管以及本申请第一方面任一实施例所述的同步整流控制电路。

本申请的有益效果在于：本申请实施例的关断控制电路，通过设置动态检测电路，通过第二延时电路对关断控制信号延时第二设定时间后，在VS电压迅速上升时，能够及时检测到VS电压的变化，并输出关断控制信号，确保同步整流管Q2的快速关断。保证了同步整流管关断的时效性，提高电源效率，同时避免了在开关电源重载时，同步整流管关断不及时的问题。

本申请实施例的关断控制电路，通过设置关断阈值判断电路，在开关电源轻载时，通过第一延时电路对关断控制信号延时第一设定时间后，在检测到VS电压上升至参考电压时，立即输出关断控制信号，将同步整流管关断，保证了同步整流管关断的时效性，提高电源效率，同时避免了VS电压在开关电源轻载时，因谐振导致的同步整流管关断过慢的问题。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是现有的开关电源的电路原理图；

图2是本申请一个实施例提供的开关电源电路原理图；

图3是本申请另一个实施例提供的开关电源电路原理图；

图4是本申请一个实施例提供的关断控制电路的电路原理图；

图5是本申请一个实施例提供的动态检测电路的电路原理图；

图6是本申请一个实施例提供的动态检测电路工作的时序图；

图7是本申请一个实施例提供的开关电源重载工作模式下的波形图；

图8是本申请一个实施例提供的开关电源轻载工作模式下的波形图；

图9是本申请一个实施例提供的关断阈值判断电路的电路原理图；

图10是本申请一个实施例提供的关断阈值判断电路工作的时序图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。

针对开关电源的输出端由于采用二极管整流，因为二极管导通压降大，产生的能量损耗大大降低反激式开关电源的转换效率的的问题，目前可以采用低导通电阻的MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor-Field-EffectTransistor，金属-氧化物-半导体场效应晶体管)替代整流二极管。

如图2所示，采用同步整流管(即MOS管)Q2替代二极管D1，同步整流管Q2的导通压降可降至0.1V以下，产生的能量损耗非常小。

MOS管Q2为栅极控制器件，配合设置有同步整流控制电路，同步整流控制电路用于根据同步整流管Q2的漏源电压或漏极电流，输出驱动信号，控制同步整流管Q2的开关。

图3为本申请实施例提供的一种应用于开关电源的同步整流控制电路，本申请实施例的同步整流控制电路既可用于反激式开关电源，也可用于buck开关电源。下面以应用于反激式开关电源为例，对本申请实施例的同步整流控制电路进行详细说明。

如图3所示，本实施例的同步整流控制电路，包括：

控制模块，配置为通过监测同步整流管的VS电压，输出开关控制信号，以控制同步整流管Q2的开启和关断。

驱动模块，配置根据控制模块的开关控制信号，输出驱动信号至同步整流管的控制端，控制同步整流管Q2的开启和关断。

可选地，本申请实施例的控制模块包括：

开启控制电路，配置为监测VS电压，并根据监测结果，输出同步整流管Q2的开启控制信号。

关断控制电路，配置为监测VS电压，并根据监测结果，输出同步整流管Q2的关断控制信号。

本申请实施例中，开启控制电路和关断控制电路分别控制，互相独立，不受干扰。

可选地，本申请实施例还设置有所述同步整流控制电路还包括开关控制信号输出电路。

具体地，开关控制信号输出电路配置为：根据所述开启控制电路的输出和所述关断控制电路的输出，决定输出至所述驱动模块的信号为开启控制信号或关断控制信号。

如图3所示，本申请实施例的开关控制信号输出电路，例如可以为RS触发电路。

开启控制电路的输出端连接RS触发电路的置位端，关断控制电路的输出端连接RS触发电路的复位端。

RS触发电路的输出端连接驱动模块的输入端，RS触发器用于输出开关控制信号SW。

当所述开启控制电路输出高电平控制信号、关断控制电路输出低电平控制信号时，RS触发电路被置位，输出的开关控制信号SW为高电平，SW＝1，即为开启控制信号。驱动模块根据接收到的开启控制信号，输出驱动信号控制同步整流管Q2开启。

