一种同步整流转换器的制作方法

1.本发明涉及变换器整流技术领域，尤其涉及一种同步整流转换器。


背景技术：

2.随着电子产品的发展和市场对电子产品需求的日益提升，开关电源工作频率越来越高，为了降低功耗，则需要降低电源的工作电压，使得开关电源在低压、大电流输出状态下，次级整流二极管损耗占比重也会快速上升。然而中小功率的电源模块领域应用中大多采用二极管整流方式，输出电压较低的情况下会出现整流损耗问题，采用同步整流技术的转换器工作于轻载情况时会产生反向环流，造成能量损耗，这样导致电源的工作效率降低。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种可以屏蔽同步整流管开关瞬间的电压浪涌造成的误触发信号、提高系统工作可靠性和降低能耗的同步整流转换器，来解决上述存在的技术问题，具体采用以下技术方案来实现。
4.本发明提供了一种同步整流转换器，包括：
5.比较模块，包括两个比较器，通过分别对所述比较器设置不同的翻转阈值电压产生开启信号与关断信号，用于对漏源电压v
ds
的变化进行采样；
6.导通模块，在整流开关管sr开启后，用于规避sr管在开启瞬间基于所述漏源电压v
ds
波动产生的误触发信号，设置最小导通时间t1，在t1时间内禁止所述sr管关断；
7.关断模块，当检测到漏源电压v
ds
为负时，比较器判断sr管为dcm模式死区时间的谐振或sr管导通整流，并生成屏蔽信号t2，阻止在死区时间比较器翻转而触发sr管开启；
8.保护模块，在电压降到临界工作电压时，启动保护动作切断电路工作，所述保护模块包括电流检测单元、电压放大单元、相位前移单元、零点比较单元和光耦隔离单元，所述电流检测单元包括电流互感器ct和电阻r1组成，输出电容与变压器次级电感的高频谐振电流经过电流互感器ct采样后感应至次级侧，次级侧电流在电阻r1上产生对应的压降，输出至下一单元；所述电压放大单元包括运算放大器opa1、电阻r2与电阻r3，运算放大器opa1的正相端接地，负相端经电阻r2接入电流检测模块的输出电压，在运算放大器opa1的输出端和反相端之间接电阻r3，运算放大器对前一单元中的电流互感器的输出电压进行放大，r2与r3的比值为电压放大倍数，且对输入的电压信号进行反向变换；相位前移单元包括运算放大器opa2、电阻r4、电阻r5、可调电阻r6和电容c1，输入信号从远算放大器opa2的正相端输入，电阻r4、电阻r5和电容c1串联接地后接入opa2的负向端，r5与opa2输出端之间加入电阻r6，r6用于调节相位的前移时间；所述零点比较单元包括比较器com与电阻r7组成，调节后的相位前移信号经过电阻r7接入比较器com的正相端，com的负向端接地，比较正相端信号与零电压的大小，将输入的谐振电流转换为方波信号；所述光耦隔离单元包括光耦合器opt、限流电阻r8与上拉电阻r9，方波信号经过电阻r8接入光耦合器opt的发光侧，r8限流保护二极管且opt的三极管侧输出电流信号，电流信号接入控制模块成为同步整流中次级电
流反向时刻的触发信号；
9.控制模块，对导通模块和关断模块产生的屏蔽信号t2和t1进行处理，判断是否开启新的同步整流周期，对驱动电路赋初始状态，初始状态时整流开关管sr栅极驱动电压为低，sr管为关断。
10.作为上述技术方案的进一步改进，同步整流转换器还包括：
11.基准模块，给同步整流转换器提供预设基准电压，且预设电压在高温区域维持平稳，以使电路正常运行；
12.供电模块，当外电路电压未建立时，产生一个比电源电压低的电压作为电路的供电电压。
13.作为上述技术方案的进一步改进，同步整流转换器还包括：
14.驱动模块，使用上拉pmos和下拉nmos对sr管的推挽结构，以提供驱动电流使sr管快速开启；
15.输出模块，用于检测输出电压过冲或欠冲情况并进行控制。
16.作为上述技术方案的进一步改进，同步整流转换器的工作过程包括：
17.在系统开启工作后，电源电压正式建立之前，sr管中的寄生二极管实现整流；
18.随着系统的逐步运行，电源电压增大到临界值，同步整流转换器开始上电并开启同步整流模式，当t1计时结束后，若系统检测到v
ds
《-350mv，使sr管导通；
19.在sr管导通后，sr管的关断经过误关断检测，t2计时结束使系统关断sr管；
20.在同步整流过程中，若检测到电源供电电压下降至保护模块的关断电压时，系统将会断开sr管，此时用寄生体二极管代替sr管完成整流，知道直流电源供电电压升高到保护模块的开启电压，系统再回到同步整流模式。
