CN103516181B - 控制电路以及同步整流控制电路 - Google Patents

Abstract

一种同步整流控制电路，具有电荷泵且用于功率转换器。此同步整流控制电路包括：同步整流驱动器、电荷泵电容器以及电容器。同步整流驱动器耦接变压器，且生成控制信号来切换晶体管。电荷泵电容器耦接电源，且生成电荷泵电压。电容器储存电荷泵电压。晶体管耦接该变压器，且操作如同一同步整流器。电荷泵电压确保了控制信号的足够驱动能力。

Description

控制电路以及同步整流控制电路

技术领域

本发明关于一种同步整流的控制电路，更具体而言，本发明关于其一种具有电荷泵的同步整流的控制电路，以改善功率转换器的效率。

背景技术

同步整流技术已揭露于许多的现有技术中，例如，名称为“PWM Controller forSynchronous Rectifier of Flyback Power Converter”且编号为6,995,991的美国专利、名称为“Synchronous Rectification Circuit for Power Converters”且编号为7,440,298的美国专利，以及名称为“Synchronous Rectifying for Soft Switching PowerConverters”且编号为8,072,787的美国专利。

图1表示现有具有同步整流的功率转换器。由切换信号S_W所控制的晶体管20耦接来切换变压器10，以将来自输入电压V_IN的能量转移至功率转换器的输出电压V_O。当整流器35(或者是晶体管30的本体二极管)接通以将电源由变压器10传递至输出电容器40时，晶体管30将接通以减少整流器35的传导损失(整流器35的顺向偏压降)。同步整流控制电路50的端点DET耦接晶体管30以及/或变压器10以检测信号S_DET并实现同步整流。同步整流控制电路50根据信号S_DET以在其端点VG上生成控制信号V_G。控制信号V_G用来切换晶体管30。在大多数的应用中，在同步整流控制电路50的端点VCC上的电源(V_CC)由功率转换器的输出电压V_O所供应。这些应用的缺点是，当输出电压V_O变成一低电压时，控制信号V_G的电压电平不足以驱动晶体管30。

图2表示现有功率转换器的电压-电流曲线(输出电压V_O相对于输出电流I_O)。当功率转换器操作在定电流模式时，输出电压V_O将为一低电压。在区域65中，输出电压V_O相对低。假使功率转换器操作在区域65，同步整流控制电路50的电源(V_CC)会过低，以使得控制信号V_G无法完全地接通晶体管30。这将导致功率转换器的低效率问题。

发明内容

本发明提供一种同步整流控制电路，具有电荷泵且用于功率转换器。此同步电流控制电路包括：同步整流驱动器、电荷泵电容器、电容器、多个开关、振荡器以及检测电路。同步整流驱动器耦接变压器，且生成控制信号来切换晶体管。电荷泵电容器耦接电源，且生成电荷泵电压。电容器储存电荷泵电压。晶体管耦接该变压器，且操作如同同步整流器。电荷泵电压确保了控制信号的足够驱动能力。所述多个开关以切换方式来对电荷泵电容器充电，藉此实现电荷泵。振荡器生成振荡信号来实现电荷泵电容器的切换方式。检测电路检测电源的电压电平。当电源的电压电平高于阈值时，检测电路生成检测信号。检测信号禁用电荷泵以及将电源传递至电容器。当电荷泵电压低于低电压阈值时，控制信号被禁用。当电荷泵电压高于高电压阈值时，控制信号被启用。

本发明提供一种控制电路，用于功率转换器的同步整流。此控制电路包括同步整流驱动器、升压电感器、电容器、开关、检测电路以及振荡器。同步整流驱动器耦接变压器，且生成控制信号来切换晶体管。升压电感器耦接电源，且生成升压电压。电容器储存升压电压。晶体管耦接变压器，且操作如同同步整流器。升压电压确保了控制信号的足够驱动能力。开关用来切换升压电感器来实现升压切换操作。检测电路检测电源的电压电平。当电源的电压电平高于阈值时，检测电路生成检测信号。检测信号禁用升压切换操作以及将电源传递至电容器。振荡器生成振荡信号来切换升压电感器。当升压电压低于低电压阈值时，控制信号被禁用。当升压电压高于高电压阈值时，控制信号被启用。