当开启控制电路输出低电平控制信号、关断控制电路输出高电平控制信号时，RS触发电路被复位，输出的开关控制信号SW为低电平，SW＝0，即为关断控制信号。驱动模块根据接收到的关断控制信号，输出驱动信号控制同步整流管Q2关断。

本实施例的开关控制信号输出电路还可以为其他能够实现开启控制信号和关断控制信号输出功能的电路，本申请实施例在此不做限定。

本申请实施例的同步整流控制电路还包括电源电路，该电源电路同时产生同步整流控制电路所需的工作电压VDD和参考电压VREF。

本申请实施例对同步整流控制电路的原理进行介绍时，简单介绍开启控制电路，开启控制电路可以采用现有的电路结构，本申请实施例主要针对同步整流管在关断时存在的技术问题，对关断控制电路进行详细说明。

上述实施方案中，当原边线圈的MOS管Q1关闭，副边线圈的同步整流控制电路检测到同步整流管Q2的漏源电压VS降低或出现从源极流向漏极的电流，同时检测出VS电压下降斜率满足要求时，输出开启同步整流管Q2的GATE驱动信号。

当同步整流控制电路检测到同步整流管Q2的漏源电压VS或从源极流向漏极的电流均趋近于0时，输出关闭同步整流管Q1的GATE驱动信号。

当开关电源的负载工作在连续模式、非连续模式或其他模式下，同步整流管Q2漏源电压VS在上升时，会出现波形斜率突变或缓慢变化的情况，从而影响***的反应时间与检测结果，使得同步整流管Q2极易出现提前关断或延后关断的现象。

同步整流管Q2提前关断容易造成反激式开关电源转换效率的降低，延迟关断容易造成反激式开关电源的原边线圈与副边线圈的“共通”现象，带来电路的损伤，同时降低电路的安全性。

针对上述技术问题，可选地，如图4所示，本申请实施例的所述关断控制电路包括动态检测电路。

具体地，所述动态检测电路配置为：

对同步整流管的开关控制信号延时第二设定时间后，结合同步整流管的漏源电压变化监测结果，输出所述关断控制信号，以控制同步整流管正常关断，其中，所述第二设定时间大于所述第一设定时间。

可选地，本申请实施例的动态检测电路包括：

第二延时电路，配置为对开关控制信号延时第二设定时间后输出。

具体地，图5给出了本申请一个实施例的动态监测电路的原理图，如图5所示，第二延时电路Tdly2的输入端连接开关控制信号SW，第二延时电路Tdly2初始时的输出SW2＝0，此时，动态检测电路的输出S2＝0。当开关控制信号SW由低电平跳变为高电平时，即SW＝1时，第二延时电路对SW延时第二设定时间Tdly2后，再输出SW2＝1。可参见图6所示的时序图。

该第二延时电路Tdly2可以采用RC延时电路或通过软件实现的定时延时电路，本申请实施例在此不做限定。

图7给出了开关电源重载工作模式下的波形图，如图7所示，当开关电源的负载工作在连续工作模式(CCM)下时，即开关电源重载时，原边线圈的MOS管Q1导通，会导致VS电压在比较低时就迅速上升。

此时，若仅根据VS电压与参考电压的比较来判定是否关断同步整流管，会带来同步整流管Q2关断不及时的问题，从而导致原边线圈和副边线圈的共通，电路损坏。

针对该关断不及时的问题，本申请实施例的动态检测电路还设置了漏源电压监测电路。

漏源电压监测电路，配置为监测同步整流管的漏源电压变化，输出监测结果。

具体地，参见图5，本申请一个实施例中的漏源电压监测电路包括第二电压比较电路，即第二电压比较器CMP2，第二电压比较器CMP2的同相输入端接漏源电压信号，即VS电压。

