CN102185501B - 适应性同步整流控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适应性同步整流控制电路，其包含一适应性电路，其依据一功率转换器的一侦测讯号产生一参考讯号。若该参考讯号相同或大于一门坎电压时，一箝制电路则箝制该参考讯号于该门坎电压。一切换电路依据该侦测讯号与该参考讯号产生一控制讯号，以控制该功率转换器的一同步开关。

Description

适应性同步整流控制电路
技术领域
本发明涉及一种同步整流控制，尤其是指一种在一变压器的二次侧的适应性同步整流控制，其可提高效率和侦测准确性。
背景技术
一离线式功率转换器(offline power converter)包含一功率变压器，其为了安全性，而隔离一交流线电压与功率转换器的输出。在现今发展上，应用一同步整流器在功率变压器的二次侧，以让功率转换器达到一高效率转换。图1是具有同步整流器的一习用功率转换器。习用功率转换器包含一桥式整流器10与一大电容CIN，以转换一电源VAC为一输入电压VIN。输入电压VIN储存于大电容CIN。一功率变压器T1包含位于一次侧的一一次侧绕组NP与位在二次侧的一二次侧绕组NS。功率变压器T1的一次侧具有一功率开关Q1，其耦接一次侧绕组NP，以切换功率变压器T1而调整功率转换器的一输出电压VO。功率开关Q1接收一驱动讯号SG并耦接于功率变压器T1的一次侧绕组NP与一接地端之间。
功率变压器T1的二次侧绕组NS经由一同步开关Q2与一输出电容CO耦接至功率转换器的输出。同步开关Q2的一汲极耦接二次侧绕阻NS的一端，同步开关Q2的一源极耦接至接地端。输出电容CO耦接二次侧绕组NS的另一端与接地端之间。同步开关Q2与其寄生二极管DQ2运作如同为同步整流器。因此，具有寄生二极管DQ2的同步开关Q2耦接于功率变压器T1的二次侧绕组NS与输出电容CO之间。输出电容CO耦接功率转换器的输出电压VO。
设置于功率变压器T1的二次侧的一控制电路20耦接同步开关Q2的一闸极，而依据位于控制电路20的一侦测端VDET的一侦测讯号VDET产生一控制讯号SW，以导通／截止同步开关Q2，该控制讯号SW在控制电路20的一输出端OUT。侦测端VDET耦接二次侧绕阻NS。侦测讯号VDET是依据功率变压器T1的一激磁电压VS、一消磁电压与一激磁周期所产生。控制讯号SW的致能周期关联于功率变压器T1的消磁周期。控制电路20包含一比较器24与一脉宽调变(PWM)电路25。比较器24的一正输入端接收侦测讯号VDET。一门坎讯号VT提供于比较器24的一负输入端。比较器24比较侦测讯号VDET与门坎讯号VT产生一切换讯号SON于比较器24的一输出端。脉宽调变电路25耦接同步开关Q2的闸极，以依据切换讯号SON产生控制讯号SW。
图2A是输入电压VIN、侦测讯号VDET与切换讯号SON的波形。跨于大电容CIN的输入电压VIN经由图1所示的桥式整流器10整流。大电容CIN作为一电压调整器，大电容CIN的电容值决定输入电压VIN的一涟波范围。因此，侦测讯号VDET是随输入电压VIN的涟波范围而相对改变。当门坎讯号VT设定过高，在输入电压VIN的一波谷电压下比较侦测讯号VDET与门坎讯号VT时，切换讯号SON则会遗漏。明显地，例如图2A所示，前两个较低振幅的侦测讯号VDET的振幅低于门坎讯号VT，所以前两个较低振幅的侦测讯号VDET即不会被侦测到。因此，先前技术的第一缺点是门坎讯号VT设定过高时，在输入电压VIN的波谷电压期间，切换讯号SON则会暂时被停止一些周期。
图2B是侦测讯号VDET、切换讯号SON1、SON2与驱动讯号SG的波形。图2B是绘示侦测讯号VDET于非连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)。于一般运作下，切换讯号SON是依据侦测讯号VDET与门坎讯号VT间的比较而产生。如图2B所示，此切换讯号SON与此门坎讯号VT可以分别视为一第一切换讯号SON1与一第一门坎讯号VT1。当门坎讯号VT设定过低下，而比较侦测讯号VDET与门坎讯号VT时，切换讯号SON会产生一额外且非预期脉波(undesirable pulse)。如图2B所示，此切换讯号SON与此门坎讯号VT可以分别视为一第二切换讯号SON2与一第二门坎讯号VT2。第二门坎讯号VT2低于第一门坎讯号VT1。明显地例如图2B所示，于一切换周期期间，第二切换讯号SON2具有一额外且非预期脉波。因此，先前技术的第二缺点是门坎讯号VT设定过低时，切换讯号SON会产生额外且非预期脉波于每一切换周期。
