DE60117852T2 - Verfahren und vorrichtung zur minimierung von rückstrombildung in gleichstrom/gleichstromwandlern mit synchrongleichrichtung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur minimierung von rückstrombildung in gleichstrom/gleichstromwandlern mit synchrongleichrichtung Download PDF

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet integrierter Schaltungen und spezieller einen neuen DC-DC-Wandler mit Synchron-Gleichrichtung, welcher den Aufbau negativen Stroms verhindert oder minimiert.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Versorgungsspannung von in elektronischen Vorrichtungen verwendeten integrierten Schaltungen, solchen wie Computer und Kommunikationsausrüstung, hat sich von 5 Volt auf 2,5 Volt oder in einigen Fällen auf 1,5 Volt verringert. Da die Anzahl von Transistoren in diesen integrierten Schaltungen gewachsen ist, hat sich die Anforderung nach Ausgangs-Strom der DC-DC-Wandler entsprechend vergrößert. Die niedrige Ausgangs-Spannung von DC-DC-Wandlern mit den traditionellen Schottky-Dioden-Gleichrichtern leidet an geringem Wirkungsgrad und hohem Leistungsverlust. Synchron-Gleichrichtungs-Technologie hat den Wirkungsgrad der DC-DC-Wandler signifikant erhöht, besonders in Beziehung zu der niedrigen Ausgangs-Spannung. Allerdings hat die Synchron-Gleichrichtung die Komplexität der DC-DC-Wandler erhöht. Sie hat auch den Systementwurf schwieriger gemacht, weil der DC-DC-Wandler mit Synchron-Gleichrichtung Strom von der Sekundärseite zur Primärseite verlieren kann. Deswegen haben die Synchron-Gleichrichter ein gemeinsames Problem: sie benötigen ein Hilfsmittel für parallele Wandler, solche wie O-Ring-Dioden, um das parallele Arbeiten der Wandler zu erlauben. Ohne O-Ring-Diode kann ein Wandler den Strom von einem anderen Wandler ableiten, möglicherweise den zweiten Wandler zerstörend, da der Strom auf 20 bis 30 Ampere ansteigen kann. Die O-Ring-Diode schränkt die Richtung des Stromes ein. Jedoch verringert die O-Ring-Diode den Wirkungsgrad des Systems.
  • Eine Technik, um die Synchron-Gleichrichter-DC-DC-Wandler daran zu hindern Strom von der Sekundärseite abzuleiten, beinhaltet das Überwachen des Stroms durch den Synchron-Gleichrichter. Wenn dieser Strom ein vorgegebenes Niveau erreicht, schaltet der Wandler seinen Synchron-Gleichrichter ab und verlässt sich auf die eigene (Schalt-) Diode (body diode) um Strom zu leiten. Diese Technik arbeitet sehr gut, erhöht aber die Komplexität der Schaltung. Entsprechend besteht ein Bedarf für eine einfache Schaltung, welche das Ableiten/Verlieren von Strom durch den Wandler verhindert oder minimiert.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine neue Schaltung bereit um den DC-DC-Wandler mit Synchron-Gleichrichtung vom Brücken-Typ parallel zu betreiben. Diese ist anwendbar auf verschiedene Typen von DC-DC-Wandlern, einschließend Gegentakt, Ganz-Brücke und Halb-Brücke. Die vorliegende Erfindung stellt eine einfache Schaltung bereit, welche das Ableiten von Strom durch den Wandler verhindert oder minimiert. Als ein Ergebnis eliminiert die vorliegende Erfindung unnötigen Leistungsverlust, verringert eventuelle Beschädigung des Wandlers und erlaubt den Parallel-Betrieb der Wandler. Obgleich die vorliegende Erfindung nachstehend mit Bezug zu einem Halb-Brücken-Wandler beschrieben ist, kann die vorliegende Erfindung für Ganz-Brücken- und Gegentakt-Technologien eingesetzt werden. Weiter ist die vorliegende Erfindung besonders nützlich in tragbaren elektronischen Geräten, solchen wie Computern, persönlichen Daten-Assistenten und Kommunikationsgeräten.
  • Als ein Beispiel wird die vorliegende Erfindung in Bezug zu einem Halb-Brücken-DC-DC-Wandler beschrieben. Wenn die Sekundärseite nicht belastet ist, ist der mittlere Strom durch die Ausgangs-Spule gleich Null. In dem frei laufenden Zustand sind beide Wandler aktiv und erlauben dem Spulenstrom in negativer (entgegen gesetzter) Richtung zu fließen. Wenn eine Spannungsquelle eine Spannung höher als die geregelte Spannung des Wandlers aufweist, versucht der Wandler sein Tastverhältnis zu verringern. Daher wird das primäre MOSFET abgeschaltet und das sekundäre MOSFET wird eingeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt arbeiten die sekundären Gleichrichter so als wären sie im frei laufenden Zustand. Das Tastverhältnis des ,Aus'-Zustands ist für die primären MOSFETS länger als im normalen Betrieb, was dem Spulenstrom erlaubt in zur normalen Richtung negativer Richtung zu fließen. Der Strom in dem Transformator fließt in zu seiner normalen Arbeitsweise negative Richtung. Wenn das primäre MOSFET einmal abgeschaltet ist, fließt der Strom durch dessen eigene (Schalt-) Diode. Zu diesem Zeitpunkt ist die Polarität und der Betrag des Transformators der Gleiche wie zuvor. Der Wandler verliert Strom aus der Sekundärseite an die Primärseite. Um zu verhindern, dass der Wandler Strom aus der Sekundärseite verliert, darf dem Strom nicht erlaubt sein sich in der negativen Richtung aufzubauen. Dieses kann durch das Hinzufügen eines Paars von Schaltern erreicht werden.
