CN101355306B - 用于功率转换器的同步整流电路与方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于功率转换器的同步整流电路与方法，所述同步整流电路包含功率晶体管和二极管，其连接到变压器和所述功率转换器的输出接地以用于整流。感测晶体管耦接到所述功率晶体管以用于产生与所述功率晶体管的电流相关的镜像电流。控制器依据开关电流信号而产生驱动信号以控制所述功率晶体管。电流感测装置耦接到所述感测晶体管，用以依据所述镜像电流而产生所述开关电流信号。当所述二极管被正向偏压时，所述控制器便启用所述驱动信号以接通所述功率晶体管。当所述开关电流信号低于阈值时，所述控制器便产生复位信号以停用所述驱动信号且断开所述功率晶体管。

Description

用于功率转换器的同步整流电路与方法 
技术领域
本发明涉及一种功率转换器，且特别涉及一种用于谐振开关功率转换器的同步整流电路。 
背景技术
图1绘示已知谐振开关功率转换器的示意性电路。为了安全起见，所述电路包含变压器10提供了功率转换器输出端与线路输入端之间的电气隔离。开关20和30形成半桥式电路以切换变压器10和由电感器5与电容器40形成的谐振槽(resonant tank)。电感器5可以是电感装置或变压器10的初级绕组NP的漏电感。电感器5的电感和电容器40的电容决定谐振槽的谐振频率f0，如以下等式所示： 
f 0 = 1 2 π L × C - - - ( 1 )
其中L和C分别是电感器5的电感值和电容器40的电容值。 
变压器10将能量从其初级绕组NP传送到其次级绕组NS1和NS2。整流器61、62和电容器65作为整流和滤波用途，以在功率转换器的输出端处产生直流电压VO。谐振开关功率转换器的详细技术可参见Marian K.Kazimierczuk和Dariusz Czarkowski在1995年所编著且由John Wiley &Sons，Inc出版的教材“谐振功率转换器(Resonant Power Converters)”。 
虽然谐振开关功率转换器可实现高效率和低电磁干扰(electric-magnetic interference，EMI)，但整流器61和62的正向电压仍造成相当大的功率损耗。本发明的目的是提供一种用于谐振开关功率转换器的同步整流电路，以实现较高效率。 
发明内容
本发明的目的是提供一种用于谐振开关功率转换器的集成同步整流器(同步整流电路)，其包含功率晶体管和二极管，其连接到变压器和谐振开 关功率转换器的输出接地以用于整流。感测晶体管(sense transistor)耦接到功率晶体管以用于产生与功率晶体管的电流相关的镜像电流(mirrorcurrent)。控制器依据开关电流信号而产生驱动信号以控制功率晶体管。电流感测装置(current-sense device)耦接到感测晶体管以依据镜像电流而产生开关电流信号。当二极管被正向偏压时，控制器便启用驱动信号以接通功率晶体管。当开关电流信号低于阈值时，控制器产生复位(reset)信号以停用驱动信号且断开功率晶体管。 
控制器包含内锁电路(inner-lock circuit)以用于在驱动信号被启用时产生内锁信号(inner-lock signal)。当内锁信号被停用，便起始并启用驱动信号。最大接通时间电路产生最大接通时间信号以断开功率晶体管以用于决定功率晶体管的最大接通时间。控制器包含锁存电路以用于产生驱动信号以控制功率晶体管。控制器进一步包含多个比较器以用于设置或复位所述锁存电路。当二极管被正向偏压时，便启用驱动信号，且当开关电流信号低于阈值时，便停用驱动信号。 
此外，控制器包含：消隐电路，其提供消隐信号；以及锁相电路以依据驱动信号、消隐信号和复位信号而产生锁相信号。所述锁相信号用于在当开关电流信号低于阈值时便断开功率晶体管。 
