CN108736748B - 电源转换装置及其同步整流控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电源转换装置及其同步整流控制器。同步整流控制器包括第一控制电路、第二控制电路及第三控制电路。第一控制电路将同步整流晶体管的漏极端的漏极电压与第一电压进行比较。当漏极电压小于第一电压时，第一控制电路输出驱动电压以导通同步整流晶体管。第二控制电路根据漏极电压与第二电压产生驱动电压以控制同步整流晶体管。第三控制电路将漏极电压与第三电压进行比较。当漏极电压大于第三电压时，第三控制电路输出驱动电压以关断同步整流晶体管。

Description

电源转换装置及其同步整流控制器
技术领域
本发明涉及一种电源装置，尤其涉及一种电源转换装置及其同步整流控制器。
背景技术
电源转换装置为现代电子装置中不可或缺的元件。在以脉宽调变(pulse widthmodulation，PWM)控制为基础的电源转换装置中，电源转换装置的二次侧通常具有整流二极管。由于整流二极管于导通状态下的功率消耗较大，因此可采用导通电阻较低的同步整流晶体管来取代整流二极管。在这样的架构下，尚需要一同步整流控制器来控制二次侧的同步整流晶体管的启闭。
另外，同步整流晶体管的漏极端与其本体(body)端之间具有寄生二极管，当电源转换装置的的一次侧所存储的能量转移至二次侧时，同步整流晶体管中的寄生二极管会先被导通，接着同步整流控制器才会将同步整流晶体管导通，致使寄生二极管被截止。类似地，寄生二极管于导通状态下的功率消耗相较于同步整流晶体管于导通状态下的功率消耗大的多。因此，寄生二极管的导通时间长短将会影响电源转换装置整体的转换效率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种电源转换装置及其同步整流控制器。同步整流控制器可在同步整流晶体管的漏极电压小于第一电压时立即导通同步整流晶体管，以缩短同步整流晶体管的漏极端与本体端之间的寄生二极管的导通时间，从而提升电源转换装置整体的转换效率。
本发明的同步整流控制器用以驱动同步整流晶体管。同步整流控制器包括第一控制电路、第二控制电路及第三控制电路。第一控制电路耦接同步整流晶体管的漏极端以接收漏极电压，且将漏极电压与第一电压进行比较。当漏极电压小于第一电压时，第一控制电路输出驱动电压以导通同步整流晶体管。第二控制电路耦接同步整流晶体管的漏极端以接收漏极电压，且根据漏极电压与第二电压产生驱动电压以控制同步整流晶体管。第三控制电路耦接同步整流晶体管的漏极端以接收漏极电压，且将漏极电压与第三电压进行比较。当漏极电压大于第三电压时，第三控制电路输出驱动电压以关断同步整流晶体管。
在本发明的一实施例中，当漏极电压大于第一电压时，第一控制电路停止输出驱动电压。
在本发明的一实施例中，当漏极电压小于第三电压时，第三控制电路停止输出驱动电压。
在本发明的一实施例中，第二控制电路将漏极电压与第二电压之间的差异电压进行放大以产生驱动电压，并输出驱动电压以调节同步整流晶体管的栅极端的电压位准。
在本发明的一实施例中，当漏极电压上升至第二电压时，第二控制电路调节驱动电压，以维持漏极电压于第二电压。
在本发明的一实施例中，第一控制电路包括比较器。比较器具有第一输入端、第二输入端及输出端。第一输入端耦接同步整流晶体管的漏极端以接收漏极电压。第二输入端耦接第一电压。输出端耦接并提供驱动电压至同步整流晶体管的栅极端。
在本发明的一实施例中，第二控制电路包括运算放大器。运算放大器的反相输入端耦接同步整流晶体管的漏极端以接收漏极电压。运算放大器的非反相输入端耦接第二电压。运算放大器的输出端耦接并提供驱动电压至同步整流晶体管的栅极端。
在本发明的一实施例中，第三控制电路包括比较器。比较器具有第一输入端、第二输入端及输出端。第一输入端耦接同步整流晶体管的漏极端以接收漏极电压。第二输入端耦接第三电压。输出端耦接并提供驱动电压至同步整流晶体管的栅极端。
在本发明的一实施例中，第一电压、第二电压及第三电压为负直流电压，其中第一电压低于第二电压，且第二电压低于第三电压。
