KR20170092118A - 플라이백 컨버터의 연속 전도 모드 및 불연속 전도 모드 동작을 위한 자가 튜닝 적응적 데드 타임 제어 - Google Patents

플라이백 컨버터의 연속 전도 모드 및 불연속 전도 모드 동작을 위한 자가 튜닝 적응적 데드 타임 제어 Download PDF

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항석 최
레이 첸
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페어차일드 세미컨덕터 코포레이션
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Abstract

플라이백 컨버터는 변압기의 1차측의 전류의 전도를 제어하는 1차측 스위치 및 변압기의 2차측의 동기식 정류기를 포함한다. 동기식 정류기 드라이버는 동기식 정류기의 턴-오프 문턱값을 적응적으로 조정함으로써 동기식 정류기의 전도를 제어한다.

Description

플라이백 컨버터의 연속 전도 모드 및 불연속 전도 모드 동작을 위한 자가 튜닝 적응적 데드 타임 제어{SELF-TUNING ADAPTIVE DEAD TIME CONTROL FOR CONTINUOUS CONDUCTION MODE AND DISCONTINUOUS CONDUCTION MODE OPERATION OF A FLYBACK CONVERTER}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은, 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는, 2016년 2월 2일자로 출원된 미국 가출원 제62/290,160호의 이익을 주장한다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 전기 회로에 관한 것이며, 더 구체적으로는 - 그러나 배타적으로는 아님 - 플라이백 컨버터(flyback converter)에 관한 것이다.
플라이백 컨버터는 변압기를 형성하기 위해 출력 인덕터가 분리되는 벅-부스트 컨버터(buck-boost converter)이다. 플라이백 컨버터에서, 1차측 스위치가 닫혀 변압기의 1차 권선을 입력 전압원에 접속한다. 1차측 스위치가 닫히면 1차 전류 및 자속이 증가하고, 변압기에 에너지가 저장되며, 변압기의 2차 권선에 전류가 유도된다. 2차 권선의 유도 전류는 다이오드 정류기를 역방향 바이어스로 만들어 출력 커패시터의 충전을 차단하는 극성을 갖는다. 1차측 스위치가 열리면, 1차 전류와 자속이 떨어지고, 2차 권선의 결과적인 유도 전류가 극성을 바꿔서 다이오드 정류기를 순방향 바이어스로 만들고 출력 커패시터의 충전을 허용하여 DC 출력 전압을 생성한다.
많은 플라이백 컨버터들이 다이오드 정류기를 이용하여 DC 출력 전압을 생성한다. 다이오드 정류기의 전도 손실은, 특히 저전압, 고전류 컨버터 응용들에서, 전반적인 전력 손실에 크게 기여한다. 다이오드 정류기의 전도 손실은 순방향 전압 강하와 순방향 전도 전류의 곱으로 주어진다. 다이오드 정류기를 동기식 정류기로서 동작하는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)로 대체함으로써, 동등한 순방향 전압 강하가 낮아질 수 있으며 결과적으로 전도 손실이 감소될 수 있다. 그러나, 다이오드 정류기와는 달리, 동기식 정류기의 전도는 동기식 정류기 드라이버와 같은 다른 회로에 의해 능동적으로 제어되어야 한다.
일 실시예에서, 플라이백 컨버터는 변압기의 1차측의 전류 전도를 제어하는 1차측 스위치 및 변압기의 2차측의 동기식 정류기를 포함한다. 동기식 정류기 드라이버는 동기식 정류기의 턴-오프 문턱값(turn-off threshold)을 적응적으로 조정함으로써 동기식 정류기의 전도를 제어한다.
첨부 도면 및 청구범위를 포함하는 본 개시 전체를 읽을 때에 본 발명의 이들 및 다른 특징들을 당업자가 손쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들을 이용할 수 있는 플라이백 컨버터의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예들을 이용할 수 있는 동기식 정류기의 개략도를 도시한다.
도 3은 표유 인덕턴스(stray inductance)가 동기식 정류기의 순간적인 드레인-소스 간 전압에 어떻게 영향을 미치는지를 보여준다.
도 4는 동기식 정류기의 드레인-소스 간 온 저항(RDSON)이 동기식 정류기의 바디 다이오드의 전도에 어떻게 영향을 미치는지를 보여준다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 플라이백 컨버터의 개략도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 동기식 정류기(SR) 드라이버의 개략도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 SR 드라이버의 신호 파형들을 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 데드 타임 자가 튜닝 블록의 개략도를 도시한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 도 8의 데드 타임 자가 튜닝 블록의 업/다운 카운터에 입력되는 클록을 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 SR 드라이버의 개략도를 도시한다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 플라이백 컨버터의 신호 파형들을 도시한다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 바디 다이오드 전도에 대한 SR 드라이버의 신호 파형들을 도시한다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 플라이백 컨버터의 신호 파형들을 도시한다.
