基于时域乘法器的同步整流控制系统及方法
【专利摘要】本发明揭示了一种基于时域乘法器的同步整流控制系统及方法，所述控制系统包括：消磁检状态检测模块、原边功率开关开启时间检测模块、时域乘法器模块、死区控制模块、PWM逻辑控制模块、RS锁存器、驱动模块、时间比较器模块和环路积分控制模块。本发明提出的基于时域乘法器的同步整流控制系统及方法，既可以保证同步整流控制的安全性，又可以实现理论上最大的同步整流MOS管的开通时间，从而将同步整流技术的效率最大化，相对目前使用的控制技术优势非常明显并具有很强的实用性。
【专利说明】基于时域乘法器的同步整流控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于集成电路设计【技术领域】，涉及一种同步整流控制系统，尤其涉及一种基于时域乘法器的同步整流控制系统；同时，本发明还涉及一种基于时域乘法器的同步整流控制方法。
【背景技术】
[0002]随着我国经济的飞速发展，人们生产生活对电力的需求不管提高，而国内外的能源供应并没有相应等比例提升，因而造成能源短缺日益严重。电能作为能源的重要组成部分，相应对电能使用效率的要求也越来越严格。目前电力供电主要通过高压交流方式，一般在IlOV?220V范围，而普通家用电器通常使用直流电源，这样就需要将AC高压电源通过适配器转换成低压直流电源，由于低压直流负载众多对电力供应的占比较大，每个国家均出台相关法规对适配器的转换效率作严格要求。美国出台的六级能效标准(EPS6)和欧洲出台的电源能效行为准则C0CV5，均对适配器的转换效率提出严格要求，很多适配器由于达不到相应的能源标准只能淘汰。
[0003]同步整流技术是将整流二极管的压降通过低Rdson来降低，普通功率管的压降在
0.7V?IV，即使是低降压的肖特基二极管在大电流通过时压降也会超过0.5V ;同步整流技术采用低Rdson的MOS来代替整流二极管，将压降控制IOOmV甚至更小，显著地将整流二极管的损耗降低到20%以内。低电压大电流应用中整流二极管的压降对能量传输的损耗更为严重，因此，同步整流技术越来越多的应用到低电压直流电源适配器中，相应的效率提升亦最为明显。
[0004]目前，在Drac(直流转直流)开关电源应用领域，同步整流控制模块通常和开关控制模块是一个控制器，这样的好处在于同步整流不存在误开启和误关断问题，效率和安全可以兼顾。而在ACDC(交流转直流)开关电源应用领域，为了使用安全考虑通常使用变压器将原边和次边隔离，这样即成生产同步整流控制和原边主功率开关控制通信的问题，同步整流芯片需要在变压器或者电感消磁的时候尽快开启，而在消磁结束时立即关闭，同步整流功率MOS管提前开启或者滞后关闭会引起电流灌通而导致电源损坏；而滞后开启或提前关断又会将同步整流转化成体二极管或者外部二极管整流，进而降低能量传输效率。所以，在保证同步整流功率MOS管处于安全开关状态下，尽可能地增加变压器或电感在消磁时同步整流功率MOS管开通时间成为同步整流的核心技术。
[0005]同步整流技术的开启均通过同步整流功率MOS管漏端的消磁检测来实现，当同步整流控制系统检测到同步整流功率MOS管处于消磁状态即开启输出。而控制如何确定同步整流功率MOS管关闭成为同步整流控制的关键核心技术。
[0006]目前，同步整流的关闭通常采用如下几种方式来控制:
[0007]一、检测同步整流功率MOS管的源漏端压降(Vsd)来实现。即当变压器或电感电流消磁快结束时，通过同步整流功率MOS管的电流会逐渐下降，相应产生的压降也会下降，当该电压下降到一定值时即判定消磁接近完成而关闭同步整流输出。[0008]这种方法有明显的缺陷，通常情况下会将同步整流功率MOS的导通压降Vsd控制在-80mV?-1OOmV,而同步整流功率MOS管的关闭阈值常设计在_20mV?-30mV，由于内部比较器具有一定的失调而无法将该阈值设计在OmV，为了防止同步整流功率MOS管滞后关闭造成损坏而留有较大空间，这样的结果是同步整流控制的安全性得到了保证，但是消磁状态有很大一部分是通过MOS管的体二极管或者外部二极管来实现，这样即导致效率低下，在很大程度上失去了同步整流的优势。
[0009]二、通过伏秒平衡来实现。该想法基于电感电流的伏秒平衡原理，即在稳定状态下电感增加的电流和减少的电流必然相等。
[0010](Vin/L)*Tonp = (Vout/L)*Tdem
[0011]上式中，Vin为原边功率开关开启时加到电感L的电压；Tonp为原边功率开关的开启时间；Vout为电感消磁电压；Tdem即通过伏秒平衡原理计算得到的同步整流功率MOS管的开通时间。
[0012]该方法理论上可以让同步整流功率MOS管在消磁时完全处于开启状态，但是，实际应用中由于元器件参数离散性、温度变化、效率损失等原因造成消磁时间小于计算值，为了安全考虑必须要加入一个固定的死区防止同步整流功率MOS管滞后开启而造成损坏，由于潜在的变化量较多，死区通常设计的非常大，这样不可避免的降低了同步整流的效率。
[0013]三、通过锁相环(PhaseLocked Loop, PLL)控制。
