CN101527511B - 同步整流电路 - Google Patents

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Abstract

一种同步整流电路，适用于切换功率转换器，其包括功率晶体管、二极管、控制器、以及锁相电路。功率晶体管与二极管耦接于变压器与切换功率转换器的输出端，用以执行整流。控制器根据导通信号与关闭信号来产生驱动信号，以控制功率晶体管。锁相电路依据导通信号来产生关闭信号。一旦二极管被正向偏压时，导通信号被致能。导通信号用来致能驱动信号以导通功率晶体管，且关闭信号则用来禁止驱动信号以关闭功率晶体管。

Description

同步整流电路
技术领域
本发明涉及一种功率转换器，特别关于一种切换功率转换器的同步整流器。
背景技术
图1表示柔性切换功率转换器的电路示意图。此功率电路包括变压器10，其为了功率转换器的安全性来提供电路的线输入电压VIN至输出电压VO之间的隔离。开关20与30组合成半桥电路以切换变压器10。变压器10的一次侧线圈NP的漏电感与电容器41及42形成一个谐振槽。漏电感的电感值L与电容器41及42的等效电容值C决定了此谐振槽的谐振频率f0。
f 0 = 1 2 π L × C - - - ( 1 )
变压器10将能量由其一次侧线圈NP转移至二次侧线圈NS1与NS2。整流器61及62与电容器65对变压器10执行整流与滤波，以在功率转换器的输出端产生DC电压VO。
虽然柔性切换功率转换器可达到较高效能与较低的电磁干扰(electric-magnetic interference，EMI)性能，但是整流器61与62的正向电压仍导致明显的功率损失。本发明的目的在于提供一种切换功率转换器的同步整流电路，以达到较高的效能。
发明内容
本发明提供一种同步整流电路，适用于切换功率转换器。同步整流电路包括功率晶体管、二极管、控制器、以及锁相电路。功率晶体管与二极管耦接于变压器与切换功率转换器的输出端，用以执行整流。控制器根据导通信号与关闭信号来产生驱动信号，以控制功率晶体管。锁相电路依据导通信号来产生关闭信号。一旦二极管被正向偏压时，导通信号被致能。导通信号用来致能驱动信号以导通功率晶体管，且关闭信号则用来禁止驱动信号以关闭功率晶体管。该锁相电路包括：一充电电路，当该导通信号被致能时，用以产生一斜坡信号；一取样电路，用以依据该斜坡信号的电平来产生一维持信号；以及一比较器，用以根据比较该斜坡信号与该维持信号以产生该关闭信号；其中，该维持信号的电平与该导通信号的期间相关联。
本发明又提供一种同步整流电路，适用于切换功率转换器。同步整流电路包括第一与第二晶体管、第一与第二二极管、以及包括锁定电路和侦测电路的仲裁电路。第一晶体管与第一二极管耦接变压器与切换功率转换器的输出端，用以执行整流。第二晶体管与第二二极管，耦接变压器与切换功率转换器的输出端，用以执行整流。当第一二极管或第一晶体管导通时，仲裁电路通过锁定电路产生锁定信号，以避免第二晶体管导通。当第二二极管或第二晶体管导通时，锁定信号避免第一晶体管导通。
附图说明
图1表示柔性切换功率转换器的电路示意图；
图2表示根据本发明实施例的整合同步整流器，其适用于切换功率转换器；
图3表示根据本发明实施例的整合同步整流电路的示意图；
图4表示根据本发明实施例的同步整流电路的控制电路；
图5表示根据本发明实施例的侦测电路的示意图；
图6表示根据本发明实施例的延迟电路的示意图；
图7表示脉冲产生电路；
图8表示根据本发明实施例的锁定电路；
图9表示根据本发明实施例的锁相电路；
图10表示根据本发明实施例的相位侦测器；以及
图11表示根据本发明实施例的同步整流电路的主要波形图。
【主要组件符号说明】
10～变压器；    15～变压器；
20、30～开关；  41、42～电容器；
50、51、52～同步整流电路；
61、62～整流器；65～电容器；
90～仲裁电路；  100～控制电路；
