TW200941902A - Synchronous rectifying apparatus and forward synchronous converter - Google Patents

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200941902 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於—種同步整流裝置及順向式 器’尤指-種根據轉換器的二次側輸出電壓的上奴f換 以判斷連續電Μ式與科續電流模式交界的同+餘=’ 置及使用前述同步整流裝置的順向式同步轉換器=整ν裝 【先前技術】 e 第圖為s知的順向式轉換器的示意圖。順 器設有一變壓器下 ^ , , ^ ^ 式轉換 雙里态Π’其一次侧設有耦接前級電路 入電源ViΝ、脈寬調變控制器簡、輸入遽波電之， =電阻R卜啟動電容C2、電流檢知電阻R2、整流二極體 ^與由脈寬調變控制器P WM所控制的電晶體開⑽q !。變壓 器T1的二次侧設有兩個輸出整流二極體D2、D3、儲能電 感L、一輸出濾波電容C3以及一由電阻R3、R4所構成之 電壓檢知器10。 上述順向式轉換器中，當電路於啟動之初，電源端VIN 開始透過啟動電阻R1對啟動電容C2充電，當啟動電容C2 的電位被充到足以啟動脈寬調變控制器pwM時，脈寬調變 控制器PWM開始運作。脈寬調變控制器p醫根據電壓檢知 器10對輸出電壓VO的偵測信號及電流檢知電阻R2對輸入 電流的偵測信號調整所產生的控制信號之工作週期，以調 整電晶體開關Q1的導通與截止的時間比例。當輸出電壓 V0低於一預設電壓值時’電晶體開關Q1的導通時間比例 提高’高於一預設電壓值時，電晶體開關則的導通時間比 例降低，藉此以達到輸出一穩定的輸出電壓v〇。 200941902 當電晶體開關Q1為導通時，輸入電源透過變壓 器τι提供能量，透過整流二極體D1向啟動電容C2儲能， 以及透過整流二極體D2向儲能電感l及輸出濾波電容C3 儲能。當電晶體開關Q1為截止時，啟動電容C2釋放能量 以供脈寬調變控制器PWM持續運作，而儲能電感[透過整 流二極體D3向輸出濾波電容C3釋能。 然而，由於整流二極體D2、D3在電流流經時均存在 順向偏壓，造成能量損耗。因此，習知亦有以電晶體開關 β 取代整流二極體D2、D3以降低能量損耗之作法。 請參考第二圖，為習知的順向式同步轉換器的示意 圖。利用電晶體開關Q2、Q3取代第一圖所示之整流二極體 D2、D3。一同步整流控制器12根據變壓器π的二次側電 壓VD以及死區設定仏號si、S2，進而控制電晶體開關收、 Q3的導通與截止之時間。 第二圖為習知的順向式同步轉換器操作在連續電流 才果式下之k號時序示意圖。請同時參考第二圖及第三圖， _ 變壓器τι二次側兩端的輪出端電壓分別為V1、V2，當同 步整流控制器12偵測到變壓器τι二次側的端電壓V1 :升 * 時，係產生一第一同步信號SG1控制電晶體開關Q2導通， 此時變壓器T1的電流由二次側的端電壓VI流經儲能電感 L、輸出濾波電容C3、電晶體開關Q2到變壓器T1二次& ―的端電壓V2。同步整流控制器12根據死區設定信號^， 讓電晶體開關g2較一導通時間Ton提前一死區時間DT1 截止。當電晶體開關Q2截止並經過死區時間Dh後，同步 整流控制器12產生一第二同步信號SG2控制電晶體開關 Q3導通’此時，儲能電感L上的能量透過輸出濾波電容C3 200941902 及η，關Q3之路徑輪出。同步整流控制器12根據死 區設定信號S2,讓電晶體開關Q3較一截止時間τ〇η提前 一死，時間DT2截止。死區時間DT卜DT2的設定係為了避 免電晶體開關Q2、Q3❸同時導通。在死區時間如、奶 内，變壓杰T1的二次側電流可先流經電晶體開關Q2、 的本體二極體（Body Diode，未標示）。 然而，第三圖中，提前一預定時間將電晶體開關Q2、 Q3截止而達到設定死區時間阶丨、汎2的方式， 連續模式下容易造成電流逆流的情況。請參考第四圖L =知的=向式同步轉換轉作在非連續電流模式下的信號 守序示〜圖。