一种同步整流二极管及同步整流控制电路的制作方法

本发明涉及整流二极管，具体涉及一种同步整流二极管及同步整流控制电路。

背景技术：

同步整流技术是一种采用导通电阻较低的功率mosfet配合专用的同步整流控制电路，来替代传统的整流二极管的一种新技术，能降低整流损耗，提高dc/dc、ac/dc转换器的效率，并且避免了普通二极管由于肖特基势垒电压造成的死区电压问题。基于这些优点同步整流技术在电源管理领域上得到了广泛的应用。随着对dc/dc、ac/dc转换器对成本、效率、应用复杂度等性能要求的逐步提高，传统的同步整流技术方案存在一些问题，一是这一类型的同步整流控制电路需要配合功率mosfet实现同步整流功能，不能从应用上直接替代整流二极管；二是同步整流控制电路的关断是在漏源电压变为正或者电流开始从漏端流向源端时进行，其原理是对功率mosfet的源漏电压进行判定，若压差低于阈值则关闭，高于阈值则开启，但其由于mosfet的导通电阻较低，再加上源漏电流持续性变化以及判定电路的失调，导致判定电路无法精确性的判断何时进行关断；再加上判定电路的延时以及mosfet的栅极驱动延迟等因素，会导致mosfet提前关断或者延后关断等问题。若提前关断，会损失效率，并且关断后源漏电压差升高，导致逻辑错误使mosfet再次开启；若延后关断，则会造成漏端到源端较大的反灌电流，导致同步整流电路的效率的降低，还会导致产生较大的振铃使mosfet在振铃期间又重新开启。

图1所示是现有的同步整流控制电路架构，由基准模块、判定模块、逻辑模块以及驱动模块组成，基本思路是通过判定模块来检测mosfet的源(a)和漏(k)两端的压差，为正电压则输出一个信号到逻辑模块，通过逻辑运算，控制驱动模块打开mosfet；若检测到源和漏两端压差为零，即从源端到漏端通过mosfet的电流减为零，这时判定模块输出相反的信号到逻辑模块，通过逻辑运算，控制驱动模块将mosfet关闭。该架构中进行判定的模块通常是比较器，由于比较器存在失调误差、工艺偏差以及电路延时等因素，容易造成逻辑错误，并且其应用时需要配合外部mosfet才能工作，应用复杂。

技术实现要素：

为了解决现有的同步整流控制电路对mosfet的关闭控制不精确和需要外接电源的问题，本发明提出了一种同步整流二极管及同步整流控制电路，同步整流二极管能够直接替代传统的整流二极管。

本发明的第一个技术方案是，一种同步整流二极管，包括同步整流控制电路、功率mosfet管和储能电容，其特征在于：储能电容的上极板接同步整流控制电路的电源输出端，储能电容的下极板接同步整流二极管的阳极，功率mosfet的源极、漏极及栅极分别与同步整流二极管的阳极、阴极及同步整流控制电路的信号输出端相连接。

同步整流控制电路检测功率mosfet管的源极与漏极两端的电压差，若电压差为正电压，输出信号到功率mosfet管的栅极，打开功率mosfet管，若功率mosfet管的源极与漏极两端的电压差为零或者负电压，输出信号到功率管mosfet的栅极，关闭功率mosfet管。

所述同步整流控制电路包括基准电路、电源产生电路、欠压保护电路、逻辑模块、ak电压稳定模块、上拉模块和下拉模块；基准电路为欠压保护电路提供基准电压。

电源产生电路用于将同步整流二极管阳极和阴极之间的脉冲电压转换成稳定的直流电压为储能电容充电。

欠压保护电路用于检测储能电容的正极电压，输出控制信号到逻辑模块。

逻辑模块接收欠压保护电路输出的控制信号，输出控制逻辑信号到ak电压稳定模块、上拉模块和下拉模块。

ak电压稳定模块、上拉模块和下拉模块均受逻辑模块输出的控制逻辑信号的控制，分别检测同步整流二极管阳极和阴极之间的脉冲电压，输出信号到功率mosfet管的栅极，并将该功率mosfet管的栅极电压反馈给逻辑模块。

