CN101106333A - 提供离线式功率转换器之同步整流电路的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于功率转换器的同步整流电路。脉冲信号产生器响应于开关信号的前沿和后沿产生脉冲信号。开关信号用于切换功率转换器的变压器。例如脉冲变压器或小型电容器的隔离装置耦合到脉冲信号产生器，以传送脉冲信号通过变压器的隔离屏障。同步整流器包含功率开关和控制电路。功率开关设置在变压器的二次侧与功率转换器的输出之间，用于整流。具有栓锁器的控制电路接收脉冲信号以导通/关断功率开关。

Description

提供离线式功率转换器之同步整流电路的方法和设备

技术领域

本发明大体上涉及一种用于功率转换器的控制电路，且更具体地说，涉及一种用于功率转换器的同步整流控制电路。

背景技术

离线式功率转换器包含功率变压器，基于安全考虑，功率转换器提供交流输入到功率转换器输出之间的隔离。在最近研发过程中，在变压器的二次侧中应用同步整流器是为了实现功率转换器的高效率转换，例如Yang的标题为“Control circuit associated with saturable inductor operated assynchronous rectifier forward power converter”的第7,173,835号美国专利。然而，此现有技术的缺点在于由可饱和电感器(saturable inductor)和/或电流检测装置造成的额外功率消耗。可饱和电感器和电流检测装置需要在连续模式和不连续模式操作两者中用来帮助同步整流器的操作。

发明内容

本发明提供一种同步整流电路，其可实现较高效率。此外，对于连续模式和不连续模式操作两者都不需要电流检测装置和可饱和电感器。

本发明针对一种用以改进功率转换器效率的同步整流电路，其包含脉冲信号产生器依据开关信号的上升沿和下降沿来产生脉冲信号。所述开关信号用于切换变压器和稳压调节功率转换器。隔离装置(例如脉冲变压器或电容器)耦合到脉冲信号产生器，以将脉冲信号从变压器的一次侧传送到变压器的二次侧。同步整流器具有功率开关和控制电路。所述功率开关耦合到变压器的二次侧，用于整流操作。功率开关运作如同同步整流器。所述控制电路接收脉冲信号以导通/关断功率开关。脉冲信号是触发信号。脉冲信号的脉冲宽度短于开关信号的脉冲宽度。

为让本发明之上述特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1表示根据本发明的具有同步整流器的功率转换器的实施例。

图2是根据本发明的同步整流器的示意图。

图3是根据本发明的同步整流器的控制电路的实施例。

图4是根据本发明的最大导通时间(maximum on time，MOT)电路。

图5是根据本发明的脉冲信号产生器的方框示意图。

图6表示延迟电路的电路示意图。

图7是根据本发明的信号产生电路的实施例。

图8是根据本发明的线性预测电路的实施例。

图9A和9B表示根据本发明的同步整流电路的主要波形。

图10表示根据本发明的具有同步整流器的功率转换器的电路示意图的另一实施例，其中电容器操作为隔离装置。

具体实施方式

图1表示根据本发明实施例的具有同步整流器的功率转换器。所述功率转换器包含具有一次侧和二次侧的变压器10。所述变压器10的一次侧具有两个功率开关20和30，用以切换变压器10。所述变压器10的二次侧包含第一端子V+和第二端子V-。根据变压器10的切换，跨接于第二端子V-和第一端子V+上会产生切换电压。第一同步整流器51具有连接到所述第二端子V-的整流端子DET。第一同步整流器51的接地端子GND连接到功率转换器的接地。第二同步整流器52从第一端子V+连接到功率转换器的接地。电感器60从第一端子V+连接到功率转换器的输出V_O。第一同步整流器51和第二同步整流器52的第一输入端子SP、第二输入端子SN连接到隔离装置70的二次侧，以接收用于导通或关断同步整流器51和52的脉冲信号。举例来说，隔离装置70可以是脉冲变压器75或电容器。

脉冲信号产生器100具有输入信号端子SIN，其接收开关信号S_IN并响应于所述开关信号S_IN的上升(前)沿和下降(后)沿以产生脉冲信号。所述开关信号S_IN是用以切换变压器10和稳压调节功率转换器。所述脉冲信号(其为差动信号)是由脉冲信号产生器100的第一输出端子X_P和第二输出端子X_N所产生，且同步整流器51和52的导通或关断是由脉冲信号的极性所决定。为了在变压器10切换之前产生脉冲信号，脉冲信号产生器100响应于开关信号S_IN进一步在输出端子SOUT处产生驱动信号S_OUT。驱动信号S_OUT通过驱动缓冲器25、35和功率开关20、30来切换变压器10。在开关信号S_IN的启用与驱动信号S_OUT的启用之间具有一时间延迟。

