CN1300924C - 间歇性控制的同步整流装置及其控制方法 - Google Patents

间歇性控制的同步整流装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明有关一种间歇性控制的同步整流装置及其控制方法。同步整流装置包括：一变压器，包含一次侧线圈、二次侧线圈、第一辅助线圈与第二辅助线圈，一次侧线圈电连接电源；一第一开关元件与一第二开关元件电连接二次侧线圈，其控制端分别电连接辅助线圈，以使第一开关元件以及第二开关元件交互导通，形成一同步整流电路；一第三开关元件，串接于第一开关元件与第一辅助线圈之间；一第四开关元件，串接于第二开关元件与第二辅助线圈之间；一检测电路，电连接同步整流装置的输出端；以及一控制电路，电连接检测电路，当负载状态为重载时，控制电路使第三开关元件与第四开关元件导通，当负载状态为轻载时，使第三开关元件与第四开关元件截止。

Description

间歇性控制的同步整流装置及其控制方法
(1)技术领域
本发明是为一种同步整流装置及其控制方法。
(2)背景技术
在目前的电源供应器(Power Supply)产品中，常常使用到一种包括以变压器作为驱动同步整流晶体管的同步整流(Synchronous Rectifier)装置，以使交流输入信号进行一较有效率的整流滤波动作。然而，习知的同步整流装置是应用二极管作为同步整流的用。另外，当该二极管同步整流装置应用于一低电压的电源供应器时，则因为该二极管的顺向导通电压降会产生超过50％电力损失，造成低电压电源供应器应用上的困难，因此高效率、低电压的电源供应器一般皆是以金属氧化半导体场效晶体管(MOSFETs)取代二极管(diodes)，以减少二极管的顺向导通的电力损失，以提高同步整流装置的效率。
请参阅图1，图1是习知金属氧化半导体场效晶体管(MOSFET)同步整流装置的电路示意图。如图1所示，该金属氧化半导体场效晶体管(MOSFET)同步整流装置10包括：一变压器11、二金属氧化半导体场效晶体管(MOSFET)12与13、一滤波电感14以及一滤波电容15。该变压器11包括：一个一次侧线圈111、二个二次侧线圈112与113以及二个辅助线圈114与115，利用该辅助线圈114与115致使MOSFET 12与13顺向导通，并经由该滤波电感14以及该滤波电容15滤波产生一输出电压。
然而习知做法存在以下缺失：虽然该同步整流装置10运用MOSFET取代二极管，可减少二极管的顺向导通的电力损失，提高同步整流装置的效率，但就另一方面而言，当同步整流装置操作在一轻载模式时，若与一重载模式的操作方式完全相同，则会造成过多MOSFET的导通损失，降低了同步整流装置的效率。
(3)发明内容
本发明的主要目的在于提供一种同步整流装置及其控制方法，主要应用一间歇性控制方法致使该同步整流装置于一轻载模式操作下，间歇性导通与截止其晶体管开关，以减少其功率损失。
根据本发明一方面提供一种同步整流装置，它包括：一变压器，包括一一次侧线圈、两个二次侧线圈、第一辅助线圈与第二辅助线圈，该一次侧线圈电连接一电源；一第一开关元件与一第二开关元件是电连接该二次侧线圈，其控制端分别电连接该第一辅助线圈和第二辅助线圈，利用该第一和第二辅助线圈致使该第一开关元件以及该第二开关元件交互导通，形成一同步整流电路；一第三开关元件，串联连接于该第一开关元件与该第一辅助线圈之间；一第四开关元件，串联连接于该第二开关元件与该第二辅助线圈之间；一检测电路，电连接该同步整流装置的一输出端，用以检测一负载状态；以及一控制电路，是电连接该检测电路，当该负载状态为一重载时，该控制电路致使该第三开关元件与该第四开关元件导通，当该负载状态为一轻载时，致使该第三开关元件与该第四开关元件截止。
根据上述的构想，其中该第一开关元件的集电极端电连接该变压器的一第一端，第一开关元件的发射极端电连接该第二开关元件的发射极端，第二开关元件的集电极端电连接该变压器的一第二端。
