CN112448585B - 次级同步整流的电源转换器与相关的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种自适应设定一斜率临界值的方法，可适用于次级同步整流的电源转换器。该方法包含有：检查一信号的一斜率是否大于该斜率临界值；如果该斜率未曾大于该斜率临界值，则降低该斜率临界值；以及，如果该斜率大于该斜率临界值，则依据该斜率临界值以及该信号，来控制一功率开关。

Description

次级同步整流的电源转换器与相关的控制方法
技术领域
本发明关于一种开关式电源转换器，尤其是关于次级同步整流的电源转换器与相关的控制方法。
背景技术
电源供应器除了要求有精准的输出电压或是输出电流之外，能量转换效率(powerconversion efficiency)往往也是业界非常在乎的规格之一。
为了提高返驰式(flyback)开关式电源供应器的能量转换效率，在次级整流用的萧基二极管往往以一个低导通电阻的整流功率开关取代，达到节能的目的。这整流功率开关是一双向开关，需要额外增加一同步整流控制器来控制。
只是，当返驰式开关式电源供应器操作于非连续导通模式时，消磁震荡(demagnetizing ringing)很有机会使得同步整流控制器错误地使整流功率开关开启，导致了不必要的功率消耗，也可能损毁了整流功率开关。
发明内容
本发明实施例提供一种自适应设定一斜率临界值的方法，包含有：检查一信号的一斜率是否大于该斜率临界值；如果该斜率未大于该斜率临界值，则降低该斜率临界值；以及，如果该斜率大于该斜率临界值，则依据该斜率临界值以及该信号，来控制一功率开关。
本发明实施例提供一种同步整流控制器，用以控制一整流功率开关，其与一次级绕组，串接于二电源线之间，包含有一斜率检测器以及一门驱动器。该门驱动器用以驱动该整流功率开关。该斜率检测器用以检测该整流功率开关的一通道电压信号，检查该通道电压信号的一斜率是否大于一斜率临界值，且当该斜率大于该斜率临界值时，用以通过该门驱动器，触发开启该整流功率开关，以及，如果该斜率不大于该斜率临界值，则该斜率检测器降低该斜率临界值。
附图说明
图1为依据本发明所实施的返驰式开关式电源供应器4；
图2显示初级控制功率开关N1的控制信号SPRI、以及次级的通道电压信号VD的波形；
图3显示同步整流控制器10a；
图4为可用于同步整流控制器10a中的控制方法20a；
图5A显示通道电压信号VD、脉冲信号TDET、以及信号ONST，于解磁时间TDMG一开始附近的信号波形；以及
图5B显示约一个开关周期中的通道电压信号VD与控制信号SPRI，以及在第一开关周期、第二开关周期、与第N开关周期中的一些信号。
具体实施方式
以下本发明实施例以一返驰式开关式电源转换器作为例子来说明本发明，但本发明并不限于此。本发明的实施例可以是其他种类的开关式电源转换器。此说明书所揭示的实施例并没有要用来局限本发明的权利要求。
图1为依据本发明所实施的返驰式开关式电源供应器4。变压器TF提供了初级与次级之间的直流隔绝(DC isolation)。
在初级，输入电源线IN上有输入电压VIN。在输入电源线IN与输入地26之间串接有初级绕组LP与功率开关N1，其被电源控制器14通过控制信号SPRI而控制。
在次级，输出电源线OUT上有输出电压VOUT。输出电容17可以稳定输出电压VOUT。输出电源线OUT以及输出地28提供电源给予负载16。整流功率开关N2与次级绕组LS串接于输出电源线OUT以及输出地28之间。同步整流控制器10以控制信号SSEC控制整流功率开关N2。通道电压信号VD位于整流功率开关N2与次级绕组LS之间的连接点上。