脉冲信号产生器100的第一输出端子X_P和第二输出端子X_N耦合到隔离装置70，将脉冲信号从变压器10的一次侧传送到二次侧。脉冲信号的脉冲宽度短于开关信号S_IN的脉冲宽度。所述脉冲信号是包含高频成分的触发信号。因此，仅需要使用小型脉冲变压器或小型电容器即可达成隔离装置70，这将在PCB上利用较小空间且降低功率转换器的成本。脉冲信号产生器100进一步包含输入电压端子RIN，其接收代表变压器10的输入电压V_IN的输入电压信号R_IN输入电压端子RIN经由分压器而耦合到输入电压V_IN所述分压器由(例如)电阻器85和86组成。脉冲信号产生器100的编程端子RO通过电阻器80接收编程信号R₀。当功率转换器操作在不连续模式下时，脉冲信号产生器100可根据输入电压信号R_IN、编程信号R₀和开关信号S_IN的脉冲宽度而产生额外脉冲信号以关断同步整流器51和52。

图2是根据本发明实施例的同步整流器50的示意图，其代表同步整流器51或同步整流器52的电路。同步整流器50包含功率开关400、二极管450和控制电路200。所述二极管450并联连接到功率开关400。功率开关400连接在整流端子DET与接地端子GND之间。整流端子DET耦合到变压器10的二次侧。接地端子GND耦合到功率转换器的输出。控制电路200经由第一输入端子SP和第二输入端子SN接收用于导通/关断功率开关400的脉冲信号。电源端子V_CC用于提供控制电路200所需的电源。

图3表示根据本发明实施例的控制电路200。电阻器211和221对于第一输入端子SP提供偏压端。电阻器213和223对于第二输入端子SN提供另一偏压端。第一输入端子SP耦合到比较器210的正输入和比较器220的负输入。第二输入端子SN耦合到比较器220的正输入和比较器210的负输入。比较器210和220分别具有偏移电压(offset voltage)215和225，这产生磁滞作用(hysteresis)。第三比较器230具有阈值V_TH连接到其正输入。比较器230的负输入耦合到整流端子DET。比较器210和230的输出通过“与”门235而耦合到SR触发器250的设置输入端(S端)。SR触发器250的复位输入端(reset input，R端)受控于比较器220的输出。SR触发器250的输出和比较器230的输出连接到“与”门262，并在“与”262的输出处产生门驱动信号V_G，用以控制功率开关400的导通状态或关闭状态。门驱动信号V_G的最大导通时间由最大导通时间电路(MOT)270限制。门驱动信号V_G连接到最大导通时间电路270。在消隐时间(blanking time)之后，将响应于门驱动信号V_G的启用以产生最大导通时间信号S_M。最大导通时间信号S_M连接到“与”门260。“与”门260的另一输入连接到电源复位信号RST。“与”门260的输出将SR触发器250清零(复位)。因此，门驱动信号V_G的最大导通时间受限于最大导通时间电路270的消隐时间。一旦脉冲信号如下式产生，门驱动信号V_G便将关断功率开关400：

V_SN-V_SP＞V₂₂₅-------------------------------(1)

当满足等式(2)和(3)时，门驱动信号V_G便将导通功率开关400，

V_SP-V_SN＞V₂₁₅-------------------------------(2)

V_DET＜V_TH-------------------------------(3)

其中V_SP是第一输入端子SP的电压；V_SN是第二输入端子SN的电压。V_DET是整流端子DET的电压。V_TH是阈值VTH的电压；V₂₁₅是偏移电压215的值；V₂₂₅是偏移电压225的值。

一旦导通二极管450，整流端子DET的电压便将低于阈值VTH的电压。其表示功率开关400仅可在导通二极管之后才能导通。

图4是根据本发明实施例的最大导通时间电路270。电流源273经连接以对电容器275进行充电。晶体管272经连接以对电容器275进行放电。门驱动信号V_G通过反相器271控制晶体管272。门驱动信号V_G进一步连接到“与”门279。“与”门279的另一输入经由反相器278而耦合到电容器275。一旦启用门驱动信号V_G，“与”门279的输出便将在消隐时间之后产生最大导通时间信号S_M，以停用门驱动信号V_G。所述消隐时间由电流源273的电流量和电容器275的电容值所决定。

