CN103683866B - 功率转换器的具有充电泵浦电路的晶体管闸极驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率转换器的具有充电泵浦电路的晶体管闸极驱动器,其中功率转换器的控制器包含一晶体管闸极驱动器。晶体管闸极驱动器产生一闸极驱动讯号,用以驱动功率晶体管,以使功率转换器的变压器切换,进而调整功率转换器的输出。晶体管闸极驱动器具有一充电泵浦电路,其用于提升闸极驱动讯号的电压准位。如此,闸极驱动讯号可以使功率晶体管完全导通。

Description

功率转换器的具有充电泵浦电路的晶体管闸极驱动器
技术领域
本发明为有关于一种功率转换器,尤其是关于功率转换器的控制器的晶体管闸极驱动器,其特别在于具有充电泵浦电路。
背景技术
请参阅图1具有定电流输出的一次侧调整功率转换器的电路图。功率转换器(例如:电源充电器(power adaptor))经常被要求能以定电流对电池充电。功率转换器包含变压器110,用来产生输出(输出电压VO及输出电流IO)。变压器110具有一次侧绕组NP、二次侧绕组NS及辅助绕组NA。二次侧绕组NS经由二极管140及电容器145产生输出电压VO及输出电流IO。输出电压VO及输出电流IO产生于功率转换器的输出端。一次侧绕组NP的第一端耦接输入电压VIN,一次侧绕组NP的第二端耦接功率晶体管120的汲极。
一控制器50产生一闸极驱动讯号SG,其耦接功率晶体管120的闸极,用来驱动功率晶体管120,以使变压器110切换,同时调整功率转换器的输出电压VO及输出电流IO。换句话说,当功率晶体管120导通时,变压器110即被激磁(magnetized)。
一电流感测装置,例如电阻器125,其耦接于功率晶体管120的源极及接地端之间。电阻器125侦测变压器110的切换电流IT,以产生一电流感测讯号VCS。电流感测讯号VCS耦接控制器50,并关联于切换电流IT
二极管140的阳极耦接二次侧绕组NS的第一端。电容器145耦接于二极管140的阴极及二次侧绕组NS的第二端之间,电容器145更耦接功率转换器的输出端。
二极管130的阳极耦接辅助绕组NA的第一端。辅助绕组NA的第二端耦接于接地端。电容器135耦接于二极管130的阴极及接地端之间。当功率晶体管120截止时,变压器110的二次侧绕组NS会经由二极管140及电容器145产生输出电压VO及输出电流IO。此时,变压器110的辅助绕组NA将经由二极管130与电容器135产生电源电压VDD。电源电压VDD用来供应电能至控制器50。上述的二极管130与140用来作为整流器。
由于二次侧绕组NS、辅助绕组NA与一次侧绕组NP成一比例,所以电流感测讯号VCS及电源电压VDD分别相关联于输出电流IO与输出电压VO。电源电压VDD相关联于输出电压VO可用下面方程式(1)表示:
V DD = T NA T NS × V O - - - ( 1 )
其中,“TNA/TNS”是变压器110的辅助绕组NA及二次侧绕组NS的匝数比例。
分压电路包含电阻器131与133。分压电路耦接于变压器110的辅助绕组NA及接地端之间。经由变压器110的辅助绕组NA,反射讯号VS产生于电阻器131与133的耦接点并耦接于控制器50。由于辅助绕组NA相关联于二次侧绕组NS,所以反射讯号VS相关联于输出电压VO及输出电流IO。因此,闸极驱动讯号SG依据反射讯号VS而产生,用来调整功率转换器的输出电压VO及输出电流IO
一次侧调整技术已揭露于许多专利案中,例如:美国专利第6,721,192号“PWMcontroller regulating output voltage and output current in primary side”、美国专利第6,853,563号“Primary-side controlled flyback power converter”以及美国专利第6,977,824号“Control circuit for controlling output current at the primaryside of a power converter”。
