CN113541501A

CN113541501A - 一种反激式开关电源及提高其转换效率的控制方法、电路

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Publication number: CN113541501A
Application number: CN202110778448.6A
Authority: CN
Inventors: 陈亮; 王旷; 高维
Original assignee: Wuxi Chipown Micro Electronics Ltd
Current assignee: Wuxi Chipown Micro Electronics Ltd
Priority date: 2021-07-09
Filing date: 2021-07-09
Publication date: 2021-10-22
Anticipated expiration: 2041-07-09
Also published as: CN113541501B

Abstract

本发明公开一种反激式开关电源及提高其转换效率的控制方法、电路，反激式开关电源主开关管Q0在每个周期开通之前，辅助开关管Q1先开通一段时间，主开关管Q0关断后，辅助开关管Q1再开通一段时间td2。主开关管Q0关断时刻，通过检测主开关管Q0的驱动信号G0的下降沿。辅助开关管Q1的开通时间td2为固定时间段。本发明在主开关管关断延时一段时间后，再控制辅助开关管开通一段时间，抑制反向电流在辅助开关管的寄生二极管上的损耗，在几乎不增加硬件成本的情况下，能显著减小辅助开关管的损耗，提高效率，改善整机散热。

Description

一种反激式开关电源及提高其转换效率的控制方法、电路

技术领域

本发明涉及反激式开关电源芯片控制领域，特别涉及一种反激式开关电源，以及降低反激变换器主、副开关管损耗，提高反激式开关电源转换效率的控制方法及电路。

背景技术

反激式开关电源因控制简单、***精简等特点，广泛应用于充电器、适配器、家用电器内置电源、工业电源辅助电源等场合。

如图1所示，为现有技术中的一种反激式开关电源，包括依次连接的输入电路、变压器T1、输出电路，其中输入电路包括与变压器T1的原边绕组串联的主开关管Q0和与原边绕组并联的RCD吸收电路，RCD吸收电路包括相互并联的电阻、电容以及串联二极管；输出电路包括与变压器T1的副边绕组连接的二极管和接地电容。

图1的反激式开关电源典型应用如图2所示，其电流不连续模式下的关键工作波形如图3所示。t0时刻Gate为高，主开关管Q0由截止状态转向导通状态转变，至t1时刻Q0完全导通。通常t0开通时刻是随机的，则开通过程因为Q0的Drain极对功率地的寄生电容Ceq引起的功率损耗为：

一些先进的控制芯片会通过DMG引脚监控变压器供电绕组的工作波形，将t0的开通时刻锁定在[t3,t4]区间的谐振谷底，从而实现开通损耗最小。然而，在市电高压下Q0开通损耗仍然很大，如表1所示，典型工况下功耗损失Ploss就有0.42W，从而限制了反激式开关电源的转换效率和功率密度进一步提高。

表1

Vin(V)	Vbulk(V)	Ceq(pF)	Np/Ns	Vo(V)	fs(kHz)	Ploss(W)
							265	374.71	100	6	20	130	0.42

发明内容

本发明提出了一种反激式开关电源及提高其转换效率的控制方法、电路，降低反激式开关电源损耗，通过对新增辅助整流电路进行双脉冲控制，可将主开关管的开通损耗降和辅助开关管的导通损耗同时降低至接近于零，从而便于电源***方案的小型化设计。

一种反激式开关电源，包括依次连接的输入电路、变压器T1、输出电路，其中输入电路包括与变压器T1的原边绕组串联的主开关管Q0，输出电路与变压器T1的副边绕组连接；

还包括辅助绕组、辅助开关管Q1与辅助电容Czvs串联组成辅助回路，所述辅助绕组为变压器T1原边绕组的共轭绕组；

所述主开关管Q0与辅助开关管Q1分别由控制器连接控制。

优选的，所述控制器包括开关管的控制功能块，在每个电路工作周期中，发两次脉冲，第一个脉冲用于实现主开关管Q0零电压开通，减小主开关管Q0的开通损耗；第二个脉冲用于对辅助电容Czvs充电，避免充电电流通过辅助开关管Q1寄生体二极管引起的导通损耗。

