同步整流控制方法、控制装置及开关电源的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种开关电源，特别涉及开关电源的同步整流控制方法、控制装置及 基于该同步整流控制装置的开关电源。
【背景技术】
[0002] 随着半导体器件及超大规模集成电路的快速发展，对大电流、低电压，低成本隔离 开关电源的需求也随之大幅增加。正向压降只有〇. 3V-0. 7V的肖特基二极管整流，大导通 损耗成为开关电源小型化的瓶颈。为了提高低电压、大电流开关电源的效率，输出整流都 采用了同步整流技术，现有技术中，普遍都是采用了三种驱动方式，变压器绕组电压自驱动 型、隔离驱动型和电流驱动型
[0003] 如图1所示的电路为变压器绕组自驱动型，变压器绕组自驱动型由于驱动电压是 来自变压器的辅助绕组，电路简单、空间小，成本低，所以在高功率密度的模块电源应用中， 绕组自驱动型被广泛的应用。但是绕组自驱动型电路由于在输出负载为空负载或轻负载 的情况下，其波形如图2所示，输出电流可以过零，也就是在每个开关周期是会出现反向电 流。这样就会造成开关电源的空载损耗加大或轻载效率降低。
[0004] 其空载损耗变大原理为：在反激或反激类功率拓扑应用，空载或轻载情况下，变压 器B值摆幅由第一象限变化到第一和第三象限，ΔΒ变大导致变压的磁芯损耗变大。由于 有同步整流管出现了反向电流，所以增加了同步整流的关断损耗。
[0005] 同理在正激或正激类的功率拓扑应用中，由于正激类的功率拓变压本来就是工作 在第一和第三象限，但是其输出储能电感B值本应是只工作在第一象限的，在同步整流开 关出现负向电流的时候，也同样让输出电感的B值工作到了第一和第三象限，同样增加储 能电感的磁芯损耗和同步整流管的关断损耗。
[0006] 因此空载损耗大和轻载效率低是绕组自驱动同步整流最大的缺点；
[0007] 而采用图3所示的同步整流电路为隔离驱动型同步整流电路，其原理为采用隔离 驱动变压器，从变换器的原边传输控制信号到副边，用来驱动变换器副边的同步整流整流， 这种驱动电路可以克服变压器绕组自驱型的空载损耗大的缺点，但是带来的新问题是由于 需要增加隔离驱动变压器及相关电路，隔离变压器由于体积比较大，成本较高，在高功率密 度的模块电源中很难应用。
[0008] 而采用图4所示的同步整流驱动电路为电流驱动型同步整流，其原理主要为在开 关电源的副边回路里串联采样电阻或电流互感器，采集开关电源的副边电流信号，经过电 压和功率放大后，用来驱动同步整流管，在空载或轻载时如果有出现电流过零的情况，由于 驱动波形的电压方向就会发生变化，经过电路整理后形成有正向电流的时候有驱动波形， 电流波形到零的时候，驱动电压波形也降到零，同步整流驱动就会被关断。这样就没有给输 出电流过零创造条件，所以电流驱动型的同步整流电路不会出现开关电源副边电流过零， 也就是不会出现同步整流绕组自驱动空载功耗变大和轻载效率变低的问题。电流驱动型同 步整流根据电流采样的方法、放大的方法、控制的方法有非常多的电路形式和专利。电流 型同步整流虽然克服了空载损耗大，轻载效率低的问题，但是同样不适用于高功率密度的 模块电源，因为电流驱动型同步整流采用的互感器和电阻都是串联在开关电源副边的主功 率回路上的，高功率密度电源的输出电流一般都是很大，在满载时会造成很大的损耗，降低 了高功率模块电源的满载效率。如一个3. 3V输出100W的电源在满载工作时，输出电流到 30A，如果采用电阻到5πιΩ会带来近5W左右的损耗，效率下降超过4%。所以采用这种驱动 方案在轻载效率提升的时候降低了满载效率，得不偿失。而采用电阻或电流互感器的造成 的体积变大也是高功率密度电源所不能接受的。
[0009] 综上所述的三种同步整流驱动电路的优点和缺点如表一所示。
[0010] 表一
[0011]
[0012] 高功率密度模块电源的理想同步整流为：空载或轻载功耗小、体积/成本小、满载 效率高。
[0013] 在隔离型开关电源中，为了实现开关电源输出电压的稳定，控制方式主要为PWM 控制，又叫脉宽调整控制方式，其原理是，通过调节开关脉冲高电压时间占脉冲周期时间的 比例来调节输出电压，这一比例在开关电源里定义为占空比。其具体的方式为，当输出电压 升高时，负反馈电路将检测并传输这一信号给PWM控制芯片的反馈脚，反馈脚的电平发生 变化，PWM控制芯片会根据这变化的电平输出对应占空比的脉冲驱动信号，让开关电源的输 出电压降低，以实现稳定输出电压的目的。如果开关电源的输出电压下降时，则上述的逻辑 过程则反之。
