CN1731664A - 具有死区时间调整的桥式同步整流电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有有死区时间调整的桥式同步整流电路，使用于全桥式或半桥式电源供应器，包括有：一脉冲产生单元输出一脉冲信号；一死区时间控制单元，连接于该脉冲产生单元，接收该脉冲信号，利用该脉冲信号触发一电子开关，同时搭配一RC单元、一比较单元用以输出一死区时间信号；一功率开关驱动切换单元，连接于该死区时间控制单元、该变压器的二次侧的同步绕组及至少一功率开关的控制端，接收该死区时间信号，并于该变压器二次侧的同步绕组取得不同相位切换辅助电源，用以驱动该些功率开关。

Description

具有死区时间调整的桥式同步整流电路

技术领域

本发明涉及一种具有死区时间调整的桥式同步整流电路，特别涉及一种使用于全桥式或半桥式电源供应器的具死区时间调整的同步整流电路。

背景技术

按目前已知的直流电源供应装置，如交换式电源供应器中(AC To DCSwlitching Power Supply)中，为缩小变压器的体积，大多使用高频的脉冲宽度调变(PWM)控制直流输出电压，如图1所示，为公知半桥式电源供应装置的电路示意图。变压器T1将电路区分成为一次侧的初级电路101与二次侧的次级电路102，并该一次侧的初级电路101可以通过一脉宽调变控制器1010连接到该二次侧的次级电路102，通过次级电路102电压反馈以调整该一次侧101的Q1、Q2二个电子开关的责任周期(duty cycle)来达到稳定的电压输出。

请配合图1，参考图2，为公知半桥式电源供应装置的电路波形示意图。脉宽调变控制器1010通过隔离变压器Tr输出控制信号S1-S2，控制信号S1-S2用以分别控制Q1、Q2二个电子开关之切换动作。利用该二个电子开关Q1、Q2的切换动作，将储存于电容器C10、C11的电能通过一交连电容CBL分别传送至变压器T1的一侧端，用以形成一交流电源AC。该交流电源AC用以提供能量给变压器T1，并利用变压器T1将交流电源电压转换到二次侧。变压器T1的二次侧通过一整流单元1020连接到一储能电感L1至输出负载，于Q1、Q2皆开闭时利用储能电感L1释放能量提供负载所需的电力，同时利用电容器C1作为直流滤波功能。

请参考图2，于时间t0-t1，隔离变压器Tr输出的控制信号S1-S2为正电位，此时，整流二极管整流D1停止导通二整流二极管D2维持导通储能电感器L1开始进行储存能量。于时间t1-t2，隔离变压器Tr输出的控制信号S1-S2位零电位，此时，储能电感器L1开始进行释放能量，整流二极管D2仍继续导通，此时整流二极管D1亦导通，储能电感器L1释放能量的路径经由D1，D2回到储能电感器L1。于时间t2-t3，隔离变压器Tr输出的控制信号S1-S2位负电位，整流二极管D2则停止导通，而整流二极管D1仍继续导通，储能电感器L1又开始进行储存能量。于时间t3-t4，隔离变压器Tr输出的控制信号S1-S2为零电位，此时，整流二极管D1仍继续导通，此时整流二极管D2亦导通，储能电感器L1又开始进行释放能量，储能电感器L1释放能量的路径经由D1，D2回到储能电感器L1。如此，在时间t3-t4时又回覆到时间t0-t1时的波形，依序如上述说明。

上述说明中，如图1所示，公知的半桥式电源供应器，其中初极侧电子开关Q1、Q2为金属氧化物半导体场效应晶体管具有小信号控制其ON/OFF作用的开关元件。而次极侧接整流二极管D1、D2将交流电压波形转换为直流电压波形，整流二极管D1、D2于导通时会产生0.4V-1.5V不等的电压降(此为二极管的特性)，因此当输出电流大时会产生很大的功率损失而发生效率低的缺陷，并因消耗功率过大需要大面积的散热片等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有死区时间调整的桥式同步整流电路，解决现有技术的当输出电流大时会产生很大的功率损失而产生的效率低的问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种具有死区时间调整的桥式同步整流电路，连接于一变压器二次侧的同步绕组、至少一功率开关及一储能电感器，其特点在于，包括：一脉冲产生单元，连接于该变压器二次侧端与该储能电感器一端，根据该变压器二次侧端输出的信号，用以输出一脉冲信号；一死区时间控制单元，连接于该脉冲产生单元，接收该脉冲信号，通过该脉冲信号触发一电子开关，同时搭配一RC单元、一比较单元用以输出一死区时间信号；一功率开关驱动切换单元，连接于该死区时间控制单元，该变压器的二次侧的同步绕组及所述功率开关的控制端，接收该死区时间信号，并于该变压器的二次侧的同步绕组取得相位异于二次侧绕组的切换辅助电源，用以驱动所述功率开关。