상이한 도면들에서의 동일한 참조 라벨의 사용은 동일하거나 유사한 구성 요소들을 지시한다.
본 개시에서, 본 발명의 실시예들의 철저한 이해를 제공하기 위해, 전기 회로들, 구성 요소들 및 방법들의 예들과 같은 다수의 특정 세부 사항이 제공된다. 그러나, 당업자는 본 발명이 특정 세부 사항들 중 하나 이상 없이도 실시될 수 있음을 인식할 것이다. 다른 경우들에서, 잘 알려진 세부 사항들은 본 발명의 태양들을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 도시되거나 설명되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예들을 이용할 수 있는 플라이백 컨버터의 개략도를 도시한다. 도 1의 예에서, 플라이백 컨버터는 1차측 스위치(QPR), 동기식 정류기(QSR), 변압기(T1) 및 출력 커패시터(COUT)를 포함한다. 일 실시예에서, 1차측 스위치(QPR) 및 동기식 정류기(QSR)는 MOSFET을 포함한다.
1차측 스위치(QPR)가 턴 온되면, 변압기(T1)의 1차 권선이 입력 전압원(VIN)에 접속되고, 결과적으로 1차측 스위치(QPR) 및 1차 권선을 통해 드레인-소스 간 전류(IDS)가 흐르게 된다. 1차측 스위치(QPR)가 턴 오프되면, 1차 권선에 저장된 에너지가 변압기(T1)의 2차 권선으로 방출된다. 이에 따라 동기식 정류기(QSR)의 바디 다이오드가 턴 온되고, 결과적으로 변압기(T1)의 2차 권선을 통해 동기식 정류기 전류(ISR)가 흘러 출력 커패시터(COUT)를 충전하게 된다. 바디 다이오드 전도의 개시 시에, 동기식 정류기(QSR)가 턴 온되고, 이에 따라 그것의 바디 다이오드와 병렬로 낮은 임피던스 전류 경로를 제공함으로써 동기식 정류기(QSR)에 걸친 순방향 전압 강하가 최소화된다.
동기식 정류기(QSR)를 사용함으로써 야기되는 효율 개선은 바디 다이오드 전도를 최소화하고 동기식 정류기(QSR)의 채널의 낮은 임피던스를 충분히 활용함으로써 최대화될 수 있다. 그러나, 동기식 정류기(QSR)의 늦은 턴-오프는 동기식 정류기 전류 반전을 야기할 수 있으며, 이는 심각한 스위칭 잡음 및 아마도 1차측 스위치(QPR)와 동기식 정류기(QSR) 간의 교차 전도를 일으킨다. 따라서, 동기식 정류기(QSR)의 바디 다이오드의 전도 시간은 최소화되어야 한다.
도 2는 동기식 정류기(QSR)의 개략도를 도시한다. 동기식 정류기(QSR)가 턴 온된 동안, 그것의 드레인-소스 간 전압(VDS.SR)은 MOSFET이 일정한 임피던스 특성(RDSON)을 갖기 때문에 동기식 정류기 전류(ISR)에 비례한다. 따라서, 그것의 드레인-소스 간 전압(VDS.SR)이 턴-오프 문턱값(VTH.OFF)을 초과할 때 동기식 정류기(QSR)를 턴 오프시킴으로써 그것의 바디 다이오드(D.BODY)의 매우 짧은 전도가 달성될 수 있다. 그러나, 그것의 순간적인 드레인-소스 간 전압(VDS.SR)에 기초하여 동기식 정류기(QSR)의 적절한 턴-오프 순간을 결정하는 것은 표유 인덕턴스 때문에 어려운 과제이다. 더 구체적으로, 동기식 정류기(QSR)는 그것의 드레인에 표유 인덕턴스(LSTRAY)를 가질 수 있으며, 그 결과 오프셋 전압(VOFFSET)이 그것의 드레인-소스 간 전압(VDS.SR)에 추가된다. 더 나쁘게는, 표유 인덕턴스(LSTRAY)가 동기식 정류기(QSR)의 패키지 유형에 따라 달라진다. 예를 들어, 표유 인덕턴스(LSTRAY)는 T0-220 패키지 유형의 경우 9000 pH, D2PAK 패키지 유형의 경우 5000 pH, IPAK 패키지 유형의 경우 4000 pH, DPAK 패키지 유형의 경우 3000 pH, 및 S08 패키지 유형의 경우 1000 pH일 수 있다.
