CN101867310B - 同步整流电路 - Google Patents

Abstract

一种同步整流电路，用于一切换功率转换器。此同步整流电路包括一功率晶体管、一二极管、以及一控制电路。功率晶体管及二极管耦接于一变压器及功率转换器的输出，以执行整流操作。控制电路产生一驱动信号，以在二极管遭受顺向偏压时导通功率晶体管。控制电路包括一相位锁定电路。此相位锁定电路根据驱动信号的脉冲宽度来产生一关闭信号来关闭功率晶体管。驱动信号的脉冲宽度短于二极管的导通期间。相位锁定电路还根据一反馈信号来减少驱动信号的脉冲宽度。而此反馈信号与功率转换器的输出负载相关联。

Description

同步整流电路

技术领域

本发明涉及一种功率转换器，特别涉及一种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架构。此柔性切换功率转换器包括变压器10，为了安全性，变压器10提供了功率转换器的输入V_IN与输出V_O之间的隔离。开关20与30构成一个半桥电路，以切换变压器10，切换电路(SW CIRCUIT)90产生切换信号S_H及S_L，以分别切换开关20及30。变压器10的一次侧线圈N_P的漏电感与电容器41及42形成一个谐振槽。此漏电感L与电容器41及42的等效电容C决定了此谐振槽的共振频率f₀。

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L\×C}}--\left(1\right)$

变压器10将能量由一次侧线圈N_P转移至变压器10的二次侧线圈N_S1及N_S2。整流器61及62与电容器65执行整流与滤波操作，以产生输出V_O。电压调整装置(例如基纳二极管)70、电阻器71、以及光耦合器80形成一个耦接输出V_O的调整电路。光耦合器80还耦接切换电路90，以形成反馈路径来调整输出V_O。切换电路90根据反馈路径信号来产生切换信号S_H及S_L。

虽然柔性切换功率转换器可达到高功效以及低电磁干扰(electric-magnetic interference，EMI)效能，但是，整流器61及62的顺向偏压仍会造成显着的功率损失。本发明的目的在于提供一种同步整流电路，用以切换功率转换器以达到较高的功效。

发明内容

本发明提供一种同步整流电路，用于一切换功率转换器。此同步整流电路包括一功率晶体管、一二极管、以及一控制电路。功率晶体管及二极管耦接于一变压器及功率转换器的输出，以执行整流操作。控制电路产生一驱动信号，以在二极管遭受顺向偏压时导通功率晶体管。控制电路包括一相位锁定电路。此相位锁定电路根据驱动信号的脉冲宽度来产生一关闭信号来关闭功率晶体管。相位锁定电路还根据一反馈信号来减少驱动信号的脉冲宽度。而此反馈信号与功率转换器的输出负载相关联(correlated)。

本发明又提供一种同步整流电路，用于一切换功率转换器。此同步整流电路包括一功率晶体管、一二极管、以及一控制电路。功率晶体管及二极管耦接于一变压器以执行整流操作。控制电路产生驱动信号，以在二极管遭受顺向偏压时导通功率晶体管。控制电路包括一相位锁定电路。此相位锁定电路根据驱动信号的脉冲宽度来禁能驱动信号以关闭功率晶体管。驱动信号的脉冲宽度短于二极管的导通期间。

在一些实施例中，控制电路包括一最大期间电路。此最大期间电路产生一最大期间信号来关闭功率晶体管，以限制功率晶体管的导通时间。控制电路还包括一禁止电路。此禁止电路产生一禁止信号。而此禁止信号为一单击信号，用以在功率晶体管关闭之后禁止功率晶体管的导通状态。