上述的桥式同步整流电路，其特点在于，该脉冲信号，由变压器二次侧端输出的信号进行前缘触发取得。

上述的桥式同步整流电路，其特点在于，该死区时间控制单元，包括：一电子开关，利用一控制端连接于该脉冲产生单元，接收该脉冲信号，用以执行两输出端的导通或截止动作；一RC单元，连接于该储能电感器的另一端与一参考端，是利用一电阻器串接一电容器组成，同时，该电容器并接到该电子开关的两输出端；一比较单元，具有两输入端及一输出端，其中一输入端连接于该电容器一端，另一端连接到一参考电压，并且该输出端通过一驱动单元连接到该功率开关驱动切换单元。

上述的桥式同步整流电路，其特点在于，该比较单元利用负输入端连接到该电容器一端，利用正输入端连接到该参考电压。

上述的桥式同步整流电路，其特点在于，该功率开关驱动切换单元，包括：一第一驱动单元，连接于该死区时间控制单元，功率开关及该变压器二次侧的同步绕组，接收该死区时间信号，并于该变压器二次侧的同步绕组取得相位异于二次侧绕组的切换辅助电源，用以驱动该功率开关；一第二驱动单元，连接于该死区时间控制单元、功率开关及该变压器二次侧的同步绕组，接收该死区时间信号，并于该变压器二次侧的同步绕组取得相位异于二次侧绕组的切换辅助电源，用以驱动该功率开关。

上述的桥式同步整流电路，其特点在于，该第一驱动单元，包括：一第一切换开关，通过一控制端连接于该死区时间控制单元，并通过一输出端连接到该功率开关的控制端；一第一整流二极管，一端连接到该变压器二次侧的同步绕组，另一端连接于该第一切换开关的另一输出端。

上述的桥式同步整流电路，其特点在于，该第二驱动单元，包括：一第二切换开关，通过一控制端连接于该死区时间控制单元，并通过一输出端连接到该功率开关的控制端；一第二整流二极管，一端连接到该变压器二次侧的同步绕组，另一端连接于该第二切换开关的另一输出端。

上述的桥式同步整流电路，其特点在于，该第一驱动单元还包括一第一二极管，连接于该死区时间控制单元与该功率开关的控制端。

上述的桥式同步整流电路，其特点在于，该第二驱动单元还包括一第二二极管，连接于该死区时间控制单元与该功率开关的控制端。

上述的桥式同步整流电路，其特点在于，所述功率开关为金属氧化物半导体场效应晶体管。

本发明的技术效果在于：

本发明的具有死区时间调整的桥式同步整流电路，是将公知桥式电源供应器使用的整流二极管D1、D2位置改以金属氧化物半导体场效应晶体管代替，用来降低电路工作时的消耗功率。同时，通过死区时间调整控制电路，用来固定电子开关Q1、Q2同时截止时的死区时间(Dead Time)。

本发明具有死区时间调整的桥式同步整流电路，可以利用调整RC单元的R、C值，用以调整电路功率开关动作的死区时间，并固定死区时间。同时，死区时间不会受到脉冲宽度调变控制直流输出电压之责任周期不稳定所影响。

下面结合附图进一步详细说明本发明的具体实施例。

附图说明

图1为公知半桥式电源供应装置的电路示意图；

图2为公知半桥式电源供应装置的电路波形示意图；

图3为本发明具死区时间调整的桥式同步整流电路方框示意图；及

图4为本发明波形示意图。

其中，附图标记说明如下：

公知：

101    初级电路

1010   脉宽调变控制器

102    次级电路

1020   整流单元

Q1、Q2 电子开关

Tr     隔离变压器

T1     变压器

S1-S2 控制信号

本发明：

10      同步整流电路

TW      变压器二次测的同步绕组

Q1、Q2  功率开关

L1      储能电感器

103     脉冲产生单元

104     死区时间控制单元

1040    RC单元

1042    比较单元

1044    驱动单元

106     功率开关驱动切换单元

1062    第一驱动单元

1064    第二驱动单元

T1      变压器

VREF    参考电压

具体实施方式

请参考图3，为本发明具死区时间调整的桥式同步整流电路方框示意图。本发明的一种具死区时间调整的桥式同步整流电路10，连接于一变压器二次侧的同步绕组TW、二功率开关Q1、Q2的控制端及一储能电感器L1，包括有：一脉冲产生单元102、一死区时间控制单元104及一功率开关驱动切换单元106。