도 3은 표유 인덕턴스가 동기식 정류기의 순간적인 드레인-소스 간 전압에 어떻게 영향을 미치는지를 보여준다. 도 3은 동기식 정류기 전류(ISR)(151 참조), 동기식 정류기의 게이트-소스 간 전압(VGS)(152 참조), 동기식 정류기의 턴-오프 문턱값(153 참조), 표유 커패시턴스가 있는 동기식 정류기의 실제 드레인-소스 간 전압(154 참조), 및 표유 커패시턴스가 없는 동기식 정류기의 이상적인 드레인-소스 간 전압(155 참조)의 파형들을 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 동기식 정류기의 실제 드레인-소스 간 전압은 표유 인덕턴스에 의해 도입된 오프셋 전압(156 참조) 때문에 동기식 정류기의 이상적인 드레인-소스 간 전압으로부터 벗어난다. 고정된 턴-오프 문턱값으로 인해, 결과적으로 동기식 정류기가 예상보다 빨리 턴 오프될 수 있다.
도 4는 동기식 정류기의 드레인-소스 간 온 저항(RDSON)이 동기식 정류기의 바디 다이오드의 전도에 어떻게 영향을 미치는지를 보여준다. 도 4는 동기식 정류기 전류(ISR)(161 참조), 동기식 정류기의 턴-오프 문턱값(VTH.OFF)(162 참조), 작은 RDSON을 갖는 동기식 정류기의 드레인-소스 간 전압(VDS)(163 참조), 큰 RDSON을 갖는 동기식 정류기의 드레인-소스 간 전압(VDS)(164 참조), 작은 RDSON을 갖는 동기식 정류기의 게이트-소스 간 전압(VGS)(165 참조), 및 큰 RDSON을 갖는 동기식 정류기의 게이트-소스 간 전압(VGS)(166 참조)을 도시한다. 일반적으로 말하면, 드레인-소스 간 전압에 기초하여 고정된 턴-오프 문턱값을 갖는 동기식 정류기의 턴-오프 순간을 결정하는 것은 최소 바디 다이오드 전도를 갖는 적절한 동기식 정류기 동작을 보장할 수 없다. 도 4에 도시된 바와 같이, 고정 턴-오프 문턱값으로 인해, 바디 다이오드 전도는 동기식 정류기의 드레인-소스 간 온 저항에 따라 변한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 플라이백 컨버터(400)의 개략도를 도시한다. 도 5의 플라이백 컨버터(400)는 도1의 것과 동일하며, 동기식 정류기(SR) 드라이버(800)가 부가되어 있다. 플라이백 컨버터(400)의 다른 구성 요소들은 도 1을 참조하여 기술된 바와 같다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 SR 드라이버(800)의 개략도를 도시한다. SR 드라이버(800)는 DRAIN 핀 및 GATE 핀을 포함하는 집적 회로(IC)로서 구현될 수 있다. DRAIN 핀은 동기식 정류기(QSR)의 드레인에 접속되고 GATE 핀은 동기식 정류기(QSR)의 게이트에 접속된다. DRAIN 핀이 변조 저항기(RMOD)를 통해 동기식 정류기(QSR)의 드레인에 접속되기 때문에, DRAIN 핀 상의 전압(VDRAIN)이 반드시 동기식 정류기(QSR)의 드레인 상의 드레인-소스 간 전압(VDS.SR)과 동일하지는 않음에 유의하여야 한다.
도 6의 예에서, SR 드라이버(800)는 데드 타임 자가 튜닝 블록(801), 비교기들(802 및 803), 및 플립플롭(804)을 포함한다. 비교기(802)는 바디 다이오드 전도의 시작을 검출하기 위해 드레인 핀 상의 전압(VDRAIN)을 개시 문턱값(VTH.ON)(예를 들어, -200 ㎷)과 비교한다. 동기식 정류기(QSR)의 바디 다이오드가 전도하기 시작할 때, DRAIN 핀 상의 전압은 개시 문턱값(VTH.ON)보다 작아지고, 이에 따라 플립플롭(804)이 세트되고 GATE 핀 상의 게이트 구동 신호가 어서트되어 동기식 정류기(QSR)가 턴 온된다. 이는 유리하게도 동기식 정류기(QSR)의, 바디 다이오드 대신에, 채널을 통해 전도함으로써 전력 손실을 최소화한다.