  • Die zusätzlichen Schalter schalten die Synchron-Gleichrichter an dem geeigneten Zeitpunkt ab um den Aufbau des negativen Stroms in der Spule zu verhindern. Wenn der Strom aus der Sekundärseite zu der Primärseite zurück speist/koppelt, dann ist das wirksame Tastverhältnis des Transformators tatsächlich größer als das Tastverhältnis der Wandler-Rückkopplung von der Primärseite. Durch das Verwenden dieses Zustands als ein Signal für das Verbinden mit einem Schalter, welcher die Steuer-Spannung des Synchron-Gleichrichters nach ,niedrig' zieht, kann die Strom-Rückkopplung (Rückführung) von der Sekundärseite zur Primärseite davon abgehalten werden, ein signifikantes Niveau zu erreichen. Es kann noch etwas Rückkopplung vorhanden sein. Jedoch sollte diese ein halbes Ampere nicht überschreiten. Dieses ermöglicht ohne O-Ring-Diode parallel zu arbeiten.
  • Die vorliegende Erfindung stellt so ein Verfahren bereit für das Minimieren oder Verhindern eines Aufbaus eines negativen Stroms in einem DC-DC-Wandler, aufweisend eine erste Sekundärwicklung, gekoppelt an einen ersten Synchron-Gleichrichter und eine zweite Sekundärwicklung, gekoppelt an einen zweiten Synchron-Gleichrichter, durch das Abschalten des ersten Synchron-Gleichrichters, wenn der negative Strom in der ersten Sekundärwicklung vorhanden und der erste Synchron-Gleichrichter eingeschaltet ist, und durch Abschalten des zweiten Synchron-Gleichrichters, wenn der negative Strom in der zweiten Sekundärwicklung vorhanden ist und der zweite Synchron-Gleichrichter eingeschaltet ist.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch einen DC-DC-Wandler bereit, aufweisend eine DC-Quelle, einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator in Reihe verbunden über die DC-Quelle, einen ersten primärseitigen Schalter und eine zweiten primärseitigen Schalter in Serie verbunden über die DC-Quelle. Eine Primärwicklung eines Transformators ist verbunden zwischen den ersten und zweiten Kondensatoren und den ersten und zweiten primärseitigen Schaltern. Eine erste und eine zweite sekundärseitige Wicklung des Transformators sind miteinander verbunden. Ein erster Synchron-Gleichrichter ist verbunden zwischen der ersten Sekundärwicklung und einer Erde und ein zweiter Synchron-Gleichrichter ist verbunden zwischen der zweiten Sekundärwicklung und der Erde. Ein externer Treiber ist mit dem ersten primärseitigen Schalter, dem zweiten primärseitigen Schalter und einem DC-Pegelumsetzer verbunden und liefert Takt-Signale an diese. Ein erster Gegentakt-Treiber ist verbunden zwischen dem DC-Pegelumsetzer und dem ersten Synchron-Gleichrichter und ein zweiter Gegentakt-Treiber ist verbunden zwischen dem DC-Pegelumsetzer und dem zweiten Synchron-Gleichrichter. Eine erste Schaltung ist mit dem externen Treiber, dem ersten Gegentakt-Treiber und der ersten Sekundärwicklung verbunden, wobei die erste Schaltung den ersten Synchron-Gleichrichter abschaltet, wenn ein negativer Strom in der ersten Sekundärwicklung vorhanden ist und der erste Synchron-Gleichrichter eingeschaltet ist. Eine zweite Schaltung ist mit dem externen Treiber, dem zweiten Gegentakt-Treiber und der zweiten Sekundärwicklung verbunden, wobei die zweite Schaltung den zweiten Synchron-Gleichrichter abschaltet, wenn ein negativer Strom in der zweiten Sekundärwicklung vorhanden ist und der zweite Synchron-Gleichrichter eingeschaltet ist.
  • Andere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für die mit dem Gebiet Vertrauten offensichtlich sein durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung, wenn verwendet in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die obigen und weitere Vorteile der Erfindung können besser verstanden werden durch Referenz auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in welchen:
  • 1 ein schematisches Diagramm für einen Halb-Brücken-DC-DC-Wandler mit Synchron-Gleichrichtung entsprechend dem Stand der Technik darstellt;
  • 2 ein schematisches Diagramm für einen Halb-Brücken-DC-DC-Wandler mit Synchron-Gleichrichtung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 3 ein schematisches Diagramm für einen Halb-Brücken-DC-DC-Wandler mit einem alternativen Verfahren der Synchron-Gleichrichtung entsprechend dem Stand der Technik darstellt;
  • 4 einen Graphen der grundlegenden Spannungs-Wellenform für die Betriebsweise des DC-DC-Wandlers der 3 darstellt; und
  • 5 ein schematisches Diagramm für einen Halb-Brücken-DC-DC-Wandler mit Synchron-Gleichrichtung entsprechend einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Während das Herstellen und Verwenden von verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nachstehend im Detail diskutiert wird, sollte gewürdigt werden, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfinderische Konzepte bereitstellt, welche in einer breiten Vielfalt spezieller Zusammenhänge ausgeführt sein können. Die hier diskutierten speziellen Ausführungsformen sind nur illustrativ für spezielle Wege die Erfindung zu realisieren und zu verwenden und begrenzen den Geltungsbereich der Erfindung nicht. Die Diskussion betrifft hier logische integrierte Schaltungen und spezieller einen neuen DC-DC-Wandler mit Synchron-Gleichrichtung, welcher den Aufbau negativen Stroms verhindert oder minimiert. Als ein Ergebnis eliminiert die vorliegende Erfindung unnötigen Leistungsverlust, verringert eventuelle Beschädigung des Wandlers und erlaubt parallelen Betrieb der Wandler. Obgleich die Erfindung nachfolgend in Bezug auf einen Halb-Brücken-Gleichrichter beschrieben ist, kann die vorliegende Erfindung für Ganz-Brücken- und Gegentakt-Topologien eingesetzt werden. Weiter ist die vorliegende Erfindung besonders nützlich in tragbaren elektronischen Geräten, solchen wie Computern, persönlichen Daten-Assistenten und Kommunikationsgeräten.