[0014]该技术的核心是在消磁结束时检测同步整流GATE驱动信号的下降沿与同步整流功率MOS管漏端的波形振铃之间的时间差，该时间差经过PLL不断矫正最终达到稳定状态，在稳定状态时同步整流功率MOS管开启时间达到该技术可以实现的最大值。
[0015]这种控制方法必须要考虑两点可能造成损坏的因素，一是开关电源的噪声非常大，会使得每个周期消磁的时间有一定的波动性；二是频率抖动，为了改善EMI开关电源芯片常会添加频率抖动功能，频率抖动会造成消磁结束点随机变化，而为了防止同步整流功率MOS管滞后关闭必须添加足够大的死区，该死区即导致同步整流功率MOS管的开启时间受到限制，随即限制了该控制方法的效率。
[0016]有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的同步整流控制系统，以便克服现有方式的上述缺陷。
【发明内容】
[0017]本发明所要解决的技术问题是:提供一种基于时域乘法器的同步整流控制系统，既可以保证同步整流控制的安全性，又可以实现理论上最大的同步整流MOS管的开通时间，从而将同步整流技术的效率最大化，相对目前使用的控制技术优势非常明显并具有很强的实用性。
[0018]为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:
[0019]一种基于时域乘法器的同步整流控制系统，所述控制系统包括:同步整流功率MOS管Q0、与同步整流功率MOS管并联的二极管D0、储能变压器T0、连接同步整流功率MOS管漏端的第一消磁检测分压电阻RO和第二消磁检测分压电阻R1、外部环路积分电容Ccomp,以及基于时域乘法器的同步整流控制模块UO ；
[0020]所述同步整流控制模块UO包括消磁检状态检测模块、原边功率开关开启时间检测模块、时域乘法器模块、死区控制模块、PWM逻辑控制模块、RS锁存器、驱动模块、时间比较器模块和环路积分控制模块；
[0021]消磁状态检测模块，用以通过DEM引脚来检测变压器或电感的消磁起始点和消磁持续时间Tdem,记录上一周期的消磁持续时间为TdemO ；
[0022]原边功率开关开启时间检测模块，用以通过DEM引脚来检测和判定原边功率开关的开启和关闭的时间点，并记录上一周期原边功率开关的开启时间为TonsO ；
[0023]死区控制模块，用以控制同步整流功率MOS管关闭到消磁结束之间留有一定的死区，用来防止滞后关断而引起损坏，Tdead = Tdem-Tgate ;其中Tdem为变压器或电感的消磁时间；Tdead为死区时间；Tgate即经过死区处理的消磁理论时间；
[0024]PWM控制逻辑控制模块，用以通过处理内部信号在消磁起始点时发出开启的信号;
[0025]RS触发器，用以触发锁存GATE的控制状态；
[0026]时域乘法器，用以通过将原边开启时间Tonp与COMP电压值相乘求积，计算得到的乘积即同步整流开通时间；Tons = Tonp*Vcomp ;其中，Tonp为原边功率开关的开通时间；Vcomp是COMP积分电容的电压；Tons即控制系统计算得到的同步整流开通时间；
[0027]驱动模块，用以将内部PWM信号的驱动能力增强，以达到可以驱动外部同步整流MOS的能力；
[0028]时间比较器模块，用以通过判断Tons和经过死区模块处理的Tgate信号的时间长短，对环路积分控制模块发出控制信号，当Tons较Tdem信号时间短，即对外部环路积分电容Ccomp ( S卩COMP电容)进行充电操作；相反，当Tons较Tdem信号时间长，即对COMP电容进行放电操作；
[0029]上述所有模块通过判断消磁理论时间Tgate和同步整流功率MOS管开通时间Tons,由时间比较器来控制环路积分控制模块对COMP进行积分处理，环路经过不断运行最终Tons和Tgate相等时环路稳定，由于同步整流功率MOS管开启时间Tons为COMP电压Vcomp和原边功率开关的开启时间积，即保证同步整流功率MOS管的开启时间不受开关噪声和频率抖动影响，同步整流功率MOS管的开启时间必然和原边功率开关的开启时间成正比；
[0030]原边功率开关Ql开启时输入电压Vin对变压器充电储能，同步整流功率MOS管漏端由于变压器感应停止谐振并达到最高电压；原边功率开关Ql关断后变压器反激，通过同步整流功率MOS管QO的体二极管或者外部二极管DO续流对输出进行消磁放电，此时续流作用将同步整流功率MOS管漏端电压钳位在-0.5V?-1V ;消磁完成后，变压器原边主感和原边功率开关Ql的寄生电容产生谐振，此谐振通过变压器引起同步整流功率MOS管漏端谐振；
[0031]同步整流控制模块UO根据DEM引脚波形经过内部处理，分别得到表示原边功率开关开启状态的Tons和消磁状态Tdem，其中DEM引脚是同步整流功率MOS管漏端通过分压电阻RO和Rl分压得到；
[0032]同步整流控制模块通过时间比较器模块和环路积分控制模块，不断比较同步整流功率MOS管开启信号Tons和消磁状态信号Tgate的下降沿，通过负反馈环路对COMP电容积分，最终使得Tons和Tgate完全同步，控制模块再通过死区控制模块保证同步整流功率MOS管开启的时间和次边消磁电流留有一定的死区Tdead，确保同步整流功率MOS管不会形成电流灌通而造成损坏。
