CN105099238B - 控制功率转换器的同步整流器的方法以及控制电路 - Google Patents

控制功率转换器的同步整流器的方法以及控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种控制功率转换器的同步整流器的方法以及控制电路。所述方法包含以下步骤：响应于切换信号的接通时间、变压器电压的电平以及功率转换器的输出电压而产生控制信号以控制同步整流晶体管，切换信号用于切换变压器；一旦切换信号断开时，即产生控制信号；变压器电压与功率转换器的输入电压有关；当切换信号的接通时间长于第一时间阈值时，产生控制信号。

Description

控制功率转换器的同步整流器的方法以及控制电路
技术领域
本发明涉及用于控制功率转换器的同步整流器的方法以及使用所述方法的控制电路，且更确切地说，涉及提供用于防止同步整流器不正确接通的完善保护功能的控制功率转换器的同步整流器的方法以及控制电路。
背景技术
离线式功率转换器(offline power converter)包含电力变压器(powertransformer)，为了符合安全规定，电力变压器向功率转换器输出端提供AC输入，并在其间形成隔离。在最近的发展中，电力变压器次级同步整流器的应用是用以为了实现转换器的高功率转换效率。
然而，功率转换器的同步整流器可能意外地或不正确地接通，这可能会对功率转换器带来负面影响，例如导致功率转换的低效率等。
发明内容
本发明提供一种用于控制功率转换器的同步整流器的方法以及控制电路。所述方法包含以下步骤：响应于切换信号的接通时间、变压器电压的电平以及功率转换器的输出电压而产生用于同步整流晶体管的控制信号，并且切换信号用于切换变压器，并且一旦切换信号断开时，即产生控制信号。变压器电压与功率转换器的输入电压有关。当切换信号的接通时间长于第一时间阈值时，产生控制信号。
本发明提供一种用于控制功率转换器的同步整流器的方法。所述方法包含以下步骤：根据切换信号产生控制信号以控制同步整流晶体管；当功率转换器的输入电压低于低电压阈值时，缩短控制信号；低电压阈值与功率转换器的输出电压有关；切换信号用于切换变压器。一旦切换信号断开时，即产生控制信号；当切换信号的接通时间长于第一时间阈值时，产生控制信号。
从另一个角度来看，本发明提供一种用于控制功率转换器的同步整流器的控制电路。所述控制电路包含控制器以及保护电路。所述控制器响应于切换信号的接通时间、变压器电压以及功率转换器的输出电压而产生控制信号以控制同步整流晶体管。所述保护电路响应于变压器电压以及输出电压而产生保护信号。切换信号用于切换变压器。一旦切换信号断开时，即产生控制信号。变压器电压与功率转换器的输入电压有关。当切换信号的接通时间长于第一时间阈值时，产生控制信号。如果产生了保护信号，则可以在当切换信号的接通时间长于第二时间阈值时，产生控制信号。第二时间阈值长于第一时间阈值。
附图说明
附图被包含在内以提供对本发明的进一步理解，且并入在本说明书中并构成本说明书的一部分。所述图式说明本发明的实施例，且连同描述一起用以阐释本发明的原理。
图1绘示说明根据本发明的实施例的具有同步整流器(SR)的功率转换器的电路图；
图2绘示根据本发明的实施例的切换信号SPWM以及电压VD的波形；
图3绘示说明根据本发明的实施例的控制电路的电路图；
图4绘示说明根据本发明的实施例的线性预测电路的电路图；
图5绘示说明根据本发明的实施例的检测电路的电路图；
图6绘示说明根据本发明的实施例的信号产生电路500的电路图；
图7绘示表示根据本发明的实施例的用于控制功率转换器的同步整流器的方法的流程图。
附图标记说明：
10：功率转换器；
11：变压器；
20、30：晶体管；
35：二极管；
40：电容器；
51、52：电阻器；
100：控制电路；
103、104、106：电阻器；
105：缓冲器；
107：电流源；
110、120：电压-电流转换器；
200：线性预测电路；
211～217、272、274：晶体管；
230、235：开关；
250：电容器；
261：“与”门；
262：反相器；
263：“与非”门；
271、273：单发脉冲产生器；
280：比较器；
285：触发器；
300：检测电路；
310～315、325：晶体管；
317～319：反相器；
320：电流源；
340：电容器；
350：比较器；
351、352：开关；
370：触发器；
375：与非门；
500：信号产生电路；
510、520：比较器；
513：单发脉冲产生器；