请参阅图2,其为图1功率转换器的输出电压对输出电流的特性曲线图。如图所示,当功率转换器的输出电流IO达到一定电流准位时,输出电压VO会下降以将输出电流IO调整为固定值。一旦输出电压VO下降至低电压时(如曲线中所示之范围150),控制器50的电源电压VDD亦会相随下降(如方程式(1)所示)。电源电压VDD为低电压时,较低电压值的闸极驱动讯号SG被产生,而较低电压值的闸极驱动讯号SG无法使功率晶体管120导通。
本发明的目的即是为了解决上述问题。一晶体管闸极驱动器被发展出,即使当电源电压VDD为低电压时,此晶体管闸极驱动器仍可以使功率晶体管120完全导通。一美国专利案第7,471,121号“Transistor drive circuit of power converter operating in awide voltage range”被设计用来解决上述问题。但是,其缺点是控制器的芯片尺寸较大,且成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供功率转换器的控制器的闸极驱动电路,其具有充电泵浦电路,并可以减少控制器的电路的成本及尺寸。
本发明的一次侧调整功率转换器的控制器包含切换电路、晶体管闸极驱动器及电压调整器。切换电路依据回授讯号产生切换讯号,用来调整功率转换器的输出。晶体管闸极驱动器接收切换讯号用以产生闸极驱动讯号,闸极驱动讯号用于驱动功率晶体管,使功率转换器的变压器的一次侧绕组切换。变压器具有辅助绕组,用来提供电源电压,以供应电能至控制器。电压调整器接收电源电压,用来产生调整电压,调整电压提供电能至切换电路与晶体管闸极驱动器。晶体管闸极驱动器具有充电泵浦电路,其耦接电源电压及调整电压,以提升闸极驱动讯号的电压准位。
本发明的功率转换器的控制器包含晶体管闸极驱动器,晶体管闸极驱动器产生闸极驱动讯号,用来驱动功率晶体管,使功率转换器的变压器切换,以调整功率转换器的输出。晶体管闸极驱动器具有充电泵浦电路,以提升闸极驱动讯号的电压准位。
附图说明
图1:为具有定电流输出的一次侧调整功率转换器的电路图;
图2:为图1功率转换器的输出电压对输出电流的特性曲线图;
图3:为本发明控制器的实施例的电路图;
图4:为本发明晶体管闸极驱动器的实施例的电路图;
图5:为图4晶体管闸极驱动器在切换讯号截止时的讯号路径图;及
图6:为图4晶体管闸极驱动器在切换讯号导通时的讯号路径图。
【图号对照说明】
10 高压侧晶体管
15 低压侧晶体管
20 晶体管
21 第三电流源
25 晶体管
30 晶体管
31 二极管
32 稽纳二极管
33 第一电流源
35 晶体管
37 二极管
40 晶体管
41 第二电流源
45 晶体管
47 充电泵浦电容器
50 控制器
51 反相器
52 反相器
53 反相器
60 与门
65 与门
71 反相器
72 反相器
81 防止交互导通延迟电路
82 防止交互导通延迟电路
100 控制器
110 变压器
120 功率晶体管
125 电阻器
130 二极管
131 电阻器
133 电阻器
135 电容器
140 二极管
145 电容器
150 范围
210 晶体管
211 误差放大器
215 电阻器
216 电阻器
230 侦测电路
250 振荡器
251 比较器
260 正反器
261 电阻器
300 晶体管闸极驱动器
811 反相器
813 反相器
815 电容器
821 反相器
823 反相器
825 电容器
I10 电流
ICP 充电电流
IO 输出电流
ION 导通电流
IT 切换电流
NA 辅助绕组
NP 一次侧绕组
NS 二次侧绕组
PLS 振荡讯号
RMP 斜坡讯号
RST 重置讯号
SA 讯号
SB 讯号
SG 闸极驱动讯号
SM 讯号
SN 讯号
SW 切换讯号