由於操作在非連續電流模式，在變壓器T1 的-次侧的脈寬調變控制器顺控制電晶體開 — 個週期導通前’儲能電感L已經釋放完所儲存的能量 此輸出.濾'波電容C3開始反向輸出能量至儲能電感l， ’電壓V2出現小於0伏特之區域A。逆流的情況 不僅會造成輸出電壓VG的不敎，也會損耗不必 要的此篁。 【發明内容】 有鐘於此，本發明之同步整流控制裝 用以她向式同步轉換器的輪出： 心號以·順向式同步轉換器的工作狀態 式同步轉換H進人非電流·模式⑽）時，本發 整流控制|置得以停止同步錢電㈣開 二僻 免電流逆流之問題。 κ切換’以避 本發明之同步整流控制裝置，包含有— 企 與-同步整流控制器。其中，狀態判斷電路 200941902 同步轉換器的二次側，係根據順向式同步轉換器的二次側 電歷1 上升斜率’以判斷出順向式同步轉換器的工作狀 態、。當該順向式同步轉換器工作在非連續電流模式與連續 電流模式的交界狀態時或工作在非連續電流模式時，二次 側電壓的上升斜率將低於一斜率值，此時該狀態判斷電路 置信號。同步整流控制_接於順向式同步轉換 n的—人侧與狀射彳斷電路，係根據順向式同步轉換器的 人側電[、―第一死區設定信號、一第二死區設定信號， ❿卩控制順向式同步轉換器的一第—整流開關與一第二整流 開關=切換’同時，同步整流控制器根據重置信號以截止 项向工同步轉換器的第二整流開關—預定時間長度，以避 免電流逆流的問題發生。 一 f外丄本發明之順向式同步轉換器，包括有一轉換單 凡、二第—開關、一脈寬調變控制器、一同步整流開關單 =及則述的同步整流控制裝置。轉換單元具有—次側與二 —次側耦接一輪入電源’轉換單元將輸入電源的 ❹ ^轉換成—輸出電壓於其二次側輪出。第—開關柄接轉 的了次側。脈寬調變控制器根據輸出電壓的一備測 一控制第-開關的切換。同步整流開關單元具有 J"開關及—第一整流開關，同步整流開關單元耦 於換單元的二次側’用以整流該輸出電壓。前述的同 步整流控制裝置輪接於轉換單元的二次側，係根據轉換單 70的ί出=壓的上升斜率’以判斷順向式同步轉換 器的工 史=:§續向式同步轉換器工作在非連續電流模式與連 、電抓，式的父界狀態時或工作在非連續電流模式時，二 _人侧電壓的上升斜率將低於__斜率值，此時強制截止第二 200941902 整流開關-預定時間長度，以避免電流逆流的問題發生。 綜上’本發明提供的同步整流裝置，適用於—順向式 ，步轉換器中’其中’同步整流裝置根據順向式同步轉換 器的二次侧輸出電壓的上升斜率，以判斷出順向式同步轉 換器工作在非連續電流模式與連續電流模式交界或工作在 非連續電流模式，進而在此時間點，強制截止第二整流開 關一預定時間長度’以避免電流逆流的問題發生，二 善電流逆流所造成輸出電壓不穩定及能量的損耗。 以上的概述與接下來的詳細說明皆為示範性質，是為 了進-步說明本發明的巾請專利範圍。而有關本發明的其 他目的與優點，將在後續的說明與圖示加以闡述。 【實施方式】 參考第五圖’為本發明的順向式同步轉換器示音 圖。順向式轉換器2主要設有一轉換單元T r、 ^ 以、-脈寬調變控制器20、一同步整流開關單元 同步整流控制裝置23。

其中，轉換單元Tr具有-次側與二次側，該一 二入電源Vin ’並將輸入電源Vin的 輸出電壓VD於轉換單元Tr的二次侧輸 得興成 λα _ 出第—開關 Q1 ，換早兀ΤΓ的一次側。脈寬調變控制器20根據順向 轉換器的—回授賴信號㈣與流過第—開關、Q1 的電讀知信號VIC，以控制第一開關Q1的切換動作 步整流開關單元24具有-第—整流開關Q2與—第二整流 開關Q3,且第-整流開關q2與第二整流開關即都為電= 體開關。其中’第一整流開關收串_接於轉換單元打 的二次側，作為順向式同步轉換器2中-電流順向路徑。 200941902 而第二整流開關Q3並聯麵接於轉換單元Tr的二次側，作 為順向式同步轉換器2中一電感電流釋放路徑。 同步整流控制裝置23包括有一狀態判斷電路230與 一同步整流控制器232。