附图说明

图1表示现有具有同步整流的功率转换器；

图2表示在图1中具有同步整流的功率转换器的电压-电流曲线；

图3表示根据本发明一实施例，具有同步整流的功率转换器；

图4表示根据本发明一实施例，在图3中功率转换器的同步整流控制电路；

图5表示根据本发明一实施例，在图4中同步整流控制电路的时序器电路；

图6A以及图6B分别表示在图3中同步整流控制器的电荷泵的第一周期以及第二周期；

图7表示表示在图3中同步整流控制器不具电荷泵的操作；

图8表示根据本发明一实施例，在图4中同步整流控制电路的同步整流驱动器；

图9表示根据本发明另一实施例具有同步整流的功率转换器；

图10表示根据本发明一实施例，在图9中功率转换器的同步整流控制电路；

图11A与图11B分别表示在图9中同步整流控制器的升压切换操作的第一周期以及第二周期；以及

图12表示在图9中同步整流控制器不具升压切换操作的操作。

[标号说明]

图1：

图2：

65～区域； I_O～输出电流；

V_O～输出电压；

图3：

图4：

图5：

图6A、6B、7：

51～电荷泵电容器； 52～电容器；

71、72、73、74～开关； S₁、S₂、S₃、S₄～信号；

VCC～端点； VDD～端点；

X、Y～端点；

图8：

图9：

图10：

图11A、11B、12：

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，并配合所附图式，作详细说明如下。

图3表示根据本发明一实施例的功率转换器。由切换信号S_W所控制的晶体管20耦接来切换变压器10，以将来自输入电压V_IN的能量转移至功率转换器的输出电压V_O。当整流器35(或者是晶体管30的本体二极管)接通以将电源由变压器10传递至输出电容器40时，晶体管30将接通以减少整流器35的传导损失(整流器35的顺向偏压降)。晶体管30的操作使其如同一同步整流器。同步整流控制电路50的端点DET耦接晶体管30以及/或变压器10以检测信号S_DET并实现同步整流。具有电荷泵(charge pump)同步整流控制电路100操作来驱动晶体管30。同步整流控制器100耦接介于其端点X与Y之间的电荷泵电容器51，以将V_CC电压(电源)升压并储存至电容器52，因此在同步整流控制电路100的端点VDD上生成V_DD电压。V_DD电压的电平高于V_CC电压的电平。V_DD电压可确保了生成于同步整流控制电路100的端点VG上的控制信号V_G，具有足够的驱动能力来驱动晶体管30。当V_CC电压为一高电压时，同步整流控制电路100将禁用电荷泵，且直接将V_CC电压耦合成为V_DD电压。

图4表示根据本发明一实施例的同步整流控制电路100。同步整流控制电路100包括多个开关71、72、73、与74、时序器电路200以及同步整流驱动器300。同步整流驱动器300耦接变压器10以生成控制信号V_G来切换晶体管30。这些开关71、72、73、与74耦接电荷泵电容器51以生成V_DD电压。开关71、72、73、与74的接通/关断(on/off)状态分别由时序器电路200所生成的信号S₁、S₂、S₃、与S₄来控制。在同步整流控制电路100的端点VCC上的V_CC电压(电源)耦合至时序器电路200以生成信号S₁、S₂、S₃、与S₄。V_DD电压耦合来将电源供应至同步整流驱动器300。同步整流驱动器300根据V_CC电压以及/或信号S_DET来生成控制信号V_G。检测信号S_DET以生成控制信号V_G来驱动晶体管30的操作已为本领域技术人员所知，因此在此省略相关叙述。