  • Es wird auf 1 bezogen, in welcher ein schematisches Diagramm für einen Halb-Brücken-DC-DC-Wandler 100 mit Synchron-Gleichrichtung entsprechend dem Stand der Technik gezeigt ist. Der Wandler 100 schließt einen Wandler/Gleichrichter 102, einen externen Treiber 104, einen DC-Pegelumsetzer 106, einen ersten Gegentakt-Treiber 108 und einen zweiten Gegentakt-Treiber 110 ein. Der Wandler/Gleichrichter 102 erhält DC-Versorgung von einer DC-Quelle (Vin) 112. Die Kondensatoren C5 und C6 sind in Serie verbunden über die DC-Quelle 112. Erste und zweite Primär-Schalter Q1, Q2 (primärseitige Schalter) sind ebenso in Serie verbunden über die DC-Quelle 112. Die Primärwicklung 114 eines Trenntransformators T1 (welcher auch als erster Transformator bezeichnet wird) ist verbunden zwischen den Kondensatoren C5 und C6 und den ersten und zweiten Primär-Schaltern Q1, Q2.
  • Erste und zweite Sekundärwicklungen 116, 118 des Trenntransformators T1 sind miteinander verbunden. Ein erster Synchron-Gleichrichter Q3 ist verbunden zwischen der ersten Sekundärwicklung 116 und Erde. Ein zweiter Synchron-Gleichrichter Q4 ist verbunden zwischen der zweiten Sekundärwicklung 118 und Erde. Eine Ausgangs-Spule Lo ist verbunden mit dem zentralen Anschluss zwischen der ersten und der zweiten Sekundärwicklung 116, 118. Ein Ausgangs-Kondensator Co ist verbunden zwischen der Ausgangs-Spule Lo und Erde. Die Takt- oder Gate-Signale für den ersten und zweiten Synchron-Gleichrichter Q3 und Q4 sind abgeleitet von dem externen Treiber 104, dem DC-Pegelumsetzer 106 und dem ersten und zweiten Gegentakt-Treiber 108, 110, wie nachstehend beschrieben.
  • Der externe Treiber 104 schließt einen Puls-Breiten-Modulator 120, verbunden über der Primärwicklung 124 eines Puls-Transformators T2 (auch bezeichnet als der zweite Transformator), ein. Die Primärwicklung 124 hat einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss (der durch einen Punkt bezeichnete Hochspannungs-Anschluss). Eine Diode D1 und ein Widerstand R1 sind parallel verbunden zwischen dem ersten Anschluss der Primärwicklung 124 und einem ersten Anschluss des ersten Treibers 122. Der Kondensator C1 ist verbunden zwischen dem ersten Anschluss des ersten Treibers 122 und Erde. Ähnlich sind die Diode D2 und der Widerstand R2 parallel verbunden zwischen dem zweiten Anschluss der Primärwicklung 124 und einem zweiten Anschluss des ersten Treibers 122. Der Kondensator C2 ist verbunden zwischen dem zweiten Anschluss des ersten Treibers 122 und Erde. Der erste Treiber 122 ist dann verbunden mit dem Gate eines jeden Primär-Schalters Q1, Q2 um deren Betrieb zu steuern (Ein/Aus).
  • Im Betrieb verzögern die Widerstände R1 und R2 und die Kondensatoren C1 und C2 die durch den Pulsbreiten-Modulator 120 erzeugten Takt- oder Gate-Signale. Als ein Ergebnis werden die zugehörigen Synchron-Gleichrichter Q3 oder Q4 abgeschaltet bevor die Primär-Schalter Q1 oder Q2 eingeschaltet werden. Der Primär-Schalter Q1 ist ,Ein', wenn der Kondensator C1 aufgeladen ist. Entsprechend ist der Primär-Schalter Q2 ,Ein', wenn der Kondensator C2 aufgeladen ist.