118～与门；        119～或非门；
125～与门；        130～比较器；
150～正反器；      160～与门；
165～输出缓冲器；  170～延迟电路(DLY)；
175～侦测电路(MOT)；
176～反向器；      177～与门；
180、185～延迟电路(DLY)；
187～或门；        190～脉冲产生电路；
191～脉冲产生电路；193～反向器；
195～与门；        200～功率晶体管；
250～二极管；      271～反向器；
272～晶体管；      273～电流源；
275～电容器；      279～与门；
290～锁定电路(LOCK)；
291～或门；        293～正反器；
295～或门；        296～电流源；
297～晶体管；      300～锁相电路；
311～反向器；      315～脉冲产生电路；
321～反向器；      325～脉冲产生电路；
340～电流源；      341、343～开关；
350、351～电容器； 342～开关；
360～缓冲放大器；  370～电阻；
380～比较器；      390～反向器；
395～开关；        396～电流源；
471～反向器；      472～晶体管；
473～电流源；      475～电容器；
478～反向器；      479～与门；
500～相位侦测器(PHASE)；
510、520～反向器； 530～脉冲产生电路；
535～与门；        600～电流源；
A～同步整流电路的阳极端；
EN～导通信号；    I～脉冲产生电路的输入信号；
IB～电流；        IS、IS1、IS2～切换电流；
IN～输入信号；    K～同步整流电路的阴极端；
L～锁定信号；     NP～一次侧线圈；
NS1、NS2～二次侧线圈；
O～脉冲产生电路的输出信号；
OUT～输出信号；   RS～关闭信号；
S1～取样信号；    S2～清除信号；
S3～重新启动信号；SB～遮没信号；
SI～禁止信号；    SH～维持信号；
SM～重置信号；    SP～保护信号；
SW～正反器150的输出信号；
VCC～电压；       VG、VG1、VG2～驱动信号；
VIN～导线输入电压；VO～输出电压；
VTH～门限电压。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
图2表示具有整合同步整流器(同步整流电路)的切换功率转换器。功率转换器包括变压器15，其具有一次侧线圈NP与二次侧线圈NS1及NS2。变压器15的一次侧线圈NP具有两个开关20及30，用来切换变压器15的一次侧线圈NP。同步整流电路51的阴极端K耦接二次侧线圈NS1，且其阳极端A耦接功率转换器的输出接地端。另一个具有阴极端K与阳极端A的同步整流电路52也由二次侧线圈NS2耦接至功率转换器的输出接地端。
同步整流电路51包括第一功率晶体管、第一二极管、以及第一控制电路。另一同步整流电路52包括第二功率晶体管、第二二极管、以及第二控制电路。同步整流电路51及52产生锁定信号L(lock signal)，以避免同步整流电路51及52同时导通。当第一二极管或第一功率晶体管导通时，锁定信号L避免第二功率晶体管导通。此外，当第二二极管或第二功率晶体管导通时，锁定信号L避免第一功率晶体管导通。
图3表示同步整流电路50的示意图，其表示同步整流电路51或52的电路。同步整流电路50包括功率晶体管200、二极管250、以及控制电路100。控制电路100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。在此实施例中，二极管250为一二极管或是功率晶体管200的寄生组件。功率晶体管200耦接于阴极端K与阳极端A之间。阴极端K耦接变压器10的二次侧线圈，而其阳极端A耦接功率转换器的输出接地端。一旦二极管250被正向偏压(forward bias)时，控制电路100将产生导通信号，以致能驱动信号VG并导通功率晶体管200。根据导通信号的期间控制电路100将产生关闭信号以禁止驱动信号VG并关闭功率晶体管200。锁定端L输出锁定信号L，以表示出功率晶体管200的导通/关闭状态。
