一种整流管控制电路及其轻载控制方法

专利名称：一种整流管控制电路及其轻载控制方法
技术领域：
本发明涉及隔离式电压变换器，具体涉及电压变换器在轻载时停止同步整流的控制。
背景技术：
反激式DC-DC变换器的副边整流方案目前有两种类型， 一种是非同步整流(如图1A所示)，另一种是同步整流(如图1B所示)。非同步整流通过二极管导通，同步整流使用门极驱动信号控制同步整流管的开通和关断，同步整流管一般使用MOSFET管。图1C曲线示出了二极管和同步整流管的电阻特性。在实际应用中，低功率反激式DC-DC变换器工作区间处于阴影范围内。在该区间，同步整流管电阻特性曲线11位于二极管电阻特性曲线12下方，即同步整流管的开通电阻低于二极管的导通电阻。因此，使用同步整流管功耗较小，从而具有更高的转换效率。低功耗产生的热量比较少，因此使用同步整流管其温度特性也更优越。
随着电子技术的发展，副边同步整流方案由于其较高的转换效率而应用于笔记本电源适配器、无线通信设备、液晶屏电源管理、以太网电源等对转换效率要求较高的场合。
但是，在轻载状态下，同步整流相对二极管节约的能量很少，甚至低于驱动电路消耗的功率，在这种情况下，为了提高效率，需要停止同步整流，利用同步整流管的体二极管进行非同步整流。
在反激式电压变换器中，现有的轻载调制方式可结合图1B和图2的波形图进行说明。副边同步整流管在时刻tl，源漏电流IsD经体二极管正向流通，Vos呈反向电压，接着IsD缓慢下降。负载越大，Vos过零越晚；负载越小，VDS过零越早。因此，典型的轻载判断方式为在固定的导通延时后，将Vos与零值
电压比较，若Vds〈0V，表示重载，若VdsX)V，则表示轻载。传统的轻载调制在轻载状态下停止同步整流，在重载状态下启动同步整流。为避免当负载处于临界状态时频繁地在同步整流和非同步整流间切换而降低负载效率，传统轻载调制方法将同步状态和非同步状态下的导通固定延时采用滞环，即同步状态时的固定延时比非同步状态时的固定延时短。如同步状态下，导通1.8ps后检测负载状态，而停止同步整流后，导通2ps后再检测负载状态，这样重新启动同步整流需要较高的负载，从而避免临界状态下的不稳定调制。但该方式只要检测到一次负载的变化即改变整流方式，稳定性仍不高。

发明内容
本发明的目的在于提供一种整流管控制电路，以避免现有技术仅根据滞环控制造成临界状态下的不稳定情况，提高整流效率。
本发明的另一个目的是提供一种整流管的轻载控制方法，提高整流效率，避免临界状态下的频繁跳变造成的不稳定。
本发明的整流管控制电路，包括门极驱动电路，控制所述整流管的同步导通和关断，其特征在于进一步包括轻载调制电路，接收所述整流管的漏源电压判断轻载或重载，在同步整流的状态下当轻载连续持续预定时间后输出第一状态的轻载因子至所述门极驱动电路用于停止同步整流；其中在停止同步整流的状态下，若出现连续若干周期重载，所述轻载调制电路输出第二状态的轻载因子至所述门极驱动电路用于返回同步整流。其中所述轻载调制电路包括 延时电路，产生整流管导通后的延时信号；
漏源电压比较器，比较所述整流管漏源电压与参考电压用于判断轻载或
重载；
同步开启/停止电路，接收所述延时信号和所述漏源电压比较器的输出信 号，输出轻载因子控制所述整流管工作于同步整流或非同步整流。 其中所述门极驱动电路包括 开通比较器，接收漏极电压和开通参考电压，输出开通信号； 关断比较器，接收漏极电压和关断参考电压，输出关断信号； 门极驱动逻辑电路，接收所述开通比较器和关断比较器输出的信号及所 述轻载因子，输出驱动信号；