  • Der Puls-Transformator T2 überträgt die durch den Pulsbreiten-Modulator 120 erzeugten Takt- oder Gate-Signale an den DC-Pegelumsetzer 106. Der zentrale Anschluss zwischen der ersten und der zweiten Sekundärwicklung 126, 128 des Puls-Transformators T2 ist mit Erde verbunden. Eine Diode D4 und ein Widerstand R4 sind parallel verbunden zwischen der ersten Sekundärwicklung 126 und einem ersten Anschluss eines zweiten Treibers 130 und Erde. Ähnlich sind eine Diode D3 und ein Widerstand R3 parallel verbunden zwischen der zweiten Sekundärwicklung 128 und einem zweiten Anschluss eines zweiten Treibers 130. Der Kondensator C3 ist verbunden zwischen dem zweiten Anschluss des zweiten Treibers 130 und Erde. Der zweite Treiber 130 ist dann verbunden mit dem Gate des Synchron-Gleichrichters Q3 über den ersten Gegentakt-Treiber 108 und mit dem Gate des Synchron-Gleichrichters Q4 über den zweiten Gegentakt-Treiber 110 um deren Betrieb zu steuern (Ein/Aus).
  • Im Betrieb verzögern die Widerstände R3 und R4 und die Kondensatoren C3 und C4 die durch den Pulsbreiten-Modulator 120 erzeugten Takt- oder Gate-Signale. Als ein Ergebnis wird der zugehörige Synchron-Gleichrichter Q3 oder Q4 eingeschaltet, nachdem der Primär-Schalter Q1 oder Q2 abgeschaltet ist. Der zweite Treiber 130 ist ein invertierter Treiber, so dass der Synchron-Gleichrichter Q3 abgeschaltet wird, wenn der Kondensator C3 aufgeladen ist. Ähnlich wird der Synchron-Gleichrichter Q4 abgeschaltet, wenn der Kondensator C4 aufgeladen ist.
  • In dem ersten Gegentakt-Treiber 108 ist der Schalter Q6 verbunden zwischen der primären Vorspannung Vccs und dem Gate des Synchron-Gleichrichters Q4 und Erde. Die Gates für die Schalter Q5 und Q6 sind mit dem zweiten Treiber 130 verbunden. Ähnlich ist in dem zweiten Gegentakt-Treiber 110 der Schalter Q7 mit der primären Vorspannung Vccs und dem Gate des Synchron-Gleichrichters Q3 verbunden und Schalter Q8 ist verbunden zwischen dem Gate des Synchron-Gleichrichters Q3 und Erde. Die Gates für die Schalter Q7 und Q8 sind mit dem zweiten Treiber 130 verbunden. Der Synchron-Gleichrichter Q4 wird ,Ein' und ,Aus' geschaltet, wenn die Spannung des ersten Gegentakt-Treibers 108 aufgeladen oder entladen wird. Synchron-Gleichrichter Q3 wird ein- und aus- geschaltet, wenn die Spannung des zweiten Gegentakt-Treibers 110 aufgeladen und entladen wird.
  • Der erste Gegentakt-Treiber 108 kann verwendet werden um hohen Spitzenstrom an den Synchron-Gleichrichter Q4 zu liefern. Der ,Ein'-Widerstand des n-Kanal MOSFET Q6 des ersten Gegentakt-Treibers 108 und die Gate-Kapazität des Synchron-Gleichrichters Q3 sind ausgelegt um dem Synchron- Gleichrichter Q3 zu erlauben sich einzuschalten, nachdem der Primär-Schalter Q1 abschaltet. In gleicher Weise sind der ,Ein'-Widerstand des n-Kanal MOSFET Q7 des zweiten Gegentakt-Treibers 110 und die Gate-Kapazität des Synchron-Gleichrichters Q4 sind ausgelegt um dem Synchron-Gleichrichter Q4 zu erlauben sich einzuschalten, nachdem der Primär-Schalter Q2 abschaltet. Die Verzögerungszeit von Q6 und Q7 kann gesteuert werden durch das Wählen eines bestimmten ,Ein'-Widerstands für das n-Kanal-MOSFET Q7, Q8 oder durch das Anordnen eines Widerstands in Serie mit Q7 und Q8. Die Schalter Q5, Q6, Q7 und Q8 des ersten und des zweiten Gegentakt-Treibers 108, 110 sind bevorzugt kleinere MOSFETs als die als erste und zweite Synchron-Gleichrichter Q3 und Q4 verwendeten MOSFETs.
  • Wenn der Sekundär-Wandler nicht belastet ist, dann ist der durchschnittliche Strom durch die Ausgangs-Spule Lo gleich Null. In dem frei laufenden Zustand sind beide Synchron-Gleichrichter Q3, Q4 ,Ein', dem Spulenstrom erlaubend in die negative Richtung zu fließen. Wenn eine Spannungsquelle höher als die geregelte Spannung des Wandlers vorhanden ist, versucht der Wandler 100 sein Tast-Verhältnis zu verringern. Also werden die Primär-Schalter Q1, Q2 abgeschaltet und die Synchron-Gleichrichter Q3, Q4 werden eingeschaltet. An diesem Punkt arbeiten die Synchron-Gleichrichter Q3, Q4 so wie wenn sie im frei laufenden Zustand sind. Das Tast-Verhältnis des ,Aus' Zustandes ist für die Primär-Schalter Q1, Q2 länger als in normalem Betrieb, was dem Spulenstrom erlaubt sich in negativer Richtung aufzubauen. Daher fließt der Strom in dem Trenntransformator T1 in der negativen Richtung in Bezug auf den normalen Betrieb. Wenn die Primär-Schalter Q1, Q2 einmal abgeschaltet sind, dann fließt der Strom durch deren eigene (Schalt-) -Dioden. Zu diesem Zeitpunkt sind die Polarität und der Betrag des Trenntransformators T1 gleich wie zuvor. Der Wandler 100 verliert daher Strom von der Sekundärseite zur Primärseite, was unnötigen Leistungsverlust erzeugt und den Wandler 100 zerstören kann.