图4表示控制电路100的一较佳实施例，其包括锁相电路(phase-lock，PL)300、仲裁电路90、以及控制器。此控制器由正反器150、比较器130、延迟电路(DLY)170、或非门(NOR)119、与门(AND)125、118与160、以及输出缓冲器165所组成。
比较器130具有门限电压VTH，此门限电压VTH耦接至比较器的正输入端。比较器130的负输入端耦接至阴极端K。比较器130的输出端产生导通信号EN。透过与门118，导通信号EN与锁定信号L耦接至正反器150的时钟输入端CK。因此，驱动信号VG只有当锁定信号L被禁止时(高电平)，才被致能。正反器150的重置输入端R受到或非门119的输出端(信号)所控制。正反器150的输出端(信号SW)与导通信号EN耦接至与门160。正反器150如同拴锁电路般操作。与门160的输出端耦接至输出缓冲器165。驱动信号VG产生于输出缓冲器165的输出端，用以控制功率晶体管200。
仲裁电路90包括锁定电路(LOCK)290以及侦测电路(MOT)175。锁定电路290产生锁定信号L。侦测电路175产生重置信号SM，以在非正常状态下关闭驱动信号VG与功率晶体管200。重置信号SM透过或非门119来耦接至正反器150的重置输入端R，以清除(或称为重置)正反器150。
一旦阴极端K的电压低于门限电压VTH时，驱动信号VG将导通功率晶体管200。或非门119的另一输入端耦接与门125的输出端。与门125的第一输入端接收延迟电路170的输出信号(遮没信号SB)。延迟电路170的输入端耦接驱动信号VG。延迟电路170提供遮没时间以完成驱动信号VG的最小导通时间。锁相电路300产生关闭信号RS至与门125的第二输入端。关闭信号RS是根据导通信号EN而反应产生的。当二极管250导通且被正向偏压时，关闭信号RS用来关闭驱动信号VG。阴极端K的电压将低于门限电压VTH。因此，功率晶体管200只有在二极管250导通之后才会导通，这样完成了功率晶体管200的柔性切换。此外，当二极管250被反相偏压时，驱动信号VG将被禁止且功率晶体管200将关闭。依照锁相电路300的运作，关闭信号RS用来关闭功率晶体管200。
图5表示侦测电路175的电路示意图，其包括最大期间电路、禁止电路、以及保护电路。在此实施例中，最大期间电路由延迟电路(DLY)180所形成。保护电路由与门177与延迟电路(DLY)185所形成。在此实施例中，禁止电路则由脉冲产生电路191所组成。导通信号EN被传送至延迟电路180的输入端。延迟电路180产生最大期间信号，其耦接或门187的一输入端。导通信号EN更透过反向器176而耦接至与门177的一输入端。与门177的另一输入端接收驱动信号VG。与门177的输出端耦接延迟电路185。延迟电路185产生保护信号SP至或门187的另一输入端。或门187的输出端则用来触发脉冲产生电路190。脉冲产生电路190的输出端耦接与门195的一输入端。导通信号EN更透过反向器176而耦接至脉冲产生电路191的输入端。脉冲产生电路191产生禁止信号SI，其透过反向器193传送至与门195的另一输入端。因此，最大期间信号用来关闭功率晶体管200，以限制功率晶体管200的导通时间。在功率晶体管200关闭后，禁止信号SI则用来限制功率晶体管200的导通。禁止信号是单击信号。单击信号的脉冲宽度是受控于脉冲产生器191。保护信号SP也用来关闭功率晶体管200，以在非正常状态期间来限制功率晶体管200的电流。
