开关控制电路、耦合电感器升压转换器及其驱动方法

技术领域

本发明示例性实施例涉及一种耦合电感器升压转换器及其驱动方法，该耦 合电感器升压转换器包括与升压转换器的一电感器耦合的另一电感器。

并且，示例性实施例还涉及包括在耦合电感器升压转换器中的开关控制电 路。

背景技术

包括第一电感器以及与第一电感器耦合的第二电感器的升压转换器(在下 文中称为耦合电感器升压转换器)通常根据固定的切换频率进行工作。

具体地说，耦合电感器升压转换器根据振荡器信号接通电源开关，该振荡 器信号确定切换频率，并通过利用耦合电感器升压转换器的输出电压和流经电 源开关的电流来确定电源开关的关断时刻。

在电源开关的关断时段期间，流经第一电感器和第二电感器的电流以根据 从电感器所分的输出电压减去耦合电感器升压转换器的输入电压得到的电压值 的斜率减小。

然而，当电源开关在低斜率的情况下根据固定切换频率进行接通时，会发 生其中流经第一电感器的电流流向电源开关的硬切换。

并且，当电源开关在硬切换的情况下接通时，可能会由于第二电感器的漏 电感而在第一电感器和第二电感器之间的节点处产生过度电压尖峰。

为了防止电源开关被电压尖峰关断，现有的耦合电感器升压转换器应包括 独立的缓冲(snubber)电路。

在背景技术部分中公开的以上信息仅用于加强对本发明的背景的理解，并 且因此，可能包括并不构成在本国被本领域普通技术人员熟知的现有技术的信 息。

发明内容

本发明致力于提供一种防止硬切换且不需要缓冲电路的开关控制电路、一 种包括所述开关控制电路的耦合电感器升压转换器以及一种所述耦合电感器升 压转换器的驱动方法。

本发明的示例性实施例提供一种耦合电感器升压转换器。该耦合电感器升 压转换器包括：第一电感器，其连接在输入电压和第一节点之间；第二电感器， 其连接在所述第一节点和第二节点之间；电源开关，其连接在所述第一节点和 地之间；以及开关控制电路，其用于接收所述第二节点的电压，并在所述第一 节点的电压为零的时刻，通过利用所述第二节点的电压来接通电源开关。

所述耦合电感器升压转换器进一步包括：输出二极管，其包括与所述第二 节点连接的阳极以及与所述输出电压连接的阴极。

所述开关控制电路包括：零电压检测器，其在所述第二节点的电压达到零 电压的时刻产生第一电平接通脉冲信号，并且根据所述第一电平接通脉冲信号 产生接通所述电源开关的栅极电压。

所述开关控制电路根据将误差电压和感测电压进行对比的结果来关断所述 电源开关，所述误差电压是对所述耦合电感器升压转换器的输出电压和预定参 考电压之间的差进行放大得到的电压，所述感测电压是根据流经所述电源开关 的电流得到的电压。

所述开关控制电路还包括：误差放大器，其用于产生一误差电压，所述误 差电压是对所述输出电压和所述预定参考电压之间的差进行放大得到的电压； 以及PWM控制器，其用于将感测电压和所述误差电压进行对比，并根据对比 结果产生关断所述电源开关的关断信号，所述感测电压是根据流经所述电源开 关的电流得到的电压。

所述开关控制电路进一步包括：

SR触发器，其用于根据所述接通脉冲信号产生接通所述电源开关的栅极电 压，并根据关断脉冲信号产生关断所述电源开关的栅极电压。

所述耦合电感器升压转换器进一步包括：箝位器，其接收所述第二节点的 电压，当所述第二节点的所述电压高于第一箝位参考电压时，将所述第二节点 的电压箝位至第一箝位电压，并且当所述第二节点的电压低于第二箝位参考电 压时，将所述第二节点的电压箝位至第二箝位电压。