驱动器，接收所述驱动信号，输出门极驱动电压。 其中门极驱动逻辑电路接收开通信号和关断信号，按如下原则产生同步整 流驱动信号
在接收到开通信号时，同步整流驱动信号为高电平； 在接收到关断信号时，同步整流驱动信号为低电平；
门极驱动逻辑电路进一步包括与门，将上述同步整流驱动信号和所述轻载 因子进行与操作。
其中所述同步开启/停止电路包括
轻载逻辑电路，接收所述所述延时信号和所述漏源电压比较器输出信号， 输出负载指示信号；
充电电路，包括充电电容，在所述负载指示信号为高电平时充电电容的电压被充电至固定值，在所述负载指示信号为低电平时充电电容放电； 比较器，比较所述充电电容电压与轻载参考值；
计数器，接收所述负载指示信号，并每接收一个高电平脉冲计数值加1， 在计数器自身溢出时或由所述比较器清零；
单稳态触发器，接收计数器输出信号，在所述计数器溢出时被置为高电平， 或由所述比较器输出信号置为低电平，作为所述轻载因子输出。
其中所述轻载调制电路还可以进一步包括第二漏源电压比较器，比较所述 整流管漏源电压与第二参考电压，输出信号至所述轻载逻辑电路；所述轻载逻 辑电路根据漏源电压比较器和第二漏源电压比较器的输出信号，在同步整流时 根据所述漏源电压比较器的输出信号判断轻载或重载，在非同步整流时根据所 述第二漏源电压比较器的输出信号判断轻裁或重载。
该轻载调制方法如下检测所述整流管的漏源电压判断轻载或重载，其中 判断方式为在所述整流管导通或经体二极管导通后的固定延时后，比较漏源电 压与一参考电压，若所述漏源电压小于所述参考电压，判断为重载，反之为轻 载。在同步整流的状态下，若出现连续周期的轻载后或连续周期的轻载持续一 预定时间后停止同步整流。在停止同步整流的状态下，若连续若干周期出现重 载，则返回同步整流。其中在同步整流状态下，比较所述漏源电压与第一参考 电压，在非同步整流状态下，比较所述漏源电压与第二参考电压。其中第一参 考电压大于第二参考电压，如所述第一参考电压为0mV左右，所述第二参考 电压为-300mV左右。
本发明的整流管控制电路和/或轻载控制方法，可以实现稳定的控制，很好 地避免了临界状态下同步整流和非同步整流的的频繁跳变，同时具有更高的整流效率。


图1A、 1B所示分别为现有的非同步整流和同步整流示意图；图1C所示 为同步和非同步整流的电阻特性；
图2为轻载重载判断方式示意图3所示为本发明的一个轻载调制实施例状态流程图； 图4所示为本发明的一个控制电路实施例示意图5A所示为本发明的对应图5中实施例的同步开启/停止电路实施例示意 图，图5B所示为其中的轻载逻辑电路工作时序图6A所示为本发明的采用滞环控制的控制电路实施例示意图6B所示为其中的同步开启/停止电路实施例示意图。
具体实施例方式
图3示出了本发明的轻载调制实施例状态流程图。该轻载调制方式为在同 步整流状态下，当且仅当连续若干周期处于轻载并持续一定时间时停止同步整 流，进入非同步整流。在非同步状态下，当且仅当连续若干周期处于重载时启 动同步整流。具体控制过程见状态流程图3。从S0到S4—C各节点的含义分别 为
S0:启动控制电路，设置轻载因子K-1 (表示重载)；
Sl:整流器件关断； S2一A:整流器件同步导通； S2一B:整流器件非同步导通； S3_A， S3一B:测V。s;S4—A:设置K4; S4_B:保持K不变； S4—C:设置K^0。
该状态流程图一个单循环代表一个周期，在一个周期中，整流器件导通和 关断各一次，导通方式为同步导通或非同步导通。