21.作为上述技术方案的进一步改进，当变压器的次级侧电感电流过零时，电流检测单元产生触发信号并使整流mos管截止，抑制反向环流的产生。
22.作为上述技术方案的进一步改进，sr管的计时时间开始于v
ds
电压值第一次达到导通阈值电压v1时，确定t1为最小导通时间，在t1时间段内检测的开关信号不能判定为有效，在完成计时后，开关信号到达驱动级控制sr管，并进行sr管的导通或者关断。
23.作为上述技术方案的进一步改进，当sr管处于关断时，v
ds
的浪涌电压出现误触发信号，关断模块对其进行有效性判定；
24.若信号检测为无效，则不进行关断操作，若电压信号v
ds
《-350mv，则判定为无效，栅极gate在t2计时时间结束前保持低电平状态；
25.当计时时间结束时，gate由锁定状态唤醒为高电平，系统开始正常的开关动作。
26.本发明提供了一种同步整流转换器，相对于现有技术，具有以下的有益效果：
27.通过将比较模块、导通模块、关断模块、保护模块和控制模块依次连接，导通模块在整流开关管sr开启后，用于规避sr管在开启瞬间基于所述漏源电压v
ds
波动产生的误触发信号，设置最小导通时间t1，在t1时间内禁止所述sr管关断，关断模块为当检测到漏源电压v
ds
为负时，比较器判断sr管为dcm模式死区时间的谐振或sr管导通整流，并生成屏蔽信号t2，阻止在死区时间比较器翻转而触发sr管开启，采用导通模块和关断模块的计时方式来保证sr管的正常可靠运行，提高了同步整流转换器的工作效率。保护模块中设置电流检测单元、电压放大单元、相位前移单元、零点比较单元和光耦隔离单元，控制模块通过检测电
感电流信号从正向减小且开始反向为负时，驱动模块允许整流管反向导通，通过多次lc谐振将环流部分的能量充分回收，一部分反馈至输入电源，而另一部分通过统一周期内整流管的第二次开启传递至输出模块，该电路中环流能量没有损耗而被回收利用，简化了线路结构，同时也可以解决环流问题，降低了能耗，提高了同步整流转换器的工作稳定性。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
29.图1为本发明实施例提供的同步整流转换器的结构框图；
30.图2为本发明实施例提供的同步整流转换器的电路图；
31.图3为本发明实施例提供的保护模块的电路图；
32.图4为本发明实施例提供的同步整流转换器的工作流程图。
33.主要元件符号说明如下：
34.10-同步整流转换器；11-比较模块；12-导通模块；13-关断模块；14-保护模块；141-电流检测单元；142-电压放大单元；143-相位前移单元；144-零点比较单元；145-光耦隔离单元；15-控制模块；16-基准模块；17-供电模块；18-驱动模块；19-输出模块。
具体实施方式
35.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
37.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.参阅图1、图2和图3，本发明提供了一种同步整流转换器10，包括：
39.比较模块11，包括两个比较器，通过分别对所述比较器设置不同的翻转阈值电压产生开启信号与关断信号，用于对漏源电压v
ds
的变化进行采样；
40.导通模块12，在整流开关管sr开启后，用于规避sr管在开启瞬间基于所述漏源电压v
ds
波动产生的误触发信号，设置最小导通时间t1，在t1时间内禁止所述sr管关断；
41.关断模块13，当检测到漏源电压v
ds
为负时，比较器判断sr管为dcm模式死区时间的
谐振或sr管导通整流，并生成屏蔽信号t2，阻止在死区时间比较器翻转而触发sr管开启；
