源極驅動電路及其控制方法
【專利摘要】公開了一種源極驅動電路及其控制方法。所述源極驅動電路包括：控制晶體管，連接在主開關管的第二端和地之間；供電電容，供電電容的兩端接收大致恒定的偏置電壓；以及饋流二極管，饋流二極管的陰極連接至主開關管的控制端，陽極連接在主開關管的第二端，其中，所述控制晶體管周期性地導通和斷開，使得所述主開關管跟隨所述控制晶體管相應地導通和斷開，所述主開關管的導通時間段包括從斷開狀態(tài)開始啟動直至完全導通的第一階段以及處于完全導通狀態(tài)的第二階段，在所述第一階段，所述控制晶體管提供大致恒定的啟動電流。該源極驅動電路延長主開關管的導通時間，從而有利地抑制EMI。同時還避免了主開關管斷開過程的延時，從而可以減小附加功耗。
【專利說明】源極驅動電路及其控制方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及電源變換器，更具體地，涉及用于電源變換器的源極驅動電路及其控 制方法。

【背景技術】
[0002] 源極驅動方式由于低功耗高效率而廣泛地應用于各種類型的電源變換器中。源極 驅動方式的工作原理是主開關管的柵極電壓固定在一定的數(shù)值，通過源極驅動電路改變主 開關管的源極電壓從而控制主開關管的開關狀態(tài)。
[0003] 在源極驅動電路中，控制晶體管與主開關管級聯(lián)。例如，控制晶體管的漏極連接主 開關管的源極，控制晶體管的源極連接至地。控制晶體管的柵極接收PWM信號，從而周期性 地導通和斷開。當PWM信號為高時，控制晶體管導通，將主晶體管的源極接地。主開關管的 柵源寄生電容充電，柵源電壓升高，直到達到導通閾值電壓，主開關管導通。當PWM信號為 低時，控制晶體管斷開，將主晶體管的源極與地之間斷開。主開關管的源極電壓升高，柵源 電壓減小，直到減小到低于導通閾值電壓，主開關管斷開。
[0004] 源極驅動電路實現(xiàn)了主開關管在每個開關周期中的軟啟動。然而，主開關管的快 速導通仍然可能產(chǎn)生不利的電磁干擾EMI。在導通期間，大的電壓變化率dVd/dt意味著EMI 的輻射噪聲過大。如何降低電磁干擾噪聲使得電源產(chǎn)品達到相關標準，是業(yè)界普遍關注的 一個問題。
[0005] 在采用源極驅動電路的電源變換器中，通過在主開關管的柵極串聯(lián)調節(jié)電阻來限 制主開關管在導通之前的柵源電容充電電流，從而延長主開關管的柵源電壓達到導通閾值 電壓所需的時間，減小電壓變化率dVd/dt，以抑制EMI的輻射噪聲。然而，大電阻值的調節(jié) 電阻使得主開關管的斷開過程延長并且產(chǎn)生附加的功耗。
[0006] 因此，期望進一步減小源極驅動方式的電源變換器的功耗和輻射噪聲。


【發(fā)明內容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種源極驅動電路及其控制方法，該源極驅動電路在主 開關管的柵源電容充電階段提供恒定電流，以減小電源變換器的功耗和輻射噪聲。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種用于電源變換器的源極驅動電路，所述電源變換 器包括具有主開關管的功率級，所述主開關管包括控制端、第一端和第二端，所述源極驅動 電路包括：控制晶體管，連接在主開關管的第二端和地之間，所述控制晶體管包括控制端、 第一端和第二端；供電電容，所述供電電容的第一端連接至主開關管的控制端，第二端連接 至地，并且供電電容的兩端接收大致恒定的偏置電壓；以及饋流二極管，所述饋流二極管的 陰極連接至主開關管的控制端，陽極連接在主開關管的第二端，其中，所述控制晶體管周期 性地導通和斷開，使得所述主開關管跟隨所述控制晶體管相應地導通和斷開，在所述主開 關管導通時，主電流路徑的電流從主開關管的第一端流向第二端，并且從控制晶體管的第 一端流向第二端，所述主開關管的導通時間段包括從斷開狀態(tài)開始啟動直至完全導通的第 一階段以及處于完全導通狀態(tài)的第二階段，在所述第一階段，所述控制晶體管提供大致恒 定的啟動電流。
[0009] 優(yōu)選地，所述源極驅動電路還包括：調節(jié)電阻，連接在供電電容的第一端和主開關 管的控制端之間。
[0010] 優(yōu)選地，所述控制晶體管包括并聯(lián)的第一控制晶體管和第二控制晶體管，在所述 第一階段，第一控制晶體管在恒流模式下導通，并且第二控制晶體管斷開，在所述第二階 段，第一控制晶體管和第二控制晶體管均在開關模式下導通。
[0011] 優(yōu)選地，第一控制晶體管的控制端接收第一 PWM信號，第二控制晶體管的控制端 接收第二PWM信號。
[0012] 優(yōu)選地，第一 PWM信號與第二PWM信號的開關周期相同，并且第一 PWM信號的占空 比大于第二PWM信號的占空比，使得在每個開關周期中，第二控制晶體管相對于第一控制 晶體管延時導通，并且同時斷開。
[0013] 優(yōu)選地，第一控制晶體管的導通電阻大于第二控制晶體管的導通電阻。