도 6의 예에서, 비교기(803)는 동기식 정류기 전류(ISR)의 제로-교차를 검출하기 위해 DRAIN 핀 상의 전압(VDRAIN)을 턴-오프 문턱값(VTH.OFF)(예를 들어, 0 V)과 비교한다. 동기식 정류기 전류(ISR)가 제로-교차할 때, DRAIN 핀 상의 전압(VDRAIN)은 턴-오프 문턱값(VTH.OFF)보다 커지고, 이에 따라 플립플롭(804)이 리셋되고 GATE 핀 상의 게이트 구동 신호가 디어서트되어 동기식 정류기(QSR)가 턴 오프된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 도 6의 SR 드라이버(800)의 신호 파형들을 도시한다. 도 7은 DRAIN 핀 상의 전압(VDRAIN)(813 참조)과 동기식 정류기(QSR)의 드레인 상의 드레인-소스 간 전압(VDS.SR)(814 참조) 간의 차이에 의해 야기되는 오프셋 전압(VOFFSET)(819 참조)을 도시한다. 동기식 정류기(QSR)의 게이트-소스 간 전압(VGS)(817 참조)이 어서트될 때, 동기식 정류기(QSR)는 턴 온되고 동기식 정류기 전류(ISR)는 감소한다(818 참조). DRAIN 핀 상의 전압(VDRAIN)이 턴-오프 문턱값(VTH.OFF)(812 참조)을 넘어 상승할 때, 게이트-소스 간 전압(VGS)은 디어서트되어 동기식 정류기(QSR)가 턴 오프된다.
도 7의 예에서, DRAIN 핀 상의 드레인 전압(VDRAIN)이 높은 문턱값(VTH.HGH)(811 참조; 예를 들어, 0.5 V)을 넘어 상승할 때 SR_COND_N 신호(816 참조)가 얻어지고, 이는 바디 다이오드 전도의 종료, 및 바디 다이오드가 역방향 바이어스되는 것을 검출하는 데 사용된다. 바디 다이오드 역방향 바이어스를 나타내는 SR_COND_N 신호는 SR 드라이버(800)에 의해 비교기(예를 들어, 도 10, 비교기(851) 참조)를 사용하여 DRAIN 핀 상의 전압(VDRAIN)을 높은 문턱값(VTH.HGH)과 비교함으로써 생성될 수 있다. 데드 타임(815 참조)은 GATE 핀 상의 게이트 구동 신호의 하강 에지로부터 SR_COND_N 신호의 상승 에지까지의 시간 지속으로 정의될 수 있다. 일반적으로, 데드 타임은 동기식 정류기(QSR)의 턴 오프와 바디 다이오드 전도의 종료 사이의 기간이다.
도 6에서 계속해서, 데드 타임 자가 튜닝 블록(801)은 적응형 전류원을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 적응형 전류원은 변조 전류(IMOD)를 변조함으로써 데드 타임을 목표 데드 타임(예를 들어, 200ns) 주위에 있도록 유지한다. 전류원은 예를 들어 8 ㎂ 스텝 크기(step size)로 0 ㎂ 내지 120 ㎂ 사이의 변조 전류를 변화시키는 4비트 디지털-아날로그 컨버터(DAC)를 사용하여 구현될 수 있다. 그 결과 동기식 정류기(QSR)의 드레인과 SR 드라이버(800)의 DRAIN 핀 사이에 접속된 외부 저항기(RMOD)를 사용하여 프로그래밍될 수 있는 변조된 오프셋 전압(VOFFSET) 범위가 발생한다.
예시적인 동작에서, 측정된 데드 타임이 이전 스위칭 사이클에서 목표 데드 타임보다 짧으면, 변조 전류(IMOD)는 다음 스위칭 사이클에서 1 스텝만큼 증가한다. 측정된 데드 타임이 이전 스위칭 사이클에서 목표 데드 타임보다 길면, 변조 전류(IMOD)는 다음 스위칭 사이클에서 1 스텝만큼 감소한다. 측정된 데드 타임이 이전 스위칭 사이클에서 목표 데드 타임보다 훨씬 짧으면, 변조 전류(IMOD)는 다음 스위칭 사이클에서 3 스텝만큼 증가한다. 사실상, 측정된 데드 타임에 기초하여 변조 전류(IMOD)를 조정함으로써, 턴-오프 문턱값이 임의의 오프셋 전압을 보상하도록 적응되어, 유리하게도 측정된 데드 타임이 목표 데드 타임 주위에 유지되도록 허용한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 데드 타임 자가 튜닝 블록(801)의 개략도를 도시한다. 도 8의 예에서, SR_COND_N 신호는 업/다운 카운터(U9)를 클로킹한다. DAC(U7)는 업/다운 카운터(U9)의 카운트를, 변조 전류(IMOD)를 출력하는 가변 전류원 회로(850)를 구동하는 아날로그 신호로 변환한다.
