CN101951179B - 同步整流电路及同步整流方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种同步整流电路及同步整流方法。该同步整流电路，适用于切换功率转换器，包括功率晶体管、二极管、以及控制电路。功率晶体管与二极管耦接于变压器以及功率转换器的输出，用以整流。一旦二极管被正向偏压时，控制电路产生驱动信号以导通功率晶体管。控制电路包括监控电路，其根据驱动信号的脉冲宽度来产生监控信号，以产生关闭信号来关闭功率晶体管。监控电路还根据回授信号的变化来减少驱动信号的脉冲宽度。回授信号与功率转换器的输出负载相关连。

Description

同步整流电路及同步整流方法
技术领域
本发明涉及一种功率转换器，特别是涉及一种功率转换器的同步整流器。 
背景技术
图1是表示柔性切换功率转换器的电路架构。其包括变压器10，用以为了安全而隔离功率转换器的输入VIN与输出VO。开关20及30组合成一半桥电路，用以切换变压器10。切换电路(SW CIRCUIT)90产生切换信号SH及SL，以分别切换开关20及30。变压器10的初级线圈NP的漏电感与电容器41及42形成一谐振槽。该漏电感L与电容器41与42的等效电容C决定了谐振槽的谐振频率f0。 
f 0 = 1 2 π L × C - - - ( 1 )
变压器10将能量由初级线圈Np转移至次级线圈NS1及NS2。整流器61及62与电容器65执行整流与滤波，以产生输出VO。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形成调整电路，其耦接输出VO。光耦合器80还耦接切换电路90，来形成转换器的回授回路，以调整输出VO。切换电路90产生根据回授回路信号来产生切换信号SH及SL。 
虽然柔性切换功率转换器可达到较高功率与较低EMI(electric-magnetic interface)效能，但是整流器61与62的正向电压仍会导致明显的功率损失。本发明的目的在于提供一种向步整流器电路，用以切换功率转换器，来达到较高的功效。 
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，包括：一功率晶体管及一二极管，耦接于一变压器以及该功率转换器的一输出，用以整流；以及一控制电路，一旦该二极管被正向偏压时，用以产生一驱动信号以导通该功率晶体管，其中，该控制电路包括：一监控电路，根据该驱动信号的脉冲宽度来产生一监控信号，以产生一关闭信号来关闭该功率晶体管；其中，该监控电路还根据一回授信号的变化来缩小该驱动信号的脉冲宽度；其中，该回授信号与该功率转换器的一输出负载相关联；其中，该监控电路包括：一充电电路，当该驱动信号被致能时，产生一第一斜坡信号；一取样电路，根据该第一斜坡信号的电平来产生一第一维持信号；一放大器，根据该第一维持信号的电平来产生一临界信号；以及一比较器，根据该第一斜坡信号与该临界信号的比较结果来产生该监控信号；其中，该第一维持信号的电平与该回授信号的电平相关联。
本发明还提供一种同步整流电路，用于一切换功率转换器，包括：一功率晶体管及一二极管，耦接于一变压器以及该功率转换器的一输出，用以整流；以及一控制电路，一旦该二极管被正向偏压时，用以产生一驱动信号以导通该功率晶体管，其中，该控制电路包括：一反弹跳电路，根据该驱动信号的脉冲宽度来产生一反弹跳信号以关闭该功率晶体管；其中，该反弹跳信号还根据该驱动信号来缩小该驱动信号的脉冲宽度；以及其中，该反弹跳电路包括：一反向器，接收一导通信号；一PMOS晶体管，其中，该PMOS晶体管的栅极通过该反向器接收该导通信号；一NMOS晶体管，其中，该NMOS晶体管的栅极通过该反向器接收该导通信号；一第一电流源，耦接于一电压源与该PMOS晶体管的源极之间；一第二电流源，耦接于该NMOS晶体管的源极与一地端之间；以及一电容器，该电容器的一第一端耦接该PMOS晶体管与该NMOS晶体管的漏极间的接合点，该电容器的一第二端耦接该地端；其中，该反弹跳信号产生于该PMOS晶体管与该NMOS晶体管的漏极间的接合点。 
