CN112152459B - 具有次级侧控制和同步整流器感测架构的ac-dc转换器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及具有次级侧控制和同步整流器感测架构的AC‑DC转换器。提供了一种具有次级侧控制和同步整流器(SR)架构的AC‑DC转换器及其操作方法，用于降低转换器的成本、复杂性和尺寸，同时提高效率。在示例实施例中，用于该AC‑DC转换器的次级侧的集成电路(IC)控制器包括耦合到端子的过零检测器(ZCD)块和负感测(NSN)块。该端子被配置为从AC‑DC转换器的次级侧上的SR电路的漏极节点接收输入信号。该ZCD块被配置为确定输入信号的电压何时达到0V。该NSN块被配置为确定输入信号的负电压。耦合在该端子和本地接地之间的内部整流器被配置为确保在ZCD块和NSN块的操作期间基本上没有电流流过该端子。

Description

具有次级侧控制和同步整流器感测架构的AC-DC转换器
技术领域
本公开总体上涉及AC-DC功率转换器，且更具体地，涉及包括同步整流器感测架构的次级受控转换器及其操作方法。
背景
AC-DC转换器将来自交流(AC)源的功率转换为指定电压电平的直流(DC)。对于给定的尺寸和重量，使用次级侧控制的AC-DC转换器可以更有效地输送功率，并因此被广泛用于便携式电子设备中。通常，AC-DC转换器将来自连接或耦合到变压器的初级侧的AC输入端的功率传输到耦合到变压器的次级侧的DC输出端。
包括同步整流器(SR)感测架构的一个这样的AC-DC转换器的简化示意框图在图1中示出。参考图1，AC-DC转换器100通常包括变压器102、有源整流元件或功率开关(PS)(诸如，在变压器的初级侧的PS场效应晶体管(PS_FET 104))、同步整流器(SR)(诸如，在变压器的次级侧的SR场效应晶体管(SR_FET 106))以及输出滤波器或电容器108。在操作中，PS_FET 104响应于来自初级侧控制器110的信号，接通或关断初级侧的电力。在次级侧受控转换器中，耦合到SR_FET 106的漏极节点(SR_DRAIN114)和栅极的次级侧控制器112感测SR_DRAIN上的电压，并响应于感测到的电压峰值以及负值和过零点来接通和关断SR_FET。
在反激式转换器(flyback converter)中，初级侧控制器110通过反馈或反激路径116从SR_FET 106或次级侧控制器112接收信号。在PS_FET 104接通或闭合且SR_FET 106断开或打开的时间期间，AC-DC转换器100被称为在反激模式下操作，并且在变压器102中建立磁场，同时初级侧的电流线性地增大。当PS_FET 104断开或打开且SR_FET 106接通或闭合时，AC-DC转换器100将功率传输到次级侧，其中磁场开始急剧下降，并且次级侧电流稳定地减小，但是随着功率被提供给连接到输出端的Cout 108而逐渐地减小，直到达到次级中基本上没有电流流动的点。
使用SR感测架构的前几代AC-DC转换器的一个问题在于，根据变压器102的匝数比(N:1)(通常为4:1)，SR_FET 106的漏极节点114上的电压可能超过整流后的AC输入电压的1/N，对于230V AC输入，通常高达115V。这又需要在SR_DRAIN节点上使用相对大且昂贵的高压FET，以及在次级侧控制器112中使用附加静电放电(ESD)电路，以将该电压从漏极节点114安全地耦合到次级侧控制器。
至少部分解决上述问题的现有方法依赖于使用由大于150V的容差技术制成的大的高功率FET来感测次级控制器112内部的SR_DRAIN节点，或者使用外部箝位电路118来裁切至次级侧控制器112的输入。这些方法并不完全令人满意，因为次级侧控制器112通常被实现为集成电路(IC)，并且使用外部箝位电路118来裁切至IC的输入需要额外的封装引脚和外部组件以及用于峰值检测和前馈(feed-fwd)感测的连接，因为在外部裁切SR_DRAIN114上的电压会干扰这些检测。因此，外部箝位电路118的使用增加了IC的尺寸和复杂性以及专用于SR感测的IC的封装引脚数量。这又增加了制造AC-DC转换器100所需的物料清单(BOM)和在其上制造次级侧控制器112的IC的尺寸，这两者都倾向于增加成本，同时降低AC-DC转换器100在需要紧凑功率转换器的应用中的产量和效用。
前几代AC-DC转换器100，尤其是次级侧受控反激式转换器的另一个问题是由于需要检测初级上的谷或最小电压而产生的。在AC-DC转换器100中，PS_FET 104应该在谷处接通，以使传导损耗最小化，从而实现最佳效率。然而，在次级侧受控的反激式转换器100中，例如图1中所示的，因为初级上的谷被检测为次级侧上的峰，其对应于次级上的峰，所以需要精确地进行峰的检测。峰检测的这一额外要求导致额外的组件被添加到SR_DRAIN节点上，因为外部箝位电路118将不允许精确地感测SR_DRAIN上的峰。因此，需要在SR_DARIN114上添加额外的组件，例如在AC-DC转换器100中添加Cpd，如图1所示。因此，外部峰值检测组件(Cpd)的使用增加了IC的尺寸和复杂性以及专用于SR感测的IC封装引脚的数量。这又增加了制造AC-DC转换器100所需的物料清单(BOM)和在其上制造次级侧控制器112的IC的尺寸，这两者都倾向于增加成本，同时降低AC-DC转换器100在需要紧凑功率转换器的应用中的产量和效用。因此，对于前几代反激式转换器100，不可能精确地命中谷，这导致了效率损失。
因此，需要一种具有次级侧控制和SR感测架构的AC-DC转换器及其操作方法，其在不影响性能的情况下降低成本和复杂性。还需要一种具有次级侧控制和SR感测架构的反激式转换器及其操作方法，其提供精确的谷检测以提高效率。
