本發(fā)明屬于同步整流功率變換器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于同步整流功率變換器的動態(tài)補償控制電路。

背景技術(shù)：

目前，在開關(guān)功率變換電路中，使用磁性元件實現(xiàn)電能的變換；在隔離型變換器中，使用變壓器實現(xiàn)輸入與輸出的電氣隔離和電能變換；在非隔離型變換器中，使用電感進行電能的變換。當功率mos管開通時，輸入電壓加在磁性元件兩端，能量被存入磁性元件中；當功率mos管關(guān)斷時，磁性元件通過整流二極管向輸出端放電，能量從磁性元件中轉(zhuǎn)移到輸出。以傳統(tǒng)反激式電路為例，圖1(a)是傳統(tǒng)的反激式轉(zhuǎn)換器原理圖，在功率mos管m1導(dǎo)通時，輸入電壓加到變壓器初級線圈的兩端，而此時變壓器次級使二極管d1反偏，負載由輸出電容cl提供電能，同時變壓器的初級存儲磁能；而當功率mos管m1關(guān)斷時，變壓器上的磁能轉(zhuǎn)換成次級線圈上的電流，向負載提供電能。

采用整流二極管的傳統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換器存在一些缺點。理想情況下，輸出整流二極管的導(dǎo)通壓降為零，但實際整流二極管存在約為0.7v的導(dǎo)通壓降，所以當輸出端有電流產(chǎn)生時，傳統(tǒng)反激電路中的整流二極管會有較大的功率損耗，影響變換器效率，有效的解決辦法是采用精確控制的同步整流管代替整流二極管，進而減小二極管帶來的導(dǎo)通損耗。圖1(b)表示原邊功率開關(guān)管控制信號pwm、勵磁電感電流和副邊整流二極管兩端壓降隨時間周期變化的波形。

同步整流功率變換器的特點在于，其包含兩個開關(guān)功率器件，一個為主功率管，另一個為同步整流管。主功率管的開關(guān)決定了開關(guān)功率變換器中磁性元件的充能過程，同步整流管需要根據(jù)主功率管的開關(guān)相應(yīng)地進行開關(guān)動作，即在主功率管導(dǎo)通時，同步整流管應(yīng)當關(guān)斷，當主功率管關(guān)斷后，同步整流管應(yīng)當立即導(dǎo)通一段時間，導(dǎo)通的時間長度需要根據(jù)具體電路的工作情況確定。

隨著同步整流管的引入，也帶來一些新的問題。在功率變換器的實際應(yīng)用中，按照正常工作時勵磁電感電流是否連續(xù)，可以分為兩種模式：連續(xù)導(dǎo)通模式ccm和斷續(xù)導(dǎo)通模式dcm。由于dcm模式可以有效縮小電感體積進而有利于電子產(chǎn)品小型化，現(xiàn)在的功率變換器普遍工作在dcm模式下。如圖2(a)所示，在dcm模式下，在功率變換器副邊采用同步整流管代替整流二極管，從而減小導(dǎo)通損耗。為了實現(xiàn)同步整流管的精確控制，需要檢測同步整流管漏極的電壓跳變情況來實現(xiàn)同步整流管的導(dǎo)通與閉合，如圖2(b)所示，理想情況下(指沒有提前或延遲關(guān)斷)，當原邊功率管關(guān)斷時，同步整流管應(yīng)該在其兩端電壓為零時打開，并在流過它的電流降為零時關(guān)斷。在實際情況中，當原邊功率管關(guān)斷、副邊導(dǎo)通瞬間，檢測點電壓跳變幅度很大，易于檢測，從而能精確實現(xiàn)同步整流管的導(dǎo)通控制；當副邊輸出電流過零瞬間，由于檢測點電壓接近于零，并且電壓變化率較小，為同步整流管的關(guān)斷檢測帶來一定難度，此時的信號小，造成過零點檢測的誤差較大，可能造成同步整流管提前或延遲關(guān)斷兩種情況，從而造成額外的導(dǎo)通損耗，其中：

