CN105281586A - 用于功率转换器的自驱动同步整流 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于功率转换器的自驱动同步整流，具体公开了一种具有隔离拓扑的功率转换器，其可以包括功率晶体管、感测晶体管和读出电路。感测晶体管可以与功率晶体管以电流镜结构进行配置，使得感测晶体管的栅极端耦合至功率晶体管的栅极端，以及感测晶体管的第一漏极/源极端耦合至功率晶体管的第一漏极/源极端。读出电路可耦合至功率晶体管的第二漏极/源极端和感测晶体管的第二漏极/源极端。读出电路可配置为使得感测晶体管的第二漏极/源极端处的电压与功率晶体管的第二漏极/源极端处的电压实质上相同。

Description

用于功率转换器的自驱动同步整流
技术领域
本发明涉及功率转换器，更具体地，涉及具有隔离拓扑的功率转换器。
背景技术
具有隔离拓扑的功率转换器的次级侧上的整流通常利用一个(或多个)二极管来完成。然而，具有隔离拓扑的功率转换器的次级侧上的二极管整流可以被同步整流器来替代，其可以是代替标准二极管使用的任何适当类型的功率晶体管。同步整流器通常为Si功率MOSFET。由于功率转换器中切换的特性，同步整流器的控制会非常困难并且可能要求额外的硬件。
发明内容
总体上，本公开的目的在于提供一种方法和器件，其中具有隔离拓扑的功率转换器包括功率晶体管、感测晶体管和读出电路。感测晶体管可以与功率晶体管以电流镜结构来布置，使得感测晶体管的栅极端耦合至功率晶体管的栅极端，并且感测晶体管的第一漏极/源极端耦合至功率晶体管的第一漏极/源极端。读出电路可以耦合至功率晶体管的第二漏极/源极端和感测晶体管的第二漏极/源极端。读出电路可以被布置为使得感测晶体管的第二漏极/源极端处的电压与功率晶体管的第二漏极/源极端处的电压实质上相同。
在附图和以下说明中阐述了本公开的一个或多个示例的细节。本公开的其他特征、目的和优点将根据说明书和附图以及权利要求变得显而易见。
附图说明
参照附图描述本发明的非限制性和非排他性示例。
图1A是示出具有隔离拓扑的电源转换器的一部分的示例的框图。
图1B是示出图1A的电源转换器的一部分的另一示例的框图。
图1C是示出图1A的电源转换器的一部分的另一示例的框图。
图2是示出图1A的进一步包括驱动级和电流感测电路的电源转换器的一部分的示例的框图。
图3是示出图1A的电源转换器的一部分的示例的框图，其中读出电路包括跨导放大器。
图4是示出图3的包括又一开关的电源转换器的一部分的示例的框图。
图5是示出图4的电源转换器的一部分的示例的框图，其中电流感测电路包括截止比较器、导通比较器和SR控制逻辑。
图6是示出包括图5所示电源转换器的一部分的电源转换器的示例的框图。
图7是示出根据本发明各个方面的可以被图1A的一部分的示例使用的处理示例的流程图。
具体实施方式
将参照附图详细描述本公开的各个示例，其中在多幅图中类似的参考标号表示类似的部件和组件。参照各个示例并不限制本公开的范围，其仅通过所附权利要求当范围来限制。此外，本说明书中阐述的任何示例均不用于限制而仅是阐述本公开的许多可能示例中的一些。
在说明书和权利要求中，除非另有指定，否则以下术语至少采用明确与本文相关联的含义。以下识别的含义不是必须限制这些术语而仅仅是提供术语的说明性示例。词语“一个”和“该”包括多个，并且包括“在…中”的含义包括“在…中”和“在…上”。本文使用的短语“在一个实施例中”或“在一个示例中”不是必须表示相同的实施例或示例，尽管其可以这么表示。类似地，本文使用的短语“在一个实施例中”或“在一个示例中”当使用多次时不是必须表示相同的实施例或示例，尽管其可以这么表示。如本文所使用的，术语“或者”是包括性“或”操作，并且等效于术语“和/或”，除非另外有明确表示。术语“部分地基于”、“至少部分地基于”或“基于”不是排他性的，并且允许基于没有描述的附加因素，除非另外有明确指定。术语“栅极”用于表示覆盖“栅极”和“基极”的一般性术语，术语“源极”用于表示覆盖“源极”和“发射极”的一般性术语，以及术语“漏极”表示覆盖“漏极”和“集电极”当一般性术语。术语“耦合”表示所连接项目之间的直接电连接或者通过一个或多个无源或有源中间器件进行的间接连接中的至少一种。术语“信号”表示电流、电压、电荷、温度、数据或其他信号中的至少一种。