概述
提供了具有次级侧控制和同步整流器(SR)架构的AC-DC转换器及其操作方法，用于降低转换器的成本、复杂性和尺寸，同时提高效率。
在一个实施例中，次级侧控制器包括过零检测器块、负感测块和峰值检测器块，这些块集成或封装为单个集成电路(IC)，并通过单个SR感测(SR_SNS)引脚耦合到转换器的次级侧，该IC通过该单个SR感测(SR_SNS)引脚耦合到同步整流器(SR)(例如，SR场效应晶体管(SR_FET))的漏极。通常，单个SR_SNS引脚的最大输入电压小于至AC-DC转换器的次级侧的最大整流AC输入电压，并通过分压器电路耦合到SR的漏极，该分压器电路包括IC内部和外部的电路元件。
本发明的实施例的另外的特征和优点以及本发明的各个实施例的结构和操作在下面参照附图被详细地描述。应当注意，本发明不限于本文中描述的具体实施例。本文中介绍这样的实施例只是用于例证的目的。基于本文中包含的教导，另外的实施例对于相关领域的技术人员将是明显的。
附图简述
现在将参照所附示意图仅以示例的方式描述本发明的实施方式，所附示意图中相应的参考符号指示相应的部分。此外，被并入本文且形成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同描述一起进一步地用来解释本发明的原理，并使得相关领域的技术人员能够开发并使用本发明。
图1是示出了AC-DC转换器的示意框图，本公开的次级侧控制器和同步整流器(SR)架构对该AC-DC转换器特别有用；
图2A是描绘了根据本公开的包括次级侧控制器和SR架构的AC-DC转换器的实施例的示意框图；
图2B是描绘了根据本公开的图2A的次级侧控制器的实施例的详细框图；
图2C是描绘了根据本公开的包括光隔离器的图2A的隔离屏障的实施例的示意框图；
图2D是描绘了根据本公开的包括脉冲变压器的图2A的隔离屏障的另一实施例的示意框图；
图2E是描绘了图2B的次级侧控制器的一部分的示意框图，其描绘了根据本公开的SR感测块的实施例；
图3是示出了根据本公开的用于操作包括次级侧控制器和SR架构的AC-DC转换器的方法的实施例的流程图；
图4是示出了当通过图3的方法操作时图2A的电路中初级电流(I_primary)和次级电流(I_secondary)随时间变化的曲线图；以及
图5是示出了当通过图3的方法操作时图2A的电路中SR的漏极节点上的电压随时间变化的曲线图。
详细描述
公开了具有次级侧控制和包括单个SR感测(SR_SNS)引脚的同步整流器(SR)架构的AC-DC转换器及其操作方法，用于降低转换器的成本、复杂性和尺寸，同时提高效率。本公开的系统和方法在AC-DC反激式转换器中特别有用或与AC-DC反激式转换器一起特别有用，以改进谷检测来通过次级侧控制器改进对初级侧功率开关或初级FET的控制，从而提高转换器的效率。
现在将参照图2A至图2E描述根据本公开的包括次级侧控制器和SR架构的AC-DC转换器的实施例。图2A是根据本公开的AC-DC转换器200的示意框图，该AC-DC转换器200包括次级侧控制器202的实施例，并且具有SR架构。参考图2A，AC-DC转换器200通常包括变压器204，该变压器204在初级侧206具有电连接或耦合到AC输入端的初级绕组(NP)，在次级侧208具有耦合到DC输出端的次级绕组(NS)。
在初级侧206，耦合到变压器204的第一端子204a的整流电路，例如，桥式整流器210和一个或更多个输入滤波器212、214，对AC输入电压进行整流，并向变压器204的初级绕组提供输入功率。输入滤波器可以包括第一输入滤波器212和第二RC滤波器214，该第一输入滤波器212具有耦合到整流器210的输出端或跨接整流器210的输出端的电容器(C1)，该第二RC滤波器214包括并联耦合在变压器204的第一端子204a和二极管或整流器(D2)的阴极之间的电阻器或电阻元件(R 2)和电容器(C2)，该二极管或整流器(D2)具有耦合到变压器的第二端子204b的阳极。通常，如在所示实施例中，AC-DC转换器200还包括功率开关(PS216)，例如初级场效应晶体管(PR_FET)，该功率开关具有耦合到变压器204的第二端子204b的第一节点或漏极节点、耦合到初级侧控制器218的第二节点或栅极节点以及耦合到初级侧控制器的第三节点或源极节点，并且通过电流感测元件(例如，电阻元件(RCS))接地，以感测PS 216闭合或导通时流经初级绕组的初级侧电流(I_primary)。通常，如在所示实施例中，初级侧控制器218还通过电阻元件(Rin)耦合到变压器204的第一端子204a，以接收与整流后的AC输入电压相等或成比例的电压或信号。
在次级侧208，AC-DC转换器200包括耦合在变压器204的第三端子204c和电接地或接地端子之间的滤波电容器221以及耦合在变压器204的第三端子204c和电接地之间的输出电容器220，向输出接口或连接器222提供DC输出电压。通常，如在所示实施例中，输出连接器222还通过多个通信信道224耦合到次级侧控制器202，以支持各种充电协议。合适的输出连接器222可以包括那些兼容并支持标准和专有充电协议(包括通用串行总线功率输送的USB PD2.0和带有可编程电源(PPS)的USB PD3、
Figure BDA0002551130540000061
快速充电、
Figure BDA0002551130540000062
AFC和
Figure BDA0002551130540000063
充电协议)的输出连接器。例如，连接器可以包括通用串行总线type C(USB-C)兼容连接器，其中AC-DC转换器200符合USB协议，以在从大约0到大约3000毫安(mA)的电流下提供大约3.3VDC到大约21.5VDC的DC输出电压。