发明内容
本发明目的在于提供一种适应性同步整流电路，其提供一适应性同步整流电路，以准确性地量测侦测讯号。
本发明的技术方案是这样实现的：一种适应性同步整流控制电路，包含：
一适应性电路，耦接一功率转换器的一功率变压器的一二次侧绕组，并依据该功率转换器的一侦测讯号的一上升边缘与一下降边缘取样与保持该侦测讯号而产生一参考讯号；
一箝制电路，耦接该适应性电路，若该参考讯号相等或大于一门坎电压时，该箝制电路则箝制该参考讯号于该门坎电压；以及
一切换电路，依据该侦测讯号与该参考讯号产生一控制讯号，而控制该功率转换器的一同步开关。
本发明中，其中该适应性电路更包含一取样保持电路，以取样与保持该侦测讯号而产生该参考讯号。
本发明中，其中该适应性电路更包含一放大器，其耦接该取样保持电路，该取样保持电路取样与保持该侦测讯号以产生一保持讯号，该放大器接收该保持讯号并依据该保持讯号与一放大系数产生该参考讯号。
本发明中，其中该适应性电路更包含：
一上升边缘侦测器，依据该侦测讯号的该上升边缘产生一第一取样讯号；以及
一下降边缘侦测器，依据该侦测讯号的该下降边缘产生一第二取样讯号；
其中，该第一取样讯号与该第二取样讯号用于控制该取样保持电路，以取样与保持该侦测讯号而产生该参考讯号。
本发明中，其中该箝制电路包含：
一晶体管，耦接于该适应性电路与一接地端之间；以及
一运算放大器，依据该参考讯号与该门坎电压控制该晶体管；
其中，该参考讯号相等或大于该门坎电压时，该晶体管被该运算放大器导通，以箝制该参考讯号于该门坎电压。
本发明中，其中该切换电路更包含：
一比较器，比较该侦测讯号与该参考讯号以产生一切换讯号；以及
一脉宽调变电路，依据该切换讯号产生该控制讯号。
本发明中，其中该侦测讯号是藉由该功率转换器的目前这一个切换周期所产生，而该参考讯号是透过取样与保持藉由该功率转换器的先前一个切换周期所产生的该侦测讯号而产生。
本发明中，其中该侦测讯号关联于该功率转换器的一输入电压。
本发明具有的有益效果：本发明适应性同步整流控制电路包含一适应性电路、一箝制电路与一切换电路。适应性电路依据功率转换器的一侦测讯号产生一参考讯号。若参考讯号相同或大于一门坎电压时，箝制电路则箝制参考讯号于门坎电压。切换电路依据侦测讯号与参考讯号产生控制讯号，以控制功率转换器的同步开关。
附图说明
图1是具有一同步整流器的一习用功率转换器的电路图；
图2A是输入电压、侦测讯号与切换讯号的波形；
图2B是侦测讯号、切换讯号与驱动讯号的波形；
图3是本发明的控制电路的一较佳实施例的电路图；
图4A是本发明的上升边缘侦测器的一较佳实施例的电路图；
图4B是本发明的下降边缘侦测器的一较佳实施例的电路图；以及
图5是本发明的一较佳实施例的参考讯号、侦测讯号、第一取样讯号、第二取样讯号与切换讯号的输出波形。
【图号对照说明】
10   桥式整流器      20     控制电路
24   比较器          25     脉宽调变电路
200  适应性电路      210    上升边缘侦测器
211  第一反相器      212    电流源
213  晶体管          214    电容
215  第二反相器      216    与门
220  下降边缘侦测器  221    第一反相器
222  电流源          223    晶体管
224  电容            225    第二反相器
226  与门            227    第三反相器
230  第一取样开关    232    第一放电开关
240  第一保持电容    250    第二取样开关
252  第二放电开关    260     第二保持电容
281  放大器          282     运算放大器
283  晶体管          284     比较器
