CN1874130A

CN1874130A - 多重输出直流－直流转换器

Info

Publication number: CN1874130A
Application number: CN 200510074317
Authority: CN
Inventors: 萨卡达·萨伊尤恩; 许明纯; 韩永良
Original assignee: TAISHANG TAIDA ELECTRONIC Co; Delta Optoelectronics Inc
Current assignee: TAISHANG TAIDA ELECTRONIC Co; Taida Electronic Industry Co Ltd; Delta Optoelectronics Inc
Priority date: 2005-06-01
Filing date: 2005-06-01
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2025-06-01
Also published as: CN100438295C

Abstract

本发明提出一种在电源效率与电源密度的方面优于传统多重输出直流－直流转换器的多重输出直流－直流转换器。本发明的多重输出直流－直流转换器的特点在于位于直流－直流转换器的输出节上的整流电路由一对自我驱动的同步整流晶体管来实现，其可避免逆向电流流经直流－直流转换器的开关组件。此外，多个后端稳压器搭线至直流－直流转换器的次级线圈，其中每个后端稳压器包含一电压电位位移器电路，用以使得栅极驱动器能够施加一个少量的截止时间于用来驱动内部晶体管开关的控制脉冲信号上，以便将在电力转换作业期间的截止时间损失给最小化。

Description

多重输出直流-直流转换器

技术领域

本发明关于一种同步整流多重输出直流-直流转换器(synchronousrectification multi-output DC-DC converter)，并且更特别的是本发明关于一种具有增进电源效率与电源密度的同步整流多重输出直流-直流转换器。

背景技术

图1显示具有次级侧后端稳压(secondary side post regulation)的传统多重输出直流-直流转换器100的典型电路组态。该交换式直流-直流转换器100包含一电力逆变器(power inverter)101、一电力变压器(power transformer)102、一输出电路103以及多个后端稳压器(post voltage regulator)104与105。电力逆变器101包含一开关电路(switch circuit)111，其一般由一MOSFET开关所完成，用以将由一输入直流电压Vin所接收到的能量，经由自身的开/关运作传送至电力变压器102。电力逆变器101还包含一主要脉冲宽度调制器(mainpulse width modulator，main PWM)112，用以控制开关电路111的开/关运作。电力变压器102包含耦接至开关电路111的一初级线圈(primary winding)1021以及耦接至输出电路103的一次级线圈(secondary winding)1022，用以提供直流-直流转换器的输入端与输出端之间的电性绝缘，其中电力变压器102设定为用来自初级线圈1021接收一输入直流电压Vin并且根据开关电路111的开启与关闭将能量传送至次级线圈1022。输出电路103由整流二极管1031与1032所组成且耦接至次级线圈1022，用以自该次级线圈1022接收能量并提供一预定的输出电压Vout，例如12V给一负载(未显示)。此外，每个个别的后端稳压器104，105搭线至次级线圈1022以提供一个较低的稳压直流电压(regulated DC voltage)，例如5V或3.3V。return

图2(A)显示图1的后端稳压器的典型电路示意图。图2(A)的后端稳压器包含一电流阻流电路(current blocking circuit)141、一同步整流器(synchronous rectifier)142、一输出滤波器(output filter)143、一反馈电路(feedback circuit)144、一阻流控制器(blocking controller)145以及一栅极驱动器(gate driver)146。电流阻流电路141由一MOS晶体管所完成且耦接至图1所示的电力变压器102的次极线圈1022，用以在阻流时间间隔(blocking timeinterval)期间通过自身本有的体二极管(body diode)1411将由次极线圈1022传送至后端稳压器的输出节的电流(能量)转移给阻挡住。同步整流器142由一晶体管开关所完成且耦接至电流阻流电路141，用以将电力变压器102的次极线圈1022上所感应生成的一方波交流电压给整流成一整流的直流电压(rectified DC voltage)。输出滤波器143由一抗流线圈(choke coil)以及一平顺电容(smoothing capacitor)所组成，用以平顺后端稳压器的整流的直流电压以便在其输出端上提供一个固定的直流电压。反馈电路144耦接至输出滤波器143的输出端，用以计算后端稳压器的部分输出电压(fractional output voltage)与一参考电压(reference voltage)之间的差距，并且依据后端稳压器的输出电压来相应产生一反馈量。阻流控制器(blocking controller)145耦接至电流阻流电路141的栅极端，用以根据反馈量来控制电流阻流电路141的阻流时间间隔，由此对后端稳压器的输出电压进行微调。栅极驱动器146耦接至同步整流器142的栅极端，用以驱动同步整流器142来完成同步整流。再者，后端稳压器还包含一逆向电流保护二极管(reverse current protectiondiode)D100，用以防止逆向电流流经电流阻流电路141。