如圖2(c)所示了副邊同步整流管提前關(guān)斷(指零電流點之前關(guān)斷)時，檢測點(同步整流管漏極)電壓波形圖。當同步整流管提前關(guān)斷時，此時的副邊電流沒有降為零，所以剩余時間內(nèi)，電感電流會流經(jīng)同步整流管的體二極管d1，產(chǎn)生一個遠大于同步整流管導(dǎo)通電壓的壓降(約為0.7v)，并維持tearly的時間，從而造成額外的導(dǎo)通損耗。

如圖2(d)所示了副邊同步整流管延遲關(guān)斷(指零電流點之后關(guān)斷)時，檢測點(同步整流管漏極)電壓波形圖。如前文所述，理想情況下，同步整流管應(yīng)在電感電流降為零瞬間關(guān)斷，但是，由于零電流檢測電路和同步整流管控制邏輯引入的環(huán)路延遲，同步整流管滯后關(guān)閉期間會產(chǎn)生反向電流，并且反向電流會隨著延遲時間增加而增大，進而造成更多的能量損耗。

所以，必須精確控制同步整流管的導(dǎo)通和關(guān)斷以提高功率變換器的效率。然而，電流過零比較器的輸入失調(diào)電壓和同步整流管柵極控制邏輯的環(huán)路延時會給同步整流管的精確控制帶來一定難度。圖2(b)～圖2(d)分別表示了以上三種情況下，原邊功率開關(guān)管控制信號pwm、同步整流管柵極控制信號sr、勵磁電感電流和副邊整流二極管兩端壓降隨時間周期變化的波形。

現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)副邊同步整流管的精確控制存在一些缺點。目前，常見的有兩種技術(shù)方案，第一種是不在同步整流管控制邏輯中添加任何補償電路，讓同步整流管在每個開關(guān)周期內(nèi)都提前關(guān)斷，固定損失一部分能量以獲得系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性；第二種是在同步整流管控制邏輯中添加補償電路，但所用的補償技術(shù)需要利用雙向計數(shù)器等結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)復(fù)雜、成本高、控制精度有限。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述，本發(fā)明提供了一種用于同步整流功率變換器的動態(tài)補償控制電路，其通過采用動態(tài)補償模塊對副邊電流過零點的精確檢測，從而實現(xiàn)同步整流管的精確關(guān)斷，減小了系統(tǒng)損耗，提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。

一種用于同步整流功率變換器的動態(tài)補償控制電路，包括過零比較模塊、動態(tài)補償模塊以及同步整流邏輯控制模塊；其中：

所述過零比較模塊與功率變換器中的同步整流管連接，通過檢測同步整流管的漏端電壓，使其與零電壓進行比較，從而輸出比較信號；

所述動態(tài)補償模塊與過零比較模塊連接，其根據(jù)比較信號對過零比較模塊的輸入失調(diào)電壓進行修正補償，等效于在過零比較模塊輸入側(cè)添加一個動態(tài)可調(diào)的補償電壓；

所述同步整流邏輯控制模塊與過零比較模塊以及同步整流管連接，其根據(jù)所述比較信號控制同步整流管的通斷。

進一步地，所述過零比較模塊包括四個pmos管m1～m4、五個nmos管m5～m9、兩個電阻r1～r2、一個反相器以及一個高耐壓的nmos管nh1；其中，pmos管m1的源極與pmos管m2的源極共連并接電源電壓vdd，pmos管m1的柵極與pmos管m2的柵極共連并接外部提供的偏置電壓vbp1，pmos管m1的漏極與pmos管m3的源極相連，pmos管m2的漏極與pmos管m4的源極相連，pmos管m3的柵極與pmos管m4的柵極共連并接外部提供的偏置電壓vbp2，pmos管m3的漏極與nmos管m5的漏極、nmos管m5的柵極以及nmos管m6的柵極相連，pmos管m4的漏極與nmos管m6的漏極以及反相器的輸入端相連，反相器的輸出端產(chǎn)生所述比較信號，nmos管m5的源極與nmos管m7的漏極、nmos管m7的柵極以及nmos管m8的柵極相連，nmos管m6的源極與nmos管m8的漏極相連，nmos管m7的源極與nmos管m9的源極以及電阻r1的一端相連，電阻r1的另一端接地，nmos管m9的漏極接電源電壓vdd，nmos管m9的柵極接動態(tài)補償模塊提供的補償控制電壓vctrl，nmos管m8的源極與nmos管nh1的源極相連，nmos管nh1的柵極接電源電壓vdd，nmos管nh1的漏極與電阻r2的一端相連，電阻r2的另一端接同步整流管的漏端電壓。

