CN1697296A - 电源控制器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电源控制器及其方法，在一种实施例中，一种电源控制器产生随后用于控制在电源系统的初级侧中流动的电流的一部分的PWM控制信号。该PWM控制信号耦合到电源系统的次级并用于控制在次级侧内耦合的同步整流器。

Description

电源控制器及其方法

技术领域

一般地说本发明涉及电子器件，更具体地说，涉及形成半导体器件的方法和结构。

背景技术

在过去，在电源系统中使用不同的电路和方法控制同步整流器。通常，控制方法取决于操作模式和电源系统的类型。回授型电源系统通常要求复杂的控制电路。在回授转换器中，同步整流器通常处于电源系统的次级侧中，开关电源控制器处于电源系统的初级侧中。一种方法使用固定频率时钟预测同步整流器应该被启动或停止的时间。这种回授系统的实例公开在2002年7月9日授予给Franco Lentini等人的美国专利US6,418,039中。要求复杂的电路实施该控制。复杂的电路增加了系统成本。此外，难以精确地预测启动和停止同步整流器的恰当时间，因此，操作缺乏效率。

因此，理想的是具有一种能够精确地控制次级侧同步整流器的控制方法和电路，这种方法和电路不要求复杂的电路并且成本低。

附图说明

附图1所示为根据本发明的电源系统的一种实施例的一部分示意图；

附图2所示为根据本发明的附图1的电源系统的一种变型实施例的一部分的示意图；

附图3所示为根据本发明的附图1的电源系统的另一种变型实施例的一部分的示意图；

附图4所示为根据本发明的附图2和附图3的电流检测电路和逻辑延迟电路的一种实施例的一部分的示意图；

附图5所示为根据本发明的半导体封装的一种实施例的一部分的放大的平面视图的示意图；和

附图6所示为根据本发明形成的附图1的电源系统的一部分上的半导体管芯的示意图。

为了清楚简明地说明，在附图中的元件不必按比例地示出，并且在不同的附图中的相同的参考标号表示相同的元件。此外，为了使描述简洁，省去了十分公知的步骤和元件的细节和描述。在此所使用的电流传送电极意指传输通过装置(比如MOS晶体管的源极或漏极或者双极性晶体管的发射极或集电极)的电流的装置的元件，以及控制电极意指控制通过装置(比如MOS晶体管的栅极或者双极性晶体管的基极)的电流的装置的元件。

具体实施方式

附图1示意性地示出了包括次级侧电源控制器40的电源系统10的一部分的一种实施例。控制器40利用来自系统10的初级侧的PWM控制信号以控制系统10的次级侧的同步整流器。电源系统10包括具有初级侧电感器12和次级侧电感器13的变压器11。通常，连接到初级侧电感器12的元件与连接到次级侧电感器13的元件电隔离。因此，系统10被看作具有与次级侧30电隔离的初级侧25。系统10在功率输入端16和功率返回端17之间接收功率，并在输出端子18和输出公共端子19之间产生输出电压。系统10控制流经初级侧电感器12的电流以调节在端子18和19之间形成的输出电压的值。功率开关连接到初级侧电感器12以便控制流经电感器12的电流的大小和电流的定时。在优选的实施例中，功率开关是功率金属氧化物半导体(MOS)晶体管21。在其它的实施例中，功率开关可以是双极性晶体管或本领域普通技术人员十分公知的其它的元件。在初级侧25内的开关控制器被用于产生控制信号以控制功率开关和流经电感器12的电流。通常，开关控制器是包括斜坡发生器或斜坡器24、PWM比较器26和PWM锁存器70的脉冲宽度调制(PWM)控制器23。斜坡器24具有产生时钟信号的第一输出和产生斜坡信号的第二输出。来自斜坡器24的时钟信号被用于设定PWM锁存器70。比较器26从斜坡器24接收斜坡信号，并也接收表示形成在端子18和19之间的输出电压的值的反馈信号。比较器26的输出使锁存器70复位。控制器23产生用于控制晶体管21的PWM控制信号。锁存器70的输出以及控制器23的输出形成在附图1中标记为PWM的PWM控制信号。这种PWM控制器对于本领域普通技术人员是十分熟知的。驱动器22从控制器23接收PWM控制信号。延迟元件27连接到驱动器22的输出以在来自控制器23的PWM控制信号和用于驱动晶体管21的信号之间产生延迟。因此，用于驱动晶体管21的信号被称为延迟的PWM驱动信号。延迟元件可以是电容器和电阻器，比如电容器28和电阻器71，虽然其它的元件也可以用于产生延迟的PWM驱动信号。在一些实施例中，晶体管21的栅电容可足够提供所需的延迟。初级侧25一般包括产生操作电压以操作在初级侧25内的元件(包括PWM控制器23和驱动器22)的局部调节器20。虽然为了使附图简洁没有示出，但是局部调节器20连接在输入端16和返回端17之间以接收功率。