本发明的示例性实施例提供一种耦合电感器升压转换器的驱动方法，该耦 合电感器升压转换器包括：第一电感器，其包括与输入电压连接的第一端；第 二电感器，其包括与所述第一电感器的第二端连接的第一端；以及电源开关， 其与所述第一电感器和所述第二电感器的第一节点连接。该驱动方法包括：检 测所述第二电感器的第二端的电压变为零电压的时刻；以及在所检测出的零电 压时刻，接通所述电源开关。

接通所述电源开关包括：在所检测出的零电压时刻，产生接通脉冲信号； 以及根据所述接通脉冲信号产生关断所述电源开关的栅极电压。

所述驱动方法进一步包括：通过对所述耦合电感器升压转换器的输出电压 和预定参考电压之间的差进行放大来产生误差电压；以及根据将感测电压和所 述误差电压进行对比的结果来关断所述电源开关，所述感测电压是根据流经所 述电源开关的电流得到的电压。

本发明的示例性实施例提供一种开关控制电路来控制与第一电感器和第二 电感器连接的电源开关的切换操作，所述第二电感器通过输出二极管与输出电 压连接。该开关控制电路包括：零电压检测器，其在与所述第二电感器和所述 输出二极管连接的节点的电压变为零电压的时刻，产生接通脉冲信号；以及SR 触发器，其根据所述接通脉冲信号接通所述电源开关。

所述开关控制电路根据将误差电压和所述感测电压进行对比的结果来关断 所述电源开关，所述误差电压是通过对所述输出电压和预定参考电压之间的差 进行放大而产生的，所述感测电压是根据流经所述电源开关的电流得到的电压。

所述开关控制电路进一步包括：误差放大器，其通过对所述输出电压和所 述预定参考电压之间的差进行放大来产生所述误差电压；以及PWM控制器， 其将所述感测电压和所述误差电压进行对比，并根据对比结果产生关断所述电 源开关的关断信号，所述感测电压是根据流经所述电源开关的电流得到的电压。

所述SR触发器包括：接收所述接通脉冲信号的置位端以及接收所述关断 信号的复位端R，并且所述SR触发器根据所述接通脉冲信号产生接通所述电 源开关的栅极电压，并根据所述关断脉冲信号产生关断所述电源开关的栅极电 压。

所述开关控制电路进一步包括：箝位器，其接收所述第二节点的电压，当 所述第二节点的电压高于第一箝位参考电压时，将所述第二节点的电压箝位至 第一箝位电压，并且当所述第二节点的电压低于第二箝位参考电压时，将所述 第二节点的电压箝位至第二箝位电压。

根据本发明示例性实施例，提供了一种防止硬切换且不需要缓冲电路的开 关控制电路、一种包括开关控制电路的耦合电感器升压转换器以及一种耦合电 感器升压转换器的驱动方法。

附图说明

图1示出根据本发明示例性实施例的耦合电感器升压转换器。

图2示出根据本发明示例性实施例的第一电感器电流、第二电感器电流、 漏电压、接通脉冲(on-pulse)信号以及栅极电压。

具体实施方式

在下面的详细描述中，已经仅仅简单地通过举例说明的方式来示出和说明 本发明的某些示例性实施例。

正如本领域技术人员将会认识到的，可以以各种不同的方式对所描述的实 施例进行修改，而均不背离本发明的精神或范围。

因此，附图和描述本质上应被看作是说明性的而非限制性的。在整个说明 书中，相同的附图标记始终指代相同的元件。

在下面的说明书和权利要求书中，当一个元件被描述为“耦合至”另一元 件时，该元件可以“直接耦合”至该另一元件，或该元件可以通过一第三元件 “电耦合”至该另一元件。

另外，除非另有明确的相反描述，否则词语“包括(comprise)”及其变型 应理解为意指包括所述及的元件而不排除任何其它元件。

在下文中，将参考附图描述根据本发明示例性实施例的开关控制电路、包 括开关控制电路的耦合电感器升压转换器、及其驱动方法。

图1示出根据本发明示例性实施例的耦合电感器升压转换器。

如图1所示，耦合电感器升压转换器1包括：开关控制电路10、第一电感 器L1、第二电感器L2、电源开关M、平滑电容器CI、输出电容器CO、输出 二极管DO、以及感测电阻器RS。

