CN102263509A - 具有有源自驱动同步整流的dc/dc功率变换器 - Google Patents

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Abstract

一种DC/DC电压变换器包括具有初级侧和次级侧的变压器。初级侧电路连接于初级侧并包括第一对开关晶体管并接收输入电压，所述第一对开关晶体管响应于来自变压器的初级侧的第一控制信号受到控制。次级侧电路连接于次级侧并包括第二对开关晶体管并提供输出电压，所述第二对开关晶体管响应来自变压器的次级侧的第二控制信号受到控制。驱动电路响应第二对开关晶体管的每个晶体管处的漏极和源极电压以及第一和第二PWM控制信号产生第二控制信号。信号成形电路响应第二对开关晶体管中的每个晶体管的漏极电压提供第一和第二PWM控制信号。

Description

具有有源自驱动同步整流的DC/DC功率变换器
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年5月24日提交的题为“DC/DC POWER CONVERTER HAVINGACTIVE SELF DRIVING SYNCHRONOUS RECTIFICATION(具有有源自驱动同步整流的DC/DC功率变换器)”的美国临时申请No.61/347,624的优先权，该文献全篇地纳入于此作为参考。
技术领域
本发明涉及DC/DC变换器，更具体地涉及具有无源自驱动整流的DC/DC。
背景
DC/DC功率变换器单元利用具有接收输入电压VIN的初级侧的变压器。初级侧电压VIN通过变压器耦合于次级侧。次级侧电路提供输出电压VOUT。初级侧电路和次级侧电路包含开关晶体管，所述开关晶体管需要PWM控制信号从而以各种操作模式操作DC/DC变换器。在初级侧电路和次级侧电路之间需要提供电压隔离。因此，提供给次级侧电路开关晶体管的PWM信号必须要么与初级侧电压隔离，要么以自驱动方式从次级侧提供。因此，需要在高功率密度内的高性能隔离的DC/DC功率变换器单元，从而以有效方式驱动次级侧功率晶体管。这必须以减少次级侧中的部件数量的方式完成，从而最好地利用DC/DC变压器IC应用中的芯片面积。
概述
如本文披露和描述的那样，本发明一个方面包括DC/DC电压变换器，包括具有初级侧和次级侧的变压器。连接于初级侧的初级侧电路包括第一对开关晶体管并接收输入电压，该第一对开关晶体管响应于来自变压器的初级侧的第一控制信号而受到控制。次级侧电路连接于次级侧并包括第二对开关晶体管并提供输出电压，该第二对开关晶体管响应来自变压器的次级侧的第二控制信号受到控制。驱动电路响应第二对开关晶体管的每个晶体管处的漏极/源极电压和第二PWM控制信号产生第二控制信号。信号成形电路响应第二对开关晶体管中的每个晶体管的漏极电压提供第一和第二PWM控制信号。
附图说明
为了更全面地理解，现参考以下结合附图进行的描述，在附图中：
图1是具有无源自驱动整流的现有技术DC/DC变换器的示意图；
图2示出具有无源自驱动整流的DC/DC变换器的又一现有技术实施例；
图3示出在次级侧上使用有源PWM驱动的DC/DC变换器的又一现有技术实施例；
图4示出在次级侧上使用理想二极管有源自驱动整流的技术；
图5示出使用有源自驱动同步整流的DC/DC变换器的示意性框图；
图6示出在半桥变换器中使用有源自驱动整流的DC/DC变换器；
图7示出使用有源自驱动整流的有源前向钳位DC/DC变换器；
图8示出图6和图7的信号成形电路的一个实施例；以及
图9示出图6和图7的信号成形电路的又一实施例。
具体实施方式
现在参考附图，其中在全部附图中相同的附图标记用来指代相同的元件，说明和描述了具有有源自驱动同步整流的DC/DC功率变换器的多个视图和实施例，还描述了其它可能的实施例。这些附图不一定是按比例绘制的，而且仅为说明目的起见，在某些实例中有几处已将附图放大和/或简化。本领域普通技术人员将可理解基于可能实施例的以下示例的许多可能应用和变型。
DC/DC功率变换器单元可利用其中初级侧电路接收输入电压VIN的变压器配置来提供。初级侧电压VIN通过变压器耦合于次级侧电路。次级侧电路提供输出电压VOUT。初级侧电路和次级侧电路包含开关晶体管，所述开关晶体管需要PWM控制信号从而以各种操作模式操作DC/DC变换器。在初级侧电路和次级侧电路之间需要提供电压隔离。因此，提供给次级侧开关晶体管的PWM信号必须要么是与初级侧隔离的电压，要么以自驱动方式从次级侧提供。因此，需要在高功率密度内的高性能隔离的DC/DC功率变换器单元，从而以有效方式驱动次级侧功率晶体管。这必须以减少次级侧中的部件数量的方式完成，从而最好地利用DC/DC变压器IC应用中的芯片面积。