514、516：反相器；
517：延时电路；
518：触发器；
S710～S760：步骤；
SPWM：切换信号；
VD、V1、V2、V3：电压；
VS：信号；
SW：控制信号；
VIN：输入电压；
VO：输出电压；
TON：切换信号SPWM的接通时间；
TDM：周期；
TR：谐振周期；
IVO1、IVO2、IVS1、IVS2：电流信号；
SB：边界条件信号；
ST：触发信号；
SE：启用信号；
VT、VTH、VTH1、VTH2、VT1：阈值；
IX、IY、IZ：电流信号；
IM：电流；
SA：有效信号；
CLR：清除信号。
具体实施方式
图1绘示说明根据本发明的实施例的具有同步整流器(SR)的功率转换器的电路图。功率转换器10包含变压器11、晶体管20和30、二极管35、电容器40、电阻器51和52以及控制电路100。变压器11连接到功率转换器10的输入电压VIN。晶体管20经耦合以切换变压器11的初级绕组NP。切换信号SPWM经耦合以驱动晶体管20用于调节功率转换器10的输出电压VO。当晶体管20接通时，能量将存储到变压器11中。同时，变压器11将在次级绕组NS处产生电压VD。当晶体管20断开时，在变压器11中存储的能量将被传递(消磁)到变压器11的次级绕组NS，将通过二极管35以及电容器40而产生输出电压VO。二极管35可以是晶体管30的体二极管或者是并联连接到晶体管30的整流器。一旦二极管35接通，晶体管30将立即被接通以减少因二极管35的正向电压降(forward-voltage drop)而造成的功率损耗。控制电路100经耦合以通过电阻器51和52检测输出电压VO并且测量电压VD。电压VD通过电阻器51和52产生耦合到控制电路100的信号VS。根据输出电压VO以及电压VD，控制电路100将产生控制信号SW以控制晶体管30的开/关。晶体管30的接通周期应与变压器11的消磁时间有关。因此，晶体管30的接通周期TSR根据方程式(1)来控制，
其中TON是切换信号SPWM的接通时间。
为了精确地控制晶体管30的接通周期TSR，控制电路100必须测量输出电压VO并且检测电压VD的电平以及周期以用于产生控制信号SW。电压VD的电平与输入电压VIN的电平相关。电压VD的周期等于切换信号SPWM的接通时间。
图2绘示根据本发明的实施例的切换信号SPWM以及电压VD的波形。周期TDM是变压器11的消磁时间。晶体管30的接通周期TSR应等于周期TDM。如果变压器11在不连续电流模式(discontinuous current mode，简称DCM)中操作，则在当变压器11被完全消磁之后(在周期TDM之后)将发生谐振振铃(resonant ringing)。通过变压器11的初级侧中的谐振频率确定谐振周期TR。谐振周期TR与变压器11的初级电感器的电感LP以及晶体管20的寄生电容器的电容CP有关。
谐振振铃可能造成对于检测电压VD的错误。用于检测经校正的电压VD的准则可以表达为，
VD＞(2×VO)........(3)
当晶体管20接通时，电压VD的电平在方程式(4)中表示。
如果输入电压VIN为高，例如图2中示出的电压V1，那么电压VD可以被正确地检测到。如果输入电压VIN降低至[(VIN×NS/NP)＜VO]，例如图2中示出的电压V2以及V3，那么电压VD可能被不正确地测量。本发明提供保护电路来解决这个问题。
图3绘示说明根据本发明的实施例的控制电路的电路图。控制电路100包含电阻器103、104和106、缓冲器105、电流源107、电压-电流转换器110和120、线性预测电路200以及检测电路300。电阻器103和104形成分压器，用于通过缓冲器105以及电阻器106检测输出电压VO并且产生阈值VT。与电阻器106相关联的电流源107向阈值VT提供偏压电压。因此阈值电压VT的电平经校正至输出电压VO的值。电压-电流转换器110经耦合以通过电阻器103和104检测输出电压VO。因此，电压-电流转换器110产生与输出电压VO成比例的电流信号IVO1和IVO2。电压-电流转换器120经耦合以检测与电压VD以及输入电压VIN有关的信号VS。电压-电流转换器120产生与输入电压VIN以及电压VD成比例的电流信号IVS1以及IVS2。
线性预测电路200根据电流信号IVO1以及IVS1产生控制信号SW。检测电路300经耦合以接收电流信号IVO2、IVS2、信号VS以及阈值VT用于产生启用信号SE、触发信号ST以及边界条件信号SB。启用信号SE、触发信号ST以及边界条件信号SB经耦合以控制线性预测电路200用于产生控制信号SW。
