CN101202511B - 用于谐振功率转换器的同步整流电路 - Google Patents

用于谐振功率转换器的同步整流电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于谐振功率转换器的同步整流电路。集成同步整流器(integrated synchronous rectifier)包括整流端子、接地端子、第一输入端子和第二输入端子。整流端子耦合到功率变压器的二次侧。接地端子耦合到功率转换器的输出。功率晶体管连接在整流端子与接地端子之间。第一输入端子和第二输入端子接收脉冲信号来导通/截止功率晶体管。脉冲信号产生电路包含输入端子，其接收切换信号来切换功率转换器的功率变压器。

Description

用于谐振功率转换器的同步整流电路
技术领域
本发明大体上涉及一种功率转换器的控制电路，且更明确地说涉及用于功率转换器的同步整流控制电路(synchronous rectifying controlcircuit)。
背景技术
图1示出了离线谐振功率转换器(offline resonant power converter)的电路示意图。其包含功率变压器(power transformer)10，为了符合安全规范，功率变压器10提供了交流输入到功率转换器的输出之间的隔离。谐振功率转换器的软切换实现高效率和低电磁干扰(electric-magneticinterference，EMI)性能。晶体管20和30形成半桥电路以切换谐振回路(resonant tank)。谐振回路由功率变压器10、电感器15和电容器40形成。电感器15作用如同功率变压器10和/或电感器装置的一次侧漏电感。电感器15的电感值L和电容器40的电容值C决定谐振频率f0。
f 0 = 1 2 π L × C - - - ( 1 )
功率变压器10将能量从功率变压器10的一次侧传递到二次侧。整流器41和42将功率变压器10的切换电压整流到电容器65中。因此，在功率转换器的输出端子处输出直流电压V0。功率转换器的输出负载通过功率变压器10决定谐振回路的Q值。
图2示出了输出功率的标准化振幅作为切换频率的函数。当切换频率操作在谐振频率f0时，将最大功率传送到功率转换器的输出端子。如果切换频率低于谐振频率f0，那么谐振回路将变成电容性阻抗(capacitiveimpedance)。当切换频率高于谐振频率f0而操作时，谐振回路将变成电感性阻抗(inductive impedance)。功率转换器的压控振荡器(voltage-controlled oscillator，VCO)将切换频率控制在谐振频率f0与最大频率fM之间，以确保功率转换器的反馈电路在线性系统下操作。此外，将切换频率控制在最大频率fM以下是为了确保软切换机制。谐振功率转换器的详细技术可查阅1995年由John Wiley&Sons公司出版的Marian K.Kazimierczuk和Dariusz Czarkowski所著的教科书“Resonant PowerConverters”。
在近来的发展中，在功率变压器的二次侧应用同步整流器是实现较高效率功率转换的另一方法，例如Yang的第7,173,835号美国专利“Controlcircuit associated with saturable inductor operated as synchronousrectifier forward power converter”。然而，此现有技术的缺点是饱和电感器(saturable inductor)等引起的额外功率消耗。本发明的目的是提供一种用于谐振功率转换器的同步整流电路以实现较高效率。
发明内容
本发明开发一种同步整流电路以改进谐振功率转换器的效率。同步整流电路包含集成同步整流器、脉冲信号产生电路以及隔离装置。脉冲信号产生电路，其具有：输入端子，其接收切换信号；第一输出端子；以及第二输出端子；所述第一输出端子和所述第二输出端子用于根据切换信号的上升沿(rising edge)和下降沿(faling edge)来产生脉冲信号。切换信号用来切换功率变压器并调节功率转换器。例如脉冲变压器或多个电容器的隔离装置耦合到脉冲信号产生电路，以将脉冲信号从功率变压器的一次侧传递到功率变压器的二次侧。集成同步整流器包括整流端子、接地端子、第一输入端子和第二输入端子以及控制电路。整流端子耦合到功率变压器的二次侧。接地端子耦合到功率转换器的输出。功率晶体管连接在整流端子与接地端子之间。第一输入端子和第二输入端子接收脉冲信号，所述集成同步整流器的控制电路依据所述第一输入端子上的电压与所述第二输入端子上的电压的大小及差值，以对应产生门驱动信号来导通/截止功率晶体管。脉冲信号是触发信号(trig signal)。脉冲信号的脉冲宽度短于切换信号的脉冲宽度。隔离装置，其耦合在所述集成同步整流器的第一输入端子与第二输入端子之间，以及所述脉冲信号产生电路的第一输出端子与第二输出端子之间。