根据本公开，AC-DC转换器200还包括次级侧208上耦合在变压器204的第四端子204d和DC输出端的接地端子之间的同步整流器(SR 226)，例如同步整流器场效应晶体管(SR_FET)。SR 226包括耦合到变压器204的第四端子204d和次级侧控制器202以感测SR的漏极上的电压的第一节点或漏极节点226a；耦合到次级侧控制器以驱动或控制SR的第二节点或栅极节点226b；以及耦合到次级侧控制器和DC输出端的接地端子的第三节点或源极节点226c。
在某些实施例中，例如所示的实施例中，次级侧控制器202被实现或实施为单个集成电路(IC)或封装在单个IC封装中的多个IC，并且漏极节点226a通过分压器230耦合到IC的单个SR_SNS引脚228，分压器230包括次级侧控制器的IC内部和外部的电路元件。SR 226的栅极节点226b通过SR驱动(SR_Gdrv)引脚232耦合到次级侧控制器202，并且SR的源极节点226c通过SR_Vss(接地电压电平)引脚234耦合到次级侧控制器。
可选地，如在所示实施例中，次级侧还包括附加或次级开关(SS)236，例如NFET，其耦合在变压器204的第三端子204c和正DC输出端之间，以使次级侧控制器202能够断开DC输出端，从而针对过压和/或欠压情况进行保护。SS 236包括耦合到次级侧控制器202的电压总线输入引脚(VBUS_IN)238的源极节点；耦合到电压总线控制引脚(VBUS_CTRL)240以驱动或控制该SS的栅极节点；以及耦合到电压总线输出引脚(VBUS_OUT)242和DC输出端的正端子的漏极节点。
分压器230包括外部电阻元件244、内部电阻元件246和内部整流器248。虽然示意性地示出为二极管，但是应当理解，不必在每个实施例中都是如此，内部整流器248可以是PN二极管(如图所示)，或者可替代地，可以是同步二极管或被配置或连接以用作二极管的FET。内部整流器248的配置或放置(即，连接有阴极接地)确保了在负感测或过零操作期间，基本上没有电流流过分压器230，从而允许漏极节点226a上的全部的未分压的负电压耦合到SR_SNS引脚228。外部电阻元件244的电阻值通常由AC-DC转换器200的制造商决定，并且基于漏极节点226a上的预期最大电压来选择以限制SR_SNS节点228上的最大电压，从而使得次级侧控制器202能够由使用标准低压技术制成的非高压设备制成，其中漏极节点226a上的预期最大电压基于最大AC电压输入和变压器204的匝数比。电阻元件244的合适电阻值是从大约4KΩ到大约10KΩ。例如，在一个实施例中，其中桥式整流器210之后的最大输入电压是380V，并且变压器204具有4:1的匝数比，并且在VBUS_IN上有21.5V DC的电压，则SR_DRAIN 226a电压可以是116.5V。次级侧控制器202使用20V容差技术制造，并且外部电阻元件244具有大约10KΩ的电阻和大约2KΩ的内阻，以将漏极节点226a上的最大电压限制为不超过大约21.5V。
在图2A中示意性地示出为可变电阻的内部电阻元件246可以具有由制造商在制造AC-DC转换器200时基于期望的输入或输出电压、或者为了补偿AC-DC转换器中的IC或其他组件的参数变化而设置的电阻值。可替代地，内部电阻元件246的电阻值可以由AC-DC转换器200或次级侧控制器202中的校准电路在AC-DC转换器启动或通电时或者此后周期性地动态调整。
可选地，如在所示实施例中，分压器230还包括与内部整流器248并联的旁路开关元件或开关252。在前馈(ff)感测期间，开关252响应于ff信号(ff_enable)而闭合，该ff信号在次级侧控制器202中在检测到漏极节点226a上的电压升高或非零正电压时生成，该ff信号指示前馈操作。注意，尽管在图2A所示的实施例中，内部整流器248和开关252被示意性地示为两个单独并分立的元件，但是不必在每个实施例中都是如此，并且整流器和开关可以可替代地包括单个器件(例如，FET)，其中开关由FET形成，并且整流器由FET的源极和漏极之间的本证体二极管(intrinsic body diode)形成。
如图2A所示，AC-DC转换器200还包括隔离电路或屏障254，以将次级侧208与初级侧206上存在的高AC输入电压电隔离。因为变压器204是降压变压器，所以它通常被认为是隔离屏障254的一部分。另外，如在所示实施例中，AC-DC转换器200是反激式转换器，其中信号256从次级侧控制器202上的引脚(例如，反馈引脚243或脉宽调制(PWM)驱动引脚258)被提供给初级侧控制器218，隔离屏障254还可以包括次级侧控制器与初级侧控制器218或PS216之间的附加电路或元件。下面参照图2B到图2D来描述根据各个实施例的这些附加电路或元件的细节。
图2B是描绘图2A的次级侧控制器202的实施例的详细框图。参考图2B，除了分压器230之外，次级侧控制器202通常还包括SR感测电路或块260和SR栅极驱动电路或块262，该SR栅极驱动电路或块262通过SR驱动引脚232耦合到SR 226的栅极节点226b。SR感测块260通过单个SR_SNS引脚228和分压器230耦合到SR 226的漏极节点226a，并且通过SR_Vss引脚234耦合到SR的源极节点226c。SR感测块260通常包括过零检测器(ZCD)块、负感测(NSN)块、峰值检测器(PKD)块和线路前馈(LFF)块，用于感测SR 226的漏极226a上的电压，以感测或检测过零、负电压、峰值(正)电压和前馈操作。SR感测块260的一个或更多个输出端耦合到SR栅极驱动器块262以控制SR 226，并耦合到脉宽调制(PWM)电路264以通过PWM驱动引脚258向初级侧控制器218提供信号256以控制PS 216。PWM电路264包括用于生成具有调制的脉冲宽度的信号的斜坡发生器和PWM，以及用于将信号的电压或功率提升到驱动初级侧控制器218或PS 216所必需的电压或功率的PWM驱动器。