进一步，当储能电容的正极电压从0v充电至欠压保护门限阶段，所述电源产生电路给储能电容充电；当储能电容的正极电压低于欠压保护门限时，逻辑模块输出控制逻辑信号关闭ak电压稳定模块、上拉模块和下拉模块以及外部功率mosfet。

当储能电容的正极电压达到欠压锁定门限以上时，欠压保护电路打开上拉模块、ak电压稳定模块和下拉模块。

进一步，ak电压稳定模块包括第一比较器、第二比较器和钳压mos管；第一比较器同相输入端与第二比较器的反向输入端相连，第一比较器反向输入端与第二比较器同相输入端的相连，第一比较器与第二比较器同时检测同步整流二极管阳极和阴极之间的脉冲电压，第一比较器和第二比较器分别输出电压到钳压mos管的漏极和源极，并且第二比较器还输出电压到功率mosfet管的栅极；钳压mos管的栅极接收基准参考电压。

进一步，电源产生电路包括二极管一、二极管五、第四调整管和误差放大器；误差放大器的一个输入端通过电阻二接同步整流二极管阳极，同时，通过电阻一连接储能电容的上极板；误差放大器的另一个输入端接收第二基准电压信号，误差放大器的输出端通过开关电路连接第四调整管的栅极；第四调整管漏端通过二极管一接收同步整流二极管输出的脉冲信号，该脉冲信号通过第四调整管和二极管五为储能电容充电，当储能电容的充电电压达到设定值时，误差放大器输出信号将第四调整管关闭，脉冲信号停止对储能电容充电，当储能电容上的电压被其他电路单元消耗至低于设定值时，误差放大器又输出信号将第四调整管打开，脉冲信号为储能电容充电。

本发明的第二个技术方案是，一种用于同步整流二极管的同步整流控制电路，包括基准电路、电源产生电路、欠压保护电路、逻辑模块、ak电压稳定模块、上拉模块和下拉模块；基准电路为欠压保护电路提供基/准电压；其特征在于：

电源产生电路用于将同步整流二极管阳极和阴极之间的脉冲电压转换成稳定的直流电压为储能电容充电。

欠压保护电路用于检测储能电容的正极电压，输出控制信号到逻辑模块。

逻辑模块接收欠压保护电路输出的控制信号，输出控制逻辑信号到ak电压稳定模块、上拉模块和下拉模块。

ak电压稳定模块、上拉模块和下拉模块均受逻辑模块输出的控制逻辑信号的控制，分别检测同步整流二极管阳极和阴极之间的脉冲电压，输出电压到功率mosfet管的栅极，并将该功率mosfet管的栅极电压反馈给逻辑模块。

本发明提供的同步整流控制电路，可有效的在mosfet电流接近为零时，将外部功率mosfet管的栅极电压预关断至阈值电压附近，使ak压差钳位在一定的电压范围内，当mosfet电流减小到零时才完全关闭mosfet，提高了关闭mosfet的准确性和效率。同时，在下拉模块关闭mosfet时，外部功率mosfet管的栅极电压已减小至阈值电压附近，下拉模块关闭mosfet延时减小，达到功率mosfet管电流减小到零时快速关闭mosfet的目的。

本发明所述的同步整流控制电路及电源产生电路的有益效果是：本发明可直接替代传统的整流二极管，同步整流控制电路无需外部供电，精确检测ak电压差，当通过功率mosfet管的电流为零时，精准的关闭功率mosfet管，提高了关闭mosfet的准确性和效率，达到功率mosfet管电流减小到零时快速关闭mosfet的目的，本发明应用简单，可广泛应用在电源管理领域，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是传统的同步整流控制电路系统框图。

图2是本发明所述的同步整流二极管封装示意图。

图3是本发明所述的同步整流控制电路的系统框图。

图4是本发明所述的同步整流控制电路模块中ak电压稳定模块的电路原理图。

图5是本发明所述的一种电源产生电路的电路原理图。

图6是本发明所述的同步整流控制电路一个工作周期的仿真波形图。

图7是本发明所述的同步整流控制电路开启功率mosfet时的局部放大仿真图。

图8是本发明所述的同步整流控制电路关闭功率mosfet时的局部放大仿真图。

图9是本发明所述的一种电源产生电路工作时的仿真波形图。

图10是本发明所述的一种电源产生电路在上电过程中的局部放大仿真波形图。

图11是本发明所述的一种电源产生电路在电压保持过程中的局部放大仿真波形图。

具体实施方式

实施例1：参见图2至图5，一种同步整流二极管，包括同步整流控制电路、功率mosfet管和储能电容c，储能电容c的上极板接同步整流控制电路的电源输出端，储能电容c的下极板接同步整流二极管的阳极a，功率mosfet的源极、漏极及栅极分别与同步整流二极管的阳极a、阴极k及同步整流控制电路的信号输出端相连接。