图1A是示出具有隔离拓扑的功率转换器的部分100的示例的框图。部分100包括功率晶体管M1、感测晶体管M2和读出电路110。功率晶体管M1具有耦合至节点N3的栅极端、耦合至节点N4的第一漏极/源极端以及耦合至节点N1的第二漏极/源极端。感测晶体管M2具有耦合至节点N3的栅极端、耦合至节点N4的第一漏极/源极端以及耦合至节点N2的第二漏极/源极端。
读出电路110耦合至节点N1和节点N2。读出电路110被布置为使得节点N2处的电压基本与节点N1处的电压相同。由于电流镜布置和结构，感测晶体管M2和读出电路110一起操作为用于生成通过功率晶体管M1的电流的真实成比例版本的装置。
被示为没有连接的节点通常不用于示出浮置节点，尽管在一些情况下，它们可以是浮置节点，但是代替地示出可以在各个示例中以不同配置连接的节点。例如，在一些示例中N3可以被驱动器有源驱动，但是没有示出驱动器，因为图1A是可具有许多不同布置并且不限于任何一种具体布置的高级框图。
图1A示出了一个示例，其中，晶体管M1和M2的第一漏极/源极端分别是晶体管M1和M2的源极，并且晶体管M1和M2的第二漏极/源极端分别是晶体管M1和M2的漏极。然而，在其他示例中，晶体管M1和M2的第一漏极/源极端分别是晶体管M1和M2的漏极，并且晶体管M1和M2的第二漏极/源极端分别是晶体管M1和M2的源极(如下面更详细讨论的，在图1B中示出了示例)。
图1A示出了晶体管M1和M2的示例，其中晶体管M1和M2是场效应晶体管。在一些示例中，晶体管M1和M2是基于Si的MOSFET。然而，本公开不限于此，并且在本公开的范围和精神内的各个示例中，晶体管M1和M2可以是任何适当类型的晶体管，包括但不限于例如氮化镓(GaN)FET、SiIGBT等。此外，尽管图1A示出了n型晶体管，但本发明不限于此，在其他示例中，可以使用p型晶体管。这些示例和其他示例均包括在本公开的精神和范围内。
图1B是示出作为图1A的功率转换器100的示例的功率转换器的部分100B的框图。在图1B中，晶体管M1和M2的第一漏极/源极端分别是晶体管M1和M2的漏极，以及晶体管M1和M2的第二漏极/源极端分别是晶体管M1和M2的源极。
图1C是示出作为图1A的功率转换器100的示例的功率转换器的部分100C的框图。在图1C中，功率转换器和感测晶体管分别是双极晶体管Q1和Q2。
图2是示出功率转换器的部分200的示例的框图，其可以被用作图1A的部分100的示例。部分200还包括驱动级220和电流感测电路230。在一些示例中，节点N4和N1可以分别耦合至诸如VDD和GND的电源节点。
电流感测电路230被布置为感测节点N2处的电流。驱动级220被布置为以适合于同步整流的方式驱动节点M3。在一些示例中，驱动级220被布置为控制功率晶体管M1(和感测晶体管M2)以利用基于电流感测电路230执行的电流感测控制的定时来导通和截止。感测晶体管M2与功率晶体管M1一起嵌入到相同的管芯上，使得晶体管M1和M2一起操作为电流镜。
在各个示例中，驱动级220、功率晶体管M1、读出电流210和电流感测电路230可以位于相同封装件上集成的不同管芯上，可以完全为整体，或者可以分别为独立的实体。在一些示例中，部分200可用于执行自驱动同步整流。
晶体管M2和M1的面积具有1至N的比率，使得由于操作条件是相同的，所以感测晶体管M2承载流过功率晶体管M1的电流的1/N。两个器件M1和M2具有公共栅极，并且还共享源极或漏极(第一漏极/源极端)。读出电路210通过将电流注入到节点N2来使得节点N2处的电压与节点N1处的电压相同，使得流过感测晶体管M2的电流等于流过功率晶体管M1的电流的1/N。
由于流过感测晶体管M2的电流是流过功率晶体管M1的电流的真实成比例版本，所以电流感测电路230可以通过感测晶体管电流来正确地感测功率晶体管。
在一些示例中，电路感测电路230被布置为感测电流晶体管电流的过零，并且控制功率晶体管M1的切换使得功率晶体管M1在功率晶体管电流的过零处截止。读出电路210通过将电流注入节点N2使节点N2处的电压与节点N1处的电压相等，使得流过感测晶体管M2的电流等于流过功率晶体管M1的电流的1/N。
