CN101141095A

CN101141095A - 具有反向电流抑制器的同步整流顺向转换器

Info

Publication number: CN101141095A
Application number: CN 200610126771
Authority: CN
Inventors: 王冠盛; 刘添华
Original assignee: Delta Optoelectronics Inc
Current assignee: Delta Electronics Inc; Delta Optoelectronics Inc
Priority date: 2006-09-06
Filing date: 2006-09-06
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2026-09-06
Also published as: CN101141095B

Abstract

本发明揭示一种具有反向电流抑制器的同步整流顺向转换器。该反向电流抑制器连接至飞轮开关的栅极，且反向电流抑制器设定为接收由同步整流顺向转换器所在的电源供应系统的控制电路所产生的控制输入信号，如使能信号，来检测顺向转换器的关机，并根据顺向转换器的关机提早在顺向转换器的输入电源中断时将飞轮开关截止。或者，反向电流抑制器可设定为检测顺向转换器的变压器初级侧的输入大电容两端的输入电压的衰减，并且在当变压器次级侧两端的电压衰减至小于顺向转换器的输出电压时截止飞轮开关。本发明以简单的电路结构与控制机构来控制飞轮开关在顺向转换器的输入电源中断时或是反向电流产生前迅速截止，以消除反向电流与避免电压突波的危害。

Description

具有反向电流抑制器的同步整流顺向转换器

技术领域

本发明关于一种同步整流顺向转换器，更特别的是本发明关于一种具有反向电流抑制器的同步整流顺向转换器，其中反向电流抑制器设定为在顺向转换器的输入电源因为顺向转换器关机的缘故而中断时，适时截止同步整流器的飞轮开关以消除产生于同步整流器中的反向电流。

背景技术

在典型的顺向转换器(forward converter)中，主开关会设置于变压器的初级侧上且与变压器的初级侧绕组串联，并且由整流二极管所组成的整流电路会设置于变压器的次级侧。变压器的初级侧绕组的激磁电感(magnetizinginductance)经由接收来自电压输入端的电流而储存能量于其中，并且根据主开关的开关切换将储存的能量传送到变压器的次级侧。变压器的次级侧的整流电路会将次级侧所感应生成的交流电压整流成整流直流电压(rectified DCvoltage)。该整流直流电压接着经过平滑化(smoothing)处理后产生输出直流电压以提供给负载使用。由于二极管在开关切换时会产生相当大的导通损失(conduction loss)，由晶体管所组成的同步整流开关逐渐取代了传统顺向转换器内部的整流二极管。相较于传统的顺向转换器架构，使用同步整流器的顺向转换器可以减少转换器的功率损失(power loss)并且增进转换器的整体效率。然而，晶体管为一种具有双向导通特性的电路元件，因此需要精密的驱动电路来驱动同步整流器中的同步整流开关的开关切换。

图1显示公知的同步整流顺向转换器的电路组态图。图1的同步整流顺向转换器包含变压器T1，其具有初级侧绕组(primary winding)Np以及次级侧绕组(secondary winding)Ns。初级侧绕组Np的一端与输入直流电压Vin相连接，其设定为将输入直流电压Vin的能量储存于初级侧绕组Np的激磁电感(未显示)中。初级侧绕组Np的另一端与主开关Q1串联，并且主开关Q1由脉冲宽度调制器(pulse width modulator，PWM)50来控制其开关切换。主开关Q1通常是由金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)所组成，其具有漏极，连接至初级侧绕组Np，栅极，连接至脉冲宽度调制器50，以及源极，其连接至地。变压器T1的初级侧所储存的能量根据主开关Q1的开关切换而传送至变压器T1的次级侧，从而在次级侧绕组Ns两端感应生成交流电压。同步整流器(Q2，Q3)以及滤波电路(Lo，Co)设置于变压器T1的次级侧，其中同步整流器(Q2，Q3)设定可为与主开关Q1的开关切换同步的方式来进行开关切换，以便将变压器的次级侧绕组Ns两端的交流电压转换成整流直流电压。该整流直流电压经由输出电感Lo与输出电容Co所组成的滤波电路滤除其高频谐波，其中输出电感Lo以变压器的架构来实现。因此可在输出电容Co两端产生输出直流电压Vout并提供给负载Ro来使用。