進一步地，所述動態(tài)補償模塊包括兩個直流源i1和i2、兩個開關(guān)k1和k2、一個電容c1以及補償電壓邏輯控制單元；其中，直流源i1的輸入端接電源電壓vdd，直流源i1的輸出端與開關(guān)k1的一端相連，開關(guān)k1的另一端與開關(guān)k2的一端以及電容c1的一端相連并產(chǎn)生補償控制電壓vctrl，電容c1的另一端接地，開關(guān)k2的另一端與直流源i2的輸入端相連，直流源i2的輸出端接地，開關(guān)k1和k2的控制極分別接補償電壓邏輯控制單元提供的脈沖信號vcp和vcn，直流源i1的電流大小為直流源i2的n倍，n為大于1的實數(shù)。

所述補償電壓邏輯控制單元采集功率變換器中主功率管的pwm開關(guān)信號以及過零比較模塊輸出的比較信號；每當檢測到pwm開關(guān)信號的上升沿，補償電壓邏輯控制單元即產(chǎn)生一個固定寬度為t0的脈沖信號vcn；當檢測到比較信號每個控制周期中的第一個上升沿，補償電壓邏輯控制單元即產(chǎn)生一個寬度為tearly的脈沖信號vcp；tearly為比較信號在對應(yīng)控制周期中第一個上升沿與第二個上升沿的時間間隔，其通過動態(tài)補償控制逐漸趨近于t0/n。

進一步地，當檢測到比較信號每個控制周期的第一個下降沿，所述同步整流邏輯控制模塊即使同步整流管導(dǎo)通；當檢測到比較信號每個控制周期的第一個上升沿，同步整流邏輯控制模塊即使同步整流管關(guān)斷。

進一步地，所述同步整流邏輯控制模塊以及補償電壓邏輯控制單元均采用數(shù)字電路實現(xiàn)。

本發(fā)明通過檢測開關(guān)節(jié)點的下過沖來確定是否存在提前關(guān)斷的情況，根據(jù)檢測結(jié)果動態(tài)調(diào)整過零比較器的輸入失調(diào)電壓，而實現(xiàn)精確的同步整流控制，在保證控制和檢測功能的同時，提高了同步整流管柵極控制信號的精度，從而減小了輸出端的導(dǎo)通損耗，增大了功率轉(zhuǎn)換器的效率。

本發(fā)明能夠補償過零比較器本身的輸入失調(diào)電壓以及同步整流邏輯控制和過零比較器引入的環(huán)路延遲，進一步提高了同步整流管控制信號的精度。目前，已提出的傳統(tǒng)零電流檢測電路大多通過檢測開關(guān)節(jié)點的下過沖或上過沖來確定是否存在提前或延遲關(guān)斷的情況，進而完成動態(tài)補償?shù)墓δ?。相較于傳統(tǒng)零電流檢測電路，本發(fā)明在同樣完成精確電流過零檢測功能的前提下，電路結(jié)構(gòu)更為簡單，因而功耗更低、效率更高。

附圖說明

圖1(a)為采用整流二極管的傳統(tǒng)功率變換器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1(b)為傳統(tǒng)功率變換器的整流二極管導(dǎo)通損耗示意圖。

圖2(a)為采用同步整流管的功率變換器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2(b)為理想狀態(tài)下同步整流管的導(dǎo)通損耗示意圖。