根据上述的构想，其中该第一辅助线圈电连接该第三开关元件的一端，第一辅助线圈的另一端电连接该第一开关元件的发射极端。
根据上述的构想，其中该第二辅助线圈电连接该第四开关元件的一端，第二辅助线圈的另一端电连接该第二开关元件的发射极端。
根据上述的构想，其中该变压器具有一中间抽头，该中间抽头电连接一滤波电感的一端，该滤波电感的另一端是电连接一滤波电容的一端，该滤波电容的另一端电连接该第一开关元件的发射极端，且该滤波电容的两端为该同步整流装置的一输出端。
根据上述的构想，其中该第一开关元件包括一体二极管(body diode)。
根据上述的构想，其中该第二开关元件包括一体二极管(body diode)。
根据上述的构想，其中该第一开关元件还包括一肖特基二极管(Schottkydiode)，并联连接该第一开关元件的发射极端和集电极端之间。
根据上述的构想，其中该第二开关元件还包括一肖特基二极管(Schottkydiode)，并联连接该第二开关元件的发射极端和集电极端之间。
根据上述的构想，其中该第一开关元件、该第二开关元件、该第三开关元件以及该第四开关元件为一金属氧化半导体场效晶体管(MOSFET)。
根据上述的构想，其中该同步整流装置还包括一直流/直流控制IC与一开关电路，当该负载状态为一轻载时，且该第三开关元件与该第四开关元件关闭，利用该直流/直流控制IC与该开关电路对该变压器一次侧线圈进行间歇性(burst mode)导通与截止控制。
根据本发明另一方面提供一种间歇性(burst mode)控制方法，应用于一同步整流装置，该同步整流装置包括一变压器，包括一一次侧线圈，两个二次侧线圈，第一辅助线圈与第二辅助线圈，该一次侧线圈电连接一电源，一第一开关元件与一第二开关元件是电连接该二次侧线圈，其控制端是分别电连接该第一辅助线圈和第二辅助线圈，利用该第一和第二辅助线圈致使该第一开关元件以及该第二开关元件交互导通，形成一同步整流电路，一第三开关元件，串联连接于该第一开关元件与该第一辅助线圈之间，一第四开关元件，串联连接于该第二开关元件与该第二辅助线圈之间；该控制方法包括下列步骤：检测该同步整流装置的一输出端的一负载状态；以及当该负载状态为一重载时，致使该第三开关元件与该第四开关元件导通，当该负载状态为一轻载时，致使该第三开关元件与该第四开关元件截止。
根据上述的构想，其中该第一开关元件的集电极端电连接该变压器的一第一端，第一开关元件的发射极端电连接该第二开关元件的发射极端，第二开关元件的集电极端电连接该变压器的一第二端。
根据上述的构想，其中该第一辅助线圈电连接该第三开关元件的一端，第一辅助线圈的另一端电连接该第一开关元件的发射极端。
根据上述的构想，其中该第二辅助线圈电连接该第四开关元件的一端，第二辅助线圈的另一端电连接该第二开关元件的发射极端。
根据上述的构想，其中该变压器具有一中间抽头，该中间抽头电连接一滤波电感的一端，该滤波电感的另一端电连接一滤波电容的一端，该滤波电容的另一端电连接该第一开关元件的发射极端，且该滤波电容的两端为该同步整流装置的一输出端。
根据上述的构想，其中该第一开关元件包括一体二极管(body diode)。
根据上述的构想，其中该第二开关元件包括一体二极管(body diode)。
根据上述的构想，其中该第一开关元件还包括一肖特基二极管(Schottkydiode)，并联连接该第一开关元件的发射极端和集电极端之间。
根据上述的构想，其中该第二开关元件还包括一肖特基二极管(Schottkydiode)，并联连接该第二开关元件的发射极端和集电极端之间。
根据上述的构想，其中该第一开关元件、该第二开关元件、该第三开关元件以及该第四开关元件为一金属氧化半导体场效晶体管(MOSFET)。
