[发明专利]一种适用于开关电源功率管驱动电路的零电压切换电路

说明书

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种适用于开关电源功率管驱动电路的零电压切换电路。

背景技术

小近年来，电子产品的使用愈来愈广泛，电能已成为当今主要的能量利用形态。合理而有效地利用电能(或者称为电源管理)成为各种电子应用领域的共同关注点。为了提高电能利用率，既需要提高供电系统(电源电路)的效率，也需要提高受电系统的效率。对于功率较小的消费类电子产品，尤其是便携式电池供电类电子产品而言，电源电路的效率高低，对于整个系统的效率影响更大。尽量降低电源电路自身的功耗具有良好的应用价值和现实意义。

开关电源作为一种常见的电源电路结构，以断续方式从外部电源中获取功率，并将获取的功率暂时储存在内部储能器件(电感，电容)中，然后对功率在时间上进行重新分布后，连续地输出到负载上。因此，功率的获取过程和输出过程在某种程度上是分离的。得益于这种分离，在理想情况下，开关电源在机制上是无损耗的。这也使得开关电源能够拥有高效率的优点。

在实际情况下，开关电源中的功率管开关网络由于器件尺寸较大，具有较大的寄生电容(电阻)。这些寄生电容(电阻)使得在开关功率管时需要花费许多功耗。其中之一就是打开N型功率管时，可能存在的导通功耗。如果在N型功率管漏端电压不为零时，打开功率管，则将同时存在漏端电压和漏电流，此时将有一些能量耗散在N型功率管身上。为了避免这种耗散，可以在N型功率管漏端电压降为零时，打开功率管，此时将不存在导通功耗。这种过程称为零电压切换。完成此功能的电路称为零电压切换电路。零电压切换电路可以有效地提高开关电源效率，也已成为高性能功率管驱动电路的必要组成部分。

发明内容

小本发明的目的在于提出一种适用于开关电源功率管驱动电路的零电压切换电路(ZVS，Zero-Voltage Switching)，以实现高性能功率管驱动，提高开关电源的效率。

开关电源功率管及其驱动电路示意图如图1所示。ZVS电路(1.1)位于N型功率管的缓冲器链(1.2)之前。它可以实现N型功率管的零电压切换。具体地说，在需要打开N型功率管时，ZVS电路跟踪N型功率管漏端电压Vx，在其降至零后，再打开N型功率管。在需要关闭N型功率管时，立即关闭N型功率管。

本发明提出的适用于开关电源功率管驱动电路的零电压切换电路，由比较器(2.2，2.3)，开关管Ms及其控制逻辑(2.1)和一个带有异步低电平复位端的D触发器(2.4)组成，具体电路如图2所示。比较器采用MOS管源端作为输入端，可以实现过零比较，采用推挽结构可以拥有较大增益，继而连接一个两级反相器链，有助于迅速得出比较结果，并以高低电平形式输出该结果。在电源和比较器之间加入开关管Ms及控制逻辑，用以设置比较器的工作时间，只在开启N型功率管时打开比较器，而其它时间比较器则处于关闭状态，以节省功耗。当需要打开N型功率管Mn时，比较器在N型功率管Mn漏端电压Vx降至零时，向D触发器发出上升沿信号，D触发器进而输出开启信号。当需要关闭N型功率管Mn时，异步低电平复位端使得D触发器立即输出关闭信号。这使得ZVS电路不影响N型功率管的关闭过程。

本发明的零电压切换电路结构简单，功耗低，功能可靠，适用于开关电源功率管的驱动电路。

附图说明

图1.开关电源功率管及其驱动电路示意图。

图2.ZVS电路图。

图3.开启N型功率管Mn时，主要节点信号波形图。

图4.关闭N型功率管Mn时，主要节点信号波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

当需要开启N型功率管Mn时，信号Vdrv由低电平跳变为高电平。随后信号VGp由低电平跳变为高电平，P型功率管关闭。此时，Vdrv为高电平，VGn为低电平，开关管Ms控制逻辑输出低电平，开关管Ms处于打开状态，比较器也处于工作状态。同时，信号Vx由高电平开始逐渐降低。当Vx降至零时，比较器输出由低电平跳变为高电平，经两级反相器链整形后，向D触发器输出上升沿信号。由于上升沿信号接入D触发器的时钟端，因此触发器将输出D端数据，即高电平。信号Vdrvn由低电平跳变为高电平，随后信号VGn由低电平跳变为高电平，N型功率管开始打开。并且开关管Ms控制逻辑输出由低电平跳变为高电平，开关管Ms进入关闭状态，比较器也进入关闭状态。可见，ZVS电路确保在漏端电压Vx为零时打开N型功率管，并且比较器只在打开瞬间处于工作状态，其余时间皆处于关闭状态。打开N型功率管Mn时，主要节点信号波形如图3所示。

当需要关闭N型功率管Mn时，信号Vdrv由高电平跳变为低电平。随后信号VGp由高电平跳变为低电平，P型功率管打开。由于Vdrv接在D触发器异步低电平复位端，触发器将被复位，即Vdrvn由高电平跳变为低电平，随后VGn由高电平跳变为低电平，N型功率管关闭。在此过程中，开关管Ms控制逻辑始终输出高电平，开关管Ms处于关闭状态，比较器也处于关闭状态。可见，ZVS电路不影响N型功率管的关闭过程。关闭N型功率管Mn时，主要节点信号波形如图4所示。