一种提高反激式开关电源转换效率的控制方法，所述反激变换器包括依次连接的输入电路、变压器T1、输出电路，其中输入电路包括与变压器T1的原边绕组串联的主开关管Q0；输出电路与变压器T1的副边绕组连接；变压器T1的辅助绕组与辅助开关管Q1、辅助电容Czvs串联组成辅助回路；控制方法包括：

S1、在主开关管Q0每个周期开通之前，辅助开关管Q1先在t1～t2时间段内开通；

S2、辅助开关管Q1在t2时刻关断后，主开关管Q0在t3时刻开通，持续到t4时刻关断；

S3、在主开关管Q0于t4时刻关断后，辅助开关管Q1于t5时刻开通一段时间，并于t6时刻关断。

优选的，步骤S2、S3中，主开关管Q0关断的t4时刻，通过检测主开关管Q0的驱动信号G0的下降沿获得。

优选的，所述检测主开关管Q0的驱动信号G0的下降沿，包括直接采集主开关管Q0驱动电极的电压信号，或者采集与主开关管Q0驱动电极的电压信号相关联的信号。

优选的，步骤S3中，辅助开关管Q1的t5-t6开通时间td2为一个固定时间段，该固定时间段大于等于辅助开关管Q1的反向电流导通时间的90％，小于等于输出电路的主输出二极管导通的时间。

优选的，步骤S2中，辅助开关管Q1在t2时刻关断后，主开关管Q0在延时一段时间td1之后，于t3时刻开通。

一种提高反激式开关电源转换效率的控制电路，用于控制所述的辅助开关管Q1在步骤S3中的动作，包括主开关管Q0的驱动信号G0检测模块、辅助开关管Q1的开通控制模块、辅助开关管Q1的关断控制模块；

所述辅助开关管Q1的开通控制模块包括恒流源i1、电容C1、驱动信号G0的下降沿响应开关K1，电容C1与响应开关K1并联，电容C1的一端接地，另一端接恒流源i1；所述电容C1与恒流源i1相接的一端连接电压比较器U1的正输入端，电压比较器U1参考端接电压基准Ref1，输出端输出辅助开关管Q1的开通控制信号；通过调整恒流源i1、电容C1的参数，设置辅助开关管Q1的开通延时时间td1；

所述辅助开关管Q1的关断控制模块包括恒流源i2、电容C2、辅助开关管Q1开通的响应开关K2，电容C2与响应开关K2并联，电容C2的一端接地，另一端接恒流源i2；所述电容C2与恒流源i2相接的一端连接电压比较器U2的正输入端，电压比较器U2的参考端接电压基准Ref2、输出端接反相器N2，输出辅助开关管Q1的关断控制信号；通过调整恒流源i2、电容C2的参数，设置辅助开关管Q1的开通时长td2。

优选的，所述主开关管Q0的驱动信号G0检测模块，在检测到驱动信号G0保持高电平时，响应开关K1保持闭合；在检测到驱动信号G0的下降沿后，响应开关K1保持断开。

优选的，所述电压比较器U1的输出端还连接到或非门NOR1的一个输入端，或非门NOR1的另一个输入端连接控制电路的使能端EN，或非门NOR1的输出端控制响应开关K2的通断；

电压比较器U1没有输出辅助开关管Q1的开通控制信号时，或非门NOR1输出高电平，响应开关K2保持闭合；

电压比较器U1输出辅助开关管Q1的开通控制信号时，或非门NOR1输出低电平，响应开关K2保持断开。

优选的，控制电路还包括辅助开关管Q1的驱动单元；辅助开关管Q1的驱动单元包括与非门NAND2和反相器N3；与非门NAND2的两个输出端分别连接电压比较器U1、反相器N2的输出端，与非门NAND2的输出端通过反相器N3输出辅助开关管Q1的驱动信号G1。

本发明的优点是：

本发明所提出的反激式开关电源及提高其转换效率的控制方法、电路，主开关管关断后，再控制辅助开关管开通一段时间，抑制反向电流在辅助开关管的寄生二极管上的损耗，在几乎不增加硬件成本的情况下，能显著减小强制ZVS反激方案中的辅助开关管的损耗，提高效率，改善整机散热。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为现有的反激式变换器的原理图；

