CN1619934A - 集成同步整流器组件 - Google Patents

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Abstract

一种集成同步整流器组件，包括受控开关器件，其具有两个主载流端和一个控制端；控制电路，其用于检测流过受控开关器件主载流端的电流方向并用于产生提供给控制端的控制信号，当电流以第一方向流过受控开关器件时导通受控开关器件，当电流以第二相反方向流过受控开关器件时关断受控开关器件，控制电路和受控开关器件包含在具有不超过四个外部电连接的单个封装中。

Description

集成同步整流器组件
相关申请的交叉引用
本发明要求于2003年11月4日申请的申请号为S.N.60/517,333，名称为“集成灵敏整流器”的美国临时申请的权益和优先权，该文献公开的全部内容作为参考用于本文中。
技术领域
本发明涉及一种电整流电路，特别是，涉及一种同步整流器，该同步整流器由整流装置控制。更具体的是，本发明涉及一种集成同步整流器，该整流器能在具有最小电路负载(circuit charge)的整流电路中代替异步整流器。
背景技术
在离线分立电源中的输出整流经常通过肖特基二极管或者PIN二极管实现。典型的缺点是每个二极管都具有额定的阈值电压，并因此具有高的传导损耗。同步整流器已经被用于回扫变换器，并用于MOSFET或者其他受控开关通过合适的驱动电路驱动以仿真二极管的操作的其他应用中。MOSFET同步整流器的缺点是在整流级的设计中增加复杂性，如果是仅仅由二极管组成的普通二极管整流器，这种设计是很简单的。特别是，用同步整流器代替二极管需要增加用于同步整流器件的驱动电路，这将导致复杂性的增加和更多电路元件数。
申请人注意到以下的现有技术：
US 6353544使用一种电流变换器来检测电流，这使得不能实施集成的解决方案。美国专利US 6442048是另一个现有技术的例子，它不能用于提供具有最小外部接线端数的单个封装集成的解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种同步整流器，该整流器能简单的代替普通的异步整流二极管。二极管具有两个端子，一个阴极和一个阳极。本发明的目的是提供一种能够代替两端子二极管器件并且具有最小数量的端子的同步整流器，最小数量的端子是指一个阴极一个阳极和一个电源接线端。在接地接线与阳极或阴极共用的时候，根据本发明的器件能够具有最小数量的三个端子：阳极、阴极和电源端子。
因此，本发明的一个目的是在具有最少数量引脚的单个封装中集成控制电路和有源开关以获得所谓“灵敏”整流器。
本发明的目的通过一种集成的同步整流器组件而达到，该集成同步整流器组件包括：受控开关器件，其具有两个主载流端和一个控制端；控制电路，其用于检测流过受控开关器件的主载流端子的电流方向并用于产生提供给控制端的控制信号，当电流以第一方向流过受控开关器件时接通受控开关器件，当电流以第二相反方向流过受控开关器件时断开受控开关器件，控制电路和受控开关器件包含在具有不超过四个外部电连接的单个封装中。
本发明的目的也能通过包括受控开关器件的同步整流器组件达到，该受控开关器件具有两个主载流端和一个控制端，一个用于检测流过受控开关器件主载流端子的电流方向并用于产生提供给控制端的控制信号的控制电路，大约当电流开始以第一方向流过受控开关器件时接通受控开关器件，大约当电流开始以第二相反方向流过受控开关器件时断开受控开关器件，控制电路和受控开关器件包含在具有不超过四个外部电连接的单个封装中。
本发明的目的也能通过集成的电路组件达到，该集成电路组件包括衬底；MOSFET和位于衬底上它本身固有的二极管(或者一个分开的并联二极管)，其具有连接到外部导线端子的源极和漏极端；以及位于MOSFET上的用于控制MOSFET的控制集成电路，其具有连接到外部导线端子的电源接线和用于控制MOSFET的导通状态的MOSFET的控制端，该MOSFET和控制集成电路位于普通封装中，外部导线端子将源极和漏极端以及集成电路的电源接线引到封装的外部。