一旦信号VS高于阈值VT时，即产生触发信号ST。一旦有效信号SA启用并且触发信号ST的周期长于时间阈值时，即产生启用信号SE。将在满足方程式(3)时产生边界条件信号SB。
图4绘示说明根据本发明的实施例的线性预测电路的电路图。线性预测电路200包含晶体管211到217、272以及274、开关230和235、电容器250、“与”(AND)门261、反相器262、“与非”(NAND)门263、单发脉冲产生器(One-shot pulse generator)271和273、比较器280以及触发器(flip-flop)285。晶体管211到213形成电流镜以根据电流信号IVO1产生电流信号IX以及IY。晶体管214到217响应于电流信号IVS1以及电流信号IY而产生电流IZ从而满足方程式(1)中示出的“VD-VO”项。电流信号IZ经耦合以通过开关230对电容器250充电。电流信号IX经耦合以通过开关235对电容器250放电。触发信号ST控制开关230，并且触发信号ST进一步经耦合以经由反相器262控制开关235。触发器285将响应于启用信号SE而产生控制信号SW。比较器280具有阈值VTH，阈值VTH经耦合以与电容器250上的电压进行比较。“与非”门263经连接以根据比较器280的输出以及触发信号ST经由反相器262使触发器285复位。因此，当触发信号ST断开并且电容器250的电压达到阈值VTH的电平时，触发器285将复位以断开控制信号SW。
在触发信号ST接通开关230藉以用于对电容器250充电之前，触发信号ST将耦合以通过单发脉冲产生器271以及晶体管272对电容器250放电。如果在当触发信号ST接通开关230以用于对电容器250充电时而使边界条件信号SB被启用时，那么触发信号ST以及边界条件信号SB将耦合以通过“与”门261、单发脉冲产生器273以及晶体管274对电容器250放电。单发脉冲产生器273的脉冲宽度比单发脉冲产生器271的脉冲宽度更长。因此，一旦边界条件信号SB被启用时，控制信号SW的脉冲宽度即缩短，这会恰当地保护晶体管30的接通。
图5绘示说明根据本发明的实施例的检测电路的电路图。检测电路300包含晶体管310到315以及325、反相器317到319、电流源320、电容器340、比较器350、开关351和352、触发器370、与非门375以及信号产生电路500。晶体管310、311、312、313、314和315形成电流镜电路以用于产生与“2×VO”相关的镜像电流IM。电流信号IVS与镜像电流IM进行比较将通过反相器317产生边界条件信号SB。在无法满足方程式(3)时，将启用边界条件信号SB以保护同步整流器正确地操作。信号产生电路500响应于信号VS以及阈值VT而产生触发信号ST、有效信号SA以及清除信号CLR。反相器319、电流源320、晶体管325以及电容器340形成周期-电压转换器(period-to-voltage converter)以将触发信号ST的周期转换至耦合到比较器350上的电压信号。比较器350具有分别通过开关351以及352控制的阈值VTH1以及VTH2。边界条件信号SB控制开关352。边界条件信号SB经耦合以经由反相器318控制开关351。当电容器340的电压高于阈值(VTH1或VTH2)时，比较器350将经耦合以启用触发器370。触发器370的输出以及有效信号SA连接到与非门375以用于产生启用信号SE。阈值VTH2的电平高于阈值VTH1的电平。因此，当产生边界条件信号SB时，启用信号SE的产生将需要更长周期的触发信号ST。这意味着如果输入电压VIN低并且“VD<2×VO”，那么将需要较宽的切换信号SPWM来启用控制信号SW。
图6绘示说明根据本发明的实施例的信号产生电路500的电路图。信号产生电路500包含比较器510和520、单发脉冲产生器513、反相器514和516、延时电路517以及触发器518。当信号VS高于阈值VT时，比较器510将产生触发信号ST。触发信号ST将通过单发脉冲产生器513以及反相器514产生清除信号CLR。当信号VS低于阈值VT1(例如，0V)时，比较器520将产生接通启用信号。接通启用信号耦合到触发器518的D输入端。清除信号CLR经耦合以使触发器518复位。触发信号ST经耦合以通过反相器516和延时电路517对触发器进行时钟计数，以用于产生有效信号SA。在产生触发信号ST之后，延时电路517将产生触发延迟信号。因此，在产生触发延迟信号之前，只有在信号VS低于阈值VT1时，才可以启用有效信号SA以产生控制信号SW。