图1所示的同步整流器乃是一种自驱动同步整流器(self-drivensynchronous rectifier)架构，其包含顺向开关(forward switch)Q2以及飞轮开关(freewheel switch)Q3。顺向开关Q2亦具有漏极，连接至次级侧绕组Ns，栅极，连接至位于变压器T1的次级侧的辅助绕组(auxiliary winding)Na的一端，以及源极，其连接至顺向转换器的负电压输出端。辅助绕组Na上所感应生成的次级侧电压(secondary voltage)作用为驱动顺向开关Q2的栅极驱动信号。飞轮开关Q3亦具有漏极，连接至输出直流电压Vout的正电压线路(positive voltage rail)，栅极，连接至该输出电感Lo的辅助绕组，以及源极，其连接至顺向转换器的负电压输出端。输出电感Lo的辅助绕组上所感应生成的电压作用为驱动飞轮开关Q3的栅极驱动信号。图1所示的同步整流器的操作说明如下。当主开关Q1导通时，变压器T1的初级侧所储存的能量会传送至变压器T1的次级侧，借此在次级侧绕组Ns两端产生正电压。在此同时，顺向开关Q2的栅极所接收的栅极驱动信号为正电压因而导通。此时顺向开关Q2便可提供电流路径于次级侧绕组Ns与顺向转换器的负电压输出端之间，使得电感电流I_L自次级侧绕组Ns流向输出电感Lo以便向输出电感Lo充电，因而在输出电感Lo的主绕组上产生正电压。由于输出电感Lo的主绕组与辅助绕组的电压极性相反，在输出电感Lo的辅助绕组两端会感应生成负电压。因此，飞轮开关Q3的栅极所接收的栅极驱动信号为负电压因而截止。当主开关Q1截止时，变压器T1进入重设阶段，因而产生负电压于次级侧绕组Ns两端。在此同时，顺向开关Q2的栅极所接收的栅极驱动信号为负电压因而截止。此时输出电感Lo所储存的能量经由电感电流I_L而释放至输出电容Co，因而在输出电容Co两端产生输出直流电压Vout，并且在输出电感Lo的主绕组上产生负电压。由于输出电感Lo的主绕组与辅助绕组的电压极性相反，在输出电感Lo的辅助绕组两端会感应生成正电压。此时，飞轮开关Q3的栅极所接收的栅极驱动信号为正电压因而导通。因此，飞轮开关Q3便可提供电流路径于正电压线路与顺向转换器的负电压输出端之间。

虽然同步整流器能够提供低功率损失与高转换效率的优点，然而在顺向转换器开机或关机的瞬间却会导致一些潜在的风险。最主要的风险乃是由自输出电容Co流向次级侧绕组Ns的反向电流所导致。如前所述，同步整流器的同步整流开关(Q2，Q3)乃是由具有双向导通特性的晶体管所组成。因此，同步整流器的同步整流开关(Q2，Q3)需要驱动电路来控制其开关切换。然而，不论同步整流器(Q2，Q3)中的同步开关是采用自激驱动或是控制驱动(control-driven)，其栅极驱动信号的来源皆是由脉冲宽度调制器50而来。因此，当顺向转换器关机或是输入电源中断的时候，脉冲宽度调制器50便会停止运行而导致控制同步开关(Q2，Q3)的栅极驱动信号也会随之中断，进而截止顺向开关Q2。然而，飞轮开关Q3的栅极上仍然存在着持续导通时所残余的能量。这种情况特别容易发生于轻载(light load)或是空载(no load)的条件下。因此，经由持续导通的飞轮开关Q3，在输出电感Lo与输出电容Co之间便形成一个电流回路。此时，辅助绕组Na两端的电压为零。因此在这个电流回路中，输出电容Co会向输出电感Lo充电，使得电感电流I_L的流动方向是反向的。由于持续的驱动飞轮开关Q3的栅极，使得反向电流的电流量也随之增加，直到飞轮开关Q3的栅极的能量下降到低于阈值电压(threshold voltage)的时候。此时飞轮开关Q3会截止，使得反向电流的变化量在同步开关(Q2，Q3)的漏极-源极之间产生很高的电压突波(voltage spikes)。这些电压突波会对同步整流器中的功率半导体元件造成损害，更有甚者，这些电压突波的瞬间电压值会超过功率半导体元件的额定电压值，导致功率半导体元件烧毁。

图2(A)至图2(E)分别显示图1的同步整流顺向转换器在关机时的各种操作模式，并且图3显示图1的同步整流顺向转换器所量测到的电感电流、飞轮开关Q3的栅极-源极电压与漏极-源极电压的波形图。图2(A)显示同步整流顺向转换器在正常操作时的操作模式，其中脉冲宽度调制器50设定为持续提供脉冲调制信号至主开关Q1的栅极端，借此变压器T1的初级侧所储存的能量得以传送至变压器T1的次级侧。此时电感电流I_L的流动方向为次级侧绕组Ns往输出电容Co。在主开关Q1导通时，顺向开关Q2导通使得输出电感Lo、输出电容Co与顺向开关Q2形成一个电流回路。在主开关Q1截止时，飞轮开关Q3导通使得输出电感Lo、输出电容Co与飞轮开关Q3形成一个电流回路。在这个操作模式下的波形图显示于图3的时间区段t0-t1。

图2(B)显示当顺向转换器关机或是输入电源中断时，同步整流顺向转换器的操作模式。由于脉冲宽度调制器50的电源供应消失，因此无法提供脉冲调制信号而造成变压器T1的初级侧的能量传递停止。因此，次级侧绕组Ns两侧的电压为零，并且无法向输出电感Lo充电来储存能量。同时，由于飞轮开关Q3的栅极电压并非立即降低至零，飞轮开关Q3无法立即截止而是会持续导通一段短暂的时间，使得输出电容Co两端的电压高于次级侧绕组Ns两侧的电压。因此，输出电感Lo、输出电容Co与飞轮开关Q3形成一个电流回路，其中电感电流I_L会自飞轮开关Q3的漏极往飞轮开关Q3的源极反向流动，使得输出电容Co向输出电感Lo充电。在这个操作模式下的波形图显示于图3的时间区段t1-t2。

