专利名称：直流/直流变换器同步整流驱动电路及驱动方法
技术领域：
本发明涉及一种直流/直流(即DC/DC)变换器同步整流驱动电路及驱动方法，用于在副边采用同步整流MOS晶体管进行整流的DC/DC变换器中，对其同步整流MOS晶体管的整流管和续流管的门极的驱动。
现有的驱动电路或者不能完全满足以上三个要求，或者仅能基本满足要求但控制复杂，成本较高。
目前已有的一种同步整流驱动电路如
图1a所示，其主要信号波形如图1b所示，同步整流驱动电路由PWM驱动信号GT、隔离驱动电路、延时驱动电路以及二极管Da、电阻Ra、小功率晶体管Sa组成，对续流管SR2进行驱动。它的原理为在t1时刻，GT为高电平，通过隔离驱动电路使Sa导通，将SR2的门极电荷释放，SR2关断；经过延时驱动电路，在t2时刻，功率MOS管(简称功率管)S导通，整流管SR1导通；在t3时刻，功率管S关断，SR1关断，SR2的寄生二极管导通续流，由于此时变压器T1副边绕组Ns的电压极性为下正上负，正电压通过Da、Ra加在SR2门极上，使SR2导通，由于SR2的门极除连接有Sa外，没有其它放电回路，SR2将持续导通，直到GT变为高电平；因此以上过程可满足(1)整流时SR1导通，SR2关断；续流时SR2导通，SR1关断；(2)SR1与SR2不会同时处于导通状态。因此由于同步整流的作用，变换器的效率较高。
但同时存在的问题是在变换器停止工作的t4时刻，GT为低电平，功率管S关断，SR1关断，SR2的寄生二极管导通续流，此时变压器T1副边绕组Ns的电压极性为下正上负，正电压通过Da、Ra加在SR2门极上，使SR2导通，由于变换器停止工作后GT一直为低电平，Sa无法导通将SR2的门极电荷释放，SR2将一直导通，续流结束后输出端电容C上的电荷将通过电感L、SR2泄放，电流由SR2的漏极流过源极，与正常续流电流方向相反，由于电感L、SR2回路上的阻抗往往较小，泄放电流会很大，对SR2造成很大的电流应力，同时电感L与电容C还会形成振荡，在输出端形成负电压，对输出端的有极性电容和负载造成损伤，在输出空载或轻载时，由于负载阻抗相对较大，流过电感L、SR2的电流也相对较大，这个问题会更加严重。由于同样的原因，采用这种同步整流驱动电路的DC/DC变换器也无法应用在要求输出直接并联的场合。因此以上过程无法满足第3条要求，即变换器停止工作的时候要及时关断SR2，避免反向导通。
为实现上述目的，本发明提出一种DC/DC变换器同步整流驱动电路及驱动方法，用于在副边采用同步整流MOS晶体管进行整流的DC/DC变换器中，对其同步整流MOS晶体管的整流管和续流管的门极的驱动。
所述DC/DC变换器同步整流驱动电路包括PWM驱动信号(GT)产生电路和脉冲同步信号(SYNC)产生电路，所述PWM驱动信号(GT)用于触发整流管(SR1)的开通和关断，所述脉冲同步信号(SYNC)用于触发续流管(SR2)的关断，其前沿超前于PWM驱动信号(GT)的前沿。
所述DC/DC变换器同步整流驱动方法的特征是变换器正常工作时，在每一个开关周期内，在PWM驱动信号(GT)之前，首先发出一个脉冲同步信号(SYNC)；所述PWM驱动信号(GT)用于触发整流管(SR1)的开通和关断，所述脉冲同步信号(SYNC)用于触发续流管(SR2)的关断，所述脉冲同步信号(SYNC)的前沿超前于PWM驱动信号(GT)的前沿；变换器停止工作后，所述脉冲同步信号(SYNC)仍然会继续发出至少一个脉冲，且继续发出的脉冲至少有一个是在小于一个开关周期的时间内发出的，以便将同步整流MOS晶体管的续流管(SR2)关断。
由于采用了以上的方案，在PWM驱动信号后沿，整流管关断，续流管开始导通；脉冲同步信号的前沿先于PWM驱动信号的前沿到来，此时续流管开始关断；续流管关断后，PWM驱动信号的前沿到来，整流管导通。这样即可满足(1)整流时整流管导通，续流管关断；续流时续流管导通，整流管关断；(2)整流管与续流管不会同时处于导通状态。而在变换器停止工作的时刻，PWM驱动信号为低电平，整流管关断，续流管导通，但续流管不会一直导通，当脉冲同步信号到来时，会将续流管关断，直到完全关断。从变换器停止工作的时刻到续流管完全关断的时刻，时间间隔小于一个开关周期，输出端电容上的电荷通过电感、续流管泄放的时间很短，泄放电流很小，更不会在输出端形成负电压，因此以上过程能够满足(3)变换器停止工作的时候能及时关断续流管，避免反向导通。该电路及方法几乎不增加电路成本，简单、高效。