同步整流控制电路检测功率mosfet管m的源极与漏极两端的电压差，若电压差为正电压，输出信号到功率mosfet管m的栅极，打开功率mosfet管m，若功率mosfet管m的源极与漏极两端的电压差为零或者负电压，输出信号到功率管mosfetm的栅极，关闭功率mosfet管m。

所述同步整流控制电路包括基准电路1、电源产生电路2、欠压保护电路3、逻辑模块4、ak电压稳定模块6、上拉模块5和下拉模块7；基准电路1为欠压保护电路3提供基准电压。

电源产生电路2用于将同步整流二极管阳极a和阴极k之间的脉冲电压转换成稳定的直流电压为储能电容c充电。

欠压保护电路3用于检测储能电容c的正极电压，输出控制信号到逻辑模块4。

逻辑模块4接收欠压保护电路3输出的控制信号，输出控制逻辑信号到ak电压稳定模块6、上拉模块5和下拉模块7。

ak电压稳定模块6、上拉模块5和下拉模块7均受逻辑模块4输出的控制逻辑信号的控制，分别检测同步整流二极管阳极a和阴极k之间的脉冲电压，输出信号到功率mosfet管m的栅极g，并将该功率mosfet管m的栅极g电压反馈给逻辑模块4。

本发明提出的同步整流控制电路与功率mosfet以及储能电容进行多芯片封装sip示意图如图2所示，封装后仅有两个引出端，a端和k端，与传统的整流二极管的a和k端完全对应，应用上可以直接替换并且整流效率比传统的整流二极管提升3％～5％。

本发明的工作过程分为五个阶段：第一阶段：为准备阶段，是指在系统刚上电过程中，cap端电压从0v充电至欠压保护门限电压的阶段。在上电过程中，电源产生电路由a端的周期性的脉冲电压持续性的给储能电容充电，此时由于欠压保护电路的存在，当cap电压低于欠压保护门限电压时，关闭上拉模块、ak电压稳定模块和下拉模块，同时确保功率mosfet管m关闭，此时整个系统通过功率mosfet管m的寄生二极管工作，ak之间正向压差为700mv。当电源产生电路给储能电容c充电到欠压锁定门限电压以上时，欠压保护电路打开上拉模块、ak电压稳定模块和下拉模块，使逻辑模块能够正常的控制功率mosfet管m的开启或关闭。为避免储能电容c上电压过大，电源产生电路设置了钳压保护，在正常工作时，电源电压稳定。

第二阶段：为功率mosfet管m栅极端电压上拉阶段，当电流开始从a端流向k端时，由于功率mosfet管m还未开启，电流通过功率mosfet管m的寄生二极管从a端流向k端，压差为700mv，逻辑模块4关闭下拉模块7与ak电压稳定模块6，打开上拉模块5，上拉模块5检测到ak之间存在700mv压差，立即将功率mosfet管m栅极电压上拉到电源电压，打开功率mosfet管m，此时ak之间的压差为功率mosfet管导通电阻与导通电流之积。

第三阶段：为功率mosfet管m栅极电压保持阶段，该阶段逻辑模块4会关闭ak电压稳定模块6和下拉模块7，使功率mosfet管m栅极电压保持为电源电压一段时间，即最小开启时间min_on，其目的是避免当功率mosfet管突然打开时，ak压差由700mv突变为导通电阻与导通电流之积，产生的振铃使得ak压差为负，触发下拉模块7工作而导致功率mosfet管m被误关闭的问题，在最小开启时间结束后，逻辑模块4打开下拉模块7与ak电压稳定模块6。

