專利名稱：一種全橋整流線路中同步整流器的控制線路和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)電源領(lǐng)域，特別是涉及一種直流-直流全橋整流變換器中同步整流器的控制線路和方法。
背景技術(shù)：
同步整流技術(shù)是現(xiàn)代電源設(shè)計(jì)中一項(xiàng)非常重要的新技術(shù)。它是在傳統(tǒng)的電源拓?fù)渲?，采用功率MOSFET來取代整流二極管以降低整流損耗，提高電壓變換器的效率。用功率MOSFET做整流器時(shí)，要求門極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步，故稱之為同步整流。近年來，電子技術(shù)的發(fā)展，特別是數(shù)據(jù)處理和傳輸速度的快速提升，對(duì)電源的功率和功率密度的要求不斷上升，使提高變換器的效率成為實(shí)現(xiàn)高功率和高功率密度的關(guān)鍵。整流二極管的導(dǎo)通損耗所占輸出功率的比例(即對(duì)效率的影響)基本可以從整流二極管導(dǎo) 通壓降與輸出電壓的比例來確定。輸出電壓越低，二極管壓降所帶來的效率損失就越大。快恢復(fù)二極管(FRD)或超快恢復(fù)二極管的導(dǎo)通壓降約為I. 0 I. 2V，即使采用低壓降的肖特基二極管也會(huì)產(chǎn)生大約0. 6V的壓降。以5V輸出電壓為例，僅肖特基二極管導(dǎo)通損耗就占了大于輸出功率的10%，因而獲得大于90%轉(zhuǎn)化效率是不可能的。因此，傳統(tǒng)的二極管整流電路已無法滿足實(shí)現(xiàn)高效率及小體積的需要，成為制約直流-直流變換器發(fā)展的瓶頸。而同步整流技術(shù)可以大大減少開關(guān)電源輸出端的整流損耗，從而提高轉(zhuǎn)換效率，降低電源本身發(fā)熱，使高性能高功率密度成為可能。在直流-直流變換器中，一般功率相對(duì)較小的設(shè)計(jì)多采用單端拓?fù)?，比如單端正激或單端反激。?duì)功率較大的應(yīng)用，一般采用變壓器雙向工作的橋式或推挽拓?fù)浔容^適合。在此類雙向拓?fù)渲?，副邊一般可以是全橋或推挽結(jié)構(gòu)。圖I是原邊為全橋，副邊為推挽同步整流的變換器。圖2是原邊為全橋，副邊為全橋同步整流的變換器。副邊的同步整流方案一般多采用推挽式拓?fù)洌驗(yàn)橥秸髌鞯尿?qū)動(dòng)信號(hào)可以用副邊的地作為參考，驅(qū)動(dòng)線路簡(jiǎn)單。而全橋同步整流拓?fù)溆捎谄渖喜客秸髌鞯尿?qū)動(dòng)需要是浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)，比較復(fù)雜和高成本，而很少被實(shí)用。全橋整流拓?fù)涞暮锰幵谟谡髌鞯碾妷簯?yīng)力是推挽拓?fù)渲姓髌鞯囊话?。在某些設(shè)計(jì)中，如果不考慮上部同步整流器驅(qū)動(dòng)的困難，全橋同步整流會(huì)使轉(zhuǎn)換效率更高。因此如何能夠比較簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)對(duì)全橋整流拓?fù)渲型秸髌鞯尿?qū)動(dòng)，全橋同步整流拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)就可以得到充分的發(fā)揮。圖3是全橋同步整流器的驅(qū)動(dòng)波形。原邊處于對(duì)角位置的開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)相同。QlOl和Q104為一對(duì)，Q102和Q103為另一對(duì)。副邊處于對(duì)角位置的開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)也相同。Q201和Q204為一對(duì)，Q202和Q203為另一對(duì)。在一對(duì)原邊開關(guān)處于開通狀態(tài)時(shí)，副邊相應(yīng)的對(duì)角同步整流開關(guān)器件也同樣處于開通狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)同步整流。當(dāng)全部原邊開關(guān)器件都處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，副邊的全部同步整流器件都處于開通狀態(tài)，為電感L中的電流提供低損耗的副邊回流通路。圖3中原邊開關(guān)器件和副邊開關(guān)器件的開通狀態(tài)之間的死區(qū)時(shí)間用以保證不出現(xiàn)變壓器被短路的現(xiàn)象。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)全橋同步整流器的方法包括用驅(qū)動(dòng)變壓器對(duì)每個(gè)處于上部位置的開關(guān)器件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或使用專門為驅(qū)動(dòng)上部開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)芯片。兩種方法都存在復(fù)雜和/或成本高的缺點(diǎn)。本發(fā)明針對(duì)全橋同步整流拓?fù)涮岢鲆环N簡(jiǎn)便的驅(qū)動(dòng)同步整流器的方案和線路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種簡(jiǎn)便的全橋同步整流器驅(qū)動(dòng)的方法。