现在参见附图，尤其参见图1和图2，图中示出在半桥电路配置中在DC/DC变换器的次级侧上提供无源自驱动的已有技术。在如图1所示的半桥电路配置中或如图2所示的有源前向钳位DC/DC电压变换器配置中实现高密度方案是相当容易的，但这些类型的系统的性能相当低。在图1所示的示例中，半桥DC/DC电压变换器图示为包括无源自驱动配置。输入电压VIN102施加于节点104。一对电容器106、108连接在节点104和地之间。电容器106连接在节点104和节点110之间。电容器108连接在节点110和地之间。第一开关功率晶体管112具有连接在节点104和节点114之间的漏极/源极路径。第二开关功率晶体管116具有连接在节点114和地之间的漏极/源极路径。变压器118具有连接在节点110和节点114之间的初级侧。变压器118的次级侧分别在节点120和节点122连接于次级侧电路。变压器118的次级侧另外包括中央抽头节点124。
电感器126连接在变压器118的次级侧的中央抽头节点124和节点128之间。电容器130连接在节点128和地之间。次级侧电路另外包括一对开关功率晶体管132、134。开关晶体管132具有连接在节点122和地之间的其漏极/源极路径。开关晶体管132的栅极被连接成从节点120接收驱动信号。开关晶体管134具有连接在节点120和地之间的其漏极/源极路径。晶体管134的栅极被连接成从节点122接收驱动信号。在图1所示的无源自驱动配置中，晶体管132的栅极连接于晶体管134的漏极。同样，晶体管134的栅极连接于晶体管132的漏极。
图2示出有源前向钳位DC/DC电压变换器配置。输入电压202连接在节点204和地之间。变压器206具有连接在节点204和节点208之间的其初级侧。电容器210连接在节点208和节点212之间。初级侧开关功率晶体管由晶体管214和晶体管216构成。晶体管214具有连接在节点208和地之间的其漏极/源极路径。晶体管216具有连接在节点212和地之间的其漏极/源极路径。变压器206的次级侧连接于节点218和节点220之间的次级侧上。电感器222连接在节点218和输出电压节点224之间。输出电压节点VOUT由节点224提供。电容器226连接在节点224和地之间。
次级侧包括一对晶体管228、230。晶体管228具有连接在节点220和地之间的其漏极/源极路径。晶体管228的栅极连接于节点218。晶体管230具有连接在节点218和地之间的其漏极/源极路径以及连接于节点220的其栅极。在图2的配置中，晶体管228的栅极连接于晶体管230的漏极并由其驱动。晶体管230的栅极连接于晶体管228的漏极并由其驱动。
图1和图2的每种方案提供相对高密度的方法，但它们具有非常低的效率。次级侧上的每个晶体管处的栅极电压随着输入电压和输出电压而变化。这些类型的系统非常难以用来实现快速开关系统并在优化次级侧上的晶体管的开关时间之间的死区时间(dead time)方面存在困难。另外，图1和图2的驱动器配置中无法提供关于预偏压起动和高轻载效率的二极管模拟。
现在参见图3，图3示出可用来克服针对图1和图2阐述的低性能问题的有源PWM驱动配置。图3的有源PWM驱动配置具有施加于节点304的输入电压302。一对电容器306、308连接在节点304和地之间。电容器306连接在节点304和节点310之间。电容器308连接在节点310和地之间。初级侧开关功率晶体管312具有连接在节点304和节点314之间的其漏极/源极路径。开关功率晶体管316具有连接在节点314和地之间的其漏极/源极路径。初级侧电路在节点310和节点314处连接于变压器318的初级侧端子。
变压器318的次级侧在节点320和节点322处连接于次级侧电路。次级侧还包括中央抽头节点324。电感器326连接在节点324和节点328之间。电容器330连接在输出电压节点238和地之间。次级侧另外包括开关功率晶体管332和开关功率晶体管334。功率晶体管332具有连接在节点322和地之间的其漏极/源极路径。晶体管334具有连接在节点320和地之间的其漏极/源极路径。晶体管332和334的栅极另外接收来自驱动电路336的控制信号，该驱动电路336提供高电流驱动、最佳的死区时间控制以及二极管模拟。驱动电路336响应从初级侧接收作为信号SRPWM1和SRPWM2的PWM控制信号产生至晶体管332、334的栅极的驱动控制信号。由于这些信号跨变压器边界从初级侧提供至次级侧，因此需要电压隔离电路338。这种配置具有高性能特点，但它难以获得高密度实现。电压隔离电路338的使用限制了电路的密度并增加了伴随产生的成本。