本发明另提供一种用于功率转换器的同步整流电路，包括：功率晶体管和二极管，其耦接到变压器和所述功率转换器的输出端以用于整流；控制器，其具有锁相电路及锁存电路，所述锁存电路产生驱动信号，而所述锁相电路利用所述驱动信号、消隐信号和复位信号来产生锁相信号，其中当所述二极管被正向偏压时，所述控制器便启用所述驱动信号以接通所述功率晶体管，且当开关电流信号低于阈值时以所述锁相信号断开所述功率晶体管；感测晶体管，其镜像所述功率晶体管以用于产生与所述功率晶体管的电流相关的镜像电流；以及电流感测装置，其耦接到所述功率晶体管以用于根据所述镜像电流而产生所述开关电流信号。 
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明的实施例，并配合附图，作详细说明如下。 
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，且被并入并构成本说明书的 一部分。附图说明本发明的实施例，且与描述内容一起用于解释本发明的原理。 
图1绘示已知谐振开关功率转换器的示意性电路。 
图2绘示根据本发明实施例的具有集成同步整流器的谐振开关功率转换器。 
图3绘示根据本发明实施例的集成同步整流器。 
图4绘示根据本发明实施例的集成同步整流器的控制器。 
图5绘示根据本发明实施例的控制器的最大接通时间电路和消隐电路。 
图6绘示根据本发明实施例的控制器的锁相电路。 
图7绘示根据本发明实施例的锁相电路的可编程电流源。 
图8绘示脉冲产生电路的实施例。 
图9绘示根据本发明实施例的集成同步整流器的主要波形。 
【主要组件符号说明】 
5：电感器 
10、15：变压器 
20、30：开关 
40：电容器 
50、51、52：集成同步整流器 
61、62：整流器 
65：电容器 
100：控制器 
110：电流源 
115：电阻器 
118：与门 
119：或非门 
120、130：比较器 
150：触发器 
160：与门 
162：晶体管 
163：电流源 
165：输出缓冲器 
170：消隐电路 
175：最大接通时间电路 
200：功率晶体管 
210：感测晶体管 
215：电流感测装置 
250：二极管 
271：非门 
272：晶体管 
273：电流源 
275：电容器 
279：与门 
300：锁相电路 
310：触发器 
311：非门 
315：脉冲产生电路 
340：电流源 
341、342、343：开关 
350、351：电容器 
360：缓冲器放大器 
370：电阻器 
380：比较器 
390：与非门 
471：非门 
472：晶体管 
473：电流源 
475：电容器 
478：非门 
479：与门 
500：可编程电流源 
510：非门 
511：与门 
515：脉冲产生电路 
520：复位触发器 
525：非门 
571、591：开关 
575、595：电流源 
600：升降计数器 
IN：输入端子 
A：阳极端子 
ck：触发器的频率输入端 
EN：比较器130的输出 
IB：可编程电流 
IS1：第一开关电流 
IS2：第二开关电流 
K：阴极端子 
LK：内锁端子 
Np：初级绕组 
NS1、NS2：次级绕组 
OP1～OPN：升降计数器的输出端 
PLS：脉冲信号 
PS：周期信号 
R：触发器的复位输入端 
RMP：斜坡信号 
RS：锁相信号 
S1：取样信号 
S2：清除信号 
SB：消隐信号 
SM：最大接通时间信号 
SW：触发器150的输出 
U/D：升降计数器的方向端子 
VG：驱动信号 
VLK：内锁信号 
VO：直流电压 
VM、VM1，(IS1)、VM2，(IS2)：开关电流信号 
VT、VTA、VTB：阈值 
Z：复位信号 
具体实施方式
图2绘示具有集成同步整流器(同步整流电路)的谐振开关功率转换器。谐振开关功率转换器包含变压器15，其具有初级绕组NP和次级绕组NS1和NS2。通过两个开关20和30开关变压器15的初级绕组NP。集成同步整流器51具有阴极端子K，其连接到次级绕组NS1。集成同步整流器51的阳极端子A连接到谐振开关功率转换器的输出接地。具有阴极端子K和阳极端子A的集成同步整流器52从次级绕组NS2连接到谐振开关功率转换器的输出接地。 
集成同步整流器51和52产生内锁信号VLK以防止集成同步整流器51和52被同时接通。当第一开关电流IS1低于电流阈值时，便停用集成同步整流器51。当第二开关电流IS2低于另一电流阈值时，也便停用集成同步整流器52。 