次级侧30包括连接成用作与电感器13串联的同步整流器的另一MOS晶体管32。二极管33代表晶体管32的体二极管。次级侧30也包括有助于启动和停止晶体管32的次级侧电源控制器40。

系统10也包括能量存储电容器74和用于产生用于PWM控制器23的反馈信号的光学耦合器41。光学耦合器41具有连接成接收输出电压的光发射二极管42。通常，分压器(比如通过电阻72和73形成的分压器)用于在将来自端子18和19的电压施加给耦合器41之前减小该电压。耦合器41也包括光电晶体管43，该光电晶体管43从二极管42接收光并响应地产生通过控制器23接收的反馈信号。因为在二极管42和光电晶体管43之间的光学耦合的缘故，二极管42和光电晶体管43通常彼此电隔离。如附图1所连接，二极管42是次级侧30的一部分，光电晶体管43是初级侧25的一部分。系统10也包括用于将来自初级侧25的PWM控制信号耦合到次级侧30作为表示PWM控制信号的触发信号(TR)的信号隔离器件31。器件31通常是具有连接成接收PWM控制信号的初级侧和PWM控制信号通过变压器的磁性耦合而被耦合到其中的次级侧的信号变压器。装置31也可以是其它类型的信号隔离和耦合元件比如光学耦合器。电容器29串联耦合在控制器23的输出和装置31的输入之间以便在信号变压器的输入上提供真实的ac信号。

在电源系统在连续的导电模式中操作时，它经常难以确定停止同步整流器的适当的时间。控制器40被形成为使用来自初级侧25的PWM控制信号以有助于更加有效地按顺序停止同步整流器以控制晶体管32。控制器40被形成为接收表示PWM控制信号的信号并响应地开始停止同步整流器。控制器40包括锁存器48、接收器14、缓冲器15和86、脉冲展宽电路或脉冲扩展器80和驱动器49。在大部分实施例中，驱动器49被形成为具有足以以有效且适时的方式启动和停止晶体管32的驱动容量。在一些情况下，除了驱动器49之外可能还要求外部驱动器。接收器14从装置31接收触发(TR)信号并响应地产生控制器40使用的逻辑信号。脉冲扩展器80扩展并转换触发(TR)信号的宽度以提供定时控制以有助于在晶体管21开始切断之后控制晶体管32接通，如下文进一步所描述。扩展器80包括输入缓冲器81、延迟缓冲器82、延迟缓冲器83、延迟电容器85和NOR门84。

在控制器23的输出变高以启动晶体管21时，来自锁存器70和控制器23的输出的变高的PWM控制信号通过装置31耦合。对应的TR信号通过接收器14接收，迫使接收器14的输出变为高电平。由于接收器14的输出先前较低，因此扩展器80的输出为高电平并且锁存器48被置位，因此晶体管32启动。来自接收器14的高电平迫使缓冲器81的输出为高电平并且门84的输出低电平，释放锁存器48的置位输入。同时，来自接收器14的高电平迫使缓冲器15和86的输出变为高电平以使锁存器48复位。通常，缓冲器15和86的延迟被选择以使在缓冲器15和86迫使锁存器的复位输入变为高电平之前扩展器80的输出和锁存器的置位输入变低。锁存器48的低Q输出通过驱动器49接收，驱动器49响应地开始停止晶体管32。返回参考初级侧25，因为延迟元件27的延迟的缘故，晶体管21的栅极不变高，直到在PWM控制信号变高之后的第一时间周期。这个第一时间周期通常被选择为确保施加给晶体管21的延迟的PWM驱动信号不开始启动晶体管21，直到控制器40开始停止晶体管32。第一时间周期可以更大以便使在启动的晶体管21和32两者之间的重叠的量最小，由此能够减小贯通电流并使系统10的效率最佳。通常，第一时间周期大约是50至1000纳秒(50-1000nsec)，优选大约是150纳秒(150nsec)。