[0014] 優(yōu)選地，所述源極驅動電路還包括：第一驅動單元，用于向控制晶體管的控制端提 供第一驅動信號，使得控制晶體管工作于恒流模式；第二驅動單元，用于向控制晶體管的控 制端提供第二驅動信號，使得控制晶體管工作于開關模式；以及使能模塊，在所述第一階段 使能第一驅動單元，在所述第二階段使能第二驅動單元。
[0015] 優(yōu)選地，所述源極驅動電路還包括：運算放大器，所述運算放大器的同相輸入端接 收參考電流信號，反相輸入端接收電流反饋信號，以及在輸出端向第一驅動單元提供電流 誤差信號，其中，所述運算放大器和第一驅動單元組成電流反饋環(huán)路，使得在第一驅動單元 工作時，控制晶體管產(chǎn)生大致恒定的啟動電流。
[0016] 優(yōu)選地，所述第二驅動單元的輸入端接收PWM信號，并且根據(jù)所述PWM信號產(chǎn)生第 二驅動信號。
[0017] 優(yōu)選地，所述使能模塊包括：第一上升沿觸發(fā)電路，所述第一上升沿觸發(fā)電路的輸 入端接收PWM信號；第二上升沿觸發(fā)電路，所述第二上升沿觸發(fā)電路的輸入端接收主開關 管的啟動結束信號；以及RS觸發(fā)器，所述RS觸發(fā)器的置位端連接至所述第一上升沿觸發(fā)電 路的輸出端，復位端連接至所述第二上升沿觸發(fā)電路的輸出端，第一輸出端向第一驅動單 元提供第一使能信號，第二輸出端向第二驅動單元提供第二使能信號，其中第一輸出端和 第二輸出端的電平始終相反。
[0018] 優(yōu)選地，通過監(jiān)測主開關管的漏極電壓獲得所述主開關管的啟動結束信號。
[0019] 優(yōu)選地，所述主開關管和所述控制晶體管分別是選自場效應晶體管和雙極晶體管 中的一種。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于電源變換器的源極驅動電路的控制方法， 所述電源變換器包括具有主開關管的功率級，所述主開關管包括控制端、第一端和第二端， 所述源極驅動方法包括：將主開關管的控制端連接至大致恒定的偏置電壓；周期性地改變 主開關管的第二端的電位，使得主開關管的控制端與第二端之前的電壓大于或小于主開關 管的導通電壓，從而相應地導通和斷開，其中，在所述主開關管導通時，主電流路徑的電流 從主開關管的第一端流向第二端，所述主開關管的導通時間段包括從斷開狀態(tài)開始啟動直 至完全導通的第一階段以及處于完全導通狀態(tài)的第二階段，在所述第一階段，控制主開關 管的控制端和第二端之間的電流為大致恒定的啟動電流。
[0021] 優(yōu)選地，控制主開關管的控制端和第二端之間的電流為大致恒定的啟動電流包 括：在所述第一階段，使得連接在主開關管的第二端和地之間的第一控制晶體管在恒流模 式下導通，其中選擇第一控制晶體管的飽和電流，使得所述飽和電流等于啟動電流。
[0022] 優(yōu)選地，在所述第二階段，使得第一控制晶體管和第二控制晶體管均在開關模式 下導通。
[0023] 優(yōu)選地，控制主開關管的控制端和第二端之間的電流為大致恒定的啟動電流包 括：在所述第一階段，使得連接在主開關管的第二端和地之間的控制晶體管在在恒流模式 下導通，其中利用電流反饋環(huán)路向控制晶體管的控制端提供第一驅動信號，使得控制晶體 管的工作電流等于啟動電流。
[0024] 優(yōu)選地，在第二階段，利用PWM信號向控制晶體管的控制端提供第二驅動信號，使 得控制晶體管在開關模式下導通。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的源極驅動電路及其控制方法，其中在主開關管從斷開狀態(tài)轉變?yōu)閷?通狀態(tài)的啟動階段，所述控制晶體管提供大致恒定的啟動電流。利用控制晶體管，將主開關 管在啟動階段的啟動電流設置為恒定值，從而不需要大電阻值的調節(jié)電阻即可減緩主開關 管的電壓變化率。該源極驅動電路可以延長主開關管的導通時間，從而有利地抑制EMI。同 時還避免了主開關管斷開過程的延時，從而可以減小附加功耗。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 通過以下參照附圖對本發(fā)明實施例的描述，本發(fā)明的上述以及其他目的、特征和 優(yōu)點將更為清楚，在附圖中：
[0027] 圖1為采用源極驅動方式的BUCK變換器的示意性框圖；
[0028] 圖2為采用源極驅動方式的反激式變換器的示意性框圖；
[0029] 圖3為根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的電源變換器的源極驅動原理示意圖；
[0030] 圖4為圖3所示的電源變換器的工作波形圖；
[0031] 圖5為根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的電源變換器的源極驅動原理示意圖；
[0032] 圖6為圖5所示的電源變換器的工作波形圖；以及