图2(C)显示接续于图2(B)的操作模式后的同步整流顺向转换器的操作模式。在这个模式下，输出电容Co会持续向输出电感Lo充电。由于飞轮开关Q3的栅极电压尚未衰减至低于阈值电压，来自于输出电容Co的反向电流会持续流动。在这个操作模式下的波形图显示于图3的时间区段t2-t3。

图2(D)显示接续于图2(C)的操作模式后的同步整流顺向转换器的操作模式。在这个模式下，飞轮开关Q3的栅极电压会衰减至低于阈值电压，使得飞轮开关Q3截止。此时，流经输出电感Lo的反向电流会达到最大值。由于顺向开关Q2与飞轮开关Q3的源极/漏极结电容量(junction capacitance)的初始值为零，导致反向电流的瞬间电流对顺向开关Q2与飞轮开关Q3的结电容充电。因此会在顺向开关Q2与飞轮开关Q3的漏极与源极之间产生电压突波。在这个操作模式下的波形图显示于图3的时间区段t3-t4。

图2(E)显示接续于图2(D)的操作模式后的同步整流顺向转换器的操作模式。在这个模式下，当反向电流达到最大值后，输出电感Lo与输出电容Co之间的谐振(resonance)周期也会完成。此时，反向电流会逐渐减小，电感电流I_L的流动会回复到如图2(A)所示的操作模式。这时，飞轮开关Q3会由输出电感Lo的次级侧绕组所提供的栅极驱动信号所驱动而再次导通，并且进行下一个周期的电感-电容谐振。在这个操作模式下的波形图显示于图3的时间区段t4-t5。

根据分析所获得的结果，可知不论反向电流的产生或是顺向转换器关机时所造成的短路问题，皆是由飞轮开关Q3的延迟截止所导致。因此若能够适时的在输入电源中断时或是反向电流因为输出电感Lo与输出电容Co之间的谐振而产生前将飞轮开关Q3截止，便可以消除反向电流并且抑制电压突波所产生的危害。为了达到此目的，设计一个线路简单且具有经济效益的控制器来检测顺向转换器的关机或是反向电流的产生并且在适当时机驱动飞轮开关Q3截止是相当理想的解决方案。本发明可以满足这个需求。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种具有反向电流抑制器的同步整流顺向转换器，其中该反向电流抑制器具有简单的电路结构与控制机构，并且不需跨接于变压器的初级侧以及次级侧之间。

根据本发明的主要实施例，同步整流顺向转换器包含变压器，具有初级侧绕组以及次级侧绕组，该初级侧绕组与主开关串联并且根据主开关的开关切换将所储存的能量传送至该变压器的次级侧，以及同步整流器与输出滤波器，耦接至该次级侧绕组。此外，反向电流抑制器设定在当顺向转换器关机时或是反向电流产生前，抑制由于输出滤波器的谐振所引起的反向电流。该反向电流抑制器具有输入端，其可接收顺向转换器所在的电源供应系统的控制电路所发出的使能信号(Enable signal，EN)来决定转换器是否关机，并且在顺向转换器的输入电源中断时根据使能信号发出截止信号来截止同步整流器的飞轮开关。或者，该反向电流抑制器的输入端可接收由初级侧绕组所传送过来的感应能量来检测次级侧绕组两端的电压在输入电源中断时，是否小于顺向转换器的输出电压，以判断是否产生反向电流，并且在当次级侧绕组两端的电压小于顺向转换器的输出电压时，发出截止信号来截止同步整流器的飞轮开关。该反向电流抑制器还具有输出端，其设定为将该截止信号传送至同步转换器的飞轮开关的栅极来将飞轮开关截止，以消除反向电流。

本发明提供一种同步整流顺向转换器，其包含：变压器，具有初级侧绕组与次级侧绕组；主开关，与该初级侧绕组串联，其中该初级侧绕组所储存的能量经由该主开关的开关切换而传送至该次级侧绕组；同步整流器，具有顺向开关与飞轮开关且耦接至该次级侧绕组，其设定为将该次级侧绕组自该初级侧绕组所接收的能量转换成稳压的输出电压；以及逆向电流抑制器，具有输入端用以接收控制输入信号，以及截止信号产生电路，其设定为受该控制输入信号驱动而在该同步整流顺向转换器关机时产生截止信号来截止该飞轮开关，其中当控制输入信号所具有的特性为在该同步整流顺向转换器正常操作时，该控制输入信号的电平为第一电平，并且在该同步整流顺向转换器关机时，该控制输入信号的电平会在该同步整流顺向转换器的输入电源中断时一段极小的时间差转变成第二电平。

