TW201521347A - 控制功率轉換器之同步整流器的方法及其控制電路 - Google Patents

控制功率轉換器之同步整流器的方法及其控制電路 Download PDF

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Abstract

一種用於控制功率轉換器的同步整流器的方法以及一種使用所述方法的控制電路。所述方法包含以下步驟。回應於切換信號的導通時間、變壓器電壓的電壓位準以及功率轉換器的輸出電壓而產生控制信號以控制同步整流電晶體。切換信號用於切換變壓器。一旦切換信號斷開時，即產生控制信號。變壓器信號與功率轉換器的輸入電壓有關。當切換信號的導通時間長於第一時間閾值時，產生控制信號。

Description

控制功率轉換器之同步整流器的方法及其控制電路
本發明是有關於一種用於控制功率轉換器的同步整流器的方法以及使用所述方法的控制電路，且特別是有關於一種涉及提供用於防止同步整流器不正確導通之完善保護功能的控制功率轉換器的同步整流器的方法以及使用所述方法的控制電路。
離線式功率轉換器(offline power converter)包含電力變壓器(power transformer)，為了符合安全規定，電力變壓器向功率轉換器輸出端提供AC輸入，並在其間形成隔離。在最近的發展中，電力變壓器之次級同步整流器的應用是用以為了實現轉換器的高功率轉換效率。
然而，功率轉換器的同步整流器可能意外地或不正確地導通，這可能會對功率轉換器帶來負面影響，例如導致功率轉換的低效率等。
本發明提供一種用於控制功率轉換器的同步整流器的方法。所述方法包含以下步驟：回應於切換信號的導通時間、變壓器電壓的電壓位準以及功率轉換器的輸出電壓而產生用於同步整流電晶體的控制信號，並且切換信號用於切換變壓器，並且一旦切換信號斷開時，即產生控制信號。變壓器信號與功率轉換器的輸入電壓有關。當切換信號的導通時間長於第一時間閾值時，產生控制信號。
本發明提供一種用於控制功率轉換器的同步整流器的方法。所述方法包含以下步驟。根據切換信號產生控制信號以控制同步整流電晶體。當功率轉換器的輸入電壓低於低電壓閾值時，縮短控制信號。低電壓閾值與功率轉換器的輸出電壓有關。切換信號用於切換變壓器。一旦切換信號斷開時，即產生控制信號。當切換信號的導通時間長於第一時間閾值時，產生控制信號。
從另一個角度來看，本發明提供一種用於控制功率轉換器的同步整流器的控制電路。所述控制電路包含控制器以及保護電路。所述控制器回應於切換信號的導通時間、變壓器電壓以及功率轉換器的輸出電壓而產生控制信號以控制同步整流電晶體。所述保護電路響應於變壓器電壓以及輸出電壓而產生保護信號。切換信號用於切換變壓器。一旦切換信號斷開時，即產生控制信號。變壓器信號與功率轉換器的輸入電壓有關。當切換信號的導通時間長於第一時間閾值時，產生控制信號。如果產生了保護信 號，則可以在當切換信號的導通時間長於第二時間閾值時，產生控制信號。第二時間閾值長於第一時間閾值。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10‧‧‧功率轉換器
11‧‧‧變壓器
20、30‧‧‧電晶體
35‧‧‧二極體
40‧‧‧電容器
51、52‧‧‧電阻器
100‧‧‧控制電路
103、104、106‧‧‧電阻器
105‧‧‧緩衝器
107‧‧‧電流源
110、120‧‧‧電壓-電流轉換器
200‧‧‧線性預測電路
211~217、272、274‧‧‧電晶體
230、235‧‧‧開關
250‧‧‧電容器
261‧‧‧及閘
262‧‧‧反相器
263‧‧‧反及閘
271、273‧‧‧單擊脈衝產生器
280‧‧‧比較器
285‧‧‧觸發器
300‧‧‧檢測電路
310~315、325‧‧‧電晶體