[0033] 圖7為根據(jù)本發(fā)明的源極驅動控制方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0034] 以下結合附圖對本發(fā)明的幾個優(yōu)選實施例進行詳細描述，但本發(fā)明并不僅僅限于 這些實施例。本發(fā)明涵蓋任何在本發(fā)明的精神和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方 案。
[0035] 為了使公眾對本發(fā)明有徹底的了解，在以下本發(fā)明優(yōu)選實施例中詳細說明了具體 的細節(jié)，而對本領域技術人員來說沒有這些細節(jié)的描述也可以完全理解本發(fā)明。
[0036] 圖1為采用源極驅動方式的BUCK變換器的示意性框圖。該BUCK變換器包括輸入 端Vin和輸出端Vout，分別用于接收例如經(jīng)過整流的輸入電壓以及向負載RL供電。主開關 管Q1、電感L、輸出電容Cout和二極管D組成BUCK拓撲結構。在主開關管Q1的周期性導 通和斷開過程中，電感L和電容Cout組成低通濾波網(wǎng)絡。電容Cout還作為輸出電容，其兩 端提供輸出電壓。
[0037] 優(yōu)選地，該BUCK變換器還包括與二極管D并聯(lián)的電容Cd，以及與電感L并聯(lián)的電 容C1。電容Cd和電容C1用于吸收尖峰電壓以抑制EMI。
[0038] 主開關管Q1是本領域中用作功率開關的晶體管，例如是選自場效應晶體管和雙 極晶體管中的一種。主開關管Q1不限于已知的功率開關，還可以包括將來開發(fā)的功率晶體 管。例如，主開關管Q1是NM0S場效應晶體管。主開關管Q1的寄生電容包括柵源極間的電 容Cgs，柵漏極間的電容Cgd，漏源極間的電容Cds。
[0039] 源極驅動電路100包括與主開關管Q1級聯(lián)的控制晶體管Q2?？刂凭w管Q2可以 是與主開關管Q1相同或不同類型的晶體管，例如可以是NM0S場效應晶體管。在圖1的實例 中，控制晶體管Q2的漏極連接至主開關管Q1的源極，控制晶體管Q2的源極接地。驅動單 元110與控制晶體管Q2的柵極相連。PWM信號經(jīng)由驅動單元110轉換成控制晶體管Q2的 柵極驅動信號Vg，使得控制晶體管Q2工作于開關模式，在導通狀態(tài)和斷開狀態(tài)之間切換。
[0040] 源極驅動電路100還包括供電電容Cl 1、調節(jié)電阻Rl 1和饋流二極管Dl 1。供電電 容C11位于偏置電壓Vbias和地之間，從而向主開關管Q1的柵極提供恒定電壓。調節(jié)電阻 R11連接于偏置電壓Vbias和主開關管Q1的柵極之間。饋流二極管D11的陰極連接至偏置 電壓Vbias，陽極連接至主開關管Q1的源極。
[0041] 當PWM信號從低電平轉變?yōu)楦唠娖綍r，驅動單元110產(chǎn)生高電平的柵極驅動信號 Vg，使得控制晶體管Q2導通。主開關管Q1的源極接地。由于主開關管Q1的柵極連接至恒 定的偏置電壓，因此在主開關管Q1的柵極和源極之間產(chǎn)生啟動電流。調節(jié)電阻R11限制主 開關管Q1導通初始階段的啟動電流的大小。啟動電流對主開關管Q1的柵源寄生電容Cgs 充電，從而逐漸升高主開關管Q1的柵源電壓。在主開關管Q1的柵源寄生電容Cgs充電完 成之后，主開關管Q1的柵源電壓近似等于偏置電壓Vbias。偏置電壓Vbias大于主開關管 Q1的導通閾值電壓。在主開關管Q1的柵源寄生電容Cgs充電完成之后，主開關管Q1完全 導通。因此，主開關管Q1在控制晶體管Q2導通之后延遲一定時間才完全導通?？梢酝ㄟ^ 改變調節(jié)電阻R11的電阻值來改變啟動電流，從而控制延遲時間。
[0042] 當PWM信號從高電平轉變?yōu)榈碗娖綍r，驅動單元110產(chǎn)生低電平的柵極驅動信號 Vg，使得控制晶體管Q2斷開。主開關管Q1的源極與地之間斷開。主開關管Q1仍處于導通 狀態(tài)，從而源極電壓近似等于漏極電壓。饋流二極管D11導通，主開關管Q1的柵源寄生電容 Cgs經(jīng)由饋流二極管D11和調節(jié)電阻R11組成的回路放電，使得主開關管Q1的柵源電壓逐 漸減小。在主開關管Q1的柵源寄生電容Cgs放電完成之后，主開關管Q2的源極電壓箝位 于偏置電壓Vbias。直至主開關管Q1的柵源電壓減小到小于主開關管Q1的導通閾值電，主 開關管Q1斷開。因此，主開關管Q1在控制晶體管Q2斷開之后延遲一定時間才完全斷開。 可以通過改變調節(jié)電阻Rl 1的電阻值來改變放電電流，從而控制延遲時間。
[0043] 該BUCK變換器是一種正激式變換器。在主開關管Q1導通期間，電感電流增加，輸 入電壓向負載供電，并且電感L儲能。在主開關管Q1斷開期間，電感電流減小，電感L向負 載供電。主開關管Q1跟隨源極驅動電路100中的控制晶體管Q2的開關動作，從而維持輸 出電壓Vout和/或輸出電流lout基本恒定。
[0044] 在上述采用源極驅動電路的BUCK變換器中，通過在主開關管的柵極串聯(lián)調節(jié)電 阻來限制主開關管在導通之前的柵源電容充電電流，從而延長主開關管的柵源電壓達到導 通閾值電壓所需的時間，減小電壓變化率dVd/dt，以抑制EMI的輻射噪聲。然而，大電阻值 的調節(jié)電阻使得主開關管的斷開過程延長并且產(chǎn)生附加的功耗。