且VS电压通过依次连接的RC延时支路和恒定压差产生支路，接入所述第二电压比较器CMP2的反相输入端。

本实施例的RC延时支路包括电阻R1和电容C1组成的并联电路，恒定压差产生电路为具有恒定压差的直流源，该直流源具有恒定的压差ΔV。

当VS电压处于稳定状态时，第二比较器CMP2的同相输入端电压比反相输入端低ΔV，因此第二比较器CMP2输出低电平信号。

当VS电压突然上升，第二比较器CMP2正相输入端的电压立即上升到VS电压。

而反相输入端，由于RC延时支路的存在，电容C1正极端的电压VA缓慢上升，反相输入端的电压不能立即上升到VS电压。因此，第二比较器CMP2的反相端电压也只能是缓慢上升。

在VS电压高于VA+ΔV的情况下，第二比较器CMP2输出高电平信号。

第二判断电路，配置为在所述第二延时电路的输出与所述漏源电压监测电路的输出均满足第二预设条件时，输出所述关断控制信号。

具体地，第二预设条件指的是第二延时电路和漏源电压监测电路的输出均为高电平。第二判断电路可以为第二与门电路AND2，第二电压比较器CMP2的输出和第二延时电路的输出连接至第二与门电路AND2的输入端，第二与门电路AND2的输出的控制信号S2连接至RS触发器的复位端。

本申请实施例的动态检测电路通过设置第二延时电路Tdly2，对关断控制信号延时第二设定时间Tdly2。由于在VS电压不稳定期间，对关断控制信号进行了延时，没有立即输出，避免了信号不稳定时因为误判导致的同步整流管提前关断的情况。

本实施例的动态检测电路，在VS电压迅速上升时，能够及时检测到VS电压的变化，并在达到第二延时时间Tdly2后，输出关断控制信号，确保同步整流管Q2的快速关断。从而避免了在开关电源重载时，同步整流管关断延后的问题。

可见，本申请实施例的动态检测电路既避免了开关电源重载时同步整流管在VS电压不稳定期间的提前关断，又避免了开关电源重载时的延后关断，大大提高了同步整流控制电路关断控制的精准度。

图8给出了开关电源轻载工作模式下的波形图，如图8所示，当反激式开关电源的负载工作在断续工作模式(DCM)下时，即开关电源轻载时，VS电压则会随着副边线圈电流的减小而缓慢上升，当副边线圈中的电流耗尽时，VS电压开始谐振，直至原边线圈导通。

此时，若仅依靠动态检测电路来控制同步整流管的关断，就会导致同步整流管的关断过慢。

针对上述技术问题，进一步可选地，如图4所示，本申请实施例的所述关断控制电路还包括关断阈值判断电路。

具体地，所述关断阈值判断电路，配置为：

对同步整流管的开关控制信号延时第一设定时间后，结合同步整流管的漏源电压与参考电压的比较结果，输出所述关断控制信号，以控制同步整流管正常关断。

可选地，本实施例的关断阈值判断电路包括：第一延时电路、第一电压比较电路和第一判断电路。其中，

第一延时电路，配置为对同步整流管的开关控制信号延时第一设定时间后输出。

图9给出了本申请一个实施例的关断阈值判断电路的原理图，如图9所示，第一延时电路Tdly1的输入端连接开关控制信号SW，第一延时电路Tdly1初始时的输出SW1＝0，此时，关断阈值检测电路的输出S1＝0。当开关控制信号SW由低电平跳变为高电平时，即SW＝1时，第一延时电路对SW延时第一设定时间Tdly1后，再输出SW1＝1。其中Tdly2>Tdly1。可参见图10所示的时序图。