电源开关M为NMOSFET(n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管)。

体二极管BD和寄生电容器C并联连接在电源开关M的漏电极和源电极之 间。

电源开关M的栅电极连接至从开关控制电路10传送的栅极电压VG。

根据本发明示例性实施例，栅极电压VG的使能电平为高电平，并且栅极 电压VG的去使能电平为低电平。

感测电阻器RS连接在电源开关M的源电极和地之间。

电源开关M的漏电流流经感测电阻器RS，并且在感测电阻器RS处出现感 测电压VS。

平滑电容器CI与输入电压VIN连接，平滑电容器CI平滑输入电压VIN。

第一电感器L1包括：与经平滑的输入电压VIN连接的第一端以及与电源 开关M的漏电极和第二电感器L2连接的第二端。

第一电感器L1的绕组数量为“N1”。

第二电感器L2包括：与第一电感器的第二端和电源开关M的漏电极连接 的第一端以及与输出二极管DO的阳极连接的第二端。

第二电感器L2的绕组数量为“N2”。

第一电感器L1的第二端、电源开关M的漏电极和第二电感器L2的第一 端连接至节点ND1。

节点ND1的电压VND1与电源开关M的漏电极的电压相同。

输出二极管DO的阴极与输出电容器CO连接，并且输出电容器CO的两 端的电压为输出电压VOUT。

在电源开关M的接通时段期间对输出二极管DO进行反偏，并且没有电流 流经输出二极管。

当电源开关M被关断时，输出二极管DO导通，并且第二电感器L2的电 流IL2(下文中称为第二电感器电流)流经输出二极管DO。

开关控制电路10通过利用与第二电感器L2和输出二极管DO连接的节点 ND2的电压VND2来检测电源开关M的零电压时刻，并在检测出的零电压时 刻接通电源开关M。

电压VND2是与电源开关M的漏电极电压VND1相对应的电压。

并且，开关控制电路10根据由误差放大电压和感测电压VS之间的对比结 果来接通电源开关M，该误差放大电压为对输出电压VOUT和预定参考电压之 间的误差进行放大得到的电压。

开关控制电路10包括：零电压检测器100、箝位电路110、误差放大器120、 PWM控制器130以及SR触发器140。

箝位电路110对通过电阻器R传送的电压VND2进行箝位以使其不超出预 定的箝位电压范围。

例如，当电压VND2高于第一箝位参考电压时，箝位电路110将电压VND2 改变为第一箝位电压，当电压VND2低于第二箝位参考电压时，箝位电路110 将电压VND2改变为第二箝位电压。

在电源开关M的关断时段期间，输出二极管DO导通，并且电压VND2 为接近输出电压VOUT的高电压。

箝位电路110将电压VND2箝位至高箝位电压(例如，第一箝位电压)以 保护开关控制电路100的内部元件。

在电源开关M的接通时段期间，电压VND1变为0伏，并且在节点ND2 处感生一电压(-VIN*(N2/N1))，该电压为将第二电感器L2与第一电感器之间 的绕组比(N2/N1)乘以第一电感器L2的两端之间的电压-VIN得到的电压。

也就是说，电压VND2变为-(N2/N1)*VIN，并且为了通过负电势来保护开 关控制电路100的内部元件，箝位电路110将电压VND2箝位至低箝位电压(例 如，第二箝位电压)。

