CN104092388A - 一种自带防倒灌保护的同步整流boost电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自带防倒灌保护的同步整流BOOST电路，包括二极管D1，电容C1构成的自举供电电路，当主开关管Q1导通时，辅助电源VCC通过D1给C1充电，从而给反向电流检测电路以及控制驱动电路供电；检流电阻R1、电压比较器U1构成反向电流检测电路，当R1上正向电流接近零或负电流，U1比较后送出低电平到与门U2；与门U2控制同步整流管Q2驱动电路，当PWM发生器送给Q2高电平时，先经过与门U2，若检测到U1比较送出的0电流或付电流，则U2送出低电平，Q2关断；这三部分电路即可实现防止BOOST电路同步整流管反向电流的问题。其设计合理、结构简单、可靠性好、安全节能、成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及电源转换技术领域，尤其是涉及一种自带防倒灌保护的同步整流BOOST电路。
背景技术
带有同步整流的BOOST升压转换器应用已非常广泛，主开关管和同步整流管工作在互补模式，可以得到很高的转换效率；但是这一传统的做法有个缺陷，当转换器工作在轻载或空载状态时，同步整流管上会出现负电流，此时虽然输出电流很小，但是电感、主开关管、同步整流管上却有较大的电流流过，使能量在输入电容和输出电容之间反复转换，虽然只要控制得当不会对负载造成什么影响，但是反复循环的电流却会白白增加损耗，使得即使空载上述器件仍然会消耗不少功耗；另外，在一些特殊使用场合，例如多个同步BOOST转换器并联工作或者输出端并有蓄电池时，一旦输出端电压被外力太高，就会发生输出向输入端倒灌的现象，严重时会损坏前端电源。
发明内容
本发明在BOOST电路中同步整流上管的源极串入一只检流电阻，用比较器检测电流的正反向，再控制驱动电路，使得当同步整流管正向电流降到0甚至出现反向电流时关断同步管；上述比较器、同步整流上管驱动及控制电路可以简单的自举电路获得电源，能有效克服上述缺陷，实现在BOOST转换器轻载工作时当同步整流上管电流降到零时自动关闭同步整流，无须外加信号进行控制。其设计合理、结构简单、可靠性好、安全节能、成本低廉，有效解决了现有技术的不足。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种自带防倒灌保护的同步整流BOOST电路，包括PWM发生器，主开关管Q1，同步整流管Q2,BOOST电感L1，输入滤波电容C2，输出滤波电容C3，其特征在于：所述同步整流管Q2增加了电流检测及判断电路和驱动及控制电路，以及给上述电路供电的自举供电电路；所述PWM发生器的一个输出端与驱动及控制电路的一个输入端相连，PWM发生器的另一个输出端通过驱动电路与主开关管Q1栅极相连，所述驱动及控制电路的输出端与同步整流管Q2的栅极相连，所述电流检测及判断电路连接在同步整流管Q2与驱动及控制电路之间，所述BOOST电感L1的一端与电源相连，另一端与自举供电电路相连，所述自举供电电路与主开关管Q1的漏极相连；所述输入滤波电容C2正极与电源相连，负极与主开关管Q1的源极相连；所述同步整流管Q2、主开关管Q1之间连接有电流检测及判断电路，所述输出滤波电容C3与主开关管Q1、电流检测及判断电路同步整流管Q2依次连接组成的串联电路并联。
上述的同步整流BOOST电路，其特征在于，同步整流管电流检测及判断电路包括串联在同步整流管Q2源极的检流电阻R1和电压比较器U1，且检流电阻R1跨接在电压比较器U1的两输入端之间，其中检流电阻R1与同步整流管Q2源极相连的一端接电压比较器U1负极输入端，所述电压比较器U1的输出端与驱动及控制电路的另一个输入端相连。
上述的同步整流BOOST电路，其特征在于，同步整流管驱动及控制电路包括由与门电路控制的驱动电路。
上述的同步整流BOOST电路，其特征在于，自举供电电路中包括自举二极管D1及与自举二极管D1串联的自举电容C1。
上述的同步整流BOOST电路，其特征在于，所述电压比较器U1负极输入端与同步整流管Q2的源极相连，电压比较器U1正极输入端与主开关管Q1的漏极相连。
上述的同步整流BOOST电路，其特征在于，所述输出滤波电容C3正极与同步整流管Q2的漏极相连，输出滤波电容C3负极与主开关管Q1的源极相连，且输出滤波电容C3正极为接负载端。
上述的同步整流BOOST电路，其特征在于，同步整流管驱动及控制电路不限于由与门电路控制的驱动电路。
采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：
1、本发明可以有效降低同步boost转换器在轻载时的转换损耗，提升效率；
2、本发明可以有效防止BOOST转换器电路输出端对输入端的电流倒灌，在某些场合，输出端并联其它电源或者蓄电池的情况下，防止电流倒灌，可有效保护前端电源，尤其是当前端电源是燃料电池等对反向电流敏感的电源的时候。