图2(B)显示图1的后端稳压器的另一种典型电路示意图。图2(B)的后端稳压器包含一栅极驱动器241、一RC网络(Rt，Ct)、一压控电流源(voltage-controlled current source)242、一同步整流开关(synchronous rectifierswitch)243、一输出滤波器244以及一反馈电路245。输出滤波器244以及反馈电路245的组成与操作原理与其图2(A)的对应物的组成与操作原理相似，并且为了简化说明起见，它们的说明在此间予以省略。在图2(B)中，栅极驱动器241提供一系列的控制脉冲信号用以将同步整流开关243根据一个受控的任务周期(controlled duty cycle)来导通，使得后端稳压器的输出电压的数值能够就为了补偿输出电压的变化来调整。压控电流源242与RC网络(Rt，Ct)形成一个斜坡信号产生器(ramp signal generator)250，其中电容Ct根据一个施加的时间常数(imposed time constant)来充电以产生一个随时间变化的斜坡电压(time-varying ramp voltage)。压控电流源242用来微调电容Ct的充电速率(charging rate)。该随时间变化的斜坡电压提供至栅极驱动器241以便与反馈电路245中的误差放大器(error amplifier，未显示)所得到的一反馈信号来进行计算，以产生用来控制同步整流开关243的开关任务周期(switchingduty cycle)的控制脉冲信号。二极管Dr设定为确保当斜坡信号产生器250作用时，电容Ct两端的电压可以迅速放电。此外，二极管Df作用为一飞轮二极管(freewheeling diode)且耦接至输出滤波器244的抗流线圈，用以在负载电压衰减至零时，提供一电流传导路径给储存在抗流线圈中的能量作释放之用。

然而，上文中所讨论的已知多重输出直流-直流转换器遭受许多必须要立刻解决的不利条件。首先，当一直流-直流转换器使用绝缘时，输入电压通常会以高频的方式来进行切换且会提供给电力变压器，而电力变压器会提供输入/输出绝缘与适当的电压转换。然而，因为输入电压在高频切换，输出电压与电流通常无法以稳定(regulated)的方式直接提供给负载。因此，在能量转换中通常会需要一个电感来作用为一电流滤波器。为了要符合效能规格，电感的体积与数值通常是相当关键的。一个庞大的电容体积通常会降低转换器的电源密度。再者，因为具有高电感值的电感具有低回转率(slew rate)，转换器对负载电流干扰的反应时间(response time)便会变慢。因此，较小的电感体积与数值是比较理想的。

其次，绝缘的直流-直流转换器通常会在一些截止时间(dead time)下工作。截止时间代表为了避免两个开关组件在同一时间导通的时间延迟(time lag)。在截止时间操作时，一整流电流会设定流经开关组件的体二极管。因此，截止时间损失(dead time loss，意即体二极管传导损失)会产生大量的电力损失(power loss)并且会恶化直流-直流转换器的整体电源效率(power efficiency)。

因此有其趋势发展一种具有增加的电源效率与增强的电源密度的多重输出直流-直流转换器。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种使用同步整流的多重输出直流-直流转换器，其具有较少的电力损失与较佳的电源密度。