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，用于谐振供率转换器的同步整流器；

图3表示根据本发明实施例的积体同步整流器的示意图；

图4表示根据本发明实施例，用于同步整流器的控制电路；

图5表示根据本发明实施例的检测电路的示意图；

图6表示根据本发明实施例的延迟电路的示意图；

图7表示脉冲产生器；

图8表示根据本发明实施例的锁定电路的示意图；

图9表示根据本发明实施例的相位锁定电路的示意图；

图10表示根据本发明实施例的比较电路的示意图；以及

图11表示根据本发明实施例，同步整流器的主要信号的波形图。

【主要元件符号说明】

图1：

10～变压器；        20、30～开关；

41、42～电容器；    61、62～整流器；

65～电容器；

70～电压调整装置(基纳二极管)；

71～电阻器；          80～光耦合器；

90～切换电路；        N_P～一次侧线圈；

N_S1、N_S2～二次侧线圈；

S_H、S_L～切换信号；

V_IN～输入；

V_O～输出；

图2：

51、52～同步整流电路；

A～同步整流电路的阳极端；

K～同步整流电路的阴极端；

L～锁定信号；

X_P、X_N～同步整流电路的输入端；

I_S1、I_S2～变压器的切换电流；

图3：

50～同步整流电路；     100～控制电路；

200～功率晶体管；      250～二极管；

V_G～驱动信号；

图4：

118～与门；            119～或非门；

125～与门；            130～比较器；

150～触发器；          160～与门；

165～输出缓冲器；      170～延迟电路；

175～检测电路；        290～锁定电路；

300～相位锁定电路；    900～仲裁器电路；

E_N～导通信号；         R_S～关闭信号；

S_B～遮没信号；         S_M～重置信号；

S_W～触发器的输出信号；

V_TH～临界电压；

图5：

176～反向器；         177～与门；

180、185～延迟电路；  187～或门；

190、191～脉冲产生电路；

193～反向器；         195～与门；

图6：

271～反向器；         272～晶体管；

273～电流源；         275～电容器；

279～与门；           IN～输入信号；

OUT～输出信号；

图7：

471～反向器；         472～晶体管；

473～电流源；         475～电容器；

478～反向器；         479～与门；

I～信号；             O～输出脉冲信号；

图8：

291～或门；           293～触发器；

295～或门；           296～电流源；

297～晶体管；

图9：

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、342、343～开关；

350、351～电容器；    360～缓冲放大器；

370～电阻器；         380～比较器；

390～反向器；         395～开关；

396～电流源；         500～比较电路；

600～电流源；         S₁～取样信号；

S₂～清除信号；        I_B～电流源的电流；

S₃～重新启动信号；

图10：

510～临界值；         520～比较器；

525～触发器；             530～延迟电路；

图11：

I_S～变压器的切换电流；    V_G1、V_G2～驱动信号。

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，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

图2表示具有积体同步整流器(同步整流电路)的谐振功率转换器。功率转换器包括变压器10其具有一个一次侧线圈N_P以及两个二次侧线圈N_S1与N_S2。变压器15的一次侧线圈N_P的漏电感与电容器41及42形成谐振槽。变压器15的一次侧线圈N_P具有两个开关20及30，用以切换变压器15的一次侧线圈N_P。同步整流电路51具有一阴极K，其耦接二次侧线圈N_S1。同步整流电路51之一阳极端A耦接功率转换器的输出接地端。另一同步整流电路52具有一阴极端K，其耦接二次侧线圈N_S2。同步整流电路52更具有一阳极端A，其耦接功率转换器的输出接地端。

同步整流电路51包括一第一功率晶体管、一第一二极管、一第一控制电路。同步整流电路52包括一第二功率晶体管、一第二二极管、一第二控制电路。同步整流电路51及52产生一锁定信号L，以避免同步整流电路51及52同时启动。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的导通。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的导通。此外，同步整流电路51及52具有输入端X_P及X_N，这些输入端X_P及X_N耦接一反馈路径以接收一反馈信号。一电压调整装置(例如基纳二极管)70、电阻器71及72、以及一光耦合器80形成一个调整电路，以调整功率转换器的输出V_O。光耦合器80还耦接切换电路90，以形成反馈路径来调整输出V_O。输入端X_P及X_N耦接电阻器72。

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。同步整流电路包括一功率晶体管200、一二极管250、以及一控制电路100。控制电路100产生一驱动信号V_G，以控制功率晶体管200。二极管250与功率晶体管200并联耦接。二极管250为一实体二极管或是功率晶体管200的寄生装置。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。阳极端A耦接功率转换器的输出V_O。一旦二极管250遭受顺向偏压时，控制电路100将产生一导通信号来致能驱动信号V_G并导通功率晶体管200。控制电路100将根据导通信号的期间来产生一关闭信号来禁能驱动信号V_G并关闭功率晶体管200。一锁定端输出锁定信号L，以表示功率晶体管200的导通/关闭。输入端X_P及X_N用来接收反馈信号。