本发明的电源转换装置包括变压器、同步整流晶体管以及同步整流控制器。变压器具有一次侧与二次侧，其中一次侧的第一端用以接收输入电压，而二次侧的第一端则用以提供输出电压给负载。同步整流晶体管的漏极端耦接二次侧的第二端。同步整流晶体管的源极端耦接接地端。同步整流晶体管的栅极端则用以接收驱动电压。同步整流控制器包括第一控制电路、第二控制电路及第三控制电路。第一控制电路耦接同步整流晶体管的漏极端以接收漏极电压，且将漏极电压与第一电压进行比较。当漏极电压小于第一电压时，第一控制电路输出驱动电压以导通同步整流晶体管。第二控制电路耦接同步整流晶体管的漏极端以接收漏极电压，且根据漏极电压与第二电压产生驱动电压以控制同步整流晶体管。第三控制电路耦接同步整流晶体管的漏极端以接收漏极电压，且将漏极电压与第三电压进行比较。当漏极电压大于第三电压时，第三控制电路输出驱动电压以关断同步整流晶体管。
基于上述，在本发明实施例所提出的电源转换装置及其同步整流控制器中，第一控制电路可在同步整流晶体管的漏极电压小于第一电压时立即导通同步整流晶体管，以缩短同步整流晶体管的漏极端与本体端之间的寄生二极管的导通时间，故可降低寄生二极管的功率消耗，从而提升电源转换装置整体的转换效率。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
下面的附图是本发明的说明书的一部分，显示了本发明的示例实施例，附图与说明书的描述一起说明本发明的原理。
图1是依照本发明一实施例所显示的同步整流控制器的电路方块示意图；
图2是依照本发明一实施例所显示的电源转换装置的电路示意图；
图3是同步整流控制器与同步整流晶体管的信号时序示意图。
附图标记说明：
100：同步整流控制器
110：第一控制电路
120：第二控制电路
130：第三控制电路
20：电源转换装置
210：脉宽调变信号产生器
CMP1、CMP2：比较器
Co：电容
Dr：寄生二极管
GND：接地端
GND1：第一接地端
GND2：第二接地端
Isec：电流
Mp：功率开关
MSR：同步整流晶体管
Np：一次侧
Ns：二次侧
OP：运算放大器
Spwm：脉宽调变信号
RL：负载
T：变压器
T0、T1、T2、T3、T4、T11：时间点
V1：第一电压
V2：第二电压
V3：第三电压
VD：漏极电压
VF：负电压值
VG：驱动电压
VIN：输入电压
VOUT：输出电压
具体实施方式
为了使本发明的内容可以被更容易明了，以下特举实施例做为本发明确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件/步骤，系代表相同或类似部件。
以下请参照图1，图1是依照本发明一实施例所显示的同步整流控制器100的电路方块示意图。同步整流控制器100可应用在电源转换装置(未显示)的二次侧，以驱动二次侧的同步整流晶体管MSR，其中上述的电源转换装置的架构可以是返驰式(flyback)、推挽式(push-pull)、顺向式(forward)、半桥式(half-bridge)、全桥式(full-bridge)或是其他类型的架构，本发明并不限制电源转换装置的架构。
详细来说，同步整流控制器100耦接同步整流晶体管MSR的漏极端以接收漏极电压VD，且耦接同步整流晶体管MSR的栅极端以控制同步整流晶体管MSR的启闭。另外，同步整流晶体管MSR的源极端与本体端耦接至接地端GND，其中同步整流晶体管MSR的漏极端与本体端之间具有寄生二极管Dr。在本发明的一实施例中，同步整流晶体管MSR可为N型金氧半场效晶体管，但本发明并不以此为限，端视实际应用或设计需求而定。
同步整流控制器100可包括第一控制电路110、第二控制电路120以及第三控制电路130。第一控制电路110耦接同步整流晶体管MSR的漏极端以接收漏极电压VD，第一控制电路110的输出端耦接同步整流晶体管MSR的栅极端。第一控制电路110可将漏极电压VD与第一电压V1进行比较。当漏极电压VD小于第一电压V1时，第一控制电路110输出驱动电压VG以导通同步整流晶体管MSR。相对地，当漏极电压VD大于第一电压V1时，第一控制电路110将停止输出驱动电压VG，亦即第一控制电路110的输出端为高阻抗(high impedance)状态。