根据本发明的主要实施方式，其提供一多重输出直流-直流转换器且包含一电力逆变器，具有一主要脉冲宽度调制器以及一开关电路以便传送自一输入直流电压所接收的能量；一电力变压器，具有一初级线圈与一次级线圈，其中该初级线圈耦接至该电力逆变器以便从该处接收能量，并且根据该开关电路的开启与关闭将该能量传送至该次级线圈；一整流晶体管电路，耦接至该次级线圈，用以将由次级线圈所传送过来的能量予以整流成一整流的直流电压；一输出滤波器，耦接至该整流晶体管电路，用以平顺该整流的直流电压来产生一稳压的直流电压；以及多个后端稳压器，其搭线至该次级线圈，用以提供多个稳压的直流电压。

其中，该电力逆变器包含一主要脉冲宽度调制器，其连接至该开关电路，用以产生控制脉冲电路来驱动该开关电路；该整流晶体管电路还包含一第一整流晶体管以及一第二整流晶体管，并且其中该多重输出直流-直流转换器还包含一对串联电容，其耦接于该次级线圈两侧与该第一整流晶体管的栅极端，用以提供控制脉冲信号来驱动该第一整流晶体管；该第二整流晶体管的栅极端通过一反相器连接至该主要脉冲宽度调制器。

根据本发明的一第一实施例，该后端稳压器包含一电流阻流装置，耦接至该次级线圈，用以阻挡来自该次级线圈的电流传送；一同步整流器，耦接至该电流阻流装置，用以将在次级线圈上所感应生成的一交流电压整流成一整流的直流电压；一输出滤波器，耦接至该电流阻流装置与该该同步整流器，用以平顺该整流的直流电压来产生一稳压的直流电压；一反馈电路，耦接至该输出滤波器的一输出端，用以将该稳压的直流电压与一参考电压作比较并且相应产生一反馈信号；以及一阻流控制器，耦接至该反馈电路以及该主要脉冲宽度调制器，用以根据该反馈信号产生控制脉冲信号来驱动该电流阻流装置与该同步整流器。

根据本发明的一第二实施例，该后端稳压器包含一第一晶体管开关，用以整流在次级线圈上所感应生成的一交流电压；一第二晶体管开关，用以阻挡电流自该次级线圈传送过来；一斜坡信号产生器，耦接至该次级线圈，用以产生一原始斜坡电压；一第一栅极驱动器，耦接于该斜坡信号产生器与该第一晶体管开关之间，用以接收该原始斜坡电压并且根据该原始斜坡电压产生控制脉冲信号来驱动该第一晶体管开关；一电压电位位移器电路，耦接至该斜坡信号产生器，用以将该原始斜坡电压减去一电压电位来产生一相位移位的斜坡电压；以及一第二栅极驱动器，耦接于该电压电位位移器电路与该第二晶体管开关之间，用以接收该相位移位的斜坡电压并且根据该相位移位的斜坡电压产生控制脉冲信号来驱动该第二晶体管开关。

其中，该斜坡信号产生器包含：一恒定电流源，耦接至该次级线圈，用以提供一固定电流；一电容，耦接至该恒定电流源，用以由该恒定电流源所充电并且产生该原始斜坡电压；以及一压控电流源，耦接于该电容两端，用以改变该电容的充电速率。此外，该后端稳压器还包含一自举驱动器，耦接于该第二晶体管开关与该第二栅极驱动器之间，用以提升由该第二栅极驱动器提供给该第二晶体管开关的控制脉冲信号的电压电位。