根据所述的同步整流顺向转换器，其中该控制输入信号由该同步整流顺向转换器所在的电源供应系统的控制电路所发出。

根据所述的同步整流顺向转换器，其中该控制信号为使能信号。

根据所述的同步整流顺向转换器，其中该截止信号产生电路包含：

第一辅助开关，具有栅极耦接至该控制输入信号，其受该控制输入信号驱动而提供输出信号；以及

第二辅助开关，具有栅极，其根据该第一辅助开关的输出信号而与偏压电压耦接以产生该截止信号。

根据所述的同步整流顺向转换器，其中该第一辅助开关与该第二辅助开关由金属氧化物半导体场效应晶体管所组成。

根据所述的同步整流顺向转换器，还包含输出滤波器，其由输出电感与输出电容所组成。

本发明还提供另一种同步整流顺向转换器，其包含：变压器，具有初级侧绕组与次级侧绕组；主开关，与该初级侧绕组串联，其中该初级侧绕组所储存的能量经由该主开关的开关切换而传送至该次级侧绕组；同步整流器，具有顺向开关与飞轮开关且耦接至该次级侧绕组，其设定为将该次级侧绕组自该初级侧绕组所接收的能量转换成稳压的输出电压；以及逆向电流抑制器，具有输入端用以接收该初级侧绕组所传送的能量，用以产生代表该变压器的次级侧两端的电压的电压检测信号，并且在该同步整流顺向转换器的输入电源中断时，根据该电压检测信号来决定该变压器的次级侧两端的电压是否小于该同步整流顺向转换器的输出电压，借此在该变压器的次级侧两端的电压小于该同步整流顺向转换器的输出电压时，产生截止信号来截止该飞轮开关。

根据所述的同步整流顺向转换器，其中该逆向电流抑制器的输入端由位于该变压器的次级侧的电压检测绕组所组成。

根据所述的同步整流顺向转换器，其中逆向电流抑制器还包含电压检测信号产生电路，其设定为将该电压检测绕组所接收的该初级侧绕组所传送的能量转换成该电压检测信号。

根据所述的同步整流顺向转换器，其中该电压检测信号产生电路由整流二极管与维持电容所组成。

根据所述的同步整流顺向转换器，其中该电压检测信号为该维持电容两端的直流电压。

根据所述的同步整流顺向转换器，其中该逆向电流抑制器还包含参考输入产生器，用以将该电压检测信号转换成参考输入电压。

根据所述的同步整流顺向转换器，其中该参考输入产生器由多个分压电阻所组成。

根据所述的同步整流顺向转换器，其中该逆向电流抑制器还包含比较开关，其设定为将该参考输入电压与内部参考电压比较，并且根据比较的结果提供输出信号。

根据所述的同步整流顺向转换器，其中该比较开关由具有可调整的击穿电压的齐纳二极管所组成。

根据所述的同步整流顺向转换器，其中该逆向电流抑制器还包含辅助开关，其根据该比较开关的输出信号而与偏压电压耦接以产生该截止信号。

本发明的优点在于以简单的电路结构与控制机构来控制飞轮开关在顺向转换器的输入电源中断时或是反向电流产生前迅速截止，以消除反向电流与避免电压突波的危害，而可达成一个符合经济效益与反应快速的反向电流抑制器。