[0033]一种基于时域乘法器的同步整流控制系统，所述控制系统包括:消磁检状态检测模块、原边功率开关开启时间检测模块、时域乘法器模块、死区控制模块、PWM逻辑控制模块、RS锁存器、驱动模块、时间比较器模块和环路积分控制模块；
[0034]消磁状态检测模块，用以检测变压器或电感的消磁起始点和消磁持续时间Tdem，记录上一周期的消磁持续时间为TdemO ；
[0035]原边功率开关开启时间检测模块，用以检测和判定原边功率开关的开启和关闭的时间点，并记录上一周期原边功率开关的开启时间为TonsO ；
[0036]死区控制模块，用以控制同步整流功率MOS管关闭到消磁结束之间留有设定的死区；
[0037]PWM控制逻辑控制模块，用以通过处理内部信号在消磁起始点时发出开启的信号;
[0038]RS触发器，用以触发锁存GATE的控制状态；
[0039]时域乘法器，用以通过将原边开启时间Tonp与COMP电压值相乘求积，计算得到的乘积即同步整流开通时间；Tons = Tonp*Vcomp ;其中，Tonp为原边功率开关的开通时间；Vcomp是COMP积分电容的电压；Tons即控制系统计算得到的同步整流开通时间；
[0040]驱动模块，用以将内部PWM信号的驱动能力增强，以达到可以驱动外部同步整流MOS的能力；
[0041]时间比较器模块，用以通过判断Tons和经过死区模块处理的Tgate信号的时间长短，对环路积分控制模块发出控制信号，当Tons较Tdem信号时间短，即对COMP电容进行充电操作；相反，当Tons较Tdem信号时间长，即对COMP电容进行放电操作。
[0042]作为本发明的一种优选方案，上述所有模块通过判断消磁理论时间Tgate和同步整流功率MOS管开通时间Tons，由时间比较器来控制环路积分控制模块对COMP进行积分处理，环路经过不断运行最终Tons和Tgate相等时环路稳定，由于同步整流功率MOS管开启时间Tons为COMP电压Vcomp和原边功率开关的开启时间积，即保证同步整流功率MOS管的开启时间不受开关噪声和频率抖动影响，同步整流功率MOS管的开启时间必然和原边功率开关的开启时间成正比。
[0043]作为本发明的一种优选方案，所述控制系统包括同步整流功率MOS管Q0、与同步整流功率MOS管并联的二极管DO、储能变压器TO、连接同步整流功率MOS管漏端的第一消磁检测分压电阻RO和第二消磁检测分压电阻R1、外部环路积分电容Ccomp，以及基于时域乘法器的同步整流控制模块UO ；
[0044]所述同步整流控制模块UO包括上述消磁检状态检测模块、原边功率开关开启时间检测模块、时域乘法器模块、死区控制模块、PWM逻辑控制模块、RS锁存器、驱动模块、时间比较器模块和环路积分控制模块。
[0045]作为本发明的一种优选方案，原边功率开关Ql开启时输入电压Vin对变压器充电储能，同步整流功率MOS管漏端由于变压器感应停止谐振并达到最高电压；原边功率开关Ql关断后变压器反激，通过同步整流功率MOS管QO的体二极管或者外部二极管DO续流对输出进行消磁放电，此时续流作用将同步整流功率MOS管漏端电压钳位在-0.5V?-1V ;消磁完成后，变压器原边主感和原边功率开关Ql的寄生电容产生谐振，此谐振通过变压器引起同步整流功率MOS管漏端谐振；
[0046]同步整流控制模块UO根据DEM引脚波形经过内部处理，分别得到表示原边功率开关开启状态的Tons和消磁状态Tdem，其中DEM引脚是同步整流功率MOS管漏端通过分压电阻RO和Rl分压得到；
[0047]同步整流控制模块通过时间比较器模块和环路积分控制模块，不断比较同步整流功率MOS管开启信号Tons和消磁状态信号Tgate的下降沿，通过负反馈环路对COMP电容积分，最终使得Tons和Tgate完全同步，控制模块再通过死区控制模块保证同步整流功率MOS管开启的时间和次边消磁电流留有一定的死区Tdead，确保同步整流功率MOS管不会形成电流灌通而造成损坏。
[0048]一种上述同步整流控制系统的控制方法，所述控制方法包括如下步骤:
[0049]消磁状态检测模块检测变压器或电感的消磁起始点和消磁持续时间Tdem，记录上一周期的消磁持续时间为TdemO ；
[0050]原边功率开关开启时间检测模块检测和判定原边功率开关的开启和关闭的时间点，并记录上一周期原边功率开关的开启时间为TonsO ；
[0051]死区控制模块控制同步整流功率MOS管关闭到消磁结束之间留有设定的死区；
[0052]PWM控制逻辑控制模块通过处理内部信号在消磁起始点时发出开启的信号；
[0053]RS触发器触发锁存GATE的控制状态；
[0054]时域乘法器通过将原边开启时间Tonp与COMP电压值相乘求积，计算得到的乘积即同步整流开通时间；Tons = Tonp*Vcomp ;其中，Tonp为原边功率开关的开通时间；Vcomp是COMP积分电容的电压；Tons即控制系统计算得到的同步整流开通时间；
[0055]时间比较器模块通过判断Tons和经过死区模块处理的Tgate信号的时间长短，对环路积分控制模块发出控制信号，当Tons较Tdem信号时间短，即对COMP电容进行充电操作；相反，当Tons较Tdem信号时间长，即对COMP电容进行放电操作。