附图说明
本说明书包含附图以提供对本发明的进一步理解，且附图并入本说明书中并组成本说明书的一部分，附图说明本发明的实施例，并与描述内容一起用于阐释本发明的原理。
图1示出了离线谐振功率转换器的电路示意图。
图2示出了谐振功率转换器的输出功率的标准化振幅作为切换频率的函数。
图3示出了根据本发明的具有集成同步整流器的谐振功率转换器的实施例。
图4是根据本发明实施例的集成同步整流器的示意图。
图5是根据本发明的集成同步整流器的控制电路的实施例。
图6是根据本发明实施例的最大导通时间(maximum on time，MOT)电路。
图7是根据本发明实施例的脉冲信号产生电路的方框示意图。
图8示出了延迟电路的电路示意图。
图9是根据本发明的信号产生电路的实施例。
图10示出了根据本发明实施例根据切换信号的同步整流电路的信号波形。
图11示出了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，在所述同步整流器中脉冲变压器作为隔离装置而操作。
具体实施方式
图3示出了具有集成同步整流器的谐振功率转换器。谐振功率转换器包含功率变压器10，其具有一次侧和二次侧。功率变压器10的一次侧包括两个电源开关20和30，这两个电源开关20和30用于切换功率变压器10的一次绕组NP。二次侧包含二次绕组NS1和另一二次绕组NS2。第一集成同步整流器51包括连接到二次绕组NS1的整流端子DET。第一集成同步整流器51的接地端子GND连接到功率转换器的接地。具有整流端子DET和接地端子GND的第二集成同步整流器52也从二次绕组NS2连接到功率转换器的接地。第一集成同步整流器51和第二集成同步整流器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，以接收脉冲信号来接通或断开集成同步整流器51和52。隔离装置70可由电容器71和72组成，或可以是脉冲变压器(pulsetransformer)。电容器71和72的电容可能较小(例如，20pF)，但需要电容器的高压额定值来用于隔离。
脉冲信号产生电路100包括输入信号端子SIN，其接收切换信号SIN，用于根据切换信号SIN的上升(前)沿和下降(后)沿而产生脉冲信号。切换信号SIN切换功率变压器10并调节功率转换器。脉冲信号产生于脉冲信号产生电路100的第一输出端子XP和第二输出端子XN上。脉冲信号是差分(differential)信号。脉冲信号的极性决定集成同步整流器51和52的接通或断开。为了在切换功率变压器10进行切换之前产生脉冲信号，脉冲信号产生电路100根据切换信号SIN进一步产生驱动信号SA和SB。驱动信号SA和SB分别通过驱动电路25和35来控制功率开关20和30。在切换信号SIN的启用与驱动信号SA和SB的启用之间设置时间延迟。
脉冲信号产生电路100的第一输出端子XP和第二输出端子XN耦合到隔离装置70，以将脉冲信号从功率变压器10的一次侧传递到功率变压器10的二次侧。脉冲信号的脉冲宽度短于切换信号SIN的脉冲宽度。脉冲信号是包含高频率成分的触发信号。因此，仅需要小电容器或小脉冲变压器来用作隔离装置70，这节省PCB的空间并节省功率转换器的成本。
图4是集成同步整流器50的优选实施例的示意图。其表示集成同步整流器51或52的电路。集成同步整流器50包含功率晶体管400、二极管450和控制电路200。二极管450并联连接到功率晶体管400。功率晶体管400连接在整流端子DET与接地端子GND之间。整流端子DET耦合到功率变压器10的二次侧。接地端子GND通常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来接收脉冲信号，以便导通或截止功率晶体管400。VCC端子用来将电源供应到控制电路200。