在控制器23的输出变低以停止晶体管21时，变低的PWM控制信号通过装置31耦合作为TR信号，这个TR信号迫使接收器14的输出变低。来自接收器14的低电平迫使缓冲器15和86的输出和锁存器48的输入的对应的复位变低。来自接收器14的低电平也迫使缓冲器81的输出变低，这对门84和锁存器48没有影响，因为缓冲器83的输出仍然为低。来自缓冲器81的低电平通过缓冲器82接收，该缓冲器82响应地开始驱动缓冲器82的输出变低。然而，电容器85通过延迟时间使来自缓冲器82的输出信号减慢，该延迟时间足够允许晶体管21在缓冲器83的输入变低之前切断。一旦到缓冲器83的输入变低，低电平通过缓冲器83传播并且迫使门84的输出变高以设置锁存器48。变高的Q输出通过驱动器49接收，该驱动器49响应地驱动驱动器49的输出变高，并开始启动晶体管32和使电感器13放电。本领域普通技术人员将会理解，PWM控制信号可以被用于产生通常从PWM控制信号转换的交替启动控制信号，并且这个交替启动信号可以被耦合到次级侧30并用于启动晶体管32。

为了实施系统10的这种功能，初级侧电感器12的第一端子连接到输入端16和调节器20的输入。电感器12的第二端子连接到晶体管21的漏极。晶体管的源极连接到电容器28的第一端子、装置31的第一端子和返回端17。晶体管21的栅极连接到电容器28的第二端子和电阻71的第一端子。电阻71的第二端子连接到驱动器22的输出。驱动器22的输入连接到锁存器70的Q输出和电容器29的第一端子。电容器29的第二端子连接到装置31的第二端子。锁存器70的置位输入连接到斜坡器24的时钟输出，锁存器70的复位输入连接到比较器26的输出。比较器26的非倒相输入连接到斜坡器24的斜坡输出。比较器26的倒相输入通过电阻连接到调节器20的输出和耦合器41的集电极。耦合器41的发射极连接到返回端17。控制器40的触发输入连接到装置31的第三端子和接收器14的输入。装置31的第四端子连接到端子19。接收器14的输出连接到缓冲器81的输入和缓冲器15的输入。缓冲器15的输出连接到缓冲器86的输入。锁存器48的复位输入连接到缓冲器86的输出。缓冲器81的输出连接到门84的第一输入和缓冲器82的输入。缓冲器82的输出连接到电容器85的第一端子和缓冲器83的输入。缓冲器83的输出连接到门84的第二输入。门84的输出连接到锁存器48的置位输入。锁存器48的Q输出连接到具有连接到晶体管32的栅极的输出的驱动器49的输入。晶体管32的源极连接到端子19和二极管33的阳极。晶体管32的漏极连接到二极管33的阴极并进入电感器13的第一端子。电感器13的第二端子连接到输出端子18。耦合器41的阳极连接到两个电阻72和73的第一端子，阴极连接到端子19。电阻72的第二端子连接到端子18，电阻73的第二端子连接到端子19。二极管33的阳极连接到晶体管32的源极，阴极连接到晶体管32的漏极。

附图2示意性地示出了作为在附图1的描述中解释的电源系统10的变型实施例的电源系统45的一部分的一种实施例。系统45包括作为在附图1的描述中解释的控制器40的变型实施例的次级侧控制器50。控制器50被形成为控制系统45的各种操作模式的同步整流器的操作，这些模式包括不连续操作模式、临界导电操作模式和连续导电操作模式。控制器50包括锁存器48和驱动器49、OR门47、电流检测电路51、反馈放大器52、保护钳位晶体管54、基准发生器或基准53、比较器57以及逻辑和延迟电路59。基准53具有产生由控制器50所使用的两个不同的基准电压的两个输出。控制器50也通常包括输送操作电压以操作在控制器50内的元件的内部调节器56。

