CN101494418A - 同步整流控制装置及顺向式同步整流电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种同步整流控制装置及顺向式同步整流电路，同步整流控制装置是连接于顺向式同步整流电路的二次侧，同步整流控制装置包含一状态判断器、一时间参考电路及一同步信号产生器。上述状态判断器接收代表该顺向式同步整流电路的二次侧的状态的一检测信号及至少一参考信号，并据此产生一第一同步控制信号。上述时间参考电路连接该状态判断器，并根据该第一同步控制信号产生一时间参考信号。上述同步信号产生器根据该第一同步控制信号及该时间参考信号产生一第二同步控制信号。其中当该第一同步控制信号的时间长度短于该时间参考信号代表的时间长度时，该同步信号产生器停止产生该第二同步控制信号。

Description

同步整流控制装置及顺向式同步整流电路

技术领域

本发明涉及一种顺向式同步整流装置及顺向式同步整流电路，尤其涉及一种根据输入信号的工作周期大小判断连续电流模式或不连续电流模式的顺向式同步整流装置及顺向式同步整流电路。

背景技术

图1为公知的顺向式电路的示意图。该顺向式电路设有一变压器T1，其一次侧设有连接前级电路提供的输入电源VIN、脉宽调制控制器PWM、输入滤波电容C1、启动电阻R1、启动电容C2、电流检知电阻R2、整流二极管D1与由脉宽调制装置控制器PWM所控制的晶体管开关Q1。变压器T1的二次侧设有两个输出整流二极管D2、D3、储能电感L、一输出滤波电容C3以及一由电阻R3、R4所构成的电压检知器10。

上述顺向式电路在启动之初，电源端VIN开始通过启动电阻R1对启动电容C2充电。当启动电容C2的电位被充到足以启动脉宽调制装置控制器PWM时，则脉宽调制装置控制器PWM开始运作。脉宽调制装置控制器PWM根据电压检知器10对输出电压VO的检测信号及电流检知电阻R2对输入电流的检测信号，调整所产生的控制信号的工作周期，借以调整晶体管开关Q1的导通与截止的时间比例。当输出电压VO低于一预设电压值时，晶体管开关Q1的导通时间比例提高，反之，当输出电压VO高于一预设电压值时，晶体管开关Q1的导通时间比例降低，借此以达到输出一稳定的输出电压VO。

当晶体管开关Q1为导通时，输入电源VIN通过变压器T1提供能量，通过整流二极管D1向启动电容C2储能，以及通过整流二极管D2向储能电感L及输出滤波电容C3储能。当晶体管开关Q1为截止时，启动电容C2释放能量以供脉宽调制装置控制器PWM持续运作，而储能电感L通过整流二极管D3向输出滤波电容C3释能。

然而由于整流二极管D2、D3在电流流经时均存在顺向偏压，造成能耗。因此公知有以晶体管开关取代整流二极管以降低能耗的作法。

请参考图2，为公知的顺向式同步整流电路的示意图。利用晶体管开关Q2、Q3取代图1所示的整流二极管D2、D3。一同步整流控制器Con根据变压器T1的二次侧电压以及死区设定信号S1、S2控制晶体管开关Q2、Q3的导通与截止的时间。

图3为公知的顺向式同步整流电路操作在连续电流模式下的信号时序示意图。请同时参考图2及图3，变压器T1两端的电压分别为V1、V2，当同步整流控制器Con检测到变压器T1的电压V1上升时，产生第一同步信号控制晶体管开关Q2导通，此时变压器的电流由电压V1端流经储能电感L、输出滤波电容C3、晶体管开关Q2到变压器的另一端。同步整流控制器Con并根据死区设定信号S1，让晶体管开关Q2较一导通时间Ton提前一死区时间DT1截止。当晶体管开关Q2截止并经过死区时间DT1后，同步整流控制器Con产生第二同步信号控制晶体管开关Q3导通，此时储能电感L上的能量由通过输出滤波电容C3及晶体管开关Q3的路径输出。同步整流控制器Con并根据死区设定信号S2，让晶体管开关Q3较一截止时间Toff提前一死区时间DT2截止。死区时间DT1、DT2的设定是为了避免晶体管开关Q2、Q3的同时导通。在死区时间DT1、DT2内，二次侧的电流可先流经晶体管开关Q2、Q3的体二极管。

