[發明專利]一種開關電源功率管驅動的死區時間自適應控制電路及其方法

有效

• 申請號: 201510297612.6
• 申請日: 2015-06-03
• 公開（公告）號: CN104901541B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發明（設計）人: 徐申;徐媛媛;肖哲飛;張力文;孫偉鋒;陸生禮;時龍興
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02M3/158
• 分類號: H02M3/158
• 代理公司: 江蘇永衡昭輝律師事務所32250
• 代理人: 王斌

技術領域

本發明涉及一種開關電源功率管驅動的死區時間自適應控制電路及其方法，可以有效減少帶有同步整流的開關電源變換器中因死區時間不合適造成的損耗，提高電源轉換效率。

背景技術

相對于控制簡單的非同步整流開關電源變換器而言，同步整流結構雖然控制信號較為復雜，但可以顯著提高轉換效率，減小功率損耗，在越來越多效率要求較高的地方得到了廣泛應用。然而在同步整流結構開關電源變換器中，由于高端同步整流管與低端同步整流管柵極控制信號的死區時間不匹配造成的能量損耗限制了其效率的提高。

圖1所示為典型的同步整流結構開關電源降壓變換器。高端PMOS管M1源端接輸入電壓，低端同步整流NMOS管M2源端接地，M1與M2漏極相連記為LX節點，并與電感L的一端連接。電感L另一端與電容C一端相連，電容C的另一端接地，組成LC濾波網絡。電感L與電容C連接點為輸出V_out。PWM_P與PWM_N信號經死區控制電路和驅動級電路處理后得到M1柵極控制信號PG、M2柵極控制信號NG。

為了避免PG和NG信號在上升和下降過程中出現功率管M1、M2同時導通，從而產生較大的能量損失，M1和M2在切換導通的過程中需要有一定的死區時間。如圖2所示，即當M1管關閉后經過T1時間M2管再開啟，M2管關閉后經過T2時間M1管再開啟，避免M1和M2同時導通造成的輸入到地的電流通路。上升死區時間T1定義為PG信號上升到電源電壓的50％到NG信號上升到電源電壓的50％之間的延遲時間，下降死區時間T2定義為NG信號下降到電源電壓的50％到PG信號下降到電源電壓的50％之間的延遲時間。

死區時間過長或過短都會降低變換器的電源轉換效率，以T1為例。如圖3所示，在M1管和M2管同時關斷時，電感電流經開關管的體二極管從地流入電感，導致LX點的電壓下降到負電平。如果死區時間過長，NMOS管M2的體二極管在T_dio期間開啟，在體二極管上一直存在電流和電壓，造成能量的損耗，。特別是在重載時，能量損耗更大。如圖4所示，死區時間T1太小使得LX點電壓未下降到零時低端NMOS管M2已經開啟，LX點電壓通過M2快速放電，使得M2產生較大的正向導通電流；過短的死區時間甚至會造成M1和M2同時的不完全關閉，形成尖峰電流。

定義最佳死區時間T為使LX點電壓剛好放電至零時N管開啟的死區時間。由于最佳死區時間T將會隨功率管尺寸和負載電流的變化而變化，為使變換器獲得更高的轉換效率，死區時間應當隨負載電流或者功率管尺寸的變化而變化。采用本發明自適應控制死區時間，使得在任意功率管尺寸和負載情況下均可獲得最佳死區時間，從而提高變換器的轉換效率。

發明內容

本發明的目的是提供一種開關電源功率管驅動的死區時間自適應控制電路及其方法，當負載、功率管尺寸、輸出電壓等因素發生變化時，可以自適應地對死區時間進行自動調整，獲得最佳死區時間，提高開關電源轉換效率。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：一種開關電源功率管驅動的死區時間自適應控制電路，包括高端同步整流PMOS管M1、低端同步整流NMOS管M2和LC濾波網絡，PMOS管M1的源極連接輸入電壓V_in，PMOS管M1的漏極與NMOS管M2的漏極以及電感L的輸入端連接在一起，連接點定義為LX點，電感L的輸出端連接電容C的一端并作為開關電源的輸出端V_out，電容C的另一端連接NMOS管M2的源極并接地，定義高端PMOS管的脈寬調制信號為PWM_P，低端NMOS管的脈寬調制信號為PWM_N，PWM_P與PWM_N信號經死區電路和驅動電路后，分別產生高端PMOS管M1的柵極的控制信號PG以及低端NMOS管M2的柵極的控制信號NG；其特征在于：

死區時間自適應控制電路包括兩路控制電路，PWM_P信號經過死區固定電路和反相器鏈驅動電路后輸出控制信號PG，PWM_N信號與經過對LX點電壓進行采樣的檢測及采樣保持電路、誤差比較電路、控制電流產生電路后的輸出信號共同輸入至死區產生及驅動電路后輸出控制信號NG；其中：

死區固定電路包括兩個反相器inv6和inv7、兩輸入或非門nor2、兩輸入與非門nand2，NG信號經過反相器inv6輸出信號再經反相器inv7后輸出信號為NG2，NG2與來自死區產生及驅動電路中反相器inv1的輸出信號NG1作為兩輸入或非門nor2的輸入，兩輸入或非門nor2的輸出信號為PC，PC信號與PWM_P信號作為兩輸入與非門nand2的輸入，兩輸入與非門nand2輸出PG0信號；