图2-7是本发明的几个典型实施例，各例中，变换器的整流部分包括整流管SR1和续流管SR2，其中，所述同步整流驱动电路由一个与PWM驱动信号GT同步的脉冲同步信号SYNC、一个隔离驱动电路以及二极管Da、电阻Ra、电阻Rb、小功率晶体管Sa组成。所述脉冲同步信号SYNC的输出端与所述隔离驱动电路的输入端连接，所述隔离驱动电路的输出端与所述Sa的门极连接，所述二极管Da的阴极通过电阻Ra与所述续流管SR2的门极连接，小功率MOS晶体管Sa的漏极通过电阻Rb与续流管SR2的门极连接。
其中，所述隔离驱动电路可以采用多种常用的隔离驱动电路，其中的两个例子分别如图3a、图3b所示。
图3a表示的一种隔离驱动电路由小功率MOS晶体管Sb、脉冲变压器Tb、电阻R1、电阻R2、电阻R3组成，小功率MOS晶体管Sb的门极通过电阻R1与所述脉冲同步信号SYNC连接，电阻R2并联在小功率MOS晶体管Sb的门极和源极之间，脉冲变压器Tb的原边绕组Npb的负极端与小功率MOS晶体管Sb的漏极连接，Npb的正极端与辅助电源VCC连接，电阻R3与副边绕组Nsb并联，副边绕组Nsb的正极端与所述小功率MOS晶体管Sa的门极连接，Nsb的负极端与所述小功率MOS晶体管Sa的源极连接。
图3b表示的一种隔离驱动电路由脉冲变压器Td、电阻Rd、电容Cd组成，电容Cd的一端与所述脉冲同步信号SYNC连接，另一端与脉冲变压器Td的原边绕组Npd的正极端连接，Npd的负极端与原边共地，电阻Rd与副边绕组Nsb并联，副边绕组Nsd的正极端与所述小功率MOS晶体管Sa的门极连接，Nsd的负极端与所述小功率MOS晶体管Sa的源极连接。
根据变换器原边的不同，本发明可应用多种不同电路拓扑中，下面分别列出几例图2中，所述DC/DC变换器是三绕组去磁正激变换器(它有三个绕组Nc、Np、Ns)，绕组Np的负极端与功率MOS管S的漏极相连，所述脉冲同步信号SYNC的输出端与所述隔离驱动电路的输入端连接，所述隔离驱动电路的输出端与所述小功率MOS晶体管Sa的门极连接。所述二极管Da的阳极与绕组Ns的负端及整流管SR1的漏极连接，其阴极通过电阻Ra与所述续流管SR2的门极连接，小功率MOS晶体管Sa的漏极通过电阻Rb与续流管SR2的门极连接。
图4中，所述DC/DC变换器是谐振箝位正激变换器，绕组Np与电容Cc并联后与功率MOS管S的漏极相连，所述脉冲同步信号SYNC的输出端与所述隔离驱动电路的输入端连接，所述隔离驱动电路的输出端与所述小功率MOS晶体管Sa的门极连接。其中，绕组Np与电容Cc并联后与功率MOS管S的漏极相连。
图5中，所述DC/DC变换器是二极管箝位双正激变换器，绕组Np的正极端与功率MOS管S1的源极相连，绕组Np的负极端与功率MOS管S2的漏极相连，二极管D1的阳极与绕组Np的负极端连接，阴极与功率MOS管S1的漏极连接，二极管D2的阴极与绕组Np的正极端连接，阳极与功率MOS管S2的源极连接，所述脉冲同步信号SYNC的输出端与所述隔离驱动电路的输入端连接，所述隔离驱动电路的输出端与所述小功率MOS晶体管Sa的门极连接。其中，绕组Np的正极端与功率MOS管S1的源极相连，绕组Np的负极端与功率MOS管S2的漏极相连，二极管D1的阳极与绕组Np的负极端连接，阴极与功率MOS管S1的漏极连接，二极管D2的阴极与绕组Np的正极端连接，阳极与功率MOS管S2的源极连接。