然而上述的提前一预定时间将晶体管开关截止而达到设定死区时间的方式，在非电流连续模式下容易造成电流逆流的情况。请参考图4，为公知的顺向式同步整流电路操作在非连续电流模式下的信号时序示意图。由于操作在非连续电流模式，在一次侧的脉宽调制装置控制器PWM控制晶体管开关Q1在下一个周期导通前，储能电感L已经释放完所存储的能量，因此输出滤波电容C3开始反向输出能量至储能电感L，如图4所示，电压V2出现小于0伏特的区域A。逆流的情况发生时，不仅会造成输出电压VO的不稳定，也会损耗不必要的能量。

发明内容

鉴于现有技术中，在非电流连续模式下容易造成电流逆流的缺点，本发明的同步整流控制装置检测顺向式同步整流电路的状态，并在顺向式同步整流电路进入非电流连续模式时停止同步整流晶体管开关的切换，以避免电流逆流的问题。

为达上述目的，本发明提供一种同步整流控制装置，其连接于一顺向式同步整流电路的二次侧，同步整流控制装置包含一状态判断器、一时间参考电路及一同步信号产生器。上述状态判断器接收代表该顺向式同步整流电路的二次侧的状态的一检测信号及至少一参考信号，并据此产生一第一同步控制信号。上述时间参考电路连接该状态判断器，并根据该第一同步控制信号产生一时间参考信号。上述同步信号产生器根据该第一同步控制信号及该时间参考信号产生一第二同步控制信号。其中当该第一同步控制信号的时间长度短于该时间参考信号代表的时间长度时，该同步信号产生器停止产生该第二同步控制信号。

本发明也提供一种顺向式同步整流电路，其包含一转换单元、一第一开关、一脉宽调制控制器、一同步整流开关单元及一同步整流控制装置。上述转换单元具有一次侧及二次侧，该一次侧连接一输入电源，用以将该输入电源的电力转换成一输出电压在该二次侧输出。上述第一开关连接该转换单元的该一次侧。上述脉宽调制控制器根据该输出电压的一检测信号控制该第一开关的切换。上述同步整流开关单元具有一第二开关及一第三开关，连接该转换单元的该二次侧用以整流该输出电压。上述同步整流控制装置连接该转换单元的该二次侧，根据该二次侧的状态产生一第一同步控制信号及一第二同步控制信号以分别控制该第二开关及该第三开关的切换，其中当该第一同步控制信号的时间长度短于一预定时间长度时停止产生该第二同步控制信号。

