一种变换电路及适配器的制作方法

1.本技术涉及芯片技术领域，尤其涉及一种变换电路及适配器。


背景技术：

2.在适配器中，通常采用整流桥+有源箝位反激(active clamp flyback，acf)电路来实现交流(alternating current，ac)/直流(direct current，dc)转换。其中，整流桥用于实现全波整流，acf电路用于将整流桥的输出电流转换为直流电。
3.现有技术中，acf电路的架构和驱动方案可以如图1所示(图1中仅示出了高侧功率管qh的驱动器，并未示出低侧功率管ql的驱动器)。acf电路包括高侧功率管qh、低侧功率管ql、箝位电容cc、变压器t、二极管d1和负载电容co，控制器通过输出pwm信号到驱动器(driver)来控制高侧管或低侧管的导通和关断，从而实现输入到输出的电压转换。
4.其中，高侧功率管qh的源级接在浮动地sw上，为了使高侧功率管qh完全导通，驱动器的电源vb处的电压需要比sw的电压更高，驱动器才可输出比sw处更高的电压至高侧功率管qh的栅极，使得高侧功率管qh完全导通。现有技术中，通常使用自举电容的技术来实现：在低侧功率管ql导通时，通过vdd给自举电容cb充满电，在低侧功率管ql关断、sw电压抬高时，vb的电压就能达到sw+vdd，即vb处的电压高于sw处的电压。
5.使用自举电容的缺点是：驱动器的工作过程中会持续消耗cb的电容电荷，但cb只有在低侧功率管ql导通、将sw拉到地时才能补电。因此，如果低侧功率管ql处于关断状态的时间过长，vb处的电压降低，会导致vb-sw降低，驱动器进入欠压状态。在欠压状态下，当需要高侧功率管qh开启时，处于欠压状态的驱动器难以使高侧功率管qh导通。
6.为了解决高侧功率管qh的驱动器的电源掉电问题，现有技术中通常采用增大自举电容的容值或者减小驱动器的静态功耗的方式。但是这两种方案只能减慢掉电速度，不能完全解决掉电问题。
7.因此，亟需一种解决acf电路中驱动器电源掉电问题的方案。


技术实现要素：

8.本技术实施例提供一种变换电路及适配器，用以解决acf电路中驱动器电源掉电的问题。
9.第一方面，本技术实施例提供一种变换电路，该变换电路包括有源箝位反激电路、驱动电路和补电功率管。其中，有源箝位反激电路用于进行功率变换；驱动电路用于输出参考电压以及驱动有源箝位反激电路的驱动信号；补电功率管的第一端与有源箝位反激电路的输入端耦合，补电功率管的第二端与驱动电路的电源端耦合，补电功率管的栅极用于接收参考电压。
10.其中，补电功率管的第一端可以为补电功率管的漏极，补电功率管的第二端可以为补电功率管的源极。
11.在第一方面提供的变换电路中增设了补电功率管。补电功率管的栅极用于接收驱
动电路输出的参考电压，补电功率管的源极与驱动电路的电源端耦合。那么，根据补电功率管的导通特性，补电功率管可以在参考电压与驱动电路的电源端的电压之差大于某一电压阈值(vth)时导通。补电功率管导通之后，有源箝位反激电路的输入端与驱动电路的电源端耦合，那么，驱动电路可以通过有源箝位反激电路的输入端补电，从而解决驱动电路的掉电问题。
12.在一种可能的设计中，有源箝位反激电路的输入端跨接有箝位电容，补电功率管的第一端与箝位电容耦合，补电功率管在参考电压与驱动电路的电源端的电压之差大于电压阈值时导通。
13.采用上述方案，驱动电路通过补电功率管与箝位电容耦合。
14.在一种可能的设计中，驱动电路包括驱动器和补电电路。驱动器用于根据输入的控制信号产生驱动信号，驱动信号用于驱动有源箝位反激电路中的第一功率管导通或关断；驱动器的电源端与补电功率管的第二端耦合，驱动器的接地端与第一功率管的源极耦合；补电电路包括二极管和自举电容，二极管的阳极与补电电源耦合，二极管的阴极与自举电容的第一端以及驱动电路的电源端耦合，自举电容的第二端与驱动器的接地端耦合。
15.采用上述方案，可以通过补电电路为驱动电路补电。
16.在一种可能的设计中，补电功率管为耗尽型功率管，该参考电压的电压值小于驱动电路的电源端的电压值。
17.采用上述方案，由于耗尽型功率管导通的阈值电压为负值，其栅极电压与源极电压之差达到上述为负值的阈值时，该耗尽型功率管即可导通，即耗尽型功率管导通时栅极电压小于源极电压。那么，对于驱动电路来说，其输出的参考电压的电压值小于驱动电路的电源端的电压值时补电功率管即可导通，因而驱动电路输出一个小于其电源电压的参考电压即可。在这种情况下，驱动电路中无需额外增加产生参考电压的模块，仅从驱动电路内部某一节点输出参考电压即可。