第四阶段：为ak电压保持阶段，在功率mosfet管正向导通后，随着a端到k端的导通电流不断减小，使ak压差不断减小，当ak压差减小到ak电压稳定模块6的预下拉阈值v2时，ak电压稳定模块开始工作，框图如图4所示，ak电压稳定模块6包括第一比较器amp1、第二比较器amp2和钳压mos管m1；第一比较器amp1同相输入端与第二比较器amp2的反向输入端相连，第一比较器amp1反向输入端与第二比较器amp2同相输入端的相连，第一比较器amp1与第二比较器amp2同时检测同步整流二极管阳极a和阴极k之间的脉冲电压，第一比较器amp1和第二比较器amp2分别输出电压到钳压mos管m1的漏极和源极，并且第二比较器amp2还输出电压到功率mosfet管的栅极g；钳压mos管m1的栅极接收基准参考电压vp。当同步整流二极管阳极a和阴极k之间的正向压差超过第一比较器amp1的阈值电压v1后，给功率mosfet管的栅极g充电，当同步整流二极管阳极a和阴极k之间的正向压差小于第二比较器amp2的阈值电压v2后，给功率mosfet管的栅极g放电。

第五阶段：为功率mosfet管的栅极g完全关闭阶段，在导通电流持续减小情况下，为保持ak压差不变，功率mosfet管的栅极g电压持续减小到功率mosfet管阈值电压，此时功率mosfet管的导通电阻变得较大，在ak电压稳定模块的平衡下，此时导通电流变得极小，当导通电流接近零时，ak电压稳定模块无法稳定ak电压，其电压减小到v1以下，接近零电压状态，此时下拉模块检测到ak电压这一状态，便将已达到阈值电压的功率mosfet管的栅极g电压快速的拉向a端电位，关断功率mosfet管。

本发明可有效的在功率mosfet管电流接近为零时，将功率mosfet管的栅极电压预关断至阈值电压附近，使ak压差钳位在v1～v2之间，当功率mosfet管电流减小到零时才完全关闭功率mosfet管，提高了关闭功率mosfet管的准确性和效率。同时，在下拉模块关闭功率mosfet管时，功率mosfet管的栅极电压已减小至阈值电压附近，下拉模块关闭功率mosfet管延时减小，达到功率mosfet管电流减小到零时快速关闭功率mosfet管的目的。

实施例2：一种用于同步整流二极管的同步整流控制电路，包括基准电路1、电源产生电路2、欠压保护电路3、逻辑模块4、ak电压稳定模块6、上拉模块5和下拉模块7；基准电路1为欠压保护电路3提供基准电压。

电源产生电路2用于将同步整流二极管阳极a和阴极k之间的脉冲电压转换成稳定的直流电压为储能电容c充电。

欠压保护电路3用于检测储能电容c的正极电压，输出控制信号到逻辑模块4。

逻辑模块4接收欠压保护电路3输出的控制信号，输出控制逻辑信号到ak电压稳定模块6、上拉模块5和下拉模块7。

ak电压稳定模块6、上拉模块5和下拉模块7均受逻辑模块4输出的控制逻辑信号的控制，分别检测同步整流二极管阳极a和阴极k之间的脉冲电压，输出电压到功率mosfet管的栅极g，并将该功率mosfet管的栅极g电压反馈给逻辑模块4。

其中，ak电压稳定模块6包括第一比较器amp1、第二比较器amp2和钳压mos管m1；第一比较器amp1同相输入端与第二比较器amp2的反向输入端相连，第一比较器amp1反向输入端与第二比较器amp2同相输入端的相连，第一比较器amp1和第二比较器amp2分别输出电压到钳压mos管m1的漏极和源极，并且第二比较器amp2还输出电压到功率mosfet管的栅极g；钳压mos管m1的栅极接收基准参考电压。

电源产生电路2包括二极管一d1、二极管五d5、第四调整管m4和误差放大器amp3；误差放大器amp3的一个输入端通过电阻二r2接同步整流二极管阳极a，同时，通过电阻一r1连接储能电容c的上极板；误差放大器amp3的另一个输入端接收第二基准电压信号，误差放大器amp3的输出端通过开关电路11连接第四调整管m4的栅极；第四调整管m4漏端通过二极管一d1接收同步整流二极管输出的脉冲信号，该脉冲信号通过第四调整管m4和二极管五d5为储能电容c充电，当储能电容c的充电电压达到设定值时，误差放大器amp3输出信号将第四调整管m4关闭，脉冲信号停止对储能电容c充电，当储能电容c上的电压被其他电路单元消耗至低于设定值时，误差放大器amp3又输出信号将第四调整管m4打开，脉冲信号为储能电容c充电。