图5示出了控制电路200的优选实施例的示意图。电阻器211和221为第一输入端子SP提供偏置终端(bias termination)。电阻器213和223为第二输入端子SN提供另一偏置终端。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分别包括偏移电压215和225，其产生磁滞现象(hystersis)。具有阈值VTH的第三比较器230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AND门235耦合到SR触发器250的设定(set)输入端子(“S”)。SR触发器250的重设(reset)输入端子(“R”)由比较器220的输出控制。SR触发器250的输出和比较器230的输出连接到AND门262。在AND门262的输出处产生门驱动信号VG以便控制功率晶体管400的导通或截止状态。门驱动信号VG的最大导通时间受最大导通时间电路(maximum on time circuit，MOT)270限制。门驱动信号VG连接到最大导通时间电路270。消隐时间(blanking time)之后，将根据门驱动信号VG的启用而产生最大导通时间信号SM。最大导通时间信号SM经由反相器261连接到AND门260。AND门260的另一输入连接到电源开启(power-on)重设信号RST。AND门260的输出耦合到SR触发器250的清除端子(“CLR”)以将SR触发器250清除(重设)。门驱动信号VG的最大导通时间因此受最大导通时间电路270的消隐时间限制。一旦脉冲信号产生为，
VSN-VSP＞V225    (2)
门驱动信号VG就将截止功率晶体管400。
当满足等式(2)和(3)时，
VSP-VSN＞V215    (3)
VDET＜VTH        (4)
门驱动信号VG将导通功率晶体管400，其中，VSP是第一输入端子SP的电压；VSN是第二输入端子SN的电压。VDET是整流端子DET的电压。VTH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。
一旦二极管450导通，整流端子DET的电压就将低于阈值VTH的电压。表示了功率晶体管400仅可在二极管导通之后被导通。
图6是最大导通时间电路270的优选实施例的示意图。电流源273对电容器275进行充电。晶体管272对电容器275进行放电。门驱动信号VG通过反相器271来控制晶体管272。门驱动信号VG进一步连接到AND门279。AND门279的另一输入耦合到电容器275。一旦启用门驱动信号VG，AND门279的输出就将产生最大导通时间信号SM，以在消隐时间之后禁用门驱动信号VG。消隐时间由电流源273的电流值和电容器275的电容值决定。
图7是脉冲信号产生电路100的优选实施例的示意图。驱动信号SA和SB根据切换信号SIN而产生。切换信号SIN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AND门150的输入。AND门150的另一输入耦合到切换信号SIN。AND门150、160以及反相器130和140形成短路防止电路(anti-cross-conduction circuit)以产生驱动信号SA和SB。AND门150的输出耦合到短路防止电路的输入。切换信号SIN通过反相器124进一步连接到延迟电路120的输入。延迟电路120的输出通过反相器125连接到AND门160的输入。AND门160的另一输入耦合到反相器124的输出。AND门160的输出耦合到短路防止电路的输入。在切换信号SIN的启用与驱动信号SA和SB的启用之间设置时间延迟。延迟电路110和120决定时间延迟。
图8示出了延迟电路的优选实施例的示意图。电流源113对电容器115进行充电。晶体管112对电容器115进行放电。输入信号通过反相器111来控制晶体管112。输入信号进一步连接到NAND门119。NAND门119的另一输入耦合到电容器115。NAND门的输出是延迟电路的输出。当输入信号为逻辑低(logic-low)时，对电容器进行放电且NAND门119的输出为逻辑高(logic-high)。当输入信号变为逻辑高时，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NAND门119的输入阈值，NAND门119就将输出逻辑低。电流源113的电流值和电容器115的电容值决定延迟电路的延迟时间。延迟时间是从输入信号的逻辑高开始到延迟电路的输出信号的逻辑低。