18.在一种可能的设计中，补电功率管为增强型功率管，参考电压的电压值大于驱动电路的电源端的电压值。
19.采用上述方案，由于增强型功率管导通的阈值电压为正值，其栅极电压与源极电压之差需达到上述为正值的阈值时，该增强型功率管才可导通，即增强型功率管导通时栅极电压要大于源极电压。那么，对于驱动电路来说，其输出的参考电压的电压值大于驱动电路的电源端的电压值时补电功率管才可导通，因而驱动电路需输出一个大于其电源电压的参考电压。在这种情况下，驱动电路中需额外增加用于产生参考电压的模块。
20.示例性地，驱动电路中还包括电荷泵，电荷泵用于产生上述参考电压。
21.在一种可能的设计中，有源箝位反激电路包括：箝位电容；第一功率管，第一功率管的漏极与箝位电容耦合，第一功率管的源极与驱动电路的接地端耦合，第一功率管的栅极与驱动电路的输出端耦合；第二功率管，第二功率管的漏极与第一功率管的源极耦合，第二功率管的源极耦合接地；变压器，变压器包括原边线圈和副边线圈，原边线圈的两端分别与箝位电容以及第一功率管的源极耦合；副边线圈的两端分别与输出二极管的阳极以及负载电容耦合；输出二极管，输出二极管的阴极与负载电容耦合；负载电容，负载电容的两端用于输出直流电。
22.应理解，现有技术中的有源箝位反激电路的结构对本技术实施例同样适用。
23.在一种可能的设计中，第一功率管为增强型功率管，第一功率管与补电功率管集成在同一衬底上。
24.第二方面，本技术实施例提供一种适配器，该适配器包括整流电路以及前述第一方面及其任一可能的设计中提供的变换电路。其中，整流电路用于对输入的交流电进行整流，得到输出电流；变换电路用于将输出电流变换为直流电。
25.另外，应理解，第二方面及其任一种可能设计方式所带来的技术效果可参见第一方面中不同设计方式所带来的技术效果，此处不再赘述。
附图说明
26.图1为现有技术提供的一种acf电路的结构示意图；
27.图2为本技术实施例提供的第一种变换电路的结构示意图；
28.图3为本技术实施例提供的一种有源箝位反激电路的结构示意图；
29.图4为本技术实施例提供的第二种变换电路的结构示意图；
30.图5为本技术实施例提供的一种变换电路中各处电压的波形示意图；
31.图6为本技术实施例提供的第三种变换电路的结构示意图；
32.图7为本技术实施例提供的第四种变换电路的结构示意图；
33.图8为本技术实施例提供的一种适配器的结构示意图。
具体实施方式
34.下面将结合附图对本技术实施例作进一步地详细描述。
35.需要说明的是，本技术实施例中，多个是指两个或两个以上。另外，在本技术的描述中，“第一”、“第二”等词汇，仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。本技术实施例中所提到的“耦合”，是指电学连接，具体可以包括直接连接或者间接连接两种方式。
36.本技术实施例提供一种变换电路。参见图2，变换电路200包括有源箝位反激电路201、驱动电路202和补电功率管203。其中，有源箝位反激电路201用于进行功率变换；驱动电路202用于输出驱动信号和参考电压，该驱动信号用于驱动有源箝位反激电路201；补电功率管203的第一端与有源箝位反激电路201的输入端耦合，补电功率管203的第二端与驱动电路202的电源端耦合，补电功率管203的栅极用于接收参考电压。
37.其中，有源箝位反激电路201用于实现功率变换。功率变换的含义是指将一种类型的电流转换为其他类型的电流，比如，将交流电转换为直流电。本技术实施例中，有源箝位反激电路200可用于将整流桥对交流电进行整流后的输出电流转换为直流电。
38.其中，补电功率管203的第一端可以为补电功率管203的漏极，补电功率管203的第二端可以为补电功率管203的源极。
39.实际应用中，本技术实施例中所述的功率管例如可以是金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，mosfet)、氮化镓(gallium nitride，gan)晶体管、绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transist，igbt)、双极结型晶体管(bipolar junction transistor，bjt)。
40.不难看出，本技术实施例中，变换电路200中增设了补电功率管203。补电功率管