도 8의 예에서, 데드 타임 자가 튜닝 블록(801)은 플라이백 컨버터(400)가 연속 전도 모드에서 동작하고 있는지 또는 불연속 전도 모드에서 동작하고 있는지를 검출하기 위한 연속 전도 모드(CCM) 검출 회로(901)를 포함한다. 플라이백 컨버터(400)는 예를 들어 경부하(light load) 조건들 동안 불연속 전도 모드에서 동작할 수 있다. 데드 타임 자가 튜닝 블록(801)은 동기식 정류기(QSR)의 게이트-소스 간 전압(VGS)을 플립플롭(U22) 내에 수신함으로써 플라이백 컨버터(400)의 동작 모드를 검출한다. SR_COND_N 신호는 연속 전도 모드 검출(CCMD) 신호를 출력하도록 플립플롭(U22)을 클로킹한다. 도 8의 예에서, CCMD 신호는 연속 전도 모드가 검출될 때 논리 하이(CCMD = 1)에 있고, 불연속 전도 모드가 검출될 때 논리 로우에 있다(CCMD = 0). CCMD 신호는 논리 게이트들(U16, U17, U5 및 U15)을 통해 업/다운 카운터(U9)를 클로킹할 때 SR_COND_N 신호(인버터(U3) 참조)를 게이팅한다. 도 9는 연속 전도 모드(CCMD = 1) 및 불연속 전도 모드(CCMD = 0)에서의 업/다운 카운터(U9)로의 클록 입력을 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 SR 드라이버(800)의 개략도를 도시한다. 도 10의 예에서, SR 드라이버(800)는 동기식 정류기(QSR)의 드레인에 접속하기 위한 DRAIN 핀, 동기식 정류기(QSR)의 소스에 접속하기 위한 SOURCE 핀, 접지 기준에 접속하기 위한 GND 핀, 동기식 정류기(QSR)의 게이트에 접속하기 위한 GATE 핀, 공급 전압을 수신하기 위한 VDD 핀, 및 입력 전압원을 수신하기 위한 VIN 핀을 포함한다. 도 10의 예에서, 비교기(851)는 DRAIN 핀 상의 전압을 높은 문턱값(VTH.HGH)과 비교한다. DRAIN 핀 상의 전압이 높은 문턱값(VTH.HGH)을 넘어 상승하여, 바디 다이오드 전도의 종료를 나타낼 때, 플립플롭(852)은 리셋되어 SR_COND 신호를 디어서트시키고, 이는 SR_COND_N 신호의 보수이다(도 7, 816 참조).
도 10의 예에서, 비교기(853)는 DRAIN 및 SOURCE 핀들로부터 검출된 바와 같은, 동기식 정류기(QSR)의 드레인-소스 간 전압(VDS)을 수신하여 바디 다이오드 전도의 개시를 검출한다. 비교기(854)가 또한 DRAIN 및 SOURCE 핀들로부터 검출된 바와 같은, 동기식 정류기(QSR)의 드레인-소스 간 전압(VDS)을 수신하여 동기식 정류기 전류의 제로 교차를 검출한다. 비교기(853)의 마이너스 입력 노드 상의 개시 문턱값(VTH.ON)의 레벨 및 비교기(854)의 플러스 입력 노드 상의 턴-오프 문턱값(VTH.OFF)의 레벨은 플라이백 컨버터 및 동기식 정류기(QSR)의 세부 사항들에 기초하여 선택될 수 있다. 동기식 정류기(QSR)의 바디 다이오드가 전도하기 시작할 때, 플립플롭(855)은 클로킹되어 GATE 핀 상의 구동 신호를 어서트하여 동기식 정류기(QSR)를 턴 온시킨다. 동기식 정류기 전류가 제로 교차인 것으로 검출될 때, 플립플롭(855)은 리셋되어 GATE 핀 상의 구동 신호를 디어서트시켜 동기식 정류기(QSR)를 턴 오프시킨다.