當同步整流控制器232偵測到轉 換單元Tr的二次侧輸出電壓VD上升時，係產生一第一同 步信號SG1控制第一整流開關Q2導通，此時轉換單元Tr 的電流由二次側的輸出電壓卯端流經儲能電感L、輸出濾 波電容C3、第一整流開關Q2到轉換單元Tr的二次側另一 ❹ 參 端。同步整流控制器232並根據第一死區設定信號S1，讓 第一整流開關Q2較一導通時間Ton提前一死區時間DT1 截止_。. 同時’當第一整流開關Q2截止並經過死區時間DT] ，二同步整流控制器232係產生一第二同步信號SG2控制 第二整流開關Q3導通，此時，儲能電感L·上的能量透過輸 出濾波電容C3及第二整流開關Q3之路徑輸出。同步整流 控制器232並根據第二死區設定信號S2，讓第二整流開關 Q3較一截止時間T〇ff提前一死區時間DT2截止。死區時 ]DTI DT2的攻定係為了避免第一整流開關收盘第二整 流開關即的同時導通。在死區時間DTh DT2内Ϊ轉^單 =ΤΓ的一欠側電流可洗流經第-整流開關Q2與第二整流 開關Q3的本體二極體（未標示）。 " 另外，狀態判斷電路230耦接於轉換單元τ的_ a 斷順向式同步以的輸出電壓VD的上升斜率，以判 2工作：連乍狀態。當順向式同步轉換器 工作在非連壤續電流模式的交界狀態時及 杈式時，該狀態判斷電路230輪出—重 11 200941902 置信號Sreset。同時，同步整流控制器232耦接於轉換單 元Tr的二次侧、狀態判斷電路230及同步整流開關單元 24 ’係接收重置信號Sreset，並根據重置信號Sreset用 以截止同步整流開關單元24中的第二整流開關q3至少一 個週期以上，以達到避免順向式同步轉換器2在非連續電 流模式與連續電流模式的交界時或在非連續電流模式時發 生逆流情況，其中該週期為順向式轉換器2的操作週期， ' 例如：脈寬調變控制器20的操作週期。 鲁 清參考第六圖’為本發明的狀態判斷電路示意圖。本 發明的狀態判斷電路230包括有一第一電壓檢知器2302、 一第二電壓檢知器2304、一延遲電路2306及一 D暫存器 2308。其中，第一電壓檢知器2302比較運算轉換單元忏 二次側的輸出電壓VD與/第一參考電壓VREF1，並根據比 較結果輸出一第一判斷信號SV1。同時，第二電壓檢知哭 2304比較運算轉換單元Tr二次側的輸出電壓VD與一第二 參考電壓VREF2，並根據比較結果輪出一第二判斷信號 _ SV2’其中第二參考電壓VREF2的電壓值大於第一參考電壓 VREF1。根據前述，第一電壓檢知器2302與第二電壓檢知 器2304組成一類比/數位轉換器。 狀態判斷電路230可配合實際應用，使用兩個或以上 電壓檢知器，以輸出複數僩判斷信號而達到更精準判斷該 順向式同步轉換器2的工作狀態。 復參考第六圖，延遲電路2306耦接於第一電壓檢知 器2302，係延遲運算第一判斷信號SV1，以輸出一延^判 斷信號SV3。另外，D暫存器2308的資料輸入端（D)耦接第 二電壓檢知器2304以接收第二判斷信號SV2，且d暫存器 12 200941902 2308的工作時脈輸入端（CK)耦接延遲電路2306以揍收延 遲判斷信號SV3。同時，D暫存器2308根據延遲判斷信號 SV3將第二判斷信號SV2存於D暫存器23〇8中，並呈現在 暫存器2308的輸出端q成為重置信號greset。根據前 述，延遲電路2306與D暫存器2308組成一數位處理器。 配合第六圖，參考第七圖，第七圖為本發明的狀態判 斷電路工作時序示意圖。第一電壓檢知器2302先對轉換單 參元二次側的輸出電壓VD的爬升上升緣（rising edge) 進^檢知，並且比較運算檢知到的輸出電壓VD與第一參考 電，VREF1 ’再根據比較結果輸出第一判斷信號別卜第二 電壓檢知斋2304亦對轉換單元Tr二次側的輸出電壓vj) 的爬升上升緣（rising edge)進行檢知，並且比較運算檢 知到的輸出電壓VD與第二參考電壓VREF2，再根據比較結 果輸出第二判斷信號SV2。另外，延遲判斷信號係為 第一判斷信號SV1經過延遲電路2306延遲一延遲時間Td φ 後所產生。 