第二控制电路120耦接同步整流晶体管MSR的漏极端以接收漏极电压VD，第二控制电路120的输出端耦接同步整流晶体管MSR的栅极端。第二控制电路120可根据漏极电压VD与第二电压V2产生驱动电压VG以控制同步整流晶体管MSR。
第三控制电路130耦接同步整流晶体管MSR的漏极端以接收漏极电压VD，第三控制电路130的输出端耦接同步整流晶体管MSR的栅极端。第三控制电路130可将漏极电压VD与第三电压V3进行比较。当漏极电压VD大于第三电压V3时，第三控制电路130输出驱动电压VG以关断同步整流晶体管MSR。相对地，当漏极电压VD小于第三电压V3时，第三控制电路130停止输出该驱动电压VG，亦即第三控制电路130的输出端为高阻抗状态。
在本发明的一实施例中，第一电压V1、第二电压V2以及第三电压V3可为负直流电压，但本发明并不以此为限。
在本发明的一实施例中，第一电压V1低于第二电压V2，且第二电压V2低于第三电压V3。
以下将进行更详细的说明。为了方便说明，在此以电源转换装置为返驰式架构进行说明，而电源转换装置为其他架构则可依此类推。请合并参照图2与图3，图2是依照本发明一实施例所显示的电源转换装置20的电路示意图，图3是图2的同步整流控制器100与同步整流晶体管MSR的信号时序示意图。电源转换装置20包括变压器T、同步整流晶体管MSR、同步整流控制器100、功率开关Mp以及脉宽调变信号产生器210，但不限于此。变压器T包括一次侧Np与二次侧Ns。其中，一次侧Np的第一端(例如同名端(common-polarityterminal)，即打点处)用以接收输入电压VIN，而二次侧Ns的第一端(例如异名端(opposite-polarity terminal)，即未打点处)则用以提供输出电压VOUT给负载RL(例如电子装置)，但不限于此。
功率开关Mp的第一端耦接一次侧Np的第二端(例如异名端)，功率开关Mp的第二端耦接第二接地端GND2，而功率开关Mp的控制端耦接脉宽调变信号产生器210以接收脉宽调变信号Spwm。脉宽调变信号产生器210可根据负载RL的状态(或是电源供应需求)而产生并调整脉宽调变信号Spwm。
同步整流晶体管MSR的漏极端耦接二次侧Ns的第二端(例如同名端)，同步整流晶体管MSR的源极端与本体端耦接第一接地端GND1，其中，同步整流晶体管MSR的漏极端与本体端之间具有寄生二极管Dr。同步整流控制器100耦接同步整流晶体管MSR的漏极端以接收漏极电压VD。同步整流控制器100可根据漏极电压VD的电压位准对应地产生驱动电压VG至同步整流晶体管MSR的栅极端，以控制同步整流晶体管MSR。同步整流控制器100包括第一控制电路110、第二控制电路120以及第三控制电路130，其耦接方式可参酌上述图1的相关说明。
在图3所示的时间点T0时，功率开关Mp被导通，输入电压VIN提供电力至变压器T的一次侧Np的线圈以进行储能。而漏极电压VD的电压位准则为K×VIN，其中K为电压器T的二次侧Ns与一次侧Np的线圈比，此时同步整流晶体管MSR的寄生二极管Dr为逆向偏压而为关断状态。由于漏极电压VD的电压位准大于第一电压V1及第三电压V3，故第一控制电路110不会提供驱动电压VG，亦即第一控制电路110的输出端为高阻抗状态，而第三控制电路130则提供例如逻辑低位准的驱动电压VG至同步整流晶体管MSR的栅极端，以使同步整流晶体管MSR维持在关断状态。简单来说，在漏极电压VD的电压位准大于第三电压V3的情况下，同步整流晶体管MSR是受控于第三控制电路130而维持在关断状态。
在时间点T1时，功率开关Mp反应于脉宽调变信号产生器210所产生的脉宽调变信号Spwm而截止。基于冷次定律(Lenz's law)，变压器T的一次侧Np所存储的能量将转移至变压器T的二次侧Ns。于此同时，同步整流晶体管MSR的寄生二极管Dr处于顺向偏压而导通。由于同步整流晶体管MSR的本体端耦接第一接地端GND1，因此同步整流晶体管MSR的漏极端的电压位准(即漏极电压VD)将由K×VIN下降至负电压值VF。此时第三控制电路130可判断漏极电压VD(为负电压值VF)小于第三电压V3，故第三控制电路130停止提供驱动电压VG，亦即第三控制电路130的输出端为高阻抗状态。