图3绘示集成同步整流器50，其实现集成同步整流器51和52。集成同步整流器50包含功率晶体管200、感测晶体管210、二极管250、电流感测装置215和控制器100。电流感测装置215可以是电阻器或电路。控制器100依据开关电流信号VM而产生驱动信号VG以控制功率晶体管200。二极管250与功率晶体管200并联连接。举例来说，二极管250可以是肖特基(schottky)二极管或功率晶体管200的寄生二极管。功率晶体管200连接在阴极端子K与阳极端子A之间。集成同步整流器50的阴极端子K耦接到变压器10的次级绕组NS1或NS2。阳极端子A耦接到谐振开关功率转换器的输出接地。感测晶体管210耦接到功率晶体管200，以用于产生与功率晶体管200的电流相关的镜像电流。电流感测装置215耦接到感测晶体管210，以依据镜像电流而产生开关电流信号VM。当二极管250被正向偏压，控制器100便启用驱动信号VG以接通功率晶体管200和感测晶体管210。当开关电流信号VM低于阈值VT时，控制器100将产生复位信号以停用驱动信号VG且断开功率晶体管200和感测晶体管210。内锁端子(inter-lock terminal)LK输出内锁信号VLK以指示功率晶体管200的接通/断开状态。 
图4绘示控制器100的实施例。将阈值VTA供应到比较器130的正输入端。比较器130的负输入端耦接到集成同步整流器50的阴极端子K。将比较器130的输出EN和内锁信号VLK供应到与门(AND gate)118的两个输入端。与门118的输出端耦接到触发器150的频率输入端ck。触发器150的复位输入端R由或非门(NOR gate)119的输出端控制。将触发器150的输出SW和比较器130的输出EN供应到与门160的两个输入端。触发器150操作为锁存电路。与门160的输出端连接到输出缓冲器165。在输出缓冲器165的输出端处产生驱动信号VG以用于控制功率晶体管200。内锁电路由晶体管162和电流源163形成。将驱动信号VG供应到晶体管162以产生内锁信号VLK。当驱动信号VG被启用时，产生内锁信号VLK。当内锁信号VLK被停用时，便起始并启用驱动信号VG。 
驱动信号VG的最大接通时间由最大接通时间(maximum-on-time，MOT)电路175决定。将驱动信号VG供应到MOT电路175的输入端。响应于驱动信号VG的启用，在延迟时间之后产生最大接通时间信号SM。将最大接通时间信号SM供应到或非门119的输入端以复位触发器150。驱动信号VG的最大接通时间因此由MOT电路175所提供的延迟时间决定。当阴极端子K处的电压低于阈值电压VTA且同时二极管250正被接通时，驱动信号VG便接通功率晶体管200。 
或非门119的另一输入端连接到与门125的输出端。向与门125的输入端供应消隐电路(blanking circuit，BLK)170所提供的消隐信号(blankingsignal)SB。向消隐电路170的输入端供应驱动信号VG。消隐电路170提供消隐时间以实现驱动信号VG的最大接通时间。锁相电路(phase-lockcircuit，PL)300将锁相信号RS供应到与门125的另一输入端。依据驱动信号VG、消隐信号SB和复位信号Z而产生锁相信号RS。锁相信号RS用于在没有电路延迟和/或开关频率变化的干扰的情况下准确地断开驱动信号VG。在比较器120的输出端处产生复位信号Z。向比较器120的正输入端供应阈值VTB。比较器120的负输入端耦接到电流源110与电阻器115的接点。进一步向电阻器115供应开关电流信号VM。当开关电流信号VM低于阈值VT时，停用驱动信号VG以断开功率晶体管200。 
阈值VT可表示为 
VT＝[(I110×R115)-VTB]            (2) 
前述不等式因此可表达为 
VM＜[(I110×R115)-VTB]            (3) 
其中I110是电流源110的电流值，且R115是电阻器115的电阻值。 