[0045] 圖2為采用源極驅動方式的反激式變換器的示意性框圖。該反激式變換器包括輸 入端Vin和輸出端Vout，分別用于接收例如經(jīng)過整流的輸入電壓以及向負載RL供電。電 源變換器包括變壓器T。變壓器T具有原邊繞組NP和副邊繞組NS，用于傳遞能量和信號反 饋。變壓器T的原邊繞組NP的第一端、副邊繞組NS的第二端為同名端，以及變壓器T的原 邊繞組NP的第二端、副邊繞組NS的第一端為同名端。
[0046] 在原邊側，外部交流輸入經(jīng)整流濾波之后，作為輸入電壓提供至電源變換器的輸 入端Vin。輸入電容Cin連接在輸入端Vin和地之間，對輸入電壓進行濾波。所述變壓器T 的原邊繞組NP的第一端連接至輸入端Vin。主開關管Q1的漏極連接在變壓器T的原邊繞 組NP的第二端，源極連接至源極驅動電路100。
[0047] 在副邊側，變壓器T的副邊繞組NS的第一端串聯(lián)連接二極管D的陽極，第二端接 地。在二極管D的陰極和地之間并聯(lián)連接輸出電容Co,在輸出電容Co的兩端產(chǎn)生輸出電壓 Vout〇
[0048] 主開關管Q1、變壓器T、輸出電容Cout和二極管D組成反激式電源變換器的拓撲 結構。在主開關管Q1的周期性導通和斷開時，輸出電容Co的兩端提供輸出電壓。
[0049] 在反激式變換器中采用的源極驅動電路100的電路原理與上述BUCK變換器相同， 因此不再贅述。然而，應當理解，根據(jù)各自的控制原理，在不同拓撲的電源變換器中采用的 源極驅動電路100的PWM信號可以不同。
[0050] 該反激式變換器中，在主開關管Q1導通期間，原邊繞組NP電感電流增加，從而儲 存能量。由于副邊繞組NS與原邊繞組NP的極性相反，副邊側的二極管D反向偏置而截止， 輸出電容Co向負載供電。在主開關管Q1斷開期間，原邊繞組NP產(chǎn)生反向電勢，副邊側的 二極管正向偏置而導通，從而向輸出電容Co充電以及向負載L供電。主開關管Q1跟隨源 極驅動電路100中的控制晶體管Q2的開關動作，從而維持輸出電壓Vout和/或輸出電流 lout基本恒定。
[0051] 在上述采用源極驅動電路的反激式變換器中，通過在主開關管的柵極串聯(lián)調節(jié)電 阻來限制主開關管在導通之前的柵源電容充電電流，從而延長主開關管的柵源電壓達到導 通閾值電壓所需的時間，減小電壓變化率dVd/dt，以抑制EMI的輻射噪聲。然而，大電阻值 的調節(jié)電阻使得主開關管的斷開過程延長并且產(chǎn)生附加的功耗。
[0052] 圖3為根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的電源變換器的源極驅動原理示意圖，圖4為圖 3所示的電源變換器的工作波形圖。由于該實施例的源極驅動電路200可以應用于各種類 型的電源變換器（例如圖1所示的BUCK變換器和圖2所示的反激式變換器）中，因此在圖 3中未描述電源變換器的功率級的細節(jié)，而僅僅示出了源極驅動電路200和主開關管Q1。
[0053] 源極驅動電路200包括與主開關管Q1級聯(lián)的第一控制晶體管Q2、以及與第一控制 晶體管Q2并聯(lián)的第二控制晶體管Q3。第一控制晶體管Q2和第二控制晶體管Q3可以是與 主開關管Q1相同或不同類型的晶體管，例如可以是NM0S場效應晶體管。在圖3的實例中， 第一控制晶體管Q2和第二控制晶體管Q3各自的漏極連接至主開關管Q1的源極，第一控制 晶體管Q2和第二控制晶體管Q3各自的源極接地。第一驅動單元210與第一控制晶體管Q2 的柵極相連。第一 PWM信號PWM1經(jīng)由第一驅動單元210轉換成第一控制晶體管Q2的柵極 驅動信號Vgl，使得第一控制晶體管Q2在第一階段工作于恒流模式，在第二階段工作于開 關模式，在導通狀態(tài)和斷開狀態(tài)之間切換。第二驅動單元20與第二控制晶體管Q3的柵極 相連。第二PWM信號PWM2經(jīng)由第二驅動單元20轉換成第二控制晶體管Q3的柵極驅動信 號Vg2,使得第二控制晶體管Q3工作于開關模式，在導通狀態(tài)和斷開狀態(tài)之間切換。
[0054] 源極驅動電路200還包括供電電容Cl 1、調節(jié)電阻Rl 1和饋流二極管Dl 1。供電電 容C11位于偏置電壓Vbias和地之間，從而向主開關管Q1的柵極提供恒定電壓。調節(jié)電阻 R11連接于偏置電壓Vbias和主開關管Q1的柵極之間。饋流二極管D11的陰極連接至偏置 電壓Vbias，陽極連接至主開關管Q1的源極。
[0055] 與圖1所示的根據(jù)現(xiàn)有技術的源極驅動電路100的不同之處在于，根據(jù)本發(fā)明的 該實施例的源極驅動電路200采用并聯(lián)的兩個控制晶體管Q2和Q3，并且采用不同的PWM信 號分別控制兩個控制晶體管Q2和Q3。第一控制晶體管Q2的導通電阻RDSon大于第二控制 晶體管Q3,第一控制晶體管Q2的飽和電流Idrive小于第二控制晶體管Q3。如圖4所示， 第一 PWM信號PWM1與第二PWM信號PWM2的開關周期Ts相同，并且，第一 PWM信號PWM1的 占空比大于第二PWM信號PWM2。在每一個開關周期中，在第一 PWM信號PWM1和第二PWM信 號PWM2的控制下，第二控制晶體管Q3相對于第一控制晶體管Q2延時導通，并且同時斷開。