该第一延时电路Tdly1可以采用RC延时电路或通过软件实现的定时延时电路，本申请实施例在此不做限定。

第一电压比较电路，配置为监测同步整流管的漏源电压，并与参考电压进行比较，输出比较结果。

具体地，参见图9，该第一电压比较电路为第一电压比较器CMP1，第一比较器CMP1的同相输入端接入VS电压，第一比较器CMP1的反相输入端接入参考电压VREF。当VS电压大于参考电压时，第一比较器CMP1输出高电平信号，反之输出低电平信号。

第一判断电路，配置为在所述第一延时电路的输出与所述电压比较电路的输出均满足第一预设条件时，输出所述关断控制信号。

具体地，第一预设条件指的是第一延时电路和电压比较电路的输出均为高电平。参见图8，该第一判断电路为第一与门电路AND1，本实施例第一比较器CMP1的输出和第一延时电路Tdly1输出连接至第一与门电路AND1的输入端，第一与门电路AND1的输出的控制信号S1连接至RS触发器的复位端。

当第一比较器CMP1输出高电平信号时，此时若SW1＝1，则第一与门电路AND1输出高电平信号，关断阈值检测电路的输出S1＝1，RS触发器的复位端接入高电平，RS触发器复位，即输出关断控制信号。

本申请实施例通过设置第一延时电路Tdly1，关断阈值判断电路对开关控制信号延时第一设定时间Tdly1，并检测到VS电压大于参考电压后，再输出关断控制信号。由于在VS电压不稳定期间，对关断控制信号进行了延时，没有立即输出，避免了信号不稳定时因为误判导致的同步整流管提前关断的情况。

而且，本申请实施例通过上述实施例中的关断阈值判断电路，当检测到VS电压上升至参考电压后，立即输出关断控制信号，将同步整流管立即关断，避免了VS电压开始谐振导致的同步整流管关断过慢的问题。

可见，本申请实施例的关断阈值判断电路既避免了开关电源轻载时同步整流管在VS电压不稳定期间的提前关断，又避免了开关电源轻载时的延后关断，大大提高了同步整流控制电路关断控制的精准度。

本申请实施例的关断控制电路可同时设置关断阈值判断电路和动态检测电路，参见图4，本申请实施例将关断阈值判断电路和动态检测电路作为或门电路的输入，只要关断阈值判断电路和动态检测电路任意一个输出为1，则关断控制电路输出即为1。

另外，本申请实施例的关断控制电路还可以包括除关断阈值判断电路和动态检测电路的其他用于实现关断同步整流管的关断电路，本申请实施例在此不做限定。

综上所述，在原边线圈MOS管Q1关断后，同步整流管Q2的漏源电压VS快速下降，并产生谐振震荡，为了避免在震荡时间区间内，控制同步整流管的开启与关断，本申请实施例通过在关断阈值判断电路设置第一延时电路Tdly1，并在动态检测电路设置第二延时电路Tdly2，能够避免当VS电压不稳定时，关断控制电路误判断的情况，确保不会因为误判断，而将同步整流管提前关断。

本申请实施例的关断控制电路，通过设置关断阈值判断电路，在开关电源轻载时，通过第一延时电路对关断控制信号延时第一设定时间后，在检测到VS电压上升至参考电压时，立即输出关断控制信号，将同步整流管关断，保证了同步整流管关断的时效性，提高电源效率，同时避免了VS电压在开关电源轻载时，因谐振导致的同步整流管关断过慢的问题。

本申请实施例的关断控制电路，通过设置动态检测电路，通过第二延时电路对关断控制信号延时第二设定时间后，在VS电压迅速上升时，能够及时检测到VS电压的变化，并输出关断控制信号，确保同步整流管Q2的快速关断。保证了同步整流管关断的时效性，提高电源效率，同时避免了在开关电源重载时，同步整流管关断不及时的问题。

本申请实施例通过关断阈值判断电路和动态检测电路，并行控制同步整流管的关断，对应的开关电源既能适用于重载工作模式，也能适用于轻载工作模式，提高了开关电源的适用范围。