復配合第六圖，參考第七圖，在時間tl時，順向 式同步轉換器2操作在非連續電流模式（DCM)，此時，轉換 單元Tr的二次側的輸出電壓VD之上升斜率比較小，如此， 第一判斷信號SVP延遲判斷信號SV3及第二判斷信號SV2 依序先後從低準位（Low)轉成高準位（High)，且延遲判斷j古 號SV3的前緣觸發（Leading edge trigger)控制D暫存 器2308，用以將低準位（Low)的第二判斷信號SV2存於]) 暫存器2308中，並在D暫存器2308的輸出端Q’呈現高 準位（High)，此高準位（High)表徵為重置信號Sreset。门 13 200941902 —ηί配合f六圖，參考第七圖，在時間㈣3時，順向 二2操作在非連續電流模式（_與連續電流 、=CCM)的交界狀態，此時，轉換單元Tr的二次側的輸 VD之上升斜率稍微大，如此，第—判斷信號撕' ，遲=斷錢SV3及第二騎信號撕依序先後從低準位 (Low)轉成南準位（High)，而延遲判斷㈣挪的前緣觸發 (Leading edge trigger)控制D暫存器23〇8，用以將低 準位（Low)的第二判斷信號SV2存於D暫存器23〇8中，並 在D暫存器2308的輸出端q，£現高準位（High)，此高準 位（High)表徵為重置信號Sreset。 復配合第六圖’參考第七圖，在時間t3_t4時，順向 式同步轉換器2操作在連續電流模式（CCM)，此時，轉換單 兀Tr的二次侧的輸出電壓VD之斜率極大，如此，第一判 斷信號sv卜第二判斷信號SV2幾乎同時從低準位（L〇w)轉 成高準位（High) ’而延遲判斷信號SV3則隨後從低準位 (Low)轉成高準位（High)。因此，延遲判斷信號SV3的前緣

觸發（Leading edge trigger)會控制D暫存器2308，以 將高準位（High)的第二判斷信號SV2存於D暫存器2308 中，並在D暫存器2308的輸出端Q，呈現低準位（L〇w)。 參考第五圖，同步整流控制器232於接收到重置信號 Sreset時’使同步整流開關單元24中的第二整流開關q3 截止一預定時候長度（至少一個週期以上），此段時間第二 整流開關Q 3不再隨第二同步信號S G 2進行導通，如此即可 避免電流逆流的問題發生。 綜上所述’本發明提供的同步整流裝置，適用於一順 向式同步轉換器中，其中’同步整流裝置根據順向式同步 14 200941902 轉換器的二次側輸出電壓的上升斜率，以判斷出順向式同 步轉換器工作在非連續電流模式與連續電流模式交界或工 作在非連續電流模式，進而在此時間點，強制截止順向式 同步轉換器中的第二整流開關，以避免電流逆流的問題發 生，進而改善電流逆流所造成輸出電壓不穩定及能量的損 耗。 按，以上所述，僅為本發明最佳之具體實施例，惟本 ' 發明之特徵並不侷限於此，任何熟悉該項技藝者在本發明 ❹ 之領域内，可輕易思及之變化或修飾，皆可涵蓋在以下本 案之專利範圍。 【圖式簡單說明】 第一圖為習知的順向式轉換器的示意圖； 第二圖為習知的順向式同步轉換器的示意圖； 第三圖為習知的順向式同步轉換器操作在連續電流 模式下之信號時序示意圖； 第四圖為習知的順向式同步轉換器操作在非連續電 Ο 流模式下的信號時序示意圖； 第五圖為本發明的順向式同步轉換器架構示意圖 ' 第六圖為本發明的狀態判斷電路示意圖；及 第七圖為本發明的狀態判斷電路工作時序示意圖。 【主要元件符號說明】 習知：

變壓器τι 輸入電源VIN 脈寬調變控制器PWM 200941902

輸入濾波電容ci 啟動電阻R1 啟動電容C2 電流檢知電阻R2 整流二極體D1 電晶體開關Q1 整流二極體D2、D3 儲能電感L 輸出濾波電容C3 電阻R3、R4 檢知器10 電晶體開關Q2、Q3 同步整流控制器12 死區設定信號S1、S 2 變壓器T1二次側的端電壓VI、V2 變壓器T1二次側電壓VD 第一同步信號SG1 第二同步信號SG2 輸出電壓V0 本發明： 順向式轉換器2 轉換單元Tr 第一開關Q1 脈寬調變控制器20 16 200941902 同步整流控制裝置23 同步整流開關單元24 輸入電源Vin 輸出電壓VD 回授電Μ信號VFB 電流檢知信號VIC • 第一整流開關Q2 赢 第二整流開關Q3 狀態判斷電路230 同步整流控制器232 第一同步信號SG1 第二同步信號SG2 儲能電感L 輸出濾波電容C3 第一死區設定信號S1 ⑩第二死區設定信號S2 導通時間Ton 截止時間Toff 死區時間DTI、DT2 重置信號Sreset 第一電壓檢知器2302 第二電壓檢知器2304 延遲電路2306 D暫存器2308 17 200941902 Φ