图2为现有的反激式变换器的典型应用图；

图3为现有的反激式变换器关键工作波形图；

图4为实施例中反激式开关电源的原理图；

图5为实施例中反激式开关电源另一形式的原理图；

图6为实施例中反激式开关电源的应用图；

图7为实施例中反激式开关电源的开关管控制时序及电流变化曲线；

图8为实施例中控制器中控制模块展开的原理图；

图9为实施例的控制方法中辅助开关管开通时序图；

图10为实施例的电源变换器控制电路的原理图；

图11为实施例中电源变换器控制电路的控制时序图。

具体实施方式

如图4所示，本实施例提出一种反激式开关电源，包括依次连接的输入电路、变压器T1、输出电路，其中输入电路包括与变压器T1的原边绕组串联的主开关管Q0，输出电路与变压器T1的副边绕组连接；还包括辅助开关管Q1、辅助电容Czvs与变压器T1的辅助绕组Nz串联组成辅助回路。图4中，变压器T1的辅助绕组Nz的同名端依次串联辅助电容Czvs和辅助开关管Q1，辅助开关管Q1另一端连接辅助绕组Nz的异名端。所述辅助回路还可以改变器件连接顺序，如图5所示，变压器T1的辅助绕组Nz的同名端依次串联辅助开关管Q1和辅助电容Czvs，辅助电容Czvs另一端连接辅助绕组Nz的异名端。图4和图5两种方案的原理和效果相同。

如图6所示，为本实施例提出反激式开关电源的应用电路，其在图2的基础上增加辅助绕组Nz，辅助开关管Q1和辅助电容Czvs，控制器中除了Fb Block，CS Block和DMGBlock等模块以外，增加了A ZVS block，用来控制Qzvs的开通关断。Gzvs脚在每个电路工作周期中，发两次脉冲，第一个脉冲用于实现主开关管Q1零电压开通，减小Q1的开通损耗；第二个脉冲用于对Czvs电容充电，避免充电电流通过Qzvs寄生体二极管引起的导通损耗。

如图7所示，为反激式开关电源的开关管控制时序及电流变化曲线，5个波形分别是Q0的Gate信号，Q1的gate信号，Q0的DS电压，Q0的导通电流Ip和Q1的导通电流Izvs。在主开关管Q0导通前***了Q1的Gate信号的第一个脉冲Gzvs1，该脉冲用于实现主开关管Q0零电压开通，定义第一个脉冲持续时间为Tzvs＝t7-t6，在此期间Izvs电流线性增长。

其中Lp为变压器T1的原边电感感量。

在t7时刻Qzvs关闭，由于同名端相反，Izvs电流折射到变压器T1的原边电流Ip为负电流，Ip会对Q1源漏极等价的Ceq进行放电从而降低Vds电压。

至t0时刻Vds(t0)接近零伏，控制芯片将Gate置高，Q0实现零电压开通。Q0开通后[t0,t1]区间为变压器储能时间；t1时刻，控制芯片将Gate置低，变压器能量开始准备由初级向次级转移(需先对Ceq充电)，经过t2-t1延时后，ZVS Gate产生第二个脉冲，该脉冲用于对辅助电容Czvs充电，到t3时刻，Czvs充满，Izvs为零。为了保证Czvs充电期间电流经过Q1的沟道而不是体二极管，因此第二个脉冲应大于充电脉冲宽度。

本实施例***电路器件中，控制器展开电路如图8所示，其中虚线框中为图2中AZVS Block和PWM Switch&GateDriver两个模块的展开。Gzvs1电路发出前述第一个驱动用以产生一个励磁电流使得Q0能够将DS电压谐振零电压或者接近零电压再开通，Gzvs1的驱动脉冲宽度和输入电压输出电压有关系，并且Gzvs1的开通时机会选择Q0的DS电压谐振到特定电压时(通常选择在Q0的DS电压为峰值时开通Gzvs1)。AZVS逻辑电路通过DMG Block和FB Block等模块检测的信号，间接得出输入电压，输出电压和DS当前状态，从而得出Gzvs1电路驱动脉冲产生时机和驱动脉冲的宽度信号。Gzvs2的产生电路通过检测Q0的驱动下降沿经过一段时间的延时td1后(td1等效于图7中的t2-t1)，产生一个特定宽度td2的脉冲(脉冲宽度td2等效于图7中的t4-t2)用以打开辅助开关管Q1，降低导通损耗。