  • Es wird jetzt auf eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezogen, für welche ein Diagramm für einen Halb-Brücken-DC-DC-Wandler 200 mit Synchron-Gleichrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung in 2 gezeigt ist. Der Wandler 200 schließt ein: einen Wandler/Gleichrichter 102, einen externen Treiber 104, einen DC-Pegelumsetzer 106, einen ersten Gegentakt-Treiber 108, einen zweiten Gegentakt-Treiber 110 und die Schalter Q9 und Q10. Der Wandler/Gleichrichter 102, der externe Treiber 104, der DC-Pegelumsetzer 106, der erste Gegentakt-Treiber 108 und der zweite Gegentakt-Treiber 110 wurden früher mit Bezug zu 1 beschrieben. Der Schalter Q9 ist verbunden zwischen dem DC-Pegelumsetzer 106 (speziell der zweite Treiber 130) und der erste Gegentakt-Treiber 108 (speziell die Gates der Schalter Q5 und Q6). Das Gate des Schalters Q9 ist verbunden mit der zweiten Sekundärwicklung 118 des Trenntransformators T1. In gleicher Weise ist Schalter Q10 verbunden zwischen dem DC-Pegelumsetzer 106 (speziell der zweite Treiber 130) und dem zweiten Gegentakt-Treiber 110 (speziell den Gates der Schalter Q7 und Q8). Das Gate des Schalters Q10 ist mit der ersten Sekundärwicklung 116 des Trenntransformators T1 verbunden. Die Schalter Q9 und Q10 sind n-Kanal-Transistoren und können Kleinsignal-MOSFETs sein.
  • Wenn der Strom in dem Trenntransformator T1 in der negativen Richtung in Bezug auf den normalen Betrieb fließt, hat der Trenntransformator T1 die gleiche Spannung über seine Wicklung, auch wenn das Takt- oder Gate-Signal von den Primär-Schaltern Q1 und Q2 abgeschaltet ist. Wenn das wirksame Tast-Verhältnis des Trenntransformators T1 länger ist als das Tast-Verhältnis der Primär-Schalter Q1, Q2, dann wird entweder Q9 oder Q10 abgeschaltet. Als ein Ergebnis halten die Schalter Q9 und Q10 einen zugehörigen Synchron-Gleichrichter Q3 oder Q4 durch nach unten Ziehen der Gate-Spannung der Synchron-Gleichrichter Q3 oder Q4 abgeschaltet.
  • In anderen Worten, wenn Q10 abschaltet, schaltet Q3 ab. In gleicher Weise, wenn Q9 abschaltet, schaltet Q4 ab. Die Strom-Rückkopplung von der Sekundärseite zu Primärseite kann daher am Erreichen eines signifikanten Niveaus gehindert werden. Es kann immer noch etwas Rückkopplung vorhanden sein, aber diese sollte ein halbes Ampere nicht überschreiten. Dieses hindert die Schaltung 200 daran in den frei laufenden Zustand zu gehen und einen negativen Strom aufzubauen. Als ein Ergebnis eliminiert die vorliegende Erfindung unnötigen Leistungsverlust, verringert mögliche Beschädigung des Wandlers 200 und erlaubt parallelen Betrieb des Wandlers 200 ohne eine O-Ring-Diode zu verwenden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt damit ein Verfahren bereit für das Minimieren oder Verhindern des Aufbauens eines negativen Stroms in einem DC-DC-Wandler, aufweisend eine erste Sekundärwicklung, verbunden mit einem ersten Synchron-Gleichrichter, und eine zweite Sekundärwicklung, verbunden mit einem zweiten Synchron-Gleichrichter, durch das Abschalten des ersten Synchron-Gleichrichters, wenn der negative Strom in der ersten Sekundärwicklung vorhanden ist und der erste Synchron-Gleichrichter ,Ein' ist, und durch das Abschalten des zweiten Synchron-Gleichrichters, wenn der negative Strom in der zweiten Sekundärwicklung vorhanden ist und der zweite Synchron-Gleichrichter ,Ein' ist.
  • Es wird nun auf 3 bezogen, welche ein schematisches Diagramm zeigt für einen Halb-Brücken-Wandler 300 mit einem alternativen Verfahren von Synchron-Gleichrichtung, entsprechend dem Stand der Technik. Der Wandler 300 schließt einen Wandler/Gleichrichter 102, einen externen Treiber 104, einen DC-Pegelumsetzer 302, einen ersten Gegentakt-Treiber 108 und einen zweiten Gegentakt-Treiber 110 ein. Der Wandler/Gleichrichter 102, der externe Treiber 104 (außer wenn der Puls-Transformator T2 ein Zwei-Wicklung-Transformator anstelle eines Drei-Wicklung-Transformators ist), der erste Gegentakt-Treiber 108 und der zweite Gegentakt-Treiber 110 wurden früher mit Bezug zu 1 beschrieben. Wie in 1 ist der DC-Pegelumsetzer verbunden zwischen dem externen Treiber 104 und dem ersten und dem zweiten Gegentakt-Treiber 108, 110.