图4表示控制电路100的实施例。控制电路100包括一相位锁定电路(PL)300、一仲裁器电路900、以及一控制器。此控制器由一触发器150、一比较器130、一延迟电路(DLY)170、一或非门(NOR)119、与门125、118、160、以及一输出缓冲器165所组成。

比较器130具有一临界电压V_TH，耦接至其正输入端。比较器130的负输入端耦接阴极端K。比较器130的输出端产生一导通信号E_N。导通信号E_N以及锁定信号L通过与门118而耦合至触发器150的时钟输入端(”ck”)。因此，只在锁定信号L被禁能时驱动信号V_G才被致能。触发器150的重置输入端(”R”)受到或非门119的输出所控制。触发器150的输出(信号S_W)及导通信号E_N耦合至与门160。触发器150如栓锁电路般地操作。与门160的输出端耦接输出缓冲器165。驱动信号V_G产生于输出缓冲器165的输出端，以控制功率晶体管200。

仲裁器电路900包括锁定电路(LOCK)290以及检测电路(DET)175。锁定电路290产生锁定信号L。在一非正常情况发生时，检测电路185产生重置信号S_M以关闭驱动信号V_G以及功率晶体管200。重置信号S_M通过或非门119而耦合至触发器150的重至输入端(”R”)，以清除触发器150。

一旦阴极端K的电压低于临界电压V_TH时(即二极管250导通时)，驱动信号V_G被产生来导通功率晶体管200。或非门119的一输入端耦接与门125的输出端。与门125的第一输入端耦接延迟电路170的输出(遮没信号S_B)。延迟电路170的输入端接收驱动信号V_G。延迟电路170提供遮没时间以实现最小导通时间给驱动信号V_G。相位锁定电路300产生一关闭信号R_S，且此关闭信号R_S耦合至与门125的第二输入端。关闭信号R_S根据导通信号E_N以及输入端X_P与X_N的信号而产生。关闭信号R_S用来关闭驱动信号V_G。当二极管250导通且受到顺向偏压时，阴极端K的电压将小于临界电压V_TH。因此，只有在二极管250导通后，功率晶体管200才可导通，以实现功率晶体管200的柔性切换。此外，当二极管250遭受到反向偏压时，驱动信号V_G将被禁能且功率晶体管200将关闭。关闭信号R_S根据相位锁定电路300的操作来关闭功率晶体管200。驱动信号V_G的脉冲宽度短于二极管250的导通期间。

图5表示检测电路175的电路示意图。检测电路175包括一最大期间电路、一禁止电路、以及一保护电路。在此实施例中，最大期间电路由一延迟电路(DLY)180所组成；保护电路由一与门177以及一延迟电路(DLY)185所组成；禁止电路由脉冲产生电路191所组成。导通信号E_N耦接延迟电路180的输入端。延迟电路180产生一最大期间信号，而此最大期间信号耦合至一或门187的一输入端。导通信号E_N还通过一反向器176而耦合至与门177的一输入端。与门177的另一输入端耦接驱动信号V_G。与门177的输出端耦接延迟电路185。延迟电路185产生一保护信号，而此保护信号耦合至或门187的另一输入端。或门187的输出端用来触发一脉冲产生电路190。脉冲产生电路190的输出端耦接一与门195的一输入端。导通信号E_N还通过反向器176耦合至脉冲产生电路191的输入端。脉冲产生电路191产生一禁止信号，而此禁止信号通过一反向器193耦合至与门195的另一输入端。与门195产生重置信号S_M，以关闭驱动信号V_G。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。禁止信号则用来在功率晶体管200关闭之后禁止功率晶体管200的导通状态。禁止信号为一单击信号。此单击信号的脉冲宽度由脉冲产生电路191所控制。保护信号也用来关闭功率晶体管200，以在非正常情况下限制功率晶体管200的电流。