285  脉宽调变电路    CIN     大电容
CO   输出电容        DQ2     寄生二极管
NP   一次侧绕组      NS      二次侧绕组
OUT  输出端          Q1      功率开关
Q2   同步开关        SD      放电讯号
SG   驱动讯号        SON     切换讯号
SON1 切换讯号        SON2    切换讯号
SP1  第一取样讯号    SP2     第二取样讯号
SW   控制讯号        T1      功率变压器
VAC  电源            VCC     电压源
VDET 侦测端          VDET    侦测讯号
VIN  输入电压        VO      输出电压
VP1  第一保持讯号    VP2     第二保持讯号
VREF 参考讯号        VS      激磁电压
VT   门坎讯号        VT1     第一门坎讯号
VT2  第二门坎讯号    VTH     门坎电压
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
请参阅图3，其是本发明的控制电路20的一较佳实施例的电路图。控制电路20包含一适应性电路200、具有一运算放大器282与一晶体管283的一箝制电路，以及具有一比较器284与一脉宽调变(PWM)电路285的一切换电路。适应性电路200用于依据功率转换器的侦测讯号VDET产生一参考讯号VREF。侦测讯号VDET关联于功率转换器的输入电压VIN(如图1所示)。适应性电路200包含一上升边缘侦测器210、一下降边缘侦测器220、一取样保持电路与一放大器281。取样保持电路用于取样与保持侦测讯号VDET以产生参考讯号VREF。取样保持电路包含一第一取样开关230、一第一保持电容240、一第一放电开关232、一第二取样开关250、一第二保持电容260与一第二放电开关252。
第一取样开关230的一端耦接侦测端VDET以接收侦测讯号VDET。第一保持电容240耦接于第一取样开关230的另一端与接地端之间。第二取样开关250耦接于第一保持电容240与第二保持电容260之间。第二保持电容260更耦接至接地端。上升边缘侦测器210接收侦测讯号VDET，以在侦测讯号VDET的一上升边缘产生一第一取样讯号SP1。下降边缘侦测器220接收侦测讯号VDET，以在侦测讯号VDET的一下降边缘产生一第二取样讯号SP2。第一取样讯号SP1与第二取样讯号SP2被用于控制取样保持电路以取样与保持侦测讯号VDET。
第一取样开关230受控于上升边缘侦测器210的第一取样讯号SP1。藉由周期性的切换第一取样开关230，使得一第一保持讯号VP1依据侦测讯号VDET被充电并产生于第一保持电容240。第二取样开关250受控于下降边缘侦测器220的第二取样讯号SP2。藉由周期性的切换第二取样开关250，使得一第二保持讯号VP2依据第一保持讯号VP1被充电并产生于第二保持电容260。第一放电开关232并联于第一保持电容240。第二放电开关252并联于第二保持电容260。第一放电开关232与第二放电开关252受控于一放电讯号SD，以放电保持电容240与260。在一切换周期，放电讯号SD位于第二取样讯号SP2的结束端，以清除与重置第一保持电容240的第一保持讯号VP1与第二保持电容260的第二保持讯号VP2。
放大器281耦接第二保持电容260以接收第二保持讯号VP2。具有一放大系数K的放大器281依据第二保持讯号VP2与放大系数K产生参考讯号VREF。放大系数K必需小于1。藉由取样并保持侦测讯号VDET以产生第二保持讯号VP2。然而，参考讯号VREF将被一箝制电路箝制于一门坎电压VTH，箝制电路包含运算放大器282与晶体管283。因此，被乘以放大系数K的第二保持讯号VP2小于门坎电压VTH，或者若被乘以放大系数K的第二保持讯号VP2等于或大于门坎电压VTH时，被乘以放大系数K的第二保持讯号VP2则被箝制于门坎电压VTH。也就是说，参考讯号VREF小于门坎电压VTH，或者若参考讯号VREF相等或大于门坎电压VTH时，参考讯号VREF则被箝制于门坎电压VTH。