其中，在SO节点，控制电路刚启动时，设置K4，使得下一个周期整流 器件同步导通。在S1节点，整流器件关断。当整流器件达到导通条件，如Vds <-70mv，在S2—A节点整流器件以同步方式或在S2—B节点以非同步方式导通。 若以非同步方式导通，在导通的固定延时T后，在S3—B节点检测VDS，此时 若Vds〈Vref，表征重载。若连续若干个周期，如连续16个周期判断为重载， 在S4一A节点设置K4，这样，下个周期在S2一A节点将启动同步整流。若以 同步方式导通，在导通的固定延时T后，在S3—A节点检测VDS，若VDS > Vref， 表征轻载。若连续出现轻载且持续一固定时间，如lOOps，在S4一C节点设置 K=0，这样，下个周期停止同步整流，在S2—B节点进入非同步整流。其它状 况下，保持K不变。在一个实施例中vre产0mV。 Vref也可以取其它的信。在 一种实施方式中，同步整流状态下和非同步整流状态下用于判断轻重载的参考 电压vref采用滞环，如在同步状态下，Vref取OV，当VdsX)V吋，判断为轻 载。在非同步状态下，VREF取-300mV，当VDS《300mV时，判断为重载，使 得临界状态下的控制更为稳定。
图4为对应图3轻载调制实施方式的一个控制电路100示意图实施例。该 控制电路100外部包含VD端、VS端、VG端、VDD端和PGND端，分别连 接整流管的漏极、整流管的源极、整流管的门极、控制电路电源和控制电路电源地端。控制电路除了包括由开通比较器U1、关断比较器U2、门极驱动逻辑 电路和驱动器等组成的用于常规同步驱动的门极驱动电路41外，还包括轻载 调制电路42，用于在低负载时采用非同步整流，在负载高时启动同步整流，用 于提高效率。该轻载调制电路42包括漏源电压比较器U3，延时电路和同步开 启/停止电路。其中U3比较VDs与参考电压VREF，在图示的实施例中，U3同 相端经参考电压VREF连接VS端，反相端连接VD端，输出信号B至同步开启 /停止电路。在一个实施例中，Vref取0V。延时电路接收来自门极驱动逻辑电
路的导通信号，产生导通延时信号(V肌ank)并输入同步开启/停止电路，延时 信号VBLANK在整流器件导通瞬间由门极驱动逻辑电路置高，高电平持续时间
为T，对应相应的固定延时T。同步开启/停止电路将开启还是停止同步整流的 轻载因子K输入门极驱动逻辑电路，输出相应的门极驱动电压至VG端。关断 比较器U2接收漏极电压VD和关断参考信号(如图中-30mV)，输出关断信号。 门极驱动逻辑电路接收开通信号和关断信号，产生中间信号——同步整流驱动 信号，同步整流驱动信号在接收到开通信号时被置为高电平，在接收到关断信 号时被置为电平低。门极驱动逻辑电路可包含一与门，将同步整流驱动信号和 轻载因子K进行与运算。这样，当K-O时，下一个周期的门极驱动电压为低 电平，使整流管工作于非同步整流；当K=l时，下一个周期的门极驱动电压 使整流管工作于同步整流。
图5A、 5B所示分别为同步开启/停止电路的电路示意图和轻载逻辑电路工 作时序图的实施例。如图5A所示，同步开启/停止电路包括轻载逻辑电路，由 R。 R2、 d组成的充电电路，控制开关S1，比较器U4、计数器和单稳态触发 器U5。其中轻载逻辑电路接收来自门极驱动电压比较器的信号B和来自延时电路的延时信号Vblank，输出负载指示信号VLLM。
轻载逻辑电路逻辑见图5B所示。VLLM信号由漏源电压Vds摘定。延时信 号VBLAMC的高电平持续时间为T， VblanK下降沿到来吋，若Vds〈Vref， B为 高电平，即输出高负载信号时，V!XM输出一固定宽度的高电平脉冲，见上图