第一參考電壓VREFl 第二參考電壓VREF2 第一判斷信號SV1 第二判斷信號SV2 延遲判斷信號SV3 18

Claims (1)

1. 200941902 十、申請專利範圍： 整流控制裝置，搞接於-順向式同步轉換器， 向式同步轉換器包含-具有-次侧及二次側之轉 及ί接該轉換單元之二次側之-第-整流開 弟-整流開關’該同步整流控制裝置包含： -狀態判斷電路’耦接於該順向式同步轉換器的二次 二Γ根據該轉換單元的二次側電壓的上升斜率， m 該順向式同步轉換器之狀態，以及輸出-重 置"is 5虎，及 控制器’耦接於該狀態判斷電路，該同步 ==第一第二同步信號及-第二同步信 甘士卿w亥第—整流開關及該第二整流開關； t敕該同步整流控制器接收該重置信號時，使該第 一正流開關截止一預定時間長产。 述:同·控制裝置’其 塵、-第-死區設定信號、—第一人側電 ::::::步轉 = 置，其中 =::=第包，述之_猶 m換器，根據該轉換單元的二次側電 i，以輸出複數個判斷信號；及 一數位處理器’祕該類 理器處理該複數個判斷信號二出= 19 200941902 號。 tit申：乾圍第3項所述之同步整流控制裝置，其中 孩類比/數位轉換器包括： 其 一，比較運算該轉換單元的二次側電 及。弟*考電壓，以及輸出一第—判斷信號； 一第二電壓檢知器，比較運算該轉換單元的二次側電 二參考電壓，以及輸出-第二判斷信號， /、Τδ亥弟二參考電壓大於該第一參考電壓。 專利申明範圍第4項所述之同步整流控制裝置，其中 該數位處理器包括： /、 馨 延遲電路，輕接於該第一電壓檢知器，係延遲該第 一判斷信號，以及輸出一延遲判斷信號；及 —D暫存器，具有—資料輸入端、一工作時脈輪入端 及一輸出端，其中，該資料輸入端耦接該第二電壓 檢知器以接收該第二判斷信號，該工作時脈輸入端 轉接該延遲電路以接收該延遲判斷信號，該D暫存 器根據該第二判斷信號與該延遲判斷信號，係由該 輪出端輪出該重置信號。 ，專利申請範圍第1項所述之同步整流控制裝置，其中 s亥預定時間長度長於該順向式同步轉換器之一操作週 期。 —種順向式同步轉換器，包括： —轉換單元，具有一次側與二次侧，其中，該一次側 耦接一輪入電源，龙將該輸入電源的電力轉換成一 20 200941902 輪出電壓於該二次側輸出； 一第一開關，耦接該轉換單元的一次側； =見5周變控制器，根據該輸出電 制該第-開__; 貝“57虎控 . 的二次侧，用以整;二=接於該轉換單元 1態判斷電路，输於該轉換單元的側 = 奥單元的輸出電壓的上升斜率，以判斷= :向式同步轉換器的狀態，以及輸出-重置信號: 器係態判斷電路與該同步 «止重置信號使該第二整流開 巧專順向式同步_，其 ❹側，係《該轉換單該轉;單=二次 .糾二整信號，制該第-整流開關與 項所述之順向式同步轉換器，其中 ’根據該轉換單元的輸出電壓， 以輸出稷數個判斷信號，·及 一數位處理器，耦撻兮相，^ 理界處理兮、刀 位轉換器，該數位處 理斋處理5亥设數個判斷信號，以及輸出該重置信 21 200941902 號 ΐ〇·如專利申請範圍第 該類比/數位轉換器包括：貝白式同步轉換器，其中 一 器，比較運算該轉換單元的輪出電壓 Ο 比較運算該轉換單吻 :該第二參考電:大==】斷信號’其 項所述之順向-步轉換器，其 -延遲電路，耦接於該第1壓檢知器 一判斷信號’以及輸出—延遲判斷信號';、及 一 D暫存器，具有一資料齡 及-輸出端，wid工作時脈輸入端 T "茨貝料輪入端耦接續坌-带段 φ :二==該第二判斷信號’該工作時脈輸入： ίΪΙ電路以接收該延遲判斷信號，該D暫存 輸出端輪出該重置信號。 _。就’係由该 ^如專利申請範圍第7項所述之 預定時間長度長於該順向式同步轉:器之二 22