图5表示根据本发明一实施例的同步整流控制电路100的时序器电路200。时序器电路200包括振荡器210、比较器215、触发器230、信号生成器250、或门251、252与254以及或非门253。振荡器210生成振荡信号S_OSC，其耦合至信号生成器250以生成信号S_A、S_B、S_C、与S_D。比较器215以及触发器230形成一检测电路，以检测V_CC(电源)。比较器215接收V_CC电压(电源)以及阈值V_T1，且比较此两者。当V_CC电压高于阈值V_T1时，比较器215通过触发器230生成检测信号S_V。检测信号S_V以及信号S_A、S_B、S_D、与S_C通过或门251、252与254以及或非门253来分别生成信号S₁、S₂、S₄、与S₃。在第一周期(如图6A所示)，信号S₁与S₂被启用以分别接通开关71与72。跨越电荷泵电容器51的电压将被充电至与V_CC电压的电平相同的电平。在第二周期(如图6B所示)，信号S₃与S₄被启用以分别接通开关73与74。V_CC电压与跨越电荷泵电容器51的电压将被加总以对电容器52充电。即，V_CC电压与跨越电荷泵电容器51的电压的加总电压将储存于电容器52中。在此时，V_DD电压的电平将大致等于V_CC电压的电平的两倍。当V_CC电压高于阈值V_T1时，检测信号S_V将被生成来禁用信号S₃且启用信号S₁、S₂、与S₄(显示于图7，开关71、72、与74接通而开关73关断)，因此，V_CC电压将直接地供应作为V_DD电压(电荷泵将被禁用)。

图8表示根据本发明一实施例的同步整流驱动器300。同步整流驱动器300包括比较器310、反相器315、开关320与321以及同步整流信号生成器350。V_DD电压耦合来对同步整流信号生成器350供电。同步整流信号生成器350根据信号S_UV以及V_CC电压以及/或信号S_DET来生成控制信号V_G。当V_DD电压高于一高电压阈值V_T2时，信号S_UV由比较器310所生成(启用)。当信号S_UV被启用时，控制信号V_G被启用。反相器315以及开关320与321形成迟滞电路。当V_DD电压低于一低电压阈值V_T3时，信号S_UV被禁用。其中，高电压阈值V_T2的电平高于低电压阈值V_T3的电平。当信号S_UV被禁用时，控制信号V_G被禁用。

图9表示根据本发明另一实施例的具有同步整流的功率转换器。具有电荷泵的同步整流控制电路500耦接来驱动晶体管30。同步整流控制电路500耦接升压电感器53，以将V_CC电压(电源)升压至V_DD电压，藉此储存在电容器52，其中，升压电感器53耦接同步整流控制电路500的端点B。V_DD电压可确保了生成于同步整流控制电路500的端点VG上的控制信号V_G，具有足够的驱动能力来驱动晶体管30。当V_CC电压为一高电压时，同步整流控制电路500将禁用升压切换操作，且直接将V_CC电压耦合成为V_DD电压。

图10表示根据本发明一实施例的同步整流控制电路500。同步整流控制电路500包括振荡器210、比较器215、触发器230、同步整流驱动器300、开关510与520、或非门515、或门525以及信号生成器600。开关510与520耦接以切换升压电感器53，藉以生成V_DD电压。开关510与520的接通/关断(on/off)状态分别由信号S_X与S_Y来控制。振荡器210生成振荡信号S_OSC，其耦合至信号生成器600。根据V_DD电压的电平，信号生成器600通过或非门515以及或门525来分别生成信号S_X与S_Y。当V_CC电压高于阈值V_T1时，比较器215通过触发器230来生成检测信号S_V。根据检测信号S_V，藉由或非门515以及或门525来分别生成信号S_X与S_Y。V_DD电压耦合来对同步整流驱动器300供电。同步整流驱动器300根据V_CC电压以及/或信号S_DET来生成控制信号V_G。