图6表示延迟电路的示意图。一电流源273用来对一电容器275充电。一晶体管272用来使电容器275放电。一输入信号IN通过一反向器271来控制晶体管272。此输入信号IN还耦合至一与门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IN被致能，与门279的输出端将产生一输出信号OUT。延迟时间由电流源273的电流以及电容器275的电容值所决定。

图7表示脉冲产生电路。一电流源473用来对一电容器475充电。一晶体管472用来使电容器475放电。一信号I通过一反向器471来控制晶体管472。此信号I还耦合至一与门479的一输入端。与门479的另一输入端通过一反向器478耦接电容器475。与门479的输出端产生一输出脉冲信号O。此输出脉冲信号O的脉冲宽度由电流源473的电流以及电容器475的电容值所决定。在图7的实施例中，由与门479所产生的输出脉冲信号O作为上述禁止信号，以通过图5的反向器193来耦合至与门195的一输入端。

图8表示锁定电路290的示意图。一触发器293由驱动信号V_G导通。驱动信号V_G以及导通信号E_N耦合至一或门291。或门291的输出用来重置触发器293。触发器293的输出端耦接一或门295的一输入端。或门295的另一输入端接收驱动信号V_G。或门295的输出驱动一晶体管297。晶体管297产生上述锁定信号L。一电流源296提供拉高效应给锁定信号L。锁定信号L是根据驱动信号V_G的致能而产生的。当驱动信号V_G与导通信号E_N被禁能时，锁定信号L将被禁能。只有当锁定信号L被禁能时，驱动信号V_G才被初始化及致能。

图9表示相位锁定电路300。一开关341、一电流源340、以及一电容器350组成一充电电路。导通信号E_N用通过开关341及电流源340来致能电容器350的充电。一斜坡信号因而产生于电容器350上。导通信号E_N更用来通过脉冲产生电路315与325以及反向器311与321产生一取样信号S₁以及一清除信号S₂。一开关342以及一电容器351形成一取样电路。取样信号S₁通过开关342来对由电容器350的信号进行取样，以提供至电容器351。因此，在电容器351产生一维持信号。在取样后，清除信号S₂通过一开关343来清除电容器350。电容器351的维持信号的电平与导通信号E_N的致能期间相关联。电容器351的维持信号通过一缓冲放大器360与一电阻器370而耦合至一比较器380的一输入端。一电流源600还耦接电阻器370，以在电阻器370产生一电压降。比较器380的另一输入端用来接收上述斜坡信号。比较器380的输出端耦接一反向器390。反向器390产生上述关闭信号R_S以进能驱动信号V_G。电流源600的电流I_B被调整以产生关闭信号R_S。驱动信号V_G的脉冲宽度因此短于二极管250的导通期间。

此外，一电流源396通过一开关395来使电容器351放电，并减少维持信号的电平。一比较电路(COM)(相位检测器)500根据在输入端X_P及X_N上的反馈信号来产生一重新启动信号S₃，以致能开关395来实现上述放电操作。比较电路500用来在反馈信号高于一临界值510时(如图10所示)，减少驱动信号V_G的脉冲宽度。在功率转换器的轻负载期间，反馈信号高于临界值510。因此，当输出V_O的负载由重负载变为轻负载时，驱动信号V_G的脉冲宽度将减小。

图10表示比较电路500的示意图。具有上述临界值510的一比较器520耦接输入端X_P及X_N。比较器520的输出用来启动一触发器525。触发器525产生上述重新启动信号S₃。重新启动信号S₃还通过一延迟电路530来重置触发器525。

图11表示本发明实施例的同步整流电路的主要信号波形图。变压器15的切换电流I_S包括I_S1及I_S2部分。驱动信号V_G1及V_G2分别为同步整流电路51及52的驱动信号。

本发明虽以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，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)