本发明还提供一种同步整流方法，用于一切换功率转换器，其中，一功率晶体管及一二极管，耦接于一变压器以及该功率转换器的一输出用以整流，该同步整流方法包括：一旦该二极管被正向偏压时，产生一驱动信号以导通该功率晶体管；根据该驱动信号的脉冲宽度来产生一监控信号，以产生一关闭信号来关闭该功率晶体管；以及根据一回授信号的变化来缩小该驱动信号的脉冲宽度；其中，该回授信号与该功率转换器的一输出负载相关联；以及其中，产生该监控信号的步骤包括：当该驱动信号被致能时，产生一第一斜坡信号；根据该第一斜坡信号的电平来产生一第一维持信号；根据该第一维持信号的电平来产生一临界信号；根据该第一斜坡信号与该临界信号的比较结果来产生该监控信号；其中，该第一维持信号的电平与该回授信号的电平相关联。 
附图说明
图1表示柔性切换功率转换器的电路架构； 
图2表示根据本发明实施例的谐振功率转换器； 
图3表示本发明实施例的同步整流器； 
图4表示根据本发明第一实施例的控制电路； 
图5表示根据本发明实施例的监控电路； 
图6表示根据本发明实施例的检测电路； 
图7表示具有第一实施例的控制电路的同步整流电路的主要波形； 
图8表示根据本发明第二实施例的控制电路； 
图9表示根据本发明实施例的相位检测电路； 
图10表示根据本发明实施例的反弹跳电路；以及 
图11表示具有第二实施例的控制电路的同步整流电路的主要波形； 
附图符号说明 
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(SW CIRCUIT)； 
NP～初级线圈；                NS1、NS2～次级线圈； 
SH、SL～切换信号；          VIN～输入； 
VO～输出； 
图2： 
15～变压器；                  20、30～开关； 
41、42～电容器；              51、52～同步整流电路； 
65～电容器；                  71、72～电阻器； 
70～电压调整装置(基纳二极管)； 
80～光耦合器； 
90～切换电路(SW CIRCUIT)； 
A～阳极端；                    IS1、IS2～电流； 
K～阴极端；                    L～锁定信号； 
NP～初级线圈；                 NS1、NS2～次级线圈； 
VIN～输入；                  VO～输出； 
XP、XN～输入端； 
图3 
50～同步整流器；               100～控制电路； 
200～功率晶体管；              250～二极管； 
VG～驱动信号； 
图4 
40～锁存电路；                 53～检测电路； 
300～监控电路；                401～延迟电路； 
60～控制器；                   630～触发器； 
640～比较器；                  650～反向器； 
660～或非门(NOR)；             400～触发器； 
EN～导通信号；                 RN～重置信号； 
RS～关闭信号；                 Vd～监控信号； 
Vg～重置信号；                 VTH～临界电压； 
图5 
310、314～运算放大器；         311～晶体管； 
315～电流镜；                  317～开关； 
318～电容器；                  319、320～脉冲产生电路； 
321、322～反向器；             323～电容器； 
324～缓冲放大器；              325～比较器； 
326～开关；                    IR～差动电流； 
R1、R2～电阻器；               Rd～电阻器； 
S1～取样信号；                 S2～清除信号； 
SC～临界信号；                 Sh～维持信号； 
SR～斜坡信号； 
图6 
500～检测器(与门)；           601～开关； 
600～电流源；                 602～电容器； 
603、604～脉冲产生电路； 
605、606～反向器；            607～开关； 
609～电容器；                   610～开关； 
612～缓冲放大器；               614～电阻器； 
616～电流源；                   617～比较器； 
