CN114465451A - 一种开关管控制电路及开关电源 - Google Patents

一种开关管控制电路及开关电源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种开关管控制电路及开关电源，包含：第一电容、第一开关管、第二开关管、第二电容、第三开关管、高电平输入端、低电平输入端、第一信号输入端、第二信号输入端和接地端；高电平输入端同时连接第一电容的一端和第一开关管的一端，第一开关管的另一端、第二开关管的一端和第二电容的一端连接在一起后用于连接第三开关管的控制端，第二开关管的另一端、第一电容的另一端、第二电容的另一端、低电平输入端和接地端连接在一起后用于连接第三开关管的一端，第一开关管的控制端连接第一信号输入端，第二开关管的控制端连接第二信号输入端。本发明电路结构简单，第三开关管的关断消耗能量少的同时可实现第一电容能量充分利用。

Description

一种开关管控制电路及开关电源
技术领域
本申请涉及一种开关电源技术领域，特别涉及开关电源中的开关管控制。
背景技术
开关电源是通过切换开关管的导通/关断状态来实现输入电压到输出电压的转换，而开关管的导通/关断状态通常是由驱动IC给开关管发送的PWM信号所决定，当驱动IC给的信号为高电平时，开关管处于导通状态，驱动IC给的信号为低电平时，开关管处于关断状态。因此，驱动信号是决定开关电源能否稳定工作的至关重要的信号。
随着现代科学技术的快速发展，为开关电源技术的发展奠定了坚实的基础。开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和小体积模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化。随着开关频率的不断提升，需要开关管能够快速的导通或关断，因此，对开关管的驱动信号提出了更高的要求。
发明内容
本申请的发明人通过研究发现，当开关电源的开关管使用MOS管时，正常的驱动电路在MOS管关断的时候，MOS管的栅极电荷是通过驱动电阻以及驱动IC的自放电来实现，但是驱动IC通常抽取电流的能力有限，导致开关管栅极电荷无法快速的放完，从而增加关断时间，导致关断损耗加大，MOS管的温升升高，而在开通时，特别是在高电压大功率的场合，所选MOS管的栅源极寄生电容通常较大，常规驱动方式往往会出现驱动能力不足的现象，导致MOS管开通缓慢，开通损耗大大增加，影响开关电源的可靠性。
另外，本申请的发明人还发现，针对其他类型的开关管，如三极管、IGBT等，也存在上述问题。
鉴于上述所发现的问题，本申请的目的在于提供一种开关管控制电路及开关电源，以实现MOS管的迅速关断和大功率场合下的迅速开通。
作为本申请的第一个方面，所提供的开关管控制电路的技术方案如下：
一种开关管控制电路，用于控制第三开关管的开通和关断速度，包含：第一电容、第一开关管、第二开关管、第二电容、第三开关管、高电平输入端、低电平输入端、第一信号输入端、第二信号输入端和接地端；
所述高电平输入端同时连接所述第一电容的一端和所述第一开关管的一端，所述第一开关管的另一端、所述第二开关管的一端和所述第二电容的一端连接在一起后用于连接所述第三开关管的控制端，所述第二开关管的另一端、所述第一电容的另一端、所述第二电容的另一端、所述低电平输入端和所述接地端连接在一起后用于连接所述第三开关管的一端，所述第一开关管的控制端连接所述第一信号输入端，所述第二开关管的控制端连接所述第二信号输入端。
进一步地，所述电容C1容值大于所述电容C2容值。
优选地，所述第三开关管为第三MOS管，所述第三MOS管的栅极为所述第三开关管的控制端，所述第三MOS管的源极为所述第三开关管的一端；或者所述第三开关管为第三三极管，所述第三三极管的基极为所述第三开关管的控制端，所述第三三极管的发射极为所述第三开关管的一端。
优选地，所述第一开关管为第一N型三极管，所述第一N型三极管的集电极为所述第一开关管的一端，所述第一N型三极管的发射极为所述第一开关管的另一端，所述第一N型三极管的基极为所述第一开关管的控制端；所述第二开关管为第二N型三极管，所述第二N型三极管的集电极为所述第二开关管的一端，所述第二N型三极管的发射极为所述第二开关管的另一端，所述第二N型三极管的基极为所述第二开关管的控制端。