零电压检测器100感测电压VND2达到零电压的时刻，即为零电压交叉时 刻，并与零电压交叉时刻同步地产生接通脉冲信号ON。

例如，当电压VND1达到零电压时，电压VND2也达到零电压。

零电压检测器100将电压VND2和零电压进行对比，并在电压VND2达到 零电压时产生高电平接通脉冲信号ON。

误差放大器120接收输出电压VOUT，并通过对预定参考电压和输出电压 VOUT之间的差进行放大来产生误差电压ERV。

PWM控制器130将误差电压ERV和感测电压VS进行对比，并根据对比 结果来产生关断信号OFF以关断电源开关M。

具体地说，PWM控制器130在感测电压VS高于误差电压ERV时产生高 电平关断信号OFF，并在感测电压VS低于误差电压ERV时产生低电平关断信 号OFF。

SR触发器140包括置位端S和复位端R，并根据置位端S的输入信号产生 高电平信号，根据复位端R的输入信号产生低电平信号。接通脉冲信号ON被 输入到置位端S且关断信号OFF被输入到复位端R。

在本发明示例性实施例中，SR触发器140的输出信号为栅极电压VG，但 本发明不限于所公开的实施例。开关控制信号10进一步包括根据SR触发器140 的输出信号产生栅极电压VG的栅极驱动器。

在下文中，将参考图2，描述根据示例性实施例的耦合电感器升压转换器 的操作。

图2示出根据本发明示例性实施例的第一电感器电流、第二电感器电流、 漏电压、接通脉冲信号以及栅极电压。

首先，根据在时刻T0的高电平接通脉冲信号ON，SR触发器140产生高 电平栅极电压VG。

接着，电源开关M接通。

在时段T0到T1期间，当电源开关M接通时，电流流经第一电感器L1和 电源开关M。

第一电感器电流IL1根据由输入电压VIN确定的斜率增大，并且能量被存 储于第一电感器L1中。

在时段T0到T1期间，输出二极管DO不导通，并且电流不流经第二电感 器L2。

在时段T0到T1期间，来自输出电容器CO的电流供应给输出电压VOUT。

在时段T0到T1期间，由于漏电流Ids与第一电感器电流IL1相同，因此 感测电压VS根据第一电感器电流IL1升高。

在时刻T1，已升高的感测电压VS达到误差电压ERV，并且PWM控制器 130产生高电平关断信号OFF。

接着，在时刻T1，SR触发器140产生低电平栅极电压VG，并且电源开关 M关断。

在电源开关M关断时，第一电感器电流IL1根据绕组比N2/N1传送到第二 电感器L2。

输出二极管DO在电源开关M关断之后导通。

因此，第二电感器电流IL2经由输出二极管DO流至输出电压VOUT。

在时段T1到T2期间，通过储存于第一电感器IL1的能量产生第二电感器 电流IL2，并且第二电感器电流IL2流经第二电感器L2。

在时刻T2，存储于第一电感器L1的能量被消耗，第一电感器电流IL1变 为零，并且第二电感器电流IL2也变为零。

接着，由于电源开关M的寄生电容器C与第一电感器L1和第二电感器L2 之间的谐振，从时刻T2起，输出二极管DO关断并且漏电压VND1开始降低。

在时刻T3，当降低的漏电压VND1达到零电压时，零电压检测器100产生 高电平接通脉冲信号ON。

接着，在时刻T3，SR触发器140产生高电平栅极电压VG，并且电源开关 M接通。

重复进行上述操作，并且当电源开关M的漏-源电压为零电压时，执行电 源开关M的切换操作。由此，实现了软切换。

根据本发明示例性实施例，防止了硬切换并且可通过软切换来防止由第二 电感器的漏电感引起的过度尖峰电压。

因此，可提供无缓冲电路的耦合电感器升压转换器。

尽管结合目前视为实用的示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本 发明不限于所公开的实施例，而是相反旨在覆盖包含在所附权利要求的精神和 范围内的各种修改和等同布置。

符号描述