[发明专利]基于时域乘法器的同步整流控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于集成电路设计技术领域，涉及一种同步整流控制系统，尤其涉及一种基于时域乘法器的同步整流控制系统；同时，本发明还涉及一种基于时域乘法器的同步整流控制方法。

背景技术

随着我国经济的飞速发展，人们生产生活对电力的需求不管提高，而国内外的能源供应并没有相应等比例提升，因而造成能源短缺日益严重。电能作为能源的重要组成部分，相应对电能使用效率的要求也越来越严格。目前电力供电主要通过高压交流方式，一般在110V～220V范围，而普通家用电器通常使用直流电源，这样就需要将AC高压电源通过适配器转换成低压直流电源，由于低压直流负载众多对电力供应的占比较大，每个国家均出台相关法规对适配器的转换效率作严格要求。美国出台的六级能效标准(EPS6)和欧洲出台的电源能效行为准则COCV5，均对适配器的转换效率提出严格要求，很多适配器由于达不到相应的能源标准只能淘汰。

同步整流技术是将整流二极管的压降通过低Rdson来降低，普通功率管的压降在0.7V～1V，即使是低降压的肖特基二极管在大电流通过时压降也会超过0.5V；同步整流技术采用低Rdson的MOS来代替整流二极管，将压降控制100mV甚至更小，显著地将整流二极管的损耗降低到20％以内。低电压大电流应用中整流二极管的压降对能量传输的损耗更为严重，因此，同步整流技术越来越多的应用到低电压直流电源适配器中，相应的效率提升亦最为明显。

目前，在DCDC(直流转直流)开关电源应用领域，同步整流控制模块通常和开关控制模块是一个控制器，这样的好处在于同步整流不存在误开启和误关断问题，效率和安全可以兼顾。而在ACDC(交流转直流)开关电源应用领域，为了使用安全考虑通常使用变压器将原边和次边隔离，这样即成生产同步整流控制和原边主功率开关控制通信的问题，同步整流芯片需要在变压器或者电感消磁的时候尽快开启，而在消磁结束时立即关闭，同步整流功率MOS管提前开启或者滞后关闭会引起电流灌通而导致电源损坏；而滞后开启或提前关断又会将同步整流转化成体二极管或者外部二极管整流，进而降低能量传输效率。所以，在保证同步整流功率MOS管处于安全开关状态下，尽可能地增加变压器或电感在消磁时同步整流功率MOS管开通时间成为同步整流的核心技术。

同步整流技术的开启均通过同步整流功率MOS管漏端的消磁检测来实现，当同步整流控制系统检测到同步整流功率MOS管处于消磁状态即开启输出。而控制如何确定同步整流功率MOS管关闭成为同步整流控制的关键核心技术。

目前，同步整流的关闭通常采用如下几种方式来控制：

一、检测同步整流功率MOS管的源漏端压降(Vsd)来实现。即当变压器或电感电流消磁快结束时，通过同步整流功率MOS管的电流会逐渐下降，相应产生的压降也会下降，当该电压下降到一定值时即判定消磁接近完成而关闭同步整流输出。

这种方法有明显的缺陷，通常情况下会将同步整流功率MOS的导通压降Vsd控制在-80mV～-100mV，而同步整流功率MOS管的关闭阈值常设计在-20mV～-30mV，由于内部比较器具有一定的失调而无法将该阈值设计在0mV，为了防止同步整流功率MOS管滞后关闭造成损坏而留有较大空间，这样的结果是同步整流控制的安全性得到了保证，但是消磁状态有很大一部分是通过MOS管的体二极管或者外部二极管来实现，这样即导致效率低下，在很大程度上失去了同步整流的优势。

二、通过伏秒平衡来实现。该想法基于电感电流的伏秒平衡原理，即在稳定状态下电感增加的电流和减少的电流必然相等。

(Vin/L)*Tonp＝(Vout/L)*Tdem

上式中，Vin为原边功率开关开启时加到电感L的电压；Tonp为原边功率开关的开启时间；Vout为电感消磁电压；Tdem即通过伏秒平衡原理计算得到的同步整流功率MOS管的开通时间。

该方法理论上可以让同步整流功率MOS管在消磁时完全处于开启状态，但是，实际应用中由于元器件参数离散性、温度变化、效率损失等原因造成消磁时间小于计算值，为了安全考虑必须要加入一个固定的死区防止同步整流功率MOS管滞后开启而造成损坏，由于潜在的变化量较多，死区通常设计的非常大，这样不可避免的降低了同步整流的效率。

三、通过锁相环(Phase Locked Loop，PLL)控制。

该技术的核心是在消磁结束时检测同步整流GATE驱动信号的下降沿与同步整流功率MOS管漏端的波形振铃之间的时间差，该时间差经过PLL不断矫正最终达到稳定状态，在稳定状态时同步整流功率MOS管开启时间达到该技术可以实现的最大值。