优选地，所述第一开关管为第一N型三极管，所述第一N型三极管的集电极为所述第一开关管的一端，所述第一N型三极管的发射极为所述第一开关管的另一端，所述第一N型三极管的基极为所述第一开关管的控制端；所述第二开关管为第二P型三极管，所述第二P型三极管的发射极为所述第二开关管的一端，所述第二P型三极管的集电极为所述第二开关管的另一端，所述第二P型三极管的基极为所述第二开关管的控制端。
优选地，所述第一开关管为第一N型MOS管，所述第一N型MOS管的漏极为所述第一开关管的一端，所述第一N型MOS管的源极为所述第一开关管的另一端，所述第一N型MOS管的栅极为所述第一开关管的控制端；所述第二开关管为第二N型MOS管，所述第二N型MOS管的漏极为所述第二开关管的一端，所述第二N型MOS管的源极为所述第二开关管的另一端，所述第二N型MOS管的栅极为所述第二开关管的控制端。
优选地，所述第一开关管为第一N型MOS管，所述第一N型MOS管的漏极为所述第一开关管的一端，所述第一N型MOS管的源极为所述第一开关管的另一端，所述第一N型MOS管的栅极为所述第一开关管的控制端；所述第二开关管为第二P型MOS管，所述第二P型MOS管的源极为所述第二开关管的一端，所述第二P型MOS管的漏极为所述第二开关管的另一端，所述第二P型MOS管的栅极为所述第二开关管的控制端。
优选地，所述第一开关管为第一光耦，所述第一光耦中的三极管的集电极为所述第一开关管的一端，所述第一光耦中三极管的发射极为所述第一开关管的另一端，所述第一光耦中二极管的阳极为所述第一开关管的控制端，所述第一光耦中二极管的阴极连接至所述接地端；所述第二开关管为第二光耦，所述第二光耦中的三极管的集电极为所述第二开关管的一端，所述第二光耦中三极管的发射极为所述第二开关管的另一端，所述第二光耦中二极管的阳极为所述第二开关管的控制端，所述第二光耦中二极管的阴极连接至所述接地端。
作为本申请的第二个方面，所提供的开关电源的技术方案如下：
一种开关电源，包括所述第三开关管，以及上述任一项所述开关管控制电路；所述第一开关管的另一端、所述第二开关管的一端和所述第二电容的一端连接在一起后连接所述第三开关管的控制端；所述第二开关管的另一端、所述第一电容的另一端、所述第二电容的另一端、所述低电平输入端和所述接地端连接在一起后连接所述第三开关管的一端。
本申请的工作原理将结合具体的实施方式进行详细分析，在此不赘述，本申请的有益效果如下
1、本发明提供的开关管控制电路通过配置第一信号输入端GATE1和第二信号输入端GATE2输入的驱动信号，能够使得第一开关管导通时，第二开关管截止，由第一电容为第二电容快速充电，使第三开关管快速导通；第一开关管截止时，第二开关管导通，第二开关管将第二电容快速放电，使第三开关管快速关断，从而满足不同应用场景下对快速开通和关断开关管的需求，并且在第三开关管关断时，第一电容中的能量不会被消耗掉，而是用于在下个工作周期为第二电容充电，实现下个工作周期第三开关管的快速导通，从而能够提高电路的效率。
2、本发明提供的开关电源由于应用了本发明所提供的开关管控制电路，因此在开关管在关断时，关断时间变短，从而关断损耗减小，MOS管的温升减少，能提高开关电源的效率和可靠性；而在开通时，开通时间变短，能够降低因开关管寄生电容的存在导致驱动能力不足而产生的影响，减小开通损耗，进一步提高开关电源的效率和可靠性，特别是高电压大功率的开关电源，应用本发明的开关控制电路后优势更加明显。
附图说明
图1为本发明开关管控制电路一个实施例的原理图；
图2为本发明开关管控制电路另一个实施例的原理图；
图3为本发明开关管控制电路另一个实施例的原理图；
图4为本发明开关管控制电路另一个实施例的原理图；
图5为本发明开关管控制电路另一个实施例的原理图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明电路进行说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明电路。