42.保护模块14，在电压降到临界工作电压时，启动保护动作切断电路工作，所述保护模块14包括电流检测单元141、电压放大单元142、相位前移单元143、零点比较单元144和光耦隔离单元145，所述电流检测单元141包括电流互感器ct和电阻r1组成，输出电容与变压器次级电感的高频谐振电流经过电流互感器ct采样后感应至次级侧，次级侧电流在电阻r1上产生对应的压降，输出至下一单元；所述电压放大单元142包括运算放大器opa1、电阻r2与电阻r3，运算放大器opa1的正相端接地，负相端经电阻r2接入电流检测模块的输出电压，在运算放大器opa1的输出端和反相端之间接电阻r3，运算放大器对前一单元中的电流互感器的输出电压进行放大，r2与r3的比值为电压放大倍数，且对输入的电压信号进行反向变换；相位前移单元143包括运算放大器opa2、电阻r4、电阻r5、可调电阻r6和电容c1，输入信号从远算放大器opa2的正相端输入，电阻r4、电阻r5和电容c1串联接地后接入opa2的负向端，r5与opa2输出端之间加入电阻r6，r6用于调节相位的前移时间；所述零点比较单元144包括比较器com与电阻r7组成，调节后的相位前移信号经过电阻r7接入比较器com的正相端，com的负向端接地，比较正相端信号与零电压的大小，将输入的谐振电流转换为方波信号；所述光耦隔离单元包145括光耦合器opt、限流电阻r8与上拉电阻r9，方波信号经过电阻r8接入光耦合器opt的发光侧，r8限流保护二极管且opt的三极管侧输出电流信号，电流信号接入控制模块15成为同步整流中次级电流反向时刻的触发信号；
43.控制模块15，对导通模块12和关断模块13产生的屏蔽信号t2和t1进行处理，判断是否开启新的同步整流周期，对驱动电路赋初始状态，初始状态时整流开关管sr栅极驱动电压为低，sr管为关断。
44.本实施例中，同步整流转换器10用于开关变换器副边，通过产生标准电平或逻辑电平信号，驱动n沟道功率mos管实现整流功能，在低压输出的隔离性开关电源中应用。当变压器的原边主开关管sw开启时，原边电感储能，此时由控制模块15来关断sr管，由电容c0给负载提供能量。当sw关断时，原边绕组异名端电压会快速降低至零，此时副边绕组异名端电压即sr管的漏极电压也迅速减小，当漏极电压减小至小于sr管的源极电压时，sr管的寄生体二极管导通，给电容c0充电。控制模块15通过vd端监测sw开关的前后造成的sr管漏源电压的变化来产生驱动信号，控制sr管的开启或关断。同步整流转换器10还包括基准模块16和供电模块17，基准模块16为给同步整流转换器10提供预设基准电压，且预设电压在高温区域维持平稳，以使电路正常运行，供电模块17为当外电路电压未建立时，产生一个比电源电压低的电压作为电路的供电电压。同步整流转换器10还包括驱动模块18和输出模块19，驱动模块18为使用上拉pmos和下拉nmos对sr管的推挽结构，以提供驱动电流使sr管快速开启，输出模块19用于检测输出电压过冲或欠冲情况并进行控制。
45.需要说明的是，比较模块11是采用两个比较器结构，将开启信号与关断信号的电压进行比较，以达到对漏源电压v
ds
变化精确采样的目的。导通模块12为最小导通时间模块，在sr管已经开启后，能够良好地规避sr管在开启瞬间因为漏源电压v
ds
的波动而产生误触发信号，设置最小导通时间t1，在t1时间内禁止sr关断，保证了sr管在一个周期内能够安全可靠的工作。关断模块13为最小关断时间模块即误开启检测模块，生成屏蔽信号t2，防止在死区时间由于比较器翻转而误触发sr管而出现开启的情况。基准模块16为带隙基准模块，为芯片全局提供1.2v的基准电压，此电压在高温区域可以维持平稳，使得电路可以实现正常
运行。相位前移单元143中的r6是可调电阻，用于调节相位的前移时间，当r6的阻值增加时，相位的前移量也会相应增加，反之相位前移量越小，调节时间受驱动模块、sr管与控制模块15的延迟时间影响，调节时间后确保在谐振电流过零的时刻整流mos的开关状态发生改变。mos具有双向导通性可以使同步整流转换器在使用同步整流时，当负载电流逐渐减小时不能自主进入dcm，而是会反向导通使电路进入强迫连续工作模式fccm，驱动控制模式即通过使用合适的控制模块15来控制整流管sr的栅极驱动电压，使其在进入fccm模式前关断整流管，可以抑制反向环流的产生。
46.应理解，sr管中的mos选择高耐压的mos，与mos源极连接的二极管选择低耐压的肖特基二极管使电路具有更好的正向导通特性，由于二极管正向导通时，其正向压降是由一个恒定的门槛电压和一个和正向电流有关的动态电阻构成，这个恒定的门槛电压会在整个电流范围内影响正向导通特性，动态电阻相对于正向导通压降的影响不大。当系统进行同步整流后，在重载情况下能够明显减小损耗，但在轻载情况时由于mos管的双向导通性会带来反向环流问题，从而产生环流损耗，应用于重载时带来的附加损耗有整流mos管的部分损耗，二在轻载时还有额外的反向环流损耗。该保护模块14的控制环流抑制电路可以更加精准的检测到变压器次级电流下降为零的时刻且及时关断整流管防止产生反向环流，可以有效简化电路并提高芯片的集成度。