도 10의 예에서, SR 드라이버(800)는 동기식 정류기(QSR)의 턴-온을 블랭킹하기 위한(856 참조), 동기식 정류기(QSR)의 턴-오프를 블랭킹하기 위한(857 참조), 그리고 동기식 정류기(QSR)의 스위칭 동작을 동기화시키기 위한 회로들과, 옵션으로 "그린(green)", 즉 에너지 효율, 회로들(858 참조)을 추가로 포함한다. 앞서와 같이, 데드 타임 자가 튜닝 블록(801)은 변조 전류(IMOD)를 변조하여 DRAIN 핀 상의 오프셋 전압을 조정하며 이에 의해 데드 타임을 목표 데드 타임 주위에 있도록 유지한다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 플라이백 컨버터(400)(도 5 참조)의 신호 파형들을 도시한다. 도 11 및 도 12는, 위에서 아래로, 변압기(T1)의 1차 권선을 통한 전류(401 참조), 동기식 정류기 전류(ISR)(402 참조), 동기식 정류기(QSR)의 게이트-소스 간 전압(VGS)(403 참조), 및 동기식 정류기(QSR)의 드레인-소스 간 전압(VDS)(404 참조)을 도시한다. 도 11은 연속 전도 모드에서의 플라이백 컨버터(400)의 신호 파형들을 도시하고, 도 12는 불연속 전도 모드에서의 플라이백 컨버터(400)의 신호 파형들을 도시한다. 오프셋 전압을 변조함으로써, 턴-오프 문턱값(405 참조)이 상이한 RDSON 및 오프셋 전압에 적응하도록 동적으로 조정되어, 고정된 턴-오프 문턱값을 갖는 플라이백 컨버터에 비해 더 안정된 동작을 허용한다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른, 각각, 불연속 전도 모드 및 연속 전도 모드에서의 바디 다이오드 전도에 대한 SR 드라이버(800)(예를 들어, 도6 참조)의 신호 파형들을 도시한다. 도 13 및 도 14에 도시된 파형들은, 동기식 정류기(QSR)의 바디 다이오드의 전도 시간을 나타내기 위한 라벨(820)이 추가된 점을 제외하고는, 도7에 도시되고 앞서 논의된 것들과 대체로 동일하다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 실제 바디 다이오드 전도 시간(도 13, 820 참조)이 목표 데드 타임(도 13, 815 참조)보다 짧은 경우 불연속 전도 모드에서 바디 다이오드 전도 시간을 최소화한다. 도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 실제 바디 다이오드 전도 시간(도 14, 820 참조)이 목표 데드 타임(도 14, 815 참조)과 동일한 경우 연속 전도 모드에서 교차 전도에 대해 더 많은 마진을 제공한다. 유리하게도, 본 발명의 실시예들은 이에 따라 종래의 플라이백 컨버터들보다 훨씬 짧은 목표 데드 타임을 허용한다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 플라이백 컨버터(400)(예를 들어, 도 5 참조)의 신호 파형들을 도시한다. 도 15 및 도 16은 변압기(T1)의 1차 권선을 통한 전류(101 참조), 데드 타임 자가 튜닝 블록(801)에 의해 발생된 변조 전류(IMOD)(102 참조), 동기식 정류기(QSR)로의 게이트 구동 신호(104 참조)에 대한 동기식 정류기 전류(ISR)(103 참조), 동기식 정류기(QSR)로의 게이트 구동 신호(106 참조)에 대한 1차측 스위치(QPR)로의 게이트 구동 신호(105 참조), 및 동기식 정류기(QSR)의 드레인-소스 간 전압(107)을 도시한다.
도 15는 연속 전도 모드로부터 불연속 전도 모드로 전환하는 동안의 플라이백 컨버터(400)의 신호 파형들을 도시한다. 연속 전도 모드로부터 불연속 전도 모드로 전환할 때 적절한 변조 전류를 찾기 위해 변조 전류(IMOD)는 점진적으로 감소한다(각각의 스위칭 사이클마다 1 스텝; 도15, 102 참조)는 점에 유의한다. 도 16은 불연속 전도 모드로부터 연속 전도 모드로 전환하는 동안의 플라이백 컨버터(400)의 신호 파형들을 도시한다. 불연속 전도 모드로부터 연속 전도 모드로 전환할 때, 1차측 스위치(QPR)와 동기식 정류기(QSR) 사이의 교차 전도를 방지하기 위해 변조 전류(IMOD)가 빠르게 증가한다(각각의 스위칭 사이클마다 3 스텝; 도 16, 102 참조)는 점에 유의한다.