作为本申请的第一个方面，所提供的开关管控制电路的技术方案如下：
一种开关管控制电路，用于控制第三开关管Q3的开通和关断速度，包含：第一电容C1、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第二电容C2、第三开关管Q3、高电平输入端Vin+、低电平输入端Vin-、第一信号输入端GATE1、第二信号输入端GATE2和接地端GND；
高电平输入端Vin+同时连接第一电容C1的一端和第一开关管Q1的一端，第一开关管Q1的另一端、第二开关管Q2的一端和第二电容C2的一端连接在一起后用于连接第三开关管Q3的控制端，第二开关管Q2的另一端、第一电容C1的另一端、第二电容C2的另一端、低电平输入端Vin-和接地端GND连接在一起后用于连接第三开关管Q3的一端，第一开关管Q1的控制端连接第一信号输入端GATE1，第二开关管的控制端连接第二信号输入端GATE2。
其中的高电平输入端Vin+和低电平输入端Vin-用于为本发明的开关管控制电路输入供电电压，可以是开关电源的正输入端和负输入端、辅助供电电路的正输出端和负输出端，或者其它来源的供电电压对应的端口。
其中的第一信号输入端GATE1和第二信号输入端GATE2分别用于为第一开关管Q1和第二开关管Q2提供驱动信号，驱动信号可以是PWM驱动信号、PFM驱动信号、混频驱动信号或者其它类型的驱动信号。
通过配置第一信号输入端GATE1和第二信号输入端GATE2输入的驱动信号，能够使得第一开关管Q1导通时，第二开关管Q2截止，由第一电容C1为第二电容C2快速充电，使第三开关管Q3快速导通；第一开关管Q1截止时，第二开关管Q2导通，第二开关管Q2将第二电容C2快速放电，使第三开关管Q3快速关断，满足不同应用场景下对快速开通和关断开关管的需求，并且在第三开关管Q3关断时，第一电容C1中的能量不会被消耗掉，而是用于在下个工作周期为第二电容C2充电，实现下个工作周期第三开关管Q3的快速导通，从而能够提高电路的效率。
优选地，电容C1容值大于电容C2容值，电容C1选取为大容值电容，电容C2选取为小容值电容，从而使得在满足第一电容C1为第二电容C2快速充电的同时，第一电容C1的能量还能用于为其所应用的电路(如开关电源等)中的其它有源器件进行供电。
图1为本发明开关管控制电路一个实施例的原理图，参见图1，其中对各开关管的类型进行了选择，具体如下：
其中的第三开关管Q3为第三MOS管，第三MOS管的栅极为第三开关管Q3的控制端，第三MOS管的源极为第三开关管Q3的一端。
需要说明的是，第三开关管Q3还可以选择为三极管等其它类型的开关管，如当选择第三开关管Q3为第三三极管时，第三三极管的基极为第三开关管Q3的控制端，第三三极管的发射极为第三开关管Q3的一端。
其中的第一开关管Q1为第一N型三极管，第一N型三极管的集电极为第一开关管Q1的一端，第一N型三极管的发射极为第一开关管Q1的另一端，第一N型三极管的基极为第一开关管Q1的控制端；第二开关管Q2为第二N型三极管，第二N型三极管的集电极为第二开关管Q2的一端，第二N型三极管的发射极为第二开关管Q2的另一端，第二N型三极管的基极为第二开关管Q2的控制端。
针对图1的电路图，第一信号输入端GATE1和第二信号输入端GATE2输入的驱动信号需要配置为异步信号，电路的工作原理如下：
N型三极管Q1导通时，N型三极管Q2截止，由电容C1为电容C2快速充电，使MOS管Q3快速导通；N型三极管Q1截止时，N型三极管Q2导通，由N型三极管Q2将电容C2快速放电，使MOS管Q3快速关断，此过程中C1能量不被消耗，可实现下周期MOS管Q3的快速导通，提高电路效率。
图2为本发明开关管控制电路另一个实施例的原理图，参见图2，本实施例与图1所示实施例不同之处在于：第二开关管Q2为第二P型三极管，第二P型三极管的发射极为第二开关管Q2的一端，第二P型三极管的集电极为第二开关管Q2的另一端，第二P型三极管的基极为第二开关管Q2的控制端。
