一种自适应同步整流芯片的制作方法

1.本发明涉及同步整流电路领域，更具体地说，涉及一种ccm模式下的自适应同步整流芯片。


背景技术：

2.在如图1所示开关电源中，传统的整流技术使用肖特基二极管实现，但是肖特基二极管的电阻比较大，在输出大电流的时候，功耗大，效率低，而同步整流技术解决了上述问题。
3.在同步整流技术中，对同步整流开关管的开启和关闭的时刻要求非常严格，尤其是关闭的时刻，其要求更严于开启。在原边开关管关闭或开启后同步整流开关管必须立刻开启或关闭，才能保证变压器正常去磁或励磁。如果同步整流开关管开启和原边开关管的关闭不同步，尤其是工作在ccm模式(continuous conduction mode，连续导通模式)之下，有可能会出现关断不及时的情况，此时出现原边开关管和同步整流开关管同时导通的情况，引起原边很高的尖峰电压，甚至可能出现炸机。
4.在如图2，图3所示的同步整流芯片工作波形图中，vds为同步整流开关管d，s两端的电压，vgs_sec为同步整流管栅极电压，vgs_pri为原边开关管栅极电压，传统的同步整流开关管的开启与关闭通常是被动关断机制，通常是判断同步整流开关管的d端(漏端)的电压，在同步整流开关管d端的电压由负压变为正压的时候关断同步整流管。但是由于系统延时的影响，从同步整流芯片检测到d端的电压由负压变为正压的时候开始发出关断信号到同步整流管关闭需要一定的时间，在dcm模式(discontinuous conduction mode，非连续导通模式)下的同步整流系统中，在这个时间段内原边开关管处于关闭状态，不会出现原边开关管和同步整流管同时开启情况；但是在ccm模式下的同步整流系统中，在这个时间段内原边开关管已经处于开启状态而同步整流开关管也处于开启状态中，这样就会导致原边开关管和同步整流开关管的源漏两端会出现很高的尖峰电压，甚至可能出现炸机。


技术实现要素：

5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
6.针对同步整流开关管被动关闭导致的原边开关管、同步整流开关管存在同时开启的问题，本发明公开了一种预关断技术，与传统的同步整流开关的关断的被动关断机制不同的是，本发明提供了一种主动机制，主动预关断同步整流管，从而避免原边开关管和同步整流开关管同时开启导致的问题。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种自适应同步整流芯片，包括：去磁检测电路、预关断信号生成模块、逻辑控制模块、驱动模块、同步整流管、和内部电源生成模块；其中，所述去磁检测电路、预关断信号生成模块、逻辑控制模块、驱动模块、内部电源生成模块两两互相连接，所述同步整流管的栅极连接驱动模块，漏极连接去磁检测电路、内部电源生成模块，源极连接去磁检测电路、预关断信号生成模块、逻辑控制模块、和
驱动模块。
8.其中，去磁检测电路，用于检测变压器的去磁时间，判断同步整流芯片的工作周期；
9.预关断信号生成模块，基于前一工作周期，生成本周期的预关断信号；
10.逻辑控制模块，用于生成整个同步整流管的时序控制信号；
11.驱动模块，用于控制同步整流开关管的导通和关断；
12.同步整流管，用于完成同步整流功能；
13.内部电源生成模块，用于产生同步整流芯片内部各个模块工作所需的电源、基准电压以及电流源等。
14.本发明所述的自适应同步整流芯片，所述去磁检测电路连接所述同步整流芯片的d端以通过检测d端电压的上升沿检测所述同步整流变压器的去磁时间，判断同步整流芯片的工作周期。
15.本发明所述的自适应同步整流芯片，所述预关断信号生成模块包括控制信号生成电路、去磁时间计时电路；所述控制信号生成电路，用于生成去磁时间计时电路所需的控制信号，生成本周期的预关断信号；所述去磁时间计时电路在当前周期内对本周期去磁时间计时，同时在当前周期内对计算前一工作周期内的98％去磁时间。