图9是信号产生电路300的优选实施例的示意图。触发器310的时钟输入接收切换信号SIN并产生连接到OR门315的第一输入的第一信号。切换信号SIN通过反相器325进一步产生信号SNN。信号SNN驱动触发器320的时钟输入。触发器320输出连接到OR门315的第二输入的第二信号。OR门315用来在第二输出端子XN处产生负脉冲信号，以便断开图3的集成同步整流器51和52。负脉冲信号通过延迟电路(delay circuit，DLY)322将触发器310和320重设。延迟电路322的延迟时间决定负脉冲信号的脉冲宽度TP。信号SNN耦合到触发器340的D输入端子和AND门345的输入。触发器340的时钟输入通过反相器342耦合到第二输出端子XN以接收负脉冲信号。触发器340的输出连接到AND门345的另一输入。AND门345用来在第一输出端子XP处产生正脉冲信号。正脉冲信号经由延迟电路332将触发器340重设。延迟电路332的延迟时间决定正脉冲信号的脉冲宽度TP。因此，正脉冲信号和负脉冲信号在第一输出端子XP和第二输出端子XN上形成脉冲信号。
图10示出了同步整流电路的信号波形。驱动信号SA和SB分别根据切换信号SIN的上升沿和下降沿而产生。延迟时间TD设计在切换信号SIN的上升沿与驱动信号SA的上升沿之间。此外，另一延迟时间TD设计在切换信号SIN的下降沿与驱动信号SB的上升沿之间。驱动信号SB是驱动信号SA的相反信号。根据切换信号SIN的前沿和后沿产生脉冲信号SP-SN(负脉冲信号)，以禁用集成同步整流器51和52。在负脉冲信号结束之后，产生脉冲信号SP-SN(正脉冲信号)，以当集成同步整流器51或52的二极管导通时启用集成同步整流器51或52。图11示出了脉冲变压器75，其用作同步整流电路的隔离装置70。
所属领域的技术人员将了解，可在不脱离本发明的范围或精神的情况下对本发明的结构做出各种修改和变化。鉴于以上内容，希望本发明涵盖在所附权利要求书及其等效物的范围内的对本发明的修改和变化。

Claims (21)

1.一种用于功率转换器的同步整流电路，其包括：
集成同步整流器，其具有：
整流端子，其耦合到功率变压器的二次侧；
接地端子，其耦合到所述功率转换器的输出；
第一输入端子；
第二输入端子；以及
控制电路，
其中，功率晶体管连接在所述整流端子与所述接地端子之间；所述第一输入端子和所述第二输入端子接收脉冲信号，所述集成同步整流器的控制电路依据所述第一输入端子上的电压与所述第二输入端子上的电压的大小及差值，以对应产生门驱动信号来导通/截止所述功率晶体管；以及
脉冲信号产生电路，其具有：
输入端子，其接收切换信号；
第一输出端子；以及
第二输出端子，
其中，所述切换信号用于切换所述功率转换器的所述功率变压器；所述第一输出端子和所述第二输出端子用来依据所述切换信号的上升沿及下降沿来产生所述脉冲信号；以及
隔离装置，其耦合在所述集成同步整流器的第一输入端子与第二输入端子之间，以及所述脉冲信号产生电路的第一输出端子与第二输出端子之间。
2.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多个电容器。
3.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中，所述脉冲信号是差分信号；且所述脉冲信号的极性决定所述功率晶体管的导通/截止状态。
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，且其中，所述脉冲信号的脉冲宽度短于所述切换信号的脉冲宽度。
5.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中，所述集成同步整流器包括闩锁电路，所述闩锁电路耦合到所述集成同步整流器的第一输入端子和第二输入端子以接收所述脉冲信号来设定或重设所述闩锁电路；其中所述闩锁电路导通/截止所述功率晶体管。
6.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中，所述集成同步整流器进一步包括最大导通时间电路以限制所述功率晶体管的最大导通时间。
7.一种用于功率转换器的同步整流器设备，其包括：
脉冲信号产生电路，其用于根据切换信号的前沿和后沿而产生脉冲信号，其中所述脉冲信号为差分信号；
隔离装置，其将所述脉冲信号从功率变压器的一次侧传递到所述功率变压器的二次侧；以及