618～反向器；                   620～电流源； 
622～开关；                   IB～电流； 
S1～取样信号；                  S2～清除信号； 
83～重新启动信号； 
图7： 
deltaV(Xp-Xn)～差动信号； 
Figure GSB0000114418740000051
～反向的导通信号； 
图8： 
100’～控制电路；                72、77～反弹跳电路； 
73、74～触发器；                 78～锁存电路； 
75～或非门；                     76～反向器； 
740～相位检测电路； 
DETD1、DETD2～反弹跳信号； 
EN～导通信号；                    RS～关闭信号； 
SS～起始信号；                    Ven～缩小信号； 
VG～驱动信号； 
图9： 
741～开关；                       742～电容器； 
743、744～脉冲产生电路； 
745、746～反向器；                747～开关； 
748～电容器；                     749～开关； 
750～缓冲放大器；                 751～比较器； 
752～电阻器：                       753～电流源； 
754～反向器；                     755～电流源； 
756～开关；                       757～检测器(与门)； 
758～脉冲产生电路；                 760～电流源； 
S10～取样信号；                   S20～清除信号； 
S30～重新启动信号；                 S40～脉冲信号； 
图10： 
470～反向器；                     472～PMOS晶体管； 
473～电流源；                     474～NMOS晶体管； 
475～电容器；                       476～电流源； 
VCC～电压源。 
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，并结合附图详细说明如下。 
图2是表示根据本发明实施例，具有集成同步整流器(同步整流电路)的谐振功率转换器。功率转换器包括变压器15，其具有初级线圈NP，以及次级线圈NS1及NS2。变压器15的初级线圈NP的漏电感与电容器41及42形成谐振槽。变压器15的初级线圈NP具有两个开关20及30，用以切换变压器15的初级线圈NP。同步整流电路51具有一阴极端K，其耦接次级线圈NS1。同步整流器51的一阳极端A耦接功率转换器的输出接地。另一同 步整流电路52具有耦接次级线圈NS2的一阴极端以及同样耦接功率转换器的输出接地的阳极端A。电容器65执行滤波操作，以产生输出VO。 
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。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，以防止同步整流器51及52同时地导通。当第一二极管或第一功率晶体管导通时，锁定信号L防止第二功率晶体管的导通状态。当第二二极管或第二功率晶体管导通时，锁定信号L防止第一功率晶体管的导通状态。此外，同步整流电路51及52具有输入端XP与XN，其耦接一回授回路，以接收一回授信号。电压调整装置(例如齐纳二极管)70、电阻器71及72、与光耦合器80形成一调整电路，以调整功率转换器的输出VO。输入端XP与XN耦接电阻器72。 
图3是表示本发明实施例的一同步整流器50。其表示同步整流器51或52的电路。同步整流器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。二极管250为一实质二极管或是功率晶体管200的寄生元件。功率晶体管200耦接于阴极端K与阳极端A之间。阴极端耦接变压器15的次级线圈。阳极端耦接功率转换器的输出VO。控制电路100将产生导通信号以致能驱动信号VG，且一旦二极管250被正向偏压时，控制电路100导通功率晶体管200。控制电路100将产生关闭信号禁能驱动信号VG，且根据导通信号的期间来关闭功率晶体管200。一锁定端输出锁定信号L，以显示功率晶体管200的导通/关闭。输入端XP及XN用来接收回授信号。 
