專利名稱：低壓輸出同步整流管的自驅動電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及低壓輸出同步整流管的自驅動電路，屬電源領域。特別是指集成電路的電源。采用肖特基二極管作為輸出整流二極管，其正向導通壓降約為0.4～0.6V，因此在低壓大電流輸出時，輸出二極管上的導通損耗很大。由于低電壓功率MOSFET的導通電阻很小，80年代初即陸續(xù)將其應用于低壓輸出的DC-DC開關電源，稱為同步整流管(Synchronous Rectifier)。
同步整流管的驅動方式有外驅動(Externally-driven)和自驅動(Self-driven)兩種。外驅動方式雖然運用起來比較靈活，但卻增加了電路的復雜性與成本，并相應使電路的可靠性下降。因此在小功率DC-DC變換器中同步整流管的驅動電路通常采用自驅動方式。

圖1(A)給出了一種不對稱半橋電路中常用的自驅動電路，圖1(B)則是電路中各點主要的波形。其中，Vgs1，Vgs2為不對稱半橋電路的主功率MOSFET的門極電壓波形，Vp為變壓器原邊電壓波形，Vgs3，Vgs4為同步整流管的門極電壓波形。雖然這種自驅動電路十分簡單，但它只適合于輸出電壓為3V到6V的DC-DC變換器。根據圖1，可得同步整流管S3和S4的門極電壓為Vgs3=2NsNpDVin=2NDVin=Vo1-D---(1)]]>Vgs4=2NsNp(1-D)Vin=2(1-D)NVin=VoD---(2)]]>其中，Vin為輸入電壓、Vo為輸出電壓、D為穩(wěn)態(tài)工作的占空比、N為變壓器原邊到副邊的匝比(以下同)。
如果假設電路在滿載時，穩(wěn)態(tài)占空比為30％，則Vgs3大約為1.4Vo，而Vgs4大約為3.3Vo。因為大多數同步整流管的門極驅動電壓為4V到20V之間，因此只有當輸出電壓在2.9V到6V時電路才能正常工作。因為當輸出電壓低于2.9V時，同步整流管S3無法驅動，而當輸出電壓大于6V時，同步整流管S4會因為門極電壓過高而損壞。
圖2(A)給出了不對稱半橋電路中同步整流管的另一種自驅動電路。其在圖1(A)的基礎上增加了一個驅動繞組Na、兩個二極管D1、和D2、兩個穩(wěn)壓管ZD1、和ZD2，從而極大地改善了同步整流管的自驅動性能，圖2(B)則是電路中各點主要的波形，其中Vgs1，Vgs2為不對稱半橋電路的主功率MOSFET的門極電壓波形，Vp為變壓器原邊電壓波形，VNa為驅動繞組上的電壓波形，Vgs3，Vgs4為同步整流管的門極電壓波形。由圖2可得同步整流管S3和S4的門極電壓為Vgs3=NaNpDVin---(3)]]>Vgs4=NaNp(1-D)Vin---(4)]]>該同步整流管的自驅動電路與前述電路相比，其優(yōu)點為(1)將(3)式、(4)式與(1)式、(2)式比較可知，當輸入電壓Vin、穩(wěn)態(tài)工作的占空比D及變壓器的原副邊匝數Np、Ns一定時，改進后的同步整流管的驅動電壓仍能通過調整驅動繞組Na的匝數，使同步整流管在電源輸出電壓低于3V或高于6V時都能獲得正常工作所需的驅動電壓。(2)當同步整流管S3導通時，二極管D1將同步整流管S4的門極電壓鉗位于零電壓。從而在保證同步整流管S4可靠關斷的同時又不增加其門極的驅動損耗。二極管D2對同步整流管S4的作用也是如此。(3)當同步整流管S3(S4)導通時，穩(wěn)壓管ZD1(ZD2)對門極的過電壓有抑制作用，從而保護了門極，使其正常工作；而D1、D2則確保S4、S3不出現(xiàn)共同導通現(xiàn)象。
該電路曾一度滿足了工業(yè)界對同步整流管自驅動電路的要求，但隨著近年來集成電路的電源電壓的進一步降低，該電路的運用則受到了極大的挑戰(zhàn)。如圖2(A)所示，該電路在實際應用中有一個隱含的前提2Ns≥Na(5)如果2Ns≤Na，則Na，D1，2Ns和ZD1(或者是Na，D2，2Ns和ZD2)所構成的回路將使線圈Na短路。而當輸出電壓很低時，為了保證同步整流管也能正常導通，則在減小Ns的同時Na卻無法減小。從而當輸出電壓低到一定程度時，如圖2(A)所示的自驅動電路將無法工作。
本發(fā)明的目的是要提供一種改進型的低壓輸出同步整流管的自驅動電路，使輸出電壓很低時也能獲得正常工作的驅動電壓。
本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的低壓輸出同步整流管的自驅動電路，包括不對稱半橋的主功率MOSFET S1、S2，變壓器Tr，同步整流管S3、S4，一個電容Cb，一個驅動繞組Na，兩個二極管D1和D2、兩個穩(wěn)壓管ZD1和ZD2，所述同步整流管S3、S4的門極電壓分別為Vgs3=NaNpDVin]]>Vgs4=NaNp(1-D)Vin]]>調整所述驅動繞組Na的匝數使同步整流管在電源輸出電壓低于3V或高于6V時均能獲得正常工作的驅動電壓；所述二極管D1、D2和穩(wěn)壓管ZD1、ZD2的作用是當所述同步整流管S3導通時，二極管D1和穩(wěn)壓管ZD2將同步整流管S4的門極電壓鉗位于零電壓；當所述同步整流管S4導通時，二極管D2和穩(wěn)壓管ZD1將同步整流管S3的門極電壓鉗位于零電壓；ZD1和ZD2抑制門極電壓，保護門極正常工作，D1和D2使S3、S4不同時導通；其特征在于還設有二個三極管Q1、Q2，所述三極管Q1、Q2的作用是當同步整流管S4導通時，三極管Q1關斷，切斷Na，D1，2Ns和ZD1所構成的回路；而當同步整流管S3導通時，三極管Q2關斷，切斷Na，D2，2Ns和ZD2所構成的回路。