如图2B中所示，次级侧控制器202还包括次级开关(SS)电路266。SS电路266包括用于检测VBUS_IN 238和VBUS_OUT 242上的过压(OV)和欠压(UV)条件的OV-UV电路或块；低压降(LDO)和高压(HV)调节器；以及用于使VBUS_IN和VBUS_OUT放电的放电电路或块。
接口电路268开关包括用于与由AC-DC转换器200供电或充电的设备进行通信的电路或块，以支持各种充电协议。这些电路或块可以包括使用某些充电协议与设备通信的双相符号编码(BMC)物理层(PHY)、充电器检测块和用于复位设备的上电复位(POR)块，以在AC-DC转换器200开始充电时将其置于已知状态。
次级侧控制器202还包括微控制器单元(MCU)子系统270，其包括逻辑微处理器或控制器，用于执行存储在MCU子系统的存储器中的程序；模数转换器(ADC)；多用途定时器计数器脉冲宽度调制器(TCPWM)，其能够执行MCU的操作所需的多种功能；以及多个通用输入/输出(GPIO)，其中仅示出了一个。
最后，次级侧控制器202还包括耦合到反馈引脚243的反馈电路或块272，以向PWM电路264提供误差校正，并且在隔离屏障254的某些实施例中，向初级侧控制器218提供反馈信号。通常，如在所示实施例中，电路272包括恒定电压(CV)参考、恒定电流(CC)参考、一个或更多个误差放大器和内部数模转换器(inter-digital analog converter)(IDAC)、低压测电流感测放大器(LSCSA)和短路保护(SCP)块。
现在将参照图2C和图2D来描述图2A的AC-DC转换器200的隔离屏障254的实施例。应当注意，图2C和2D各自示出了隔离屏障254的一个示例性实施例，并且该隔离屏障的其他实施例可以被实现为可以包括或不包括这些图中所示的所有元件和组件。因此，图2C和图2D的实施例不旨在以任何方式限制本发明和所附权利要求。
参考图2C，在第一实施例中，隔离屏障254包括光隔离器274，以在次级侧控制器202的反馈引脚243和初级侧控制器218之间提供电隔离。通常，光隔离器包括发光元件(例如，发光二极管(LED)274a)和光敏元件(例如，光敏或光电晶体管274b)。LED 274a具有直接耦合到误差放大器输出引脚(EA_OUT)的阴极，以及通过分压器耦合到变压器204的第三端子204c的阳极，该分压器包括第一电阻元件(R3)和第二电阻元件(R4)。LED 274a的阴极还通过电阻器-电容器滤波器或网络276和278耦合到FB引脚243和恒定电流补偿通用输入/输出(CC_COMP_GPIO)。光电晶体管274b可以包括双极NPN晶体管，并且通过FB_input引脚280耦合到初级侧控制器218。在该实施例中，次级侧控制器202使用来自误差放大器272的输出来获取来自次级侧的反馈，并通过光隔离器274将其传递给初级控制器。该架构提供了三个关键特征：次级侧感测和调节、同步整流和充电端口控制器。
图2D是描绘图2A的隔离屏障的另一实施例的示意框图，其包括耦合在次级侧控制器202的PWM驱动引脚258与脉冲_in引脚284和软启动(SS)引脚273之间的脉冲变压器282。次级侧控制器202的PWM驱动引脚258在电压模式控制下调制初级MOSFET的脉冲宽度。在这种架构中，初级侧控制器218使用误差放大器272和PWM电路264的可编程斜坡发生器来确定PWM信号的脉冲宽度。该PWM信号通过脉冲变压器282从次级侧控制器202传输到初级侧控制器218。这种架构，类似图2C的架构，同样提供了三个关键特征：次级侧感测和调节、同步整流和充电端口控制器。隔离屏障还包括变压器204的辅助线圈，其用作反激式降压变压器204e，以经由Aux引脚向初级侧控制器218供电。降压变压器204e连同二极管D1以及接着的接地的电容器C1，存储降压电压，然后，该降压电压被双极结型晶体管(BJT)结构裁切，然后耦合到Aux引脚。该附加电路有助于降低AC-DC转换器200的总功耗，因为初级侧控制器218通过Aux引脚供电，而不是通过经由Rin耦合到变压器204的初级侧206上的第一端子204a的另一引脚由单独的电源供电。连接到初级侧控制器218的过压保护(OVP)AUX引脚284的电阻器分压器R1、R2用于经由降压变压器204e感测次级侧208上的VBUS_IN的反射电压。有了这个VBUS_IN信号，初级侧控制器218可以使用初级侧控制器的内部电路来禁用PS 216(在此示出为PR_FET)。
图2E是描绘图2B的次级侧控制器的一部分的示意框图，其描绘了根据本公开的SR感测块260的实施例。如图2E所示，SR感测块包括过零检测器(ZCD)块286、负感测(NSN)块288、峰值检测器(PKD)块290和线路前馈(LFF)块292，所有这些都与次级侧控制器202的其他组件和元件一起整体形成在单个IC上。
ZCD块286可以包括比较器，该比较器具有第一反相输入端和第二非反向输入端，该第一反相输入端通过SR_Vss引脚234耦合到SR 226的源极节点226c，该第二非反相输入端耦合到SR_SNS引脚228并通过分压器230耦合到SR的漏极节点226a。在ZCD检测阶段期间，其中SR_DRAIN 226a处于负电压并向0V倾斜，整流器248保持启用，而不启用开关252，以使分压器230中没有分压。这使得在ZCD比较器286的非反相输入端处实现SR_DRAIN 226a的直流电压。ZCD块286的比较器可以被配置成当在无任何分压的情况下在SR_SNS引脚228和SR_DRAIN引脚226a交叉上感测到零电压时，生成零电流信号(ZCD_OUT)以断开SR 226。无分压能够精确检测零电流(或SR_DRAIN 226a的电压交叉)，这提高了AC-DC转换器200的效率。
