[发明专利]一种同步整流变换器的软启动方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及开关电源，特别是涉及一种同步整流变换器的软启动方法及装置。

背景技术

低压大电流输出的开关电源变换器按照所采用的整流器件的类型，可分为二极管整流变换器和同步整流变换器。二极管整流变换器，是指采用普通二极管作为整流管来进行整流的变换器。同步整流变换器，是指采用通态电阻极低的开关管如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，来取代整流二极管，以降低整流损耗的一种变换器。当用MOSFET做整流管进行整流时，要求MOSFET栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能最大限度减小导通时间，提高效率，故称之为同步整流。

整流管采用二极管时的导通压降所造成的损耗在整个开关电源变换器的损耗中占了相当大一部分，如：在输出电压为1V的场合，使用导通压降为0.5V的肖特基二极管，则整流电路所造成的损耗会占到33％左右。为了降低整流管的导通压降，提高转换效率，可以采用开关管组成的同步整流电路来代替二极管整流电路，此时开关电源变换器即为同步整流变换器。和普通二极管整流变换器相比，同步整流变换器可以提高效率，但也带来问题。普通的二极管整流器由于二极管的单向导通特性，开机工作时能量只能由输入端流向输出端，而同步整流变换器开机工作时，由于开关管的双向导通特性，能量有可能由输出端传向输入端。因此，虽然同步整流电路的效率要高于二极管整流电路，但当开关电源变换器输出端存在预加电压时，开关管的双向导通特性就会在开关电源变换器软启动时带来如下所述的一些负面问题，且该问题具有一般性。

如图1和图2所示，以开关电源变换器采用全桥拓扑的全桥变换器为例，在软启动阶段，其工作模态为：

(1)t₀～t₁：原边开关管S1、S4导通，副边的第一同步开关管SR1导通，第二同步开关管SR2关闭，能量由输入电压v_in传向输出电压v_o，此阶段称为整流时间T_rec；

(2)t₁～t₂：原边开关管S1、S4关闭，副边的第一、二同步开关管SR1、SR2都导通，电流i_L通过第一、二同步开关管SR1、SR2续流，此阶段称为续流时间T_fw。

在软启动过程，原边两组开关管S1、S4和S2、S3的占空比由0开始逐渐增大，即T_rec逐渐增大，与此同时，由于开关管的双向导通特性，同步开关管的续流时间T_fw由一个很大的值逐渐减小，而续流时间T_fw太长时会使电流i_L过零后继续减小，进而发生电流i_L反向。

如前文所述，当开关电源变换器输出端存在预加电压时，开关管的双向导通特性会在开关电源变换器软启动时带来一些负面问题。开关电源输出端存在预加电压一般有两种情况：预偏置启机和多个电源模块并联。在预偏置启机的场合，软启动过程中如果发生电流反向，首先，输出电容C放电会造成输出电压v_o跌落，对预偏置电压本身以及所接负载也会造成影响；其次，由于输出电容放电回路中仅有电感、绕组和开关管，阻抗很低，放电电流很大，可能会造成副边同步开关管损坏。在多个电源模块并联场合，软启动时如果电流反向，则正在启动的模块会从先启动的模块中吸取电流，成为一路负载，可能会造成开关电源变换器启机异常或失败。

因此，为了避免电流i_L反向造成的影响，在软启动过程中，必须对同步开关管的续流时间T_fw进行控制。

目前常用的控制电流反向的方案有：

1、在原来的模块输出端加热插拔电路，或在输出部分另外串联一个开关，控制该开关慢慢导通。这种方法，可使得使用同步整流变换器的产品一致性非常好，但却带来以下问题：产品成本增加；产品效率比原来低，热性能下降；产品体积和复杂程度增加，可靠性下降。

2、外加一个同步开关管的驱动控制电路，启机前，如果有预偏置电压，则关闭同步开关管，随着输出电压升高，当大于预偏置电压时，使同步开关管的驱动幅值逐渐增加。而外加的控制电路工作中要利用开关管的线性工作区，不仅电路比较复杂，而且由于参数差异，一致性不好把握。