본 발명의 실시예들은 적어도 다음의 청구항들을 추가로 포함한다:
[청구항 7] 플라이백 컨버터로서,
변압기;
상기 변압기의 2차측의 동기식 정류기; 및
상기 동기식 정류기의 스위칭을 제어하는 동기식 정류기 드라이버로서, 상기 동기식 정류기 드라이버는 턴-오프 문턱값을 넘어 상승하는 상기 동기식 정류기의 드레인-소스 간 전압(VDS)을 검출하는 것에 응답하여 상기 동기식 정류기를 턴 오프시키도록, 그리고 상기 동기식 정류기의 턴 오프와 상기 동기식 정류기의 바디 다이오드의 전도의 종료 사이의 검출된 데드 타임에 기초하여 상기 턴-오프 문턱값을 조정하도록 구성되는, 상기 동기식 정류기 드라이버를 포함하며,
상기 동기식 정류기 드라이버는 변조 전류를 생성하도록 그리고 상기 검출된 데드 타임에 기초하여 상기 변조 전류를 조정하도록 구성된 데드 타임 자가 튜닝 블록을 포함하고,
상기 변조 전류는 상기 동기식 정류기의 드레인과 상기 동기식 정류기 드라이버의 노드 사이의 오프셋 전압을 조정하는, 플라이백 컨버터.
[청구항 8] 제7항에 있어서, 상기 동기식 정류기 드라이버는 집적 회로(IC) 패키지 내에 있고, 상기 동기식 정류기는 상기 IC 패키지에 대해 외부에 있으며, 상기 동기식 정류기의 상기 드레인에 접속되는 상기 동기식 정류기 드라이버의 상기 노드는 상기 IC 패키지의 핀인, 플라이백 컨버터.
[청구항 9] 제8항에 있어서, 상기 턴-오프 문턱값의 범위를 프로그래밍하기 위한 변조 저항기를 추가로 포함하며, 상기 변조 저항기의 제1 단부는 상기 동기식 정류기의 상기 드레인에 접속되고, 상기 변조 저항기의 제2 단부는 상기 IC 패키지의 상기 핀에 접속되는, 플라이백 컨버터.
[청구항 10] 동기식 정류기 드라이버로서,
턴-오프 문턱값을 동기식 정류기의 드레인-소스 간 전압과 비교하고, 상기 비교의 결과가 상기 동기식 정류기 및 변압기의 2차 권선을 통해 흐르는 동기식 정류기 전류가 제로-교차하는 것을 지시하는 경우 상기 동기식 정류기를 턴 오프시키는 비교기 회로; 및
상기 동기식 정류기의 노드 상의 오프셋 전압을 변화시키는 변조 전류를 생성 및 변조함으로써 상기 턴-오프 문턱값을 조정하는 데드 타임 자가 튜닝 블록을 포함하는, 동기식 정류기 드라이버.
[청구항 11] 제10항에 있어서, 상기 오프셋 전압은 상기 동기식 정류기의 드레인과 상기 동기식 정류기 드라이버의 집적 회로(IC) 패키지의 핀 사이의 것인, 동기식 정류기 드라이버.
[청구항 12] 제11항에 있어서, 상기 동기식 정류기의 상기 드레인과 상기 동기식 정류기 드라이버의 상기 IC 패키지의 상기 핀 사이에 접속된 변조 저항기를 추가로 포함하는, 동기식 정류기 드라이버.
[청구항 13] 제10항에 있어서, 상기 데드 타임 자가 튜닝 블록은 상기 동기식 정류기가 턴 오프된 때로부터 상기 동기식 정류기의 바디 다이오드가 이전 스위칭 사이클에서 전도를 중단한 때까지의 검출된 데드 타임에 기초하여 상기 턴-오프 문턱값을 조정하는, 동기식 정류기 드라이버.
[청구항 14] 제13항에 있어서, 상기 데드 타임 자가 튜닝 블록은 상기 검출된 데드 타임과 목표 데드 타임 간의 차이에 기초하여 상기 변조 전류를 조정하는, 동기식 정류기 드라이버.
[청구항 15] 제10항에 있어서, 상기 데드 타임 자가 튜닝 블록은,
카운터;
상기 카운터의 카운트를 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 컨버터(DAC); 및
상기 아날로그 신호를 상기 변조 전류로 변환하는 가변 전류원 회로를 포함하는, 동기식 정류기 드라이버.