由于图2所示电路中的第二开关管Q2为第二P型三极管，因此第一信号输入端GATE1和第二信号输入端GATE2输入的驱动信号需要配置为同步信号，才能如图1一样实现第一开关管Q1和第二开关管Q2的异步导通，从而实现发明目的，具体地：N型三极管Q1导通时，P型三极管Q2截止，由电容C1为电容C2快速充电，使MOS管Q3快速导通；N型三极管Q1截止时，P型三极管Q2导通，由P型三极管Q2将电容C2快速放电，使MOS管Q3快速关断，此过程中C1能量不被消耗，可实现下周期MOS管Q3的快速导通，提高电路效率。
图3为本发明开关管控制电路另一个实施例的原理图，参见图3，本实施例与图1所示实施例不同之处在于：第一开关管Q1为第一N型MOS管，第一N型MOS管的漏极为第一开关管Q1的一端，第一N型MOS管的源极为第一开关管Q1的另一端，第一N型MOS管的栅极为第一开关管Q1的控制端；第二开关管Q2为第二N型MOS管，第二N型MOS管的漏极为第二开关管Q2的一端，第二N型MOS管的源极为第二开关管Q2的另一端，第二N型MOS管的栅极为第二开关管Q2的控制端。
图3所示实施例的第一信号输入端GATE1和第二信号输入端GATE2输入的驱动信号配置以及电路工作原理与图1所示实施例相同，在此不再叙述。
图4为本发明开关管控制电路另一个实施例的原理图，参见图4，本实施例与图2所示实施例不同之处在于：第一开关管Q1为第一N型MOS管，第一N型MOS管的漏极为第一开关管Q1的一端，第一N型MOS管的源极为第一开关管Q1的另一端，第一N型MOS管的栅极为第一开关管Q1的控制端；第二开关管Q2为第二P型MOS管，第二P型MOS管的源极为第二开关管Q2的一端，第二P型MOS管的漏极为第二开关管Q2的另一端，第二P型MOS管Q2的栅极为第二开关管Q2的控制端。
图4所示实施例的第一信号输入端GATE1和第二信号输入端GATE2输入的驱动信号配置以及电路工作原理与图2所示实施例相同，在此不再叙述。
图5为本发明开关管控制电路另一个实施例的原理图，参见图5，本实施例与图1所示实施例不同之处在于：第一开关管Q1为第一光耦，第一光耦中的三极管的集电极为第一开关管Q1的一端，第一光耦中三极管的发射极为第一开关管Q1的另一端，第一光耦中二极管的阳极为第一开关管Q1的控制端，第一光耦中二极管的阴极连接至接地端；第二开关管Q2为第二光耦，第二光耦中的三极管的集电极为第二开关管Q2的一端，第二光耦中三极管的发射极为第二开关管Q2的另一端，第二光耦中二极管的阳极为第二开关管Q2的控制端，第二光耦中二极管的阴极连接至接地端。
图5所示实施例的第一信号输入端GATE1和第二信号输入端GATE2输入的驱动信号配置以及电路工作原理与图1所示实施例相同，在此不再叙述。
本发明上述提供的开关控制电路为一个通用的辅助电路，在任何用到开关管的场景下都具有适用性，本发明的开关控制电路不仅能够实现开关管的快速开通和关断，而且通过巧妙的电路设计，第一电容中的能量在上一个开关周期的关断过程中无需被消耗，而是在相邻的下一个开关周期的开通过程中用于为第二电容充电，因此电路效率较传统的通过电阻放电消耗电容上的能量的方案而言，能够提升电路效率。
本发明的开关控制电路的一个较佳的应用场景为应用于开关电源，开关电源中包括开关管，记为第三开关管Q3，应用时，将上述实施例提供的开关控制电路中的第一开关管Q1的另一端、第二开关管Q2的一端和第二电容C2的一端连接在一起后连接第三开关管Q3的控制端；将第二开关管Q2的另一端、第一电容C1的另一端、第二电容C2的另一端、低电平输入端Vin-和接地端GND连接在一起后连接第三开关管Q3的一端。
应用了本发明开关控制电路的开关电源中的开关管在关断时，关断时间变短，从而关断损耗减小，MOS管的温升减少，从而能提高开关电源的效率和可靠性；而在开通时，开通时间变短，能够降低因开关管寄生电容的存在导致驱动能力不足而产生的影响，减小开通损耗，进一步提高开关电源的效率和可靠性，特别是高电压大功率的开关电源，应用本发明的开关控制电路后优势更加明显。
以上仅是本发明的实施方式，需要特别指出的是，上述实施方式不应视为对本发明的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种开关管控制电路，用于控制第三开关管的开通和关断速度，其特征在于，包含：第一电容、第一开关管、第二开关管、第二电容、第三开关管、高电平输入端、低电平输入端、第一信号输入端、第二信号输入端和接地端；