[0014] 当开关电源的负载发生变化时，输出电压会发生变化，PWM控制芯片的反馈脚电平 也会发生变化。
【发明内容】
[0015] 本发明的一个目的是，提供一种能实现空载或轻载功耗小、体积/成本小、满载效 率高的同步整流控制方法。
[0016] 与此相应，本发明的另一个目的是，提供一种能实现空载或轻载功耗小、体积/成 本小、满载效率高的同步整流控制装置。
[0017] 本发明的再一个目的是，提供一种能实现空载或轻载功耗小、体积/成本小、满载 效率尚的开关电源。
[0018] 就方法而言，本发明提供一种同步整流控制方法，用于对开关电源的同步整流M0S 管进行同步整流控制，该方法在绕组自驱动同步整流电路的控制基础上，增加轻载控制步 骤，所述轻载控制步骤，包括信号传输步骤，将原边PWM控制芯片的反馈脚COM的反馈信号， 通过光耦从原边传输到副边，提供给驱动控制电路；驱动控制步骤，接收由光耦传输来的原 边PWM控制芯片的反馈脚COM的反馈信号，并根据反馈信号电平的高低，向绕组自驱动同步 整流电路输出控制信号，当反馈信号为低电平时，即表征开关电源的输出负载为轻载或空 载时，则关闭绕组自驱动同步整流电路，使同步整流M0S管工作在体二极管整流状态，用以 实现空载损耗小的目的；当反馈信号为高电平时，即表征开关电源的输出负载为重载时，则 不干涉绕组自驱动同步整流电路的工作，用以实现重载效率高的目的。
[0019] 就产品而言，本发明提供一种同步整流控制装置，用于对开关电源的同步整流M0S 管进行同步整流控制，包括绕组自驱动同步整流电路，所述同步整流控制装置还包括轻载 控制电路，所述轻载控制电路包括信号传输电路和驱动控制电路，所述信号传输电路，其输 入连接到PWM控制芯片的反馈脚C0M，输出连接到驱动控制电路输入端，用以将原边PWM控 制芯片的反馈脚COM的反馈信号，通过光耦从原边传输到副边，提供给驱动控制电路，所述 驱动控制电路，其输出连接到绕组自驱动同步整流电路的输入，用以接收由光耦传输来的 原边PWM控制芯片的反馈脚COM的反馈信号，并根据反馈信号电平的高低，向绕组自驱动同 步整流电路输出控制信号，以在反馈信号为低电平时，即表征开关电源的输出负载为轻载 或空载时，则关闭该绕组自驱动同步整流电路，使同步整流M0S管工作在体二极管整流状 态；在反馈信号为高电平时，即表征开关电源的输出负载为重载时，则不干涉该绕组自驱动 同步整流电路的工作，用以实现开关电源重载效率高的目的。
[0020] 优选的，所述信号传输电路，包括电阻R31、电阻R32、电阻R33、误差放大器U31、光 耦U32,其具体连接关系是，电阻R31的一端连接到PWM控制芯片反馈脚C0M、为信号传输 电路的输入端；电阻R31的另一端连接电阻R32的一端和误差放大器U31的控制脚，电阻 R32的另一端连接到开关电源的原边参考地；电阻R33的一端连接到开关电源的原边供电 端VCC，电阻R33的另一端连接到光耦U32的原边阳极，光耦U32的原边阴极连接到误差放 大器U31的阴极，误差放大器U31的阳极连接到开关电源的原边参考地。
[0021] 优选的，所述误差放大器U32为TL431。
[0022] 优选的，所述驱动控制电路，包括电阻R41、电阻R42、电阻R43、三极管Q41和二极 管D41，其具体连接关系是，该电阻R41的一端连接到开关电源副边输出端正V0 ;电阻R41 的另一端连接电阻R42的一端，电阻R42的另一端连接到R43的一端并连接到三极管Q41 的基极；电阻R43的另一端连接到开关电源副边参考地并连接到三极管Q41的发射极，二极 管D41的阴极连接到三极管Q41的集电极，二极管D41的阳极引出作为轻载控制电路的输 出端。
[0023] 优选的，所述绕组自驱动同步整流电路，包括驱动绕组N21、电容C21和电阻R21， 该驱动绕组N21的同名端连接到电容C21的一端，驱动绕组N21的异名端连接到同步整流 M0S管的漏极；电容C21的另一端连接到同步整流M0S管的栅极；电阻R21的一端连接到同 步整流管的栅极，另一端连接到同步整流M0S管的源极。
[0024] 本发明还提供一种开关电源，包括带同步整流M0S管的功率转换电路及上述的同 步整流控制装置，所述同步整流控制装置的轻载控制电路并联在同步整流M0S管的栅极和 源极之间，即同步整流M0S管的栅极经轻载控制电路的二极管D41与三极管Q4