SX 导通讯号
SY 截止讯号
VCC 调整电压
VCS 电流感测讯号
VDD 电源电压
VFB 回授讯号
VIN 输入电压
VO 输出电压
VR 参考讯号
VS 反射讯号
VSM 电压准位
具体实施方式
为了使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,特用较佳的实施例及配合详细的说明,说明如下:
请参阅图3本发明控制器的实施例的电路图。控制器100取代图1的控制器50。电源电压VDD耦接晶体管210的源极与误差放大器211。晶体管210的汲极耦接分压电路。于此实施例中,晶体管210为PMOS晶体管。分压电路包含电阻器215与216,电阻器215的第一端耦接晶体管210的汲极。电阻器216耦接于电阻器215的第二端及接地端之间。误差放大器211的正输入端接收参考讯号VR,误差放大器211的负输入端耦接电阻器215与216的耦接点,误差放大器211的输出端耦接晶体管210的闸极。
电源电压VDD是一个可变电压,例如:5伏特(Volt)至25伏特。所以,晶体管210配合误差放大器211构成一低压降(low dropout,LDO)稳压器,并接收电源电压VDD用来产生一调整电压VCC。换句话说,低压降稳压器用来作为一个电压调整器。调整电压VCC用来提供电能至控制器100中的电路。电源电压VDD作为低压降稳压器的电源,而用来产生调整电压VCC
侦测电路(DET)230依据反射讯号VS及电流感测讯号VCS产生回授讯号VFB,用来调整功率转换器的输出电压VO及输出电流IO(如图1所示)。侦测电路230的详细运作可以参阅美国专利第7,016,204号“Close-loop PWM controller for primary-side controlledpower converters”。
切换电路包含侦测电路(DET)230、振荡器(OSC)250、正反器260及比较器251。切换电路依据反射讯号VS及电流感测讯号VCS产生切换讯号SW,用以调整功率转换器的输出。由于反射讯号VS与电流感测讯号VCS分别相关联于输出电压VO与输出电流IO,所以切换电路依据输出电压VO及输出电流IO产生切换讯号SW
振荡器250接收调整电压VCC,并产生振荡讯号PLS及斜坡讯号RMP。正反器260的输入端D经由电阻器261接收调整电压VCC。振荡讯号PLS耦接正反器260的时脉输入端CK,以使输出于正反器260的输出端Q的切换讯号SW致能。
调整电压VCC供应至比较器251。比较器251的正输入端接收斜坡讯号RMP,比较器251的负输入端接收回授讯号VFB。藉由比较器251比较回授讯号VFB及斜坡讯号RMP,当回授讯号VFB高于斜坡讯号RMP时,比较器251产生重置讯号RST。重置讯号RST耦接正反器260的重置输入端R,用来使正反器260重置(Reset),用以禁能切换讯号SW。切换讯号SW经由晶体管闸极驱动器300将产生闸极驱动讯号SG。闸极驱动讯号SG用来驱动功率晶体管120(如图1所示),以切换变压器110的一次侧绕组NP。调整电压VCC及电源电压VDD供应至晶体管闸极驱动器300,用来产生闸极驱动讯号SG。换句话说,切换电路依据回授讯号VFB产生切换讯号SW,以调整功率转换器的输出。
请参阅图4本发明中晶体管闸极驱动器300的实施例的电路图。如图所示,晶体管闸极驱动器300包含高压侧晶体管(high-side transistor)10、低压侧晶体管(low-sidetransistor)15与充电泵浦电路(charge-pump circuit)。高压侧晶体管10的汲极耦接电源电压VDD。高压侧晶体管10的源极耦接输出端,此输出端输出闸极驱动讯号SG。低压侧晶体管15的汲极耦接输出闸极驱动讯号SG的输出端。低压侧晶体管15的源极耦接于接地端。高压侧晶体管10用于拉升闸极驱动讯号SG,以导通图1所示的功率晶体管120。换句话说,高压侧晶体管10用来产生闸极驱动讯号SG的高准位状态。低压侧晶体管15用来拉低闸极驱动讯号SG,以截止功率晶体管120。换句话说,低压侧晶体管15用来产生闸极驱动讯号SG的低准位状态。