图4是表示控制电路100的第一实施例。其包括监控电路300、锁存电路40、检测电路53、以及控制电路60。其中，锁存电路40是由触发器400与延迟电路401所组成的。控制器60是由触发器630、比较器640、反向器650、以及或非门(NOR)660所组成的。比较器640的正输入端耦接临界电压VTH。比较器640的负输入端耦接阴极端K。比较器640的输出产生导通信号EN给触发器630的时钟输入端ck。因此，只有一旦导通信号EN被致能时，驱动信号VG才被致能。 
通过反向器650与或非门660，重置信号RN耦接至触发器630的重置端R，以重置驱动信号VG。触发器630的重置端R是由或非门660的输出 所控制。触发器630的操作如同一个锁存电路。驱动信号VG产生于触发器630的输出，以控制功率晶体管200。 
检测电路53根据一重置信号Vg来产生一关闭信号RS。重置信号Vg是根据监控信号Vd的导通而被致能。监控电路300产生该监控信号Vd，以根据输入端XP与XN上的回授信号以及导通信号EN来致能重置信号Vg。重置信号Vg是由延迟电路401的输出来重置。 
一旦阴极端K的电压低于临界电压VTH(二极管250导通)，驱动信号VG将产生来导通功率晶体管200。当导通信号EN被禁能或检测信号RS被致能时，驱动信号VG被禁能。 
图5是表示监控电路300的实施例。运算放大器310及314、晶体管311、与电阻器Rd形成一差动电路。流经电阻器Rd的差动电流IR表示出分别位于输入端XP与XN上的信号间的差动电压。电流镜315、开关317、与电容器318形成一充电电路。斜坡信号SR因此产生于电容器318。通过脉冲产生电路319及320与反向器321与322，导通信号EN耦接来产生取样信号S1及清除信号S2。开关326与电容器323形成一取样电路。通过开关326，取样信号S1用来将电容器318的信号取样至电容器323。维持信号Sh因此产生于电容器323。在取样过后，清除信号S2通过开关317来清除电容器318。维持信号Sh的电平是相关于导通信号EN的致能期间。电容器323的维持信号Sh通过缓冲放大器324以及电阻器R1与R2而在比较器325的输出端上产生临界信号SC。临界信号SC的电平可表示为： 
S C = R 1 + R 2 R 2 S h
比较器325的另一输入端接收斜坡信号SR。比较器325产生监控信号Vd以导通重置信号Vg。一旦介于输入端XP与XP之间的差动电压大于
Figure GSB0000114418740000082
时，则产生此监控信号Vd。 
图6是表示检测电路53的实施例。开关601、电流源600、与电容器602形成一充电电路。导通信号EN通过开关601与电流源600来致能电容器602的充电。斜坡信号因此产生于电容器602。导通信号EN还通过脉冲产生电路603与604以及反向器605与606来产生取样信号S1及清除信号S2。开关607与电容器609形成一取样电路。取样信号S1通过开关607来将电容器602的信号取样至电容器609。一维持信号因此产生于电容器609。 在取样过后，清除信号S2通过开关610来清除电容器602。电容器609的维持信号的电平与导通信号EN的致能期间相关连。电容器609的维持信号通过缓冲放大器612与电阻器614来耦接至比较器617的一输入端。电流源616耦接电阻器614以在电阻器614产生一电压降。比较器617的另一输入端接收斜坡信号。比较器617的输出端耦接反向器618。反向器618产生关闭信号RS以禁能驱动信号VG。电流源616的电流IB被调整来产生关闭信号RS。驱动信号VG的脉冲宽度因此小于二极管250的导通期间。 
电流源620用来使电容器609放电，且通过开关622来降低维持信号的电平。检测器(与门)500接收重置信号Vg，其中，重置信号Vg是由监控信号Vd根据分别位于输入端XP与XN上的输入信号来致能的(一并参阅图3、4)。因此，检测器500根据在输入端XP与XN上的回授信号来产生一重新启动信号S3，以致能开关622来进行放电。当回授信号的变化超过图5的临界值时，检测器500用来缩小驱动信号VG的脉冲宽度。当输出VO具有超过临界值的回授信号变化时，驱动信号VG的脉冲宽度将缩小。监控电路300根据分别位于输入端XP与XN上的输入信号来产生监控信号Vd，以致能重置信号Vg。 