图11A与图11B分别表示同步整流控制电路500的电荷泵的升压切换操作的第一周期以及第二周期。参阅图11A，当信号S_X被启用且开关510接通时，升压电感器53通过电流I_L来充电。在此时，储存在升压电感器53的能量生成升压电压。参阅图11B，当信号S_Y被启用且开关520接通时，升压电感器53的能量被放电以对电容器52进行充电，藉此生成V_DD电压。因此，升压电压将储存在电容器52中。参照下面式子：

$I_L=\frac{V_{\mathrm{CC}}}{L_{53}}\×T_{\mathrm{ON}}---\left(1\right)$

$V_{\mathrm{DD}}=\frac{T}{T-T_{\mathrm{ON}}}\×V_{\mathrm{CC}}---\left(2\right)$

其中，T_ON是开关510的接通时间(信号S_X的启用时间)。T是信号S_X的切换周期。L₅₃是升压电感器53的电感值。

图12表示不具有升压切换操作的同步整流控制电路500的电荷泵。当V_CC电压高于阈值V_T1时，检测信号S_V将生成来禁用信号S_X且启用信号S_Y。如此一来，开关520接通。因此，V_CC电压将供应来作为V_DD电压(不具升压切换操作)。

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的权利要求范围所界定者为准。

Claims (10)

1.一种同步整流控制电路，具有电荷泵且用于功率转换器，包括：

同步整流驱动器，耦接变压器，且生成控制信号来切换晶体管；

电荷泵电容器，耦接电源；

多个开关，当所述电源的电压电平低于一阈值时，以切换方式来对所述电荷泵电容器充电，以生成电荷泵电压，藉此实现电荷泵；以及

电容器，储存所述电荷泵电压；

其中，所述晶体管耦接所述变压器，且操作如同同步整流器；以及

其中，所述电荷泵电压确保了所述控制信号的足够驱动能力。

2.根据权利要求1所述的同步整流控制电路，还包括：

振荡器，生成振荡信号来实现所述电荷泵电容器的所述切换方式。

3.根据权利要求1所述的同步整流控制电路，还包括：

检测电路，检测所述电源的所述电压电平；

其中，当所述电源的所述电压电平高于所述阈值时，所述检测电路生成检测信号；以及

其中，所述检测信号禁用所述电荷泵以及将所述电源传递至所述电容器。

4.根据权利要求1所述的同步整流控制电路，其中，当所述电荷泵电压低于低电压阈值时，所述控制信号被禁用。

5.根据权利要求1所述的同步整流控制电路，其中，当所述电荷泵电压高于高电压阈值时，所述控制信号被启用。

6.一种控制电路，用于功率转换器的同步整流，包括：

同步整流驱动器，耦接变压器，且生成控制信号来切换晶体管；

升压电感器，耦接电源；

开关，当所述电源的电压电平低于一阈值时，切换所述升压电感器来实现升压切换操作，以使所述电源对所述升压电感器充电，藉以生成升压电压；以及

电容器，储存所述升压电压；

其中，所述晶体管耦接所述变压器，且操作如同同步整流器；以及

其中，所述升压电压确保了所述控制信号的足够驱动能力。

7.根据权利要求6所述的控制电路，还包括：

检测电路，检测所述电源的所述电压电平；

其中，当所述电源的所述电压电平高于所述阈值时，所述检测电路生成检测信号；以及

其中，所述检测信号禁用所述升压切换操作以及将所述电源传递至所述电容器。

8.根据权利要求6所述的控制电路，还包括：

振荡器，生成振荡信号来切换所述升压电感器。

9.根据权利要求6所述的控制电路，其中，其中，当所述升压电压低于低电压阈值时，所述控制信号被禁用。

10.根据权利要求6所述的控制电路，其中，当所述升压电压高于高电压阈值时，所述控制信号被启用。