16.本发明所述的自适应同步整流芯片，所述预关断信号生成模块包括控制信号生成电路和去磁时间计时电路；所述控制信号生成电路第一输入端连接所述去磁检测电路第一输出端，所述控制信号生成电路第二输入端连接所述去磁时间计时电路第一输出端；所述控制信号生成电路第一输出端连接所述去磁时间计时电路第一输入端，所述控制信号生成电路第二输出端连接所述逻辑控制模块第一输入端。
17.本发明所述的自适应同步整流芯片，所述预关断信号生成模块包括控制信号生成电路和去磁时间计时电路。
18.所述去磁时间计时电路包括：第一固定电流源、第二固定电流源、第一电容、第一开关管、第二开关管和比较器，所述第一固定电流源的第一端连接电源，第二端连接所述第一开关管的第一端；所述第二固定电流源的第二端连接地，第一端连接所述第二开关管的第二端；所述第一开关管的第二端、所述第二开关管的第一端经所述第一电容接地；所述第一开关管的第三端作为所述去磁时间计时电路第一输入端，连接所述控制信号生成电路一输出端；所述第二开关管的第三端作为所述去磁时间计时电路第二输入端，连接所述控制信号生成电路一输出端；所述比较器的第一输入端连接1.0v基准电压，所述比较器的第二输入端连接所述第一电容的第一端，所述比较器的第一输出端作为所述去磁时间计时电路第一输出端，连接所述控制信号生成电路一输入端。
19.本发明所述的自适应同步整流芯片，所述逻辑控制模块，用于生成整个同步整流芯片的时序控制信号，包括所述去磁时间计时电路的控制信号，所述预关断控制模块的控制信号，所述驱动电路的控制信号，最终完成对同步整流管的开启与关断功能。
20.本发明所述的自适应同步整流芯片，所述驱动模块为同步整流管的开启与关断提供驱动能力；所述驱动模块的输入端连接所述逻辑控制模块的输出端，所述驱动模块的输出端连接所述同步整流管的输入端。
21.本发明所述的自适应同步整流芯片，所述同步整流管的输入端连接所述驱动电路
的输出端，通过所述同步整流管的开启与关闭完成同步整流功能。
22.本发明所述的自适应同步整流芯片，所述内部电源生成模块，用于产生同步整流芯片内部各个模块工作所需的电源、基准电压以及电流源。
23.本发明的优点在于：实施本发明的自适应同步整流芯片，通过采用预关断信号生成模块控制在周期结束前提前关断同步整流管。这样可以有效避免因原边开关管、次边同步整流开关管同时导通而出现的原边副边穿通、原边高尖刺甚至炸机的情况。
附图说明
24.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
25.图1：传统的同步整流芯片应用电路示意图；
26.图2：传统的dcm模式下同步整流芯片工作波形图；
27.图3：传统的ccm模式下同步整流芯片工作波形图；
28.图4：本发明自适应同步整流芯片同步整流工作波形图；
29.图5：本发明自适应同步整流芯片的第一实施例的逻辑框图；
30.图6：本发明自适应同步整流芯片的第一实施例的计时电路图；
31.图7：本发明自适应同步整流芯片的第二实施例的逻辑框图；
32.图8：本发明自适应同步整流芯片的第二实施例的工作波形图；
33.图9：本发明自适应同步整流芯片的去磁检测电路一实施例电路图；
34.图10：本发明自适应同步整流芯片的逻辑控制模块一实施例电路图；
35.图11：本发明自适应同步整流芯片的驱动模块一实施例电路图；
36.图12：本发明自适应同步整流芯片的内部电源生成模块一实施例电路图。
37.图13：本发明ccm模式下的自适应同步整流预关断技术的控制信号生成电路一实施例电路图。
具体实施方式
38.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
39.在如图4所示的工作波形图中，vds为同步整流开关管d，s两端的电压，vgs_sec为同步整流管栅极电压，vgs_pri为原边开关管栅极电压，tdem为次边绕组去磁时间。当同步整流开关管开启时间是上个周期中去磁时间的98％的时候，将主动关闭同步整流开关管，剩余的时间由同步整流开关管的体二极管导通，维持次边绕组去磁，这样在原边开关管打开后，次边同步整流开关管可以同步关断，不会存在原边开关管和次边同步整流开关管同时导通而导致的穿通问题，可以避免开关管源漏两端出现很高的尖峰电压。