[0056] 在tl時亥IJ，當?shù)谝?PWM信號PWM1從低電平轉變?yōu)楦唠娖綍r，第一驅動單元210產(chǎn) 生高電平的第一柵極驅動信號Vgl，使得第一控制晶體管Q2導通。主開關管Q1的源極接 地。由于主開關管Q1的柵極連接至恒定的偏置電壓，因此在主開關管Q1的柵極和源極之 間產(chǎn)生啟動電流。第一控制晶體管Q2的飽和電流Idrive限制主開關管Q1導通初始階段 的啟動電流的大小。啟動電流對主開關管Q1的柵源寄生電容Cgs充電，從而逐漸升高主開 關管Q1的柵源電壓，使得主開關管Q1逐漸導通，漏極電壓Vd逐漸減小。在主開關管Q1的 柵源寄生電容Cgs充電完成之后，主開關管Q1的柵源電壓近似等于偏置電壓Vbias。偏置 電壓Vbias大于主開關管Q1的導通閾值電壓，使得主開關管Q1完全導通，。因此，主開關 管Q1在第一控制晶體管Q2導通之后延遲一定時間才完全導通?？梢酝ㄟ^改變第一控制晶 體管Q2來改變啟動電流，從而控制延遲時間。
[0057] 在t2時刻，當?shù)诙WM信號PWM2從低電平轉變?yōu)楦唠娖綍r，第二驅動單元220產(chǎn) 生高電平的第二柵極驅動信號Vg2,使得第二控制晶體管Q3導通。也即，從t2時刻開始，第 一控制晶體管Q2和第二控制晶體管Q3同時導通。
[0058] 在t3時刻，當?shù)谝?P麗信號PWM1和第二PWM信號PWM2同時從高電平轉變?yōu)榈碗?平時，第一驅動單元210產(chǎn)生低電平的第一柵極驅動信號Vgl，使得第一控制晶體管Q2斷 開，第二驅動單元220產(chǎn)生低電平的第二柵極驅動信號Vg2,使得第二控制晶體管Q3斷開。 主開關管Q1的源極與地之間斷開。主開關管Q1仍處于導通狀態(tài)，從而源極電壓近似等于 漏極電壓。饋流二極管D11導通，主開關管Q1的柵源寄生電容Cgs經(jīng)由饋流二極管D11和 調節(jié)電阻R11組成的回路放電，使得主開關管Q1的柵源電壓逐漸減小。在主開關管Q1的 柵源寄生電容Cgs放電完成之后，主開關管Q2的源極電壓箝位于偏置電壓Vbias。直至主 開關管Q1的柵源電壓減小到小于主開關管Q1的導通閾值電，主開關管Q1斷開。因此，主 開關管Q1在第一控制晶體管Q2和第二控制晶體管Q3斷開之后延遲一定時間才完全斷開。 可以通過改變調節(jié)電阻Rl 1的電阻值來改變放電電流，從而控制延遲時間。
[0059] 在一個開關周期Ts中，主開關管Q1跟隨源極驅動電路200中的第一控制晶體管 Q2和第二控制晶體管Q3的開關動作，從而維持輸出電壓Vout和/或輸出電流lout基本恒 定。
[0060] 在tl時刻至t2時刻的時間段，在主開關管Q1的啟動階段，漏極電壓Vd減小的斜 率由啟動電流（即第一控制晶體管Q2的飽和電流Idrive)和電路中的寄生電容決定。由 于寄生電容是由電路自身決定的，可以表示成電容系數(shù)K。根據(jù)Idrive = K*(dVd/dt)的關 系，減小啟動電流，就可以減小電壓變化率dVd/dt，從而抑制EMI的輻射噪聲。
[0061] 在t2時刻至t3時刻的時間段，第一控制晶體管Q2和第二控制晶體管Q3的并聯(lián)連 接，這減小了主電流路徑上的導通電阻，從而減小了源極驅動電路200的導通損耗。而且， 由于第二控制晶體管Q3的飽和電流較大，從而提高了源極驅動電路200的驅動能力。優(yōu)選 地，可以選擇第二控制晶體管Q3的導通時刻t2,使得在主開關管Q1完全導通的同時第二控 制晶體管Q3導通。
[0062] 在上述采用源極驅動電路的電源變換器中，通過在主開關管和地之間設置并聯(lián)的 兩個控制晶體管，利用第一控制晶體管來限制主開關管在導通之前的柵源電容充電電流， 從而延長主開關管的柵源電壓達到導通閾值電壓所需的時間，減小電壓變化率dVd/dt，以 抑制EMI的輻射噪聲?？梢詼p小調節(jié)電阻的電阻值，使得主開關管的斷開過程縮短并且減 小損耗。
[0063] 圖5為根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的電源變換器的源極驅動原理示意圖，圖6為圖 5所示的電源變換器的工作波形圖。由于該實施例的源極驅動電路300可以應用于各種類 型的電源變換器（例如圖1所示的BUCK變換器和圖2所示的反激式變換器）中，因此在圖 5中未描述電源變換器的功率級的細節(jié)，而僅僅示出了源極驅動電路300和主開關管Q1。
[0064] 源極驅動電路300包括與主開關管Q1級聯(lián)的控制晶體管Q2?？刂凭w管Q2可以 是與主開關管Q1相同或不同類型的晶體管，例如可以是NM0S場效應晶體管。在圖5的實 例中，控制晶體管Q2的漏極連接至主開關管Q1的源極，控制晶體管Q2的源極接地。第一 驅動單元310和第二驅動單元320均與控制晶體管Q2的柵極相連。在主開關管Q1的啟動 階段，第一驅動單元310向控制晶體管Q1提供第一柵極驅動信號Vdrive，使得控制晶體管 Q1工作于恒流模式。在主開關管Q1的完全導通階段，第二驅動單元320向控制晶體管Q1 提供柵極驅動信號Vg，使得控制晶體管Q1工作于飽和區(qū)并且進行開關驅動。
