一种轻载检测及降频控制方法及电路技术

本发明专利技术提供一种轻载检测及降频控制方法，包括如下步骤：检测功率管导通时的漏极电压，并将漏极电压与电压检测阈值进行比较，并输出比较结果信号；根据比较结果信号进行高低频率的切换，即功率管的漏极电压值高于电压检测阈值时，选择两路高频互补驱动信号输出；在功率管的漏极电压值低于电压检测阈值时，选择两路低频互补驱动信号输出；根据不同频率的互补驱动信号进行功率管的栅极驱动控制。此外，本发明专利技术还公开了一种对应上述方法的轻载检测及降频控制电路。本发明专利技术判断变换器处在轻载时，通过降低控制器的工作频率和占空比，进而降低变换器的输出电压，提高了轻载工作效率，同时也抑制了变换器处在空载时的输出电压飘高的问题。

A light load detection and frequency reduction control method and circuit

【技术实现步骤摘要】
一种轻载检测及降频控制方法及电路
本专利技术涉及DC-DC隔离变换器
，特别涉及一种轻载检测及降频控制方法及电路，尤其适用于隔离变压器驱动器。
技术介绍
目前市面上常见的隔离变压器驱动器，大多采用推挽拓扑结构或者全桥拓扑结构，其电路结构简单，工作时变压器双向激磁，磁芯的利用率高，因此该变换器具有体积小、效率高且动态响应好的优点，在低电压输入、大电流输出以及输入输出需要电气隔离的场合被广泛应用。图1所示电路是现有技术中常见的一种全桥式变换器，其采用了全桥电路结构，控制器1的GND端口与地连接，其D1端口在内部与控制器1的一侧桥臂功率管的漏极连接，在外部与绕组NP的一端连接，同样的，D2端口在内部与控制器1的另一侧桥臂功率管的漏极连接，在外部与绕组NP的另一端连接，输入滤波电容CIN连接于电压输入端VIN和地GND之间，对输入电压进行滤波，输出整流二极管D1、D2的阳极分别与耦合变压器T1的副边线圈Ns1和Ns2的两个端头连接，其阴极连接至输出端Vo+，耦合变压器T1的副边线圈Ns1和Ns2的中心抽头连接至输出端Vo-，CO为输出滤波电容，RO为输出负载，其两端分别连接于输出端Vo+和Vo-之间。其中控制器1的输出端口D1和D2的典型波形如图2所示，D1和D2是准互补波形，占空比接近50％，存在D1off和D2off共有时间，即死区时间tDT。死区时间tDT的设置是为了防止桥臂共通造成的从电源到地的大电流通路，造成控制器损坏。图1的基本工作原理是，如图2的波形可知，在选择的开关周期Tsw内，控制器1内部的功率管交替导通，即D1和D2呈准互补波形。稳态运行时，在开关周期Tsw的一半TON，即D1off和D2on期间，耦合变压器T1绕组同名端的电位相对于非同名端变为正。二极管D2变为反向偏置而二极管D1变为正向偏置。二极管D1使全部负载电流流过副边绕组Ns1。当输入电压加载到耦合变压器T1原边时，折回的负载电流加上变压器原边的励磁电流将流过控制器1内部的功率管。在死区TDT阶段,即D1off和D2off的共有时间，控制器1内部的所有功率管均关断。在开关周期Tsw的另一半TON期间，即D1on和D2off期间，绕组同名端的极性相对于非同名端将变为负。二极管D1将变为反向偏置而二极管D2变为正向偏置。二极管D2使全部的负载电流流经副边绕组Ns2。当输入电压加载到耦合变压器T1原边时，折回的负载电流加上变压器原边励磁电流将流过控制器1内部的功率管。图3所示电路是现有技术中常见的一种推挽式变换器，其采用了推挽电路结构，与图1的区别是，控制器2的VCC端口与耦合变压器T1的原边线圈Np1和Np2的中心抽头连接，其D1和D2端口分别与耦合变压器T1的原边线圈Np1和Np2的两个端头连接。其D1和D2准互补交替工作的工作原理基本同全桥式变换器，这里不再赘述。