运算放大器282的一负输入端提供有门坎电压VTH，运算放大器282的一正输入端耦接晶体管283的一汲极与适应性电路200的K倍放大器281的一输出。运算放大器282的一输出端控制晶体管283的一闸极。晶体管283的一源极耦接至接地端。若参考讯号VREF相等或大于门坎电压VTH时，晶体管283则被运算放大器282导通，以箝制参考讯号VREF在门坎电压VTH。换言之，在功率转换器的一切换周期，藉由取样与保持侦测讯号VDET，并相乘于放大系数K，而产生参考讯号VREF，且更被限制于门坎电压VTH。
切换电路包含比较器284与脉宽调变电路285，并依据侦测讯号VDET与参考讯号VREF产生控制讯号SW，以控制功率转换器的同步开关Q2(如图1所示)。比较器284的一正输入端接收侦测讯号VDET，比较器284的一负输入端接收参考讯号VREF。比较器284比较侦测讯号VDET与参考讯号VREF而产生切换讯号SON。但必须注意，侦测讯号VDET是藉由功率转换器的目前这一个切换周期所产生，而参考讯VREF是透过取样与保持藉由功率转换器的先前一个切换周期所产生的侦测讯号VDET并乘以放大系数K所产生，参考讯VREF更限制于门坎电压VTH。换言之，藉由比较目前这一个切换周期所产生的侦测讯号VDET与参考讯号VREF而产生切换讯号SON，而参考讯号VREF是藉由先前一个切换周期所产生的侦测讯号VDET而产生。因此，当侦测讯号VDET大于参考讯号VREF时，切换讯号SON则保持导通。另一方面，当侦测讯号VDET小于参考讯号VREF时，切换讯号SON则保持截止。
脉宽调变电路285依据切换讯号SON产生控制讯号SW于控制电路20的输出端OUT，以切换同步开关Q2。因为切换讯号SON与控制讯号SW在一切换周期是完全相同且同相位，所以切换讯号SON关联于控制讯号SW。切换讯号SON用于导通脉宽调变电路285以控制同步开关Q2。脉宽调变电路285为现有技术，因此在此不再详述。
请参阅图4A，其是本发明的上升边缘侦测器210的一较佳实施例的电路图。揭露于图3的上升边缘侦测器210包含一第一反相器211、一电流源212、一晶体管213、一电容214、一第二反相器215与一与门216。上升边缘侦测器210接收侦测讯号VDET，以在侦测讯号VDET的一上升边缘产生第一取样讯号SP1。晶体管213的一闸极经由第一反相器211接收侦测讯号VDET。侦测讯号VDET经由第一反相器211控制晶体管213。电流源212耦接一电压源VCC与晶体管213的一汲极之间。晶体管213的一源极耦接至接地端。
电容214连接于晶体管213的汲极与接地端之间。晶体管213并联于电容214以对电容214放电。电流源212连接电压源VCC并用于对电容214充电。电流源212与电容214的电容值决定跨于电容214的电压的脉波宽度与振幅。与门216的一输入端经由第二反相器215耦接晶体管213的汲极与电容214，与门216的另一输入端接收侦测讯号VDET，与门216的一输出端产生第一取样讯号SP1。
请参阅图4B，其是本发明的下降边缘侦测器220的一较佳实施例的电路图。揭露于图3的下降边缘侦测器220包含一第一反相器221、一电流源222、一晶体管223、一电容224、一第二反相器225、一与门226与一第三反相器227。下降边缘侦测器220接收侦测讯号VDET，以在侦测讯号VDET的一下降边缘产生第二取样讯号SP2。晶体管223的一闸极经由第一反相器221与第三反相器227接收侦测讯号VDET。第一反相器221耦接于第三反相器227与晶体管223的闸极之间。侦测讯号VDET经由第一反相器221与第三反相器227控制晶体管223。电流源222耦接于电压源VCC与晶体管223的一汲极之间，晶体管223的一源极耦接至接地端。
电容224连接于晶体管223的汲极与接地端之间。晶体管223并联于电容224以对电容224放电。电流源222连接电压源VCC且用于对电容224充电。电流源222与电容224的电容值决定跨于电容224的电压的脉波宽度与振幅。与门226的一输入端经由第二反相器225耦接晶体管223的汲极与电容224。与门226的另一输入端经由第三反相器227接收侦测讯号VDET，与门226的一输出端产生第二取样讯号SP2。