40.在每个周期中，由于线电压的变化以及负载的变化，次边绕组的去磁时间是变化的。通过实时监测，可以准确的计算出上个周期中次边绕组的去磁时间的98％的点。通过这
种主动关闭机制，可以使同步整流开关管的关闭时刻非常接近原边开关管的开启时刻，这样既不会出现由于过早关闭导致体二极管导通时间过长，功耗过大甚至烧毁的问题，也不会出现因为关闭太晚，出现原边，次边同时导通的情况。
41.图5是本发明的自适应同步整流芯片的第一实施例的逻辑框图。如图5所示，本发明的自适应同步整流芯片，包括：去磁检测电路100，预关断信号生成模块200，逻辑控制模块300，驱动模块400，内部电源生成模块500，以及同步整流开关管mosfet。其中，所述去磁检测电路、预关断信号生成模块、逻辑控制模块、驱动模块、内部电源生成模块两两互相连接，所述同步整流管的栅极连接驱动模块，漏极连接去磁检测电路、内部电源生成模块，源极连接去磁检测电路、预关断信号生成模块、逻辑控制模块、和驱动模块。
42.所述去磁检测电路100连接所述同步整流芯片的d端以通过检测d端电压的上升沿检测同步整流变压器的去磁开始时间，通过检测d端电压的下降沿检测同步整流变压器的去磁结束时间，通过对d端电压的检测判断同步整流芯片的工作周期。
43.所述去磁检测电路100在检测到所述同步整流开关管d端电压的上升沿开始时生成所述第一工作周期信号，在检测到所述d端电压的下降沿结束时生成所述第二工作周期信号。
44.所述预关断信号生成模块200包括控制信号生成电路210、去磁时间计时电路220；所述控制信号生成电路210，用于生成去磁时间计时电路220所需的控制信号，生成本周期的预关断信号(pre_off)；所述去磁时间计时电路220完成当前周期去磁时间的计时，以及计算前一周期去磁时间的98％去磁时刻。
45.图6是本发明的自适应同步整流芯片的计时电路220的原理图。所述去磁时间计时电路220包括：第一固定电流源i1、第二固定电流源i2、第一电容c1、第一开关管nm1、第二开关管nm2和比较器comp1，所述第一固定电流源i1的第一端连接电源，第二端连接所述第一开关管nm1的第一端；所述第二固定电流源i2的第二端连接地，第一端连接所述第二开关管nm2的第二端；所述第一开关管nm1的第二端、所述第二开关管nm2的第一端经所述第一电容c1接地；所述第一开关管nm1的第三端作为所述去磁时间计时电路第一输入端，连接所述控制信号生成电路210一输出端；所述第二开关管nm2的第三端作为所述去磁时间计时电路第二输入端，连接所述控制信号生成电路210一输出端；所述比较器comp1的第一输入端连接1.0v基准电压，所述比较器comp1的第二输入端连接所述第一电容c1的第一端，所述比较器comp1的第一输出端作为所述去磁时间计时电路第一输出端，连接所述控制信号生成电路210一输入端。
46.图7是本发明的自适应同步整流芯片的第二实施例的逻辑框图。包括：去磁检测电路100，预关断信号生成模块200，逻辑控制模块300，驱动模块400，内部电源生成模块500(未图示)，以及同步整流开关管。所述预关断信号生成模块200包括控制信号生成电路210、第一去磁时间计时电路220和第二去磁时间计时电路230；所述去磁时间计时电路220和230包括：第一固定电流源i1、第二固定电流源i2、第一电容c1、第一开关管nm1、第二开关管nm2和比较器comp1，所述第一固定电流源i1的第一端连接电源，第二端连接所述第一开关管nm1的第一端；所述第二固定电流源i2的第二端连接地，第一端连接所述第二开关管nm2的第二端；所述第一开关管nm1的第二端、所述第二开关管nm2的第一端经所述第一电容c1接地；所述第一开关管nm1的第三端作为所述去磁时间计时电路第一输入端，连接所述控制信