51所示；若Vds〉Vref，则B为低电平，即输出低负载信号时，Vllm保持低
电平，见下图52所示。由此Vu^的逻辑为^^二BxxfV^ d勿，其中 VBLANK_Delay比VblANK 脉冲延迟固定时间。继续图5A的说明。在VuM高电平
脉冲出现的时候开关S1将C1充电到+5V，计数器加l。在VLLM为低电平时，
Sl断开，d通过Rp R2放电，其中R^〉R2， R,XC产AT，这样，若V^m持 续AT为低电平，d被放电到轻载参考值(如图中所示2.5V)，比较器U4输出 低电平的信号并将单稳态触发器U5置低(K=0)。在K的下降沿，计数器清零。 当VLLM持续出现n个高电平脉冲，如16个，计数器溢出并清零，同时将单稳 态触发器U5置高。
在采用滞环的实施例中，如图6A所示，轻载调制电路62可进一步包括一 第二漏源电压比较器U32，其同相端经另一参考电压VREF'连接VS端，反相端 连接VD端，输出信号B'至同步开启/停止电路中的轻载逻辑电路，如图6B所 示。此时，轻载逻辑电路接收来自漏源电压比较器U3的B信号，第二漏源电
压比较器U32的B'信号和延时信号VBLANK，输出负载指示信号VLLM。在这个
实施例中，Vref、Vref，如取VRE产0mV， VREF，=-300mV。在这个实施例中， 轻载逻辑电路输出信号^W-Ax^xF，c，其中A-"5 + L万'。这样，
同步整流时将Vds与VREF比较用于判断轻重载，而非同步整流时，将Vds与 VREF'比较用于判断轻重载。本发明的轻载调制方法及装置可适用于直流-直流反激式电压变换器，交流: -直流反激式电压变换器，还可以应用在其它拓扑的整流管驱动中。
权利要求
1.一种整流管控制电路，包括门极驱动电路，控制所述整流管的同步导通和关断，其特征在于进一步包括轻载调制电路，接收所述整流管的漏源电压判断轻载或重载，在同步整流的状态下当轻载连续持续预定时间后输出第一状态的轻载因子至所述门极驱动电路用于停止同步整流。
2. 如权利要求1所述的整流管控制电路，其中在停止同步整流的状态下， 若出现连续若干周期重载，所述轻载调制电路输出第二状态的轻载因子至所述 门极驱动电路用于返回同步整流。
3. 如权利要求2所述的整流管控制电路，其中所述若干个周期为16个 周期。
4. 如权利要求2所述的整流管控制电路，其中所述轻载调制电路包括 延时电路，产生整流管导通后的延时信号；漏源电压比较器，比较所述整流管漏源电压与参考电压用于判断轻载或重载；同步幵启/停止电路，接收所述延时信号和所述漏源电压比较器的输出信 号，输出轻载因子控制所述整流管工作于同步整流或非同步整流。
5. 如权利要求4所述的整流管控制电路，其中所述参考电压为0mV。
6. 如权利要求1 4之一所述的整流管控制电路，其中所述整流管为 MOSFET管。
7. 如权利要求4所述的整流管控制电路，其中所述门极驱动电路包括 开通比较器，接收漏极电压和开通参考电压，输出开通信号； 关断比较器，接收漏极电压和关断参考电压，输出关断信号； 门极驱动逻辑电路，接收所述开通比较器和关断比较器输出的信号及所述轻载因子，输出驱动信号；驱动器，接收所述驱动信号，输出门极驱动电压。
8. 如权利要求7所述的整流管控制电路，其中门极驱动逻辑电路接收开 通信号和关断信号，按如下原则产生同步整流驱动信号在接收到开通信号时，同步整流驱动信号为高电平； 在接收到关断信号时，同步整流驱动信号为低电平；门极驱动逻辑电路进一步包括与门，将上述同步整流驱动信号和所述轻载 因子进行与操作。