根据上述的构想，其中该同步整流装置还包括一直流/直流控制IC与一开关电路，当该负载状态为一轻载时，且该第三开关元件与该第四开关元件关闭，利用该直流/直流控制IC与该开关电路对该变压器一次侧线圈进行间歇性(burst mode)导通与截止控制。
本发明是应用一间歇性控制方法致使该同步整流装置于一轻载模式操作下，强迫关闭其晶体管开关，因此可以减少其功率损失。
为进一步说明本发明的目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。
(4)附图说明
图1是习知MOSFET同步整流装置的电路示意图；
图2是本发明第一较佳实施例的同步整流装置的电路方块示意图；
图3是本发明第二较佳实施例的同步整流装置的电路方块示意图
图4是本发明较佳实施例的同步整流装置的电路示意图；以及
图5是本发明较佳实施例的迟滞比较器的迟滞特性曲线示意图。
(5)具体实施方式
请参阅图2，它是本发明第一较佳实施例的同步整流装置的电路方块示意图。如图2所示，一种同步整流装置20包括：一变压器21、一第一开关元件22、一第二开关元件23、一第三开关元件24、一第四开关元件25、一检测电路26、一控制电路27、一滤波电感28以及一滤波电容29。该变压器21，包括一一次侧线圈211、两个二次侧线圈212与213、第一辅助线圈214以及第二辅助线圈215，该一次侧线圈211电连接一电源。而该电源的提供可为一直流电压，经由一切换开关的导通与截止所提供，或可由一交流电源直接提供。在本发明中的该第一开关元件、该第二开关元件、该第三开关元件以及该第四开关元件皆可为一金属氧化半导体场效晶体管(MOSFET)。
另外，该第一开关元件22与该第二开关元件23电连接该二次侧线圈212与213，其控制端G是分别电连接该第一辅助线圈214与第二辅助线圈215，利用该第一辅助线圈214与第二辅助线圈215致使该第一开关元件22以及该第二开关元件23交互导通，形成一同步整流电路。
其中，该第三开关元件24串联连接于该第一开关元件22与该第一辅助线圈214之间。该第四开关元件25，是串联连接于该第二开关元件23与该第二辅助线圈215之间。该检测电路26，电连接该同步整流装置20的一输出端，用以检测一负载状态。以及，该控制电路27，电连接该检测电路26，当该负载状态为一重载时，该控制电路27致使该第三开关元件24与该第四开关元件25导通，使该同步整流装置20操作在正常工作模式的中；当该负载状态为一轻载时，致使该同步整流装置20操作在间歇性模式(burst mode)中，使该第三开关元件24与该第四开关元件25间歇性导通与截止。
下面就电路连接关系作一更清楚描述：该第一开关元件22的集电极端D电连接该变压器21的一第一端，第一开关元件的发射极端S电连接该第二开关元件23的发射极端S，第二开关元件的集电极端D电连接该变压器21的一第二端。该第一辅助线圈214电连接该第三开关元件24的一端，第一辅助线圈的另一端电连接该第一开关元件22的发射极端S。该第二辅助线圈215电连接该第四开关元件25的一端，第二辅助线圈的另一端电连接该第二开关元件23的发射极端S。该变压器21具有一中间抽头，该中间抽头电连接该滤波电感28的一端，该滤波电感28的另一端电连接该滤波电容29的一端，该滤波电容29的另一端电连接该第一开关元件22的发射极端S，且该滤波电容29的两端为该同步整流装置20的一输出端。
另外，如图2所示，在该同步整流装置20中，该第一开关元件22以及该第二开关元件23是分别包括一体二极管(body diode)。
而其该同步整流装置20的工作原理如下：
当该检测电路26藉由检测该同步整流装置20的输出电流，由输出电流的大小可知其负载状态，因而产生一负载状态信号致动该控制电路27。当该负载状态为一重载状态时，则该控制电路27致使该第三开关元件24与该第四开关元件25导通，操作在同步整流装置正常工作模式中；当该负载状态为一轻载状态时，则该控制电路27致使该第三开关元件24与该第四开关元件25截止，强迫关闭其晶体管开关，以减少其功率损失。