317~319‧‧‧反相器
320‧‧‧電流源
340‧‧‧電容器
350‧‧‧比較器
351、352‧‧‧開關
370‧‧‧觸發器
375‧‧‧及閘
500‧‧‧信號產生電路
510、520‧‧‧比較器
513‧‧‧單擊脈衝產生器
514、516‧‧‧反相器
517‧‧‧延遲電路
518‧‧‧觸發器
S710~S760‧‧‧步驟
SPWM‧‧‧切換信號
VD、V1、V2、V3‧‧‧電壓
VS‧‧‧信號
SW‧‧‧控制信號
VIN‧‧‧輸入電壓
VO‧‧‧輸出電壓
TON‧‧‧切換信號SPWM的導通時間
TDM‧‧‧週期
TR‧‧‧諧振週期
IVO1、IVO2、IVS1、IVS2‧‧‧電流信號
SB‧‧‧邊界條件信號
ST‧‧‧觸發信號
SE‧‧‧啟用信號
VT、VTH、VTH1、VTH2、VT1‧‧‧閾值
IX、IY、IZ‧‧‧電流信號
IM‧‧‧電流
SA‧‧‧有效信號
CLR‧‧‧清除信號
圖1繪示說明一電路圖，其為根據本發明實施例的具有同步整流器(SR)的功率轉換器。
圖2繪示根據本發明實施例的切換信號SPWM以及電壓VD的波形。
圖3繪示說明一電路圖，其為根據本發明實施例之控制電路。
圖4繪示說明一電路圖，其為根據本發明實施例之線性預測電路。
圖5繪示說明一電路圖，其為根據本發明實施例之檢測電路。
圖6繪示一電路圖，其為說明根據本發明實施例之信號產生電路500。
圖7繪示一流程圖，其為表示根據本發明實施例用於控制功率轉換器的同步整流器之方法。
。
.圖1繪示說明一電路圖，其為根據本發明實施例的具有同步整流器(SR)的功率轉換器。功率轉換器10包含變壓器11、電晶體20和30、二極體35、電容器40、電阻器51和52以及控制電路100。變壓器11連接到功率轉換器10的輸入電壓VIN。電晶體20經耦合以切換變壓器11的初級繞組NP。切換信號SPWM經耦合以驅動電晶體20用於調節功率轉換器10的輸出電壓VO。當電晶體20導通時，能量將儲存到變壓器11中。同時，變壓器11將在次級繞組NS處產生電壓VD。當電晶體20斷開時，在變壓器11中儲存的能量將被傳遞(消磁)到變壓器11的次級繞組NS，經由二極體35以及電容器40而產生輸出電壓VO。二極體35可以是電晶體30的體二極體或者是並聯連接到電晶體30的整流器。一旦二極體35導通，電晶體30將立即被導通以減少因二極體35的正向電壓降(forward-voltage drop)而造成的功率損耗。控制電路100經耦合以透由電阻器51和52檢測輸出電壓VO並且測量電壓VD。電壓VD經由電阻器51和52產生耦合到控制電路100的信號VS。根據輸出電壓VO以及電壓VD，控制電路100將產生控制信號SW以控制電晶體30的開/關。電晶體30的導通週期應與變壓器11的消磁時間有關。因此，電晶體30的導通週期TSR根據方程式(1)來控制，
其中TON是切換信號SPWM的導通時間。
為了精確地控制電晶體30的導通週期TSR，控制電路100必須測量輸出電壓VO並且檢測電壓VD的電壓位準以及週期以用於產生控制信號SW。電壓VD的電壓位準與輸入電壓VIN的電壓位準相關。電壓VD的週期等於切換信號SPWM的導通時間。
圖2繪示根據本發明實施例的切換信號SPWM以及電壓VD的波形。週期TDM是變壓器11的消磁時間。電晶體30的導通週期TSR應等於週期TDM。如果變壓器11在不連續電流模式(discontinuous current mode，DCM)中操作，則在當變壓器11被完全消磁之後(在週期TDM之後)將發生諧振振鈴(resonant ringing)。經由變壓器11的初級側中的諧振頻率確定諧振週期TR。諧振週期TR與變壓器11的初級電感器的電感LP以及電晶體20的寄生電容器的電容CP有關。
諧振振鈴可能造成對於檢測電壓VD的錯誤。用於檢測經校正的電壓VD的準則可以表達為，V D >(2×V O )...(3)