本发明不仅限于将两个分离的芯片共同封装的情况。单片解决方案在控制器和电源MOS都在同一衬底时也是可能的。“混合电路”与“单片电路”解决方案的折衷需要进行比较，但是它们都代表了本发明的最佳实施例。
本发明的其它特点和优点将从以下参照附图的本发明的描述中变得更加明显。
附图说明
本发明将在以下参照附图的详细表述中被更加详细的描述，其中：
图1示出了在回扫变换器电路中的二极管整流电路的典型现有技术；
图2示出了采用同步整流器的回扫变换器的典型现有技术；
图3示出了根据本发明的用于在回扫变换器电路中实施集成同步整流器的电路；
图3A示出了用于图3的有源整流器开关的控制电路的方块图；
图3B示出了图3A的电路的转换功能；
图4示出了图3的电路，该电路将集成的灵敏整流器加入该电路作为单个电路元件；
图5是图4的灵敏整流器的机械图；
图6给出了图4的灵敏整流器的另一个实施例的详图；
图7给出了灵敏整流器的结构的横断面视图；以及
图8和图9示出了两种操作模式的本发明的操作。
本发明的其它目的，特点和优点将从下面的详细描述明显得出。
具体实施方式
参照附图，图1示出了在回描变压器的次级线圈中具有二极管整流级的回扫变换器电路的典型现有技术。该电路包括由脉宽调制级15驱动的FET10。FET 10开关转换流过回描变压器T的初级线圈P的电流。次级线圈S的输出由二极管D整流，输出电压被提供到输出存储电容器C和负载。变压器的初级线圈P被连接到电压源B+。包括二极管D1、电容器C1和电阻器R1的电路用于阻尼振荡。
图2示出了图1的采用同步整流级的电路，该同步整流级包括FET30，该FET 30包括由同步整流器(SR)驱动电路40控制的有源整流器开关。
图1电路的典型缺点是，二极管D具有0.7V的压降，因此有高的传导损耗。图2电路的缺点是比图1的简单电路要复杂得多，其需要SR驱动电路40来驱动同步整流器，所以需要许多更多的元件和连接。
根据本发明，想要提供一种灵敏整流器，其包括一个同步整流器但是具有最小数量的引脚，因此不增加复杂性，就能够替代图1的二极管整流器。人们期望引脚的最小数量最好是三个，也就是，二极管一般所需的阳极和阴极接线，以及提供电源的电源引脚。提供一种四端器件也在本发明的范围内，该四端器件还包括能够将接地接线与阴极或者阳极二极管接线隔离的一个接地接线。
为了仿真二极管整流功能，需要检测电流流过整流器的方向。当电流的符号是反向的，该控制将迅速关闭有源开关。为了完成这个功能，该控制需要检测有源开关的电流。为此，有源开关的接通电阻能被用来产生正比于开关电流的电压。
图3示出了同步整流器组件50的一个实施例，该同步整流器组件具有三个接线，即漏极、源极和电源VCC接线。在图3的电路中，集成的同步整流器用标记50表示。它包括控制电路60和有源开关70，该有源开关包括，例如MOSFET。控制电路60需要连接到开关70的源极的共用或接地连接器，以及电源引脚VCC。其它引脚是有源开关70的漏极。在图3的电路中，漏极作为阴极并且源极作为简单二极管整流器的阳极。因为接地线和源极共用，器件50仅需要三个外部电接线。因此它能够容易的替代两端子二极管。仅仅需要一个附加的接线即电源VCC接线，由于电源VCC接线总是出现在电路中，从而很容易达到这一点，如图所示。
图3A示出了控制电路60的详图。有源开关70的漏极连接到输入VD。源极连接到输入VS。漏极—源极电压由施密特触发器电路90监测。当漏极—源极电压为负时，对应于图3的电流方向为I的电流，开关70的体二极管将开始导通电流I，从而产生穿过端子D和S的压降。一旦体二极管开始导通，VTH2绝对值被选择为比体二极管VF的导通阈值小，触发电路90导通，并提供给与门100高电平。同时，在负边缘被触发的单触发脉冲120保持在它的Q非输出是高的状态，因此使能与门100，并提供源极电压Vgate用来开启MOSFET 70。这相当于在AC正半周期中开关70的导通。