附图说明

图1显示公知的同步整流顺向转换器的电路组态图；

图2(A)至图2(E)分别显示图1的同步整流顺向转换器的各种操作模式；

图3显示图1的同步整流顺向转换器所量测到的电感电流、飞轮开关的栅极-源极电压与漏极-源极电压的波形图；

图4显示本发明的同步整流顺向转换器的一般性电路示意图；

图5显示显示根据本发明的第一实施例的同步整流顺向转换器内部的电压与控制输入信号的信号波形图；

图6根据本发明的第一实施例的同步整流顺向转换器以及其反向电流抑制器的电路组态图；

图7显示本发明的第二实施例的同步整流顺向转换器以及其反向电流抑制器的电压与控制信号的波形图；

图8根据本发明的第二实施例的同步整流顺向转换器以及其反向电流抑制器的电路组态图；

图9显示工作在轻载条件下的同步整流顺向转换器在关机期间所产生的反向电流波形图；

图10显示在飞轮开关的漏极-源极之间所产生的突波电压波形图；

图11显示在顺向开关的漏极-源极之间所产生的突波电压波形图；

图12显示在本发明的第一实施例中，使能信号、顺向开关的漏极-源极电压、飞轮开关的漏极-源极电压以及飞轮开关的栅极-源极电压的波形图；

图13显示根据本发明的第二实施例的电感电流的波形图；以及

图14显示在本发明的第二实施例中，辅助开关的栅极-源极电压、飞轮开关的栅极-源极电压、飞轮开关的漏极-源极电压以及电感电流的波形图。

其中，附图标记说明如下：

图1：

变压器T1

变压器T1的初级侧绕组Np

变压器T1的次级侧绕组Ns

主开关Q1

顺向开关Q2

飞轮开关Q3

输出电感Lo

输出电容Co

负载Ro

辅助绕组Na

脉冲宽度调制器50

图2(A)-图2(E)：

变压器T1

变压器T1的初级侧绕组Np

变压器T1的次级侧绕组Ns

主开关Q1

顺向开关Q2

飞轮开关Q3

输出电感Lo

输出电容Co

负载Ro

辅助绕组Na

脉冲宽度调制器50

图4：

变压器T1

变压器T1的初级侧绕组Np

变压器T1的次级侧绕组Ns

主开关Q1

顺向开关Q2

飞轮开关Q3

输出电感Lo

输出电容Co

负载Ro

脉冲宽度调制器50

反向电流抑制器60

反向电流抑制器的输入端61

反向电流抑制器的输出端62

截止信号63

图6：

变压器T1

变压器T1的初级侧绕组Np

变压器T1的次级侧绕组Ns

主开关Q1

顺向开关Q2

飞轮开关Q3

输出电感Lo

输出电容Co

负载Ro

反向电流抑制器60

第一辅助开关Q101

第二辅助开关Q102

电阻R102

使能信号EN

脉冲宽度调制器50

图8：

变压器T1

变压器T1的初级侧绕组Np

变压器T1的次级侧绕组Ns

主开关Q1

顺向开关Q2

飞轮开关Q3

输出电感Lo

输出电容Co

负载Ro

输入大电容Cb

电压检测绕组Nd

整流二极管D201

维持电容C201

分压电阻R201，R202

比较开关IC201

参考输入电压801

电阻R203，R204

齐纳二极管ZD201

辅助开关Q201

反向电流抑制器60

脉冲宽度调制器50

具体实施方式

体现本发明的特征与优点的优选实施例将在后面的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明的同步整流顺向转换器的一般性电路示意图显示于图4。同步整流顺向转换器，包含变压器T1，具有初级侧绕组Np以及次级侧绕组Ns，以及主开关Q1与脉冲宽度调制器50，设置于变压器T1的初级侧。此外，同步整流器(Q2，Q3)以及输出滤波器(Lo，Co)设置于变压器T1的次级侧，其中同步整流器(Q2，Q3)包含顺向开关Q2与飞轮开关Q3，而输出滤波器(Lo，Co)包含输出电感Lo与输出电容Co。须注意的是在本发明的每一处中，具有相同编号的元件指向具有相同组成结构与操作原理的电路构件。因此图4所示的电路构件，包含变压器T1、主开关Q1、脉冲宽度调制器50、同步整流器(Q2，Q3)以及输出滤波器(Lo，Co)、负载Ro皆与图1所示的对应物具有相同组成结构与连接组态以及操作原理，其细节在此不再予以赘述。

图4所示的转换器还包含反向电流抑制器(reverse current suppressor)60，其具有输出端62，耦接至飞轮开关Q3的栅极，以及输入端61，其设定为接收来自顺向转换器所在的电源供应系统的控制电路所发出的控制输入信号，或者接收变压器T1的初级侧所传送过来的能量，来检测顺向转换器是否关机或是检测反向电流是否产生。若反向电流抑制器60检测到顺向转换器关机或是反向电流产生，则经由输出端62发出截止信号(turn-off signal)63来立即驱动飞轮开关Q3截止。下面分别针对反向电流抑制器60可能的电路组态与操作方式提出两种实施例。

第一实施例：

图5显示根据本发明的第一实施例的同步整流顺向转换器内部的电压与控制输入信号的波形图，而图6显示根据本发明的第一实施例的同步整流顺向转换器以及其反向电流抑制器的电路组态图。在本实施例中，反向电流抑制器60接收控制输入信号(control input signal)来判断顺向转换器是否关机。该控制输入信号的下降边缘(trailing edge)的相位会领先输出电压的下降边缘(代表输入电源中断的时间点)的相位。如图6所示，该控制输入信号指定为使能信号，其为同步整流顺向转换器所在的电源供应系统的控制电路(未显示)所发出，用以启动顺向转换器的电源转换作业。图5显示同步整流顺向转换器的待机电源(standby power)、使能信号EN以及输出电压的波形图。如熟悉电源供应电路的控制技术的人士所明了的是，一般的电源供应器会提供待机模式与主电源模式的控制机构来控制其电源状态。当电源供应器开机时，会先进入待机模式，而由电源供应器内部的待机电源来源提供电源供应器于启动阶段所需的电源。在电源供应器准备完毕后，电源供应器的控制电路会发出使能信号EN至同步整流顺向转换器来启动其电源转换作业。此使能信号EN的下降边缘的频率在同步整流顺向转换器关机时会领先输出电压的下降边缘的频率数百微秒的时间差。也就是说，使能信号EN的频率在同步整流顺向转换器关机时会相位领前(phase lead)输出电压的频率。因此当顺向转换器关机时，使能信号EN会比输出电压提早数百微秒(约200μs)下降至零电平，如图5所示。因此可利用在顺向转换器关机的瞬间使能信号EN相对于输出电压的相位领前特性，将飞轮开关Q3提早于输出电压中断前截止。