切换讯号SW耦接与门60的第一输入端。与门60的输出端耦接反相器52,用来产生导通讯号SX(低准位为真讯号(low-true signal))。切换讯号SW更经由反相器71耦接与门65的第一输入端。与门65的输出端耦接反相器72,用来产生截止讯号SY(低准位为真讯号)。截止讯号SY经由防止交互导通延迟电路(Anti-cross-conduction delay-circuit)81耦接与门60的第二输入端。导通讯号SX经由另一防止交互导通延迟电路82耦接与门65的第二输入端。
导通讯号SX更耦接晶体管20的闸极,用来控制晶体管20,进而控制高压侧晶体管10。晶体管20的汲极耦接高压侧晶体管10的闸极,晶体管20的源极耦接于接地端。第三电流源21耦接于高压侧晶体管10的汲极与闸极之间。第三电流源21是由电源电压VDD所供应。当晶体管20由导通讯号SX导通时,高压侧晶体管10的闸极耦接于接地端,如此高压侧晶体管10将被截止。相反地,当晶体管20由导通讯号SX截止时,高压侧晶体管10会导通,而拉升闸极驱动讯号SG
截止讯号SY耦接反相器53之输入端,用来产生讯号SB。电源电压VDD更供应至反相器53。反相器53更耦接于接地端。讯号SB耦接低压侧晶体管15的闸极,以控制低压侧晶体管15。当低压侧晶体管15导通时,闸极驱动讯号SG将会被拉低。
防止交互导通延迟电路81包含反相器811、813及电容器815。反相器811的输入端接收截止讯号SY,反相器813与反相器811相串联耦接。电容器815耦接于反相器813的输出端及接地端之间。反相器813与电容器815的耦接点耦接于与门60的第二输入端。
防止交互导通延迟电路82包含反相器821、823及电容器825。反相器821的输入端接收导通讯号SX,反相器823与反相器821相串联耦接。电容器825耦接于反相器823的输出端及接地端之间。反相器823及电容器825的耦接点耦接于与门65的第二输入端。
依据上述内容可知,切换讯号SW分别藉由反相器52、71、72、与门60、65以及防止交互导通延迟电路81、82产生导通讯号SX及截止讯号SY。导通讯号SX(低准位为真讯号)用于导通高压侧晶体管10,并拉升闸极驱动讯号SG,以导通图1所示的功率晶体管120。截止讯号SY(低准位为真讯号)用于导通低压侧晶体管15,并拉低闸极驱动讯号SG,以截止功率晶体管20。与门60与65配合防止交互导通延迟电路81与82而用来防止高压侧晶体管10及低压侧晶体管15同时交互导通。
充电泵浦电路包含晶体管30、40、45、电流源33、41、二极管37以及充电泵浦电容器47。第一电流源33是由调整电压VCC所供应。第一电流源33、二极管37及晶体管30相串联耦接。二极管37耦接于第一电流源33及晶体管30的源极之间。晶体管30的汲极耦接充电泵浦电容器47的第一端。讯号SA耦接晶体管30的闸极,用来控制晶体管30。导通讯号SX经由反相器51产生讯号SA。因此,晶体管30由导通讯号SX控制。
第二电流源41是由电源电压VDD所供应。第二电流源41耦接晶体管40的源极。晶体管40与45的汲极耦接充电泵浦电容器47的第二端。晶体管45的源极耦接于接地端。导通讯号SX耦接晶体管40与45的闸极,用来控制晶体管40与45。晶体管40与晶体管45为不同形式的晶体管。也就是说,当晶体管40受控导通讯号SX而导通时,晶体管45则受控导通讯号SX而截止。
晶体管25耦接于充电泵浦电容器47的第一端及高压侧晶体管10的闸极之间。晶体管25的源极耦接于充电泵浦电容器47的第一端。讯号SM产生于充电泵浦电容器47与晶体管25的源极的耦接点。晶体管25的汲极耦接高压侧晶体管10的闸极。讯号SN产生于晶体管25的汲极与高压侧晶体管10的闸极的耦接点。导通讯号SX耦接晶体管25的闸极,用来控制晶体管25。晶体管闸极驱动器300更包含一电压箝位电路。上述之电压箝位电路包含二极管31、稽纳二极管32及晶体管35。二极管31的阳极耦接充电泵浦电容器47的第一端。稽纳二极管32耦接于二极管31的阴极及晶体管35的汲极之间。晶体管35的源极耦接于接地端,晶体管35的闸极耦接晶体管35的汲极。