前述与本发明的其它特征及优点将可由底下的描述并参照所附的图标而得到最佳的了解，其中：

附图说明

图1显示具有次级侧后端稳压的传统多重输出直流-直流转换器的典型电路组态；以及

图2(A)显示图1的后端稳压器的典型电路示意图；

图2(B)显示图1的后端稳压器的另一种典型电路示意图；

图3显示根据本发明的具有次级侧后端稳压的多重输出直流-直流转换器的典型电路组态；

图4(A)根据本发明的一第一实施例的后端稳压器的典型电路示意图；以及

图4(B)根据本发明的一第二实施例的后端稳压器的典型电路示意图。

其中，附图标记说明如下：

多重输出直流-直流转换器100

电力逆变器101 电力变压器102

输出电路103 后端稳压器104，105

初级线圈1021 次级线圈1022

整流二极管1031，1032 开关电路111

主要脉冲宽度调制器112

电流阻流电路141 同步整流器142

输出滤波器143 反馈电路144

阻流控制器145 栅极驱动器146

体二极管1411 栅极驱动器241

压控电流源242 同步整流开关243

输出滤波器244 反馈电路245

斜坡信号产生器250 直流-直流转换器300

电力逆变器301 电力变压器302

同步整流器电路303 输出电路304

多个后端稳压器305，306 开关电路311

主要脉冲宽度调制器312 初级线圈3021

次级线圈3022 反相器307

整流晶体管Q3031，Q3032

逆向电流保护二极管D100

串联电容C3031，C3032

晶体管开关Q400与Q401

第一栅极驱动器401 第二栅极驱动器402

电压电位位移器电路403 斜坡信号产生器450

具体实施方式

在底下实施例中所揭示的交换式直流-直流转换器针对通过减少在电力转换作业期间所发生的截止时间量(dead time amount)来提供增加的电源效率以及通过减少电路中的电感组件数目来提供增强的电力密度。

请参考图3，其图例说明根据本发明的具有次级侧后端稳压的多重输出直流-直流转换器的典型电路组态。在图3中，直流-直流转换器300包含一电力逆变器(power inverter)301、一电力变压器(power transformer)302、一同步整流器电路(synchronous rectifier circuit)303、一输出电路(output circuit)304以及多个后端稳压器(post voltage regulator)305与306。电力逆变器301包含一开关电路(switch circuit)311，其通常由一MOSFET开关所完成，用以根据其开/关运作将能量传送至电力变压器302。电力逆变器301还包含一主要脉冲宽度调制器(main pulse width modulator，main PWM)312，用以控制开关电路311的开/关运作。电力变压器302包含耦接至开关电路311的一初级线圈(primary winding)3021与耦接至同步整流器电路303与输出电路304的一次级线圈(secondary winding)3022，用以提供转换器300的输入端与输出端之间的电性绝缘，其中电力变压器302设定为自该初级线圈3021接收一输入直流电压Vin并且根据开关电路311的开启与关闭将能量传送至次级线圈3022。

同步整流器电路303耦接至该次级线圈3022，用以将由该次级线圈3022所接收到的能量进行整流并且提供一整流的直流电压(rectified DC voltage)。输出电路304由一抗流线圈(choke coil)与一平顺电容(smoothing capacitor)所组成，用以平顺该同步整流器电路303所提供的整流的直流电压并且提供一稳压的直流电压(regulated DC voltage)，例如12V至一负载(未显示)。另外，每个个别的后端稳压器305，306搭线至次级线圈3022以提供一个较低的稳压直流电压，例如5V或3.3V。

请参考图1与图2(A)，图2(A)所示的逆向电流保护二极管D100连接于次级线圈1022与电流阻流电路141之间，用以防止逆向电流流经该电流阻流电路141。然而，该二极管D100在电力转换作业期间会引起相当大的电力损失(power loss)。因此，比较理想的做法是将二极管D100给移除并且以一个具有较少电力消耗特性(power consumption characteristic)的电流传导组件来取代。为达成此目的，整流二极管1031可以重新设置使得整流二极管1031的阴极连接至次级线圈1022的下端且整流二极管1031的阳极连接到地。在这种情形下，便可防止由输出端流向次级线圈1022的逆向电流。再者，为了要更进一步减少电路所产生的电力损失，整流二极管1031与1032

可以整流晶体管(rectifier transistor)Q3031与Q3032来取代，如图3所示。在图3中，一对串联电容(series capacitor)C3031与C3032跨接于次级线圈两侧且连接至整流晶体管Q3031的栅极端。该串联电容对C3031与C3032作用为栅极驱动器用以提供控制驱动信号来驱动整流晶体管Q3031。此外，整流晶体管Q3032的栅极端通过一反相器(inverter)307连接至主要脉冲宽度调制器312并且由主要脉冲宽度调制器312的脉冲宽度调制信号的反相版本(inverse version)来驱动。