图6表示图5中延迟电路180与185的电路示意图。电流源273用来对电容器275充电。晶体管272则是使电容器275放电。输入信号IN透过反向器271来控制晶体管272。输入信号IN更耦接至与门279的一输入端。与门279的另一输入端耦接电容器275。一旦输入信号被致能，输出信号OUT则在一个延迟时间之后由与门279的输出端产生。此延迟时间是由电流源273的电流与电容器275的电容值来决定。
图7表示图5中脉冲产生电路190与191。电流源473用来对电容器475充电。晶体管472则是使电容器475放电。信号I透过反向器471来控制晶体管472。信号I更耦接至与门479的一输入端。与门479的另一输入端透过反向器478而耦接电容器475。输出脉冲信号的脉冲宽度是由电流源473的电流与电容器475的电容值来决定。
图8表示锁定电路290的示意图。正反器293由来自另一同步整流电路50的驱动信号VG所导通。或门291的输出端用来重置正反器293。正反器293的输出端耦接至或门295的一输入端。或门295的另一输入端接收驱动信号VG。或门295的输出端驱动晶体管297。晶体管297产生锁定信号L。电流源296提供电平拉高给锁定信号L。根据驱动信号VG的致能，产生锁定信号L(低电平)。当驱动信号VG与导通信号EN皆被禁止时，锁定信号L将被禁止(被拉高电平)。驱动信号VG只有当锁定信号L被禁止时(被拉高电平)才会被初始化。
图9表示锁相电路300的示意图。导通信号EN透过开关341与电流源340来致能电容器350的充电，并因此于电容器350产生斜坡信号SR。导通信号EN更被耦合来透过反向器311与脉冲产生电路315来产生取样信号S1，且接者透过反向器321与脉冲产生电路325来产生清除信号S2。取样信号S1是透过开关342来对自电容器350至电容器351的信号进行取样，以于电容器351处产生维持信号SH。在取样之后，清除信号S2则透过开关343来清除电容器350。电容器351的维持信号SH的电平与导通信号EN的致能期间相关联。电容器351的维持信号SH透过缓冲放大器360与电阻370而耦接至比较器380的一输入端。一电流源600更耦接至电阻370，以在电阻370产生电压降。比较器380的另一输入端耦接以接受斜坡信号SR。比较器380的输出端耦接反向器390。反向器390产生关闭信号RS用以禁止驱动信号VG(见图4)。电流源600的电流IB被调整来产生关闭信号RS。此外，电流源396透过开关395来使电容器351放电以拉低维持信号SH的电平。当侦测到一错误相位信号时，相位侦测器(PHASE)500产生重新启动信号S3以致能开关395，以进行上述放电操作。相位侦测器500侦测在驱动信号VG的禁止与导通信号EN的禁止间的足够时间限度(enough timing margin)。在驱动信号VG关闭之后，导通信号EN需要维持致能。这表示，当功率晶体管200关闭时，二极管250需要维持导通一段期间(50～100nsec)，以确保同步整流电路正确地操作。因此，当二极管250没有在功率晶体管200关闭后维持导通一段期间时，产生重新启动信号S3来降低维持信号SH电平。
图10表示相位侦测器500的电路示意图。驱动信号VG透过反向器510来致能脉冲产生电路530。脉冲产生电路530的输出端耦接与门535的一输入端。与门535的另一输入端透过反向器520接收导通信号EN。与门535的输出端产生重新启动信号S3。
图11表示同步整流电路的主要波形图。变压器10的切换电流IS包括IS1与IS2。驱动信号VG1与VG2分别为同步整流电路51与52的驱动信号VG。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许其的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定者为准。

Claims (13)

1.一种同步整流电路，适用于一切换功率转换器，包括：
一功率晶体管与一二极管，耦接于一变压器与该切换功率转换器的输出端，用以执行整流；