请参阅图3，是本发明第二较佳实施例的同步整流装置的电路方块示意图。如图3所示，其与图2的差异在于，在该同步整流装置30中还包括二肖特基二极管(Schottky diode)31与32，该肖特基二极管(Schottky diode)31与32是分别并联连接该第一开关元件33的发射极端和集电极端之间与该第二开关元件34的发射极端和集电极端之间。
请参阅图4，是本发明较佳实施例的同步整流装置的电路示意图。该同步整流装置40轻载时的工作原理叙述如下：
藉由一阻抗41，因其阻抗41压降的大小，产生一第一电压信号，该电压信号经由一比较器42转换产生一第二电压信号，该第二电压信号经由该比较器的输出端输出至一迟滞比较器(hysteretic comparator)43。当该第二电压信号大于一第一预设值VH，则该迟滞比较器43输出一低电压信号，致使该第三开关元件44与该第四开关元件45导通；当该第二电压信号VCOMP小于一第二预定值VL，则该迟滞比较器43输出端产生一高电压信号致使该第三开关元件44与该第四开关元件45截止。
另外，该同步整流装置还包括一直流/直流控制IC 46与一开关电路47，当该负载状态为一轻载时，且该第三开关元件44与该第四开关元件45截止，利用该直流/直流控制IC 46与该开关电路48对该变压器一次侧线圈进行间歇性(burst mode)导通与截止控制。其中，一电压信号VCOMP是与该同步整流装置40的输出电压与电流相关，该直流/直流控制IC 46输出至一迟滞比较器(hysteretic comparator)47。当一电压信号VCOMP大于一第一预设值VH，则该迟滞比较器47输出一低电压信号，致使该开关电路48导通，进入间歇性模式(burst mode)控制该同步整流装置；当该电压信号VCOMP小于一第二预定值VL，则该迟滞比较器47输出端产生一高电压信号致使该开关电路48截止。
而其间歇性模式(burst mode)控制原理叙述如下：在轻载模式操作时，该第三开关元件44与该第四开关元件45截止，则该电压信号VCOMP会逐渐增加至该第一预设值VH，则致使一开关电路48导通，则进入间歇性模式(burstmode)控制该同步整流装置进行同步整流；另外，当该开关电路48导通时，该第二电压信号VCOMP会逐渐降低至该第二预设值VL，则致使该开关电路48截止。由此可知该同步整流装置40在一轻载模式操作时，可以一间歇性模式(burst mode)控制该同步整流装置，达到减少其功率损失的效果。
请参照图5，是本发明较佳实施例的迟滞比较器的迟滞特性曲线示意图。其中，Vhc是代表该迟滞比较器43的输出电压。
综合上述，本发明可提供一种间歇性控制的同步整流装置及其控制方法。由于本发明所提的同步整流装置及其控制方法可使该同步整流装置于一轻载模式操作下，间歇性导通与截止其晶体管开关，以减少其功率损失，因此得以解决习知同步整流装置技术缺失，进而达成本发明的研发目的。
当然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims (14)

1.一种同步整流装置，其特征在于，包括：
一变压器，包括一一次侧线圈、两个二次侧线圈、第一辅助线圈与第二辅助线圈，该一次侧线圈电连接一电源；
一第一开关元件与一第二开关元件电连接该二次侧线圈，其控制端分别电连接该第一辅助线圈和该第二辅助线圈，利用该第一和第二辅助线圈致使该第一开关元件以及该第二开关元件交互导通，形成一同步整流电路；
一第三开关元件，串联连接于该第一开关元件与该第一辅助线圈之间；
一第四开关元件，串联连接于该第二开关元件与该第二辅助线圈之间；
一检测电路，电连接该同步整流装置的一输出端，用以检测一负载状态；以及
一控制电路，电连接该检测电路，当该负载状态为重载时，该控制电路致使该第三开关元件与该第四开关元件导通，当该负载状态为轻载时，致使该第三开关元件与该第四开关元件截止。