1.一种同步整流电路，用于一切换功率转换器，包括：

一变压器，具有一个一次侧线圈以及一个二次侧线圈，其中，该二次侧线圈具有一第一端以及一第二端，且该二次侧线圈的第一端耦接于一变压器及该功率转换器的一输出；

一功率晶体管及一二极管，其中，该功率晶体管及该二极管均耦接于该二次侧线圈的第二端与该功率转换器的一输出接地端，以执行整流操作；以及

一控制电路，用以产生一驱动信号，以在该二极管遭受顺向偏压时导通该功率晶体管，其中，该控制电路包括：

一相位锁定电路，用以根据该驱动信号的脉冲宽度来产生一关闭信号来关闭该功率晶体管；

其中，该相位锁定电路还根据一反馈信号来减少该驱动信号的脉冲宽度；以及

其中，该反馈信号与该功率转换器的一输出负载相关联。

2.如权利要求1所述的同步整流电路，其中，该控制电路还包括：

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导通时间。

3.如权利要求1所述的同步整流电路，其中，该控制电路还包括：

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，且在该功率晶体管关闭之后，该单击信号用来禁止该功率晶体管的导通状态。

4.如权利要求1所述的同步整流电路，其中，该相位锁定电路还包括：

一充电电路，当该驱动信号被致能时用以产生一斜坡信号；

一取样电路，用以根据该斜坡信号的电平来产生一维持信号；以及

一第一比较器，用以根据该斜坡信号与该维持信号之间的比较来产生该关闭信号；

其中，该维持信号的电平与该驱动信号的脉冲宽度相关联。

5.如权利要求4所述的同步整流电路，其中，该相位锁定电路还包括：

一相位检测器，用以产生一重新启动信号，以减少该维持信号的电平；

其中，该重新启动信号产生于当该反馈信号高于一临界值时。

6.如权利要求5所述的同步整流电路，其中，该相位检测器包括：

一第二比较器，接收该反馈信号；

一触发器，耦接该第二比较器，由该第二比较器的输出来启动，且产生该重新启动信号；以及

一延迟电路，耦接该触发器，接收该重新启动信号以重置该触发器。

7.一种同步整流电路，用于一切换功率转换器，包括：

一变压器，具有一个一次侧线圈以及一个二次侧线圈，其中，该二次侧线圈具有一第一端以及一第二端，且该二次侧线圈的第一端耦接于一变压器及该功率转换器的一输出；

一功率晶体管及一二极管，其中，该功率晶体管及该二极管均耦接于该二次侧线圈的第二端与该功率转换器的一输出接地端，以执行整流操作；以及

一控制电路，用以产生一驱动信号，以在该二极管遭受顺向偏压时导通该功率晶体管，其中，该控制电路包括：

一相位锁定电路，用以根据该驱动信号的脉冲宽度来禁能该驱动信号以关闭该功率晶体管；

其中，该驱动信号的脉冲宽度短于该二极管的导通期间。

8.如权利要求7所述的同步整流电路，其中，该相位锁定电路还根据一反馈信号来改变驱动信号的脉冲宽度，且该反馈信号与该功率转换器的一输出负载相关联。

9.如权利要求7所述的同步整流电路，其中，该控制电路还包括：

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导通时间。

10.如权利要求7所述的同步整流电路，其中，该控制电路还包括：

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，且在该功率晶体管关闭之后，该单击信号用来禁止该功率晶体管的导通状态。

11.如权利要求7所述的同步整流电路，其中，该相位锁定电路还包括：

一充电电路，当该驱动信号被致能时用以产生一斜坡信号；

一取样电路，用以根据该斜坡信号的电平来产生一维持信号；以及

一第一比较器，用以根据该斜坡信号与该维持信号之间的比较来产生一关闭信号；

其中，该维持信号的电平与该驱动信号的脉冲宽度相关联。

12.如权利要求11所述的同步整流电路，其中，该相位锁定电路还包括：

一相位检测器，用以产生一重新启动信号，以减少该维持信号的电平；

其中，该重新启动信号产生于当一反馈信号高于一临界值时。

13.如权利要求12所述的同步整流电路，其中，该相位检测器包括：

一第二比较器，接收该反馈信号；

一触发器，耦接该第二比较器，由该第二比较器的输出来启动，且产生该重新启动信号；以及

一延迟电路，耦接该触发器，接收该重新启动信号以重置该触发器。

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