图6中，所述DC/DC变换器是谐振箝位双正激变换器，绕组Np的正极端与功率MOS管S1的源极相连，绕组Np的负极端与功率MOS管S2的漏极相连，电容Cc与绕组Np并联，所述脉冲同步信号SYNC的输出端与所述隔离驱动电路的输入端连接，所述隔离驱动电路的输出端与所述小功率MOS晶体管Sa的门极连接。其中，绕组Np的正极端与功率MOS管S1的源极相连，绕组Np的负极端与功率MOS管S2的漏极相连，电容Cc与绕组Np并联。
根据变换器副边的不同，本发明也可适用于多种情形，下面给出两例图2中，所述DC/DC变换器的副边同步整流电路是直接自驱动电路，整流管SR1的门极与Ns的正极端及续流管SR2的漏极连接，整流管SR1的源极与续流管SR2的源极连接，所述二极管Da的阳极与绕组Ns的负端及整流管SR1的漏极连接，其阴极通过电阻Ra与所述续流管SR2的门极连接。
图7中，所述DC/DC变换器的副边同步整流电路是绕组驱动电路，整流管SR1的源极与绕组Ns的正极端及驱动绕组N1的负极端连接，整流管SR1的门极与驱动绕组N1的正极端连接，续流管SR2的源极与绕组Ns的负极端及驱动绕组N2的正极端连接，整流管SR1的漏极与续流管SR2的漏极连接，所述二极管Da的阳极与驱动绕组N2的负极端连接，其阴极通过电阻Ra与所述续流管SR2的门极连接。其中，整流管SR1的源极与绕组Ns的正极端及驱动绕组N1的负极端连接，整流管SR1的门极通过电阻R11与驱动绕组N1的正极端连接，续流管SR2的源极与绕组Ns的负极端及驱动绕组N2的正极端连接，整流管SR1的漏极与续流管SR2的漏极连接，所述二极管Da的阳极与驱动绕组N2的负极端连接，其阴极通过电阻Ra与所述续流管SR2的门极连接。
图8表示图7所示的采用本发明的同步整流驱动电路时变换器的典型工作波形图(其他情形略有不同，不再详述)，在t1时刻，功率MOS管S的PWM驱动信号GT由高变为低，变压器的副边绕组Ns极性改变，同步整流MOS晶体管SR1关断，SR2开始导通，到t2时刻SR2完全导通；在t3时刻，脉冲同步信号SYNC到来，同步整流MOS晶体管SR2开始关断，到t4时刻SR2完全关断，在t4时刻，功率MOS管S的PWM驱动信号GT由低变为高，同步整流MOS晶体管SR1导通；因此以上过程可满足
(1)整流时同步整流MOS晶体管SR1导通，SR2关断；续流时SR2导通，SR1关断；(2)同步整流MOS晶体管SR1与SR2不会同时处于导通状态；因此由于同步整流的作用，变换器的效率较高。
在变换器停止工作的t5时刻，功率MOS管S的PWM驱动信号GT为低，同步整流MOS晶体管SR1关断，SR2导通，到t6时刻，脉冲同步信号SYNC到来，同步整流MOS晶体管SR2开始关断，到t7时刻SR2完全关断，从变换器停止工作的t5时刻到SR2完全关断的t7时刻，时间间隔小于一个开关周期，输出端电容C上的电荷通过电感L、SR2泄放的时间很短，泄放电流很小，更不会在输出端形成负电压，因此以上过程能够满足第3条要求，即变换器停止工作的时候能及时关断同步整流MOS晶体管SR2，避免反向导通。
为了简化电路，所述脉冲同步信号SYNC一般可由集成PWM控制芯片输出，脉冲同步信号SYNC是一个窄脉冲，源于PWM控制器的定时振荡RAMP波，并且与功率MOS管S的PWM驱动信号GT有准确的时序关系(见图8中的SYNC信号与GT信号)。具体时序是SYNC的前沿超前于GT的前沿。具体到图8，就是SYNC信号的上升沿时刻t3必须超前于GT信号的上升沿时刻t4，以保证整流时在同步整流MOS晶体管SR1导通之前，SR2已可靠关断，但SYNC的周期和脉宽并不一定要严格如图8那样，比如它的周期是GT的整数倍，或它的脉宽与图8示意略有差异等，都不影响本发明的效果。调节t3～t4的时间间隔可以影响变换器的效率。t3～t4时间间隔过大时，SR2关断过早，变换器通过SR2的寄生二极管续流，通态损耗增加；t3～t4时间间隔过小时，SR2关断过晚，通过SR1、SR2形成环流，开通损耗增加。对于开关频率为250kHz的变换器，t3～t4的推荐值为80nS左右。