请参阅图5，其是本发明的一较佳实施例的参考讯号VREF、侦测讯号VDET、第一取样讯号SP1、第二取样讯号SP2与切换讯号SON的输出波形。如先前所述，第一取样讯号SP1为对应侦测讯号VDET的复数上升边缘的复数单击脉波，而第二取样讯号SP2为对应侦测讯号VDET的复数下降边缘的复数单击脉波。第一取样讯号SP1是依据侦测讯号VDET的上升边缘所产生。第二取样讯号SP2是依据侦测讯号VDET的下降边缘所产生。
如切换讯号SON的切换波形所示，切换讯号SON是透过比较目前这一个切换周期所产生的侦测讯号VDET与参考讯号VREF所产生，而参考讯号VREF是藉由先前一个切换周期所产生的侦测讯号VDET而产生。参考讯号VREF是依据第二保持讯号VP2(如图3所示)所产生，而第二保持讯号VP2是透过取样与保持侦测讯号VDET所产生。然而，被乘以放大系数K的第二保持讯号VP2将如虚线所示而被限制于门坎电压VTH。因此，参考讯号VREF小于门坎电压VTH，或者若参考讯号VREF相同或大于门坎电压时VTH时，参考讯号VREF则被箝制于门坎电压VTH。
在时序T1与时序T2之间，切换讯号SON被产生并且参考讯号VREF的振幅会随输入电压VIN与侦测讯号VDET的增加而逐渐地增加。值得注意的，在时序T2与时序T3之间，切换讯号SON被产生，并且即使输入电压VIN与侦测讯号VDET仍然上升，参考讯号VREF的振幅会保持一固定值(如所示的门坎电压VTH)。在时序T3与时序T4之间，切换讯号SON被产生，并且参考讯号VREF的振幅会随输入电压VIN与侦测讯号VDET的降低而逐渐地减小。
综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种适应性同步整流控制电路，其特征在于，包含：
一适应性电路，耦接一功率转换器的一功率变压器的一二次侧绕组，并依据该功率转换器的一侦测讯号的一上升边缘与一下降边缘取样与保持该侦测讯号而产生一参考讯号；
一箝制电路，耦接该适应性电路，若该参考讯号相等或大于一门坎电压时，该箝制电路则箝制该参考讯号于该门坎电压；以及
一切换电路，依据该侦测讯号与该参考讯号产生一控制讯号，而控制该功率转换器的一同步开关。
2.如权利要求1所述的适应性同步整流控制电路，其特征在于，其中该适应性电路更包含一取样保持电路，以取样与保持该侦测讯号而产生该参考讯号。
3.如权利要求2所述的适应性同步整流控制电路，其特征在于，其中该适应性电路更包含一放大器，其耦接该取样保持电路，该取样保持电路取样与保持该侦测讯号以产生一保持讯号，该放大器接收该保持讯号并依据该保持讯号与一放大系数产生该参考讯号。
4.如权利要求2所述的适应性同步整流控制电路，其特征在于，其中该适应性电路更包含：
一上升边缘侦测器，依据该侦测讯号的该上升边缘产生一第一取样讯号；以及
一下降边缘侦测器，依据该侦测讯号的该下降边缘产生一第二取样讯号；
其中，该第一取样讯号与该第二取样讯号用于控制该取样保持电路，以取样与保持该侦测讯号而产生该参考讯号。
5.如权利要求1所述的适应性同步整流控制电路，其特征在于，其中该箝制电路包含：
一晶体管，耦接于该适应性电路与一接地端之间；以及
一运算放大器，依据该参考讯号与该门坎电压控制该晶体管；
其中，该参考讯号相等或大于该门坎电压时，该晶体管被该运算放大器导通，以箝制该参考讯号于该门坎电压。
6.如权利要求1所述的适应性同步整流控制电路，其特征在于，其中该切换电路更包含：
一比较器，比较该侦测讯号与该参考讯号以产生一切换讯号；以及
一脉宽调变电路，依据该切换讯号产生该控制讯号。
7.如权利要求1所述的适应性同步整流控制电路，其特征在于，其中该侦测讯号是藉由该功率转换器的目前这一个切换周期所产生，而该参考讯号是透过取样与保持藉由该功率转换器的先前一个切换周期所产生的该侦测讯号而产生。
8.如权利要求1所述的适应性同步整流控制电路，其特征在于，其中该侦测讯号关联于该功率转换器的一输入电压。
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