本發(fā)明的低壓輸出同步整流管的自驅動電路還設有兩個三極管門極電阻R1和R2、二個電容C1和C2，電阻R1和R2的作用是避免三極管產生誤動作，所述電容C1、C2的作用是加速三極管Q1、Q2的開通，從而確保同步整流管S4、S3不出現(xiàn)共同導通現(xiàn)象。
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
圖1(A)是現(xiàn)有技術不對稱半橋電路中常用的自驅動電路。
圖1(B)是圖1(A)中各點的主要波形(D＜50％)。
圖2(A)是現(xiàn)有技術另一種不對稱半橋電路的自驅動電路。
圖2(B)是圖2(A)中各點的主要波形。
圖3是本發(fā)明不對稱半橋電路的自驅動電路。
圖4是本發(fā)明正激電路的自驅動電路。
圖5是本發(fā)明全橋電路的自驅動電路。
圖6是本發(fā)明對稱半橋電路的自驅動電路。
圖7是本發(fā)明正-反激混合型電路的自驅動電路。
圖1、2為現(xiàn)有技術，在前面已經說明。參照圖3，我們可以清楚地看到，本發(fā)明增加了兩個三極管Q1和Q2，兩個電容C1和C2以及兩個三極管門極電阻R1和R2，其電路中各點主要的波形與圖2(B)相同，且兩個同步整流管的門極電壓的表達式也與(3)式、(4)式相同。當同步整流管S4導通時，三極管Q1關斷，切斷了Na，D1，2Ns和ZD1所構成的回路，防止當了2Ns≤Na時，線圈Na發(fā)生短路。從而使同步整流管在電源輸出電壓很低(即2Ns≤Na)時也能獲得正常工作的驅動電壓。三極管Q2對同步整流管S3的作用也是如此。當同步整流管S4導通時，三極管Q2開通，Q2與二極管D2所構成的支路將同步整流管S3的門極電壓鉗位于零電壓。從而在保證同步整流管S3可靠關斷的同時又不增加其門極的驅動損耗。三極管Q1與二極管D1對同步整流管S4的作用也是如此。電容C1、C2的作用是加速三極管Q1、Q2的開通，從而確保同步整流管S4、S3不出現(xiàn)共同導通現(xiàn)象。當同步整流管S3(S4)導通時，穩(wěn)壓管ZD1(ZD2)對門極的過電壓有抑制作用，從而保護了門極，使其正常工作。
該自驅動電路不僅可以用于不對稱半橋電路，還可以應用于正激電路(如圖4)、全橋電路(如圖5)、對稱半橋電路(如圖6，其中包括占空比接近50％的零電壓型半橋電路)、正-反激混合型電路(如圖7)等?？傊?，該電路的結構并不復雜、但可靠性高，應用前景十分廣闊。
權利要求
1.低壓輸出同步整流管的自驅動電路，包括不對稱半橋的主功率MOSFETS1、S2，變壓器Tr，同步整流管S3、S4，一個電容Cb、一個驅動繞組Na，兩個兩極管D1和D2、兩個穩(wěn)壓管ZD1和ZD2，所述同步整流管S3、S4的門極電壓分別為Vgs3=NaNpDVin]]>Vgs4=NaNp(1-D)Vin]]>調整所述驅動繞組Na的匝數使同步整流管在電源輸出電壓低于3V或高于6V時均能獲得正常工作的驅動電壓；所述二極管D1、D2和穩(wěn)壓管ZD1、ZD2的作用是當所述同步整流管S3導通時，二極管D1和穩(wěn)壓管ZD2將同步整流管S4的門極電壓鉗位于零電壓；當所述同步整流管S4導通時，二極管D2和穩(wěn)壓管ZD1將同步整流管S3的門極電壓鉗位于零電壓；ZD1和ZD2抑制門極電壓，保護門極正常工作，D1和D2使S3、S4不同時導通；其特征在于還設有二個三極管Q1、Q2，所述三極管Q1、Q2的作用是當同步整流管S4導通時，三極管Q1關斷，切斷Na，D1，2Ns和ZD1所構成的回路；而當同步整流管S3導通時，三極管Q2關斷，切斷Na，D2，2Ns和ZD2所構成的回路。
2.如權利要求1所述的低壓輸出同步整流管的自驅動電路，其特征在于還設有兩個三極管門極電阻R1、R2，以避免三極管產生誤動作。
3.如權利要求2所述的低壓輸出同步整流管的自驅動電路，其特征在于還設有電容C1、C2，所述電容C1、C2的作用是加速三極管Q1、Q2的開通，從而確保同步整流管S4、S3不出現(xiàn)共同導通現(xiàn)象。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低壓輸出同步整流管的自驅動電路,包括不對稱半橋的主功率MOSFETS
文檔編號H02M7/12GK1380739SQ01105958
公開日2002年11月20日 申請日期2001年4月10日 優(yōu)先權日2001年4月10日
發(fā)明者華桂潮, 姜熠 申請人:伊博電源(杭州)有限公司