图5为图4晶体管闸极驱动器300在切换讯号SW截止时的讯号路径图。如图所示,当切换讯号SW处于截止状态(逻辑低准位状态)时,截止讯号SY被致能(逻辑低准位状态),如此讯号SB即被产生(逻辑高准位状态),而用来导通低压侧晶体管15,以拉低闸极驱动讯号SG。如此,闸极驱动讯号SG被禁能,以截止图1所示的功率晶体管120。
此时,导通讯号SX被禁能(逻辑高准位状态)。导通讯号SX的高准位状态使晶体管25与40截止,并使晶体管20、30与45导通。晶体管20的导通状态使高压侧晶体管10截止。当晶体管30与45导通时,晶体管45和相串联耦接的第一电流源33、二极管37及晶体管30会构成导通路径;第一电流源33所产生的充电电流ICP将对充电泵浦电容器47充电。第一电流源33用来限制充电电流ICP,以减少杂讯。当切换讯号SW与闸极驱动讯号SG禁能时,充电电流ICP(第一电流源33)对充电泵浦电容器47充电,如此近似调整电压VCC的电压会储存于充电泵浦电容器47。
图6为图4晶体管闸极驱动器300在切换讯号SW导通时的讯号路径图。如图所示,当切换讯号SW处于导通状态(逻辑高准位状态)时,截止讯号SY被禁能(逻辑高准位状态)及讯号SB为逻辑低准位状态,以截止低压侧晶体管15。此时,导通讯号SX被致能(逻辑低准位状态)。导通讯号SX的逻辑低准位状态使晶体管25与40导通,并使晶体管20、30与45截止。当晶体管25与40导通时,相串联耦接的第二电流源41、晶体管40、充电泵浦电容器47、晶体管25及高压侧晶体管10的闸极将构成导通路径;第二电流源41产生导通电流ION,以提升讯号SM的电压准位VSM,进而拉升闸极驱动讯号SG的电压准位。讯号SM产生在充电泵浦电容器47与晶体管25的源极的耦接点,讯号SM的电压准位VSM可以近似表示为:
VSM=VDD+VCC-------------------------------------(2)
当晶体管25由导通讯号SX导通时,讯号SN产生于晶体管25的汲极及高压侧电晶10的闸极的耦接点。讯号SN为闸极电压用来驱动高压侧晶体管10。如此,闸极驱动讯号SG被致能,以导通图1所示的功率晶体管120。讯号SN的电压准位相关联于讯号SM的电压准位VSM。因此,充电泵浦电容器47及第二电流源41用于产生讯号SM,以产生高压侧晶体管10的闸极电压。
电流I10流经高压侧晶体管10,电流I10随着高压侧晶体管10的闸极电压(讯号SN)的增加而增加。此外,闸极驱动讯号SG的电压准位会随着电流I10的增加而增加。因此,闸极驱动讯号SG的电压准位会依据讯号SN的电压准位的增加而增加。根据方程式(2),充电泵浦电路耦接电源电压VDD及调整电压VCC而用来提升讯号SM的电压准位VSM,即充电泵浦电路用于拉升讯号SN的电压准位,以拉升闸极驱动讯号SG的电压准位。
电压箝位电路包含二极管31、稽纳二极管32及晶体管35。电压箝位电路耦接充电泵浦电容器47及高压侧晶体管10的闸极,以箝制讯号SM的最大电压,例如:最大电压为10伏特。因此,闸极驱动讯号SG的最大电压被电压箝位电路箝制。导通电流ION耦接电压箝位电路及高压侧晶体管10的闸极,第二电流源41限制导通电流ION,以减少功率损耗及杂讯。此外,第二电流源41及充电泵浦电容器47作为高通滤波器,以立即导通高压侧晶体管10。当高压侧晶体管10导通时,第三电流源21(例如:10微安培(μA))用来拉升讯号SN的电压准位,即拉升高压侧晶体管10的闸极电压的电压准位。
上文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 (11)

