TW202021249A - 同步整流裝置 - Google Patents

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Abstract

一種同步整流裝置，適於控制轉換電路。轉換電路包括初級側線圈及次級側線圈，其中初級側線圈用於接收輸入電力，而次級側線圈響應輸入電力而產生感應電力。同步整流裝置包括第一控制電路、次級側開關、隔離耦合元件及第二控制電路。其中第一控制電路用於提供第一控制訊號以控制初級側線圈。次級側開關，依據感應電力以產生啟動訊號及關閉訊號。隔離耦合元件包括接收側及反應側。接收側用於接收第一控制訊號。反應側響應第一控制訊號以產生耦合訊號。第二控制電路，依據耦合訊號、啟動訊號及關閉訊號而輸出第二控制訊號以調整感應電力。

Description

同步整流裝置
本案關於電源轉換領域，特別是一種同步整流裝置。
隨著科技之進步與發展，電子產品日益多樣化，其中不同的電子產品需要在不同電壓或不同電流的電源運作。因此發展出許多不同電源供應器以滿足所需，使得電源轉換技術日益蓬勃發展，屬於電子產業中相當重要的一環。
現今的電源供應器中，為了達到高效率、低損耗的整流功能，同步整流裝置已成為重要並且不可或缺的核心零件。而同步整流裝置與其他類型的整流裝置一樣包括初級側開關及次級側開關。但是傳統的同步整流裝置可能因為電路中的寄生元件或是訊號的突波，造成初級側開關及次級側開關同時導通而使同步整流裝置發生短路。當同步整流裝置發生短路，可能產生額外的功率損耗和不必要的電磁干擾，也可能造成同步整流裝置中的元件損壞，使得同步整流裝置無法正常運作。
鑑於上述，本案提出一種同步整流裝置，適於控制一轉換電路。轉換電路包括一初級側線圈及一次級側線圈，其中初級側線圈用於接收一輸入電力，而次級側線圈響應輸入電力而產生一感應電力。同步整流裝置包括一第一控制電路、一次級側開關、一隔離耦合元件及一第二控制電路。其中第一控制電路用於提供一第一控制訊號。次級側開關依據感應電力以產生一啟動訊號及一關閉訊號。隔離耦合元件包括一接收側及一反應側。接收側用於接收第一控制訊號。反應側響應第一控制訊號以產生一耦合訊號。第二控制電路，依據耦合訊號、啟動訊號及關閉訊號而輸出一第二控制訊號以調整感應電力。
依據一些實施例，次級側開關用於依據第二控制訊號而導通或斷開以調整感應電力。
依據一些實施例，同步整流裝置更包括一初級側開關。初級側開關依據第一控制訊號而導通或斷開。其中當初級側開關為導通時，次級側開關為斷開。
依據一些實施例，第二控制電路依據關閉訊號調整第二控制訊號並使次級側開關為斷開。
依據一些實施例，第二控制電路包括一位準產生電路。位準產生電路提供一判斷位準供第二控制電路調整第二控制訊號。
依據一些實施例，位準產生電路響應耦合訊號以調整判斷位準為一第一準位。
依據一些實施例，位準產生電路響應啟動訊號以調整判斷位準為一第二準位。
依據一些實施例，當判斷位準為第一準位時，第二控制電路依據啟動訊號調整第二控制訊號並使次級側開關為導通。
依據一些實施例，同步整流裝置更包括一計數電路。計數電路依據一計數時間調整判斷位準。
依據一些實施例，當判斷位準為第一準位的時長超過計數時間時，計數電路調整判斷位準為第二準位。
依據一些實施例，一種同步整流裝置方法，包括：依據第一控制訊號轉換輸入電力成感應電力；依據感應電力產生啟動訊號及關閉訊號；響應第一控制訊號以產生耦合訊號；依據耦合訊號、啟動訊號及關閉訊號而輸出第二控制訊號；及依據第二控制訊號調整感應電力。
依據一些實施例，同步整流裝置方法更包括依據判斷位準調整第二控制訊號。其中響應耦合訊號以調整判斷位準為第一準位，並響應啟動訊號以調整判斷位準為第二準位。
依據一些實施例，同步整流裝置方法更包括依據計數時間調整判斷位準。其中當判斷位準為第一準位的時間超過計數時間時，調整判斷位準為第二準位。
綜上，本案之同步整流裝置及其方法依據耦合訊號、啟動訊號及關閉訊號而輸出第二控制訊號以調整感應電力，同步整流裝置能避免初級側開關及次級側開關同時導通而造成短路的情形。在一些實施例，同步整流裝置及其方法更包括依據計數時間調整判斷位準，因此同步整流裝置具有重置的功能。
在本案中，可能使用了「耦接」一詞以及其衍生字詞。在一些實施例中，「耦接」可用以表示二個或多個元件彼此直接地物理接觸或電性接觸，或者還可能意味者二或多個元件彼此間接地電性接觸。「耦接」一詞仍可用以表示二或多個元件彼此協作或互動。
請參閱圖1，圖1繪示依據本案一些實施例的同步整流裝置100的方塊圖。在一些實施例，一電源供應器10包括一轉換電路20及一同步整流裝置100。其中轉換電路20用於接收一輸入電力Sin ，並響應輸入電力Sin 而產生一感應電力Sout 。而同步整流裝置100適於控制轉換電路20。