当二极管250被接通且正向偏压时，阴极端子K处的电压低于阈值VTA。因此，仅在二极管250被接通之后才接通功率晶体管200，这实现功率晶体管200的软开关操作(soft-switching operation)。此外，当二极管250被反向偏压时，停用驱动信号VG且断开功率晶体管200。此外，当开关电流信号VM低于阈值VT时，锁相信号RS断开功率晶体管200。 
图5绘示MOT电路175和消隐电路170的实施例。电流源273用于对电容器275进行充电。晶体管272用以对电容器275进行放电。驱动信号VG经由非门271控制晶体管272。进一步将驱动信号VG供应到与门279的输入端。与门279的另一输入端耦接到电容器275。当驱动信号VG被启用，与门279的输出端便产生最大接通时间信号SM(针对MOT电路175而言)或消隐信号SB(针对消隐电路170而言)，以在延迟时间(针对MOT电路175而言)或消隐时间(针对消隐电路170而言)之后停用驱动信号VG。延迟时间/消隐时间可由电流源273的电流值和电容器275的电容值决定。 
图6绘示锁相电路300的实施例。其包含触发器310，所述触发器310依据驱动信号VG和复位信号Z而输出周期信号PS。当开关341由周期信号PS接通时，电流源340对电容器350进行充电。因此，在电容器350上产生斜坡信号RMP。将周期信号PS供应到非门311的输入端。非门311的输出端耦接到脉冲产生电路315的输入端。脉冲产生电路315的输出端产生取样信号S1。将取样信号S1供应到非门321的输入端。非门321的输出端耦接到脉冲产生电路325的输入端。脉冲产生电路325的输出端产生清除信号S2。取样信号S1接通开关342以将电容器350上的电压传导到电容器351。此后，清除信号S2经由开关343而对电容器350进行放电。电容器351上的电压与周期信号PS的启用周期相关。经由缓冲器放大器360和电阻器370将电容器351上的电压供应到比较器380的输入端。可编程电流源(programmable current source)500进一步耦接到电阻器370以在电 阻器370上产生电压降。向比较器380的另一输入端供应斜坡信号RMP。将比较器380的输出和复位信号Z供应到与非门(NAND gate)390的两个输入端。与非门390产生锁相信号RS以停用驱动信号VG。可编程电流源500的可编程电流(programmable current)IB经调节以产生锁相信号RS。 
图7绘示可编程电流源500的实施例。与门511用于在复位信号Z被停用之后在产生驱动信号VG时启用脉冲信号PLS。脉冲信号PLS经由升降计数器600的方向端子U/D起始升序计数操作，这造成可编程电流IB的增加且随即产生锁相信号RS(立刻停用驱动信号VG或在复位信号Z仍被启用时停用驱动信号VG)。如果脉冲信号PLS被停用，那么升降计数器600将执行降序计数操作，这造成可编程电流IB的减小且立刻产生锁相信号RS。将复位信号Z、驱动信号VG和消隐信号SB供应到与门511。消隐信号SB进一步用于经由非门525和脉冲产生电路515复位触发器520。升降计数器600由图4中的触发器150的输出SW计数。升降计数器600的输出端OP1到OPN用于编程由电流源575到595经由开关571到591汲取的可编程电流IB。 
图8绘示脉冲产生电路315、325和515的实施例。电流源473用于对电容器475进行充电。晶体管472用于对电容器475进行放电。输入端子IN接收输入信号以经由非门471控制晶体管472。输入端子IN进一步连接到与门479的输入端。与门479的另一输入端经由非门478耦接到电容器475。与门479的输出端连接到输出端子OUT以用于产生输出脉冲信号。输出脉冲信号的脉冲宽度由电流源473的电流值和电容器475的电容值来决定。 
图9绘示集成同步整流器51和52的主要波形。VM1，(IS1)表示集成同步整流器51的开关电流信号。VM2，(IS2)表示集成同步整流器52的开关电流信号。开关电流信号VM1，(IS1)和VM2，(IS2)分别依据变压器10的开关电流IS1和开关电流IS2而产生。以集成同步整流器51为例，当开关电流信号VM1，(IS1)小于阈值VT1，便将停用集成同步整流器51的驱动信号VG1。 