47.参阅图4，可选地，同步整流转换器的工作过程包括：
48.s1：在系统开启工作后，电源电压正式建立之前，sr管中的寄生二极管实现整流；
49.s2：随着系统的逐步运行，电源电压增大到临界值，同步整流转换器开始上电并开启同步整流模式，当t1计时结束后，若系统检测到v
ds
《-350mv，使sr管导通；
50.s3：在sr管导通后，sr管的关断经过误关断检测，t2计时结束使系统关断sr管；
51.s4：在同步整流过程中，若检测到电源供电电压下降至保护模块的关断电压时，系统将会断开sr管，此时用寄生体二极管代替sr管完成整流，知道直流电源供电电压升高到保护模块的开启电压，系统再回到同步整流模式。
52.本实施例中，电路通过vd端直接采样sr管的漏源电压v
ds
，当变压器次级退磁开始时，次级侧电流流过体二极管，电压v
ds
将降低至约为-700mv，低于sr管的开启阈值电压v1即-350mv，若d端检测到此负电压时，驱动输出电压v0被拉高，在约为100ns的延迟时间后接通sr管。在sr管导通之后，设置有t1为1.9μs的最小导通时间，以屏蔽副边高频振荡造成的误关断信号。随着变压器继续退磁，漏极电压持续升高，当漏极电压上升至sr管关断阈值电压v2为-5mv以上时，即检测到零电流，此时驱动电压v0很快被下拉至接地端，在t2约为75ns的较短延迟时间内，将sr管快速关断。
53.需要说明的是，当变压器的次级侧电感电流过零时，电流检测单元产生触发信号并使整流mos管截止，抑制反向环流的产生。sr管的计时时间开始于v
ds
电压值第一次达到导通阈值电压v1时，确定t1为最小导通时间，在t1时间段内检测的开关信号不能判定为有效，在完成计时后，开关信号到达驱动级控制sr管，并进行sr管的导通或者关断。当sr管处于关断时，v
ds
的浪涌电压出现误触发信号，关断模块对其进行有效性判定；若信号检测为无效，则不进行关断操作，若电压信号v
ds
《-350mv，则判定为无效，栅极gate在t2计时时间结束前保持低电平状态；当计时时间结束时，gate由锁定状态唤醒为高电平，系统开始正常的开关动作。
54.应理解，当检测到v
ds
电塔降低到sr管的导通阈值电压时，驱动sr管导通，而寄生体二极管则被短路，副边电流经过sr管形成回路，并逐渐减小，在副边电感电流下降时，相应的v
ds
电压会线性增长，在对v
ds
进行检测时，其值超过了断开阈值电压后，可以将sr管断开，此时该阈值电压下的电感电流开始接近零值，而sr管关断时或关断后，都会存在着较小的副边电流经过体二极管，而它的导通将会持续续流，直至副边电感电流衰减到零值，降到零值后相应的体二极管开始截止，对应v
ds
电压开始出现振铃现象。导通模块和关断模块保证了sr管在一个整流周期内不会有多次错误的开启或关断操作，可以提升系统的可靠性。
55.本发明提供了一种同步整流转换器，通过将比较模块、导通模块、关断模块、保护模块和控制模块依次连接，导通模块在整流开关管sr开启后，用于规避sr管在开启瞬间基于所述漏源电压v
ds
波动产生的误触发信号，设置最小导通时间t1，在t1时间内禁止所述sr管关断，关断模块为当检测到漏源电压v
ds
为负时，比较器判断sr管为dcm模式死区时间的谐振或sr管导通整流，并生成屏蔽信号t2，阻止在死区时间比较器翻转而触发sr管开启，采用导通模块和关断模块的计时方式来保证sr管的正常可靠运行，提高了同步整流转换器的工作效率。保护模块中设置电流检测单元、电压放大单元、相位前移单元、零点比较单元和光耦隔离单元，控制模块通过检测电感电流信号从正向减小且开始反向为负时，驱动模块允许整流管反向导通，通过多次lc谐振将环流部分的能量充分回收，一部分反馈至输入电源，而另一部分通过统一周期内整流管的第二次开启传递至输出模块，该电路中环流能量没有损耗而被回收利用，简化了线路结构，同时也可以解决环流问题，降低了能耗，提高了同步整流转换器的工作稳定性，降低了硬件成本。
56.在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
57.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
58.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。