综上所述，本发明能有效克服BOOST转换器电路输出端对输入端的电流倒灌缺陷，实现在BOOST转换器轻载工作时当同步整流上管电流降到零时自动关闭同步整流，无须外加信号进行控制。其设计合理、结构简单、可靠性好、安全节能、成本低廉，有效解决了现有技术的不足。
附图说明
图1为本发明的同步整流BOOST电路原理图；
图2为常用同步BOOST转换器原理图；
图3为同步整流管电流波形对比图；
图4为电流检测及判断电路的应用实例图；
图5为带控制电路的同步整流管驱动电路的应用实例图；
图6为自举供电电路的应用实例图。
其中：1、PWM发生器；2、驱动及控制电路；
自举供电电路；4、电流检测及判断电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1和图2所示，一种自带防倒灌保护的同步整流BOOST电路，包括PWM发生器1，主开关管Q1，同步整流管Q2,BOOST电感L1，输入滤波电容C2，输出滤波电容C3，其特征在于：所述同步整流管Q2增加了电流检测及判断电路4和驱动及控制电路2，以及给上述电路供电的自举供电电路3；所述PWM发生器1的一个输出端与驱动及控制电路2的一个输入端相连，PWM发生器1的另一个输出端通过驱动电路与主开关管Q1栅极相连，所述驱动及控制电路2的输出端与同步整流管Q2的栅极相连，所述电流检测及判断电路4连接在同步整流管Q2与驱动及控制电路2之间，所述BOOST电感L1的一端与电源相连，另一端与自举供电电路3相连，所述自举供电电路3与主开关管Q1的漏极相连；所述输入滤波电容C2正极与电源相连，负极与主开关管Q1的源极相连；所述同步整流管Q2、主开关管Q1之间连接有电流检测及判断电路4，所述输出滤波电容C3与主开关管Q1、电流检测及判断电路4同步整流管Q2依次连接组成的串联电路并联。
本实施例中，同步整流管电流检测及判断电路4包括串联在同步整流管Q2源极的检流电阻R1和电压比较器U1，且检流电阻R1跨接在电压比较器U1的两输入端之间，其中检流电阻R1与同步整流管Q2源极相连的一端接电压比较器U1负极输入端，所述电压比较器U1的输出端与驱动及控制电路2的另一个输入端相连。检流电阻R1连接在同步整流管Q2的源极而非漏极的好处是可以使判定电流方向的电压比较器U1使用自举供电电路3作为电源，而无需另外再提供带有隔离的较复杂专用电源；检流电阻R1两端的电压送入电压比较器U1进行判定，如果是正向电流，电压比较器U1送出高电平，如果是反向电流，则送出低电平。
电压比较器U1输入端可加入偏置电压以避免器件误差造成的误动作。如图4所示，是电流检测及判断电路的应用实例。该实例中，R1选用5mΩ检流电阻，U1使用TI公司的高速精密电压比较器，响应时间10nS，输入失调电压0.5mV，Ra和Rb提供了一个偏置电压，使得同步整流管Q2的正向电流还没完全降到0的时候比较器即判定电流到0输出低电平关闭Q2，这样做的作用是避免比较器U1的误差导致误判，亦能防止0点附近时电路噪声造成Q2反复开通关闭；此偏置电压可按具体电路进行设定，太低则不能完全避免误判问题，太高则会增大Q2的损耗，按图4中的参数，对应关断电流约在0.5A。
本实施例中，同步整流管驱动及控制电路2包括由与门电路控制的驱动电路，U2为双输入端与门，当PWM信号送入高电平时，还须看电压比较器U1送来的信号是否也是高电平，两者都是高电平的时候才会送出高电平，使MOSFET驱动电路驱动同步整流管Q2导通，当上述的电流方向检测电路检测到反向电流时，与门电路能够输出低电平给驱动电路，保证同步整流管处于关断状态。但本发明不局限于上述的与门加驱动组成整流管驱动及控制电路的方式。
如图5所示，是带控制电路的同步整流管驱动电路的3个应用实例：
a中U2使用了单2输入与门74AHC1G08，MOSFET驱动器则使用TC4420；
b中，将驱动芯片改成了一对NPN、PNP管组成的图腾柱；
c中，省略了与门，使用了带使能引脚的驱动芯片FAN3122，当比较器输出低电平时将关闭FAN3122，输出始终低电平；其效果和用与门+驱动芯片相同。
本实施例中，自举供电电路中3包括自举二极管D1及与自举二极管D1串联的自举电容C1，当主开关管Q1导通，C1的下端将随之拉低到0电平，VCC(通常为+12V或+5V)则通过D1给C1充电，使C1的电压即VCCH接近为VCC，即使主开关管Q1截止，C1下端电平抬高，C1上存储的电能仍能给电流检测及判断电路4和驱动及控制电路2供电，并可再通过三端稳压等形式提供多组实际所需的供电电压。
如图6所示，为自举供电电路3的应用实例。在输出电压不高于150V的应用中，自举二极管D1可使用小电流的肖特基二极管，实例中使用了耐压150V的SB01-15C，电容C1则使用1UFX7R25V的陶瓷电容器，另外如果驱动MOSFET使用10～12V的电压，而逻辑芯片需要用到+5V，可以增加一个5V三端稳压，如78L05或LM1117-5.0。