因此，本发明的同步整流控制装置及顺向式同步整流电路可避免非连续电流模式下造成的逆流现象，也不会造成输出电压的不稳定及损耗不必要的能量。

附图说明

图1为公知的顺向式电路的示意图；

图2为公知的顺向式同步整流电路的示意图；

图3为公知的顺向式同步整流电路操作在连续电流模式下的信号时序示意图；

图4为公知的顺向式同步整流电路操作在非连续电流模式下的信号时序示意图；

图5是根据本发明优选实施例的顺向式同步整流电路的示意图；及

图6为根据本发明的顺向式同步整流电路的信号时序示意图。

其中，附图标记说明如下：

T1变压器

VIN输入电源

PWM脉宽调制控制器

C1输入滤波电容

R1启动电阻

C2启动电容

R2电流检知电阻

D1整流二极管

Q1、Q2、Q3晶体管开关

D2、D3输出整流二极管

L储能电感

C3输出滤波电容

R3、R4电阻

10电压检知器

V1、V2变压器T1的端电压

Con同步整流控制器

S1、S2死区设定信号

DT、DT1、DT2死区时间

A区域

VO输出电压

100同步整流控制装置

102状态判断器

104反向器

106比较器

108信号处理器

110上沿触发器

112时间长度调整器

120时间参考电路

130同步信号产生器

Vref1第一参考电压

Vref2第二参考电压

Vref3第三参考电压

VD二次侧电压

G1第一同步控制信号

G2in反向信号

G2in’调整信号

CC电流源

SW1、SW2开关

C电容

Vc电容电压

R电阻

Vref3第三参考电压

G2off时间参考信号

具体实施方式

本发明利用一时间参考电路，比较顺向式同步整流电路的一次侧导通时间是否超过一预定时间长度，若是，则判断进入非连续电流模式，停止二次侧用以同步整流的晶体管Q3的导通，以避免电流逆流的发生。

请参考图5，是根据本发明优选实施例的顺向式同步整流电路的示意图。该顺向式同步整流电路包含一输入电源VIN、一脉宽调制控制器PWM、一输入滤波电容C1、一启动电阻R1、一启动电容C2、一电流检知电阻R2、一整流二极管D1、一晶体管开关Q1、Q2及Q3、一变压器T1、一储能电感L、一输出滤波电容C3、一电压检知器10及一同步整流控制装置100，其中输入滤波电容C1、启动电阻R1、启动电容C2、一整流二极管D1、变压器T1、储能电感L及输出滤波电容C3构成转换单元，晶体管开关Q2及Q3构成一同步整流开关单元。输入电源VIN连接变压器T1的一次侧用以提供电力。输入滤波电容C1连接输入电源VIN，用以滤除输入噪声。启动电阻R1与启动电容C2以串联形式连接输入电源VIN，在电路启动之初，启动电容C2的电位会被充到足以启动脉宽调制装置控制器PWM，使脉宽调制装置控制器PWM开始运作。

电压检知器10由电阻R3、R4所构成，连接于变压器T1的二次侧，以根据输出电压VO大小产生一电压检测信号。脉宽调制装置控制器PWM根据该电压检测信号及电流检知电阻R2所产生的输出电流检测信号，调整所产生的控制信号的工作周期以调整晶体管开关Q1的导通与截止的时间比例。晶体管开关Q1连接变压器T1的一次侧，通过导通与截止状态的切换，控制变压器T1所转换的电力大小。当晶体管开关Q1为导通时，输入电源VIN通过变压器T1提供能量，通过整流二极管D1向启动电容C2储能，当晶体管开关Q1为截止时，启动电容C2释放能量以供脉宽调制装置控制器PWM持续运作。

同步整流控制装置100连接变压器T1的二次侧，并检测变压器T1的二次侧的二次侧电压VD大小，借此输出同步整流信号以控制连接于二次侧的晶体管开关Q2、Q3的导通与截止，使变压器T1将转换的电力存储于储能电感L及输出滤波电容C3，以产生一输出电压VO。同步整流控制装置100包含一状态判断器102、一时间参考电路120以及一同步信号产生器130。状态判断器102接收代表顺向式同步整流电路的二次侧状态的一检测信号VD及至少一参考信号，并据此产生一第一同步控制信号G1。时间参考电路120连接状态判断器102并根据第一同步控制信号G1产生一时间参考信号G2off。同步信号产生器130根据该第一同步控制信号G1及时间参考信号G2off产生一第二同步控制信号G2。当第一同步控制信号G1的时间长度短于该时间参考信号G2off代表的时间长度时，同步信号产生器130停止产生该第二同步控制信号G2。同步整流控制装置100的详细电路运作说明如下：