图4(A)显示根据本发明的一第一实施例的后端稳压器的典型电路示意图。描绘于图2(A)与图4(A)的电路图中的相似电路组件以相同的标号来表示，并且为了简化说明起见，它们的功能与操作原理在此间予以省略。与图2(A)的电路相比较，图2(A)的逆向电流保护二极管D100从后端稳压器中移除，如图4(A)所示，并且因此图4(A)的后端稳压器的整体电源效率会相应提升。此外，须注意的是阻流控制器(blocking controller)145耦接至电力逆变器301的主要脉冲宽度调制器电路312，使得主要脉冲宽度调制器电路312能够提供脉冲信号给阻流控制器145来产生用来调节MOSFET开关141与142的任务周期(duty cycle)的脉冲控制信号。

图4(B)显示根据本发明的一第二实施例的后端稳压器的典型电路示意图。同样的，描绘于图2(B)与图4(B)的电路图中的相似电路组件以相同的标号来表示，并且为了简化说明起见它们的功能与操作原理在此间予以省略。与图2(B)的电路相比较，图2(B)的电阻Rt由一恒定电流源Is所取代，如图4(B)所示，该恒定电流源Is可提供一固定电流来对电容Ct充电。如此一来，图4(B)的后端稳压器的电源效率便可相应增加。此外，图4(B)的后端稳压器包含一第一栅极驱动器401，其耦接于斜坡信号产生器450与一低压端晶体管开关Q400之间。栅极驱动器401设定为接收由斜坡信号产生器450所产生的一原始斜坡电压(raw ramp voltage)以便产生控制脉冲信号来将低压端晶体管开关Q400导通与截止，以完成同步整流。值得注意的是图4(B)的后端稳压器更包含一电压电位位移器电路(voltage levelshifter circuit)403，其耦接于该斜坡信号产生器450与一第二栅极驱动器402之间。该电压电位位移器电路403在本实施例中以一双极晶体管(bipolartransistor)来实现，且其用来通过将原始斜坡电压的电压电位移位来施加一个少量的相位延迟(phase delay)于原始斜坡电压上，以便产生一个相位移位的斜坡电压(phase-shifted ramp voltage)。例如，假设原始斜坡电压以Vc来代表，而相位移位的斜坡电压以Vh来代表。Vc与Vh的电压电位之间的关可根据下面方程式来表示：

Vh＝Vc-V_BE

其中V_BE为双极晶体管的基极-射极电压(base-emitter voltage)。因此，当电容Ct在充电时，电压电位位移器电路403会通过原始斜坡电压而导通，并且提供给第二栅极驱动器402的斜坡电压Vh的上升缘(rising edge)会稍微向后移动而引起相对于原始斜坡电压Vc的相位延迟，其起因于约为0.6V到1V的小电压电位V_BE。因此，原始斜坡电压Vc在相位差的角度上会与移位斜坡电压Vh有所不同，其接着会在提供给晶体管开关Q400与Q401的控制脉冲信号之间造成一个少量的截止时间(时间延迟)。此外，一自举驱动器(bootstrap driver)404耦接于第二栅极驱动器402与高压端晶体管开关(第二晶体管开关)Q401之间，用以提升由该第二栅极驱动器402提供给该第二晶体管开关Q401的控制脉冲信号的电压电位，使得高压端晶体管开关Q401可迅速导通来阻挡由该次级线圈3022传送至后端稳压器的输出滤波器244的电流传送。

因此，一个少量的截止时间会产生于提供给晶体管开关Q400与Q401的控制脉冲信号之间，并且从而后端稳压器的截止时间长度可以减少至一个小范围之内。在这种方式下，交换式直流-直流转换器的整体电源效率将会大幅增加。