本实施例中，所述电压比较器U1负极输入端与同步整流管Q2的源极相连，电压比较器U1正极输入端与主开关管Q1的漏极相连。
本实施例中，所述输出滤波电容C3正极与同步整流管Q2的漏极相连，输出滤波电容C3负极与主开关管Q1的源极相连，且输出滤波电容C3正极为接负载端。
下面结合波形图图3说明本发明工作的整个过程。图3中最上面的波形是普通的同步整流在满载情况下同步整流管的电流波形，Q1导通时，电源电压Vin直接叫到电感L1上，L1上的电流逐渐加大，其存储的能量随之增加，此时Q2的体二极管截止，其电流为0；当下管Q1关断时，电感的能量便通过Q2的体二极管向输出滤波电容C3及负载放电，随着能量的释放，电流逐步减小，并在下一周期Q1导通时突变为0；驱动Q2的PWM波形和Q1是完全互补的，只是为了防止Q1、Q2同时导通造成短路会留有死区时间，一般为几十纳秒左右，也就是说在Q1关断，Q2的体二极管通过电流的几乎同时，Q2变导通实现同步整流，使得Q2的导通损耗变的很低，提高效率；我们看到在次满载的情况下，Q1关断期间，Q2始终有较大的正向电流流过，对于本发明来讲，由于电流始终正向，比较器始终送出高电平，与门的PWM输入和输出完全一致，所以其工作状态和普通BOOST转换器是完全一致的；
但是当工作在轻载状态时，状态就不同了。图3中间的波形是普通BOOST转换器在轻载下的同步整流管波形，由于负载很小，电流也远小于上图，当Q1关断，Q2出现正向电流后，很快就下降到0，此时Q1尚未导通，而Q2却仍在导通状态，由于C3上的电压高于输入电压Vin，导致C3通过L1对输入电容C2甚至前端输入电源充电，直到Q2截止，Q1导通，此反向电流才消失，之后Q1导通的前期，L1储存的反向能量仍然对输入电容充电，能量放完后输入电源才重新对L1充入正向电流；这些反复重放电的电流会造成Q1、Q2的导通电阻、L1的直流电阻、以及线路电阻、甚至C2、C3的ESR上的损耗，白白消耗能量，对输入端的充电也会造成对输入电源的不良影响；如果应用本发明，则能解决上述问题。
图3最下面的波形是本发明在轻载下的同步整流管电流波形，和中图不同的是，当同步整流管正向电流下降到0时，由于电流检测电路检测到并输出低电平，导致与门U2送低电平，关闭了Q2，Q2的体二极管亦截止，就不会出现反向电流，不会出现输出端向输入端倒灌的现象。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种自带防倒灌保护的同步整流BOOST电路，包括PWM发生器(1)，主开关管Q1，同步整流管Q2,BOOST电感L1，输入滤波电容C2，输出滤波电容C3，其特征在于：所述同步整流管Q2增加了电流检测及判断电路(4)和驱动及控制电路(2)，以及给上述电路供电的自举供电电路(3)；所述PWM发生器(1)的一个输出端与驱动及控制电路(2)的一个输入端相连，PWM发生器(1)的另一个输出端通过驱动电路与主开关管Q1栅极相连，所述驱动及控制电路(2)的输出端与同步整流管Q2的栅极相连，所述电流检测及判断电路(4)连接在同步整流管Q2与驱动及控制电路(2)之间，所述BOOST电感L1的一端与电源相连，另一端与自举供电电路(3)相连，所述自举供电电路(3)与主开关管Q1的漏极相连；所述输入滤波电容C2正极与电源相连，负极与主开关管Q1的源极相连；所述同步整流管Q2、主开关管Q1之间连接有电流检测及判断电路(4)，所述输出滤波电容C3与主开关管Q1、电流检测及判断电路(4)同步整流管Q2依次连接组成的串联电路并联。
2.根据权利要求1所述的同步整流BOOST电路，其特征在于，同步整流管电流检测及判断电路(4)包括串联在同步整流管Q2源极的检流电阻R1和电压比较器U1，且检流电阻R1跨接在电压比较器U1的两输入端之间，其中检流电阻R1与同步整流管Q2源极相连的一端接电压比较器U1负极输入端，所述电压比较器U1的输出端与驱动及控制电路(2)的另一个输入端相连。
3.根据权利要求1或2所述的同步整流BOOST电路，其特征在于，同步整流管驱动及控制电路(2)包括由与门电路控制的驱动电路。
4.根据权利要求1所述的同步整流BOOST电路，其特征在于，自举供电电路中(3)包括自举二极管D1及与自举二极管D1串联的自举电容C1。
5.根据权利要求1或2所述的同步整流BOOST电路，其特征在于，所述电压比较器U1负极输入端与同步整流管Q2的源极相连，电压比较器U1正极输入端与主开关管Q1的漏极相连。
6.根据权利要求1所述的同步整流BOOST电路，其特征在于，所述输出滤波电容C3正极与同步整流管Q2的漏极相连，输出滤波电容C3负极与主开关管Q1的源极相连，且输出滤波电容C3正极为接负载端。
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