本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的一種全橋同步整流器的驅(qū)動(dòng)方法和線路，該方法采用包含由控制器或其它方式產(chǎn)生的同步信號(hào)、同步信號(hào)功率放大驅(qū)動(dòng)器、全橋拓?fù)渲猩喜空髌鞯尿?qū)動(dòng)信號(hào)保持線路和釋放線路；其特征在于，同步信號(hào)驅(qū)動(dòng)器輸出的上升沿經(jīng)過保持線路和仍在導(dǎo)通的下部同步整流器加到所需驅(qū)動(dòng)的上部同步整流器的控制端，使該上部同步整流器開通，并在其下部同步整流器關(guān)斷后仍保持開通狀態(tài)；同步驅(qū)動(dòng)信號(hào)的下降沿經(jīng)過仍在導(dǎo)通的下部同步整流器和釋放線路對(duì)在所需驅(qū)動(dòng)的上部 同步整流器的控制端進(jìn)行放電，使其關(guān)斷。優(yōu)選地，上述功率開關(guān)器件都采用M0SFET。優(yōu)選地，上述功率放大功能由驅(qū)動(dòng)芯片或分立器件組成。優(yōu)選地，上述上部開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持線路由與驅(qū)動(dòng)信號(hào)串聯(lián)的二極管和與同步整流器控制端并聯(lián)的電容構(gòu)成。優(yōu)選地，上述上部開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)釋放線路由一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)反相器和受其控制的與上部同步整流器控制端并聯(lián)的受控開關(guān)器件構(gòu)成。


圖I是原邊全橋、副邊推挽同步整流變換器示意圖。圖2是原邊全橋、副邊全橋同步整流變換器示意圖。圖3是副邊全橋同步整流器的驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖。圖4是采用本發(fā)明的全橋同步整流器實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是采用本發(fā)明的全橋同步整流器實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實(shí)施例，以詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明提供一種用于全橋同步整流器的驅(qū)動(dòng)方法。采用該驅(qū)動(dòng)方法的全橋同步整流線路如圖4所示。該全橋同步整流的直流-直流變換器包含原邊線路20和副邊線路30、耦合原邊線路20和副邊線路30的變壓器T100，原邊線路包含直流電壓源21、開關(guān)線路22、變壓器原邊繞組23，副邊線路包含變壓器副邊繞組31、與變壓器副邊繞組31耦合的第一開關(guān)器件Q201第二開關(guān)器件Q202第三開關(guān)器件Q203和第四開關(guān)器件Q204、第二開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)器U1、第四開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)器U3、第一開關(guān)器件Q201的驅(qū)動(dòng)線路32、第三開關(guān)器件Q203的驅(qū)動(dòng)線路33、和輸出濾波器34，第一至第四開關(guān)器件都是M0SFET，同步驅(qū)動(dòng)信號(hào)Sync A和Sync B可由原邊或副邊的控制器產(chǎn)生，或由功率線路中的信號(hào)產(chǎn)生，圖5是該實(shí)施例中信號(hào)的時(shí)序。本發(fā)明的全橋同步整流器控制方法包含以下步驟
當(dāng)Sync B信號(hào)在tl時(shí)刻變高時(shí)，因Sync A在此前為高，故Q204處在開通狀態(tài)，使Q203的源極處于地電位。因此Sync B信號(hào)在經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器Ul開通Q202的同時(shí)通過二極管Dl和Q204對(duì)電容Cl充電，使Q203開通。在tl和t2之間，Sync A和Sync B都為高，故上述第一至第四開關(guān)器件都處于開通狀態(tài)。在t2時(shí)刻Sync A變低，經(jīng)U3關(guān)斷Q204，同時(shí)經(jīng)反相器U4使Q206開通，經(jīng)處于導(dǎo)通狀態(tài)的Q202釋放Q201的門極電電荷，使Q201關(guān)斷。經(jīng)過一個(gè)由t2到t3的死區(qū)時(shí)間后，原邊對(duì)角開關(guān)器件Q102和Q103被開通，輸入電壓經(jīng)過變壓器使Q201和Q204的漏極-源極電壓快速上升，如圖5中Vb波形所示，t4時(shí)刻原邊Q102和Q103的驅(qū)動(dòng)信號(hào)變低，使Q102和Q103關(guān)斷，副邊Vb電壓下降至地電位，副邊的同步整流進(jìn)入回流階段，t5時(shí)刻Sync A信號(hào)變高，其后的過程與t2至t5對(duì)稱。圖4中的第一開關(guān)器件Q201、第二開關(guān)器件Q202、第三開關(guān)器件Q203和第四開關(guān)器件Q204都為MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)，這四個(gè)開關(guān)器件都包含反并聯(lián)體二極管。全部開關(guān)器件也可以是其它類型的主動(dòng)開關(guān)器件。原邊和副邊線路的拓?fù)涠伎梢圆捎闷渌问?，?duì)該控制方法及其特性沒有影響。 上述控制方法雖然只是對(duì)原邊全橋拓?fù)溥M(jìn)行的敘述，其原理對(duì)多種原邊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同樣適用。