集成同步整流器，其具有功率晶体管和控制电路；其中，所述功率晶体管耦合到所述功率变压器，以用于整流操作；且所述控制电路接收所述脉冲信号来导通/截止所述功率晶体管；
其中，所述切换信号用于切换所述功率转换器的所述功率变压器；且所述控制电路依据所述脉冲信号的差值及大小关系设定或重设所述控制电路的闩锁电路，以便控制所述功率晶体管。
8.根据权利要求7所述的同步整流器设备，其进一步包括二极管，所述二极管并联耦合到所述功率晶体管；且其中，一旦所述二极管导通，所述脉冲信号就导通所述功率晶体管。
9.根据权利要求7所述的同步整流器设备，其中，所述隔离装置包括多个电容器或脉冲变压器。
10.根据权利要求7所述的同步整流器设备，其中，所述脉冲信号是触发信号，且其中所述脉冲信号的脉冲宽度短于所述切换信号的脉冲宽度。
11.根据权利要求7所述的同步整流器设备，其中，所述脉冲信号产生电路进一步包括：
输入信号端子，其接收所述切换信号；
第一输出端子；
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。
12.根据权利要求7所述的同步整流器设备，其中，所述集成同步整流器包括：
整流端子，其耦合到所述功率变压器的二次侧；
接地端子，其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，所述功率晶体管连接在所述整流端子与所述接地端子之间；且所述集成同步整流器的第一输入信号端子和第二输入信号端子接收所述脉冲信号来导通/截止所述功率晶体管。
13.根据权利要求7所述的同步整流器设备，其中，所述功率晶体管的最大导通时间受最大导通时间电路限制，所述最大导通时间电路配置在控制电路中并耦接所述功率晶体管。
14.一种用于改进功率转换器的效率的方法，其包括：
根据切换信号的前沿和后沿而产生脉冲信号，其中所述脉冲信号为差分信号；
经由隔离装置将所述脉冲信号从功率变压器的一次侧传递到所述功率变压器的二次侧；
根据所述脉冲信号的差值及大小关系来设定或重设闩锁；以及
根据所述闩锁的状态来导通/截止功率晶体管；
其中，切换信号用于切换所述功率转换器的功率变压器；所述功率晶体管耦合到所述功率变压器的二次侧以用于整流操作。
15.根据权利要求14所述的用于改进功率转换器的效率的方法，其中，仅当二极管导通时才可导通所述功率晶体管，且其中，所述二极管并联耦合到所述功率晶体管。
16.根据权利要求14所述的用于改进功率转换器的效率的方法，其中，所述隔离装置包括脉冲变压器或多个电容器。
17.根据权利要求14所述的用于改进功率转换器的效率的方法，其中，所述脉冲信号的脉冲宽度短于所述切换信号的脉冲宽度。
18.根据权利要求14所述的用于改进功率转换器的效率的方法，其中，所述功率晶体管的最大导通时间受最大导通时间电路限制。
19.一种用于功率转换器的同步整流电路，其包括：
第一集成同步整流器，其耦合到功率变压器的二次侧的第一绕组；
第二集成同步整流器，其耦合到所述功率变压器的二次侧的第二绕组；
其中，所述第一或第二集成同步整流器具有：
整流端子，其耦合到所述功率变压器的二次侧；
接地端子，其耦合到所述功率转换器的输出，且其中功率晶体管连接在所述整流端子与所述接地端子之间；
第一输入端子和第二输入端子；以及
控制电路，
其中，所述第一输入端子和所述第二输入端子接收脉冲信号，所述第一或第二集成同步整流器的控制电路依据所述第一输入端子和所述第二输入端子上的电压大小及差值来控制所述功率晶体管；
脉冲信号产生电路，其具有：
输入信号端子，其接收切换信号来切换所述功率转换器的所述功率变压器；
第一输出端子和第二输出端子，其用于依据所述切换信号的上升沿及下降沿产生所述脉冲信号；以及
隔离装置，其耦合在所述集成同步整流器的第一输入端子与第二输入端子之间，以及所述脉冲信号产生电路的第一输出端子与第二输出端子之间。
20.根据权利要求19所述的同步整流电路，其中，所述脉冲信号是差分信号；其中，所述脉冲信号的脉冲宽度短于所述切换信号的脉冲宽度；且其中，所述脉冲信号的极性决定所述功率晶体管的导通/截止状态。
21.根据权利要求19所述的同步整流电路，其中，所述集成同步整流器包括闩锁电路，其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定或重设所述闩锁电路；且其中所述闩锁电路导通/截止所述功率晶体管。
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