系统45包括在端子19和晶体管32的源极之间串联连接的电流感测电阻34以及在晶体管32和电阻34上并联连接的一对分压电阻36和37。在电阻36和37之间公共连接形成的同步节点67提供了由控制器50用于有助于实现由晶体管32提供的同步整流器功能的同步信号。控制器50被形成为利用由电阻36和37提供的同步信号以确定启动晶体管32的适当的时间，而不使用控制器40(附图1)所使用的控制信号。控制器50的同步输入端66接收来自电阻36和37的同步信号。电阻34用于提供控制器50的电流感测功能，从下文的进一步描述中可以看出。控制器50通常具有8个端子，包括同步输入端66、接收TR信号的触发输入端46、从系统45接收输入电压的电压输入端65、提供用于控制晶体管32的驱动信号的驱动输出端60、电流感测输入端61、比较端子62、次级反馈输入端63和公共返回端子64。端子64通常连接到端子19。控制器50也一般包括给控制器50的元件提供操作电压的内部调节器56。虽然为了附图的简洁没有示出，但是调节器56连接在输入端65和端子64之间。

在连续导通模式下操作时，控制器23的PWM控制信号输出变高，并且通过装置31耦合到控制器50的输入端46作为TR信号。变高的TR信号由门47接收，并响应地迫使门47的输出变高以使锁存器48复位。来自锁存器48的低电平由驱动器49接收，该驱动器49驱动晶体管32的栅极变低以开始停止晶体管32。在初级侧25，来自控制器23的变高的PWM控制信号也由驱动器22接收。由于延迟元件27的缘故，驱动器22和元件27延迟启动晶体管21第一时间周期。在第一时间周期之后，延迟的PWM驱动信号开始启动晶体管21，并且流经初级侧电感器12的所得的电流在次级侧电感器13上产生电压。

在随后的时间中，控制器23的输出变低，变低的PWM控制信号通过装置31耦合到门47的输入。门47接收迫使门47的输出变低由此释放复位输入的变低的TR信号，并且锁存器48仍然保持置位。元件27和驱动器22延迟PWM控制信号，随后形成延迟的PWM驱动信号，该PWM驱动信号开始停止晶体管21。在晶体管21停止时，在电感器13上的电压降低，因此在电阻36和37上的电压也降低，由此减小了在节点67上的同步信号的值。如果在电感器节点68上的电压降低到二极管33的反向电压的值之下，则二极管33开始导通。比较器57在倒相输入上接收同步信号，并在非倒相输入上从基准53的第一输出58中接收第一基准电压。在同步信号的值降低到第一电压值之下时，比较器57的输出变高。来自比较器57的高电平通过电路59选通以防止噪声或电压振荡而过早地重新启动锁存器48和晶体管32。从下文的进一步描述中可以看出，电路59防止比较器57的输出在它已经被复位之后设置锁存器48第二时间周期。如果比较器57的输出在第二时间周期之后变高，则电路59的输出变高并置位锁存器48。来自锁存器48的高电平由驱动器49接收，迫使驱动器49的输出变高以开始启动晶体管32。选择第一值足够高以基本防止在开始接通晶体管32之前通过二极管33反向导通，并足够低以防止噪声或振荡而过早地启动晶体管32。第一值通常在大约1和20毫伏(1-20mV)之间，优选是大于端子64的电压大约10毫伏(10mV)。

在系统45在不连续操作模式或者临界导电操作模式下操作时，晶体管21的占空比较低并且对于PWM控制器23的每个周期通过晶体管32的电流变为接近零。在电流接近零或大致为零时，通过电阻34的电流也接近零并且在控制器50的电流感测输入上的电流也接近零。电流检测电路50检测到电流接近零，这迫使电路51的第一输出变高。来自电路51的高电平由门47接收，这迫使门47的输出变高并且使锁存器48复位。来自锁存器48的低电平由驱动器49接收，驱动器49响应地开始停止晶体管32。因此，在不连续和临界导电操作模式下，控制器50感测流经晶体管32的电流接近零并停止晶体管32。在其上电路51有利于控制器50开始停止晶体管32的电流值由电阻34和35的值和电路51的一些部分控制。通常，在大约1和5(1-5)微安之间的电流值将迫使电路51的输出变高。如果在控制器23产生PWM控制信号时流经晶体管32的电流不接近零，则控制器50利用TR信号开始停止晶体管32，如下文所描述。