[0056]作为本发明的一种优选方案，通过判断消磁理论时间Tgate和同步整流功率MOS管开通时间Tons，由时间比较器来控制环路积分控制模块对COMP进行积分处理，环路经过不断运打最终Tons和Tgate相等时环路稳定；
[0057]由于同步整流功率MOS管开启时间Tons为COMP电压Vcomp和原边功率开关的开启时间积，即保证同步整流功率MOS管的开启时间不受开关噪声和频率抖动影响，同步整流功率MOS管的开启时间必然和原边功率开关的开启时间成正比。
[0058]作为本发明的一种优选方案，所述控制系统包括同步整流功率MOS管Q0、与同步整流功率MOS管并联的二极管DO、储能变压器TO、连接同步整流功率MOS管漏端的第一消磁检测分压电阻RO和第二消磁检测分压电阻R1、外部环路积分电容Ccomp，以及基于时域乘法器的同步整流控制模块UO ；
[0059]所述同步整流控制模块UO包括上述消磁检状态检测模块、原边功率开关开启时间检测模块、时域乘法器模块、死区控制模块、PWM逻辑控制模块、RS锁存器、驱动模块、时间比较器模块和环路积分控制模块；
[0060]原边功率开关Ql开启时输入电压Vin对变压器充电储能，同步整流功率MOS管漏端由于变压器感应停止谐振并达到最高电压；原边功率开关Ql关断后变压器反激，通过同步整流功率MOS管QO的体二极管或者外部二极管DO续流对输出进行消磁放电，此时续流作用将同步整流功率MOS管漏端电压钳位在-0.5V?-1V ;消磁完成后，变压器原边主感和原边功率开关Ql的寄生电容产生谐振，此谐振通过变压器引起同步整流功率MOS管漏端谐振；
[0061]同步整流控制模块UO根据DEM引脚波形经过内部处理，分别得到表示原边功率开关开启状态的Tons和消磁状态Tdem，其中DEM引脚是同步整流功率MOS管漏端通过分压电阻RO和Rl分压得到；
[0062]同步整流控制模块通过时间比较器模块和环路积分控制模块，不断比较同步整流功率MOS管开启信号Tons和消磁状态信号Tgate的下降沿，通过负反馈环路对COMP电容积分，最终使得Tons和Tgate完全同步，控制模块再通过死区控制模块保证同步整流功率MOS管开启的时间和次边消磁电流留有一定的死区Tdead，确保同步整流功率MOS管不会形成电流灌通而造成损坏。
[0063]本发明的有益效果在于:本发明提出的基于时域乘法器的同步整流控制系统及方法，既可以保证同步整流控制的安全性，又可以实现理论上最大的同步整流MOS管的开通时间，从而将同步整流技术的效率最大化，相对目前使用的控制技术优势非常明显并具有很强的实用性。
[0064]本发明仅需要添加适当的死区时间保证同步整流MOS不会滞后关断即可，可以有效地避免因为开关噪声、元件参数漂移、温度变化和频率抖动造成死区设计过大问题，COMP电压完全由环路决定，和外围器件参数无关，在有效最大化同步整流开启时间的同时降低了系统元器件成本。
[0065]本发明的一个特点是必然具有一个时域乘法器，通过时域乘法器保证同步整流MOS的开通时间逐周期正比于原边功率开关的开启时间，即可以最大化同步整流MOS的开通时间而不引起滞后关断而造成的安全问题，进而将整流造成的损耗最小化，最大化提升能量转换系统的效率，尤其适合于DCM和CRM系统的开关电源系统应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0066]图1为本发明同步整流控制系统应用于反激架构的结构示意图。
[0067]图2为本发明同步整流控制系统的组成示意图。
[0068]图3反激应用中次边同步整流MOS漏端与原边功率开关波形图。
[0069]图4控制模块通过DEM波形得到的Tons和Tdem的示意图。
[0070]图5同步整流MOS开启信号Tgate和次边消磁电流的示意图。
[0071]图6同步整流MOS的开启时间随消磁时间变化的示意图。
【具体实施方式】
[0072]下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
[0073]实施例一
[0074]请参阅图1，本发明揭示了一种新颖的同步整流控制系统，图1是在反激系统中依据本发明提出的一种具体实施例，以下将结合图片说明本发明的思想和方法。
[0075]参见图1，所述基于本发明的同步整流控制应用系统包括:同步整流功率MOS管QO、和同步整流功率MOS并联的二极管DO、储能变压器TO、连接同步整流功率MOS管漏端的消磁检测分压电阻RO和R1，外部环路积分电容Ccomp，以及基于时域乘法器的同步整流控制模块UO。
[0076]控制模块UO的内部模块可以参见图2。所述同步整流控制模块UO包括消磁检状态检测模块、原边功率开关开启时间检测模块、时域乘法器模块、死区控制模块、PWM逻辑控制模块、RS锁存器、驱动模块、时间比较器模块和环路积分控制模块。
[0077]消磁状态检测模块用以通过DEM引脚来检测变压器或电感的消磁起始点和消磁持续时间Tdem,记录上一周期的消磁持续时间为TdemO。