图6所示的反向电流抑制器60包含第一辅助开关Q101，具有源极，其耦接至地，栅极，耦接至使能信号EN，以及漏极，耦接至电阻R102与第二辅助开关Q102的栅极之间的结节点，以及第二辅助开关Q102，具有源极，其耦接至地，栅极，其选择性的经由电阻R102耦接至偏压电压Vcc，以及漏极，耦接至飞轮开关Q3的栅极。反向电流抑制器60的操作说明如下。当使能信号EN的电平为正时，顺向转换器会正常工作来提供稳定的稳压输出Vout。此时，第一辅助开关Q101受使能信号EN驱动而导通，而成为一个低阻抗(low-impedance)的元件。因此第一辅助开关Q101的漏极端上的输出信号为低电平，以禁止偏压电压Vcc施加至第二辅助开关Q102的栅极。因此，第二辅助开关Q102因而截止并且顺向转换器的输出不会受到影响。当使能信号EN的电平为零时，第一辅助开关Q101受使能信号EN驱动而截止，使得第一辅助开关Q101变成一个高阻抗(high-impedance)的元件。因此第一辅助开关Q101的漏极端上的输出信号为高电平，从而使得第二辅助开关Q102经由电阻R102接收偏压电压Vcc而导通。因此第二辅助开关Q102的漏极便可发出截止信号至飞轮开关Q3的栅极来将飞轮开关Q3截止。在本实施例中，反向电流抑制器60并未加入任何电容。因此当转换器关机且使能信号变成零电平时，反向电流抑制器60便能够迅速的发出截止信号至飞轮开关Q3的栅极，以在输入电源中断时截止飞轮开关Q3而不至于造成任何延迟，借此可有效抑制反向电流的产生。

功效与实验证明

图9显示工作在轻载条件下的同步整流顺向转换器在关机期间所产生的反向电流波形图。图10显示在飞轮开关Q3的漏极-源极之间所产生的电压突波波形图。由图示可知当顺向转换器关机而导致输入电源中断时，同步整流器的顺向开关Q2也会因为其栅极驱动信号的中断而截止。因此同步整流器的飞轮开关Q3如同与顺向开关Q2并联，使得顺向开关Q2的漏极-源极之间会承受相当大的电压应力(voltage stress)，造成电压突波产生，如图11所显示的在顺向开关Q2的漏极-源极之间所产生的电压突波波形图。

图12显示在本发明的第一实施例中，使能信号EN、顺向开关Q2的漏极-源极电压、飞轮开关Q3的漏极-源极电压以及飞轮开关Q3的栅极-源极电压的波形图。如前所述，在使能信号EN下降至零电平时，本发明的第一实施例的反向电流抑制器60的第一辅助开关Q101会受到使能信号EN的驱动而截止，使得反向电流抑制器60的第二辅助开关Q102受到偏压电压Vcc而导通，进而发出截止信号来关闭飞轮开关Q3。由图12的波形图可了解在使能信号EN降至零电平后约200微秒后，同步整流顺向转换器的输出电压便会中断。此时飞轮开关Q3的漏极-源极之间的电压突波(Q3-Vds)以及顺向开关Q2的漏极-源极之间的电压突波(Q2-Vds)便可以大幅度的衰减。因此利用本发明的第一实施例的反向电流抑制技术，飞轮开关Q3可在使能信号EN变成零电平后迅速截止，使得反向电流的电流路径能够提早于顺向转换器的输出电压中断前截断，而消除反向电流并且避免电压突波出现于顺向开关Q2与飞轮开关Q3的漏极-源极之间。

第二实施例：

本发明的第二实施例显示于图7与图8。图7显示本发明的第二实施例的同步整流顺向转换器以及其反向电流抑制器的电压与控制信号的波形图，而图8显示根据本发明的第二实施例的同步整流顺向转换器以及其反向电流抑制器的电路组态图。在本实施例中，反向电流抑制器60设定为产生代表变压器次级侧两端的输入电压的电压检测信号来判断反向电流是否产生。在图8中，输入大电容(input bulk capacitor)Cb跨接于变压器的初级侧，其设定提供一个升压的输入直流电压Vin给顺向转换器以便将该升压的输入直流电压Vin转换成稳压的输出直流电压Vout。在大部分的应用中，直流-直流转换器通常会要求具有电源维持(power hold-up)的规定。换句话说，由直流-直流转换器所产生的输出直流电压会被期望在输入电源中断时能够维持稳压一段时间，以便在当输入电源中断时，输入大电容Cb会经由放电来提供直流-直流转换器所需要的暂时电源。因此，直流-直流转换器在输入电源中断时能够持续运行的时间称为维持时间(hold-up time)。一般而言，输入大电容Cb所能够提供的理想维持时间为数十毫秒。在维持时间过后，变压器T1的初级侧两端的输入电压Vin便无法提供输出电压的稳压，使得次级侧绕组Ns两端的电压低于输出电容Co两侧的输出电压Vout。此时，输出电感Lo与输出电容Co开始谐振而导致反向电流的产生。因此，若能够在检测到变压器T1的次级侧两端的电压下降至小于输出电压Vout的时候迅速截止飞轮开关Q3，便能够有效消除反向电流。

基于以上概念，本发明提出另外一种与第一实施例的反向电流抑制器具有不同控制方法与机构的反向电流抑制器。如图8所示，根据本发明的第二实施例的反向电流抑制器60包含电压检测绕组Nd，设置于变压器T1的次级侧。电压检测绕组Nd设定为接收由变压器T1的初级侧绕组Np所传送过来的能量，借此感应生成交流电压，其电压电平与变压器T1的次级侧两端的电压成正比。电压检测绕组Nd上的交流电压经由整流二极管D201整流后向维持电容(holding capacitor)C201充电，从而在维持电容C201两端产生直流电压。整流二极管D201与维持电容C201形成电压检测信号产生器，并且维持电容C201两端的直流电压作用为电压检测信号，其代表变压器T1的次级侧两端的电压。因此，电压检测信号(维持电容C201两端的直流电压)乃是代表变压器T1的次级侧两端的电压并且会与输入电压Vin同步变化。根据本发明的第二实施例的反向电流抑制器60还包含参考输入产生器(reference input generator)，其由分压电阻R201，R202所组成且设定为将电压检测信号分压而产生参考输入电压(reference input voltage)801，以及比较开关(comparator switch)IC201，其将该参考输入电压801与内部参考电压(未显示)比较，并且根据比较的结果提供输出信号。反向电流抑制器60还包含辅助开关Q201，具有栅极，经由电阻R204耦接至地，源极，其耦接至地，以及漏极，其耦接至飞轮开关Q3的栅极。辅助开关Q201根据比较开关IC201的输出信号来选择性的将偏压电压Vcc施加至其栅极，以经由其漏极输出截止信号来截止飞轮开关Q3。