NSN块288还可以包括比较器，该比较器具有第一反相输入端和第二非反相输入端，该第一反相输入端耦合到SR_SNS引脚228并通过分压器230耦合到SR 226的漏极节点226a，该第二非反相输入端耦合到负参考电压(Vtnesn)，该负参考电压(Vtnesn)可以是从-700mV到+200mV的任何值。该参考电压Vtnesn可以被定义为控制器接通SR_GDRV 226b所需要的期望的负电压跳变点。负参考电压的可替代方法可以是例如将通过SR_Vss引脚234耦合的非反相输入端连接到SR 226的源极节点226c，并且当SR_SNS引脚228处于负电压时，比较器可以具有用于跳变的内置偏移。在NSN检测阶段期间，其中SR_DRAIN 226a从正电压变为负电压，整流器248保持启用，而不启用开关252，以使分压器230中没有分压。这使得在NSN比较器288的反相输入端228处实现SR_DRAIN 226a的直流电压。NSN比较器288生成负电压信号(NSN_OUT)，以接通SR 226。
在次级侧上进行功率输送期间，当SR 226断开且在PS 216还没有接通时，导致SR_DRAIN 226a上的LC正弦振荡以及反激式变压器204的PR漏极204b端子上的反向正弦振荡。为了提高AC-DC转换器的效率，当在这些正弦振荡中存在谷时，初级开关216必须接通，该谷对应于次级SR_DRAIN 226a节点上的峰。PKD块290是次级侧上的峰值感测块。PKD块290还可以包括比较器，该比较器具有第一反相输入和耦合到地的第二非反相输入，该第一反相输入通过开关294和内部电容器295耦合到SR_SNS引脚228，并且通过分压器230从SR_SNS引脚耦合到SR 226的漏极节点226a。通常，如在所示实施例中，PKD块290还包括跨比较器的第一输入端和第二输入端的背对背连接的二极管电路296，用于检测在SR_SNS 228上看到的正弦波形的峰值。比较器被配置成生成峰值电压检测信号(PKD_OUT)，该信号可以耦合到初级侧控制器218以接通PS 216，从而启用谷开关操作模式。开关294在NSN和ZCD检测阶段期间保持断开，以避免在SR_SNS 228节点上的由PKD块提供的电容式负载，这减少了感测NSN和ZCD的延迟，并提高了AC-DC转换器200的性能和效率。在峰值检测功能期间，通过使用ZCD_OUT的导出信号来接通开关294，因为ZCD_OUT决定了SR FET 226的断开，在SR FET 226断开之后，LC正弦振荡开始。
最后，AC线路前馈(LFF)块292可以包括电压-电流(V2I)块，该电压-电流(V2I)块通过开关297、使用二极管元件298连同电荷存储元件(电容器299)的采样和保持布置耦合到SR_SNS引脚228，并通过分压器230耦合到SR 226的漏极节点226a。在初级开关216接通的阶段期间，根据反激式变压器204的匝数比(N)，反激式变压器的节点204d和204c之间的差发展成与变压器204的节点204a上的线路输入(line-in)整流后的电压成比例的反射电压。由于节点204d也耦合到在电阻器分压器230之后用作次级侧控制器202内部的感测节点的SR_DRAIN 226a，节点SR_SNS 228还携带使用LFF块292导出的线路输入电压信息。次级侧控制器202可以使用线路输入信息来改变谷开关或PWM脉冲宽度，以优化跨可变AC线路输入的AC-DC转换器200的效率。初级开关216接通并且SR_DRAIN 226a获得反射比例电压的阶段被定义为前馈感测阶段，并且在该阶段期间，开关297接通以经由SR_SNS 228引脚开始感测线路输入电压。同时，开关252也接通以绕过整流器元件248，以允许SR_DRAIN 226a的精确的电阻式分压版本到达LFF块292的输入端。开关297在NSN和ZCD检测阶段期间保持断开，以避免由LFF块在SR_SNS 228节点上提供的电容式负载，这有助于减少感测NSN和ZCD的延迟，并提高AC-DC转换器200的性能和效率。LFF块292被配置为当AC-DC转换器200以前馈感测模式操作时生成电流信号(IFF_OUT)。然后，该IFF_OUT电流可用于根据线路AC电压来调制PWM脉冲宽度，这提高了AC-DC转换器在AC输入电压范围的宽范围内的性能和效率。IFF_OUT电流还可以被转换成与线路AC输入电压成比例的电压，并且可以用于次级侧控制器上所需的任何功能，例如，对于相同的输出功率需求，用于改变基于线路AC电压而接通初级FET 216的谷，以提高AC-DC转换器200的性能。
现在将参照图3的流程图以及图4和图5的曲线图来描述操作具有次级侧控制器的AC-DC转换器的方法，该次级侧控制器包括具有单个SR_SNS引脚的IC，该IC通过分压器经由该SR_SNS引脚耦合到SR的漏极。图4是示出了当通过图3的方法操作时图2A-2E的电路中的初级电流(I_primary 402)和次级电流(I_secondary 404)的曲线图。图5是示出了当通过图3的方法操作时在SR的漏极节点上的所得电压502的曲线图。