本申请实施例还提供一种开关电源，包括关断控制电路，该关断控制电路可参见上述关断控制电路实施例的相关描述，在此不再赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种开关电源的同步整流控制电路，其特征在于，所述同步整流控制电路包括关断控制电路，所述关断控制电路包括动态检测电路，所述动态检测电路配置为：

对同步整流管的开关控制信号延时第二设定时间后，结合同步整流管的漏源电压变化监测结果，输出关断控制信号，以控制同步整流管关断；

所述动态检测电路包括：

第二延时电路，配置为对开关控制信号延时第二设定时间后输出；

漏源电压监测电路，配置为监测同步整流管的漏源电压变化，输出监测结果；

第二判断电路，配置为在所述第二延时电路的输出与所述漏源电压监测电路的输出均满足第二预设条件时，输出所述关断控制信号；所述第二预设条件是指所述第二延时电路和所述漏源电压监测电路的输出均为高电平；

所述漏源电压监测电路包括第二电压比较电路，所述第二电压比较电路的同相输入端接漏源电压信号；且所述漏源电压信号通过依次连接的RC延时支路和恒定压差产生支路，接入所述第二电压比较电路的反相输入端；

所述第二电压比较电路的输出和所述第二延时电路的输出连接至所述第二判断电路的输入端。

2.根据权利要求1所述的开关电源的同步整流控制电路，其特征在于，所述关断控制电路还包括关断阈值判断电路，所述关断阈值判断电路，配置为：

对同步整流管的开关控制信号延时第一设定时间后，结合同步整流管的漏源电压与参考电压的比较结果，输出所述关断控制信号，以控制同步整流管关断，其中，所述第一设定时间小于所述第二设定时间；

所述关断阈值判断电路和所述动态检测电路作为或门电路的输入，以使所述关断阈值判断电路和所述动态检测电路中任意一个电路输出为1时，所述关断控制电路输出为1。

3.根据权利要求2所述的开关电源的同步整流控制电路，其特征在于，所述关断阈值判断电路包括：

第一延时电路，配置为对同步整流管的开关控制信号延时第一设定时间后输出；

第一电压比较电路，配置为监测同步整流管的漏源电压，并与参考电压进行比较，输出比较结果；

第一判断电路，配置为在所述第一延时电路的输出与所述第一电压比较电路的输出均满足第一预设条件时，输出所述关断控制信号；

所述第一预设条件是指所述第一延时电路和所述第一电压比较电路的输出均为高电平；

所述第一电压比较电路的输出和所述第一延时电路的输出连接至所述第一判断电路的输入端。

4.根据权利要求3所述的开关电源的同步整流控制电路，其特征在于，所述同步整流控制电路还包括电源电路，配置为产生所述关断控制电路所需的参考电压；所述参考电压输入所述第一电压比较电路的反相输入端。

5.根据权利要求1所述的开关电源的同步整流控制电路，其特征在于，所述同步整流控制电路还包括开启控制电路和开关控制信号输出电路，所述开启控制电路配置为通过监测同步整流管的漏源电压，输出开启控制信号，以控制同步整流管开启；

所述开关控制信号输出电路配置为根据所述开启控制电路的输出和所述关断控制电路的输出，决定输出至驱动模块的信号为开启控制信号或关断控制信号；

所述开启控制电路的输出端连接所述开关控制信号输出电路的置位端；所述关断控制电路的输出端连接所述开关控制信号输出电路的复位端。

6.根据权利要求5所述的开关电源的同步整流控制电路，其特征在于，所述同步整流控制电路还包括所述驱动模块，所述驱动模块配置为根据所述开启控制信号和关断控制信号，输出驱动信号，以控制同步整流管的开启或关断；

所述驱动模块的输入端连接所述开关控制信号输出电路的输出端；所述驱动模块的输出端连接所述同步整流管的控制端。

7.一种开关电源，其特征在于，包括设置于所述开关电源输出端的同步整流管以及权利要求1-6任一项所述的同步整流控制电路。

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