在某些情况下，理想的是具有反馈误差放大器作为电源系统45次级侧的一部分。反馈放大器52和基准53的第二输出有利于形成用于输出电压的次级侧误差处理电路。电阻38和电阻39连接作为在端子18和19之间的分压器以在电阻38和39之间的反馈(FB)节点55上形成次级反馈信号。放大器52从反馈输入端63接收次级反馈信号和从基准53的第二输出接收第二基准电压，并在放大器52的输出上响应地提供误差电压。放大器52的输出和对应的误差电压连接到控制器50的端子62。电容器76和电阻75串联连接在端子62和节点55之间以形成用于反馈处理控制环的补偿网络。连接在端子62和节点55之间的电容器44是补偿网络的一部分。晶体管54连接到放大器52的输出作为电压钳位以限制在过负载情况下的能量。如果在电阻34上的电流感测信号超过电流上限，则电路51感测过电流状态，电路51的第二输出变高以启动晶体管54以将在放大器52的输出上的电压钳位到接近零的值。

为了实施控制器50的功能，晶体管32的源极连接到电阻34的第一端子，而不是如在附图1的描述中所解释的那样连接到端子19。电阻34的第二端子连接到端子19。电阻35的第一端子连接到电阻34的第一端子和晶体管32的源极。电阻35的第二端子连接到输入端61和电路51的输入端。电阻38和72两者的第一端子连接到端子18，电阻39和73两者的第一端子连接到端子19。电阻38和39两者的第二端子连接到节点55和输入端63，电阻72和73两者的第二端子连接到二极管42的阳极。二极管42的阴极连接到端子62。电阻36和37两者的第一端子连接到节点67、输入端66和比较器57的倒相输入端。电阻37的第二端子连接到晶体管32的漏极和节点68，电阻36的第二端子连接到端子19。电路51的输入连接到输入端61，电路51的第一输出连接到门47的第一输入。门47的第二输入连接到输入端46和装置31的第三端子。门47的输出连接到锁存器48的复位输入。电路51的第二输出连接到晶体管54的基极。晶体管54的发射极连接到端子64，晶体管54的集电极连接到放大器52的输出和端子62。比较器57的倒相输入端连接到基准53的第一输出58。比较器57的输出连接到电路59的第一输入。电路59的第二输入连接到锁存器48的Q输出，电路59的输出连接到锁存器48的置位输入。电容器44的第一端子连接到节点55和电阻73的第一端子。电阻73的第二端子连接到电容器76的第一端子。电容器76的第二端子连接到端子62。

附图3示意性地示出了在附图2的描述中解释的系统45的变型实施例中的电源系统90的一种实施例的一部分。在某些情况下，不可能访问驱动器22的输入。因此，驱动器22的输出可用于将PWM控制信号连接到装置31。此外，晶体管32的接通电阻用于形成电流感测信号，因此，附图2中的电阻34可被取消，并且电阻35连接到晶体管32的漏极。晶体管32的接通电阻替换电阻34。应该注意，可替换地，在输入端66上接收的同步信号可以从在输入端61上接收的电流感测信号中产生，因此不需要电阻36和37。电流感测信号可以通过电流反射镜复制，并且电流反射镜的输出耦合到电阻以将该电流转换为施加给比较器57的电压。

附图4示意性地在附图2的讨论中解释的电路51和电路59的一种实施例的一部分。电路51和电路59可以通过许多不同的电路结构实施，因此在附图4中的实例性的实施方案是实施电路51的功能的电路和实施电路59的功能的电路的实例。在输入61上的电流通过包括晶体管108、109、110和111的电流反射镜与电压转换电阻112和113一起接收。来自输入端61的电流镜向流过电阻112和113，电阻112和113将电流转换为电压。在电阻112和113上的电压由相应的比较器114和115接收。比较器114也接收设定在其上电路51的第一输出变高以开始停止晶体管32的值的基准电压。比较器115也接收设定在其上电路51的第二输出变高以开始启动晶体管54的值的基准电压。