图2显示初级控制功率开关N1的控制信号SPRI、以及次级的通道电压信号VD的波形。随着电源控制器14开启与关闭功率开关N1，次级绕组LS产生感应电压与感应电流。在功率开关N1关闭后，解磁时间TDMG开始，如同图2所示。解磁时间TDMG内，通道电压信号VD为负，次级绕组LS提供正的电感电流ISEC对输出电容17充电。一般而言，整流功率开关N2应该在设计在解磁时间TDMG内为开启状态。在解磁时间TDMG之后，消磁震荡开始，通道电压信号VD上下震荡，如同图2所示。消磁震荡的过程中，整流功率开关N2应该控制为关闭状态。
同步整流控制器10用来控制整流功率开关N2的一种方法，是检测通道电压信号VD，且在通道电压信号VD为负时，开启整流功率开关N2。理论上，这样整流功率开关N2就只会开启于解磁时间TDMG内。但是，在消磁震荡的过程中，因为噪声或是不明的原因，通道电压信号VD很可能会偶发性的低于0V。而这样简单的控制方式，可能导致整流功率开关N2错误地开启，而消耗了不必要的电能，也可能损毁了整流功率开关N2。
图3显示同步整流控制器10a，在一实施例中，可作为图1中的同步整流控制器10。图4为可用于同步整流控制器10a中的控制方法20a。在本发明的一实施例中，同步整流控制器10a不只是检测通道电压信号VD为负，而且可以检测通道电压信号VD的斜率SLR，并在通道电压信号VD的斜率SLR大于斜率临界值SLRTH时，才容许整流功率开关N2开启。此外，同步整流控制器10a可以适应性地设定斜率临界值SLRTH，可以避免整流功率开关N2错误地开启。
同步整流控制器10a依据通道电压信号VD，提供控制信号SSEC控制整流功率开关N2。如同图3所示，同步整流控制器10a包含有斜率检测器102a、关闭信号产生器118、SR触发器112、以及门驱动器114。斜率检测器102a用以检测通道电压信号VD，检查该通道电压信号VD的斜率SLR是否大于斜率临界值SLRTH，且当斜率SLR大于斜率临界值SLRTH时，可以通过SR触发器112以及门驱动器114，触发开启整流功率开关N2。门驱动器114依据SR触发器112所送来的信号，转换成具有适当的电压电流的控制信号SSEC，驱动整流功率开关N2。关闭信号产生器118检测通道电压信号VD，可以通过SR触发器112以及门驱动器114，关闭整流功率开关N2。
斜率检测器102a包含有比较器106、108、定时器103a、D触发器107、除M除法器105、与门109、以及SR触发器113。比较器106比较通道电压信号VD与默认电压VREF-H，其在此实施例中为3.3V。当通道电压信号VD下降通过3.3V时，比较器106使得定时器103a开始计算延迟时间TWIN。定时器103a在通道电压信号VD下降通过3.3V时开始输出脉冲信号TDET，其脉冲宽度等于延迟时间TWIN。
比较器108比较通道电压信号VD与默认电压VREF-L，其在此实施例中为-0.25V，并据以输出信号ONST。比较器108与与门109一起，检查在延迟时间TWIN内，通道电压信号VD是否下降通过-0.25V。换句话说，斜率检测器102a检查通道电压信号VD从3.3V掉到-0.25V的时间差dT，是否大于延迟时间TWIN。如时间差dT大于延迟时间TWIN。与门109输出信号ONY为逻辑上的“0”；反之，如果时间差dT小于延迟时间TWIN，与门109输出信号ONY为逻辑上的“1”。
当通道电压信号VD下降依序通过3.3V与-0.25V时，可以使得SR触发器113输出一脉冲，触发除M除法器105计数。除M除法器105具有一计数器，计算通道电压信号VD下降依序通过3.3V与-0.25V的发生次数。当发生次数超过M时，除M除法器105提供一脉冲给予定时器103a之输入INC，并使得自己的计数器重新计数。除M除法器105的脉冲使得下次的延迟时间TWIN增加一默认值。换句话说，通道电压信号VD下降通过-0.25V的发生次数达M时，除M除法器105可使得定时器103a所产生的延迟时间TWIN增加。M可以为1或是以上的任何整数。
换句话说，通道电压信号VD从3.3V掉到-0.25V的斜率SLR为(3.3-(-0.25))/dT，斜率临界值SLRTH为(3.3-(-0.25))/TWIN。斜率检测器102a比较斜率SLR与斜率临界值SLRTH。如果斜率SLR小于斜率临界值SLRTH，则信号ONY为逻辑上的“0”；反之，则输出信号ONY为逻辑上的“1”。