图5是根据本发明实施例的脉冲信号产生器100的方框示意图。驱动信号S_OUT是响应于开关信号S_IN而产生。开关信号S_IN连接到延迟电路110的输入。延迟电路110的输出通过反相器105连接到“与”门150的输入。“与”门150的另一输入耦合到开关信号S_IN“与”门150的输出产生驱动信号S_OUT，用以切换变压器10。因此，在开关信号S_IN的启用与驱动信号S_OUT的启用之間会形成时间延迟T_D。脉冲信号产生器100进一步包含输入电压端子RIN，其接收代表变压器10的输入电压V_IN的输入电压信号R_IN编程端子RO接收表示功率转换器的输出电压信息的编程信号R_O。编程信号R_O、输入电压信号R_IN和驱动信号S_OUT耦合到线性预测电路500。所述线性预测电路500将根据输入电压信号R_IN编程信号R_O和开关信号S_IN的脉冲宽度而产生不连续模式信号S_D，以关断功率开关400。不连续模式信号S_D和开关信号S_IN两者都耦合到信号产生电路300，以在第一输出端子X_P和第二输出端子X_N上产生脉冲信号。

图6表示延迟电路的实例的电路示意图。电流源113经连接以对电容器115进行充电。晶体管112经连接以对电容器115进行放电。输入信号IN通过反相器111控制晶体管112。输入信号IN进一步连接到“与非”门119。“与非”门119的另一输入耦合到电容器115。“与非”门119的输出是延迟电路的输出。当输入信号IN是逻辑低电位时，电容器115被放电且“与非”门119的输出为逻辑高电位。当输入信号IN改变为逻辑高电位时，电流源113将开始对电容器115进行充电。一旦电容器115的电压高于“与非”门119的输入阈值，“与非”门119的输出便转换为逻辑低电位。电流源113的电流量和电容器115的电容值确定延迟电路的延迟时间T_P。延迟时间T_P表示由延迟电路的输入信号IN转换为逻辑高电位开始，至输出信号OUT转换为逻辑低电位时所间隔的时间。

图7是根据本发明实施例的信号产生电路300的电路。触发器310的时钟输入接收开关信号S_IN且产生连接到“或”门315的第一输入的第一信号。开关信号S_IN进一步通过反相器325产生信号S_NN。所述信号S_NN经连接以驱动触发器320的时钟输入。触发器320输出第二信号，且连接到“或”门315的第二输入。触发器330的时钟输入接收不连续模式信号S_D，且在触发器330的输出处产生第三信号。所述第三信号连接到“或”门315的第三输入。“或”门315用于在第二输出端子X_N处产生负脉冲信号以关断同步整流器50。负脉冲信号经耦合以通过延迟电路120使触发器310、320和330复位。延迟电路120的延迟时间决定负脉冲信号的脉冲宽度。第三信号进一步耦合到触发器350的时钟输入，以在触发器350的输出处产生信号DCM。信号DCM耦合到触发器340的D输入和“与”门345的输入。触发器340的时钟输入通过反相器343、延迟电路125和另一反相器342耦合到第二输出端子X_N，以接收负脉冲信号。触发器340的输出连接到“与”门345的另一输入。“与”门345用以在第一输出端子X_P处产生正脉冲信号。所述正脉冲信号经由延迟电路130使触发器340复位。延迟电路130的延迟时间决定正脉冲信号的脉冲宽度。第一输出端子X_P和第二输出端子X_N上的正脉冲信号和负脉冲信号形成脉冲信号。

图8是根据本发明实施例的线性预测电路500。运算放大器510、晶体管512、515和516以及电阻器511形成电压到电流转换器。运算放大器510耦合到输入电压端子RIN，以接收输入电压信号R_IN，用以在晶体管516处产生充电电流。电流源520耦合到编程端子RO，以产生与电阻器80相关联的编程信号R_O。运算放大器530、电阻器531和晶体管532、535、536、538和539形成另一电压到电流转换器。运算放大器530耦合到编程端子RO，以接收用于在晶体管539处产生放电电流的编程信号R_O。充电电流经由开关560对电容器550进行充电。放电电流通过开关565对电容器550进行放电。反相器572耦合到输出端子SOUT，以接收用于产生放电信号的驱动信号S_OUT。所述放电信号经连接以控制开关565。放电信号进一步连接到反相器571，以产生用于控制开关560的充电信号。斜坡信号V_RMP在电容器550处产生。比较器580的正输入具有阈值V_T。比较器580的负输入耦合到斜坡信号V_RMP。比较器580的输出和放电信号连接到“与”门590，以产生不连续模式信号S_D。此外，放电信号和开关信号S_IN通过晶体管540和“与”门575使电容器550复位。因此，响应于输入电压信号R_IN、编程信号R_O和开关信号S_IN的脉冲宽度产生不连续模式信号S_D。