[0078]原边功率开关开启时间检测模块用以通过DEM引脚来检测和判定原边功率开关的开启和关闭的时间点，并记录上一周期原边功率开关的开启时间为TonsO。
[0079]死区控制模块用以控制同步整流功率MOS管关闭到消磁结束之间留有一定的死区，用来防止滞后关断而引起损坏，Tdead = Tdem-Tgate ;其中Tdem为变压器或电感的消磁时间；Tdead为死区时间；Tgate即经过死区处理的消磁理论时间。
[0080]PWM控制逻辑控制模块用以通过处理内部信号在消磁起始点时发出开启的信号。
[0081]RS触发器用以触发锁存GATE的控制状态。
[0082]时域乘法器用以通过将原边开启时间Tonp与COMP电压值相乘求积，计算得到的乘积即同步整流开通时间；Tons = Tonp*Vcomp ;其中，Tonp为原边功率开关的开通时间；Vcomp是COMP积分电容的电压；Tons即控制系统计算得到的同步整流开通时间。
[0083]由于同步整流MOS需要极低的导通阻抗，而低导通阻抗的GATE寄生电荷很大，需要极强的驱动能力，驱动模块将内部PWM信号的驱动能力增强，以达到可以驱动外部同步整流MOS的能力。
[0084]时间比较器模块用以通过判断Tons和经过死区模块处理的Tgate信号的时间长短，对环路积分控制模块发出控制信号，当Tons较Tdem信号时间短，即对COMP电容进行充电操作；相反，当Tons较Tdem信号时间长，即对COMP电容进行放电操作。
[0085]上述所有模块通过判断消磁理论时间Tgate和同步整流功率MOS管开通时间Tons,由时间比较器来控制环路积分控制模块对COMP进行积分处理，环路经过不断运行最终Tons和Tgate相等时环路稳定，由于同步整流功率MOS管开启时间Tons为COMP电压Vcomp和原边功率开关的开启时间积，即保证同步整流功率MOS管的开启时间不受开关噪声和频率抖动影响，同步整流功率MOS管的开启时间必然和原边功率开关的开启时间成正比。
[0086]原边功率开关Ql开启时输入电压Vin对变压器充电储能，同步整流MOS漏端由于变压器感应停止谐振并达到最高电压；Q1关断后变压器反激，通过QO的体二极管或者外部二极管DO续流对输出进行消磁放电，此时续流作用将同步整流MOS漏端电压钳位在-0.5V?-1V ;消磁完成后，变压器原边主感和功率开关Ql的寄生电容产生谐振，此谐振通过变压器引起同步整流MOS管漏端谐振。相应的波形可参见图3。
[0087]同步整流控制模块UO根据DEM引脚波形经过内部处理，分别得到表示原边功率开关开启状态的Tons和消磁状态Tdem，其中DEM引脚是同步整流MOS管漏端通过分压电阻RO和Rl分压得到，具体波形如图4所示。
[0088]请参阅图5，同步整流控制模块通过时间比较器模块和环路积分控制模块，不断比较同步整流MOS开启信号Tons和消磁状态信号Tgate的下降沿，通过负反馈环路对COMP电容积分，最终使得Tons和Tgate完全同步，控制模块再通过死区控制模块保证同步整流MOS管开启的时间和次边消磁电流留有一定的死区Tdead，确保同步整流MOS管不会形成电流灌通而造成损坏。
[0089]本发明基于时域乘法器来控制同步整流开关的好处在于，可以通过时域乘法器对原边功率管开启时间Tons进行检测，将Tons和COMP电压Vcomp相乘，同步整流MOS的开启时间始终可以和变压器的消磁时间Tdem相匹配，即Tons与Tdem始终只有约一个死区Tdead的安全时间差，Tons会逐周期随Tdem变大或变小，这样可以有效地将同步整流MOS的开启时间最大化而不引起安全问题。见图6中绿色标记即开关电源受噪声或频率抖动引起的消磁时间的变化。
[0090]上面的实例将本发明应用于反激架构次边同步整流控制，但是应该认识到本发明不局限于反激架构应用，在开关电源的其他拓扑中本发明同样可以有效应用；本专利亦可不局限于开关电源应用范畴，在涉及到时域乘法器，或者用其他形式相关器件实现时域乘法器思维的应用均属于本发明范畴。
[0091]实施例二
[0092]本实施例揭示一种实施例一中所述同步整流控制系统的控制方法，所述控制方法包括如下步骤:
[0093]消磁状态检测模块检测变压器或电感的消磁起始点和消磁持续时间Tdem，记录上一周期的消磁持续时间为TdemO ；
[0094]原边功率开关开启时间检测模块检测和判定原边功率开关的开启和关闭的时间点，并记录上一周期原边功率开关的开启时间为TonsO ；
[0095]死区控制模块控制同步整流功率MOS管关闭到消磁结束之间留有设定的死区；
[0096]PWM控制逻辑控制模块通过处理内部信号在消磁起始点时发出开启的信号；
[0097]RS触发器触发锁存GATE的控制状态；
[0098]时域乘法器通过将原边开启时间Tonp与COMP电压值相乘求积，计算得到的乘积即同步整流开通时间；Tons = Tonp*Vcomp ;其中，Tonp为原边功率开关的开通时间；Vcomp是COMP积分电容的电压；Tons即控制系统计算得到的同步整流开通时间；
[0099]由于同步整流MOS需要极低的导通阻抗，而低导通阻抗的GATE寄生电荷很大，需要极强的驱动能力，驱动模块将内部PWM信号的驱动能力增强，以达到可以驱动外部同步整流MOS的能力。