参见图9、图10、图11，本发明所述的电源产生电路，能将ak之间的脉冲电压转换成一个稳定的直流电压源。其基本原理是：利用ak之间的脉冲电压通过一个单向导通的二极管和一个调整管为外部储能电容充电，在ak之间的脉冲电压消失时又能防止电容上储存的电荷反向的流向k端，通过这种电路结构能够不断的为储能电容充电，当储能电容充电电压达到设定值时，误差放大器将调整管关闭，禁止充电，当储能电容上的电压被同步整流控制电路内部其他单元消耗至低于设定值时，误差放大器又打开调整管恢复单向导通充电过程。从而储能电容上得到一个较为稳定的电源电压，为同步整流控制电路中的其他模块供电。本发明提供的电源产生电路，能自行产生一个相对于a端的稳定电源电压，所以同步整流控制电路无需外部供电。并且此种电源产生电路，功耗很小，能提高系统效率。

参见图6、7、8，仿真图中显示了通过功率mosfet管的导通电流、功率mosfet的源漏电压、栅源电压、控制ak电压稳定模块及下拉模块开启与否的最小开启时间信号。

参见图7，此仿真图是同步整流控制电路开启功率mosfet管时的仿真图。在时间t1之前功率mosfet管m处于关闭状态，在这个阶段，上拉模块关闭，最小开启时间信号为高电平，关闭ak电压稳定模块及下拉模块。在t1时刻，电流开始从a端流向k端，由于此时功率mosfet管m还未导通，电流通过其寄生二极管在源漏之间产生700mv的压差，此时上拉模块开启，并检测到这一压差，通过上拉模块打开功率mosfet管m。在t2时刻，功率mosfet管m开启，源漏之间的压差降低为导通电流与导通电阻之积，同时上拉模块关闭。而在t1到t2这段时间则是控制电路的开启延时时间。在t2时刻逻辑模块开始计时，在计时t3-t2后，最小开启时间信号由高变为低，而在计时阶段，由于最小开启时间信号继续保持为高，ak电压稳定模块及下拉模块继续保持关闭，避免源漏电压由700mv变为导通电流与导通电阻之积产生的振铃导致功率mosfet管m误关闭的问题。在t1到t3过程中，导通电流一直处于减小状态，所以源漏电压在t2时刻后一直减小。在t3时刻后，即最小开启时间计时结束后，最小开启时间信号由高变为低，开启ak电压稳定模块及下拉模块，关闭上拉模块。

参见图8，此仿真图展示的是功率mosfet管m的关闭阶段波形，在t4时刻之前，功率mosfet管m栅源电压保持为高，导通电流呈现减小状态，所以源漏电压呈现减小状态。当源漏电压减小到ak电压稳定模块开始工作的阈值电压v2时，ak电压稳定模块开始对功率mosfet管m的栅极放电，由于ak电压稳定模块采用的是两个线性比较器，源漏电压越小，放电电流越大，参见图7，当栅源电压放电低于vp-vth时，即图11中t5时刻，m1由关闭变为开启，此时两个线性比较器均工作，开始调整ak源漏之间的电压，使其钳位在一个固定的电压压差上。由于导通电流一直在减小，为恒定源漏电压，故栅源电压呈现减小状态，以保证导通电阻增大。当达到t6时刻时，导通电流减小接近于零，ak电压调整模块无法稳定ak电压，ak电压小于v2，此时栅源电压达到功率mosfet管m的阈值电压以下，关闭功率mosfet管m。在t6到t7时刻之间，导通电流减小为零，源漏电压差下降为零，下拉模块开始工作，将功率mosfet管m的栅极电压快速拉到地。逻辑模块检测到栅极达到地之后，将最小开启时间信号复位为高电平。此时又回到t1时刻之前状态，完成了一个周期的工作。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。