當電晶體20導通時，電壓VD的電壓位準在方程式(4)中表示。
如果輸入電壓VIN為高，例如圖3中示出的電壓V1，那麼電壓VD可以被正確地檢測到。如果輸入電壓VIN降低至 [(V IN ×N S /N P )<V O ]，例如圖3中示出的電壓V2以及V3，那麼電壓VD可能被不正確地測量。本發明提供保護電路來解決這個問題。
圖3繪示說明一電路圖，其為根據本發明實施例之控制電路。控制電路100包含電阻器103、104和106，緩衝器105，電流源107，電壓-電流轉換器110和120，線性預測電路200以及檢測電路300。電阻器103和104形成分壓器，用於經由緩衝器105以及電阻器106檢測輸出電壓VO並且產生閾值VT。與電阻器106相關聯的電流源107向閾值VT提供偏壓電壓。因此閾值電壓VT的電壓位準經校正為輸出電壓VO的值。電壓-電流轉換器110經耦合以經由電阻器103和104檢測輸出電壓VO。因此，電壓-電流轉換器110產生與輸出電壓VO成比例的電流信號IVO1和IVO2。電壓-電流轉換器120經耦合以檢測與電壓VD以及輸入電壓VIN有關的信號VS。電壓-電流轉換器120產生與輸入電壓VIN以及電壓VD成比例的電流信號IVS1以及IVS2。
線性預測電路200根據電流信號IVO1以及IVS1產生控制信號SW。檢測電路300經耦合以接收電流信號IVO2、IVS2、信號VS以及閾值VT用於產生啟用信號SE、觸發信號ST以及邊界條件信號SB。啟用信號SE、觸發信號ST以及邊界條件信號SB經耦合以控制線性預測電路200用於產生控制信號SW。
一旦信號VS高於閾值VT時，即產生觸發信號ST。一旦有效信號SA啟用並且觸發信號ST的週期長於時間閾值時，即產生啟用信號SE。將在滿足方程式(3)時產生邊界條件信號SB。
圖4繪示說明一電路圖，其為根據本發明實施例之線性預測電路。線性預測電路200包含電晶體211到217、272以及274，開關230和235，電容器250，及(AND)閘261，反相器262，反及(NAND)閘263，單擊脈衝產生器(One-shot pulse generator)271和273，比較器280以及觸發器(flip-flop)285。電晶體211到213形成電流鏡以根據電流信號IVO1產生電流信號IX以及IY。電晶體214到217回應於電流信號IVS1以及電流信號IY而產生電流IZ從而滿足方程式(1)中示出的“VD-VO”項。電流信號IZ經耦合以通過開關230對電容器250充電。電流信號IX經耦合以經由開關235對電容器250放電。觸發信號ST控制開關230，並且觸發信號ST進一步經耦合以經由反相器262控制開關235。觸發器285將響應於啟用信號SE而產生控制信號SW。比較器280具有閾值VTH，閾值VTH經耦合以與電容器250上的電壓進行比較。反及閘263經連接以根據比較器280的輸出以及觸發信號ST經由反相器262使觸發器285重置。因此，當觸發信號ST斷開並且電容器250的電壓達到閾值VTH的電壓位準時，觸發器285將重置以斷開控制信號SW。
在觸發信號ST導通開關230藉以用於對電容器250充電之前，觸發信號ST將耦合以通過單擊脈衝產生器271以及電晶體272對電容器250放電。如果在當觸發信號ST導通開關230以用於對電容器250充電時而使邊界條件信號SB被啟用時，那麼觸發信號ST以及邊界條件信號SB將耦合以通過及閘261、單擊脈衝產 生器273以及電晶體274對電容器250放電。單擊脈衝產生器273的脈衝寬度比單擊脈衝產生器271的脈衝寬度更長。因此，一旦邊界條件信號SB被啟用時，控制信號SW的脈衝寬度即縮短，這會恰當地保護電晶體30的導通。