[0065] 源極驅動電路300還包括供電電容Cl 1、調節(jié)電阻Rl 1和饋流二極管Dl 1。供電電 容C11位于偏置電壓Vbias和地之間，從而向主開關管Q1的柵極提供恒定電壓。調節(jié)電阻 R11連接于偏置電壓Vbias和主開關管Q1的柵極之間。饋流二極管D11的陰極連接至偏置 電壓Vbias，陽極連接至主開關管Q1的源極。
[0066] 與圖1所示的根據(jù)現(xiàn)有技術的源極驅動電路100的不同之處在于，根據(jù)本發(fā)明的 該實施例的源極驅動電路300將PWM信號分成兩個使能信號EN1和EN2,分別在PWM信號的 高電平時間段的第一階段使能第一驅動單元310,在PWM信號的高電平時間段的第二階段 使能第二驅動單元320,如圖6所示。
[0067] 為了實現(xiàn)控制晶體管Q2的恒流驅動和開關驅動之間的切換，源極驅動電路300包 括第一上升沿觸發(fā)電路341、第二上升沿觸發(fā)電路342和RS觸發(fā)器350。第一上升沿觸發(fā) 電路341的輸入端接收PWM信號，輸出端連接至RS觸發(fā)器350的置位端S。第二上升沿觸 發(fā)電路342的輸入端接收主開關管Q1的啟動結束信號Von，輸出端連接至RS觸發(fā)器350的 復位端R。RS觸發(fā)器350的第一輸出端Q向第一驅動單兀310的使能端提供第一使能信號 EN1，第二輸出端0向第二驅動單元320的使能端提供第二使能信號EN2。
[0068] 為了實現(xiàn)控制晶體管Q2的恒流驅動，源極驅動電路100中的運算放大器330和第 一驅動單元310組成電流反饋環(huán)路。運算放大器330的同相輸入端接收參考電流信號IREF， 反相輸入端接收表征接收主電流路徑的電流II的電流反饋信號IFB。運算放大器330將電 流反饋信號IFB與參考電流信號IREF相比較，以產(chǎn)生電流誤差信號。第一驅動單元310根 據(jù)電流誤差信號產(chǎn)生第一柵極驅動信號Vdrive，使得控制晶體管Q2在在恒流模式下導通， 從而將主電流路徑的電流II維持為恒定電流值。
[0069] 為了實現(xiàn)控制晶體管Q2的開關驅動，第二驅動單元320接收PWM信號。在第二使 能信號EN2為高電平時，PWM信號經(jīng)由第二驅動單元320轉換成控制晶體管Q2的柵極驅動 信號Vg，使得控制晶體管Q2在開關模式下導通。
[0070] 在tl時刻，當PWM信號從低電平轉變?yōu)楦唠娖綍r，第一上升沿觸發(fā)電路341接收 PWM信號，并且產(chǎn)生高電平信號。RS觸發(fā)器350的置位端S為高電平，復位端R為低電平。 RS觸發(fā)器350的第一輸出端Q產(chǎn)生的使能信號EN1為高電平，第二輸出端泛產(chǎn)生的使能信 號EN2為低電平。第一驅動單元310工作，并且第二驅動單元320停止工作。第一驅動單 元310向控制晶體管Q2的柵極提供第一柵極驅動電壓Vdrive，使得控制晶體管Q2在在恒 流模式下導通，從而將主電流路徑的電流II維持為恒定電流值。由于主開關管Q1的柵極 連接至恒定的偏置電壓，因此在主開關管Q1的柵極和源極之間產(chǎn)生啟動電流。控制晶體管 Q2的恒定電流Idrive取決于參考電流信號IREF，從而可以通過預設參考電流信號IREF來 限制主開關管Q1導通初始階段的啟動電流的大小。啟動電流對主開關管Q1的柵源寄生電 容Cgs充電，從而逐漸升高主開關管Q1的柵源電壓，使得主開關管Q1逐漸導通，漏極電壓 Vd逐漸減小。在主開關管Q1的柵源寄生電容Cgs充電完成之后，主開關管Q1的柵源電壓 近似等于偏置電壓Vbias。偏置電壓Vbias大于主開關管Q1的導通閾值電壓，使得主開關 管Q1完全導通，。因此，主開關管Q1在控制晶體管Q2導通之后延遲一定時間才完全導通。 可以通過改變參考電流信號IREF來改變啟動電流，從而控制延遲時間。
[0071] 在t2時刻，主開關管Q1完全導通，第二上升沿觸發(fā)電路342接收主開關管Q1的 啟動結束信號Von，并且產(chǎn)生高電平信號。例如，通過監(jiān)測主開關管Q1的漏極電壓Vd可以 獲得主開關管Q1的啟動結束信號Von。RS觸發(fā)器350的置位端S為低電平，復位端R為高 電平。RS觸發(fā)器350的第一輸出端Q產(chǎn)生的使能信號EN1為低電平，第二輸出端Q產(chǎn)生的 使能信號EN2為高電平。第二驅動單元320工作，并且第一驅動單元310停止工作。第二 驅動單元320向控制晶體管Q2的柵極提供第二柵極驅動電壓Vg，使得控制晶體管Q2在開 關模式下導通，從而實現(xiàn)開關驅動。