信号ONY为逻辑上的“0”时，D触发器107维持锁定信号LOCK为“0”。此时，定时器103a随着每次的除M除法器105所提供的脉冲，增加延迟时间TWIN。请见图5A，其显示通道电压信号VD、脉冲信号TDET、以及信号ONST，于解磁时间TDMG一开始附近的信号波形。一开始时，脉冲信号TDET的脉冲宽度(等于延迟时间TWIN)小于通道电压信号VD的时间差dT时，从图5A中可知，与门109输出的信号ONY将为逻辑上的“0”，因为脉冲信号TDET与信号ONST没有同时为逻辑上的“1”。此时，延迟时间TWIN随着每次的除M除法器105所提供的脉冲而逐次增加，如同图5A所示。只有当延迟时间TWIN增加到大于时间差dT，信号ONY才开始有时间短暂的为逻辑上的“1”。
请参阅图3，当信号ONY从逻辑上的“0”转为逻辑上的“1”时，D触发器107所输出的锁定信号LOCK从逻辑上的“0”改变为“1”，产生了一个上升缘。呼应锁定信号LOCK的上升缘，定时器103a使延迟时间TWIN增加预设偏移量OFST，并且除M除法器105停止计数，用于固定延迟时间TWIN。举例来说，如果锁定信号LOCK从逻辑上的“0”改变为“1”时，延迟时间TWIN原为60nS，那呼应锁定信号LOCK的上升缘，定时器103a使得延迟时间TWIN增加了20nS，成为80nS。同时，因为除M除法器105停止计数，因此之后的延迟时间TWIN不再改变，一直维持为80nS。固定的延迟时间TWIN，同时意味着固定的斜率临界值SLRTH。在一些实施例中，预设偏移量OFST可以是0nS。在本发明的实施例中，被锁定信号LOCK固定之延迟时间TWIN可以随着同步整流控制器10a的环境温度或是输出电压VOUT，而调整。换句话说，就算已经适应性地锁定斜率临界值SLRTH，斜率检测器102a还是可以随着环境温度或是输出电压VOUT而些许调整斜率临界值SLRTH。
信号ONY的上升缘，也就是信号ONY从逻辑上的“0”转为逻辑上的“1”时，将会设定SR触发器112，通过门驱动器114以及控制信号SSEC，触发开启整流功率开关N2。
关闭信号产生器118依据通道电压信号VD，提供关闭信号OFFST，来重设(reset)SR触发器112，通过门驱动器114以及控制信号SSEC，关闭整流功率开关N2。举例来说，关闭信号产生器118可以是一比较器，比较通道电压信号VD与0V。当通道电压信号VD高于0V时，关闭信号OFFST为逻辑上的“1”；当道电压信号VD低于0V时，关闭信号OFFST为逻辑上的“0”。
如同图4中的控制方法20a所示，在步骤202，斜率检测器102a预设有斜率临界值SLRTH。举例来说，定时器103a的延迟时间TWIN预设有一起始值，其对应到斜率临界值SLRTH的一预设起始值。
步骤204跟着步骤202，斜率检测器102a检查通道电压信号VD的斜率SLR是否大于斜率临界值SLRTH。通过比较时间差dT是否大于延迟时间TWIN，斜率检测器102a可以得知斜率SLR是否大于斜率临界值SLRTH。如果步骤204中的结果为否定，则控制方法20a前进到步骤206a；如果为肯定，则控制方法20a前进到步骤210。
步骤206a中，除M除法器105可以得知，斜率检测器102a斜率SLR不大于斜率临界值SLRTH的发生次数，并且比较发生次数是否出现了M次。如果步骤206a中的结果为肯定，则控制方法20a前进到步骤208，除M除法器105使定时器103a增加延迟时间TWIN一预定量，等于降低了斜率临界值SLRTH。如果步骤206a中的结果为否定，则控制方法20a回归到步骤204，继续检查下一个斜率SLR是否大于斜率临界值SLRTH。
在步骤210，定时器103a依据锁定信号LOCK，使延迟时间TWIN增加预设偏移量OFST，并除M除法器105停止计数，固定延迟时间TWIN，等同固定了斜率临界值SLRTH。