现在参见图4，图4示出在次级侧上使用理想二极管有源自驱动整流的DC/DC变换器的又一现有技术实施例。输入电压VIN402施加于节点404。电容器406连接在节点404和节点408之间。电容器410连接在节点408和地之间。第一开关功率晶体管412具有连接在节点404和节点414之间的其漏极/源极路径。晶体管416具有连接在节点414和地之间的其漏极/源极路径。初级侧电路在节点408和节点414处连接于变压器418的初级侧。
变压器418的次级侧在节点420和节点422处连接于次级侧电路。变压器418的次级侧另外包括中央抽头节点424。电感器426连接在中央抽头节点424和节点428之间。节点428包括用于提供电压VOUT的输出电压节点。电容器430连接在节点428和地之间。次级侧包括一对开关功率晶体管432、434。晶体管432的漏极/源极路径连接在节点422和地之间。晶体管434的漏极/源极路径连接在节点420和地之间。晶体管432、434的栅极连接于驱动电路436，该驱动电路436提供通过晶体管432、434栅极的高电流驱动和击穿保护。一对低偏移、高增益、高速比较器438在分别监视节点422、420处的晶体管432、434的漏极电压的同时向驱动电路436提供驱动控制信号。这种实现提供一种理想的二极管有源自驱动技术，这种技术提供具有自动二极管模拟和最佳死区时间控制的高性能、高密度方案。然而，这种方案不易实现并且由于比较器438造成的长的传播延时而难以实现快速截止。
现在参见图5，图5示出具有有源自驱动同步整流的DC/DC电压变换器502。DC/DC变换器502由初级侧电路504和次级侧电路506构成，初级侧电路504和次级侧电路506经由变压器508耦合在一起。将输入电压VIN提供给初级侧电路504并经由变压器508将其耦合于次级侧电路506。次级侧电路506提供输出电压VOUT。驱动器510监视来自次级侧电路506的各路信号并将驱动控制信号提供给次级侧电路506中的开关功率晶体管。驱动器510从信号成形电路512接收驱动控制信号。信号成形电路512响应从次级侧电路506中的各个节点监测到的电压来将控制信号提供给驱动器510。
现在参见图6，图6提供在半桥变换器电路中具有有源自驱动整流的DC/DC电压变换器的示图。这种配置提供易于实现的高性能、高密度配置。该装置与50％占空比总线变换器良好地工作。另外，当占空比小于50％时，提供二极管快速恢复式整流(freewheeling)。输入电压VIN602提供于节点604。第一电容器606连接在节点604和节点608之间。第二电容器610连接在节点608和地之间。第一开关功率晶体管612具有连接在节点604和节点614之间的其漏极/源极路径。第二开关功率晶体管616具有连接在节点614和地之间的其漏极/源极路径。变压器618具有在节点608和节点614处连接于初级侧电路的其初级侧。
变压器618的次级侧在节点620和节点622处连接于次级侧电路。该次级侧另外包括中央抽头节点624。电感器626连接在中央抽头节点624和节点628之间。节点628包括提供输出电压VOUT的输出电压节点。电容器630连接在节点628和地之间。第一开关功率晶体管632具有连接在节点622与地之间的其漏极/源极路径。第二开关功率晶体管634具有连接在节点620和地之间的其漏极/源极路径。晶体管632和晶体管634的每一个的栅极被连接成从驱动电路636接收驱动信号。驱动电路636在预偏压起动过程中提供高电流驱动、最佳死区时间控制和二极管模拟能力。
还连接驱动电路636以监测每个晶体管632、634的漏极电压和源极电压。驱动器636包括电容器638。驱动器636分别从信号成形电路640、642接收第一PWM信号(PWM1)和第二PWM信号(PWM2)。信号成形电路640监测在节点620处晶体管634的漏极处的电压。信号成形电路642则监测在节点622处晶体管632的漏极处的漏极电压，并响应于此产生成形的信号。
现在参见图7，在关联实施例中，DC/DC变换器包括在有源前向钳位变换器中的有源自驱动整流。在该有源前向钳位变换器配置中，在节点704将输入电压702施加于变压器706的初级侧的输入。变压器706的初级侧的另一输入来自节点708。电容器710连接在节点708和节点712之间。第一开关晶体管功率714具有连接在节点708和地之间的其漏极/源极路径。第二开关功率晶体管716具有连接在节点712和地之间的其漏极/源极路径。