本发明专利公开的同步整流驱动电路已为实验所证实，所述电路被用在36～75V直流输入，3.3V/35A直流输出的DC/DC电源中，(采用谐振箝位正激电路)，功率级效率达90％以上，变换器停止工作的时候能避免反向导通，并且，变换器的输出端可以直接并联。
以上通过实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限定于此，凡在不违背本发明的精神和内容所作的改进或替换，应被视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种DC/DC变换器同步整流驱动电路，用于在副边采用同步整流MOS晶体管进行整流的DC/DC变换器中，对其同步整流MOS晶体管的整流管(SR1)和续流管(SR2)的门极的驱动；其特征是它包括PWM驱动信号(GT)产生电路和脉冲同步信号(SYNC)产生电路，所述PWM驱动信号(GT)用于触发整流管(SR1)的开通和关断，所述脉冲同步信号(SYNC)用于触发续流管(SR2)的关断，其前沿超前于PWM驱动信号(GT)的前沿。
2.如权利要求1所述的DC/DC变换器同步整流驱动电路，其特征是所述DC/DC变换器的副边同步整流电路是直接自驱动电路，整流管(SR1)的门极接于变换器副边绕组正端并与续流管(SR2)的漏极相连，漏极接于变换器副边绕组负端，源极与续流管(SR2)的源极相连；所述DC/DC变换器同步整流驱动电路还包括隔离驱动电路、整流二极管(Da)、第一二电阻(Ra、Rb)和第一小功率晶体管(Sa)，所述脉冲同步信号(SYNC)输入到所述隔离驱动电路的输入端，所述隔离驱动电路的输出端与所述第一小功率晶体管(Sa)的门极连接，所述整流二极管(Da)的阳极与DC/DC变换器的副边绕组的负端及整流管(SR1)的漏极连接，其阴极通过第一电阻(Ra)与所述续流管(SR2)的门极连接，第一小功率晶体管(Sa)的漏极通过第二电阻(Rb)与续流管(SR2)的门极连接，其源极与续流管(SR2)的源极连接。
3.如权利要求1所述的DC/DC变换器同步整流驱动电路，其特征是所述DC/DC变换器的副边同步整流电路是绕组驱动电路，整流管(SR1)的源极与副边绕组(Ns)的正极端及第一驱动绕组(N1)的负极端连接，门极与第一驱动绕组(N1)的正极端连接，续流管(SR2)的源极与副边绕组(Ns)的负极端及第二驱动绕组(N2)的正极端连接，整流管(SR1)的漏极与续流管(SR2)的漏极连接，整流二极管(Da)的阳极与第二驱动绕组(N2)的负极端连接，阴极通过第一电阻(Ra)与所述续流管(SR2)的门极连接。
4.如权利要求2所述的DC/DC变换器同步整流驱动电路，其特征是所述隔离驱动电路包括第二小功率晶体管(Sb)、第一脉冲变压器(Tb)、第三至五电阻(R1、R2、R3)，所述第二小功率晶体管(Sb)的门极通过第三电阻(R1)与所述脉冲同步信号(SYNC)连接，第四电阻(R2)并联在第二小功率晶体管(Sb)的门极和源极之间，第一脉冲变压器(Tb)的原边绕组的负极端与第二小功率晶体管(Sb)的漏极连接，原边绕组的正极端与辅助电源VCC连接，第五电阻(R3)与第一脉冲变压器(Tb)的副边绕组并联，副边绕组的正极端与所述小功率晶体管(Sa)的门极连接，负极端与所述小功率晶体管(Sa)的源极连接。
5.如权利要求3所述的DC/DC变换器同步整流驱动电路，其特征是所述隔离驱动电路包括第二小功率晶体管(Sb)、第一脉冲变压器(Tb)、第三至五电阻(R1、R2、R3)，所述第二小功率晶体管(Sb)的门极通过第三电阻(R1)与所述脉冲同步信号(SYNC)连接，第四电阻(R2)并联在第二小功率晶体管(Sb)的门极和源极之间，第一脉冲变压器(Tb)的原边绕组的负极端与第二小功率晶体管(Sb)的漏极连接，原边绕组的正极端与辅助电源VCC连接，第五电阻(R3)与第一脉冲变压器(Tb)的副边绕组并联，副边绕组的正极端与所述小功率晶体管(Sa)的门极连接，负极端与所述小功率晶体管(Sa)的源极连接。