圖2(c)為同步整流管提前關(guān)斷時的導(dǎo)通損耗示意圖。

圖2(d)為同步整流管延遲關(guān)斷時的導(dǎo)通損耗示意圖。

圖3(a)為采用本發(fā)明動態(tài)補償控制電路的功率變換器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3(b)為動態(tài)補償模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3(c)為采用補償電壓修正的過零比較模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3(d)為本發(fā)明動態(tài)補償控制電路各相關(guān)信號的波形示意圖。

具體實施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。

非理想情況下，同步整流管控制的偏差會造成額外的功率損耗。為了提高功率變換器的工作效率，如圖3(a)所示，一種采用本發(fā)明動態(tài)補償控制電路的功率變換器，包括整流橋、輸入濾波電容c1、主功率開關(guān)管m1、反激式變壓器t、同步整流管msr、輸出濾波電容cl以及動態(tài)補償控制電路，動態(tài)補償控制電路又包含過零比較模塊、動態(tài)補償模塊以及同步整流邏輯控制模塊。輸入濾波電容c1跨接在整流橋輸出正負端之間，變壓器t原邊繞組同名端接整流橋正輸出，主功率開關(guān)管m1漏極接變壓器t原邊繞組非同名端，主功率開關(guān)管m1源極接原邊地，整流橋負輸出接原邊地，變壓器t副邊繞組同名端接同步整流管msr漏極，同步整流管msr源極接輸出濾波電容cl一端(同時接副邊地)，輸出濾波電容cl另一端接變壓器t副邊繞組非同名端。

過零比較模塊的正相輸入端接變壓器副邊繞組同名端，反相輸入端接地，過零比較模塊通過檢測開關(guān)節(jié)點的下過沖電壓信號，輸出開關(guān)節(jié)點電壓比較結(jié)果，該結(jié)果可以反應(yīng)出電路是否存在提前關(guān)斷的情況。動態(tài)補償模塊的輸入端接過零比較模塊的輸出端，通過比較同步整流管控制信號與過零比較模塊輸出信號以獲得同步整流管提前關(guān)斷的偏差值。動態(tài)補償模塊輸出信號作為過零比較模塊補償電壓的控制信號，該控制信號可以改變比較器的翻轉(zhuǎn)時機。同步整流邏輯控制模塊的輸入端接過零比較模塊的輸出端，同步整流邏輯控制模塊的輸出端接同步整流管的柵極。

過零比較模塊如圖3(c)所示，其采用共源極輸入比較器，其正相輸入端與輸入信號之間串聯(lián)高壓管nh1和電阻r2，以防止在非采樣階段外部輸入高電壓對比較器產(chǎn)生損害。比較器反相輸入端經(jīng)過電阻r1接地，同時反相輸入端還經(jīng)nmos管m9的源極接電源，m9的柵極接控制信號vctrl。m1～m4輸入分別接相應(yīng)的偏置電壓，為電路提供靜態(tài)電流偏置，m5～m8構(gòu)成比較器的輸入管用于對輸入信號進行比較，m6和m4的源極相接，作為過零比較模塊的輸出。

動態(tài)補償模塊如圖3(b)所示，其包括補償電壓邏輯控制單元、電流源和電容構(gòu)成。補償電壓邏輯控制單元根據(jù)pwm信號，在每周期生成固定時長為t0的控制信號vcn，在vcn的控制下，電容c1以大小為i0的電流放電t0時間。補償電壓邏輯控制單元根據(jù)過零比較模塊的輸出vzcd，生成時長為tearly的控制信號vcp，在vcp的控制下，電容c1以大小為n×i0的電流充電tearly時間。當tearly大于t0/n時，電容充電大于放電，電容上的電壓vctrl將會升高，當tearly小于t0/n時，電容上的電壓vctrl將會降低。當電路進入最終的穩(wěn)態(tài)時，應(yīng)當有tearly＝t0/n。當合理設(shè)置t0及n的值時，可以使得tearly維持在一個很小的值。