图8的反向电流抑制器60的操作说明如下。当顺向转换器正常运行时，电压检测信号(维持电容C201两端的电压)会维持在预定电平上(约为10V)，亦即当顺向转换器正常运行时，电压检测信号的电压电平会维持约为10V。在本实施例中，用来检测反向电流产生的阈值电平设定为与比较开关IC201的内部参考电压的电压电平相同，例如5V。此时，分压电阻R201，R202的电阻值设定会使得参考输入电压801大于或等于用来检测反向电流产生的阈值电平。因此，参考输入电压801的电压电平会大于或等于5V，使得比较开关IC201导通。此时比较开关IC201的输出信号为高电平而禁止偏压电压Vcc施加至辅助开关Q201的栅极，辅助开关Q201便会截止。因此顺向转换器的输出不会受到影响并且输入大电容Cb的维持时间也不致于受到影响。在维持时间过后且变压器T1的次级侧两端的电压开始衰减，电压检测绕组Nd两端的交流电压也会同步变化使得电压检测信号的电压逐步衰减。当变压器T1的次级侧两端的电压衰减至位于如图7所示的截止触发时间范围内所对应的电压电平时，其代表变压器T1的次级侧两端的电压小于顺向转换器的输出电压Vout。此时电压检测信号的电压电平也会随之衰减使得参考输入电压801小于用来检测反向电流产生的阈值电平，例如5V。这时，由于电压检测信号的电压电平会衰减至小于10V，参考输入产生器(R201，R202)所产生的参考输入电压801会小于5V。因此，比较开关IC201无法维持在导通状态而转变成高阻抗状态。因此，比较开关IC201的输出信号为低电平而允许偏压电压Vcc经由电阻R203与齐纳二极管ZD201施加至辅助开关Q201的栅极。因此，辅助开关Q201便会导通，进而将飞轮开关Q3截止，使得由输出电容Co流向输出电感Lo的电流无法构成一个谐振路径而感应生成。

值得注意的是比较开关IC201可由具有可调整的击穿电压(breakownvoltage)的齐纳二极管所组成，例如德州仪器公司(Texas Instruments)所生产的TL43 1分流稳压器(shunt regulator)。

功效与实验证明

图13显示根据本发明的第二实施例的电感电流的波形图。如图所示，在使用本发明的第二实施例的反向电流抑制技术后，虽然无法完全消除反向电流所造成的电压突波，但是流经输出电感Lo的反向电流已经可以减少至2A，并且可以将飞轮开关Q3的漏极-源极之间所产生的电压突波的电压值控制在飞轮开关Q3的额定电压值内。

图14显示在本发明的第二实施例中，辅助开关Q201的栅极-源极电压、飞轮开关Q3的栅极-源极电压、飞轮开关Q3的漏极-源极电压以及电感电流I_L的波形图。由图示可了解当顺向转换器正常操作时，参考输入电压801会大于比较开关IC201的内部参考电压，使得比较开关IC201导通导致其输出信号的电平为高，从而禁止偏压电压Vcc施加至辅助开关Q201的栅极。这时，辅助开关Q201的栅极-源极电压为低电平且辅助开关Q201为截止，并且电感电流I_L的电流值为正。当顺向转换器的输入电源中断后且变压器T1的次级侧两端的电压尚未衰减至小于输出电压Vout的时候，输出电感Lo会与输出电容Co谐振(resonate)而导致电感电流I_L的方向反向，进而在飞轮开关Q3的漏极-源极之间产生电压突波。当输入大电容Cb的维持时间结束后且变压器T1的次级侧两端的电压衰减至小于输出电压Vout的时候，参考输入电压801会下降至小于比较开关IC201的内部参考电压，使得比较开关IC201截止导致其输出信号的电平为低，从而允许偏压电压Vcc施加至辅助开关Q201的栅极。这时，辅助开关Q201的栅极-源极电压为高电平且辅助开关Q201为导通，进而使得飞轮开关Q3截止。如此一来，流经输出电感Lo的反向电流便无法继续谐振而大幅减小，进一步使得飞轮开关Q3的漏极-源极之间所产生的电压突波受到抑制。