[0072] 在t3時刻，當PWM信號從高電平轉變?yōu)榈碗娖綍r，RS觸發(fā)器350的置位端S為低 電平，復位端R為低電平。RS觸發(fā)器350的第一輸出端Q產(chǎn)生的使能信號EN1維持為低電 平，第二輸出端^:產(chǎn)生的使能信號EN2維持為高電平。第二驅動單元320工作，并且第一驅 動單元310停止工作。第二驅動單元320向控制晶體管Q2的柵極提供第二柵極驅動電壓 Vg。然而，由于PWM信號已經(jīng)轉變?yōu)榈碗娖剑诙艠O驅動電壓Vg相應地為低電平，使得控 制晶體管Q2斷開。主開關管Q1的源極與地之間斷開。主開關管Q1仍處于導通狀態(tài)，從而 源極電壓近似等于漏極電壓。饋流二極管D11導通，主開關管Q1的柵源寄生電容Cgs經(jīng)由 饋流二極管D11和調節(jié)電阻R11組成的回路放電，使得主開關管Q1的柵源電壓逐漸減小。 在主開關管Q1的柵源寄生電容Cgs放電完成之后，主開關管Q2的源極電壓箝位于偏置電 壓Vbias。直至主開關管Q1的柵源電壓減小到小于主開關管Q1的導通閾值電，主開關管 Q1斷開。因此，主開關管Q1在控制晶體管Q2斷開之后延遲一定時間才完全斷開。可以通 過改變調節(jié)電阻R11的電阻值來改變放電電流，從而控制延遲時間。
[0073] 在一個開關周期Ts中，主開關管Q1跟隨源極驅動電路300中的控制晶體管Q2的 開關動作，從而維持輸出電壓Vout和/或輸出電流lout基本恒定。
[0074] 在tl時刻至t2時刻的時間段，在主開關管Q1的啟動階段，漏極電壓Vd減小的斜 率由啟動電流Idrive (對應于預設參考電流信號IREF)和電路中的寄生電容決定。由于寄 生電容是由電路自身決定的，可以表示成電容系數(shù)K。根據(jù)Idrive = K*(dVd/dt)的關系， 減小啟動電流，就可以減小電壓變化率dVd/dt，從而抑制EMI的輻射噪聲。
[0075] 在上述采用源極驅動電路的電源變換器中，通過在主開關管和地之間設置控制晶 體管，利用控制晶體管在主開關管的啟動階段工作于恒流模式來限制主開關管在導通之前 的柵源電容充電電流，從而延長主開關管的柵源電壓達到導通閾值電壓所需的時間，減小 電壓變化率dVd/dt，以抑制EMI的輻射噪聲?？梢詼p小調節(jié)電阻的電阻值，使得主開關管的 斷開過程縮短并且減小損耗。
[0076] 圖7為根據(jù)本發(fā)明的源極驅動控制方法的流程圖。所述電源變換器包括具有主開 關管的功率級，所述主開關管包括控制端、第一端和第二端。
[0077] 在步驟S01中，將主開關管的控制端連接至大致恒定的偏置電壓。
[0078] 在步驟S02中，周期性地改變主開關管的第二端的電位，使得主開關管的控制端 與第二端之前的電壓大于或小于主開關管的導通電壓，從而相應地導通和斷開。在所述主 開關管導通時，主電流路徑的電流從主開關管的第一端流向第二端。所述主開關管的導通 時間段包括從斷開狀態(tài)開始啟動直至完全導通的第一階段以及處于完全導通狀態(tài)的第二 階段，在所述第一階段，控制主開關管的控制端和第二端之間的電流為大致恒定的啟動電 流。
[0079] 在一個實施例中，控制主開關管的控制端和第二端之間的電流為大致恒定的啟動 電流包括：在所述第一階段，使得連接在主開關管的第二端和地之間的第一控制晶體管和 第二控制晶體管中的第一控制晶體管在開關模式下導通，其中選擇第一控制晶體管的飽和 電流，使得所述飽和電流等于啟動電流。在所述第二階段，使得第一控制晶體管和第二控制 晶體管均在開關模式下導通。
[0080] 在另一個實施例中，控制主開關管的控制端和第二端之間的電流為大致恒定的啟 動電流包括：在所述第一階段，使得連接在主開關管的第二端和地之間的控制晶體管在在 恒流模式下導通，其中利用電流反饋環(huán)路向控制晶體管的控制端提供第一驅動信號，使得 控制晶體管的工作電流等于啟動電流。在第二階段，利用PWM信號向控制晶體管的控制端 提供第二驅動信號，使得控制晶體管在開關模式下導通。
[0081] 依照本發(fā)明的實施例如上文所述，這些實施例并沒有詳盡敘述所有的細節(jié)，也不 限制該發(fā)明僅為所述的具體實施例。顯然，根據(jù)以上描述，可作很多的修改和變化。本說明 書選取并具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實際應用，從而使所屬 【技術領域】技術人員能很好地利用本發(fā)明以及在本發(fā)明基礎上的修改使用。本發(fā)明僅受權利 要求書及其全部范圍和等效物的限制。
【權利要求】
1. 一種用于電源變換器的源極驅動電路，所述電源變換器包括具有主開關管的功率 級，所述主開關管包括控制端、第一端和第二端，所述源極驅動電路包括： 控制晶體管，連接在主開關管的第二端和地之間，所述控制晶體管包括控制端、第一端 和第二端； 供電電容，所述供電電容的第一端連接至主開關管的控制端，第二端連接至地，并且供 電電容的兩端接收大致恒定的偏置電壓；以及 饋流二極管，所述饋流二極管的陰極連接至主開關管的控制端，陽極連接在主開關管 的第二端， 其中，所述控制晶體管周期性地導通和斷開，使得所述主開關管跟隨所述控制晶體管 相應地導通和斷開，在所述主開關管導通時，主電流路徑的電流從主開關管的第一端流向 第二端，并且從控制晶體管的第一端流向第二端， 所述主開關管的導通時間段包括從斷開狀態(tài)開始啟動直至完全導通的第一階段以及 處于完全導通狀態(tài)的第二階段，在所述第一階段，所述控制晶體管提供大致恒定的啟動電 流。
