[发明专利]一种开关电源功率管驱动的死区时间自适应控制电路及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种开关电源功率管驱动的死区时间自适应控制电路及其方法，可以有效减少带有同步整流的开关电源变换器中因死区时间不合适造成的损耗，提高电源转换效率。

背景技术

相对于控制简单的非同步整流开关电源变换器而言，同步整流结构虽然控制信号较为复杂，但可以显著提高转换效率，减小功率损耗，在越来越多效率要求较高的地方得到了广泛应用。然而在同步整流结构开关电源变换器中，由于高端同步整流管与低端同步整流管栅极控制信号的死区时间不匹配造成的能量损耗限制了其效率的提高。

图1所示为典型的同步整流结构开关电源降压变换器。高端PMOS管M1源端接输入电压，低端同步整流NMOS管M2源端接地，M1与M2漏极相连记为LX节点，并与电感L的一端连接。电感L另一端与电容C一端相连，电容C的另一端接地，组成LC滤波网络。电感L与电容C连接点为输出V_out。PWM_P与PWM_N信号经死区控制电路和驱动级电路处理后得到M1栅极控制信号PG、M2栅极控制信号NG。

为了避免PG和NG信号在上升和下降过程中出现功率管M1、M2同时导通，从而产生较大的能量损失，M1和M2在切换导通的过程中需要有一定的死区时间。如图2所示，即当M1管关闭后经过T1时间M2管再开启，M2管关闭后经过T2时间M1管再开启，避免M1和M2同时导通造成的输入到地的电流通路。上升死区时间T1定义为PG信号上升到电源电压的50％到NG信号上升到电源电压的50％之间的延迟时间，下降死区时间T2定义为NG信号下降到电源电压的50％到PG信号下降到电源电压的50％之间的延迟时间。

死区时间过长或过短都会降低变换器的电源转换效率，以T1为例。如图3所示，在M1管和M2管同时关断时，电感电流经开关管的体二极管从地流入电感，导致LX点的电压下降到负电平。如果死区时间过长，NMOS管M2的体二极管在T_dio期间开启，在体二极管上一直存在电流和电压，造成能量的损耗，。特别是在重载时，能量损耗更大。如图4所示，死区时间T1太小使得LX点电压未下降到零时低端NMOS管M2已经开启，LX点电压通过M2快速放电，使得M2产生较大的正向导通电流；过短的死区时间甚至会造成M1和M2同时的不完全关闭，形成尖峰电流。

定义最佳死区时间T为使LX点电压刚好放电至零时N管开启的死区时间。由于最佳死区时间T将会随功率管尺寸和负载电流的变化而变化，为使变换器获得更高的转换效率，死区时间应当随负载电流或者功率管尺寸的变化而变化。采用本发明自适应控制死区时间，使得在任意功率管尺寸和负载情况下均可获得最佳死区时间，从而提高变换器的转换效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种开关电源功率管驱动的死区时间自适应控制电路及其方法，当负载、功率管尺寸、输出电压等因素发生变化时，可以自适应地对死区时间进行自动调整，获得最佳死区时间，提高开关电源转换效率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种开关电源功率管驱动的死区时间自适应控制电路，包括高端同步整流PMOS管M1、低端同步整流NMOS管M2和LC滤波网络，PMOS管M1的源极连接输入电压V_in，PMOS管M1的漏极与NMOS管M2的漏极以及电感L的输入端连接在一起，连接点定义为LX点，电感L的输出端连接电容C的一端并作为开关电源的输出端V_out，电容C的另一端连接NMOS管M2的源极并接地，定义高端PMOS管的脉宽调制信号为PWM_P，低端NMOS管的脉宽调制信号为PWM_N，PWM_P与PWM_N信号经死区电路和驱动电路后，分别产生高端PMOS管M1的栅极的控制信号PG以及低端NMOS管M2的栅极的控制信号NG；其特征在于：

死区时间自适应控制电路包括两路控制电路，PWM_P信号经过死区固定电路和反相器链驱动电路后输出控制信号PG，PWM_N信号与经过对LX点电压进行采样的检测及采样保持电路、误差比较电路、控制电流产生电路后的输出信号共同输入至死区产生及驱动电路后输出控制信号NG；其中：

死区固定电路包括两个反相器inv6和inv7、两输入或非门nor2、两输入与非门nand2，NG信号经过反相器inv6输出信号再经反相器inv7后输出信号为NG2，NG2与来自死区产生及驱动电路中反相器inv1的输出信号NG1作为两输入或非门nor2的输入，两输入或非门nor2的输出信号为PC，PC信号与PWM_P信号作为两输入与非门nand2的输入，两输入与非门nand2输出PG0信号；