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。 

Claims (13)

1.一种用于谐振开关功率转换器的同步整流电路，包括：
功率晶体管和二极管，其耦接到变压器和所述谐振开关功率转换器的输出端以用于整流；
感测晶体管，其耦接到所述功率晶体管以用于产生与所述功率晶体管的电流相关的镜像电流；
控制器，其依据开关电流信号而产生驱动信号以控制所述功率晶体管；以及
电流感测装置，其耦接到所述感测晶体管以用于依据所述镜像电流而产生所述开关电流信号，当所述二极管被正向偏压时，所述控制器便启用所述驱动信号以接通所述功率晶体管，且当所述开关电流信号低于阈值时，所述控制器产生复位信号以停用所述驱动信号且断开所述功率晶体管。
2.如权利要求1所述的同步整流电路，所述控制器还包括：
内锁电路，其在所述驱动信号被启用时产生内锁信号，其中当所述内锁信号被停用时，便起始并启用所述驱动信号。
3.如权利要求1所述的同步整流电路，所述控制器还包括：
最大接通时间电路，其产生最大接通时间信号，其中所述最大接通时间信号用于断开所述功率晶体管以用于决定所述功率晶体管的最大接通时间的值。
4.如权利要求1所述的同步整流电路，所述控制器还包括：
锁存电路，其产生所述驱动信号以控制所述功率晶体管；以及
多个比较器，其设置或复位所述锁存电路，其中当所述二极管被正向偏压时，便启用所述驱动信号，且当所述开关电流信号低于所述阈值时，便停用所述驱动信号。
5.如权利要求1所述的同步整流电路，所述控制器还包括：
消隐电路，其提供消隐信号；以及
锁相电路，其依据所述驱动信号、所述消隐信号和所述复位信号而产生锁相信号，其中所述锁相信号用于在所述开关电流信号低于所述阈值时断开所述功率晶体管。
6.一种用于功率转换器的同步整流电路，包括：
功率晶体管和二极管，其耦接到变压器和所述功率转换器的输出端以用于整流；
控制器，其具有锁相电路及锁存电路，所述锁存电路产生驱动信号，而所述锁相电路利用所述驱动信号、消隐信号和复位信号来产生锁相信号，其中当所述二极管被正向偏压时，所述控制器便启用所述驱动信号以接通所述功率晶体管，且当开关电流信号低于阈值时以所述锁相信号断开所述功率晶体管；
感测晶体管，其镜像所述功率晶体管以用于产生与所述功率晶体管的电流相关的镜像电流；以及
电流感测装置，其耦接到所述功率晶体管以用于根据所述镜像电流而产生所述开关电流信号。
7.如权利要求6所述的同步整流电路，所述控制器包括：
内锁电路，其在所述驱动信号被启用时产生内锁信号，其中当所述内锁信号被停用时，便起始并启用所述驱动信号。
8.如权利要求6所述的同步整流电路，所述控制器还包括：
最大接通时间电路，其产生最大接通时间信号，其中所述最大接通时间信号用于断开所述功率晶体管以用于决定所述功率晶体管的最大接通时间。
9.如权利要求6所述的同步整流电路，所述控制器还包括：
多个比较器，其设置或复位所述锁存电路，其中当所述二极管被正向偏压时，便启用所述驱动信号，且当所述开关电流信号低于所述阈值时，便停用所述驱动信号。
10.一种用于功率转换器的同步整流方法，其包括：
依据变压器的开关电流而产生开关电流信号；
依据所述开关电流信号而设置或复位锁存器；以及
根据所述锁存器产生的驱动信号以控制功率晶体管，其中所述功率晶体管耦接到所述变压器和所述功率转换器的输出端以用于整流，依据所述功率晶体管的镜像电流而产生所述开关电流信号，且所述镜像电流与所述变压器的所述开关电流相关。
11.如权利要求10所述的方法，其还包括：
当所述驱动信号被启用时产生内锁信号，其中当所述内锁信号被停用，便起始并启用所述驱动信号。
12.如权利要求10所述的方法，其还包括：
当所述功率晶体管被接通时，便产生最大接通时间信号，其中所述最大接通时间信号用于断开所述功率晶体管以用于决定所述功率晶体管的最大接通时间。
13.如权利要求11所述的方法，其还包括：
当所述开关电流信号的电平低于阈值时，便产生复位信号以停用所述功率晶体管。
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