[0100]时间比较器模块通过判断Tons和经过死区模块处理的Tgate信号的时间长短，对环路积分控制模块发出控制信号，当Tons较Tdem信号时间短，即对COMP电容进行充电操作；相反，当Tons较Tdem信号时间长，即对COMP电容进行放电操作。
[0101]本发明方法中，通过判断消磁理论时间Tgate和同步整流功率MOS管开通时间Tons,由时间比较器来控制环路积分控制模块对COMP进行积分处理，环路经过不断运行最终Tons和Tgate相等时环路稳定。由于同步整流功率MOS管开启时间Tons为COMP电压Vcomp和原边功率开关的开启时间积，即保证同步整流功率MOS管的开启时间不受开关噪声和频率抖动影响，同步整流功率MOS管的开启时间必然和原边功率开关的开启时间成正比。[0102]所述控制系统包括同步整流功率MOS管Q0、与同步整流功率MOS管并联的二极管D0、储能变压器T0、连接同步整流功率MOS管漏端的第一消磁检测分压电阻RO和第二消磁检测分压电阻RU外部环路积分电容Ccomp，以及基于时域乘法器的同步整流控制模块W。
[0103]所述同步整流控制模块UO包括上述消磁检状态检测模块、原边功率开关开启时间检测模块、时域乘法器模块、死区控制模块、PWM逻辑控制模块、RS锁存器、驱动模块、时间比较器模块和环路积分控制模块。
[0104]原边功率开关Ql开启时输入电压Vin对变压器充电储能，同步整流功率MOS管漏端由于变压器感应停止谐振并达到最高电压；原边功率开关Ql关断后变压器反激，通过同步整流功率MOS管QO的体二极管或者外部二极管DO续流对输出进行消磁放电，此时续流作用将同步整流功率MOS管漏端电压钳位在-0.5V?-1V ;消磁完成后，变压器原边主感和原边功率开关Ql的寄生电容产生谐振，此谐振通过变压器引起同步整流功率MOS管漏端谐振。
[0105]同步整流控制模块UO根据DEM引脚波形经过内部处理，分别得到表示原边功率开关开启状态的Tons和消磁状态Tdem，其中DEM引脚是同步整流功率MOS管漏端通过分压电阻RO和Rl分压得到。
[0106]同步整流控制模块通过时间比较器模块和环路积分控制模块，不断比较同步整流功率MOS管开启信号Tons和消磁状态信号Tgate的下降沿，通过负反馈环路对COMP电容积分，最终使得Tons和Tgate完全同步，控制模块再通过死区控制模块保证同步整流功率MOS管开启的时间和次边消磁电流留有一定的死区Tdead，确保同步整流功率MOS管不会形成电流灌通而造成损坏。
[0107]综上所述，本发明提出的基于时域乘法器的同步整流控制系统及方法，既可以保证同步整流控制的安全性，又可以实现理论上最大的同步整流MOS管的开通时间，从而将同步整流技术的效率最大化，相对目前使用的控制技术优势非常明显并具有很强的实用性。
[0108]本发明仅需要添加适当的死区时间保证同步整流MOS不会滞后关断即可，可以有效地避免因为开关噪声、元件参数漂移、温度变化和频率抖动造成死区设计过大问题，COMP电压完全由环路决定，和外围器件参数无关，在有效最大化同步整流开启时间的同时降低了系统元器件成本。
[0109]本发明的一个特点是必然具有一个时域乘法器，通过时域乘法器保证同步整流MOS的开通时间逐周期正比于原边功率开关的开启时间，即可以最大化同步整流MOS的开通时间而不引起滞后关断而造成的安全问题，进而将整流造成的损耗最小化，最大化提升能量转换系统的效率，尤其适合于DCM和CRM系统的开关电源系统应用。
[0110]这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
【权利要求】
1.一种基于时域乘法器的同步整流控制系统，其特征在于，所述控制系统包括:同步整流功率MOS管Q0、与同步整流功率MOS管并联的二极管DO、储能变压器TO、连接同步整流功率MOS管漏端的第一消磁检测分压电阻RO和第二消磁检测分压电阻R1、外部环路积分电容Ccomp，以及基于时域乘法器的同步整流控制模块UO ； 所述同步整流控制模块UO包括消磁检状态检测模块、原边功率开关开启时间检测模块、时域乘法器模块、死区控制模块、PWM逻辑控制模块、RS锁存器、驱动模块、时间比较器模块和环路积分控制模块； 消磁状态检测模块，用以通过DEM引脚来检测变压器或电感的消磁起始点和消磁持续时间Tdem,记录上一周期的消磁持续时间为TdemO ； 原边功率开关开启时间检测模块，用以通过DEM引脚来检测和判定原边功率开关的开启和关闭的时间点，并记录上一周期原边功率开关的开启时间为TonsO ； 死区控制模块，用以控制同步整流功率MOS管关闭到消磁结束之间留有一定的死区，用来防止滞后关断而引起损坏，Tdead = Tdem-Tgate ;其中Tdem为变压器或电感的消磁时间；Tdead为死区时间；Tgate即经过死区处理的消磁理论时间； PWM控制逻辑控制模块，用以通过处理内部信号在消磁起始点时发出开启的信号； RS触发器，用以触发锁存GATE的控制状态； 时域乘法器， 