如上所述，在一些示例中，电流感测电路230可用于确定何时导通和截止同步整流器(功率晶体管M1)。在这些示例中，通过控制功率晶体管M1的导通和截止的定时，电流感测电路230控制同步整流。在其他示例中，代替为了确定用于功率晶体管M1的截止和/或导通定时以及执行导通和截止的控制而感测电流或除此之外，可以出于其他原因来使用电流感测，包括检测和/或控制诸如电流控制、电流模式控制、过电流保护、故障检测等的功能。
图3是示出功率转换器的部分300的示例的框图，其可以通过图1A的部分100的示例来使用。如图所示，读出电路310包括跨导放大器311。跨导放大器311具有耦合至节点N1的非反相输入、耦合至节点N2的反相输入以及耦合至节点N2的输出。跨导放大器311通过将电流注入节点N2来使节点N2处的电压与节点N1处的电压相同，以迫使流过感测晶体管M2的电流等于流过功率晶体管M1的电流的1/N。
尽管图3示出了由跨导放大器组成的读出电路310的示例，但本公开不限于此，并且可以使用读出电路310的许多其他变型，只要读出电路使得节点N2处的电压等于节点N1处的电压即可。这可以例如通过模拟装置、数字装置或者模拟和数字装置的一些组合来实现。
图4是示出功率转换器的部分400的示例的框图，其可以用作图3的部分300的示例。部分400还包括下拉开关M3，其耦合在节点N1和N2之间。部分400还包括反相器470，不包括在部分400的一些示例中的任选部件。
下拉开关M3不需要具有低导通阻抗，因为在截止时间期间，没有电流流过下拉开关M3。在一些示例中，下拉开关M3具有相对较高的导通阻抗。
当同步整流器(功率晶体管M1)截止时，下拉开关M3防止感测节点N2浮置。当同步整流器上的漏极电位刚好在导通之前被变压器(图4中未示出)拉低时，存在流过主二极管(可以是功率晶体管M1的主体二极管或者外部二极管)以及通过漏极和感测源极之间的寄生电容的偏移电流。该电流还流过下拉开关M3，并且由于开关M3的相对较高的导通阻抗，与功率晶体管M1的源极相比引起感测线上的下降。在一些示例中，负压降可以通过参考源极的比较器(图4中未示出)来感测并用于确定同步整流器的导通。
在一些示例中，当完成的产品目标针对服务器PSU和电信SMPS时，电压比较器的阈值是固定的并且等于几百mV；该阈值可以随着用于低功率应用(诸如充电器和适配器)的负载而变化。在一些示例中，由于即将到来的电流感测信息，可以容易地设置阈值的适当变化。
在各个示例中，开关M1的截止可以在检测到过阈值时立刻进行或者根据一些其他控制方案而延迟。
这些控制方案中的一种可以基于电流斜率的监控。在诸如LLC的应用中(其中会发生共振之上的操作)，作为过固定或可变电流阈值的检测的补充，斜率检测非常有效。确实，当在共振之上时，流过器件的电流将非常迅速地下降，使得过电流阈值的单独使用没有效率，这是因为其给出了非常短的时间来用于电路反应。
在使用斜率检测的示例中，电路足够早地得到警告来截止器件。但是，由于斜率梯度本身受到拓扑的主导电感的限制(LLC拓扑情况下的谐振电抗)，如果只要超过用于斜率梯度的设置阈值，电路装置将过早地截止器件。就此而言，电路装置周期性监控斜率值为截止机制的最佳定时提供了关键信息。
图5是示出功率转换器的部分500的示例的框图，其可以用作图4的部分400的示例。电流感测电路530包括截止比较器540、导通比较器550和SR控制逻辑560。功率晶体管M1和感测晶体管M2一起操作为同步整流器580；同时驱动级520、下拉开关M3、反相器570、读出电路510和电流感测电路530一起操作为驱动器590。尽管示出了SR控制逻辑560，但在各个示例中，SR控制逻辑560可以被另一器件或多个器件(模拟和/或数字)替代以提供控制功能，并且因此在一些情况下可以简称为控制块560。
截止比较器540被布置为基于功率晶体管电流的过零转换来确定功率晶体管M1和感测晶体管M2的截止时间。导通比较器550被布置为监控节点N2处的感测端，以确定功率晶体管M1和感测晶体管M2的导通时间。
截止比较器540和导通比较器550可以以不同的方式配置，并且被配置为在本公开的范围和精神内在各个示例中以各种方式来检测导通时间和截止时间。例如，导通比较器550的一些示例不需要使用下拉开关M3。