6.如权利要求2所述的DC/DC变换器同步整流驱动电路，其特征是所述隔离驱动电路包括第二脉冲变压器(Td)、第六电阻(Rd)、电容(Cd)，所述电容(Cd)的一端与所述脉冲同步信号(SYNC)连接，另一端与第二脉冲变压器(Td)的原边绕组的正极端连接，原边绕组的负极端与原边共地，第六电阻(Rd)与第二脉冲变压器(Td)副边绕组并联，该副边绕组的正极端与所述第一小功率晶体管(Sa)的门极连接，负极端与所述第一小功率晶体管(Sa)的源极连接。
7.如权利要求3所述的DC/DC变换器同步整流驱动电路，其特征是所述隔离驱动电路包括第二脉冲变压器(Td)、第六电阻(Rd)、电容(Cd)，所述电容(Cd)的一端与所述脉冲同步信号(SYNC)连接，另一端与第二脉冲变压器(Td)的原边绕组的正极端连接，原边绕组的负极端与原边共地，第六电阻(Rd)与第二脉冲变压器(Td)副边绕组并联，该副边绕组的正极端与所述第一小功率晶体管(Sa)的门极连接，负极端与所述第一小功率晶体管(Sa)的源极连接。
8.如权利要求2至7所述的DC/DC变换器同步整流驱动电路，其特征是所述DC/DC变换器是三绕组去磁正激变换器，它包括三个绕组(Nc、Np、Ns)，中间绕组(Np)的负极端与功率管(S)的漏极相连；功率管(S)的门极与PWM驱动信号(GT)相连，源极接地。
9.如权利要求2至7所述的DC/DC变换器同步整流驱动电路，其特征是所述DC/DC变换器是谐振箝位正激变换器，变换器原边绕组(Np)与其并联电容(Cc)并联后与功率管(S)的漏极相连；功率管(S)的门极与PWM驱动信号(GT)相连，源极接地。
10.如权利要求2至7所述的DC/DC变换器同步整流驱动电路，其特征是所述DC/DC变换器是二极管箝位双正激变换器，原边绕组(Np)的正极端与第一功率管(S1)的源极相连，负极端与第二功率管(S2)的漏极相连，第一二极管(D1)的阳极与原边绕组(Np)的负极端连接，阴极与第一功率管(S1)的漏极连接，第二二极管(D2)的阴极与原边绕组(Np)的正极端连接，阳极与第二功率管(S2)的源极连接后接地；PWM驱动信号(GT)分成两路分别与第一、二功率管(S1、S2)的门极相连。
11.如权利要求2至7所述的DC/DC变换器同步整流驱动电路，其特征是所述DC/DC变换器是谐振箝位双正激变换器，原边绕组(Np)的正极端与第一功率管(S1)的源极相连，负极端与第二功率管(S2)的漏极相连，并联电容(Cc)与原边绕组(Np)并联；PWM驱动信号(GT)分成两路分别与第一、二功率管(S1、S2)的门极相连，第一功率管(S1)的漏极与电源(VIN)相连，第二功率管(S2)的源极接地。
12.一种DC/DC变换器同步整流驱动方法，用于在副边采用同步整流MOS晶体管进行整流的DC/DC变换器中，对其同步整流MOS晶体管的整流管(SR1)和续流管(SR2)的门极的驱动，其特征是变换器正常工作时，在每一个开关周期内，在PWM驱动信号(GT)之前，首先发出一个脉冲同步信号(SYNC)；所述PWM驱动信号(GT)用于触发整流管(SR1)的开通和关断，所述脉冲同步信号(SYNC)用于触发续流管(SR2)的关断，所述脉冲同步信号(SYNC)的前沿超前于PWM驱动信号(GT)的前沿；变换器停止工作后，所述脉冲同步信号(SYNC)仍然会继续发出至少一个脉冲，且继续发出的脉冲至少有一个是在小于一个开关周期的时间内发出的，以便将同步整流MOS晶体管的续流管(SR2)关断。
全文摘要
本发明公开一种DC/DC变换器同步整流驱动电路及驱动方法,用于在副边采用同步整流MOS晶体管进行整流的DC/DC变换器中,对其同步整流MOS晶体管的整流管和续流管的门极的驱动。在PWM驱动信号之外,还增设一个脉冲同步信号,它前沿超前于PWM驱动信号的前沿。它能够在变换器停止工作的时候及时关断续流管,避免反向导通。该电路及方法几乎不增加电路成本,简单、高效。
文档编号H02M3/24GK1379534SQ0211472
公开日2002年11月13日 申请日期2002年1月1日 优先权日2002年1月1日
发明者唐志 申请人:艾默生网络能源有限公司