一控制器，用以根据一导通信号与一关闭信号来产生一驱动信号，以控制该功率晶体管；以及
一锁相电路，用以依据该导通信号来产生该关闭信号；
其中，一旦该二极管被正向偏压时，该导通信号被致能；以及
其中，该导通信号用来致能该驱动信号以导通该功率晶体管，且该关闭信号则用来禁止该驱动信号以关闭该功率晶体管，
其中，该锁相电路包括：
一充电电路，当该导通信号被致能时，用以产生一斜坡信号；
一取样电路，用以依据该斜坡信号的电平来产生一维持信号；以及
一比较器，用以根据比较该斜坡信号与该维持信号以产生该关闭信号；
其中，该维持信号的电平与该导通信号的期间相关联。
2.如权利要求1所述的同步整流电路，更包括：
一锁定电路，用以根据该驱动信号被致能来产生一锁定信号；
其中，该锁定信号根据该导通信号被禁止而被禁止，且该驱动信号只在该锁定信号被禁止时被致能。
3.如权利要求1所述的同步整流电路，其中，在该导通信号被禁止之前，该关闭信号被致能。
4.如权利要求1所述的同步整流电路，其中，该控制器包括：
一拴锁电路，用以产生该驱动信号，以控制该功率晶体管；
其中，该驱动信号根据该导通信号被致能而被致能，且该驱动信号根据该关闭信号被致能而被禁止。
5.如权利要求1所述的同步整流电路，更包括：
一最大期间电路，用以产生一最大期间信号；
其中，该最大期间信号用来关闭该功率晶体管，以限制该功率晶体管的最大期间。
6.如权利要求1所述的同步整流电路，更包括：
一禁止电路，用以产生一禁止信号；
其中，该禁止信号为一单击信号，用以在该功率晶体管关闭之后，禁止该功率晶体管的导通。
7.一种同步整流电路，适用于一切换功率转换器，包括：
一第一晶体管与一第一二极管，耦接一变压器与该切换功率转换器的输出端，用以执行整流；
一第二晶体管与一第二二极管，耦接该变压器与该切换功率转换器的输出端，用以执行整流；以及
一仲裁电路，包括锁定电路和侦测电路，当该第一二极管或该第一晶体管导通时，用以通过锁定电路产生一锁定信号，以避免该第二晶体管导通；
其中，当该第二二极管或该第二晶体管导通时，该锁定信号避免该第一晶体管导通。
8.如权利要求7所述的同步整流电路，更包括：
一最大期间电路，用以产生一最大期间信号；
其中，该最大期间信号用来关闭该第一晶体管，以限制该第一晶体管的导通时间。
9.如权利要求7所述的同步整流电路，更包括：
一禁止电路，用以产生一禁止信号；
其中，该禁止信号为一单击信号，用以在该第一晶体管关闭之后，禁止该第一晶体管的导通。
10.如权利要求7所述的同步整流电路，更包括：
一控制器，用以根据一导通信号与一关闭信号来产生一驱动信号，以控制该第一晶体管；以及
一锁相电路，用以依据该导通信号来产生该关闭信号；
其中，一旦该第一二极管被正向偏压时，该导通信号被致能；以及
其中，该导通信号用来致能该驱动信号以导通该第一晶体管，且该关闭信号则用来禁止该驱动信号以关闭该第一晶体管，
其中，该锁相电路包括：
一充电电路，当该导通信号被致能时，用以产生一斜坡信号；
一取样电路，用以依据该斜坡信号的电平来产生一维持信号；以及
一比较器，用以根据该斜坡信号与该维持信号间的比较而产生该关闭信号；
其中，该维持信号的电平与该导通信号的期间相关联。
11.如权利要求10所述的同步整流电路，其中，在该导通信号被禁止之前，该关闭信号被致能。
12.如权利要求10所述的同步整流电路，其中，该控制器包括：
一拴锁电路，用以产生该驱动信号，以控制该第一晶体管；
其中，该驱动信号根据该导通信号被致能而被致能，且该驱动信号根据该关闭信号被致能而被禁止。
13.如权利要求10所述的同步整流电路，其中，该锁相电路更包括：
一相位侦测器，用以产生一重新启动信号，以降低该维持信号的电平；
其中，当该第一二极管没有在该第一晶体管关闭后维持导通一段期间，产生该重新启动信号。
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