在各个示例中，可以以电流方式执行电流比较，例如通过对感测晶体管电流进行镜像处理并使用电流比较器来将镜像的感测电流与参考电流进行比较；或者可以以电压方式执行电流比较，例如通过将感测电流转换为电压，诸如通过镜像感测电流，将镜像的感测电流应用于电阻器以及通过使用电压比较器来将电阻器电流与参考电压进行比较。在一些示例中可以使用偏移(offset)。
在一些示例中，如前所讨论的，截止比较器540可用于检测功率晶体管电流的过零。然而，在一些应用中，功率转换器可以要求非零阈值，其在一些示例中可以根据负载而变化。在这些示例中，截止比较器540可用于检测非零阈值而非检测电流的过零。在各个示例中，可根据转换器的操作条件来选择确定截止时间的方法。在一些示例中，对于LLC转换器，可以在共振下方使用固定电流阈值检测，而当在共振上方操作时可以利用电流斜率信息。
SR控制逻辑560被布置为基于截止比较器440和导通比较器550的输出来控制功率晶体管M1和感测晶体管M2的导通和截止的定时。在一些示例中，SR控制逻辑560可以仅由置位复位锁存器组成，其中，置位复位可以由例如两个NAND门或两个NOR门组成。SR锁存器的状态可以通过截止比较器的输出和导通比较器的输出来限定。SR控制逻辑560的其他示例可包括具有其他电路的置位复位锁存器。在一些示例中，诸如功率节省部件和功率供应调节的部件可以用作SR控制逻辑560的部分。在一些示例中，SR控制逻辑560可以包括用于优化性能的延迟和消除电路装置。SR控制逻辑560可以包括用于使与电流相关的信息可用于系统板的模拟或数字接口。
图6是示出功率转换器601的示例的框图，其包括在前面的附图的任一部分中示出的AC/DC的部分。在一些示例中，图6所示的每个部分600都可以包括：同步整流器680，其可以通过图5的同步整流器580的示例来实施；以及驱动器690，其可以通过图5的驱动器590的示例来实施。功率转换器601的各个示例可以包括回扫和LLC拓扑，但是本公开不限于此。此外，在各个示例中，同步整流器可以放置在高侧。图6示出了具有隔离拓扑的功率转换器的一个示例，该拓扑可以在本公开的各个示例中使用。然而，可以在与本公开的精神和范围一致的其他示例中使用其他拓扑。
图7是示出处理729的示例的流程图，其可以被例如图1A的部分110的示例所使用。
在开始块之后，处理前进到块721，功率晶体管(例如，晶体管M1)用于对具有隔离拓扑的功率转换器(例如，功率转换器601)的次级侧执行同步整流。功率晶体管包括栅极端、第一漏极/源极端和第二漏极/源极端。
然后，处理前进到块722，与功率晶体管以电流镜结构布置的感测晶体管(例如，晶体管M2)用于生成作为通过功率晶体管的电流的成比例版本的感测电流，使得感测晶体管包括与功率晶体管的栅极端耦合的栅极端、与功率晶体管的第一漏极/源极端耦合的第一漏极/源极端、以及第二漏极/源极端。
然后，处理前进到框723，电流被传送至电流镜的第二漏极/源极端，使得感测晶体管的第二漏极/源极端处的电压与功率晶体管的第二漏极/源极端处的电压实质上相同。
然后，处理前进到返回块，重新开始其他处理。
描述了各个示例。这些示例和其他示例均包括在所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种器件，包括：
功率转换器，具有隔离拓扑，包括：
功率晶体管，包括栅极端、第一漏极/源极端和第二漏极/源极端；
感测晶体管，包括栅极端、第一漏极/源极端和第二漏极/源极端，其中所述感测晶体管与所述功率晶体管以电流镜结构来布置，使得所述感测晶体管的栅极端耦合至所述功率晶体管的栅极端，以及所述感测晶体管的第一漏极/源极端耦合至所述功率晶体管的第一漏极/源极端；以及
读出电路，耦合至所述功率晶体管的第二漏极/源极端和所述感测晶体管的第二漏极/源极端，其中所述读出电路被布置为使得所述感测晶体管的第二漏极/源极端处的电压与所述功率晶体管的第二漏极/源极端处的电压实质上相同。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述功率晶体管的第一漏极/源极端是所述功率晶体管的漏极，所述功率晶体管的第二漏极/源极端是所述功率晶体管的源极，所述感测晶体管的第一漏极/源极端是所述感测晶体管的漏极，以及其中所述感测晶体管的第二漏极/源极端是所述感测晶体管的源极。