电路59选通比较器57的输出以防止噪声启动晶体管32。在锁存器48复位时，来自Q输出的低电平由反向器101接收。反向器101的输出触发延迟块102，迫使输出高电平第二时间周期。来自块102的高电平被输送给OR门104的第一输入。到门104的第二输入通过锁存器48的Q输出输送。对于在锁存器48的Q输出已经变低之后的第二时间周期，门104的输出是总是低电平的信号。门104的输出输送门105的第一输入，该第一输入迫使门105的输出变低，而与在第二时间周期中从比较器57接收的值无关。在第二时间周期之后，门104的输出变高，允许比较器57的输出通过门105并控制锁存器48的置位输入。延迟块102可以是各种各样的延迟元件比如单触发电路103。

附图5示意性地示出了附图1的控制器40或附图2和附图3的控制器50可装配并封装到其中的半导体封装92的一种实施例的一部分的放大平面视图。

附图6示意性地示出了形成在半导体管芯96上半导体器件95的一种实施例的一部分的放大的平面视图。控制器50形成在管芯96上。管芯96也可以包括其它电路，为了使附图简洁，在附图3中没有示出这些其它电路。控制器40可以形成在管芯96上而不是在控制器50上。控制器50和装置95都通过本领域普通技术人员十分熟知的半导体制造技术被形成在管芯96上。

考虑到上述的全部内容，显然公开了一种新颖的装置和方法。其中特征在于包括使用表示初级侧PWM控制信号的信号控制在电源系统的次级侧中的同步整流器。使用初级侧PWM控制信号提供了更高的精度和对启动和停止同步整流器的控制，由此提高了效率和使通过衬底的体二极管导通最小。使用初级侧PWM控制信号也减小了控制器和使用控制器的系统的复杂度和成本。

虽然参考特定的实施例已经描述了本发明，但是显然在半导体领域中普通技术人员会明白存在许多变型和修改。此外，为了描述的清楚，全文使用术语“连接”，然而，它与术语“耦合”具有相同的意义。因此，“连接”应该被解释为包括直接的连接和间接连接，比如电元件可以插入在两个特定的端子或耦合在一起的信号之间。

Claims (10)

1.一种控制电源的方法，包括：

使用来自电源的初级侧的PWM控制信号控制耦合到电源的次级侧的第一功率开关。

2.权利要求1所述的方法，其中

使用来自电源的初级侧的PWM控制信号包括将PWM控制信号耦合到电源的次级侧作为表示PWM控制信号的控制信号并使用该控制信号控制第一功率开关；和

使用第一功率开关控制流经次级侧的电感器的电流的至少一部分。

3.权利要求1所述的方法，进一步包括延迟PWM控制信号并使用延迟的PWM控制信号控制流经电源的初级侧的电感器的电流的至少一部分。

4.权利要求3所述的方法，其中使用延迟的PWM控制信号控制流经初级侧的电感器的电流包括耦合第二功率开关以控制流经初级侧的电感器的电流的至少一部分并使用延迟的PWM控制信号控制第二功率开关。

5.权利要求1所述的方法，进一步包括感测在电源的次级侧中流动的电流并在电流降低到第一值时开始停止第一功率开关。

6.  一种形成次级侧电源控制器的方法，包括：

形成次级侧电源控制器以接收表示PWM控制信号的控制信号并使用该控制信号控制耦合到电源的次级侧的功率开关。

7.权利要求6所述的方法，其中形成次级侧电源控制器以接收表示PWM控制信号的控制信号并使用该控制信号控制功率开关包括接收该控制信号并响应地开始停止同步整流器。

8.权利要求6所述的方法，进一步包括形成次级侧电源控制器以接收表示耦合到次级侧的电压的同步信号并在耦合到次级侧的电压降低到大约第一值之前响应地启动功率开关，该第一值使得通过功率开关的体二极管反向导通。

9.一种次级侧电源控制器，包括：

触发器输入端，可操作以接收表示适合于控制在电源系统的初级侧中的第一功率开关的PWM控制信号的控制信号；和

响应该控制信号可操作以产生停止信号的控制电路。

10.权利要求9所述的次级侧电源控制器，进一步包括可操作以启动和停止在电源系统的次级侧中的第二功率开关的驱动器和响应流经电源系统的次级侧的电流可操作以开始产生停止信号的电流检测电路。

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