  • Die Sekundärwicklung 308 des Puls-Transformators T2 hat einen ersten Anschluss (1) (der durch einen Punkt angezeigte Hochspannungs-Anschluss) und einen zweiten Anschluss (2). Der DC-Pegelumsetzer 302 schließt einen ersten Schalter-Treiber 304, verbunden mit dem zweiten Anschluss (2), und einen zweiten Schalter-Treiber 306, verbunden mit dem ersten Anschluss (1), ein. Der erste Schalter-Treiber 304 beinhaltet den Kondensator C4, den Widerstand R4 und die Diode D4, welche alle parallel verbunden sind zwischen dem zweiten Anschluss (2) und Erde. Die Gates der Schalter Q5 und Q6 (erster Gegentakt-Treiber 108) sind ebenso mit dem zweiten Anschluss (2) verbunden. Ähnlich beinhaltet der zweite Schalter-Treiber 306 den Kondensator C3, den Widerstand R3 und die Diode D3, welche alle parallel verbunden sind zwischen dem ersten Anschluss (1) und Erde. Die Gates der Schalter Q7 und Q8 (zweiter Gegentakt-Treiber 110) sind ebenso mit dem ersten Anschluss (1) verbunden. Der erste und der zweite Schalter-Treiber 304, 306 liefern das geeignete Takt- oder Gate-Signal an die Synchron-Gleichrichter Q3 und Q4 und entfernen den zweiten Treiber 130 der 1.
  • Der Kondensator C3 stellt Speicherung bereit für den zu geeigneter Zeit zu entladenden Schaltungs-Strom für das Einschalten des Synchron-Gleichrichters Q3. In realen Anwendungen könnte sich der Kondensator C3 nicht vollständig entladen, daher ist der Widerstand R3 hinzugefügt um den Kondensator C3 vollständig zu entladen oder abzuleiten. Die Diode D3 stellt Strompfade bereit, abhängig von dem Signal-Hub an dem ersten Anschluss (1). Der Kondensator C4, der Widerstand R4 und die Diode D4 arbeiten in der gleichen Weise.
  • Im Betrieb, wenn der Primär-Schalter Q1 ,ein' ist, ist die Spannung an dem Anschluss (1) hoch. Anschluss (2) ist durch die Diode (4) an Erde gebunden. Der Kondensator C3 ist aufgeladen, so ist der Synchron-Gleichrichter Q3 ,Ein' und der Synchron-Gleichrichter Q4 ist ,Aus'. Wenn der Primär-Schalter Q1 abschaltet, ist die Spannung über den Anschluss (1) Null und der Kondensator C3 ist durch die kurzgeschlossene Wicklung in den Kondensator C4 entladen bis beide Kondensatoren die gleiche Spannung erreicht haben. Die Spannung des Kondensators C4 und des Kondensators C3 sind gleich der halben ursprünglichen Spannung auf dem Kondensator C3. Diese Spannung ist hoch genug um die Synchron-Gleichrichter Q3 und Q4 einzuschalten. Zu diesem Zeitpunkt ist der Wandler im frei laufenden Zustand. Bemerke, dass dieser DC-Pegelumsetzer 302 die Kosten und die Größe des Wandlers 300 verringert, während er die Zuverlässigkeit des Wandlers 300 erhöht.
  • Wenn die Sekundärseite des Wandlers nicht belastet ist, ist der durchschnittliche Strom durch die Ausgangs-Spule Lo gleich Null. In dem frei laufenden Zustand sind beide Synchron-Gleichrichter Q3, Q4 ,Ein', dem Spulenstrom erlaubend in der negativen Richtung zu fließen. Wenn eine Spannungsquelle höher als die geregelte Spannung vorhanden ist, versucht der Wandler 300 sein Tast-Verhältnis zu verringern. Hierfür werden die Primär-Schalter Q1, Q2 abgeschaltet und die Synchron-Gleichrichter Q3, Q4 werden eingeschaltet. An diesem Punkt arbeiten die Synchron-Gleichrichter Q3, Q4 so wie wenn sie im frei laufenden Zustand sind. Das Tast-Verhältnis des ,Aus'-Zustandes ist für die Primär-Schalter Q1, Q2 länger als in normalem Betrieb, was dem Spulenstrom erlaubt, sich in negativer Richtung aufzubauen. Daher fließt der Strom in dem Trenntransformator T1 in der negativen Richtung in Bezug auf den normalen Betrieb. Wenn die Primär-Schalter Q1, Q2 einmal abgeschaltet sind, dann fließt der Strom durch deren eigene (Schalt-)-Dioden. Zu diesem Zeitpunkt sind die Polarität und der Betrag des Trenntransformators T1 gleich wie zuvor. Der Wandler 300 verliert daher Strom von der Sekundärseite zur Primärseite, was unnötigen Leistungsverlust erzeugt und den Wandler 300 zerstören kann.
  • Es wird nun auf 4 bezogen; es sind die grundlegenden Wellenformen für den Betrieb des DC-DC-Wandlers 300 der 3 gezeigt. Spezieller sind die grundlegenden Wellenformen an den Abflüssen und Gates von Q3 und Q4 gezeigt, wobei Vccp die primärseitige Vorspannung und Ns/Np das Transformator-Wicklungsverhältnis ist.