所述高电平输入端同时连接所述第一电容的一端和所述第一开关管的一端，所述第一开关管的另一端、所述第二开关管的一端和所述第二电容的一端连接在一起后用于连接所述第三开关管的控制端，所述第二开关管的另一端、所述第一电容的另一端、所述第二电容的另一端、所述低电平输入端和所述接地端连接在一起后用于连接所述第三开关管的一端，所述第一开关管的控制端连接所述第一信号输入端，所述第二开关管的控制端连接所述第二信号输入端。
2.根据权利要求1所述开关管控制电路，其特征在于：所述电容C1容值大于所述电容C2容值。
3.根据权利要求1或2所述开关管控制电路，其特征在于：所述第三开关管为第三MOS管，所述第三MOS管的栅极为所述第三开关管的控制端，所述第三MOS管的源极为所述第三开关管的一端；或者所述第三开关管为第三三极管，所述第三三极管的基极为所述第三开关管的控制端，所述第三三极管的发射极为所述第三开关管的一端。
4.根据权利要求1或2所述开关管控制电路，其特征在于：所述第一开关管为第一N型三极管，所述第一N型三极管的集电极为所述第一开关管的一端，所述第一N型三极管的发射极为所述第一开关管的另一端，所述第一N型三极管的基极为所述第一开关管的控制端；所述第二开关管为第二N型三极管，所述第二N型三极管的集电极为所述第二开关管的一端，所述第二N型三极管的发射极为所述第二开关管的另一端，所述第二N型三极管的基极为所述第二开关管的控制端。
5.根据权利要求1或2所述开关管控制电路，其特征在于：所述第一开关管为第一N型三极管，所述第一N型三极管的集电极为所述第一开关管的一端，所述第一N型三极管的发射极为所述第一开关管的另一端，所述第一N型三极管的基极为所述第一开关管的控制端；所述第二开关管为第二P型三极管，所述第二P型三极管的发射极为所述第二开关管的一端，所述第二P型三极管的集电极为所述第二开关管的另一端，所述第二P型三极管的基极为所述第二开关管的控制端。
6.根据权利要求1或2所述开关管控制电路，其特征在于：所述第一开关管为第一N型MOS管，所述第一N型MOS管的漏极为所述第一开关管的一端，所述第一N型MOS管的源极为所述第一开关管的另一端，所述第一N型MOS管的栅极为所述第一开关管的控制端；所述第二开关管为第二N型MOS管，所述第二N型MOS管的漏极为所述第二开关管的一端，所述第二N型MOS管的源极为所述第二开关管的另一端，所述第二N型MOS管的栅极为所述第二开关管的控制端。
7.根据权利要求1或2所述开关管控制电路，其特征在于：所述第一开关管为第一N型MOS管，所述第一N型MOS管的漏极为所述第一开关管的一端，所述第一N型MOS管的源极为所述第一开关管的另一端，所述第一N型MOS管的栅极为所述第一开关管的控制端；所述第二开关管为第二P型MOS管，所述第二P型MOS管的源极为所述第二开关管的一端，所述第二P型MOS管的漏极为所述第二开关管的另一端，所述第二P型MOS管的栅极为所述第二开关管的控制端。
8.根据权利要求1或2所述开关管控制电路，其特征在于：所述第一开关管为第一光耦，所述第一光耦中的三极管的集电极为所述第一开关管的一端，所述第一光耦中三极管的发射极为所述第一开关管的另一端，所述第一光耦中二极管的阳极为所述第一开关管的控制端，所述第一光耦中二极管的阴极连接至所述接地端；所述第二开关管为第二光耦，所述第二光耦中的三极管的集电极为所述第二开关管的一端，所述第二光耦中三极管的发射极为所述第二开关管的另一端，所述第二光耦中二极管的阳极为所述第二开关管的控制端，所述第二光耦中二极管的阴极连接至所述接地端。
9.一种开关电源，包括所述第三开关管，以及权利要求1至8任一项所述开关管控制电路；所述第一开关管的另一端、所述第二开关管的一端和所述第二电容的一端连接在一起后连接所述第三开关管的控制端；所述第二开关管的另一端、所述第一电容的另一端、所述第二电容的另一端、所述低电平输入端和所述接地端连接在一起后连接所述第三开关管的一端。
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