图6为根据本发明的顺向式同步整流电路的信号时序示意图。请同时参考图5及图6，状态判断器102比较二次侧电压VD及一第一参考电压Vref1、一第二参考电压Vref2，以产生第一同步控制信号G1。状态判断器102可以是比较器，用以一参考电压；在本实施例中为迟滞比较器比较二次侧电压VD和第一参考电压Vref1及第二参考电压Vref2来判断二次侧的状态。当二次侧电压VD上升而超过第一参考电压Vref1时，第一同步控制信号G1为高电平，使晶体管开关Q2导通；当二次侧电压VD下降而低于第二参考电压Vref2时，第一同步控制信号G1为低电平，使晶体管开关Q2截止，其中第一参考电压Vref1大于第二参考电压Vref2。同步信号产生器130包含一反向器104、一信号处理器108以及一时间长度调整器112。反向器104连接状态判断器102，根据第一同步控制信号G1产生反向信号G2in。时间长度调整器112连接反向器104，并根据反向信号G2in产生一调整信号G2in’，其中调整信号G2in’较反向信号G2in缩短一死区时间DT，并提供在下一切换周期时切换晶体管开关Q3之用。例如：第二周期II的调整信号G2in’的时间长度较第一周期I的反向信号G2in的时间长度缩短了死区时间DT，第三周期III的G2in’的时间长度较第二周期II的反向信号G2in的时间长度缩短了死区时间DT，依此类推。在本实施例中未在晶体管开关Q2截止与晶体管开关Q3导通之间设置一死区时间，主要是由于同步整流控制装置100在产生第一同步控制信号G1及第二同步控制信号G2时，由于电路本身信号处理的延迟就存在一时间落差，该时间落差即可做为死区时间。当然，本发明也可如同公知般在晶体开关Q2截止与晶体管开关Q3导通之间设置一死区时间而不限于本发明的实施例。

时间参考电路120包含一电流源CC，两开关SW1、SW2、一比较器106、一上沿触发器110、一电阻R及一电容C。开关SW1根据第一同步控制信号G1进行切换，在其为高电平时导通，低电平时关闭。当开关SW1导通而开关SW2关闭时，通过电阻R开始对电容C充电，使电容C的电压Vc逐渐上升，并在一预定时间后超过第三参考电压Vref3。上述预定时间的长短可以通过调整电容C的大小来调整，以配合不同的顺向式同步整流电路。另外，除了以电流源对电容C充电的方式外，也可由一定电压源通过一电阻的方式连接电容C对其充电，此为所属领域的技术人员所公知的技术。上述两方式均可通过调整电容值或电阻值大小来调整预定时间的长短。比较器106的比较电压Vc及第三参考电压Vref3，当电压Vc到达第三参考电压Vref3时，产生时间参考信号G2off。当下一周期，二次侧电压VD上升而超过第一参考电压Vref1时，第一同步控制信号G1为高电平，上沿触发器110产生一高电平信号导通开关SW2，使电容C放电，电容电压Vc下降至零，然后重复上述过程。

上述预定时间的设定根据顺向式同步整流电路的连续电流模式与非连续电流模式的临界工作周期所设定。信号处理器108接收时间参考信号G2off及调整信号G2in’，当时间参考信号G2off产生时，调整信号G2in’尚未产生，则代表顺向式同步整流电路为连续电流模式，信号处理器108输出调整信号G2in’为第二同步整流信号G2，以控制晶体管开关Q3导通。如图6所示的周期I及IV。当调整信号G2in’产生时，时间参考信号G2off尚未产生，则代表顺向式同步整流电路为非连续电流模式，信号处理器108停止输出调整信号G2in’，第二同步信号在该周期被跳过(skip)，晶体管开关Q3维持截止状态，此时顺向式同步整流电路通过晶体管开关Q3的体二极管释放储能电感L的能量至输出滤波电容C3，如图6所示的周期II及III。借此，即可避免非连续电流模式下导通晶体管开关Q3所可能造成的逆流现象，也不会造成输出电压VO的不稳定及损耗不必要的能量。