参照所述的反激式开关电源，在图7所示的时序图中，t1-t2阶段，辅助开关管Q1被开通，流过正向电流IQ1。在t4时刻之后，如果主开关管Q0保持关断，辅助绕组电压为高，电流IQ1会流过辅助开关管Q1寄生二极管，本发明的解决方案是在t4之后经过一段很短的延时，即死区时间，给辅助开关管Q1一个开通信号，则可以很好地解决二极管导通损耗。

如图9所示，本发明所提出的辅助控制方法包括：

S3、在主开关管Q0于t4时刻关断延时一段时间td1后，辅助开关管Q1于t5时刻开通一段时间td2，并于t6时刻关断。

步骤S2、S3中，主开关管Q0关断的t4时刻，是由控制电路通过检测主开关管Q0的驱动信号G0的下降沿获得。控制电路根据检测信号，在t5-t6时间段控制辅助开关管Q1开通。

所述检测主开关管Q0的驱动信号G0的下降沿，包括直接采集主开关管Q0驱动电极的电压信号，或者采集与主开关管Q0驱动电极的电压信号相关联的信号。

步骤S3中，辅助开关管Q1的开通时间td2为一个固定时间段，该固定时间段大于等于辅助开关管Q1的反向电流导通时间的90％，小于等于输出电路的主输出二极管导通的时间。

上述控制电路控制辅助开关管Q1的具体开通关断逻辑是：

t4检测到G0信号下降沿之后经过一个短暂的延时直接在t5时间断开通Q1驱动，或者是t4时刻检测到Q1的负向电流，经过短暂延时后t5时间开通Q1驱动；开通一个固定的时间断后到t6时间断关闭Q1驱动(该时间断可以为一个固定的时间段或者根据电路参数和工作状态计算的一个电流将要从负向变成零的时间段)，或者根据电流信号检测到电流将要过零关闭Q1驱动。

上文已经介绍本发明主要是利用辅助开关管Q1新增加一段延时的开通时间，减小辅助开关管Q1的寄生二极管导通损耗。下面介绍一种电源变换器控制电路，具体解决新增的一段开通时间是如何确定起始和终止时机的问题。

如图10所示，本实施例提出的提高反激式开关电源转换效率的控制电路，包括主开关管Q0的驱动信号G0检测模块、辅助开关管Q1的开通控制模块、辅助开关管Q1的关断控制模块，辅助开关管Q1的驱动单元，其中：

所述辅助开关管Q1的开通控制模块包括恒流源i1、电容C1、驱动信号G0的下降沿响应开关K1，电容C1与响应开关K1并联，电容C1的一端接地，另一端接恒流源i1；所述电容C1与恒流源i1相接的一端连接电压比较器U1，输出辅助开关管Q1的开通控制信号(图10中B点信号)，U1参考端接电压基准Ref1；所述主开关管Q0的驱动信号G0检测模块，在检测到驱动信号G0保持高电平时，响应开关K1保持闭合；在检测到驱动信号G0的下降沿后，响应开关K1保持断开。所述辅助开关管Q1的开通控制模块通过调整恒流源i1、电容C1的参数，设置辅助开关管Q1的开通延时时间td1。

所述辅助开关管Q1的关断控制模块包括恒流源i2、电容C2、辅助开关管Q1开通的响应开关K2，电容C2与响应开关K2并联，电容C2的一端接地，另一端接恒流源i2；所述电容C2与恒流源i2相接的一端依次连接电压比较器U2、反相器N2，输出辅助开关管Q1的关断控制信号(图10中A点信号)，电压比较器U2的参考端接电压基准Ref2。

所述电压比较器U1的输出端还连接到或非门NOR1的一个输入端，或非门NOR1的另一个输入端连接控制电路的使能端EN，或非门NOR1的输出端控制响应开关K2的通断；电压比较器U1没有输出辅助开关管Q1的开通控制信号时，或非门NOR1输出高电平，响应开关K2保持闭合；电压比较器U1输出辅助开关管Q1的开通控制信号时，或非门NOR1输出低电平，响应开关K2保持断开。

所述辅助开关管Q1的关断控制模块通过调整恒流源i2、电容C2的参数，设置辅助开关管Q1的开通时长td2。

辅助开关管Q1的驱动单元包括与非门NAND2和反相器N3；与非门NAND2的两个输出端分别连接电压比较器U1、反相器N2的输出端，与非门NAND2的输出端通过反相器N3输出辅助开关管Q1的驱动信号G1。