203的栅极用于接收驱动电路202输出的参考电压，补电功率管203的源极与驱动电路202的电源端耦合。那么，根据补电功率管203的导通特性，补电功率管203可以在参考电压与驱动电路201的电源端的电压之差大于某一电压阈值(vth)时导通。补电功率管203导通之后，有源箝位反激电路201的输入端与驱动电路202的电源端耦合，那么，驱动电路202可以通过有源箝位反激电路201的输入端补电，从而解决变换电路200中驱动电路202的掉电问题。
41.具体地，有源箝位反激电路201的输入端跨接有箝位电容，补电功率管203的第一端可以与该箝位电容耦合，进而实现补电功率管203的第一端与有源箝位反激电路201的输入端的耦合。
42.本技术实施例中，有源箝位反激电路201与现有技术中acf电路中的有源箝位反激电路的结构相同。现有技术中acf电路的结构对本技术实施例中的有源箝位反激电路201同样适用。下面列举一个有源箝位反激电路201的结构的具体示例。
43.如图3所示，有源箝位反激电路201包括箝位电容cc、第一功率管qh、第二功率管ql、变压器t、输出二极管d1以及负载电容co。其中，第一功率管的漏极与箝位电容耦合，第一功率管的源极与驱动电路202的接地端耦合，第一功率管的栅极与驱动电路202的输出端耦合；第二功率管的漏极与第一功率管的源极耦合，第二功率管的源极耦合接地；变压器包括原边线圈和副边线圈，原边线圈的两端分别与箝位电容以及第一功率管的源极耦合；副边线圈的两端分别与输出二极管的阳极以及负载电容耦合；输出二极管的阴极与负载电容耦合；负载电容的两端用于输出直流电。
44.具体地，第一功率管qh和第二功率管ql在驱动电路202的驱动下交替导通，可以实现功率变换，有源箝位反激电路201的具体工作原理为现有技术，此处不再赘述。
45.需要说明的是，在有源箝位反激电路201中，仅第一功率管qh的驱动电路涉及补电问题，第二功率管ql的源极接地，因而第二功率管ql的驱动电路不涉及补电问题。因此，本技术实施例中仅讨论第一功率管qh的驱动电路202，实际应用中，第二功率管ql也需要配置驱动电路，以驱动第二功率管ql的导通和关断(本技术实施例的附图中均未示出第二功率管ql的驱动电路)。
46.此外，无论是对于第一功率管qh还是对于第二功率管ql，其驱动电路均可以根据控制信号产生对应的驱动信号(驱动电压)。实际应用中，控制信号可以为脉冲宽度调制(pulse width modulation，pwm)信号。示例性地，pwm信号的上升沿用于指示驱动电路驱动功率管导通，pwm信号的下降沿用于指示驱动电路驱动功率管关断。
47.本技术实施例中，用于驱动第一功率管qh的驱动电路202可以包括驱动器和补电电路。如图4所示，驱动器用于根据输入的控制信号产生驱动信号，驱动信号用于驱动第一功率管qh导通或关断；驱动器的电源端与补电功率管203(图4中用vc表示)的源极耦合，驱动器的接地端与第一功率管qh的源极耦合；补电电路中包括二极管db和自举电容cb，二极管db的阳极与补电电源vdd耦合，二极管db的阴极与自举电容cb的第一端以及驱动电路202的电源端vb耦合，自举电容cb的第二端与驱动器的接地端耦合。
48.需要说明的是，在本技术实施例的描述中，驱动器的电源端即驱动电路202的电源端，驱动器的接地端即驱动电路202的接地端。
49.在图4所示的变换电路200中，当第二功率管ql导通时，通过补电电源vdd给自举电容cb充电，此时vb电压不断升高，补电功率管qs处于关断状态；当第二功率管ql关断时，随
着有源箝位反激电路201的工作状态的转换sw很快抬高，此外，随着驱动器的工作，自举电容cb的电荷不断消耗，vb处电压不断降低，因而vb与sw的电压之差逐渐减小。当vb与sw的电压之差减小至vc-vth-sw时(相当于vb不断降低，直至vc
–
vb＝vth，vth为补电功率管qs导通的电压阈值)，补电功率管qs导通，自举电容cb可以通过补电功率管qs与箝位电容cc耦合，进而为自举电容cb补电，使得vb与sw的电压之差不再减小。因此，即使第二功率管ql长期处于关断状态，vb与sw的电压之差也不会持续降低。当驱动电路202需要驱动第一功率管qh导通时，vb-sw不至于过低，因而驱动器可以正常驱动第一功率管qh导通，从而避免出现现有技术中所述的驱动器欠压的问题，进而从根本上解决了第二功率管ql关断时驱动器电源掉电的问题。
50.如图5所示，为采用图4所示的变换电路200时，vb与sw的电压之差以及第二功率管ql的驱动电路的控制信号vql的波形示意图。从图5可以看出，vql处于下降沿时，第二功率管ql的驱动电路根据控制信号vql控制第二功率管ql关断。随着第二功率管ql的关断，vb-sw不断降低，直至降低到vc-vth-sw，补电功率管qs导通，从而为自举电容cb补电，使得vb-sw保持在正常电位。这样的话，当驱动电路202需要驱动第一功率管qh导通时，vb-sw不至于过低，因而不会出现驱动器电源掉电的问题。