而第一控制电路110则可判断漏极电压VD(为负电压值VF)小于第一电压V1，故第一控制电路110可输出例如逻辑高位准的驱动电压VG至同步整流晶体管MSR的栅极端，以快速地导通同步整流晶体管MSR，致使寄生二极管Dr快速地被关断。因此，相较于一般的同步整流控制器将驱动电压逐渐地拉升至逻辑高位准的驱动方式，本实施例的第一控制电路110的驱动方式可有效地缩短寄生二极管Dr的导通时间，从而提升电源转换装置20整体的转换效率。因此，变压器T二次侧Ns的电流Isec将通过同步整流晶体管MSR内部感应的通道(channel)对电容Co进行充电，并且供应直流输出电压VOUT给负载RL。简单来说，在漏极电压VD的电压位准小于第一电压V1的情况下，同步整流晶体管MSR是受控于第一控制电路110而维持在导通状态。
随着转移至变压器T的二次侧Ns的能量持续地对电容Co进行充电，二次侧Ns的电流Isec将会持续降低，使得漏极电压VD的电压位准由负电压值VF逐渐地向上拉升。当漏极电压VD的电压位准大于第一电压V1时，如时间点T2所示，第一控制电路110将停止提供驱动电压VG，亦即第一控制电路110的输出端为高阻抗状态。此时第二控制电路120可将漏极电压VD与第二电压V2之间的差异电压进行放大以产生驱动电压VG，并输出驱动电压VG以控制同步整流晶体管MSR的栅极端的电压位准。
当漏极电压VD的电压位准到达第二电压V2时，如时间T3所示，第二控制电路120将开始调节(降低)驱动电压VG的电压位准以维持漏极电压VD的电压位准于第二电压V2。由于二次侧Ns的电流Isec仍将持续下降，最终将导致第二控制电路120无法维持漏极电压VD的电压位准于第二电压V2并上升至大于第三电压V3，如时间点T4所示。此时，变压器T所存储的能量已经完全传送至电容Co，故二次侧Ns的电流Isec降至零，第三控制电路130将产生例如逻辑低位准的驱动电压VG以关断同步整流晶体管MSR，直到下一次进行能量转换而致使漏极电压VD再次下降至负电压值VF为止，例如时间点T11所示。简单来说，在漏极电压VD大于第一电压V1且小于第三电压V3的情况下，同步整流晶体管MSR是受控于第二控制电路120。以下将针对第一控制电路110、第二控制电路120及第三控制电路130的实施方式进行说明。
在本发明的一实施例中，第一控制电路110可包括比较器CMP1，但本发明不限于此。比较器CMP1具有第一输入端、第二输入端及输出端。比较器CMP1的第一输入端耦接同步整流晶体管MSR的漏极端以接收漏极电压VD。比较器CMP1的第二输入端耦接第一电压V1。比较器CMP1的输出端耦接并提供驱动电压VG至同步整流晶体管MSR的栅极端。比较器CMP1的运作可参照上述第一控制电路110的运作而类推得知，故不再赘述。
在本发明的一实施例中，第二控制电路120可包括运算放大器OP，但本发明不限于此。运算放大器OP的反相输入端耦接同步整流晶体管MSR的漏极端以接收漏极电压VD。运算放大器OP的非反相输入端耦接第二电压V2。运算放大器OP的输出端耦接并提供驱动电压VG至同步整流晶体管MSR的栅极端。运算放大器OP的运作可参照上述第二控制电路120的运作而类推得知，故不再赘述。
在本发明的一实施例中，第三控制电路130可包括比较器CMP2，但本发明不限于此。比较器CMP2具有第一输入端、第二输入端及输出端。比较器CMP2的第一输入端耦接同步整流晶体管MSR的漏极端以接收漏极电压VD。比较器CMP2的第二输入端耦接第三电压V3。比较器CMP2的输出端耦接并提供驱动电压VG至同步整流晶体管MSR的栅极端。比较器CMP2的运作可参照上述第三控制电路130的运作而类推得知，故不再赘述。
综上所述，在本发明实施例所提出的电源转换装置及其同步整流控制器中，第一控制电路可在同步整流晶体管的漏极电压小于第一电压时立即导通同步整流晶体管，以缩短同步整流晶体管的漏极端与本体端之间的寄生二极管的导通时间，故可降低寄生二极管的功率消耗，从而提升电源转换装置整体的转换效率。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定的为准。

Claims (9)