用以通过将原边开启时间Tonp与COMP电压值相乘求积，计算得到的乘积即同步整流开通时间；Tons = Tonp*Vcomp ;其中，Tonp为原边功率开关的开通时间；Vcomp是COMP积分电容的电压；Tons即控制系统计算得到的同步整流开通时间； 驱动模块，用以将内部PWM信号的驱动能力增强，以达到可以驱动外部同步整流MOS的能力； 时间比较器模块，用以通过判断Tons和经过死区模块处理的Tgate信号的时间长短，对环路积分控制模块发出控制信号，当Tons较Tdem信号时间短，即对外部环路积分电容Ccomp进行充电操作；相反，当Tons较Tdem信号时间长，即对外部环路积分电容Ccomp进行放电操作； 上述所有模块通过判断消磁理论时间Tgate和同步整流功率MOS管开通时间Tons，由时间比较器来控制环路积分控制模块对COMP进行积分处理，环路经过不断运行最终Tons和Tgate相等时环路稳定，由于同步整流功率MOS管开启时间Tons为COMP电压Vcomp和原边功率开关的开启时间积，即保证同步整流功率MOS管的开启时间不受开关噪声和频率抖动影响，同步整流功率MOS管的开启时间必然和原边功率开关的开启时间成正比； 原边功率开关Ql开启时输入电压Vin对变压器充电储能，同步整流功率MOS管漏端由于变压器感应停止谐振并达到最高电压；原边功率开关Ql关断后变压器反激，通过同步整流功率MOS管QO的体二极管或者外部二极管DO续流对输出进行消磁放电，此时续流作用将同步整流功率MOS管漏端电压钳位在-0.5V~-1V ;消磁完成后，变压器原边主感和原边功率开关Ql的寄生电容产生谐振，此谐振通过变压器引起同步整流功率MOS管漏端谐振；同步整流控制模块UO根据DEM引脚波形经过内部处理，分别得到表示原边功率开关开启状态的Tons和消磁状态Tdem，其中DEM引脚是同步整流功率MOS管漏端通过分压电阻RO和Rl分压得到； 同步整流控制模块通过时间比较器模块和环路积分控制模块，不断比较同步整流功率MOS管开启信号Tons和消磁状态信号Tgate的下降沿，通过负反馈环路对外部环路积分电容Ccomp积分,最终使得Tons和Tgate完全同步,控制模块再通过死区控制模块保证同步整流功率MOS管开启的时间和次边消磁电流留有一定的死区Tdead，确保同步整流功率MOS管不会形成电流灌通而造成损坏。
2.一种基于时域乘法器的同步整流控制系统，其特征在于，所述控制系统包括:消磁检状态检测模块、原边功率开关开启时间检测模块、时域乘法器模块、死区控制模块、PWM逻辑控制模块、RS锁存器、 驱动模块、时间比较器模块和环路积分控制模块； 消磁状态检测模块，用以检测变压器或电感的消磁起始点和消磁持续时间Tdem，记录上一周期的消磁持续时间为TdemO ； 原边功率开关开启时间检测模块，用以检测和判定原边功率开关的开启和关闭的时间点，并记录上一周期原边功率开关的开启时间为TonsO ； 死区控制模块，用以控制同步整流功率MOS管关闭到消磁结束之间留有设定的死区； PWM控制逻辑控制模块，用以通过处理内部信号在消磁起始点时发出开启的信号； RS触发器，用以触发锁存GATE的控制状态； 时域乘法器，用以通过将原边开启时间Tonp与COMP电压值相乘求积，计算得到的乘积即同步整流开通时间；Tons = Tonp*Vcomp ;其中，Tonp为原边功率开关的开通时间；Vcomp是COMP积分电容的电压；Tons即控制系统计算得到的同步整流开通时间； 驱动模块，用以将内部PWM信号的驱动能力增强，以达到能驱动外部同步整流MOS的能力； 时间比较器模块，用以通过判断Tons和经过死区模块处理的Tgate信号的时间长短，对环路积分控制模块发出控制信号，当Tons较Tdem信号时间短，即对外部环路积分电容Ccomp进行充电操作；相反，当Tons较Tdem信号时间长，即对外部环路积分电容Ccomp进行放电操作。
3.根据权利要求2所述的基于时域乘法器的同步整流控制系统，其特征在于: 上述所有模块通过判断消磁理论时间Tgate和同步整流功率MOS管开通时间Tons，由时间比较器来控制环路积分控制模块对COMP进行积分处理，环路经过不断运行最终Tons和Tgate相等时环路稳定，由于同步整流功率MOS管开启时间Tons为COMP电压Vcomp和原边功率开关的开启时间积，即保证同步整流功率MOS管的开启时间不受开关噪声和频率抖动影响，同步整流功率MOS管的开启时间必然和原边功率开关的开启时间成正比。
4.根据权利要求2所述的基于时域乘法器的同步整流控制系统，其特征在于: 所述控制系统包括同步整流功率MOS管Q0、与同步整流功率MOS管并联的二极管DO、储能变压器TO、连接同步整流功率MOS管漏端的第一消磁检测分压电阻RO和第二消磁检测分压电阻R1、外部环路积分电容Ccomp，以及基于时域乘法器的同步整流控制模块UO ； 所述同步整流控制模块UO包括上述消磁检状态检测模块、原边功率开关开启时间检测模块、时域乘法器模块、死区控制模块、PWM逻辑控制模块、RS锁存器、驱动模块、时间比较器模块和环路积分控制模块。