从基本原理分析可知，现有技术中无论是全桥式变换器，还是推挽式变换器，根据电感的伏秒平衡原理，耦合变换器T1的输出电压Vo+可以用公式(1)来表示：其中为耦合变压器T1的副边线圈和原边线圈的匝数比；VVCC为控制器VCC端口的电压，其值等于输入VIN的电压；VMOS为控制器内部功率管的导通压降，可以用公式(2)来表示：VMOS＝IPRI×Rdson(2)其中Rdson为功率管的导通内阻，IPRI为流过功率管的电流，可以用公式(3)来表示：其中IOUT为负载电流，LP为耦合变压器T1的原边感量；VNP(DCR)为耦合变压器T1的原边线圈直流电阻上的压降，可以用公式(4)来表示：VNP(DCR)＝IPRI×RNP(DCR)(4)其中RNP(DCR)为耦合变压器T1原边线圈的直流电阻；D为控制器的占空比，可以用公式(5)来表示：D＝TON×fSW(5)其中TON为控制器内部功率管的导通时间，fSW为控制器的工作频率；VDiode为输出整流二极管的压降，可以用公式(6)来表示：其中IF是输出整流二极管正向导通时的电流，其大小与负载电流IOUT相等，IS是PN结的反向饱和电流，k是玻耳兹曼常数k＝1.381×10-23J/K，T是绝对温度，单位为K，q为电子电量q＝1.6×10-19C；VNS(DCR)为耦合变压器T1的副边线圈直流电阻上的压降，可以用公式(7)来表示：VNS(DCR)＝IOUT×RNS(DCR)(7)其中RNS(DCR)为耦合变压器T1副边线圈的直流电阻。联立(1)到(7)式可得到输出电压VO+的最终表达式，如公式(8)所示：从公式(8)可以看出，在控制器的输入电压VVCC，耦合变压器T1的匝比原边感量LP，温度T和控制器的占空比D一定的情况下，输出电压VO+会随着负载IOUT的增加而降低，进而会造成变换器的负载调整率变差。负载调整率(LOADREGULATION)是指电源负载的变化会引起电源输出的变化，表现为：负载增加时，输出降低；相反负载减少时，则输出升高。负载调整率是衡量电源好坏的指标。好的电源负载变化引起的输出变化较小，通常指标为3％-5％。负载调整率＝(空载时输出电压-满载时输出电压)/(额定负载时输出电压)*100％，这是稳压电源的一项重要指标，体现当负载电流变化时稳压电源的输出电压相应的变化情况，通常以输出电流从0变化到额定最大电流时，输出电压的变化量和输出电压的百分比值来表示。例如某5V直流稳压电源的输出电流从0增加到最大电流1A，它的输出电压从5V降到了4.50V，降落值0.5V除以标称输出电压5V，得到10％，这就是该电源的负载调整率。目前市面上常见的隔离变压器的驱动控制器芯片，负载调整率都比较差，例如TI(德州仪器)的芯片SN6501、SN6505，Maxim(美信半导体)的芯片MAX256、MAX258等，根据其规格书上提供的典型测试曲线，不难发现其负载调整率是10％～15％，此芯片应用到隔离变压器驱动器中容易导致输出电流随负载电压的改变波动范围比较大，导致驱动器的输出性能下降。这对于负载调整率要求比较高的电源将不再适合。因而现有技术还有待改进和提高。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的缺点和局限性，本专利技术要解决的第一个技术问题是：提供一种轻载检测及降频控制方法，通过检测功率管的漏极电压，判断变换器处在轻载时，进而降低控制器的工作频率和占空比，进而降低变换器的输出电压，缩小轻负载和重载时的输出电压压差，改善负载调整率，进一步的，提高了轻载工作效率，同时也抑制了变换器处在空载时的输出电压飘高的问题。与此相应，本专利技术要解决的第二个技术问题是：提供一种利用上述方法的轻载检测及降频控制电路。本专利技术解决上述第一个技术问题的技术方案是：一种轻载检测及降频控制方法，用于功率管的漏端电压检测及栅极驱动控制，包括如下步骤：电压检测步骤，检测功率管导通时的漏极电压，并将漏极电压信号与设有回差的电压检测阈值进行比较，并输出比较结果信号；变频控制步骤，根据电压检测步骤输出的比较结果信号进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轻载检测及降频控制方法，包括如下步骤：/n电压检测步骤，检测功率管导通时的漏极电压，并将漏极电压信号与设有回差的电压检测阈值进行比较，并输出比较结果信号；/n变频控制步骤，根据电压检测步骤输出的比较结果信号进行高频和低频的切换，即当功率管的漏极电压信号高于基准电压时，输出两路高频的互补驱动信号；当功率管的漏极电压信号低于基准电压时，输出两路低频的互补驱动信号；/n驱动控制步骤，根据变频控制步骤输出的互补驱动信号驱动控制功率管的导通；/n功率管输出步骤，根据驱动控制步骤输出的驱动控制信号对功率管的进行导通控制，输出功率管的漏极电压。/n