图7是表示同步整流电路的主要波形。参阅图4、5、及6，当分别位于输入端XP与XN上的输入信号间的差动信号deltaV(Xp-Xn)其变化率超过一临界值(例如
Figure GSB0000114418740000091
时，监控信号Vd被致能，且重置信号Vg通过触发器400而被导通。关闭信号RS因此较早导通，且使得驱动信号VG的导通期间较短。 
图8是表示控制电路100’的第二实施例。控制电路100’包括锁存电路78、反弹跳电路(debounce circuit)72与77、触发器73与74、以及相位检测电路740。导通信号EN致能反弹跳电路72及77。反弹跳信号DETD1及DETD2因此产生于触发器73及74的时钟输入端CK。DETD1还耦接至锁存电路78的时钟输入端CK。锁存电路78产生起始信号SS至触发器73。相位检测电路740根据导通信号EN来产生关闭信号RS。触发器74产生驱动信号VG。关闭信号RS通过或非门75与触发器74来重置驱动信号VG，且导通信号EN还通过反向器76、或非门75、与触发器74来重置驱动信号VG。 
图9是表示相位检测电路740的实施例。开关741、电流源760、与电 容器742形成一充电电路。导通信号EN通过开关741与电流源760来致能电容器742的充电。斜坡信号因此产生于电容器742。导通信号EN还通过脉冲产生电路743与744以及反向器745与746来产生取样信号S10及清除信号S20。开关747与电容器748形成一取样电路。取样信号S10通过开关747来将电容器742的信号取样至电容器748。维持信号因此产生于电容器748。在取样之后，清除信号S20通过开关749来清除电容器742。电容器748的维持信号的电平与导通信号EN的致能期间相关连。电容器748的维持信号通过缓冲放大器750与电阻器752而耦接至比较器751的一输入端。电流源753还耦接电阻器752，以在电阻器752产生电压降。比较器751的另一输入端接收斜坡信号。比较器751的输出端耦接反向器754。反向器754产生关闭信号RS以禁能驱动信号VG。电流源753的电流IB被调整来产生关闭信号RS。驱动信号VG的脉冲宽度因此小于二极管250的导通期间。 
电流源755用来使电容器748放电，且通过开关756来降低维持信号的电平。检测器(与门)757根据收缩信号Ven与脉冲信号S40来产生一重新启动信号S30，以至能开关756来进行放电。脉冲信号S40是通过脉冲产生电路758而根据反弹跳信号DETD2而产生的。 
图10是表示反弹跳电路的实施例。参阅图10。PMOS晶体管472与NMOS晶体管474的栅极通过反向器470接收导通信号EN。电流源473耦接于电压源VCC与PMOS晶体管472的源极之间，而电流源476耦接于NMOS晶体管的源极与接地之间。电容器475的第一端耦接晶体管472与474的源极间的接合点，其第二端耦接接地。反弹跳信号(例如反弹跳信号DETD1)产生于该接合点上。 
图11是表示同步整流电路的主要波形。参阅图8、9、及10，当在端点K的信号SK由高电平转变为低电平时，将产生摆动脉冲SW，且导通信号EN将因此而被致能。当导通讯号其导通期间大于一既定脉冲宽度时，反弹跳信号DETD1导通。收缩信号Ven因此被致能。根据致能的脉冲信号S40，致能信号VG的脉冲宽度在此期间内缩短，以避免重迭。 
本发明虽以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明的范围，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下可做若干的更动与润饰，因此本发明的保护范围以本发明的权利要求为准。 

Claims (9)

1.一种同步整流电路，用于一切换功率转换器，包括：
一功率晶体管及一二极管，耦接于一变压器以及该功率转换器的一输出，用以整流；以及
一控制电路，一旦该二极管被正向偏压时，用以产生一驱动信号以导通该功率晶体管，其中，该控制电路包括：
一监控电路，根据该驱动信号的脉冲宽度来产生一监控信号，以产生一关闭信号来关闭该功率晶体管；
其中，该监控电路还根据一回授信号的变化来缩小该驱动信号的脉冲宽度；
其中，该回授信号与该功率转换器的一输出负载相关联；
其中，该监控电路包括：