[청구항 16] 플라이백 컨버터를 동작시키는 방법으로서,
동기식 정류기의 턴 오프와 상기 동기식 정류기의 바디 다이오드의 전도의 종료 사이의 데드 타임을 검출하는 단계로서, 상기 동기식 정류기는 상기 플라이백 컨버터의 변압기의 2차 권선에 접속되는, 상기 데드 타임 검출 단계;
상기 검출된 데드 타임에 기초하여 턴-오프 문턱값을 조정하는 단계; 및
상기 턴-오프 문턱값을 넘어 증가하는 상기 동기식 정류기의 드레인-소스 간 전압을 검출하는 것에 응답하여 상기 동기식 정류기를 턴 오프시키는 단계를 포함하는, 방법.
[청구항 17] 제16항에 있어서, 상기 턴-오프 문턱값을 조정하는 단계는,
변조 전류를 생성하는 단계;
상기 검출된 데드 타임과 목표 데드 타임 간의 차이에 기초하여 상기 변조 전류를 변경하는 단계; 및
상기 동기식 정류기의 드레인에 상기 변조 전류를 흐르게 하여 상기 동기식 정류기의 상기 드레인과 상기 동기식 정류기 드라이버의 노드 사이의 오프셋 전압을 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
[청구항 18] 제17항에 있어서, 상기 동기식 정류기 드라이버의 상기 노드는 상기 동기식 정류기 드라이버의 집적 회로(IC) 패키지의 핀이고, 상기 변조 전류는 상기 동기식 정류기의 상기 드레인과 상기 동기식 정류기 드라이버의 상기 IC 패키지의 상기 핀 사이의 저항기로 흐르는, 방법.
[청구항 19] 제17항에 있어서, 상기 변조 전류는 스텝 크기로 변경되는, 방법.
[청구항 20] 제19항에 있어서,
상기 검출된 데드 타임과 상기 목표 데드 타임 간의 상기 차이에 따라 상기 스텝 크기를 증가시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
자가 튜닝 데드 타임 제어를 갖는 플라이백 컨버터들의 회로들 및 방법들이 개시되었다. 본 발명의 특정 실시예들이 제공되었지만, 이들 실시예는 예시 목적을 위한 것이며 제한적인 것이 아니라는 것을 이해해야 한다. 본 개시를 읽는 당업자에게 많은 추가적인 실시예들이 명백할 것이다.

Claims (6)

  1. 플라이백 컨버터로서,
    변압기;
    상기 변압기의 2차측의 동기식 정류기; 및
    상기 동기식 정류기의 스위칭을 제어하는 동기식 정류기 드라이버로서, 상기 동기식 정류기 드라이버는 턴-오프 문턱값을 넘어 상승하는 상기 동기식 정류기의 드레인-소스 간 전압(VDS)을 검출하는 것에 응답하여 상기 동기식 정류기를 턴 오프시키도록, 그리고 상기 동기식 정류기의 턴 오프와 상기 동기식 정류기의 바디 다이오드의 전도의 종료 사이의 검출된 데드 타임에 기초하여 상기 턴-오프 문턱값을 조정하도록 구성되는, 상기 동기식 정류기 드라이버를 포함하는, 플라이백 컨버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 동기식 정류기 드라이버는 변조 전류를 생성하도록 그리고 상기 검출된 데드 타임에 기초하여 상기 변조 전류를 조정하도록 구성된 데드 타임 자가 튜닝 블록을 포함하는, 플라이백 컨버터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 데드 타임 자가 튜닝 블록은 상기 변조 전류를 스텝 크기(step size)로 조정하는, 플라이백 컨버터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 데드 타임 자가 튜닝 블록은 상기 검출된 데드 타임과 목표 데드 타임 간의 차이에 따라 상기 스텝 크기를 증가시키는, 플라이백 컨버터.
  5. 제2항에 있어서, 상기 데드 타임 자가 튜닝 블록은 상기 플라이백 컨버터가 연속 전도 모드로부터 불연속 전도 모드로 전환하고 있을 때 제1 레이트로 상기 변조 전류를 조정하고, 데드 타임 자가 튜닝 블록은 상기 플라이백 컨버터가 상기 불연속 전도 모드로부터 상기 연속 전도 모드로 전환하고 있을 때 상기 제1 레이트보다 빠른 제2 레이트로 상기 변조 전류를 조정하는, 플라이백 컨버터.
  6. 제2항에 있어서, 상기 동기식 정류기 드라이버는,
    카운터;
    상기 카운터의 카운트를 아날로그 신호로 변환하도록 구성된 디지털-아날로그 컨버터(DAC); 및
    상기 아날로그 신호를 수신하여 상기 변조 전류를 생성하도록 구성된 가변 전류원 회로를 포함하는, 플라이백 컨버터.
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