号生成电路210一输出端；所述第二开关管nm2的第三端作为所述去磁时间计时电路第二输入端，连接所述控制信号生成电路210一输出端；所述比较器comp1的第一输入端连接1.0v基准电压，所述比较器comp1的第二输入端连接所述第一电容c1的第一端，所述比较器comp1的第一输出端作为所述去磁时间计时电路第一输出端，连接所述控制信号生成电路210一输入端。
47.所述控制信号生成电路210第一输入端连接所述去磁检测电路100第一输出端，所述控制信号生成电路210第二输入端连接所述第一去磁时间计时电路220第一输出端，所述控制信号生成电路210第三输入端连接所述第二去磁时间计时电路230第一输出端；所述控制信号生成电路210第一输出端连接所述第一去磁时间计时电路220第一输入端，所述控制信号生成电路210第二输出端连接所述第一去磁时间计时电路220第二输入端；所述控制信号生成电路210第五输出端连接所述第二去磁时间计时电路230第一输入端，所述控制信号生成电路210第六输出端连接所述第二去磁时间计时电路230第二输入端；所述控制信号生成电路210第三输出端连接所述逻辑控制模块300第一输入端，所述控制信号生成电路210第四输出端连接所述逻辑控制模块300第二输入端；所述第一去磁时间计时电路220第二输入端、所述第二去磁时间计时电路230第二输入端连接1.0v基准电压。
48.在如图5～图7所示实施例框图中，所述逻辑控制模块300，用于生成整个同步整流芯片的时序控制信号，包括所述去磁时间计时电路220和230的控制信号，所述预关断控制模块200的控制信号，所述驱动电路400的控制信号，最终完成对同步整流管的开启与关断功能。
49.所述驱动模块400为同步整流管的开启与关断提供驱动能力；所述驱动模块400的输入端连接所述逻辑控制模块300的输出端，所述驱动模块的输出端400连接所述同步整流管的输入端。
50.所述去磁检测电路100在检测到所述同步整流开关管d端电压的上升沿开始时生成所述第一工作周期信号，在检测到所述d端电压的下降沿结束时生成所述第二工作周期信号。
51.所述同步整流管的输入端连接所述驱动电路400的输出端，通过所述同步整流管的开启与关闭完成同步整流功能。
52.所述内部电源生成模块500，用于产生同步整流芯片内部各个模块工作所需的电源、基准电压以及电流源。所述去磁时间计时电路所接的1.0v基准，即由内部电源生成模块500生成。
53.图8是图7所示的同步整流周期预关断技术实施例的工作波形图。本领域技术人员知悉，本发明的同步整流周期预关断电路的各个模块可以分别采用本发明中各个实施例中记载的结构进行设计。图7仅仅示出为本发明的优选的预关断信号产生模块的设计电路。
54.下面结合图7-8对本发明的自适应同步整流芯片的原理说明如下。
55.在如图7所示第二实施例中，所述预关断信号生成模块200包括控制信号生成电路210和去磁时间计时电路220、230，该模块在当前周期内对本周期去磁时间计时，同时在当前周期内计算前一工作周期内的98％去磁时间；为完成计时功能，使用了两组所述去磁时间计时电路220和230，在所述去磁检测电路100检测到次边绕组开始去磁开始，在当前周期内，第一组所述去磁时间计时电路220对其内定时电容c1充电，第二组所述去磁时间计时电
路230对其内定时电容c1放电。第一组所述去磁时间计时电路220内的第一开关管nm1导通，第二开关管nm2截止，第一电流源i1对第一电容c1充电，直到去磁结束，第一电容c1上的电压保持为去磁结束时的值不变，直到下个去磁周期开始，第一组所述去磁时间计时电路220内部第一电容c1上的电压记为vc1；第二组所述去磁时间计时电路230内的第一开关管nm1截止，第二开关管nm2导通，第二电流源i2对第一电容c1放电，直到电容上的电压低于基准电压(1.0v)截止，第一电容上c1的电压保持为1.0v不变，直到下个去磁周期开始，第二组所述去磁时间计时电路230内部第一电容c1上的电压记为vc2；在下个去磁周期开始后，第一组所述去磁时间计时电路220对其内定时电容c1放电，第二组所述去磁时间计时电路230对其内定时电容c1充电。第一组所述去磁时间计时电路220内的第一开关管nm1截止，第二开关管nm2导通，第二电流源i2对第一电容c1放电，直到电容c1上的电压低于基准电压1.0v截止，第一电容c1上的电压保持为1.0v不变，直到下个去磁周期开始；第二组所述去磁时间计时电路230内的第一开关管nm1导通，第二开关管nm2截止，第一电流源i1对第一电容c1充电，直到去磁结束，第一电容上c1的电压保持为去磁结束时的值不变。