一充电电路，当该驱动信号被致能时，产生一第一斜坡信号；
一取样电路，根据该第一斜坡信号的电平来产生一第一维持信号；
一放大器，根据该第一维持信号的电平来产生一临界信号；以及
一比较器，根据该第一斜坡信号与该临界信号的比较结果来产生该监控信号；
其中，该第一维持信号的电平与该回授信号的电平相关联。
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检测电路，且该检测电路包括：
一充电电路，当该驱动信号被一导通信号致能时，产生一第二斜坡信号；
一取样电路，根据该第二斜坡信号的电平来产生一第二维持信号；以及
一比较器，根据该第二斜坡信号与该第二维持信号的比较结果来产生该关闭信号；
其中，该第二维持信号的电平与该导通信号的脉冲宽度相关联。
3.如权利要求2所述的同步整流电路，其中，该检测电路还包括：
一检测器，产生一重新启动信号，以降低该第二维持信号的电平；
其中，当该回授信号的变化超过一临界值时，该重新启动信号产生。
4.一种同步整流电路，用于一切换功率转换器，包括：
一功率晶体管及一二极管，耦接于一变压器以及该功率转换器的一输出，用以整流；以及
一控制电路，一旦该二极管被正向偏压时，用以产生一驱动信号以导通该功率晶体管，其中，该控制电路包括：
一反弹跳电路，根据该驱动信号的脉冲宽度来产生一反弹跳信号以关闭该功率晶体管；
其中，该反弹跳信号还根据该驱动信号来缩小该驱动信号的脉冲宽度；以及
其中，该反弹跳电路包括：
一反向器，接收一导通信号；
一PMOS晶体管，其中，该PMOS晶体管的栅极通过该反向器接收该导通信号；
一NMOS晶体管，其中，该NMOS晶体管的栅极通过该反向器接收该导通信号；
一第一电流源，耦接于一电压源与该PMOS晶体管的源极之间；
一第二电流源，耦接于该NMOS晶体管的源极与一地端之间；以及
一电容器，该电容器的一第一端耦接该PMOS晶体管与该NMOS晶体管的漏极间的接合点，该电容器的一第二端耦接该地端；
其中，该反弹跳信号产生于该PMOS晶体管与该NMOS晶体管的漏极间的接合点。
5.如权利要求4所述的同步整流电路，其中，该控制电路还包括一相位检测电路，且该相位检测电路包括：
一充电电路，当该驱动信号被该导通信号致能时，产生一斜坡信号；
一取样电路，根据该斜坡信号的电平来产生一维持信号；以及
一比较器，根据该斜坡信号与该维持信号的比较结果来产生一关闭信号，以关闭该功率晶体管；
其中，该维持信号的电平与该导通信号的脉冲宽度相关联。
6.如权利要求5所述的同步整流电路，其中，该相位检测电路还包括：一脉冲产生电路，根据该反弹跳信号产生一脉冲信号；以及
一检测器，产生一重新启动信号，以降低该维持信号的电平；
其中，该控制电路还包括一D触发器，该D触发器的时钟输入端接收该反弹跳信号，该D触发器的D端接收一锁存电路产生的一起始信号，该D触发器的R端接收该导通信号，且该D触发器的Q端输出一收缩信号；以及
其中，该重新启动信号根据该收缩信号与该脉冲信号而产生。
7.一种同步整流方法，用于一切换功率转换器，其中，一功率晶体管及一二极管，耦接于一变压器以及该功率转换器的一输出用以整流，该同步整流方法包括：
一旦该二极管被正向偏压时，产生一驱动信号以导通该功率晶体管；
根据该驱动信号的脉冲宽度来产生一监控信号，以产生一关闭信号来关闭该功率晶体管；以及
根据一回授信号的变化来缩小该驱动信号的脉冲宽度；
其中，该回授信号与该功率转换器的一输出负载相关联；以及
其中，产生该监控信号的步骤包括：
当该驱动信号被致能时，产生一第一斜坡信号；
根据该第一斜坡信号的电平来产生一第一维持信号；
根据该第一维持信号的电平来产生一临界信号；
根据该第一斜坡信号与该临界信号的比较结果来产生该监控信号；
其中，该第一维持信号的电平与该回授信号的电平相关联。
8.如权利要求7所述的同步整流方法，还包括：
当该驱动信号被一导通信号致能时，产生一第二斜坡信号；
根据该第二斜坡信号的电平来产生一第二维持信号；以及
根据该第二斜坡信号与该第二维持信号的比较结果来产生该关闭信号；
其中，该第二维持信号的电平与该导通信号的脉冲宽度相关联。
9.如权利要求8所述的同步整流方法，还包括：
当该回授信号的变化超过一临界值时，产生一重新启动信号，以减少该第二维持信号的电平。
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