综合以上所述，此处所揭示的用于同步整流顺向转换器的反向电流抑制技术的一种实施例乃是利用电源供应系统的控制电路所提供的致能信号来提早判断顺向转换器的输入电源是否因为顺向转换器关机而中断，并且在顺向转换器的输入电源中断时将飞轮开关截止，以防止反向电流产生于同步整流器中与电压突波出现于飞轮开关的漏极-源极端之间。此处所揭示的用于同步整流顺向转换器的反向电流抑制技术的另一种实施例乃是利用位于变压器的次级侧上的电压检测绕组以及电压检测信号产生器，来产生代表变压器次级侧两端的电压的电压检测信号。接着，电压检测信号经由参考输入产生器处理而产生参考输入电压。变压器次级侧两端的电压是否小于顺向转换器的输出电压Vout的检测，亦即输出电感Lo与输出电容Co之间是否开始谐振而产生反向电流的检测，乃是通过判断参考输入电压是否小于比较开关的内部参考电压来实现。比较开关会根据参考输入电压与其内部参考电压的比较结果来提供输出信号。若参考输入电压小于比较开关的内部参考电压，比较开关的输出信号会为低电平以便将偏压电压施加至辅助开关的栅极端，从而使得辅助开关导通。这时，辅助开关便可由其漏极端发出截止信号至飞轮开关的栅极来截止飞轮开关，借此消除产生于同步整流器中的反向电流与出现于飞轮开关的漏极-源极端之间的电压突波。可不言而喻的是本发明的优点在于以简单的电路结构与控制机构来控制飞轮开关于顺向转换器的输入电源中断时或是反向电流产生前迅速截止，以消除反向电流与避免电压突波的危害，而可达成一个符合经济效益与反应快速的反向电流抑制器。

Claims

1.一种同步整流顺向转换器，其包含：

变压器，具有初级侧绕组与次级侧绕组；

主开关，与该初级侧绕组串联，其中该初级侧绕组所储存的能量经由该主开关的开关切换而传送至该次级侧绕组；

同步整流器，具有顺向开关与飞轮开关且耦接至该次级侧绕组，其设定为将该次级侧绕组自该初级侧绕组所接收的能量转换成稳压的输出电压；以及

逆向电流抑制器，具有输入端用以接收控制输入信号，以及截止信号产生电路，其设定为受该控制输入信号驱动而在该同步整流顺向转换器关机时产生截止信号来截止该飞轮开关，其中当控制输入信号所具有的特性为在该同步整流顺向转换器正常操作时，该控制输入信号的电平为第一电平，并且在该同步整流顺向转换器关机时，该控制输入信号的电平会在该同步整流顺向转换器的输入电源中断时一段极小的时间差转变成第二电平。

2.如权利要求1所述的同步整流顺向转换器，其中该控制输入信号由该同步整流顺向转换器所在的电源供应系统的控制电路所发出。

3.如权利要求2所述的同步整流顺向转换器，其中该控制信号为使能信号。

4.如权利要求1所述的同步整流顺向转换器，其中该截止信号产生电路包含：

5.如权利要求4所述的同步整流顺向转换器，其中该第一辅助开关与该第二辅助开关由金属氧化物半导体场效应晶体管所组成。

6.如权利要求1所述的同步整流顺向转换器，还包含输出滤波器，其由输出电感与输出电容所组成。

7.一种同步整流顺向转换器，其包含：

变压器，具有初级侧绕组与次级侧绕组；

逆向电流抑制器，具有输入端用以接收该初级侧绕组所传送的能量，用以产生代表该变压器的次级侧两端的电压的电压检测信号，并且在该同步整流顺向转换器的输入电源中断时，根据该电压检测信号来决定该变压器的次级侧两端的电压是否小于该同步整流顺向转换器的输出电压，借此在该变压器的次级侧两端的电压小于该同步整流顺向转换器的输出电压时，产生截止信号来截止该飞轮开关。

8.如权利要求7所述的同步整流顺向转换器，其中该逆向电流抑制器的输入端由位于该变压器的次级侧的电压检测绕组所组成。

9.如权利要求8所述的同步整流顺向转换器，其中逆向电流抑制器还包含电压检测信号产生电路，其设定为将该电压检测绕组所接收的该初级侧绕组所传送的能量转换成该电压检测信号。

10.如权利要求9所述的同步整流顺向转换器，其中该电压检测信号产生电路由整流二极管与维持电容所组成。

11.如权利要求10所述的同步整流顺向转换器，其中该电压检测信号为该维持电容两端的直流电压。

12.如权利要求11所述的同步整流顺向转换器，其中该逆向电流抑制器还包含参考输入产生器，用以将该电压检测信号转换成参考输入电压。

13.如权利要求12所述的同步整流顺向转换器，其中该参考输入产生器由多个分压电阻所组成。

14.如权利要求12所述的同步整流顺向转换器，其中该逆向电流抑制器还包含比较开关，其设定为将该参考输入电压与内部参考电压比较，并且根据比较的结果提供输出信号。

15.如权利要求14所述的同步整流顺向转换器，其中该比较开关由具有可调整的击穿电压的齐纳二极管所组成。

16.如权利要求14所述的同步整流顺向转换器，其中该逆向电流抑制器还包含辅助开关，其根据该比较开关的输出信号而与偏压电压耦接以产生该截止信号。

17.如权利要求7所述的同步整流顺向转换器，还包含输出滤波器，其由输出电感与输出电容所组成。