一种自带防倒灌保护的同步整流boost电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种自带防倒灌保护的同步整流BOOST电路，包括二极管D1，电容C1构成的自举供电电路，当主开关管Q1导通时，辅助电源VCC通过D1给C1充电，从而给反向电流检测电路以及控制驱动电路供电；检流电阻R1、电压比较器U1构成反向电流检测电路，当R1上正向电流接近零或负电流，U1比较后送出低电平到与门U2；与门U2控制同步整流管Q2驱动电路，当PWM发生器送给Q2高电平时，先经过与门U2，若检测到U1比较送出的0电流或付电流，则U2送出低电平，Q2关断；这三部分电路即可实现防止BOOST电路同步整流管反向电流的问题。其设计合理、结构简单、可靠性好、安全节能、成本低廉。
【专利说明】一种自带防倒灌保护的同步整流BOOST电路
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电源转换【技术领域】，尤其是涉及一种自带防倒灌保护的同步整流 BOOST电路。
【背景技术】
[0002] 带有同步整流的BOOST升压转换器应用已非常广泛，主开关管和同步整流管工作 在互补模式，可以得到很高的转换效率；但是这一传统的做法有个缺陷，当转换器工作在轻 载或空载状态时，同步整流管上会出现负电流，此时虽然输出电流很小，但是电感、主开关 管、同步整流管上却有较大的电流流过，使能量在输入电容和输出电容之间反复转换，虽然 只要控制得当不会对负载造成什么影响，但是反复循环的电流却会白白增加损耗，使得即 使空载上述器件仍然会消耗不少功耗；另外，在一些特殊使用场合，例如多个同步BOOST转 换器并联工作或者输出端并有蓄电池时，一旦输出端电压被外力太高，就会发生输出向输 入端倒灌的现象，严重时会损坏前端电源。
【发明内容】
[0003] 本发明在BOOST电路中同步整流上管的源极串入一只检流电阻，用比较器检测电 流的正反向，再控制驱动电路，使得当同步整流管正向电流降到〇甚至出现反向电流时关 断同步管；上述比较器、同步整流上管驱动及控制电路可以简单的自举电路获得电源，能有 效克服上述缺陷，实现在BOOST转换器轻载工作时当同步整流上管电流降到零时自动关闭 同步整流，无须外加信号进行控制。其设计合理、结构简单、可靠性好、安全节能、成本低廉， 有效解决了现有技术的不足。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种自带防倒灌保护的同步整流 BOOST电路，包括PWM发生器，主开关管Q1，同步整流管Q2, BOOST电感L1，输入滤波电容C2， 输出滤波电容C3,其特征在于：所述同步整流管Q2增加了电流检测及判断电路和驱动及控 制电路，以及给上述电路供电的自举供电电路；所述PWM发生器的一个输出端与驱动及控 制电路的一个输入端相连，PWM发生器的另一个输出端通过驱动电路与主开关管Q1栅极相 连，所述驱动及控制电路的输出端与同步整流管Q2的栅极相连，所述电流检测及判断电路 连接在同步整流管Q2与驱动及控制电路之间，所述BOOST电感L1的一端与电源相连，另一 端与自举供电电路相连，所述自举供电电路与主开关管Q1的漏极相连；所述输入滤波电容 C2正极与电源相连，负极与主开关管Q1的源极相连；所述同步整流管Q2、主开关管Q1之间 连接有电流检测及判断电路，所述输出滤波电容C3与主开关管Q1、电流检测及判断电路同 步整流管Q2依次连接组成的串联电路并联。
[0005] 上述的同步整流BOOST电路，其特征在于，同步整流管电流检测及判断电路包括 串联在同步整流管Q2源极的检流电阻R1和电压比较器U1，且检流电阻R1跨接在电压比 较器U1的两输入端之间，其中检流电阻R1与同步整流管Q2源极相连的一端接电压比较器 U1负极输入端，所述电压比较器U1的输出端与驱动及控制电路的另一个输入端相连。
[0006] 上述的同步整流BOOST电路，其特征在于，同步整流管驱动及控制电路包括由与 门电路控制的驱动电路。