1.一种用于一次侧调整功率转换器的控制器,其特征在于,其包含:
一切换电路,该切换电路依据一回授讯号产生一切换讯号,以调整该功率转换器的一输出;
一晶体管闸极驱动器,该晶体管闸极驱动器接收该切换讯号,以产生一闸极驱动讯号;该闸极驱动讯号用于驱动一功率晶体管,使该功率转换器的一变压器的一一次侧绕组切换;该变压器具有一辅助绕组,该辅助绕组提供一电源电压,以供应电能至该控制器;及
一电压调整器,该电压调整器接收一电源,以产生一调整电压,该调整电压供应电能至该切换电路及该晶体管闸极驱动器;
其中,该晶体管闸极驱动器具有一充电泵浦电路,该充电泵浦电路耦接该电源电压及该调整电压,以拉升该闸极驱动讯号的电压准位。
2.如权利要求1所述的用于一次侧调整功率转换器的控制器,其特征在于,其中该闸极驱动讯号用于使该变压器切换,以调整该功率转换器的一输出电流。
3.如权利要求1所述的用于一次侧调整功率转换器的控制器,其特征在于,其中该电源电压依据该功率转换器的一输出电压的下降而下降。
4.如权利要求1所述的用于一次侧调整功率转换器的控制器,其特征在于,其中该晶体管闸极驱动器包含:
一充电泵浦电容器;及
一电流源,该电流源在该切换讯号及该闸极驱动讯号禁能时,对该充电泵浦电容器充电;
其中,该电流源是由该调整电压所供应。
5.如权利要求1所述的用于一次侧调整功率转换器的控制器,其特征在于,其中该晶体管闸极驱动器包含:
一充电泵浦电容器,该充电泵浦电容器用来产生一闸极电压;
一高压侧晶体管,该高压侧晶体管用来产生该闸极驱动讯号的一高准位状态;及
一电流源,该电流源在该切换讯号及该闸极驱动讯号致能时与该充电泵浦电容器及该高压侧晶体管的一闸极串联耦接;
其中,该闸极电压耦接该高压侧晶体管的该闸极,以驱动该高压侧晶体管,该电流源是由该电源电压所供应。
6.如权利要求1所述的用于一次侧调整功率转换器的控制器,其特征在于,其中该晶体管闸极驱动器包含:
一充电泵浦电容器;
一高压侧晶体管,该高压侧晶体管用来产生该闸极驱动讯号的一高准位状态;及
一电压箝位电路,该电压箝位电路耦接该充电泵浦电容器及该高压侧晶体管的一闸极,以箝制该闸极驱动讯号的一最大电压。
7.如权利要求1所述的用于一次侧调整功率转换器的控制器,其特征在于,其中该晶体管闸极驱动器包含:
一高压侧晶体管,该高压侧晶体管用来产生该闸极驱动讯号的一高准位状态;及
一电流源,该电流源用来拉升该高压侧晶体管的一闸极的一电压准位。
8.一种功率转换器的控制器,其特征在于,其包含:
一晶体管闸极驱动器,该晶体管闸极驱动器产生一闸极驱动讯号,该闸极驱动讯号驱动一功率晶体管,使该功率转换器的一变压器切换,以调整该功率转换器的一输出;
其中,该晶体管闸极驱动器具有一充电泵浦电路,用于拉升该闸极驱动讯号的一电压准位。
9.如权利要求8所述的功率转换器的控制器,其特征在于,其中该晶体管闸极驱动器包含:
一高压侧晶体管,该高压侧晶体管用来产生该闸极驱动讯号的一高准位状态;
该充电泵浦电路包含:
一充电泵浦电容器;
一第一电流源,该第一电流源在该闸极驱动讯号禁能时,对该充电泵浦电容器充电;及
一第二电流源,该第二电流源与该充电泵浦电容器及该高压侧晶体管的一闸极串联耦接,用以产生一闸极电压;
其中,该闸极电压耦接该高压侧晶体管的该闸极,以驱动该高压侧晶体管,该闸极电压相关联于该第二电流源及该充电泵浦电容器的一电压。
10.如权利要求9所述的功率转换器的控制器,其特征在于,其中该晶体管闸极驱动器包含:
一电压箝位电路,该电压箝位电路耦接该充电泵浦电容器及该高压侧晶体管的该闸极,以箝制该闸极驱动讯号的一最大电压。
11.如权利要求8所述的功率转换器的控制器,其特征在于,更包含:
一切换电路,该切换电路依据一回授讯号产生一切换讯号;
其中,该晶体管闸极驱动器依据该切换讯号产生该闸极驱动讯号。
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