图7绘示表示根据本发明的实施例用于控制功率转换器的同步整流器的方法的流程图。在本实施例中，图7的方法可以通过图1的功率转换器10来实施，但是本发明不限于此。在步骤S710中，功率转换器10可以响应于切换信号的接通时间、变压器电压的电平以及功率转换器10的输出电压而产生控制信号以控制同步整流晶体管。在步骤S720中，响应于输入电压的电平以及输出电压的电平而产生保护信号。在步骤S730中，如果切换信号的接通时间长于第二时间阈值，那么流程返回到步骤S710；否则流程前进到步骤S740。在步骤S740中，当变压器电压低于第一电压阈值时，产生延迟时间。在步骤S750中，当变压器电压低于第二电压阈值时，产生接通启用信号。在步骤S760中，如果接通启用信号是在延迟时间结束之前产生，那么流程返回到步骤S710。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于控制功率转换器的同步整流器的方法，其特征在于，包括：
响应于切换信号的接通时间、变压器电压的电平以及所述功率转换器的输出电压而产生控制信号以控制同步整流晶体管，
其中所述切换信号用于切换变压器；一旦所述切换信号断开时，即产生所述控制信号；所述变压器电压与所述功率转换器的输入电压有关；当所述切换信号的所述接通时间长于第一时间阈值时，产生所述控制信号，
所述方法还包括：
响应于所述输入电压的电平以及所述输出电压的电平而产生保护信号，
其中，如果产生了所述保护信号，则在当所述切换信号的所述接通时间长于第二时间阈值时，产生所述控制信号；所述第二时间阈值长于所述第一时间阈值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述输入电压低于欠压阈值时，产生所述保护信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，响应于所述保护信号的启用而缩短所述控制信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
当所述变压器电压低于第一电压阈值时，产生延迟时间；以及
当所述变压器电压低于第二电压阈值时，产生接通启用信号，
其中，当所述接通启用信号是在所述延迟时间结束之前产生时，产生所述控制信号。
5.一种用于控制功率转换器的同步整流器的方法，其特征在于，包括：
根据切换信号产生控制信号以控制同步整流晶体管；
当所述功率转换器的输入电压低于低电压阈值时，缩短所述控制信号，
其中所述低电压阈值与所述功率转换器的输出电压有关；所述切换信号用于切换变压器；一旦所述切换信号断开时，即产生所述控制信号；当所述切换信号的接通时间长于第一时间阈值时，产生所述控制信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
当变压器电压低于第一电压阈值时，产生延迟时间；以及
当所述变压器电压低于第二电压阈值时，产生接通启用信号，
其中响应于启用所述切换信号而产生所述变压器电压，其中所述切换信号用于切换所述变压器，
其中，在当所述接通启用信号是在所述延迟时间结束之前产生时，产生所述控制信号。
7.一种用于控制功率转换器的同步整流器的控制电路，其特征在于，包括：
控制器，所述控制器响应于切换信号的接通时间、变压器电压以及所述功率转换器的输出电压而产生控制信号以控制同步整流晶体管；以及
保护电路，所述保护电路响应于所述变压器电压以及所述输出电压而产生保护信号；
其中所述切换信号用于切换变压器；一旦所述切换信号断开时，即产生所述控制信号；所述变压器电压与所述功率转换器的输入电压有关；当所述切换信号的接通时间长于第一时间阈值时，产生所述控制信号；如果产生了所述保护信号，则可以在当所述切换信号的所述接通时间长于第二时间阈值时，产生所述控制信号；所述第二时间阈值长于所述第一时间阈值。
8.根据权利要求7所述的控制电路，其特征在于，当所述输入电压低于欠压阈值时，产生所述保护信号。
9.根据权利要求7所述的控制电路，其特征在于，响应于所述保护信号的启用而缩短所述控制信号。
10.根据权利要求7所述的控制电路，其特征在于，还包括：
延迟电路，所述延迟电路在所述变压器电压低于第一电压阈值时产生延迟时间；以及
比较器，所述比较器在所述变压器电压低于第二电压阈值时产生接通启用信号，
其中，当所述接通启用信号是在所述延迟时间结束之前产生时，产生所述控制信号。
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