参考图3以及图2A-图2E，在块302处，该方法从接收至变压器204的初级侧206的整流AC输入开始。在块304处，通过单个SR_SNS引脚228感测SR 226的漏极226a上的电压。接下来，在块306处，确定是否检测到负感测。通常，确定AC-DC转换器是否在负感测模式下操作是通过感测SR_SNS引脚228上增加的负电压来完成的。如果没有检测到负感测，则重复步骤或块304，并且通过单个SR_SNS引脚228继续感测SR 226的漏极226a上的电压。如果检测到负感测，则在块308处，当变压器204的初级侧206上的功率开关或PS 216保持断开时，接通SR 226。
接下来，在块310处，使用次级侧控制器202中的ZCD块286对SR_SNS引脚228上的过零进行检查，并且在块312处，确定是否检测到过零。如果没有检测到过零，则重复步骤或块310，以继续检查SR_SNS引脚228上的过零。如果检测到过零，则在块314处，断开SR 226，且PS 216保持断开。
然后，在块316处，使用次级侧控制器202中的PKD块290对在SR_SNS引脚228上检测到的预定或期望峰值电压的峰的预定或期望数量进行检查，并且在块318处，确定是否检测到期望数量的峰。如果没有检测到期望数量的峰，则重复步骤或块316，以继续检查期望数量的峰。如果检测到期望数量的峰，则在块320处，SR 226保持断开，接通PS 216，并且旁路开关252闭合，以将分压电压施加到SR_SNS引脚228。
接下来，在块322处，执行检查以感测AC-DC转换器200是否在线路前馈(LFF)感测模式下操作，并在块324处，确定是否感测到LFF。通常，确定AC-DC转换器200是否在LFF感测模式下操作是通过使用LFF块292感测通过单个SR_SNS引脚228施加在SR 226的漏极226a上的上升或稳定正电压来完成的。如果AC-DC转换器200没有在LFF感测模式下操作，则重复步骤或块322以继续检查LFF感测。如果确定AD-DC转换器在LFF感测模式下操作，则在块326处，打开旁路开关252，使得通过单个SR_SNS引脚228施加到次级侧控制器202的电压不被分压器230分压，并且重复步骤或块304以通过单个SR_SNS引脚228感测SR 226的漏极226a上的电压。
因此，已经公开了具有次级侧控制和SR架构的AC-DC转换器及其操作方法。上面已经借助于示出指定功能(function)及其关系(relationship)的实现的功能的和示意性框图描述了本发明的实施例。为了便于描述，已经在本文任意限定了这些功能构件块(block)的边界。只要适当地执行所指定的功能及其关系，就可以限定可替代的边界。
特定实施例的前述描述将完全揭示本发明的一般性质，使得其他人可以通过应用本领域技术内的知识，在不偏离本发明的一般概念的情况下，对于各种应用容易地修改和/或适应这样的特定实施例，而无需过度实验。因此，基于本文呈现的教导和指导，这样的适应和修改旨在位于所公开的实施例的等同物的含义和范围内。应当理解，本文的措辞或术语是为了描述而不是限制的目的，因此本说明书的术语或措辞将由本领域技术人员根据教导和指导来解释。
应当理解，详细描述部分(而不是概述和摘要部分)旨在用于解释权利要求。概述和摘要部分可能阐述了一个或更多个但并非如发明人所设想的本发明的所有示例性实施方式，因此，并非旨在以任何方式限制本发明及所附权利要求。
本发明的广度和范围不应被上面描述的任何示例性实施方案所限制，而是只应根据所附权利要求和它们的等效物来限定。
在下文的一个或多个实施方案中可实现本公开的各方面。
1)一种用于AC-DC转换器的次级侧控制器，所述次级侧控制器包括集成电路(IC)和单个SR_SNS引脚，所述集成电路包括在其上集成地形成的过零检测器(ZCD)块、负感测(NSN)块、峰值检测器(PKD)块和线路前馈(LFF)块，所述ZCD块、PKD块、NSN块和LFF块通过所述单个SR_SNS引脚耦合到同步整流器(SR)的漏极。
2)根据1)所述的次级侧控制器，其中，所述单个SR_SNS引脚具有小于至所述AC-DC转换器的变压器的次级侧的整流后的AC输入电压的最大输入电压。
3)根据2)所述的次级侧控制器，其中，所述单个SR_SNS引脚通过分压器电路耦合到所述SR的漏极，所述分压器电路包括所述IC内部和外部的电路元件。
4)根据3)所述的次级侧控制器，其中，所述分压器的电路元件包括外部电阻元件，所述外部电阻元件具有基于至所述变压器的初级侧的AC输入电压和所述变压器的匝数比的电阻。
5)根据4)所述的次级侧控制器，其中，所述外部电阻元件具有被选择为向所述单个SR_SNS引脚提供小于21.5V的最大输入电压的电阻。
6)根据4)所述的次级侧控制器，其中，所述分压器的电路元件还包括与内部整流器串联耦合的内部电阻元件，所述内部整流器被配置为在所述次级侧上的负感测和过零检测期间防止分压。
7)根据6)所述的次级侧控制器，其中，所述分压器的电路元件还包括开关，所述开关被配置为在前馈感测期间使所述内部整流器短路，从而使耦合到所述单个SR_SNS引脚的电压能够被所述分压器的外部电阻元件和内部电阻元件分压。
8)根据7)所述的次级侧控制器，其中，所述PKD块包括通过内部电容器耦合到所述SR_SNS引脚的比较器，用于检测所述SR_SNS引脚上的峰值电压，而不对所述峰值电压进行任何裁切，并且所述比较器被配置为生成PKD_OUT信号，所述PKD_OUT信号被处理并被发送到初级侧控制器，以接通耦合在AC输入端和所述变压器的初级侧之间的功率开关(PS)，从而启用谷开关操作模式。
9)根据6)所述的次级侧控制器，其中，所述ZCD块包括耦合在所述SR_SNS引脚和所述AC-DC转换器的DC输出端的负端子之间的比较器，所述比较器被配置为当在没有任何分压的情况下在所述SR_SNS引脚交叉上感测到零电压时，生成零电流信号以断开所述SR。