如图11所示，在本实施例的电源变换器控制电路中，在主开关管Q1的驱动信号G0下降沿之后，经过一个恒流源i1和电容C1形成的延时环节，延时时间td1后使B点电位反转为正，辅助开关管Q1开通。经过一个恒流源i2、电容C2形成的延时时间td2后，驱动信号G1关断，驱动信号G1的开通时间即为td2时间段。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种反激式开关电源，包括依次连接的输入电路、变压器T1、输出电路，其中输入电路包括与变压器T1的原边绕组串联的主开关管Q0，输出电路与变压器T1的副边绕组连接；其特征在于，

还包括辅助开关管Q1、辅助电容Czvs与变压器T1的辅助绕组串联组成辅助回路；

所述主开关管Q0与辅助开关管Q1分别由控制器连接控制。

2.根据权利要求1所述的反激式开关电源，其特征在于，所述控制器包括开关管的控制功能块，在每个电路工作周期中，发两次脉冲，第一个脉冲用于实现主开关管Q0零电压开通，减小主开关管Q0的开通损耗；第二个脉冲用于对辅助电容Czvs充电，避免充电电流通过辅助开关管Q1寄生体二极管引起的导通损耗。

3.一种提高反激式开关电源转换效率的控制方法，所述反激变换器包括依次连接的输入电路、变压器T1、输出电路，其中输入电路包括与变压器T1的原边绕组串联的主开关管Q0；输出电路与变压器T1的副边绕组连接；变压器T1的辅助绕组与辅助开关管Q1、辅助电容Czvs串联组成辅助回路；

其特征在于，控制方法包括：

S3、在主开关管Q0于 t4时刻关断后，辅助开关管Q1于t5时刻开通一段时间，并于t6时刻关断。

4.根据权利要求3所述的提高反激式开关电源转换效率的控制方法，其特征在于：步骤S2、S3中，主开关管Q0关断的t4时刻，通过检测主开关管Q0的驱动信号G0的下降沿获得。

5.根据权利要求4所述的提高反激式开关电源转换效率的控制方法，其特征在于：所述检测主开关管Q0的驱动信号G0的下降沿，包括直接采集主开关管Q0驱动电极的电压信号，或者采集与主开关管Q0驱动电极的电压信号相关联的信号。

6.根据权利要求4所述的提高反激式开关电源转换效率的控制方法，其特征在于：步骤S3中，辅助开关管Q1的t5-t6开通时间td2为一个固定时间段，该固定时间段大于等于辅助开关管Q1的反向电流导通时间的90%，小于等于输出电路的主输出二极管导通的时间。

7.根据权利要求6所述的提高反激式开关电源转换效率的控制方法，其特征在于：步骤S2中，辅助开关管Q1在t2时刻关断后，主开关管Q0在延时一段时间td1之后，于t3时刻开通。

8.一种提高反激式开关电源转换效率的控制电路，用于控制权利要求3-8任意一项所述的辅助开关管Q1在步骤S3中的动作，其特征在于：包括主开关管Q0的驱动信号G0检测模块、辅助开关管Q1的开通控制模块、辅助开关管Q1的关断控制模块；

9.根据权利要求8所述的提高反激式开关电源转换效率的控制电路，其特征在于：所述主开关管Q0的驱动信号G0检测模块，在检测到驱动信号G0保持高电平时，响应开关K1保持闭合；在检测到驱动信号G0的下降沿后，响应开关K1保持断开。

10.根据权利要求9所述的提高反激式开关电源转换效率的控制电路，其特征在于：所述电压比较器U1的输出端还连接到或非门NOR1的一个输入端，或非门NOR1的另一个输入端连接控制电路的使能端EN，或非门NOR1的输出端控制响应开关K2的通断；

11.根据权利要求10所述的提高反激式开关电源转换效率的控制电路，其特征在于：控制电路还包括辅助开关管Q1的驱动单元；辅助开关管Q1的驱动单元包括与非门NAND2和反相器N3；与非门NAND2的两个输出端分别连接电压比较器U1、反相器N2的输出端，与非门NAND2的输出端通过反相器N3输出辅助开关管Q1的驱动信号G1。