1.一种同步整流控制器，用以驱动同步整流晶体管，其特征在于，所述同步整流控制器包括：
第一控制电路，耦接所述同步整流晶体管的漏极端以接收漏极电压，且将所述漏极电压与第一电压进行比较，当所述漏极电压小于所述第一电压时，所述第一控制电路输出驱动电压以导通所述同步整流晶体管；
第二控制电路，耦接所述同步整流晶体管的所述漏极端以接收所述漏极电压，且根据所述漏极电压与第二电压产生所述驱动电压以控制所述同步整流晶体管，其中所述第二控制电路将所述漏极电压与所述第二电压之间的差异电压进行放大以产生所述驱动电压，所述第二控制电路包括：
运算放大器，所述运算放大器的反相输入端耦接所述同步整流晶体管的所述漏极端以接收所述漏极电压，所述运算放大器的非反相输入端耦接所述第二电压，且所述运算放大器的输出端耦接并提供所述驱动电压至所述同步整流晶体管的栅极端；以及
第三控制电路，耦接所述同步整流晶体管的所述漏极端以接收所述漏极电压，且将所述漏极电压与第三电压进行比较，当所述漏极电压大于所述第三电压时，所述第三控制电路输出所述驱动电压以关断所述同步整流晶体管。
2.根据权利要求1所述的同步整流控制器，其特征在于，当所述漏极电压大于所述第一电压时，所述第一控制电路停止输出所述驱动电压。
3.根据权利要求1所述的同步整流控制器，其特征在于，当所述漏极电压小于所述第三电压时，所述第三控制电路停止输出所述驱动电压。
4.根据权利要求1所述的同步整流控制器，其特征在于，所述第二控制电路输出所述驱动电压以调节所述同步整流晶体管的所述栅极端的电压位准。
5.根据权利要求1所述的同步整流控制器，其特征在于，当所述漏极电压上升至所述第二电压时，所述第二控制电路调节所述驱动电压，以维持所述漏极电压于所述第二电压。
6.根据权利要求1所述的同步整流控制器，其特征在于，所述第一控制电路包括：
比较器，具有第一输入端、第二输入端及输出端，其中所述第一输入端耦接所述同步整流晶体管的所述漏极端以接收所述漏极电压，所述第二输入端耦接所述第一电压，且所述输出端耦接并提供所述驱动电压至所述同步整流晶体管的所述栅极端。
7.根据权利要求1所述的同步整流控制器，其特征在于，所述第三控制电路包括：
比较器，具有第一输入端、第二输入端及输出端，其中所述第一输入端耦接所述同步整流晶体管的所述漏极端以接收所述漏极电压，所述第二输入端耦接所述第三电压，且所述输出端耦接并提供所述驱动电压至所述同步整流晶体管的所述栅极端。
8.根据权利要求1所述的同步整流控制器，其特征在于，所述第一电压、所述第二电压及所述第三电压为负直流电压，且所述第一电压低于所述第二电压，且所述第二电压低于所述第三电压。
9.一种电源转换装置，其特征在于，包括：
变压器，具有一次侧与二次侧，其中所述一次侧的第一端用以接收输入电压，而所述二次侧的第一端则用以提供输出电压给负载；
同步整流晶体管，所述同步整流晶体管的漏极端耦接所述二次侧的第二端，所述同步整流晶体管的源极端耦接接地端，且所述同步整流晶体管的栅极端则用以接收驱动电压；以及
同步整流控制器，包括：
第一控制电路，耦接所述同步整流晶体管的所述漏极端以接收漏极电压，且将所述漏极电压与第一电压进行比较，当所述漏极电压小于所述第一电压时，所述第一控制电路输出所述驱动电压以导通所述同步整流晶体管；
第二控制电路，耦接所述同步整流晶体管的所述漏极端以接收所述漏极电压，且根据所述漏极电压与第二电压产生所述驱动电压以控制所述同步整流晶体管，其中所述第二控制电路将所述漏极电压与所述第二电压之间的差异电压进行放大以产生所述驱动电压，所述第二控制电路包括：
运算放大器，所述运算放大器的反相输入端耦接所述同步整流晶体管的所述漏极端以接收所述漏极电压，所述运算放大器的非反相输入端耦接所述第二电压，且所述运算放大器的输出端耦接并提供所述驱动电压至所述同步整流晶体管的栅极端；以及
第三控制电路，耦接所述同步整流晶体管的所述漏极端以接收所述漏极电压，且将所述漏极电压与第三电压进行比较，当所述漏极电压大于所述第三电压时，所述第三控制电路输出所述驱动电压以关断所述同步整流晶体管。
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