在负AC半周期，电流将以与图3的电流I相反的方向流动。但是，图3A的电路60在电流即将开始在负半周期以相反方向流过之前将断开开关70。一旦电压VDS达到负半周期起点附近的VTH1，触发电路90将变成低电平，并提供低输入至与门100并关断门驱动Vgate。同时，单触发脉冲120将产生负脉冲至门100。这个负脉冲将使施密特触发器电路90空白一段编程的时间TBLANK。使比较器90空白是为了避免进一步的错误触发。事实上，当门关断时，单个VTH1是负的，将仍然有许多电流流过体二极管。
一旦MOSFET 70关断，电流将建立超过VTH2的电压，并且因此试图开启70的栅极，从图8中可以看出，这将可能引发高频谐振。
单触发脉冲单稳态电路120位于适当的位置来避免这样的情况。
脉冲持续时间TBLANK的选择是很重要的。一方面它必须被选择足够长以避免假触发，另一方面，如果太长，它将限制电路的最大操作开关频率。
因此使用第三个阈值。VTH3是正的并足够大以决定何时正半周期完成以及负周期开始。一旦VTH3超过单触发脉冲，它将立即复位，而不等脉冲TBLANK结束。这个动作将使电路恢复到其开始状态，并为下一个有源周期作准备。
在一个示例性的实施例中，VTH1是-20MV，VTH2是-200mv，VTH3是5V。
图3B示出了图3A电路的开关功能。为了使电压VDS超过VTH1，Vgate被关断，表示当电流能以与图3所示的电流I相反的方向流动时有源开关70被关断。当VDS小于VTH2时，电流以方向I流动并且有源开关70被图3B所示的电压Vgate打开。
阈值VTH1和VTH2需要被选择以使得在正常操作中通过有源开关的压降落在两个阈值之间，并使得VTH2比体二极管导通阈值电压低(绝对值)。
这通常不是问题，因为体二极管向前压降通常比通过有源开关的“开”电压大一阶幅值。
图4示出了图3的电路，其中它通过单独元件50表示，该单独元件包括三条连接线，阴极、阳极和电源连接线VCC。阳极也作为用于控制电路的接地接线，该控制电路被集成在组件50中。控制电路和有源开关被集成为一个仅仅具有三个引脚的单电源封装。
图5示出了灵敏整流器50的机械图。灵敏整流器包括具有图示的门接触的开关70。控制IC(集成电路)60被封装在开关70的顶部。控制IC(集成电路)和开关被引线键合到三个端子A/S，K/D和VCC。
图6示出了灵敏二极管50的另一个实施例，该二极管包括开关70和控制IC 60。
图7示出了控制IC 60和开关70的封装。控制IC 60通过卡普顿(kapton)膜片或胶带与开关70隔离。开关70通过焊接的芯片连接(soldered die attach)85连接到引线框80。
本发明的优点是能允许用有源控制整流器快速替换二极管整流器，有源控制整流器最好是基于转而明显减少导通和漏电损耗的MOSFET器件。结果是，灵敏整流器与单个二极管相比仅仅再需要一个附加引脚VCC，这将导致最小系统复杂性的增加。因为它们相当于二极管，所以本发明的灵敏整流器也可以并行设置，并能用于输出同步整流。它们也能用于“或”功能。
图8和图9示出了电路在两个运行模式的操作。图8示出了DCM(间断导通模式)，图9示出了CCM(连续电流模式)。在这些图中，应用以下限定：
VTH1：关断阈值—当电流衰减到一定水平以下时，开关能被关断，从而允许体二极管导通。
VTH2：导通阈值—当VDS变负时，体二极管将开始导通。这些电压降通常比导通状态的MOSFET的压降要高得多。
VTH3：复位阈值—当周期结束时，VDS电压为正并开始再次增加时，内部单触发脉冲将被复位。这样，系统为下一个周期作好准备。