变压器706的次级侧在节点718和节点720处连接于次级侧电路。电感器722连接在节点718和节点724之间。节点724包括用于提供输出电压VOUT的输出电压节点。电容器726连接在节点724和地之间。次级侧上的第一开关功率晶体管728具有连接在节点720和地之间的其漏极/源极路径。第二开关功率晶体管730具有连接在节点718和地之间的其漏极/源极路径。晶体管728、730的每一个的栅极被连接成从驱动控制电路732接收驱动控制信号。驱动电路732在预偏压起动过程中提供高电流驱动、最佳死区时间控制和二极管模拟能力。驱动电路分别经由控制线734、736向晶体管728、730的栅极提供驱动控制信号。驱动电路732监测每个晶体管728、730的各个漏极电压和源极电压。驱动电路732还包括电容器738。该驱动电路732还分别从信号成形电路740、742接收PWM 1控制信号和PWM 2控制信号。信号成形电路740监测在节点718处开关功率晶体管730的漏极电压。信号成形电路742监测在节点720处开关功率晶体管728的漏极电压并响应于此产生成形的信号。
现在参见图8，图8示出图6和图7中讨论的信号成形电路的一个实施例。在图8的实施例中，信号成形电路包括具有到此的输入和输出的比较器802。电阻器804连接在自驱动比较器802的输入和地之间。自驱动比较器接收输入信号INB，该输入信号INB通过电阻器805连接于来自次级侧开关功率晶体管之一的漏极电压。如果INB低于例如0.7伏的截止阈值，则输出OUTB变低并保持低长达最少200纳秒。如果自驱动比较器802的输入大于例如0.9伏的导通阈值，则OUTB信号变高并保持高长达最少200纳秒。可调整电阻器805以针对集成电阻器804和比较器802实现的不同输出电压将相同的阈值匹配到驱动器IC。
现在参见图9，图6和图7的信号成形电路640、642、740和742可包括数种配置。图9中示出一种这样的配置。电路的节点902连接于相联的开关功率晶体管的漏极电压而节点904连接于相联的开关功率晶体管的源极电压。电容器906连接在节点902和节点908之间。电阻器910连接在节点908和节点912之间。齐纳二极管914的阴极连接于节点912而其阳极连接于节点904。电阻器916与电容器906和电阻器910并联于节点902和节点912之间。电阻器918与齐纳二极管914并联于节点912和节点904之间。比较器920的非反相输入端连接于节点912并且其反相输入端被连接成接收基准电压922，所述基准电压922连接在比较器920的反相输入端和节点904之间。比较器920的输出从节点924提供PWM信号，该PWM信号被提供给相联电路的驱动电路。反馈电阻器926连接在节点924处的比较器输出和节点912处其非反相输入之间。
使用图6-图8的前述电路，可通过形成变压器次级绕组信号分别针对驱动晶体管Q1和Q2产生同步MOSFET驱动PWM信号，从而省去来自初级侧控制器的PWM信号的需要。这允许在电路的次级侧产生PWM信号而无需图3所示实现中所必须的在初级侧和次级侧之间的电压隔离。另外，能获得比关于图1、2和图4所述的实现更高的有源驱动电路性能。
已细阅本公开的本领域内技术人员能理解，该具有有源自驱动同步整流的DC/DC功率变换器提供有效的、低密度配置。应当理解的是，本文中的附图和详细描述应被认为是解说性而不是限制方式的，而且不旨在受限于所公开的特定形式和示例。反之，如所附权利要求所限定地，在不背离本发明的精神和范围的情况下，所包括的是对本领域的普通技术人员而言显而易见的任何进一步修改、变化、重新排列、替换、替代物、设计选择以及实施例。因此，旨在使所附权利要求被解释为包含所有这些进一步修改、变化、重新排列、替换、替代物、设计选择以及实施例。

Claims (20)

1.一种DC/DC电压变换器，包括：
包含初级侧和次级侧的变压器；
连接于初级侧的初级侧电路，所述初级侧电路包括第一对开关晶体管并接收输入电压，所述第一对开关晶体管响应于来自变压器的初级侧的第一控制信号受到控制；
连接于次级侧的次级侧电路，所述次级侧电路包括第二对开关晶体管并提供输出电压，所述第二对开关晶体管响应来自变压器的次级侧的第二控制信号受到控制；
响应第二对开关晶体管的每个晶体管处的漏极和源极电压以及第一和第二PWM控制信号产生第二控制信号的驱动电路；以及
响应第二对开关晶体管中的每个晶体管的漏极电压提供第一和第二PWM控制信号的信号成形电路。