步骤212接续步骤210，同步整流控制器10a依据当下被固定的斜率临界值SLRTH以及通道电压信号VD，来触发开启整流功率开关N2。
依据本发明的实施例，图5B显示约一个开关周期中的通道电压信号VD与控制信号SPRI，以及在第一开关周期、第二开关周期、与第N开关周期中的脉冲信号TDET、信号ONST、信号ONY、以及关闭信号OFFST。
图5B假设，在第一开关周期、第二开关周期、与第N开关周期中，通道电压信号VD大致上都差不多。因此，在图5B中，第一开关周期、第二开关周期、与第N开关周期彼此对齐，方便作为比较。图5B中也假定了除M除法器105为一除2除法器。
在图5B的例子中，一个开关周期是介于控制信号SPRI的连续两个上升缘之间。图5B的一开关周期中，通道电压信号VD不只是在解磁时间TDMG中为负值，也在之后的消磁震荡过程中，因为噪声或是不明的原因，几次短暂的为负值。
第一开关周期中，定时器103a所输出的脉冲信号TDET，在每次通道电压信号VD低于3.3V时，都提供了一个脉冲宽度为延迟时间TWIN的脉冲。信号ONST也在通道电压信号VD低于-0.25V时，从逻辑“0”变为逻辑“1”。但是，因为第一开关周期中的延迟时间TWIN太短了，因此信号ONY信号一直维持为逻辑“0”。在第一开关周期结束后，延迟时间TWIN被增加。
第二开关周期接续第一开关周期。如同图5B所示，第二开关周期中除了脉冲信号TDET中的每个脉冲之脉冲宽度(延迟时间TWIN)比第一开关周期中长之外，大致上所有的信号波形都一样。尽管延迟时间TWIN比较长了，但还是不够长，所以信号ONY信号一样一直维持为逻辑“0”。
因为除M除法器105为一除2除法器，所以在两次信号ONST的脉冲后，脉冲信号TDET之延迟时间TWIN都被增加，直到第N开关周期。如同图5B所示，在第N开关周期中，脉冲信号TDET中的第1脉冲位于解磁时间TDMG中，其脉冲宽度(延迟时间TWIN)已经长到足以重叠到信号ONST的上升缘的开始时间，因此信号ONY就对应地短暂产生一脉冲。信号ONY这脉冲使得定时器103a固定之后的延迟时间TWIN，而且可以通过门驱动器114以及控制信号SSEC，触发开启整流功率开关N2，如同图5B中的控制信号SSEC所示。
图5B中，尽管通道电压信号VD解磁时间TDMG之后的消磁震荡过程中，有几次短暂的为负值，但是可以从相对应之信号ONY的信号波形可以发现，整流功率开关N2并没有错误地开启。因为在消磁震荡过程中，通道电压信号VD从3.3V掉到-0.25V的时间差dT，明显地比在解磁时间TDMG一开始时的时间差dT更长。因此，在第N开关周期中，一样的延迟时间TWIN，在解磁时间TDMG一开始时，可以让信号ONY产生一脉冲，却不会在消磁震荡过程中使得信号ONY产生脉冲。所以，本发明之实施例可以防止整流功率开关N2在消磁震荡过程中被错误地开启。
在本发明的实施例中，也可以设定同步整流控制器10a一启动程序，其至少包含有数个开关周期的时间长度。在启动程序中，检测通道电压信号VD从3.3V掉到-0.25V的时间差dT，并且找出时间差dT的最大值dTMax与最小值dTMin，然后以最大值dTMax与最小值dTMin的平均作为定时器103a的延迟时间TWIN，作为辨识触发开启整流功率开关N2。因为最大值dTMax对应的应该是消磁震荡过程，而最小值dTMin对应的应该就是解磁时间TDMG一开始。因此，这方法也可以防止整流功率开关N2在消磁震荡过程中被错误地开启。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
[符号说明]
4 返驰式开关式电源供应器
10、10a 同步整流控制器
14 电源控制器
16 负载
17 输出电容
20a 控制方法
26 输入地
28 输出地
102a 斜率检测器
103a 定时器
105 除M除法器
106、108 比较器