9. 如权利要求4所述的整流管控制电路，其中所述同步开启/停止电路包括轻载逻辑电路，接收所述所述延时信号和所述漏源电压比较器输出^f言号， 输出负载指示信号；充电电路，包括充电电容，在所述负载指示信号为高电平时充电电容的电 压被充电至固定值，在所述负载指示信号为低电平时充电电容放电；比较器，比较所述充电电容电压与轻载参考值；计数器，接收所述负载指示信号，并每接收一个高电平脉冲计数值加1， 在计数器自身溢出时或由所述比较器清零；单稳态触发器，接收计数器输出信号，在所述计数器溢出时被置为高电平， 或由所述比较器输出信号置为低电平，作为所述轻载因子输出。
10. 如权利要求9所述的整流管控制电路，其中当所述控制电路上电启动 时，所述轻载因子为表征同步整流状态的高电平。
11. 如权利要求9所述的整流管控制电路，其中所述负载指示信号在ff述漏源电压比较器输出重载信号的周期时为高电平脉冲，在所述漏源电压比较器 输出轻载信号的周期时保持低电平。
12. 如权利要求9所述的整流管控制电路，其中所述轻载调制电路进一步 包括第二漏源电压比较器，比较所述整流管漏源电压与第二参考电压，输出信 号至所述轻载逻辑电路；所述轻载逻辑电路根据漏源电压比较器和第二漏源电 压比较器的输出信号，在同步整流时根据所述漏源电压比较器的输出信号判断 轻载或重载，在非同步整流时根据所述第二漏源电压比较器的输出信号判断轻 裁或重载。
13. 如权利要求12所述的整流管控制电路，其中所述第二参考电压小于 所述参考电压。
14. 如权利要求13所述的整流管控制电路，其中所述第二参考电压为 -300mV，所述参考电压为OmV。
15. —种整流管轻载控制方法，在同步整流状态下，检测所述整流管的漏 源电压判断轻载或重载，若出现连续周期轻载后停止同步整流。
16. 如权利要求15所述的整流管轻载控制方法，其中连续周期轻载持续 预定时间后停止同步整流。
17. 如权利要求16所述的整流管轻载控制方法，其中所述预定时间为100微秒。
18. 如权利要求16所述的整流管轻载控制方法，在停止同步整流的状态 下，若连续若干周期出现重载，则返回同步整流。
19. 如权利要求18所述的整流管轻载控制方法，其中若干个周期为16个周期。
20. 如权利要求15 19之一所述的整流管轻载控制方法，其中当所述整 流管导通或经体二极管导通后的固定延时后，比较所述漏源电压与参考电压， 若所述漏源电压小于所述参考电压，判断为重载，反之为轻载。
21. 如权利要求20所述的整流管轻载控制方法，其中在同步整流状态下， 比较所述漏源电压与第一参考电压，在非同步整流状态下，比较所述漏源电压 与第二参考电压。
22. 如权利要求21所述的整流管轻载控制方法，其中所述第一参考电压 为OmV,所述第二参考电压为-300mV。
全文摘要
本发明公开了一种轻载调制方法及其装置，该轻载调制方法通过在导通后固定时间后检测漏源电压(V_DS)来判断轻载或重载。在同步整流的状态下，若连续若干个周期并持续一固定时间内都为轻载，则停止同步整流，进入非同步整流。在非同步整流的状态下，若连续若干个周期检测为重载，则启动同步整流。
文档编号H02M3/00GK101662207SQ20091005978
公开日2010年3月3日 申请日期2009年6月26日 优先权日2009年6月26日
发明者任远程, 张军明, 毛昭祺, 磊 缪 申请人:成都芯源系统有限公司