当功率转换器操作在边界模式(boundary mode)时，电感器的激磁通量(magnet ized flux)Φ_C等于去磁通量(demagnet ized flux)Φ_D。边界模式意味着功率转换器在连续模式与不连续模式之间进行操作。

等式如下所示，

Φ_C＝Φ_D------------------------------------------(4)

$\mathrm{\Φ}=B\×\mathrm{Ae}=\frac{V\×T}{N}---\left(5\right)$

$[\left(\frac{V_{\mathrm{IN}}\×N_S}{N_P}\right)-V_O]\×T_{\mathrm{CHARGE}}=V_O{\×T}_{\mathrm{DISCHARGE}}---\left(6\right)$

$T_{\mathrm{DISCHARGE}}=\left\{\right[\left(\frac{V_{\mathrm{IN}}\×N_S}{N_P}\right)-V_O]/V_O\}\×T_{\mathrm{CHARGE}}---\left(7\right)$

其中B是磁通密度(flux density)；Ae是电感器60的截面积；激磁时间(T_CHARGE)是开关信号S_IN的脉冲宽度；电感器60的去磁时间(T_DISCHARGE)表示功率转换器的边界条件。

可根据等式(7)来获得电感器60的去磁时间T_DISCHARGE。其还表示可根据输入电压V_IN、输出电压V_O和激磁时间T_CHARGE(开关信号S_IN的脉冲宽度)来预测去磁时间T_DISCHARGE。响应于去磁时间T_DISCHARGE产生不连续模式信号S_D。

图9A和9B表示同步整流电路的主要波形。图9A表示响应于开关信号S_IN的前沿和后沿而产生脉冲信号S_P-S_N(负脉冲信号)，以停用同步整流器50。在负脉冲信号的末尾处，如果同步整流器50的二极管450导通，那么产生脉冲信号S_P-S_N(正脉冲信号)，以启用同步整流器50。图9B表示斜坡信号V_RMP的波形。在斜坡信号V_RMP的放电时间T₂的末尾处产生不连续模式信号S_D和额外脉冲信号S_P-S_N(负脉冲信号)。其意味着当电感器60被完全去磁时(不连续模式)，将停用同步整流器50。

图10表示根据本发明的具有同步整流器的功率转换器的实施例，其类似于参看图1所描述的实施例，不同之处在于电容器71和72经操作为用于同步整流电路的隔离装置70。电容器71和72的电容小于20pF，但隔离作用的实现需要具有高额定电压的电容器。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。任何所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种更动与修改。因此，本发明的保护范围以所提出的权利要求的范围为准。

Claims (23)

1.一种用于功率转换器的同步整流电路，包括：

脉冲信号产生器，响应于开关信号的上升沿和下降沿产生脉冲信号；

隔离装置，耦合到所述脉冲信号产生器，用于将所述脉冲信号从变压器的一次侧传送到所述变压器的二次侧；以及

同步整流器，具有功率开关、二极管和控制电路；其中所述功率开关耦合到所述变压器的所述二次侧以用于整流，其中所述控制电路接收用于导通或关断所述功率开关的所述脉冲信号，

其中所述开关信号用于切换所述功率转换器的所述变压器，所述二极管并联耦合到所述功率开关，且根据所述脉冲信号的极性决定是否导通所述功率开关。

2.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中一旦所述二极管导通，所述功率开关便由所述脉冲信号导通。

3.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中所述隔离装置包括脉冲变压器或电容器。

4.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中所述脉冲信号是触发信号，所述脉冲信号的脉冲宽度短于所述开关信号的脉冲宽度。

5.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中所述脉冲信号产生器响应于所述开关信号进一步产生驱动信号，所述驱动信号切换所述变压器，且在所述开关信号的启用与所述驱动信号的启用之间形成时间延迟。