51.本技术实施例中，第一功率管和第二功率管可以均为增强型功率管，例如可以是增强型gan。补电功率管可以是耗尽型功率管(例如耗尽型gan)，也可以是增强型功率管(例如增强型gan)。
52.增强型功率管与耗尽型功率管的区别在于：增强型功率管导通的阈值电压为正值，耗尽型功率管导通的阈值电压为负值。也就是说，对于耗尽型功率管，栅极电压与源极电压之差达到上述为负值的阈值时，该耗尽型功率管即可导通，即耗尽型功率管导通时栅极电压小于源极电压；而对于增强型功率管，栅极电压与源极电压之差需达到上述为正值的阈值时，该增强型功率管才可导通，即增强型功率管导通时栅极电压要大于源极电压。
53.如前所述，补电功率管203的栅极用于接收驱动电路202输出的参考电压，补电功率管203的源极与驱动电路202的电源端耦合。
54.若补电功率管203为耗尽型功率管，那么参考电压的电压值小于驱动电路202的电源端的电压值时补电功率管203即可导通，因而驱动电路202输出一个小于其电源电压的参考电压即可。在这种情况下，驱动电路202中无需额外增加产生参考电压的模块，仅从驱动电路202内部某一节点输出参考电压即可。
55.若补电功率管203为增强型功率管，那么参考电压的电压值大于驱动电路202的电源端的电压值时补电功率管203才可导通，因而驱动电路202需输出一个大于其电源电压的参考电压。在这种情况下，驱动电路202中需额外增加用于产生参考电压的模块，比如，驱动电路202中还可以包括电荷泵(charge pump，cp)，cp用于产生参考电压。cp的特点是，在输入电压较低的情况下，可以产生一个高于输入电压的输出电压。
56.此外，本技术实施例中，第一功率管与补电功率管203可以集成在同一衬底上。比如，第一功率管与补电功率管203可以集成在同一硅衬底上，从而节省芯片面积。
57.综上，本技术实施例提供的变换电路200中增设了补电功率管203。补电功率管203的栅极用于接收驱动电路202输出的参考电压，补电功率管203的源极与驱动电路202的电源端耦合。那么，根据补电功率管203的导通特性，补电功率管203可以在参考电压与驱动电
路201的电源端的电压之差大于某一电压阈值时导通，即补电功率管203可以在驱动电路202的电源掉电至一定程度后导通。补电功率管203导通之后，有源箝位反激电路201的输入端与驱动电路202的电源端耦合，那么，驱动电路202可以通过有源箝位反激电路201的输入源补电，从而解决变换电路200中驱动电路202的掉电问题。
58.下面通过两个具体示例对本技术实施例提供的变换电路200进行介绍。
59.示例一
60.本技术实施例提供的变换电路200的一种可能的结构示意图可以如图6所示。
61.在图6所示的变换电路中，补电功率管qs采用耗尽型gan，第一功率管qh采用增强型gan，两管集成在一起。驱动电路中产生一个低于vb的参考电压vc连接到补电功率管qs的栅极。第二功率管ql关断后，自举电容cb持续掉电，当vb处的电压降到特定值时，参考电压vc-vb大于补电功率管qs的阈值电压，则补电功率管qs开通，形成了vs到vb的补电通道，使vs可以为自举电容cb充电，恢复vb处的电压，从而解决驱动器的掉电问题。
62.实施例二
63.本技术实施例提供的变换电路200的一种可能的结构示意图可以如图7所示。
64.在图7所示的变换电路中，补电功率管qs和第一功率管qh都采用增强型gan，两管集成在一起。在驱动电路中使用cp产生一个高于vb的电压vc去控制补电功率管qs。第二功率管ql关断后，自举电容cb持续掉电，当vb处的电压降到特定值时，参考电压vc-vb大于补电功率管qs的阈值电压，则补电功率管qs开通，形成了vs到vb的补电通道，使vs可以为自举电容cb充电，恢复vb处的电压，从而解决驱动器的掉电问题。
65.基于同一发明构思，本技术实施例还提供一种适配器。如图8所示，该适配器800包括整流电路801以及变换电路200。其中，整流电路801用于对输入的交流电进行整流，得到输出电流；变换电路200用于将整流电路801的输出电流变换为直流电。
66.需要说明的是，适配器800中未详尽描述的实现方式可以参见变换电路200中的相关描述，此处不再赘述。
67.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。