本发明利用脉冲产生单元102连接于该变压器T1二次侧端与该储能电感器L1一端，根据该变压器T1二次侧端输出的信号进行前缘触发，用以输出一脉冲信号。该脉冲信号被传送到连接于该脉冲产生单元102的该死区时间控制单元104。该脉冲信号用来触发死区时间控制单元104中的一电子开关Q4、同时搭配一RC单元1040、一比较单元1042用以输出一死区时间信号到连接于该死区时间控制单元104的该功率开关驱动切换单元106。该功率开关驱动切换单元106连接于该死区时间控制单元104、该变压器的二次侧的同步绕组TW及功率开关Q1、Q2的控制端，接收该死区时间信号，并于该变压器二次侧的同步绕组TW取得相位不同于二次侧绕组的切换辅助电源，用以驱动该功率开关Q1、Q2。

再参考图3，死区时间控制单元104中的电子开关Q4，利用一控制端连接于该脉冲产生单元102，接受该脉冲信号，用以执行二输出端的导通(ON)或截止(OFF)动作。同时，死区时间控制单元104中的RC单元1040，连接于该储能电感器L1的另一端与一参考端G，利用一电阻器RT串接一电容器CT组成，同时，该电容器CT并接到该电子开关Q4的二输出端。并，死区时间控制单元104中的比较单元1042，具有二输入端及一输出端，其中一负输入端连接于该电容器CT一端，另一正输入端连接到一参考电压VREF，并该输出端通过一驱动单元1044连接到该功率开关驱动切换单元106。

再参考图3，其中该功率开关驱动切换单元106，由一第一驱动单元1062与一第二驱动单元1064分别利用一第一切换开关Q5与一第二切换开关Q6的控制端连接于该死区时间控制单元104，并通过第一切换开关Q5与第二切换开关Q6的输出端分别连接到该功率开关Q1、Q2的控制端，以及通过连接于该第一切换开关Q5、该第二切换开关Q6的一第一整流二极管D3与第二整流二极管D4连接到该变压器二次侧的同步绕组TW。

上述说明中，该功率开关驱动切换单元106还有一第一二极管D5、一第二二极管D6连接于该死区时间控制单元104与第一切换开关Q5、该第二切换开关Q6的控制端。再有，功率开关Q1、Q2为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，用来降低电路工作时的消耗功率。以今日科技水准金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的导通阻抗可以轻易做到10毫欧姆左右的导通电阻值RDS，如FDP3632金属氧化物半导体场效应晶体管为例，可将消耗功率降低甚多以克服使用二极管功率消耗甚多的困扰。假设输出电压为12Vdc且功率开关Q1、Q2以FDP3632金属氧化物半导体场效应晶体管(导通电阻值R_DS＝9毫欧姆、导通电压值V_DS＝100V)取代，输出功率为120W(12V/10A)则功率开关Q1、Q2的压降为10A×9毫欧姆＝90mVdc。功率开关Q1、Q25的消耗功率为90mV×10A＝900Mw＝0.9W。比较图1所示，公知电路中整流二极管D1、D2的消耗功率为0.4×10A＝4W两者相差甚多，输出功率越大越明显。

请参考图4，为本发明波形示意图。同时配合图3，本发明利用储能电感L1的输入端取得以电压波形S4，并将电压波形S4送到脉冲产生单元102，脉冲产生单元102执行前缘触发该电压波形S4，以输出一脉冲信号S5。该脉冲信号S5被传送到死区时间控制单元104中的电子开关Q4，控制电子开关Q4导通(ON)，以将充电中的RC电路1040进行瞬间放电，用以输出以一锯齿信号S6。RC电路1040瞬间放电后又开始进行充电动作，并一样RC电路1040需等到下一个脉冲信号S5出现才能进行瞬间放电，以产生锯齿信号S6。

再参考图4，配合图3，在死区时间控制单元104中，锯齿信号S6与参考电VREF利用比较单元1042进行比较运算，用以输出一死区时间信号S7到功率开关驱动切换单元106中第一切换开关Q5与第二切换开关Q6的控制端，并于该变压器二次测的同步绕组TW取得和二次测绕阻不同相位切换辅助电源，以驱动功率开关Q1、Q2。

如图4所示，变压器二次测输出电压波形S1为一交变信号，并在变压器二次测的同步绕组TW取得不同相位切换辅助电源，第一切换开Q5与第二切换开关Q6通过一第一整流二极管D3与一第二整流二极管D4分别取得一第一整流波形S2与一第二整流波形S3，同时配合死区时间信号S7进而驱动功率开关Q1、Q2。

再参考图4，上述说明中，当第一整流二极管D3与第二整流二极管D4有方波时，分别使得第一切换开关Q5与第二切换开关Q6导通(ON)。第一整流二极管D3有方波时，使得第一切换开关Q5导通(ON)，Q5导通(ON)后对功率开关Q1栅极(GATE)充电使得功率开关Q1导通。第一整流二极管D3方波消失后，功率开关Q1仍继续导通因为功率开关Q1栅极(GATE)尚未放电，此时称栅极自体维持时间，直到死区时间信号S7为低电位时，功率开关Q1方关闭。第二整流二极管D4有方波时，功率开关Q2导通，其动作时序与开关Q1相同，必须等死区时间信号S7为低电位时功率开关Q2方关闭。