10)根据6)所述的次级侧控制器，其中，所述NSN块包括比较器，所述比较器耦合到所述SR-感测，以在没有任何分压的情况下检测负电压交叉，所述比较器被配置为生成用于接通所述SR的信号。
11)根据6)所述的次级侧控制器，其中，所述LFF块包括电压-电流(V2I)块，所述电压-电流(V2I)块耦合到所述SR-感测，以在进行分压的情况下检测成比例的AC线路输入电压，并且该线路输入电压信息用于改变所述AC-DC转换器的参数，以提高效率和性能。
12)一种系统，包括：
变压器，其包括初级侧和次级侧，所述初级侧被耦合以接收整流后的AC输入，所述次级侧耦合到DC输出端并且具有耦合在所述DC输出端和所述次级侧之间的同步整流器(SR)；
次级侧控制器，其包括集成电路(IC)和多个引脚，所述IC包括在其上集成地形成的过零检测器(ZCD)块、负感测(NSN)块、峰值检测器(PKD)块和线路前馈(LFF)块，所述IC通过所述多个引脚耦合到所述变压器的次级侧，所述多个引脚包括单个SR_SNS引脚和SR_Gdrv引脚，所述IC通过所述单个SR_SNS引脚耦合到所述SR的漏极以感测所述SR的漏极上的电压，所述IC通过所述SR_Gdrv引脚耦合到所述SR的栅极，
其中，所述单个SR_SNS引脚通过分压器电路耦合到所述SR的漏极，所述分压器电路包括外部电阻元件、与内部整流器串联耦合的内部电阻元件以及被配置为绕过所述内部整流器的开关。
13)根据12)所述的系统，其中，所述次级控制器被配置为在前馈操作期间闭合绕过所述内部整流器的所述开关来感测AC线路输入电压，以改变所述AC-DC转换器的内部参数，从而提高效率和性能，使得所述SR的漏极上并耦合到所述单个SR_SNS引脚的电压能够被所述分压器的外部电阻元件和内部电阻元件分压，并且其中，所述PKD块包括通过内部电容器耦合到所述SR_SNS引脚的比较器，以检测所述SR_SNS引脚上的峰值电压，而基本上不对所述峰值电压进行任何裁切，所述比较器被配置为生成PKD_OUT信号，所述PKD_OUT信号被处理并被发送到初级侧控制器，以接通耦合在所述整流后的AC输入和所述变压器的初级侧之间的功率开关(PS)，从而启用谷开关操作模式。
14)根据12)所述的系统，其中，所述次级控制器被配置为在过零操作期间打开与所述整流器并联的旁路开关，使得能够在所述SR_SNS引脚上感测未分压的电压，并且其中，所述ZCD块包括耦合在所述SR_SNS引脚和所述AC-DC转换器的DC输出端的负端子之间的比较器，所述比较器被配置为当在所述SR_SNS引脚上感测到零电压时生成零电流信号以断开所述SR。
15)根据12)所述的系统，其中，所述次级控制器被配置为在负感测操作期间打开与所述内部整流器并联的旁路开关，使得能够在所述SR_SNS引脚上感测全部未分压的负电压，并且其中，所述NSN块包括耦合到所述SR_SNS引脚的比较器，以在没有任何分压的情况下检测负电压交叉，所述比较器被配置为生成用于接通所述SR的信号。
16)根据12)所述的系统，还包括隔离屏障，所述隔离屏障包括在所述次级侧控制器和功率开关(PS)之间的光隔离器，所述功率开关(PS)耦合在所述整流后的AC输入和所述变压器的初级侧之间。
17)根据12)所述的系统，还包括隔离屏障，所述隔离屏障包括在所述次级侧控制器和功率开关(PS)之间的脉冲变压器，所述功率开关(PS)耦合在所述整流后的AC输入和所述变压器的初级侧之间。
18)一种操作具有同步整流器(SR)架构的AC-DC转换器的方法，包括：
接收至变压器的初级侧的整流后的AC输入；
用次级侧控制器感测耦合到所述变压的次级侧的同步整流器(SR)的漏极上的电压，所述次级侧控制器包括集成电路(IC)，所述集成电路(IC)包括单个SR_SNS引脚，所述IC通过所述单个SR_SNS引脚耦合到所述SR的漏极；以及
基于在所述SR的漏极上感测到的电压，用所述次级侧控制器控制所述SR以调节来自所述变压器的次级侧的DC输出，
其中，感测SR的漏极上的电压包括通过所述单个SR_SNS引脚感测前馈操作、漏极上的负电压、过零或峰值电压检测。
19)根据18)所述的方法，其中，所述单个SR_SNS引脚通过分压器电路耦合到所述SR的漏极，所述分压器电路包括外部电阻元件、与内部整流器串联耦合的内部电阻元件以及被配置为绕过所述内部整流器的开关，并且其中，感测所述前馈操作包括闭合所述开关，使得耦合到所述单个SR_SNS引脚的电压能够被所述分压器分压，并且其中，控制所述SR包括生成SR驱动信号以接通或断开所述SR。
20)根据19)所述的方法，其中，所述AC-DC转换器还包括耦合在所述整流后的AC输入和所述初级侧之间的功率开关(PS)，并且所述方法还包括在由PS驱动信号进行的PS的接通期间感测所述前馈操作。
21)根据20)所述的方法，其中，当没有感测到前馈操作并且在所述SR的漏极上接收到负电压时，则感测SR的漏极上的电压包括打开所述开关，以使得能够在所述SR_SNS引脚上感测未分压的电压，并且其中，当感测到负电压时，控制所述SR包括生成SR驱动信号以接通所述SR。
22)根据20)所述的方法，其中，当没有感测到前馈操作并且所述SR的漏极的负电压朝零伏特接近时，则感测SR的漏极上的电压包括检查过零，并且其中，如果检测到过零，则控制所述SR包括生成SR驱动信号以断开所述SR。
23)根据22)所述的方法，其中，如果检测到过零，则感测SR的漏极上的电压包括检查所述单个SR_SNS引脚上的峰值电压，并且如果检测到峰值电压，则感测SR的漏极上的电压还包括用所述次级侧控制器生成PS驱动信号以接通所述PS，从而启用谷开关操作模式。

Claims (20)

1.一种用于AC-DC转换器的次级侧的集成电路(IC)控制器，所述集成电路(IC)控制器包括：