為說明本發(fā)明動態(tài)補償控制電路的工作過程，參見如圖3(d)所示的相關(guān)控制信號波形，圖3(d)中各波形依次表示了原邊功率開關(guān)管控制信號pwm、同步整流管柵極控制信號sr、變壓器副邊繞組同名端(開關(guān)節(jié)點)電壓即同步整流管漏端電壓vx、過零比較模塊輸出電壓vzcd、補償電壓邏輯控制單元輸出vcn和vcp以及補償控制電壓vctrl隨時間t周期變化。

動態(tài)補償控制電路在正常工作狀態(tài)下的工作流程為：每周期pwm控制信號到來時，補償電壓邏輯控制單元以確定的電流i0和時長t0對電容c1放電，此時同步整流管兩端電壓為正，過零比較模塊輸出高電平。當pwm關(guān)斷時，同步整流管兩端電壓變?yōu)樨撝?，過零比較模塊輸出由正翻轉(zhuǎn)為負，此時同步整流邏輯控制模塊控制同步整流管導(dǎo)通。隨著時間的推移，流經(jīng)同步整流管的電流將線性下降，同步整流管兩端的壓降也將逐步減小，其電壓越來越接近0。由于過零比較模塊同相輸入端串聯(lián)電阻和mos管的存在，在同步整流管兩端電壓到達0之前，過零比較模塊的輸出將發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從低變?yōu)楦摺z測到過零比較模塊的輸出翻轉(zhuǎn)后，同步整流邏輯控制模塊將立即控制同步整流管關(guān)斷。由于同步整流管關(guān)斷時流經(jīng)其電流大于0，與同步整流管并聯(lián)的寄生二極管將會被強制導(dǎo)通，從而使得同步整流管兩端電壓變?yōu)?0.7v左右；過零比較模塊的輸出將在一段時間內(nèi)立即再次翻轉(zhuǎn)，在波形上形成一個正脈沖；隨著寄生二極管續(xù)流的結(jié)束，同步整流管兩端電壓由負變正，從而過零比較模塊再次翻轉(zhuǎn)為正；在過零比較模塊的第二次往復(fù)翻轉(zhuǎn)過程中，補償電壓邏輯控制單元將檢測到寄生二極管導(dǎo)通的時間tearly，此時間反映了同步整流管的提前關(guān)斷時間；補償電壓邏輯控制單元以確定的電流i0和時長tearly對電容c1充電，充電結(jié)束時，控制電壓vctrl相較于周期開始將有所提高。隨著控制電壓vctrl的提高，流經(jīng)過零比較模塊反相輸入端串聯(lián)電阻的電流將增大，從而使得其反相端等效輸入電壓升高，在下一周期的比較中，當同相輸入電壓更接近于0時，比較模塊輸出才會翻轉(zhuǎn)，從而使得時間tearly減小。經(jīng)過多個周期的調(diào)整，tearly將減小到可以忽略的程度，從而實現(xiàn)動態(tài)補償。

傳統(tǒng)的功率變換器需要采用整流二極管來實現(xiàn)續(xù)流，由于整流二極管導(dǎo)通壓降的存在，增大了系統(tǒng)的能量損耗，降低了系統(tǒng)地轉(zhuǎn)換效率。同時，利用過零比較器檢測過零點控制同步整流管柵極會由于信號延遲造成能量損耗，而采用本實施方式的動態(tài)補償控制電路，通過檢測開關(guān)節(jié)點的下過沖來確定是否存在提前關(guān)斷的情況，根據(jù)檢測結(jié)果動態(tài)調(diào)整過零比較器的輸入失調(diào)電壓，而實現(xiàn)精確的同步整流控制，在保證控制和檢測功能的同時，提高了同步整流管柵極控制信號的精度，從而減小了輸出端的導(dǎo)通損耗，增大了功率轉(zhuǎn)換器的效率。本發(fā)明動態(tài)補償電路能夠補償過零比較器本身的輸入失調(diào)電壓和同步整流控制邏輯和比較器引入的環(huán)路延遲，進一步提高了同步整流管控制信號的精度。

上述對實施例的描述是為便于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對上述實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。