[0007] 上述的同步整流BOOST电路，其特征在于，自举供电电路中包括自举二极管D1及 与自举二极管D1串联的自举电容C1。
[0008] 上述的同步整流BOOST电路，其特征在于，所述电压比较器U1负极输入端与同步 整流管Q2的源极相连，电压比较器U1正极输入端与主开关管Q1的漏极相连。
[0009] 上述的同步整流BOOST电路，其特征在于，所述输出滤波电容C3正极与同步整流 管Q2的漏极相连，输出滤波电容C3负极与主开关管Q1的源极相连，且输出滤波电容C3正 极为接负载端。
[0010] 上述的同步整流BOOST电路，其特征在于，同步整流管驱动及控制电路不限于由 与门电路控制的驱动电路。
[0011] 采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：
[0012] 1、本发明可以有效降低同步boost转换器在轻载时的转换损耗，提升效率；
[0013] 2、本发明可以有效防止BOOST转换器电路输出端对输入端的电流倒灌，在某些场 合，输出端并联其它电源或者蓄电池的情况下，防止电流倒灌，可有效保护前端电源，尤其 是当前端电源是燃料电池等对反向电流敏感的电源的时候。
[0014] 综上所述，本发明能有效克服BOOST转换器电路输出端对输入端的电流倒灌缺 陷，实现在BOOST转换器轻载工作时当同步整流上管电流降到零时自动关闭同步整流，无 须外加信号进行控制。其设计合理、结构简单、可靠性好、安全节能、成本低廉，有效解决了 现有技术的不足。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1为本发明的同步整流BOOST电路原理图；
[0016] 图2为常用同步BOOST转换器原理图；
[0017] 图3为同步整流管电流波形对比图；
[0018] 图4为电流检测及判断电路的应用实例图；
[0019] 图5为带控制电路的同步整流管驱动电路的应用实例图；
[0020] 图6为自举供电电路的应用实例图。
[0021] 其中：1、PWM发生器；2、驱动及控制电路；
[0022] 自举供电电路；4、电流检测及判断电路。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0024] 如图1和图2所示，一种自带防倒灌保护的同步整流BOOST电路，包括P丽发生器 1，主开关管Q1，同步整流管Q2, BOOST电感L1，输入滤波电容C2,输出滤波电容C3,其特征 在于：所述同步整流管Q2增加了电流检测及判断电路4和驱动及控制电路2,以及给上述 电路供电的自举供电电路3 ;所述PWM发生器1的一个输出端与驱动及控制电路2的一个 输入端相连，PWM发生器1的另一个输出端通过驱动电路与主开关管Q1栅极相连，所述驱 动及控制电路2的输出端与同步整流管Q2的栅极相连，所述电流检测及判断电路4连接在 同步整流管Q2与驱动及控制电路2之间，所述BOOST电感L1的一端与电源相连，另一端与 自举供电电路3相连，所述自举供电电路3与主开关管Q1的漏极相连；所述输入滤波电容 C2正极与电源相连，负极与主开关管Q1的源极相连；所述同步整流管Q2、主开关管Q1之间 连接有电流检测及判断电路4,所述输出滤波电容C3与主开关管Q1、电流检测及判断电路 4同步整流管Q2依次连接组成的串联电路并联。
[0025] 本实施例中，同步整流管电流检测及判断电路4包括串联在同步整流管Q2源极的 检流电阻R1和电压比较器U1，且检流电阻R1跨接在电压比较器U1的两输入端之间，其中 检流电阻R1与同步整流管Q2源极相连的一端接电压比较器U1负极输入端，所述电压比较 器U1的输出端与驱动及控制电路2的另一个输入端相连。检流电阻R1连接在同步整流管 Q2的源极而非漏极的好处是可以使判定电流方向的电压比较器U1使用自举供电电路3作 为电源，而无需另外再提供带有隔离的较复杂专用电源；检流电阻R1两端的电压送入电压 比较器U1进行判定，如果是正向电流，电压比较器U1送出高电平，如果是反向电流，则送出 低电平。