2.如权利要求1所述的同步整流装置，其特征在于，该第一开关元件的集电极端电连接该变压器的一第一端，第一开关元件的发射极端电连接该第二开关元件的发射极端，第二开关元件的集电极端电连接该变压器的一第二端。
3.如权利要求2所述的同步整流装置，其特征在于，该第一辅助线圈电连接该第三开关元件的一端，第一辅助线圈的另一端电连接该第一开关元件的发射极端。
4.如权利要求3所述的同步整流装置，其特征在于，该第二辅助线圈电连接该第四开关元件的一端，第二辅助线圈的另一端电连接该第二开关元件的发射极端。
5.如权利要求4所述的同步整流装置，其特征在于，该变压器具有一中间抽头，该中间抽头电连接一滤波电感的一端，该滤波电感的另一端电连接一滤波电容的一端，该滤波电容的另一端电连接该第一开关元件的发射极端，且该滤波电容的两端为该同步整流装置的一输出端。
6.如权利要求1所述的同步整流装置，其特征在于，该第一开关元件包括一体二极管。
7.如权利要求1所述的同步整流装置，其特征在于，该第二开关元件包括一体二极管。
8.如权利要求1所述的同步整流装置，其特征在于，该第一开关元件还包括一肖特基二极管，并联连接该第一开关元件的发射极端和集电极端之间。
9.如权利要求1所述的同步整流装置，其特征在于，该第二开关元件还包括一肖特基二极管，并联连接该第二开关元件的发射极端和集电极端之间。
10.如权利要求1所述的同步整流装置，其特征在于，该第一开关元件、该第二开关元件、该第三开关元件以及该第四开关元件为一金属氧化半导体场效晶体管。
11.如权利要求1所述的同步整流装置，其特征在于，该同步整流装置还包括一直流/直流控制IC与一开关电路，当该负载状态为一轻载时，该第三开关元件与该第四开关元件关闭，利用该直流/直流控制IC与该开关电路对该变压器一次侧线圈进行间歇性导通与截止控制。
12.一种间歇性控制方法，应用于一同步整流装置，该同步整流装置包括一变压器，包含一一次侧线圈、两个二次侧线圈、第一辅助线圈与第二辅助线圈；该一次侧线圈电连接一电源，一第一开关元件与一第二开关元件电连接该二次侧线圈，其控制端分别电连接该第一辅助线圈和第二辅助线圈，利用该第一和第二辅助线圈致使该第一开关元件以及该第二开关元件交互导通，形成一同步整流电路；一第三开关元件，串联连接于该第一开关元件与该第一辅助线圈之间，一第四开关元件，串联连接于该第二开关元件与该第二辅助线圈之间；其特征在于，该控制方法包括下列步骤：
检测该同步整流装置的一输出端的一负载状态；以及
当该负载状态为一重载时，致使该第三开关元件与该第四开关元件导通，当该负载状态为一轻载时，致使该第三开关元件与该第四开关元件截止。
13.如权利要求12所述的间歇性控制方法，其特征在于：
该第一开关元件的集电极端是电连接该变压器的一第一端，第一开关元件的发射极端电连接该第二开关元件的发射极端，第二开关元件的集电极端电连接该变压器的一第二端；
该第一辅助线圈电连接该第三开关元件的一端，第一辅助线圈的另一端电连接该第一开关元件的发射极端；
该第二辅助线圈电连接该第四开关元件的一端，第二辅助线圈的另一端电连接该第二开关元件的发射极端；以及
该变压器具有一中间抽头，该中间抽头电连接一滤波电感的一端，该滤波电感的另一端电连接一滤波电容的一端，该滤波电容的另一端电连接该第一开关元件的发射极端，且该滤波电容的两端为该同步整流装置的一输出端。
14.如权利要求12所述的间歇性控制方法，其特征在于，该同步整流装置还包括一直流/直流控制IC与一开关电路，当该负载状态是为一轻载时，该第三开关元件与该第四开关元件关闭，利用该直流/直流控制IC与该开关电路对该变压器一次侧线圈进行间歇性导通与截止控制。
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Granted publication date: 20070214