56.本发明所述预关断技术的预关断点是在前一去磁时间的98％时刻，计时是通过对第一电容c1的充放电实现的。电容充放电时间计算公式为：
[0057][0058]
如果电容充电期间和放电期间内，电荷量相同，则电容充电时间和放电时间长短由充电电流和放电电流决定。本发明所述预关断技术的预关断点时在前一去磁时间的98％时刻，所述去磁时间计时电路在充电时，充电时间为整个去磁时间，视为100％，放电时间为整个去磁时间的98％，因此充放电电流比例为98％:100％＝49:50，所述去磁时间计时电路充电电流为i1，放电电流为i2。因此，i1:i2＝49:50。所述预关断时间可以由本领域技术人员根据实际电路需求进行设置，通过调整i1和i2的比例，即可获得所需的预关断时间。
[0059]
在如图8所示本发明的自适应同步整流芯片的第二实施例的工作波形图中，在次级绕组去磁时间tdem第一周期内，第一组所述去磁时间计时电路220的第一开关管nm1的栅极信号chg1为高电平，第二开关nm2的栅极信号为dis_chg1为低电平，第一电容c1充电，初始电压为1.0v，一直充电直到去磁结束，即tdem变成低电平位置，电容两端电压为vc1，维持不变直到第二去磁周期开始。
[0060]
在次级绕组去磁时间tdem第一周期内，第二组所述去磁时间计时电路230的第一开关管nm1的栅极信号chg2为地电平，第二开关nm2的栅极信号为dis_chg2为高电平，第一电容c1放电，初始电压vc2为上一周期结束时电平，一直放电直到电容电压为1.0v为止，电容c1两端电压为1.0v，维持不变直到第二去磁周期开始。
[0061]
在如图5～图7所示实施例框图中，所述预关断信号生成模块200生成的预关断信号pre_off送到所述逻辑控制模块300，最终经过所述逻辑控制模块300以及所述驱动模块400后输出同步整流开关管栅极控制信号vgs_sec，最终由所述驱动模块400完成对同步整流管的开启和关断。
[0062]
图9是去磁检测电路的一个实施例，去磁检测电路的输入端接同步整流芯片的d端，输出端输出信号tdem，接逻辑控制模块300。比较器101的同相端通过350mv电压源接同步整流芯片的d端，比较器102同相端通过2mv电压源接同步整流芯片的d端，比较器101和
102的反相端接0v电压源。比较器101的输出端接二输入与非门105的第一输入端，比较器102的输出端通过反相器103接二输入与非门104的第一输入端。二输入与非门104和105构成rs触发器，二输入与非门105的输出端作为rs触发器的输出端，同时也是去磁检测电路的输出端，输出去磁检测信号tdem。在原边开关关闭后，同步整流芯片的d端电压反向，通过比较器101和比较器102检测vds的值。比较器101在检测到vds电压低于-350mv时，输出低电平，去磁检测电路输出信号tdem从低变成高，次边同步整流芯片内部的mosfet开启，变压器开始去磁，vds开始升高，在vds高于-2mv后，比较器102翻转，去磁检测电路输出信号tdem从高变成低，如果预关断模块200在tdem翻转前没有关闭同步整流芯片内部的mosfet，则由信号tdem经逻辑控制模块300和驱动模块400关闭同步整流mosfet。
[0063]