6.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中所述脉冲信号产生器包括：

输入电压端子，接收代表所述变压器的输入电压的输入电压信号；以及

编程端子，接收编程信号；

其中所述脉冲信号产生器根据所述输入电压信号、所述编程信号和所述开关信号的脉冲宽度而产生所述脉冲信号以关断所述功率开关。

7.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中所述脉冲信号产生器包括：

输入信号端子，接收所述开关信号；

第一输出端子；以及

第二输出端子；

其中所述第一输出端子和所述第二输出端子产生所述脉冲信号，其中所述脉冲信号是差动信号，且根据所述脉冲信号的极性来决定所述脉冲信号是用于导通或关断所述功率开关。

8.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中所述同步整流器包括：

整流端子，耦合到所述变压器的所述二次侧；

接地端子，耦合到所述功率转换器的输出；

第一输入端子；以及

第二输入端子；

其中所述功率开关连接在所述整流端子与所述接地端子之间，且其中所述第一输入端子和所述第二输入端子用以接收所述脉冲信号以导通/关断所述功率开关。

9.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中所述控制电路包括栓锁电路，耦合到所述第一输入端子和所述第二输入端子，以接收所述脉冲信号来设置或复位所述栓锁电路，且其中所述栓锁电路用以导通/关断所述功率开关。

10.一种用于功率转换器的同步整流器设备，包括：

脉冲信号产生器，响应于开关信号的前沿和后沿产生脉冲信号；

隔离装置，传送所述脉冲信号以通过变压器的隔离屏障；以及

同步整流器，具有功率开关和控制电路；其中所述功率开关耦合到所述变压器以用于整流操作，且其中所述控制电路用以接收所述脉冲信号以导通/关断所述功率开关；

其中所述开关信号用于切换所述功率转换器的所述变压器，且所述脉冲信号设置或复位所述控制电路的栓锁电路，用于控制所述功率开关。

11.根据权利要求10所述的同步整流器设备，进一步包括并联耦合到所述功率开关的二极管，其中一旦所述二极管导通，所述功率开关便由所述脉冲信号导通。

12.根据权利要求10所述的同步整流器设备，其中所述隔离装置包括电容器或脉冲变压器。

13.根据权利要求10所述的同步整流器设备，其中所述脉冲信号是触发信号，且所述脉冲信号的脉冲宽度短于所述开关信号的脉冲宽度。

14.根据权利要求10所述的同步整流器设备，其中所述脉冲信号产生器包括：

输入电压端子，接收代表所述变压器的输入电压的输入电压信号；以及

编程端子，接收编程信号；

其中根据所述输入电压信号、所述编程信号和所述开关信号的脉冲宽度而产生所述脉冲信号以关断所述功率开关。

15.根据权利要求10所述的同步整流器设备，其中所述脉冲信号产生器包括：

输入信号端子，接收所述开关信号；

第一输出端子；以及

第二输出端子；

其中在所述第一输出端子和所述第二输出端子处产生所述脉冲信号。

16.根据权利要求10所述的同步整流器设备，其中所述同步整流器包括：

整流端子，耦合到所述变压器的所述二次侧；

接地端子，耦合到所述功率转换器的输出；

第一输入信号端子；以及

第二输入信号端子；

其中所述功率开关连接在所述整流端子与所述接地端子之间，且所述第一输入信号端子和所述第二输入信号端子接收所述脉冲信号以导通/关断所述功率开关。

17.根据权利要求10所述的同步整流器设备，其中所述功率开关的最大导通时间受限于最大导通时间电路。

18.一种提供功率转换器的同步整流电路的方法，包括：

响应于开关信号的前沿和后沿产生脉冲信号；

传送所述脉冲信号从变压器的一次侧通过隔离屏障到变压器的二次侧；

响应于所述脉冲信号设置或复位栓锁；以及

根据所述栓锁器的状态而导通/关断功率开关；

其中所述开关信号用于开关所述功率转换器的所述变压器，且所述功率开关耦合到所述变压器的所述二次侧以用于整流。

19.根据权利要求18所述的用于提供同步整流电路的方法，其中所述栓锁器仅能在二极管导通时导通所述功率开关，其中所述二极管并联耦合到所述功率开关。

20.根据权利要求18所述的用于提供同步整流电路的方法，其中所述隔离装置包括脉冲变压器或电容器。

21.根据权利要求18所述的用于提供同步整流电路的方法，其中所述脉冲信号的脉冲宽度短于所述开关信号的脉冲宽度。

22.根据权利要求18所述的用于提供同步整流电路的方法，进一步包括：

接收代表所述变压器的输入电压的输入电压信号；以及

接收编程信号；

其中根据所述输入电压信号、所述编程信号和所述开关信号的脉冲宽度而产生所述脉冲信号以关断所述功率开关。

23.根据权利要求18所述的用于提供同步整流电路的方法，其中所述功率开关的最大导通时间受限于最大导通时间电路。

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