  • Es wird nun auf eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezogen, für welche in 5 ein schematisches Diagramm für einen Halb-Brücken-DC-DC-Wandler 500 mit Synchron-Gleichrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung gezeigt ist. Der Wandler 500 schließt einen Wandler/Gleichrichter 102, einen externen Treiber 104, einen DC-Pegelumsetzer 302, einen ersten Gegentakt-Treiber 108, einen zweiten Gegentakt-Treiber 110 und die Schalter Q11 und Q12 ein. Der Wandler/Gleichrichter 102, der externe Treiber 104, der DC-Pegelumsetzer 302, der erste Gegentakt-Treiber 108 und der zweite Gegentakt-Treiber 110 wurden früher mit Bezug zu 3 beschrieben. Schalter Q9 ist verbunden zwischen dem Gate des Synchron-Gleichrichters Q4 und Erde. Das Gate des Schalters Q9 ist verbunden mit der zweiten Sekundärwicklung 118 des Trenntransformators T1. In gleicher Weise ist Schalter Q10 verbunden mit dem Gate des Synchron-Gleichrichters Q3 und Erde. Das Gate des Schalters Q10 ist verbunden mit der ersten Sekundärwicklung 116 des Trenntransformators T1. Q9 und Q10 sind p-Kanal-Transistoren und können Kleinsignal-MOSFETs sein.
  • Wenn der Strom in dem Trenntransformator T1 in der negativen Richtung in Bezug auf den normalen Betrieb fließt, hat der Trenntransformator T1 die gleiche Spannung über der Wicklung, auch wenn das Takt- oder Gate-Signal von den Primär-Schaltern Q1 und Q2 abgeschaltet ist. Wenn das wirksame Tast-Verhältnis des Trenntransformators T1 länger ist als das Tast-Verhältnis der Primär-Schalter Q1, Q2, dann wird entweder Q9 oder Q10 abgeschaltet. Als ein Ergebnis halten die Schalter Q9 und Q10 einen zugehörigen Synchron-Gleichrichter Q3 oder Q4 durch Erden der Gate-Spannung der Synchron-Gleichrichter Q3 oder Q4 abgeschaltet. In anderen Worten, wenn Q9 einschaltet, schaltet Q3 ab. In gleicher Weise, wenn Q10 einschaltet, schaltet Q4 ab. Dieses hindert die Schaltung 500 daran in den frei laufenden Zustand zu gehen und einen negativen Strom aufzubauen. Als ein Ergebnis eliminiert die vorliegende Erfindung unnötigen Leistungsverlust, verringert mögliche Beschädigung des Wandlers 500 und erlaubt parallelen Betrieb des Wandlers 500. Widerstands-Teiler können den Gates von Q9 und Q10 vorgeschaltet werden um zu helfen die Möglichkeit der Zerstörung von Q9 und Q10 zu minimieren.

Claims (17)

  1. Ein Verfahren für das Minimieren oder Verhindern des Aufbauens eines negativen Stroms in einem DC-DC-Wandler (200; 500), aufweisend eine erste Sekundärwicklung (116), verbunden mit einem ersten Synchrongleichrichter (Q3) und eine zweite Sekundärwicklung (118), verbunden mit einem zweiten Synchrongleichrichter (Q4), wobei das Verfahren diese Schritte umfasst: Abschalten des ersten Synchrongleichrichters (Q3), wenn der negative Strom in der ersten Sekundärwicklung (116) vorhanden ist und der erste Synchrongleichrichter (Q3) eingeschaltet ist; und Abschalten des zweiten Synchrongleichrichters (Q4), wenn der negative Strom in der zweiten Sekundärwicklung (118) vorhanden ist und der zweite Synchrongleichrichter (Q4) eingeschaltet ist.
  2. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Synchrongleichrichter (Q3) und der zweite Synchrongleichrichter (Q4) MOSFETS sind.
  3. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der erste Synchrongleichrichter (Q3) abgeschaltet wird durch Abschalten eines ersten Schalters (Q10), wenn der negative Strom in der ersten Wicklung vorhanden ist, wobei der erste Schalter (Q10) das Gate des ersten Synchrongleichrichters (Q3) mit einem DC-Pegelumsetzer (106) verbindet und das Gate des ersten Schalters (Q10) mit der ersten Sekundärwicklung (116) verbunden ist; und der zweite Synchrongleichrichter (Q4) abgeschaltet wird durch Abschalten eines zweiten Schalters (Q9), wenn der negative Strom in der zweiten Wicklung vorhanden ist, wobei der zweite Schalter (Q9) das Gate des zweiten Synchrongleichrichters (Q4) mit dem DC-Pegelumsetzer (106) verbindet und das Gate des zweiten Schalters (Q9) mit der zweiten Sekundärwicklung (118) verbunden ist.
  4. Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei der erste Schalter und der zweite Schalter (Q9, Q10) MOSFETs sind.
  5. Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei der erste Schalter und der zweite Schalter (Q9, Q10) n-Kanal-Transistoren sind.
  6. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der erste Synchrongleichrichter (Q3) abgeschaltet wird durch das Einschalten eines ersten Schalters (Q10), wenn der negative Strom in der ersten Wicklung vorhanden ist, wobei der erste Schalter (Q10) das Gate des ersten Synchrongleichrichters (Q3) mit einer Erdung verbindet und das Gate des ersten Schalters (Q10) verbunden ist mit der ersten Sekundärwicklung (116); und der zweite Synchrongleichrichter (Q4) abgeschaltet wird durch das Einschalten eines zweiten Schalters (Q9), wenn der negative Strom in der zweiten Wicklung vorhanden ist, wobei der zweite Schalter (Q9) das Gate des zweiten Synchrongleichrichters (Q4) mit der Erdung verbindet, und das Gate des zweiten Schalters (Q9) verbunden ist mit der zweiten Sekundärwicklung (118).