上述控制方法的描述中使用了 MOSFET作為功率開關(guān)器件。該控制方法同樣適用于任何其它具備開關(guān)特性的器件。雖然以上描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些僅是舉例說明，在不背離本發(fā)明的原理和實(shí)質(zhì)的前提下，可以對(duì)這些實(shí)施方式做出多種變更或修改。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍由所附權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種全橋整流線路中同步整流器的驅(qū)動(dòng)線路，該線路采用包含由控制器或其它方式產(chǎn)生的同步信號(hào)、同步信號(hào)功率放大驅(qū)動(dòng)器、全橋拓?fù)渲猩喜空髌鞯尿?qū)動(dòng)信號(hào)保持線路和釋放線路；其特征在于，同一橋臂中上部整流器的狀態(tài)改變始終發(fā)生在下部整流器開通的狀態(tài)，同步信號(hào)驅(qū)動(dòng)器輸出的上升沿經(jīng)過保持線路和導(dǎo)通的下部同步整流器加到所需驅(qū)動(dòng)的上部同步整流器的控制端，使上部同步整流器開通，并在其下部同步整流器關(guān)斷后仍保持開通狀態(tài)；同步驅(qū)動(dòng)信號(hào)的下降沿使上部同步整流器的控制端經(jīng)過導(dǎo)通的下部同步整流器和釋放線路放電，使上部同步整流器關(guān)斷。
2.如權(quán)利要求I所述的全橋整流線路中同步整流器的驅(qū)動(dòng)線路，其特征在于，驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持線路由充電二極管和保持電容構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求I所述的全橋整流線路中同步整流器的驅(qū)動(dòng)線路，其特征在于，上部同步整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)釋放線路由反相器和與相應(yīng)上部同步整流器控制端相耦合的受控放電器件組成。
4.如權(quán)利要求2所述的全橋整流線路中同步整流器的驅(qū)動(dòng)線路，其特征在于，上部同步整流器的控制端獲得的驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅度應(yīng)保證該同步整流器的充分開通。
5.如權(quán)利要求2所述的全橋整流線路中同步整流器的驅(qū)動(dòng)線路，其特征在于，保持電容的容量不宜過大，以保證其電壓上升和下降的速度充分快，在給定的死區(qū)時(shí)間內(nèi)完成開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
6.如權(quán)利要求2所述的全橋整流線路中同步整流器的驅(qū)動(dòng)線路，其特征在于，保持電容的容量不宜過小，以避免米勒效應(yīng)影響同步整流器的正常工作狀態(tài)。
7.如權(quán)利要求I所述的全橋整流線路中同步整流器的驅(qū)動(dòng)線路，其特征在于，原邊線路是橋式或推挽式拓?fù)洹?br> 8.一種全橋整流線路中同步整流器的驅(qū)動(dòng)線路的控制方法，該方法采用包含由控制器或其它方式產(chǎn)生的同步信號(hào)、同步信號(hào)功率放大驅(qū)動(dòng)器、全橋拓?fù)渲猩喜空髌鞯尿?qū)動(dòng)信號(hào)保持線路和釋放線路；其特征在于，同一橋臂中上部整流器的狀態(tài)改變始終發(fā)生在對(duì)應(yīng)下部整流器開通的狀態(tài)，同步信號(hào)驅(qū)動(dòng)器輸出的上升沿經(jīng)過保持線路和導(dǎo)通的下部同步整流器加到所需驅(qū)動(dòng)的上部同步整流器的控制端，使上部同步整流器開通，并在其下部同步整流器關(guān)斷后仍保持開通狀態(tài)；同步驅(qū)動(dòng)信號(hào)的下降沿使上部同步整流器的控制端經(jīng)過導(dǎo)通的下部同步整流器和釋放線路放電，使上部同步整流器關(guān)斷。
全文摘要
本發(fā)明提出一種全橋整流線路中同步整流器的驅(qū)動(dòng)線路和控制該驅(qū)動(dòng)線路的方法，其采用包含原邊線路和副邊線路的直流-直流變換器，原邊線路包含輸入電壓源、功率開關(guān)器件、PWM控制器、耦合原邊線路和副邊線路的變壓器，副邊線路包含以全橋連接的同步整流功率開關(guān)器件、同步整流器的驅(qū)動(dòng)線路、和輸出濾波線路。本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，性能優(yōu)越的全橋整流拓?fù)渲型秸髌鞯尿?qū)動(dòng)線路和控制方法，大為提高了全橋同步整流拓?fù)涞膶?shí)用性。參考文獻(xiàn)美國(guó)專利號(hào)6,563,726B1 May 13，2008“Synchronous BridgeRectifier”。美國(guó)專利號(hào)6,111,769 Aug.29，2000“External Driving Circuit ForBridge Type Synchronous Rectification”。
文檔編號(hào)H02M7/217GK102801323SQ20111013637
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2011年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月25日
發(fā)明者魏槐, 秦衛(wèi)鋒 申請(qǐng)人:江蘇兆能電子有限公司