[0026] 电压比较器U1输入端可加入偏置电压以避免器件误差造成的误动作。如图4所 示，是电流检测及判断电路的应用实例。该实例中，R1选用5πιΩ检流电阻，U1使用TI公 司的高速精密电压比较器，响应时间10nS，输入失调电压0. 5mV，Ra和Rb提供了一个偏置 电压，使得同步整流管Q2的正向电流还没完全降到0的时候比较器即判定电流到0输出低 电平关闭Q2,这样做的作用是避免比较器U1的误差导致误判，亦能防止0点附近时电路噪 声造成Q2反复开通关闭；此偏置电压可按具体电路进行设定，太低则不能完全避免误判问 题，太高则会增大Q2的损耗，按图4中的参数，对应关断电流约在0. 5A。
[0027] 本实施例中，同步整流管驱动及控制电路2包括由与门电路控制的驱动电路，U2 为双输入端与门，当PWM信号送入高电平时，还须看电压比较器U1送来的信号是否也是高 电平，两者都是高电平的时候才会送出高电平，使M0SFET驱动电路驱动同步整流管Q2导 通，当上述的电流方向检测电路检测到反向电流时，与门电路能够输出低电平给驱动电路， 保证同步整流管处于关断状态。但本发明不局限于上述的与门加驱动组成整流管驱动及控 制电路的方式。
[0028] 如图5所示，是带控制电路的同步整流管驱动电路的3个应用实例：
[0029] a中U2使用了单2输入与门74AHC1G08, M0SFET驱动器则使用TC4420 ;
[0030] b中，将驱动芯片改成了一对NPN、PNP管组成的图腾柱；
[0031] c中，省略了与门，使用了带使能引脚的驱动芯片FAN3122,当比较器输出低电平 时将关闭FAN3122,输出始终低电平；其效果和用与门+驱动芯片相同。
[0032] 本实施例中，自举供电电路中3包括自举二极管D1及与自举二极管D1串联的自 举电容C1，当主开关管Q1导通，C1的下端将随之拉低到0电平，VCC(通常为+12V或+5V) 则通过D1给C1充电，使C1的电压即VCCH接近为VCC，即使主开关管Q1截止，C1下端电平 抬高，C1上存储的电能仍能给电流检测及判断电路4和驱动及控制电路2供电，并可再通 过三端稳压等形式提供多组实际所需的供电电压。
[0033] 如图6所示，为自举供电电路3的应用实例。在输出电压不高于150V的应用中， 自举二极管D1可使用小电流的肖特基二极管，实例中使用了耐压150V的SB01-15C，电容 C1则使用1UFX7R25V的陶瓷电容器，另外如果驱动M0SFET使用10?12V的电压，而逻辑芯 片需要用到+5V，可以增加一个5V三端稳压，如78L05或LM1117-5. 0。
[0034] 本实施例中，所述电压比较器U1负极输入端与同步整流管Q2的源极相连，电压比 较器U1正极输入端与主开关管Q1的漏极相连。
[0035] 本实施例中，所述输出滤波电容C3正极与同步整流管Q2的漏极相连，输出滤波电 容C3负极与主开关管Q1的源极相连，且输出滤波电容C3正极为接负载端。
[0036] 下面结合波形图图3说明本发明工作的整个过程。图3中最上面的波形是普通的 同步整流在满载情况下同步整流管的电流波形，Q1导通时，电源电压Vin直接叫到电感L1 上，L1上的电流逐渐加大，其存储的能量随之增加，此时Q2的体二极管截止，其电流为0 ;当 下管Q1关断时，电感的能量便通过Q2的体二极管向输出滤波电容C3及负载放电，随着能 量的释放，电流逐步减小，并在下一周期Q1导通时突变为〇 ;驱动Q2的PWM波形和Q1是完 全互补的，只是为了防止Ql、Q2同时导通造成短路会留有死区时间，一般为几十纳秒左右， 也就是说在Q1关断，Q2的体二极管通过电流的几乎同时，Q2变导通实现同步整流，使得Q2 的导通损耗变的很低，提高效率；我们看到在次满载的情况下，Q1关断期间，Q2始终有较大 的正向电流流过，对于本发明来讲，由于电流始终正向，比较器始终送出高电平，与门的PWM 输入和输出完全一致，所以其工作状态和普通BOOST转换器是完全一致的；