圖5繪示說明一電路圖，其為根據本發明實施例之檢測電路。檢測電路300包含電晶體310到315以及325，反相器317到319，電流源320，電容器340，比較器350，開關351和352，觸發器370，及閘375以及信號產生電路500。電晶體310、311、312、313、314和315形成電流鏡電路以用於產生與“2×VO”相關的鏡像電流IM。電流信號IVS與鏡像電流IM進行比較將經由反相器317產生邊界條件信號SB。在無法滿足方程式(3)時，將啟用邊界條件信號SB以保護同步整流器正確地操作。信號產生電路500響應於信號VS以及閾值VT而產生觸發信號ST、有效信號SA以及清除信號CLR。反相器319、電流源320、電晶體325以及電容器340形成週期-電壓轉換器(period-to-voltage converter)以將觸發信號ST的週期轉換至耦合到比較器350上的電壓信號。比較器350具有分別經由開關351以及352控制的閾值VTH1以及VTH2。邊界條件信號SB控制開關352。邊界條件信號SB經耦合以經由反相器318控制開關351。當電容器340的電壓高於閾值(VTH1或VTH2)時，比較器350將經耦合以啟用觸發器370。觸發器370的輸出以及有效信號SA連接到及閘375以用於產生啟用信號SE。閾值VTH2的電壓位準高於閾值VTH1的電壓位準。因此，當產生邊 界條件信號SB時，啟用信號SE的產生將需要更長週期的觸發信號ST。這意味著如果輸入電壓VIN低並且“VD<2×VO”，那麼將需要較寬的切換信號SPWM來啟用控制信號SW。
圖6繪示一電路圖，其為說明根據本發明實施例之信號產生電路500。信號產生電路500包含比較器510和520、單擊脈衝產生器513、反相器514和516、延遲電路517以及觸發器518。當信號VS高於閾值VT時，比較器510將產生觸發信號ST。觸發信號VT將通過單擊脈衝產生器513以及反相器514產生清除信號CLR。當信號VS低於閾值VT1(例如，0V)時，比較器520將產生導通啟用信號。導通啟用信號耦合到觸發器518的D輸入端。清除信號CLR經耦合以使觸發器518重置。觸發信號ST經耦合以通過反相器516和延遲電路517對觸發器進行時脈計數，以用於產生有效信號SA。在產生觸發信號ST之後，延遲電路517將產生觸發延遲信號。因此，在產生觸發延遲信號之前，只有在信號VS低於閾值VT1時，才可以啟用有效信號SA以產生控制信號SW。
圖7繪示一流程圖，其為表示根據本發明實施例用於控制功率轉換器的同步整流器之方法。在本實施例中，圖7的方法可以經由圖1的功率轉換器10來實施，但是本發明不限於此。在步驟S710中，功率轉換器10可以回應於切換信號的導通時間、變壓器電壓的電壓位準以及功率轉換器10的輸出電壓而產生控制信號以控制同步整流電晶體。在步驟S720中，回應於輸入電壓的電壓位準以及輸出電壓的電壓位準而產生保護信號。在步驟S730 中，如果切換信號的導通時間長於第二時間閾值，那麼流程返回到步驟S710；否則流程前進到步驟S740。在步驟S740中，當變壓器電壓低於第一電壓閾值時，產生延遲時間。在步驟S750中，當變壓器電壓低於第二電壓閾值時，產生導通啟用信號。在步驟S760中，如果導通啟用信號是在延遲時間結束之前產生，那麼流程返回到步驟S710。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧功率轉換器
11‧‧‧變壓器
20、30‧‧‧電晶體
35‧‧‧二極體
40‧‧‧電容器
51、52‧‧‧電阻器
100‧‧‧控制電路
SPWM‧‧‧切換信號
VD‧‧‧電壓
VS‧‧‧信號
SW‧‧‧控制信號
VIN‧‧‧輸入電壓
VO‧‧‧輸出電壓

Claims (11)