5.根据权利要求4所述的基于时域乘法器的同步整流控制系统，其特征在于: 原边功率开关Ql开启时输入电压Vin对变压器充电储能，同步整流功率MOS管漏端由于变压器感应停止谐振并达到最高电压；原边功率开关Ql关断后变压器反激，通过同步整流功率MOS管QO的体二极管或者外部二极管DO续流对输出进行消磁放电，此时续流作用将同步整流功率MOS管漏端电压钳位在-0.5V~-1V ;消磁完成后，变压器原边主感和原边功率开关Ql的寄生电容产生谐振，此谐振通过变压器引起同步整流功率MOS管漏端谐振；同步整流控制模块UO根据DEM引脚波形经过内部处理，分别得到表示原边功率开关开启状态的Tons和消磁状态Tdem，其中DEM引脚是同步整流功率MOS管漏端通过分压电阻RO和Rl分压得到； 同步整流控制模块通过时间比较器模块和环路积分控制模块，不断比较同步整流功率MOS管开启信号Tons和消磁状态信号Tgate的下降沿，通过负反馈环路对外部环路积分电容Ccomp积分，最终使得Tons和Tgate完全同步,控制模块再通过死区控制模块保证同步整流功率MOS管开启的时间和次边消磁电流留有一定的死区Tdead，确保同步整流功率MOS管不会形成电流灌通而造成损坏。
6.一种权利要求1至5之一所述同步整流控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤: 消磁状态检测模块检测变压器或电感的消磁起始点和消磁持续时间Tdem，记录上一周期的消磁持续时间为TdemO ； 原边功率开关开启时间检测模块检测和判定原边功率开关的开启和关闭的时间点，并记录上一周期原边功率开关的开启时间为TonsO ； 死区控制模块控制同步整流功率MOS管关闭到消磁结束之间留有设定的死区； PWM控制逻辑控制模块通过处理内部信号在消磁起始点时发出开启的信号； RS触发器触发锁存GATE的控制状态； 时域乘法器通过将原边开启时间Tonp与COMP电压值相乘求积，计算得到的乘积即同步整流开通时间；Tons = Tonp*Vcomp ;其中，Tonp为原边功率开关的开通时间；Vcomp是外部环路积分电容Ccomp的电压；Tons即控制系统计算得到的同步整流开通时间； 时间比较器模块通过判断Tons和经过死区模块处理的Tgate信号的时间长短，对环路积分控制模块发出控制信号，当Tons较Tdem信号时间短，即对外部环路积分电容Ccomp进行充电操作；相反，当Tons较Tdem信号时间长，即对外部环路积分电容Ccomp进行放电操作。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于: 通过判断消磁理论时间Tgate和同步整流功率MOS管开通时间Tons，由时间比较器来控制环路积分控制模块对COMP进行积分处理，环路经过不断运行最终Tons和Tgate相等时环路稳定； 由于同步整流功率MOS管开启时间Tons为COMP电压Vcomp和原边功率开关的开启时间积，即保证同步整流功率MOS管的开启时间不受开关噪声和频率抖动影响，同步整流功率MOS管的开启时间必然和原边功率开关的开启时间成正比。
8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于: 所述控制系统包括同步整流功率MOS管Q0、与同步整流功率MOS管并联的二极管DO、储能变压器TO、连接同步整流功率MOS管漏端的第一消磁检测分压电阻RO和第二消磁检测分压电阻R1、外部环路积分电容Ccomp，以及基于时域乘法器的同步整流控制模块UO ； 所述同步整流控制模块UO包括上述消磁检状态检测模块、原边功率开关开启时间检测模块、时域乘法器模块、死区控制模块、PWM逻辑控制模块、RS锁存器、驱动模块、时间比较器模块和环路积分控制模块； 原边功率开关Ql开启时输入电压Vin对变压器充电储能，同步整流功率MOS管漏端由于变压器感应停止谐振并达到最高电压；原边功率开关Ql关断后变压器反激，通过同步整流功率MOS管QO的体二极管或者外部二极管DO续流对输出进行消磁放电，此时续流作用将同步整流功率MOS管漏端电压钳位在-0.5V~-1V ;消磁完成后，变压器原边主感和原边功率开关Ql的寄生电容产生谐振，此谐振通过变压器引起同步整流功率MOS管漏端谐振；同步整流控制模块UO根据DEM引脚波形经过内部处理，分别得到表示原边功率开关开启状态的Tons和消磁状态Tdem，其中DEM引脚是同步整流功率MOS管漏端通过分压电阻RO和Rl分压得到； 同步整流控制模块通过时间比较器模块和环路积分控制模块，不断比较同步整流功率MOS管开启信号Tons和消磁状态信号Tgate的下降沿，通过负反馈环路对外部环路积分电容Ccomp积分,最终使得Tons和Tgate完全同步,控制模块再通过死区控制模块保证同步整流功率MOS管开启的时间和次边消磁电流留有一定的死区Tdead，确保同步整流功率MOS管不会形成电流 灌通而造成损坏。
【文档编号】H02M7/217GK104009655SQ201410264281
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】职春星, 林凯, 杨展悌, 叶俊 申请人:佛山市南海赛威科技技术有限公司