再参考图4，其中本发明具死区时间调整的桥式同步整流电路，可以利用调整RC单元的R、C值来调整锯齿信号S6的斜率。锯齿信号S6比较参考电压VBEF，用以整流电路的功率开关Q1、Q2切换动作时的死区时间。如图4所示功率开关Q1的栅极信号S8与功率开关Q2的栅极信号S9相差一死区时间，并为固定的死区时间。同时，死区时间不会受到脉冲宽度调变(PWM)控制直流输出电压的责任周期(duty cycle)不稳定所影响。

综上所述，本发明将公知桥式电源供应器使用的整流二极管D1、D2位置改以金属氧化物半导体场效应晶体管代替，用以降低电路工作时的消耗功率。同时通过死区时间调整控制电路，用来固定功率开关Q1、Q2同时截止时的死区时间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；凡是依本发明所作的等效变化与修改，都被本发明的专利范围所涵盖。

Claims (10)

1、一种具有死区时间调整的桥式同步整流电路，连接于一变压器二次侧的同步绕组、至少一功率开关及一储能电感器，其特征在于，包括：

一脉冲产生单元，连接于该变压器二次侧端与该储能电感器一端，根据该变压器二次侧端输出的信号，用以输出一脉冲信号；

一死区时间控制单元，连接于该脉冲产生单元，接收该脉冲信号，通过该脉冲信号触发一电子开关，同时搭配一RC单元、一比较单元用以输出一死区时间信号；及

一功率开关驱动切换单元，连接于该死区时间控制单元，该变压器的二次侧的同步绕组及所述功率开关的控制端，接收该死区时间信号，并于该变压器的二次侧的同步绕组取得相位异于二次侧绕组的切换辅助电源，用以驱动所述功率开关。

2、根据权利要求1所述的桥式同步整流电路，其特征在于，该脉冲信号，由变压器二次侧端输出的信号进行前缘触发取得。

3、根据权利要求1所述的桥式同步整流电路，其特征在于，该死区时间控制单元，包括：

一电子开关，利用一控制端连接于该脉冲产生单元，接收该脉冲信号，用以执行两输出端的导通或截止动作；

一RC单元，连接于该储能电感器的另一端与一参考端，是利用一电阻器串接一电容器组成，同时，该电容器并接到该电子开关的两输出端；及

一比较单元，具有两输入端及一输出端，其中一输入端连接于该电容器一端，另一端连接到一参考电压，并且该输出端通过一驱动单元连接到该功率开关驱动切换单元。

4、根据权利要求3所述的桥式同步整流电路，其特征在于，该比较单元利用负输入端连接到该电容器一端，利用正输入端连接到该参考电压。

5、根据权利要求1所述的桥式同步整流电路，其特征在于，该功率开关驱动切换单元，包括：

一第一驱动单元，连接于该死区时间控制单元，功率开关及该变压器二次侧的同步绕组，接收该死区时间信号，并于该变压器二次侧的同步绕组取得相位异于二次侧绕组的切换辅助电源，用以驱动该功率开关；及

一第二驱动单元，连接于该死区时间控制单元、功率开关及该变压器二次侧的同步绕组，接收该死区时间信号，并于该变压器二次侧的同步绕组取得相位异于二次侧绕组的切换辅助电源，用以驱动该功率开关。

6、根据权利要求5所述的桥式同步整流电路，其特征在于，该第一驱动单元，包括：

一第一切换开关，通过一控制端连接于该死区时间控制单元，并通过一输出端连接到该功率开关的控制端；及

一第一整流二极管，一端连接到该变压器二次侧的同步绕组，另一端连接于该第一切换开关的另一输出端。

7、根据权利要求5所述的桥式同步整流电路，其特征在于，该第二驱动单元，包括：

一第二切换开关，通过一控制端连接于该死区时间控制单元，并通过一输出端连接到该功率开关的控制端；及

一第二整流二极管，一端连接到该变压器二次侧的同步绕组，另一端连接于该第二切换开关的另一输出端。

8、根据权利要求6所述的桥式同步整流电路，其特征在于，该第一驱动单元还包括一第一二极管，连接于该死区时间控制单元与该功率开关的控制端。

9、根据权利要求7所述的桥式同步整流电路，其特征在于，该第二驱动单元还包括一第二二极管，连接于该死区时间控制单元与该功率开关的控制端。

10、根据权利要求7所述的桥式同步整流电路，其特征在于，所述功率开关为金属氧化物半导体场效应晶体管。

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