【技术特征摘要】
1.一种轻载检测及降频控制方法，包括如下步骤：
电压检测步骤，检测功率管导通时的漏极电压，并将漏极电压信号与设有回差的电压检测阈值进行比较，并输出比较结果信号；
变频控制步骤，根据电压检测步骤输出的比较结果信号进行高频和低频的切换，即当功率管的漏极电压信号高于基准电压时，输出两路高频的互补驱动信号；当功率管的漏极电压信号低于基准电压时，输出两路低频的互补驱动信号；
驱动控制步骤，根据变频控制步骤输出的互补驱动信号驱动控制功率管的导通；
功率管输出步骤，根据驱动控制步骤输出的驱动控制信号对功率管的进行导通控制，输出功率管的漏极电压。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将漏极电压信号进行电平移位后再与设有回差的电压检测阈值进行比较。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：电平移位是通过基准电流在电阻上产生压降再叠加到功率管的漏极电压信号上实现的。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：电压检测阈值可通过基准电流在电阻上产生压降而产生。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：比较结果信号是采用比较器将漏极电压信号与电压检测阈值进行比较，输出的信号通过锁存器整形滤波后，在功率管导通结束的前一刻通过D触发器进行锁存，并输出最终的比较结果信号。


6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：高频和低频的切换是通过电压检测步骤输出的比较结果信号控制偏置电流的增加或减少来控制的。


7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：两路互补驱动信号处于有效电平之间有一段时间同时处于无效电平。


8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在驱动控制步骤，产生四路驱动控制信号控制两个N型功率管和两个P型功率管的导通与关断。


9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在驱动控制步骤，产生两路驱动控制信号控制两个N型功率管的导通与关断。


10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对于全桥驱动器应用的电路，在功率管输出步骤，根据驱动控制步骤产生的驱动控制信号，交叉选择上下桥臂功率管导通，输出四路功率管的漏极电压信号。


11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对于半桥或推挽驱动器应用的电路，在功率管输出步骤，根据驱动控制步骤产生的驱动控制信号，选择一只功率管导通，输出两路功率管的漏极电压信号。


12.一种轻载检测及降频控制电路，其特征在于：包括功率管单元、电压检测单元、变频控制单元和驱动控制单元，功率管单元的各输出端与电压检测单元的各输入端连接，电压检测单元的输出端与变频控制单元的输入端连接，变频控制单元的各输出端与驱动控制单元的各输入端连接，驱动控制单元的各输出端与功率管单元的各输入端连接；
所述功率管单元，受一个频率和占空比可变的驱动控制信号所控制，并将其漏极电压信号输出；
所述电压检测单元，检测功率管单元导通时功率管的漏极电压，并将漏极电压信号与电压检测阈值进行比较，并输出比较结果信号；
所述变频控制单元，根据电压检测单元输出的比较结果信号来进行高低频率的切换，即功率管的漏极电压信号高于电压检测阈值时，选择两路高频的互补驱动信号输出；在功率管的漏极电压信号低于电压检测阈值时，选择两路低频的互补驱动信号输出；
所述驱动控制单元，根据变频控制单元输出的互补驱动信号，对功率管单元的功率管栅极进行驱动控制。


13.根据权利要求12所述的轻载检测及功率管部分导通控制电路，其特征在于：将漏极电压信号进行电平移位后再与设有回差的电压检测阈值进行比较。


14.根据权利要求12所述的轻载检测及降频控制电路，其特征在于：所述的功率管单元包括PMOS管PM1、PM2，NMOS管NM1、NM2；PMOS管PM1的源极和PMOS管PM2的源极连接低压电源VCC，PMOS管PM1的漏极与NMOS管NM1的漏极连接，此连接交汇点作为所述的功率管单元的第一输出端，输出漏极电压信号D1；PMOS管PM2的漏极与NMOS管NM2的漏极连接，此连接交汇点作为所述的功率管单元的第二输出端，输出漏极电压信号D2；PMOS管PM1的栅极、PMOS管PM2的栅极作为所述的功率管单元的第一输入端、第二输入端，分别与驱动控制信号DRP1和驱动控制信号DRP2连接；NMOS管NM1的栅极、NMOS管NM2的栅极作为所述的功率管单元的第三输入端、第四输入端，分别与驱动控制信号DRN1和驱动控制信号DRN2连接；NMOS管NM1的源极与NMOS管NM2的源极接参考电位地；NMOS管NM1的衬底和NMOS管NM2的衬底与参考电位地连接，PMOS管PM1的衬底和PMOS管PM2的衬底与低压电源VCC连接。


15.根据权利要求12所述的轻载检测及降频控制电路，其特征在于：所述的功率管单元包括NMOS管NM1和NM2；NMOS管NM1的栅极、NMOS管NM2的栅极作为所述的功率管单元的第一输入端和第二输入端分别与驱动控制信号DRN1和驱动控制信号DRN2连接；NMOS管NM1的漏极作为所述的功率管单元的第一输出端，输出漏极电压信号D1；NMOS管NM2的漏极作为所述的功率管单元的第二输出端，输出漏极电压信号D2，NMOS管NM1的源极与NMOS管NM2的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵志伟，温镓俊，
申请(专利权)人：深圳南云微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44