  7. Das Verfahren nach Anspruch 6, wobei der erste Schalter und der zweite Schalter (Q9, Q10) MOSFETs sind.
  8. Das Verfahren nach Anspruch 6, wobei der erster Schalter und der zweite Schalter (Q9, Q10) p-Kanal-Transistoren sind.
  9. Ein DC-DC-Wandler (200; 500) umfassend: eine DC-Quelle (112); einen ersten Kondensator (C5) und einen zweiten Kondensator (C6), in Serie verbunden über der DC-Quelle; einen ersten Hauptschalter (Q1) und einen zweiten Hauptschalter (Q2), in Serie verbunden über der DC-Quelle (112); eine Primärwicklung (114) eines Transformators (T1) verbindend die ersten und zweiten Kondensatoren (C5; C6) mit den ersten und zweiten Hauptschaltern (Q1, Q2); eine erste und zweite Sekundärwicklung (116; 118) des Transformators (T1), miteinander verbunden; ein erster synchroner Gleichrichter (Q3), verbindend die erste Sekundärwicklung (116) und eine Erdung; ein zweiter synchroner Gleichrichter (Q4) verbindend die zweite Sekundärwicklung (118) mit der Erdung; ein externer Treiber (104), verbunden mit und Takt-Signale bereitstellend für den ersten Hauptschalter (Q1), den zweiten Hauptschalter (Q2) und einen DC- Pegelumsetzer (106); ein erster Gegentakt-Treiber (110), verbindend den DC-Pegelumsetzer (106) mit dem ersten Synchrongleichrichter (Q3); ein zweiter Gegentakt-Treiber (108), verbindend den DC-Pegelumsetzer (106) mit dem zweiten Synchrongleichrichter (Q4); eine erste Schaltung (Q10), verbunden mit dem externen Treiber (104), dem ersten Gegentakt-Treiber (110) und der ersten Sekundärwicklung (116), wobei die erste Schaltung (Q10) den ersten Synchrongleichrichter (Q3) abschaltet, wenn ein negativer Strom in der ersten Sekundärwicklung (116) vorhanden ist und der erste Synchrongleichrichter (Q3) eingeschaltet ist; und eine zweite Schaltung (Q9), verbunden mit dem externen Treiber (104), dem zweiten Gegentakt-Treiber (108) und der zweiten Sekundärwicklung (118), wobei die zweite Schaltung (Q9) den zweiten Synchrongleichrichter (Q4) abschaltet, wenn ein negativer Strom in der zweiten Sekundärwicklung (118) vorhanden ist und der zweite Synchrongleichrichter (Q4) eingeschaltet ist.
  10. Der DC-DC-Wandler (200; 500) nach Anspruch 9, außerdem umfassend: eine Ausgangs-Spule (Lo), verbunden mit einem zentralen Anschluss zwischen der ersten und der zweiten Sekundärwicklung (116; 118); und einen Ausgangs-Kondensator (Co) verbunden mit der Ausgangs-Spule (Lo) und der Erdung.
  11. Der DC-DC-Wandler (200; 500) nach Anspruch 9, wobei der erste Hauptschalter (Q1), der zweite Hauptschalter(Q2), der erste Synchrongleichrichter (Q3) und der zweite Synchrongleichrichter (Q4) MOSFETs sind.
  12. Der DC-DC-Wandler (200; 500) nach Anspruch 11, wobei: die erste Schaltung einen ersten Schalter (Q10), verbindend den ersten Gegentakt-Treiber (110) mit dem DC-Pegelumsetzer (106), umfasst und das Gate des ersten Schalters (Q10) verbunden ist mit der ersten Sekundärwicklung (116); und die zweite Schaltung einen zweiten Schalter (Q9), verbindend den zweiten Gegentakt-Treiber (118) mit dem DC-Pegelumsetzer (106), umfasst und das Gate des zweiten Schalters (Q9) verbunden ist mit der zweiten Sekundärwicklung (118) .
  13. Der DC-DC-Wandler (200; 500) nach Anspruch 12, wobei der erste Schalter (Q10) und der zweite Schalter (Q9) MOSFETs sind.
  14. Der DC-DC-Wandler (200; 500) nach Anspruch 12, wobei der erste Schalter (Q10) und der zweite Schalter (Q9) n-Kanal-Transistoren sind.
  15. Der DC-DC-Wandler (200; 500) nach Anspruch 11, wobei: die erste Schaltung einen ersten Schalter (Q10), verbindend das Gate des ersten Synchrongleichrichters (Q3) mit einer Erdung, umfasst und das Gate des ersten Schalters (Q10) verbunden ist mit der ersten Sekundärwicklung (116); und die zweite Schaltung einen zweiten Schalter (Q9), verbindend das Gate des zweiten Synchrongleichrichters (Q4) mit der Erdung, umfasst und das Gate des zweiten Schalters (Q9) verbunden ist mit der zweiten Sekundärwicklung (118).
  16. Der DC-DC-Wandler (200; 500) nach Anspruch 15, wobei der erste Schalter (Q10) und der zweite Schalter (Q9) MOSFETs sind.
  17. Der DC-DC-Wandler (200; 500) nach Anspruch 15, wobei der erste Schalter (Q10) und der zweite Schalter (Q9) p-Kanal-Transistoren sind.
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