纵使本发明已由上述的实施例详细叙述而可由本领域的技术人员做各种修改，然皆不脱如权利要求书所欲保护的范围。

Claims

1.一种多重输出直流-直流转换器，其包含：

一电力逆变器，其包含一开关电路，用以传送由一输入直流电压所接收到的能量；

一电力变压器，具有一初级线圈与一次级线圈，其中该初级线圈耦接至该电力逆变器，以便从该处接收能量并且根据该开关电路的开启与关闭将能量传送至该次级线圈；

一整流晶体管电路，耦接至该次级线圈，用以将由次级线圈所传送过来的能量予以整流成一整流的直流电压；

一输出滤波器，耦接至该整流晶体管电路，用以平顺该整流的直流电压来产生一稳压的直流电压；以及

多个后端稳压器，其搭线至该次级线圈，用以提供多个稳压的直流电压。

2.如权利要求1所述的多重输出直流-直流转换器，其中，该电力逆变器包含一主要脉冲宽度调制器，其连接至该开关电路，用以产生控制脉冲电路来驱动该开关电路。

3.如权利要求2所述的多重输出直流-直流转换器，其中，该整流晶体管电路还包含一第一整流晶体管以及一第二整流晶体管，并且其中该多重输出直流-直流转换器还包含一对串联电容，其耦接于该次级线圈两侧与该第一整流晶体管的栅极端，用以提供控制脉冲信号来驱动该第一整流晶体管。

4.如权利要求3所述的多重输出直流-直流转换器，其中，该第二整流晶体管的栅极端通过一反相器连接至该主要脉冲宽度调制器。

5.如权利要求4所述的多重输出直流-直流转换器，其中，该后端稳压器包含：

一电流阻流装置，耦接至该次级线圈，用以阻挡来自该次级线圈的电流传送；

一同步整流器，耦接至该电流阻流装置，用以将该次级线圈上所感应生成的一交流电压整流成一整流的直流电压；

一输出滤波器，耦接至该电流阻流装置与该同步整流器，用以平顺该整流的直流电压并且产生一稳压的直流电压；

一反馈电路，耦接至该输出滤波器的一输出端，用以比较该稳压的直流电压与一参考电压并且相应的产生一反馈信号；以及

一阻流控制器，耦接至该反馈电路与该主要脉冲宽度调制器，用以根据该反馈信号产生控制脉冲信号来驱动该电流阻流装置与该同步整流器。

6.如权利要求4所述的多重输出直流-直流转换器，其中，该后端稳压器包含：

一第一晶体管开关，用以整流该次级线圈上所感应生成的一交流电压；

一第二晶体管开关，用以阻挡来自该次级线圈的电流传送；

一斜坡信号产生器，耦接至该次级线圈，用以产生一原始斜坡电压；

一第一栅极驱动器，耦接于该斜坡信号产生器与该第一晶体管开关之间，用以接收该原始斜坡电压并且根据该原始斜坡电压来产生脉冲控制信号以驱动该第一晶体管开关；

一电压电位位移器电路，耦接至该斜坡信号产生器，用以将该原始斜坡电压减去一电压电位以产生一相位移位的斜坡电压；以及

一第二栅极驱动器，耦接于该电压电位位移器电路与该第二晶体管开关之间，用以接收该相位移位的斜坡电压并且根据该相位移位的斜坡电压来产生脉冲控制信号以驱动该第二晶体管开关。

7.如权利要求6所述的多重输出直流-直流转换器，其中，该斜坡信号产生器包含：

一恒定电流源，耦接至该次级线圈，用以提供一固定电流；

一电容，耦接至该恒定电流源，用以由该恒定电流源所充电并且产生该原始斜坡电压；以及

一压控电流源，耦接于该电容两端，用以改变该电容的充电速率。

8.如权利要求6所述的多重输出直流-直流转换器，其中，该后端稳压器还包含一自举驱动器，耦接于该第二晶体管开关与该第二栅极驱动器之间，用以提升由该第二栅极驱动器提供给该第二晶体管开关的控制脉冲信号的电压电位。