3.根据权利要求1所述的器件，其中所述功率晶体管的第一漏极/源极端是所述功率晶体管的源极，所述功率晶体管的第二漏极/源极端是所述功率晶体管的漏极，所述感测晶体管的第一漏极/源极端是所述感测晶体管的源极，以及其中所述感测晶体管的第二漏极/源极端是所述感测晶体管的漏极。
4.根据权利要求1所述的器件，其中所述功率晶体管的栅极端是所述功率晶体管的基极，所述功率晶体管的第一漏极/源极端是所述功率晶体管的集电极，所述功率晶体管的第二漏极/源极端是所述功率晶体管的发射极，所述感测晶体管的栅极端是所述感测晶体管的基极，所述感测晶体管的第一漏极/源极端是所述感测晶体管的集电极，以及其中所述感测晶体管的第二漏极/源极端是所述感测晶体管的发射极。
5.根据权利要求1所述的器件，其中所述功率晶体管的栅极端是所述功率晶体管的基极，所述功率晶体管的第一漏极/源极端是所述功率晶体管的发射极，所述功率晶体管的第二漏极/源极端是所述功率晶体管的集电极，所述感测晶体管的栅极端是所述感测晶体管的基极，所述感测晶体管的第一漏极/源极端是所述感测晶体管的发射极，以及其中所述感测晶体管的第二漏极/源极端是所述感测晶体管的集电极。
6.根据权利要求1所述的器件，其中所述读出电路包括第一跨导放大器，所述第一跨导放大器包括耦合至所述功率晶体管的第二漏极/源极端的第一输入、耦合至所述感测晶体管的第二漏极/源极端的第二输入以及耦合至所述感测晶体管的第二漏极/源极端的输出。
7.根据权利要求1所述的器件，其中所述功率转换器还包括下拉开关，所述下拉开关耦合在所述功率晶体管的第二源极/漏极端和所述感测晶体管的第二源极/漏极端之间。
8.根据权利要求1所述的器件，其中所述功率转换器还包括耦合至所述感测晶体管的第二源极/漏极端的电流感测电路。
9.根据权利要求8所述的器件，其中所述电流感测电路被布置为基于所述电流感测电路检测的通过所述感测晶体管的电流来控制用于所述功率晶体管的同步整流的定时。
10.根据权利要求8所述的器件，其中所述电流感测电路被布置为基于所述电流感测电路检测的通过所述感测晶体管的电流来控制过电流检测。
11.根据权利要求8所述的器件，其中所述电流感测电路被布置为基于所述电流感测电路检测的通过所述感测晶体管的电流来控制输出DC电压的电流模式控制。
12.根据权利要求8所述的器件，其中所述电流感测电路包括导通比较器、截止比较器和控制块。
13.根据权利要求12所述的器件，其中所述控制块包括置位复位锁存器。
14.根据权利要求12所述的器件，其中所述功率转换器还包括驱动级，以及其中所述控制逻辑和所述驱动级被布置为当确定所述导通比较器的输出时导通所述功率晶体管和所述感测晶体管。
15.根据权利要求12所述的器件，其中所述截止比较器被布置为检测与所述感测晶体管相关联的电流的电流过阈值转换。
16.根据权利要求15所述的器件，其中所述电流过阈值转换是过零转换。
17.根据权利要求15所述的器件，其中所述功率转换器还包括驱动级，其中所述控制逻辑和所述驱动级被布置为当所述截止比较器检测到与所述感测晶体管相关联的电流的电流过阈值转换时截止所述功率晶体管和所述感测晶体管。
18.根据权利要求15所述的器件，其中所述控制块基于至少一个参数调整所述导通比较器或所述截止比较器中的至少一个的电流过阈值转换或传播延迟中的至少一个。
19.一种方法，包括：
使用功率晶体管在具有隔离拓扑的功率转换器的次级侧上执行同步整流，其中所述功率晶体管包括栅极端、第一漏极/源极端和第二漏极/源极端；
使用与所述功率晶体管以电流镜结构布置的感测晶体管，以生成作为通过所述功率晶体管的电流的成比例版本的感测电流，使得所述感测晶体管包括与所述功率晶体管的栅极端耦合的栅极端、与所述功率晶体管的第一漏极/源极端耦合的第一漏极/源极端、以及第二漏极/源极端；以及
将电流传送至所述电流镜的第二漏极/源极端，使得所述感测晶体管的第二漏极/源极端处的电压与所述功率晶体管的第二漏极/源极端处的电压实质上相同。
20.一种器件，包括：
功率转换器，具有隔离拓扑，包括：
功率晶体管；以及
用于生成通过所述功率晶体管的电流的真实成比例版本的装置。
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