2.如权利要求1所述的DC/DC电压变换器，其特征在于，所述变压器、初级侧电路和次级侧电路处于半桥配置。
3.如权利要求1所述的DC/DC电压变换器，其特征在于，所述变压器、初级侧电路和次级侧电路处于有源前向钳位配置。
4.如权利要求1所述的DC/DC电压变换器，其特征在于，所述驱动电路提供高电流驱动。
5.如权利要求1所述的DC/DC电压变换器，其特征在于，所述驱动电路提供第二对开关晶体管之间的死区时间控制。
6.如权利要求1所述的DC/DC电压变换器，其特征在于，所述驱动电路提供第二对晶体管的二极管模拟。
7.如权利要求1所述的DC/DC电压变换器，其特征在于，所述信号成形电路还包括：
响应第二对开关晶体管的第二晶体管的漏极电压产生第一PWM信号的第一信号成形电路；以及
响应第二对开关晶体管的第一晶体管的漏极电压产生第二PWM信号的第二信号成形电路。
8.如权利要求7所述的DC/DC电压变换器，其特征在于，所述第一信号成形电路还进一步响应所述第二晶体管的源极电压产生第一PWM信号，并且所述第二信号成形电路还进一步响应所述第一晶体管的源极电压产生第二PWM信号。
9.一种DC/DC电压变换器，包括：
包含初级侧和次级侧的变压器；
连接于初级侧的初级侧电路，所述初级侧电路包括第一对开关晶体管并接收输入电压，所述第一对开关晶体管响应于来自变压器的初级侧的第一控制信号受到控制；
连接于次级侧的次级侧电路，所述次级侧电路包括第二对开关晶体管并提供输出电压，所述第二对开关晶体管响应来自变压器的次级侧的第二控制信号受到控制；
响应第二对开关晶体管的每个晶体管处的漏极和源极电压以及第一和第二PWM控制信号产生第二控制信号的驱动电路；
响应第二对开关晶体管的第二晶体管的漏极电压产生第一PWM信号的第一信号成形电路；以及
响应第二对开关晶体管的第一晶体管的漏极电压产生第二PWM信号的第二信号成形电路。
10.如权利要求9所述的DC/DC电压变换器，其特征在于，所述变压器、初级侧电路和次级侧电路处于半桥配置。
11.如权利要求9所述的DC/DC电压变换器，其特征在于，所述变压器、初级侧电路和次级侧电路处于有源前向钳位配置。
12.如权利要求9所述的DC/DC电压变换器，其特征在于，所述驱动电路提供高电流驱动。
13.如权利要求9所述的DC/DC电压变换器，其特征在于，所述驱动电路提供第二对开关晶体管之间的死区时间控制。
14.如权利要求9所述的DC/DC电压变换器，其特征在于，所述驱动电路提供第二对晶体管的二极管模拟。
15.一种运作DC/DC电压变换器的方法，所述方法包括以下步骤：
接收输入电压；
切换接收输入电压的变压器的初级侧上的第一对晶体管；
将变压器的初级侧上的电压耦合于所述变压器的次级侧；
响应驱动信号切换所述变压器的次级侧上的第二对晶体管；
响应所述第二对晶体管的漏极电压和源极电压以及第一PWM信号和第二PWM信号以在所述变压器的次级侧上产生驱动信号；以及
响应第二对开关晶体管中的每个晶体管的漏极电压产生第一和第二PWM控制信号。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括在所述第二对开关晶体管之间提供死区时间控制的步骤。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括提供所述第二对晶体管的二极管模拟的步骤。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述产生第一PWM和第二PWM控制信号的步骤还包括以下步骤：
响应第二对开关晶体管中的第二晶体管的漏极电压产生第一PWM信号；以及
响应第二对开关晶体管中的第一晶体管的漏极电压产生第二PWM信号。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述产生第一PWM信号的步骤还包括进一步响应所述第二晶体管的源极电压产生第一PWM信号的步骤，并且其中所述产生第二PWM信号的步骤还包括进一步响应所述第一晶体管的源极电压来产生第二PWM信号的步骤。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述产生第一PWM和第二PWM控制信号的步骤还包括将所述第二对晶体管的漏极电压信号成形以产生第一PWM和第二PWM控制信号的步骤。
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