尽管本发明描述了详细的实施例，但对本领域的技术人员来说，其它变形、修改和其它应用将变得很明显。因此，本发明将并不受公开的具体细节限制，而仅由附属权利要求限制。

Claims (21)

1.一种集成同步整流器组件，包括：
受控开关器件，其具有两个载流端和一个控制端；
控制电路，其用于检测流过受控开关器件主载流端的电流方向，并用于产生提供给控制端的控制信号，当电流以第一方向流过受控开关器件时导通受控开关器件，当电流以第二相反方向流过受控开关器件时关断受控开关器件；以及
该控制电路和受控开关器件包含在具有不超过四个外部电连接的单个封装中。
2.如权利要求1所述的集成同步整流器组件，其中组件具有不超过四个外部电连接线，包括电源线，接地线，阴极和阳极。
3.如权利要求1所述的集成同步整流器组件，其中组件具有不超过三个外部电连接线，包括电源线，阴极和阳极，其中接地线与阳极或阴极之一共用。
4.如权利要求1所述的集成同步整流器组件，其中受控开关器件包括MOSFET。
5.如权利要求1所述的集成同步整流器组件，其中控制电路监测穿过受控开关器件的电压，以确定通过受控开关器件的电流流动方向。
6.如权利要求5所述的集成同步整流器组件，其中受控开关器件是MOSFET，并且控制电路监测在MOSFET的漏极和源极之间的电压。
7.如权利要求1所述的集成同步整流器组件，其中控制电路具有滞后地将受控开关器件导通或断开。
8.一种集成同步整流器组件，包括：
受控开关器件，其具有两个载流端和一个控制端；
控制电路，用于检测流过受控开关器件主载流端的电流方向，并用于产生提供给控制端的控制信号，大约当电流开始以第一方向流过受控开关器件时导通受控开关器件，大约当电流开始以第二相反方向流过受控开关器件时断开受控开关器件，以及
控制电路和受控开关器件包含在具有不超过四个外部电连接的单个封装中。
9.如权利要求8所述的集成同步整流器组件，其中组件具有不超过四个外部电连接线，包括电源线，接地线，阴极和阳极。
10.如权利要求8所述的集成同步整流器组件，其中组件具有不超过三个外部电连接线，包括电源线，阴极和阳极，其中接地线与阴极或阳极之一共用。
11.如权利要求8所述的集成同步整流器组件，其中受控开关器件包括MOSFET。
12.如权利要求8所述的集成同步整流器组件，其中控制电路监测通过受控开关器件的电压，以确定通过受控开关器件的电流流动方向。
13.如权利要求12所述的集成同步整流器组件，其中受控开关器件是MOSFET，并且控制电路监测在MOSFET的漏极和源极之间的电压。
14.如权利要求8所述的集成同步整流器组件，其中控制电路具有滞后地将受控开关器件导通或断开。
15.一种集成电路组件，包括：
衬底；
MOSFET和位于衬底上的固有体二极管或分开并联的二极管，还具有连接到外部导线端子的源极和漏极端；
控制集成电路，位于MOSFET上并用于控制MOSFET，还具有连接到外部导线端子的电源接线和用于控制MOSFET的导通状态的MOSFET的控制端；以及
该MOSFET和控制集成电路位于普通封装中，外部导线端子将源极和漏极端以及集成电路的电源接线引到封装的外部。
16.如权利要求15所述的组件，其中衬底包括引线框，并且外部导线端是引线框的一部分。
17.如权利要求16所述的组件，其中源极和漏极端以及控制集成电路的电源连接线被引线键合到引线框。
18.如权利要求16所述的组件，其中集成电路共同封装作为一个同步整流器，并且引线框外部导线端子包括整流器阳极和阴极以及用于控制集成电路的电源和接地线。
19.如权利要求18所述的组件，其中外部导线端子包括整流器阳极和阴极，并且电源端和接地端之一与阳极和阴极中的一个共用。
20.如权利要求15所述的组件，其中控制集成电路通过绝缘体与MOSFET隔离。
21.如权利要求16所述的组件，其中MOSFET被焊料芯片连接到引线框。
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