[0037] 但是当工作在轻载状态时，状态就不同了。图3中间的波形是普通BOOST转换器 在轻载下的同步整流管波形，由于负载很小，电流也远小于上图，当Q1关断，Q2出现正向电 流后，很快就下降到〇,此时Q1尚未导通，而Q2却仍在导通状态，由于C3上的电压高于输入 电压Vin，导致C3通过L1对输入电容C2甚至前端输入电源充电，直到Q2截止，Q1导通，此 反向电流才消失，之后Q1导通的前期，L1储存的反向能量仍然对输入电容充电，能量放完 后输入电源才重新对L1充入正向电流；这些反复重放电的电流会造成Q1、Q2的导通电阻、 L1的直流电阻、以及线路电阻、甚至C2、C3的ESR上的损耗，白白消耗能量，对输入端的充 电也会造成对输入电源的不良影响；如果应用本发明，则能解决上述问题。
[0038] 图3最下面的波形是本发明在轻载下的同步整流管电流波形，和中图不同的是， 当同步整流管正向电流下降到〇时，由于电流检测电路检测到并输出低电平，导致与门U2 送低电平，关闭了 Q2, Q2的体二极管亦截止，就不会出现反向电流，不会出现输出端向输入 端倒灌的现象。
[0039] 本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发， 不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种自带防倒灌保护的同步整流BOOST电路，包括PWM发生器（1)，主开关管Q1，同 步整流管Q2, BOOST电感L1，输入滤波电容C2,输出滤波电容C3,其特征在于：所述同步整 流管Q2增加了电流检测及判断电路⑷和驱动及控制电路（2)，以及给上述电路供电的自 举供电电路（3);所述PWM发生器（1)的一个输出端与驱动及控制电路（2)的一个输入端 相连，PWM发生器（1)的另一个输出端通过驱动电路与主开关管Q1栅极相连，所述驱动及 控制电路⑵的输出端与同步整流管Q2的栅极相连，所述电流检测及判断电路⑷连接在 同步整流管Q2与驱动及控制电路（2)之间，所述BOOST电感L1的一端与电源相连，另一端 与自举供电电路（3)相连，所述自举供电电路（3)与主开关管Q1的漏极相连；所述输入滤 波电容C2正极与电源相连，负极与主开关管Q1的源极相连；所述同步整流管Q2、主开关管 Q1之间连接有电流检测及判断电路（4)，所述输出滤波电容C3与主开关管Q1、电流检测及 判断电路（4)同步整流管Q2依次连接组成的串联电路并联。
2. 根据权利要求1所述的同步整流BOOST电路，其特征在于，同步整流管电流检测及判 断电路（4)包括串联在同步整流管Q2源极的检流电阻R1和电压比较器U1，且检流电阻R1 跨接在电压比较器U1的两输入端之间，其中检流电阻R1与同步整流管Q2源极相连的一端 接电压比较器U1负极输入端，所述电压比较器U1的输出端与驱动及控制电路⑵的另一 个输入端相连。
3. 根据权利要求1或2所述的同步整流BOOST电路，其特征在于，同步整流管驱动及控 制电路⑵包括由与门电路控制的驱动电路。
4. 根据权利要求1所述的同步整流BOOST电路，其特征在于，自举供电电路中（3)包括 自举二极管D1及与自举二极管D1串联的自举电容C1。
5. 根据权利要求1或2所述的同步整流BOOST电路，其特征在于，所述电压比较器U1 负极输入端与同步整流管Q2的源极相连，电压比较器U1正极输入端与主开关管Q1的漏极 相连。
6. 根据权利要求1所述的同步整流BOOST电路，其特征在于，所述输出滤波电容C3正 极与同步整流管Q2的漏极相连，输出滤波电容C3负极与主开关管Q1的源极相连，且输出 滤波电容C3正极为接负载端。
【文档编号】H02M7/217GK104092388SQ201410270068
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2014年6月17日
【发明者】顾荣鑫, 马天才, 曹紫微 申请人:昆山弗尔赛能源有限公司