107 D触发器
109 与门
112、113 SR触发器
114 门驱动器
118 关闭信号产生器
202、204、206a、208、210、212 步骤
dT 时间差
IN 输入电源线
ISEC 电感电流
LOCK 锁定信号
LP 初级绕组
LS 次级绕组
N1 功率开关
N2 整流功率开关
OFST 预设偏移量
OFFST 关闭信号
ONST 信号
ONY 信号
OUT 输出电源线
SLR 斜率
SPRI 控制信号
SSEC 控制信号
SLRTH 斜率临界值
TDET 脉冲信号
TDMG 解磁时间
TF 变压器
TWIN 延迟时间
VD 通道电压信号
VIN 输入电压
VOUT 输出电压
VREF-L、VREF-H 默认电压

Claims (13)

1.一种同步整流控制器，用以控制一整流功率开关，其与一次级绕组，串接于二电源线之间，包含有：
一门驱动器，用以驱动该整流功率开关；以及
一斜率检测器，用以检测该整流功率开关的一通道电压信号，检查该通道电压信号的一斜率是否大于一斜率临界值，且当该斜率大于该斜率临界值时，用以通过该门驱动器，触发开启该整流功率开关，以及，如果该斜率不大于该斜率临界值，该斜率检测器降低该斜率临界值。
2.如权利要求1所述的同步整流控制器，其中，该斜率检测器包含有：
一第一比较器，用以比较该通道电压信号以及一第一默认电压；
一第二比较器，用以比较该通道电压信号以及一第二默认电压；以及
一定时器，接收该第一比较器之一输出，用以在该通道电压信号通过该第一默认电压时，开始计算一延迟时间；
其中，当该延迟时间结束后，如果该通道电压信号才通过该第二默认电压，该斜率检测器增加该延迟时间。
3.如权利要求2所述的同步整流控制器，其中，当该延迟时间结束前，如果该通道电压信号已经通过该第二默认电压，该定时器使该延迟时间增加一预设偏移量，并固定该延迟时间。
4.如权利要求1所述的同步整流控制器，其中，该斜率检测器包含有一计数器，用以计算该斜率不大于该斜率临界值的一发生次数，且当该发生次数等于一预设数目时，该斜率检测器降低该斜率临界值。
5.如权利要求1所述的同步整流控制器，其中，当该斜率大于该斜率临界值时，该斜率检测器固定该斜率临界值。
6.如权利要求1所述的同步整流控制器，其中，该斜率检测器依据一电源供应器的一环境温度与一输出电压其中之一而调整该斜率临界值。
7.一种自适应设定一斜率临界值的方法，包含有：
检查一信号的一斜率是否大于该斜率临界值；
如果该斜率不大于该斜率临界值，则降低该斜率临界值；以及
如果该斜率大于该斜率临界值，则依据该斜率临界值以及该信号，来控制一功率开关。
8.如权利要求7所述的方法，包含有：
如果该斜率不大于该斜率临界值的一发生次数达一预设数目，则降低该斜率临界值。
9.如权利要求7所述的方法，包含有：
检查该信号通过一第一默认电压与一第二默认电压之间的一时间差，是否小于一延迟时间；
如果该时间差未曾小于该延迟时间，则增加该延迟时间；以及
如果该时间差小于该延迟时间，则依据该延迟时间以及该信号，来控制该功率开关。
10.如权利要求9所述的方法，还包含有：
如果该时间差小于该延迟时间，则使该延迟时间增加一预设偏移量，并固定该延迟时间。
11.如权利要求9所述的方法，其中，包含有：
当该信号通过该第一默认电压时，以一定时器计算该延迟时间；以及
当该信号通过该第二默认电压时，检查该延迟时间是否结束。
12.如权利要求7所述的方法，其中，包含有：
依据一电源供应器的一环境温度与一输出电压其中之一而调整该斜率临界值。
13.一种控制在一电源供应器的一次级的一整流功率开关的方法，包含有：
如权利要求7所述的自适应设定该斜率临界值的该方法，其中，该信号为该整流功率开关的一通道电压信号，且该功率开关为该整流功率开关；以及
其中，该整流功率开关与一次级绕组，串接于位于该次级的二电源线之间。
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