图10是逻辑控制功能模块一实施例。预关断模块200输出信号pre_off1和pre_off2连接到二输入与非门301的第一输入端和第二输入端，输出端接二输入与非门302的第一输入端，去磁检测电路输出信号tdem接二输入与非门302的第二输入端，与非门302的输出端通过反相器304接二输入与非门305的一输入端。去磁检测电路输出信号tdem还通过反相器303接另一二输入与非门306的一输入端。与非门305和306构成rs触发器，与非门305的输出端作为rs触发器的输出端接反相器307的输入端，反相器307的输出端为逻辑控制模块300的输出端，输出信号vsw。vsw送到驱动模块400的输入端。
[0064]
图11是驱动控制模块的一实施例。反相器401是小尺寸器件，输入端接逻辑控制模块300的输出端vsw，反相器401的输出端接反相器402的输入端，402的输出端接mosfet的栅极vgs_sec。反相器402是大尺寸器件，提供足够的驱动能力，保证mosfet的迅速可靠的开启和关闭。
[0065]
图12是内部电源生成模块的一实施例。在应用中同步整流芯片的d端接变压器次级绕组的异名端，vdd端接一电容，由于d端电压不是直流电压，不能给芯片供电，本实施例中使用了自供电技术，在d端为高电平时，给vdd所接电容充电，同时提供芯片工作所需电流，在d端为低压时，有vdd所接电容给芯片供电。本实施例中，二极管d501的输入端和电阻r501的一端连接到一起，接同步整流芯片的d端，二极管d501的输出端接n502的漏极，电阻r501的另一端接n502的栅极和n501的漏极，n502的源极接电阻r502的一端，并与同步整流的vdd端口相连接，应用时vdd接电容。电阻r502的另一端接运算放大器op1的同向输入端，并通过电阻r503接地，电阻r502和r503对vdd采样。运算放大器的反向输入端接直流2.5v电源。运算放大器op1的输出端接n501的栅极，n501的源极接地。在原边开关开启后，同步整流芯片的d端是高电平，如果vdd的采样值低于2.5v基准电压，op1输出低电平，n501关断，n502栅极为高电平，n502开启。同步整流芯片通过二极管d501，n502给vdd所接电容充电，当采样电阻r502和r503对vdd的采样值高于2.5v后，n501开启，n502的栅极被拉低，n502关断，停止对vdd所接电容充电。在采样电压低于2.5v后，n501关断，n502开启，继续对vdd所接电容充电。一直重复此过程，保证芯片的正常供电。
[0066]
图13为本发明ccm模式下的自适应同步整流预关断技术的控制信号生成电路一实施例电路图。去磁检测输出电路100输出信号tdem通过反相器2101接到d触发器2102的时钟输入端c端，d触发器的输入端d和它的输出端qb连接到一起，形成二分频电路。d触发器的输出端q接二输入与非门2103的一输入端，tdem信号接与非门2103的另一输入端，与非门2103的输出端提供去磁时间计时电路220所需的充电控制信号chg1。与非门2103的输出端同时
接与非门2105的一输入端，与非门2105的另一输入端接去磁时间计时电路230的输出端，与非门2105的输出端通过反相器2107输出接去磁时间计时电路230所需的放电控制信号dischg2，反相器2107的输出同时接一下降沿检测电路2109，下降沿检测电路2109输出预关断信号pre_off2。d触发器的另一输出端qb接二输入与非门2104的一输入端，tdem信号接与非门2104的另一输入端，与非门2104的输出端提供去磁时间计时电路230所需的充电控制信号chg2。与非门2104的输出端同时接与非门2106的一输入端，与非门2106的另一输入端接去磁时间计时电路220的输出端，与非门2106的输出端通过反相器2108输出接去磁时间计时电路220所需的放电控制信号dischg1，反相器2108的输出同时接一下降沿检测电路2110，下降沿检测电路2110输出预关断信号pre_off1。
[0067]
实施本发明的自适应同步整流芯片，通过采用预关断信号生成模块控制在上一去磁时间的98％时刻提前关断同步整流管。这样可以有效避免因关断不及时，而出现的原边副边穿通、原边高尖刺甚至炸机的情况。
[0068]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。