  1. 一種用於控制功率轉換器的同步整流器的方法，包括：回應於切換信號的導通時間、變壓器電壓的電壓位準以及所述功率轉換器的輸出電壓而產生控制信號以控制同步整流電晶體，其中所述切換信號用於切換變壓器；一旦所述切換信號斷開時，即產生所述控制信號；變壓器信號與所述功率轉換器的輸入電壓有關；當所述切換信號的所述導通時間長於第一時間閾值時，產生所述控制信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包括：回應於所述輸入電壓的電壓位準以及所述輸出電壓的電壓位準而產生保護信號，其中，如果產生所述保護信號，則在當所述切換信號的所述導通時間長於第二時間閾值時，產生所述控制信號；所述第二時間閾值長於所述第一時間閾值。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，當所述輸入電壓低於欠壓閾值時，產生所述保護信號。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之方法，回應於所述保護信號的啟用而縮短所述控制信號。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之方法，更包括：當所述變壓器電壓低於第一電壓閾值時，產生延遲時間；以及 當所述變壓器電壓低於第二電壓閾值時，產生導通啟用信號，其中，當所述導通啟用信號是在所述延遲時間結束之前產生時，產生所述控制信號。
  6. 一種用於控制功率轉換器的同步整流器的方法，包括：根據切換信號產生控制信號以控制同步整流電晶體；當所述功率轉換器的輸入電壓低於低電壓閾值時，縮短所述控制信號，其中所述低電壓閾值與所述功率轉換器的輸出電壓有關；所述切換信號用於切換變壓器；一旦所述切換信號斷開時，即產生所述控制信號；當所述切換信號的導通時間長於第一時間閾值時，產生所述控制信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，更包括：當變壓器電壓低於第一電壓閾值時，產生延遲時間；以及當所述變壓器電壓低於第二電壓閾值時，產生導通啟用信號，其中響應於啟用所述切換信號而產生所述變壓器電壓，其中所述切換信號用於切換所述變壓器，其中，在當所述導通啟用信號是在所述延遲時間結束之前產生時，產生所述控制信號。
  8. 一種用於控制功率轉換器的同步整流器的控制電路，包括：控制器，所述控制器回應於切換信號的導通時間、變壓器電壓以及所述功率轉換器的輸出電壓而產生控制信號以控制同步整 流電晶體；以及保護電路，所述保護電路響應於所述變壓器電壓以及所述輸出電壓而產生保護信號；其中所述切換信號用於切換變壓器；一旦所述切換信號斷開時，即產生所述控制信號；所述變壓器信號與所述功率轉換器的輸入電壓有關；當所述切換信號的導通時間長於第一時間閾值時，產生所述控制信號；如果產生所述保護信號，則可以在當所述切換信號的所述導通時間長於第二時間閾值時，產生所述控制信號；所述第二時間閾值長於所述第一時間閾值。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之控制電路，其中當所述輸入電壓低於欠壓閾值時，產生所述保護信號。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之控制電路，其中回應於所述保護信號的啟用而縮短所述控制信號。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之控制電路，更包括：延遲電路，所述延遲電路在所述變壓器電壓低於第一電壓閾值時產生延遲時間；以及比較器，所述比較器在所述變壓器電壓低於第二電壓閾值時產生導通啟用信號，其中，當所述導通啟用信號是在所述延遲時間結束之前產生時，產生所述控制信號。
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