端子，其用于从在所述AC-DC转换器的次级侧上的同步整流器(SR)电路的漏极节点接收输入信号；
过零检测器(ZCD)块，其耦合到所述端子，并被配置为确定来自所述同步整流器(SR)电路的漏极节点的输入信号的电压何时达到0V；
负感测(NSN)块，其耦合到所述端子，并被配置为确定来自所述同步整流器(SR)电路的漏极节点的输入信号的负电压；以及
内部整流器，其耦合在所述端子和本地接地之间，并被配置为确保在所述过零检测器(ZCD)块和所述负感测(NSN)块的操作期间基本上没有电流流过分压器。
2.根据权利要求1所述的集成电路(IC)控制器，其中，所述端子被配置为承受不超过21.5V的最大输入电压。
3.根据权利要求1所述的集成电路(IC)控制器，其中，所述过零检测器(ZCD)块包括比较器，所述比较器被配置为当来自所述同步整流器(SR)电路的漏极节点的输入信号被检测到跨过0V时，生成用于断开所述同步整流器(SR)电路的信号。
4.根据权利要求1所述的集成电路(IC)控制器，其中，所述负感测(NSN)块包括比较器，所述比较器被配置为当来自所述同步整流器(SR)电路的漏极节点的输入信号的负电压下降到小于负参考电压时，生成用于接通所述同步整流器(SR)电路的信号。
5.根据权利要求1所述的集成电路(IC)控制器，还包括线路前馈(LFF)块，其耦合到所述端子，并被配置为基于来自所述同步整流器(SR)电路的漏极节点的输入信号检测成比例的AC线路输入电压。
6.根据权利要求5所述的集成电路(IC)控制器，还包括与所述内部整流器并联耦合的开关，其中，所述开关在所述线路前馈(LFF)块的操作期间被接通。
7.根据权利要求1所述的集成电路(IC)控制器，还包括内部电阻元件，其与所述内部整流器串联耦合，并被配置为在所述过零检测器(ZCD)块和所述负感测(NSN)块的操作期间防止分压。
8.根据权利要求1所述的集成电路(IC)控制器，还包括峰值检测器(PKD)块，其耦合到所述端子，并被配置为检测来自所述同步整流器(SR)电路的漏极节点的输入信号的峰值电压。
9.一种AC-DC转换器系统，所述系统包括：
变压器，其被耦合以接收整流后的AC输入；
初级侧集成电路(IC)控制器，其被耦合以控制所述变压器的操作；
连接器，其耦合到提供DC输出的输出电容器；
同步整流器(SR)电路，其耦合在所述输出电容器和所述变压器之间；以及
次级侧集成电路(IC)控制器，其被耦合以控制所述同步整流器(SR)电路的操作，其中，所述次级侧集成电路(IC)控制器包括：
端子，其用于从所述同步整流器(SR)电路的漏极节点接收输入信号；
过零检测器(ZCD)块，其耦合到所述端子，并被配置为确定来自所述同步整流器(SR)电路的漏极节点的输入信号的电压何时达到0V；
负感测(NSN)块，其耦合到所述端子，并被配置为确定来自所述同步整流器(SR)电路的漏极节点的输入信号的负电压；以及
内部整流器，其耦合在所述端子和本地接地之间，并被配置为确保在所述过零检测器(ZCD)块和所述负感测(NSN)块的操作期间基本上没有电流流过分压器。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述过零检测器(ZCD)块包括比较器，所述比较器被配置为当来自所述同步整流器(SR)电路的漏极节点的输入信号被检测到跨过0V时，生成用于断开所述同步整流器(SR)电路的信号。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述负感测(NSN)块包括比较器，所述比较器被配置为当来自所述同步整流器(SR)电路的漏极节点的输入信号的负电压下降到小于负参考电压时，生成用于接通所述同步整流器(SR)电路的信号。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述次级侧集成电路(IC)控制器还包括线路前馈(LFF)块，所述线路前馈(LFF)块耦合到所述端子，并被配置为基于来自所述同步整流器(SR)电路的漏极节点的输入信号检测成比例的AC线路输入电压。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述次级侧集成电路(IC)控制器还包括与所述内部整流器并联耦合的开关，其中所述开关在所述线路前馈(LFF)块的操作期间被接通。
14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述次级侧集成电路(IC)控制器还包括内部电阻元件，所述内部电阻元件与所述内部整流器串联耦合，并被配置为在所述过零检测器(ZCD)块和所述负感测(NSN)块的操作期间防止分压。
15.根据权利要求9所述的系统，其中，所述次级侧集成电路(IC)控制器还包括峰值检测器(PKD)块，所述峰值检测器(PKD)块耦合到所述端子，并被配置为检测来自所述同步整流器(SR)电路的漏极节点的输入信号的峰值电压。
16.根据权利要求9所述的系统，还包括耦合在所述初级侧集成电路(IC)控制器和所述次级侧集成电路(IC)控制器之间的光隔离器。
17.根据权利要求9所述的系统，还包括耦合在所述初级侧集成电路(IC)控制器和所述次级侧集成电路(IC)控制器之间的脉冲变压器。
18.根据权利要求9所述的系统，其中，所述整流后的AC输入是从高达230V的AC电压生成的。
19.根据权利要求9所述的系统，其中，所述DC输出在3.3V至21.5V的范围内。
20.根据权利要求9所述的系统，其中，所述连接器是通用串行总线(USB)Type-C兼容连接器。
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