如上所述，本发明完全符合专利三要素：新颖性、创造性和产业上的实用性。本发明在上文中已以优选实施例揭示，然而所属领域的技术人员应理解的是，该实施例仅用于描绘本发明，而不应解读为限制本发明的范围。应注意的是，举凡与该实施例等效的变化与置换，均应设为涵盖于本发明的范畴内。因此，本发明的保护范围当以权利要求书所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种同步整流控制装置，连接于一顺向式同步整流电路的二次侧，其特征在于，包含：

一状态判断器，接收代表该顺向式同步整流电路的二次侧的状态的一检测信号及至少一参考信号，并据此产生一第一同步控制信号；

一时间参考电路，连接该状态判断器，并根据该第一同步控制信号产生一时间参考信号；以及

一同步信号产生器，根据该第一同步控制信号及该时间参考信号产生一第二同步控制信号；

其中，当该第一同步控制信号的时间长度短于该时间参考信号代表的时间长度时，该同步信号产生器停止产生该第二同步控制信号。

2.如权利要求1所述的同步整流控制装置，其特征在于，该时间参考信号为可调，根据一电阻值调整其所代表的时间长度。

3.如权利要求1所述的同步整流控制装置，其特征在于，该时间参考信号为可调，根据一电容值调整其所代表的时间长度。

4.如权利要求2或3所述的同步整流控制装置，其特征在于，该同步信号产生器包含一反向器以及一时间长度调整器，该反向器基于该第一同步控制信号产生一反向信号，该时间长度调整器缩短该反向信号的长度以产生一调整信号。

5.如权利要求4所述的同步整流控制装置，其特征在于，该同步信号产生器还包含一信号处理器，该信号处理器接收该调整信号及该时间参考信号，在该第一同步控制信号的时间长度长于该时间参考信号代表的时间长度时，输出该调整信号为该第二同步控制信号，在该第一同步控制信号的时间长度短于该时间参考信号代表的时间长度时，停止输出该第二同步控制信号。

6.如权利要求2或3所述的同步整流控制装置，其特征在于，该状态判断器为一迟滞比较器，接收一第一参考电压、一第二参考电压及该检测信号，在该检测信号大于该第一参考电压时输出该第一同步控制信号，在该检测信号小于该第二参考电压时停止输出该第一同步控制信号，其中该第一参考电压大于该第二参考电压。

7.如权利要求3所述的同步整流控制装置，其特征在于，该时间参考电路包含一电流源、一第一开关、一第二开关、一比较器、一上沿触发器、一电阻及一电容，第一开关根据该第一同步控制信号进行切换，以控制该电流源通过该电阻对该电容进行充电，该上沿触发器根据该第一同步控制信号产生一上沿触发信号，该第二开关根据该上沿触发信号进行切换，以对该电容进行放电，该比较器比较该电容的电压与一第三参考电压，以产生该时间参考信号。

8.一种顺向式同步整流电路，其特征在于，包含：

一转换单元，具有一次侧及二次侧，该一次侧连接一输入电源，用以将该输入电源的电力转换成一输出电压于该二次侧输出；

一第一开关，连接该转换单元的该一次侧；

一脉宽调制控制器，根据该输出电压的一检测信号控制该第一开关的切换；

一同步整流开关单元，具有一第二开关及一第三开关，该同步整流开关单元连接该转换单元的该二次侧，用以整流该输出电压；以及

一同步整流控制装置，连接该转换单元的该二次侧，根据该二次侧的状态产生一第一同步控制信号及一第二同步控制信号以分别控制该第二开关及该第三开关的切换，其中当该第一同步控制信号的时间长度短于一预定时间长度时停止产生该第二同步控制信号。

9.如权利要求8所述的顺向式同步整流电路，其特征在于，该预定时间长度可根据一电阻值调整。

10.如权利要求8所述的顺向式同步整流电路，其特征在于，该预定时间长度可根据一电容值调整。

11.如权利要求8所述的顺向式同步整流电路，其特征在于，该第三开关截止至该第二开关导通间有一时间差。

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