2. 根據(jù)權利要求1所述的源極驅動電路，還包括： 調節(jié)電阻，連接在供電電容的第一端和主開關管的控制端之間。
3. 根據(jù)權利要求1所述的源極驅動電路，其中所述控制晶體管包括并聯(lián)的第一控制晶 體管和第二控制晶體管，在所述第一階段，第一控制晶體管在恒流模式下導通，并且第二控 制晶體管斷開，在所述第二階段，第一控制晶體管和第二控制晶體管均在開關模式下導通。
4. 根據(jù)權利要求3所述的源極驅動電路，其中第一控制晶體管的控制端接收第一 PWM 信號，第二控制晶體管的控制端接收第二PWM信號。
5. 根據(jù)權利要求4所述的源極驅動電路，其中第一 PWM信號與第二PWM信號的開關周 期相同，并且第一 PWM信號的占空比大于第二PWM信號的占空比，使得在每個開關周期中， 第二控制晶體管相對于第一控制晶體管延時導通，并且同時斷開。
6. 根據(jù)權利要求3所述的源極驅動電路，其中第一控制晶體管的導通電阻大于第二控 制晶體管的導通電阻。
7. 根據(jù)權利要求1所述的源極驅動電路，還包括： 第一驅動單元，用于向控制晶體管的控制端提供第一驅動信號，使得控制晶體管工作 于恒流模式； 第二驅動單元，用于向控制晶體管的控制端提供第二驅動信號，使得控制晶體管工作 于開關模式；以及 使能模塊，在所述第一階段使能第一驅動單元，在所述第二階段使能第二驅動單元。
8. 根據(jù)權利要求7所述的源極驅動電路，還包括： 運算放大器，所述運算放大器的同相輸入端接收參考電流信號，反相輸入端接收電流 反饋信號，以及在輸出端向第一驅動單元提供電流誤差信號， 其中，所述運算放大器和第一驅動單元組成電流反饋環(huán)路，使得在第一驅動單元工作 時，控制晶體管產(chǎn)生大致恒定的啟動電流。
9. 根據(jù)權利要求7所述的源極驅動電路，其中所述第二驅動單元的輸入端接收PWM信 號，并且根據(jù)所述PWM信號產(chǎn)生第二驅動信號。
10. 根據(jù)權利要求7所述的源極驅動電路，其中所述使能模塊包括： 第一上升沿觸發(fā)電路，所述第一上升沿觸發(fā)電路的輸入端接收PWM信號； 第二上升沿觸發(fā)電路，所述第二上升沿觸發(fā)電路的輸入端接收主開關管的啟動結束信 號；以及 RS觸發(fā)器，所述RS觸發(fā)器的置位端連接至所述第一上升沿觸發(fā)電路的輸出端，復位 端連接至所述第二上升沿觸發(fā)電路的輸出端，第一輸出端向第一驅動單元提供第一使能信 號，第二輸出端向第二驅動單元提供第二使能信號，其中第一輸出端和第二輸出端的電平 始終相反。
11. 根據(jù)權利要求10所述的源極驅動電路，其中通過監(jiān)測主開關管的漏極電壓獲得所 述主開關管的啟動結束信號。
12. 根據(jù)權利要求1至11中任一項所述的源極驅動電路，其中所述主開關管和所述控 制晶體管分別是選自場效應晶體管和雙極晶體管中的一種。
13. -種用于電源變換器的源極驅動電路的控制方法，所述電源變換器包括具有主開 關管的功率級，所述主開關管包括控制端、第一端和第二端，所述源極驅動方法包括： 將主開關管的控制端連接至大致恒定的偏置電壓； 周期性地改變主開關管的第二端的電位，使得主開關管的控制端與第二端之前的電壓 大于或小于主開關管的導通電壓，從而相應地導通和斷開， 其中，在所述主開關管導通時，主電流路徑的電流從主開關管的第一端流向第二端， 所述主開關管的導通時間段包括從斷開狀態(tài)開始啟動直至完全導通的第一階段以及 處于完全導通狀態(tài)的第二階段，在所述第一階段，控制主開關管的控制端和第二端之間的 電流為大致恒定的啟動電流。
14. 根據(jù)權利要求13所述的控制方法，其中控制主開關管的控制端和第二端之間的電 流為大致恒定的啟動電流包括： 在所述第一階段，使得連接在主開關管的第二端和地之間的第一控制晶體管在恒流模 式下導通， 其中選擇第一控制晶體管的飽和電流，使得所述飽和電流等于啟動電流。
15. 根據(jù)權利要求14所述的控制方法，其中在所述第二階段，使得第一控制晶體管和 第二控制晶體管均在開關模式下導通。
16. 根據(jù)權利要求13所述的控制方法，其中控制主開關管的控制端和第二端之間的電 流為大致恒定的啟動電流包括： 在所述第一階段，使得連接在主開關管的第二端和地之間的控制晶體管工作于恒流模 式， 其中利用電流反饋環(huán)路向控制晶體管的控制端提供第一驅動信號，使得控制晶體管的 工作電流等于啟動電流。
17. 根據(jù)權利要求16所述的控制方法，其中在第二階段，利用PWM信號向控制晶體管的 控制端提供第二驅動信號，使得控制晶體管在開關模式下導通。
【文檔編號】H02M3/156GK104410252SQ201410763163
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月11日 優(yōu)先權日:2014年12月11日
【發(fā)明者】鄧建, 劉國家 申請人:矽力杰半導體技術(杭州)有限公司