請續參閱圖1，同步整流裝置100包括一次級側開關120、一第一控制電路200、一第二控制電路300、一隔離耦合元件400。其中第一控制電路200及第二控制電路300分別耦接轉換電路20，隔離耦合元件400耦接於第一控制電路200及第二控制電路300之間。第一控制電路200及第二控制電路300用於控制轉換電路20，使轉換電路20得以轉換輸入電力Sin 成感應電力Sout 。其中第一控制電路200提供一第一控制訊號SSW 以控制轉換電路20，轉換電路20則依據第一控制訊號SSW 以接收輸入電力Sin 。而第二控制電路300輸出一第二控制訊號SSR 以控制轉換電路20，轉換電路20則依據第二控制訊號SSR 以產生感應電力Sout 。並且次級側開關120響應感應電力Sout 產生一啟動訊號SON 及一關閉訊號SOFF 。隔離耦合元件400用於響應第一控制訊號SSW 以產生一耦合訊號SCO 。具體而言，第二控制電路300輸出的第二控制訊號SSR 是透過次級側開關120以調整感應電力Sout 。而第二控制電路300依據耦合訊號SCO 、啟動訊號SON 及關閉訊號SOFF 而輸出第二控制訊號SSR 。
承上，需特別說明的是第一控制電路200與第二控制電路300之間的運作情形，第一控制電路200是透過隔離耦合元件400及轉換電路20以控制第二控制電路300。
在一些實施例，電源供應器10例如但不限於操作在交流電轉直流電。而電源供應器10更包括一整流電路（圖中未繪示）。整流電路用於轉換外部輸入的一交流電力（圖中未繪示）成直流電的輸入電力Sin 以供轉換電路20接收。而轉換電路20處理的輸入電力Sin 及感應電力Sout 皆為直流電力。
請續參閱圖1，在一些實施例，轉換電路20包括一初級側線圈L1及一次級側線圈L2。其中初級側線圈L1用於接收一輸入電力Sin ，而次級側線圈L2響應輸入電力Sin 而產生一感應電力Sout 。初級側線圈L1及次級側線圈L2之間是藉由電磁感應做能量轉換。具體而言，當初級側線圈L1依據第一控制訊號SSW 而接收輸入電力Sin 時，次級側線圈L2響應輸入電力Sin 而產生的感應電力Sout 會逐漸減小。反之，當初級側線圈L1依據第一控制訊號SSW 而不接收輸入電力Sin 時，次級側線圈L2響應輸入電力Sin 而產生的感應電力Sout 會逐漸增大。
請參閱圖2，圖2繪示依據本案一些實施例的同步整流裝置100的電路圖。在一些實施例中，電源供應器10包括二輸入端Nin 。其中二輸入端Nin 用於接收輸入電力Sin ，而初級側線圈L1依據輸入電力Sin 傳遞能量至次級側線圈L2。
請續參閱圖2，在一些實施例，同步整流裝置100更包括一初級側開關110。其中初級側開關110具有一控制極Eg 、一第一極Ed 及一第二極Es 。初級側開關110的控制極Eg 耦接於第一控制電路200。初級側線圈L1耦接於二輸入端Nin 的一端與第一極Ed 之間。而二輸入端Nin 的另一端則耦接第二極Es 。初級側開關110依據第一控制訊號SSW 而導通或斷開。具體而言，控制極Eg 依據第一控制訊號SSW 的變化，使得初級側開關110的第一極Ed 與第二極Es 之間為導通或斷開。並且，當初級側開關110的第一極Ed 與第二極Es 之間為導通時，初級側線圈L1接收輸入電力Sin 。當初級側開關110的第一極Ed 與第二極Es 之間為斷開時，初級側線圈L1不接收輸入電力Sin 。換句話說，第一控制電路200輸出的第一控制訊號SSW 是透過初級側開關110以控制初級側線圈L1。
請參照圖3，圖3繪示依據本案一些實施例的同步整流裝置100的訊號圖。其中訊號圖的橫軸為時間T，訊號圖的縱軸為第一控制電壓VSW 、耦合電壓VCO 、判斷位準VFL 、感應電壓VSE 及第二控制電壓VSR 。在一些實施例中，第一控制電路200為一脈波寬度調變（Pulse Width Modulation，PWM）控制器，第一控制訊號SSW 為一週期性方波。其中每一個週期的第一控制訊號SSW 由一高位準及一低位準構成，並且每一週期的時長固定。而第一控制電路200控制高位準及低位準在每一個週期的時長之中各別占的比例。依據一些實施例，當第一控制訊號SSW 為高位準時，初級側開關110為導通。
請續參閱圖2，在一些實施例中，電源供應器10包括二輸出端Nout 。其中二輸出端Nout 用於輸出感應電力Sout ，次級側線圈L2用於接收初級側線圈L1傳遞的能量以產生感應電力Sout 。
請續參閱圖2，在一些實施例中，同步整流裝置100包括一次級側二極體D2。次級側開關120具有一控制端Ng 、一第一端Nd 及一第二端Ns 。其中次級側二極體D2耦接於次級側開關120的第一端Nd 及第二端Ns 之間。次級側開關120的控制端Ng 、第一端Nd 及第二端Ns 則分別耦接於第二控制電路300。次級側線圈L2耦接於二輸出端Nout 的一端與第一端Nd 之間。而二輸出端Nout 的另一端則耦接第二端Ns 。次級側開關120依據第二控制訊號SSR 而導通或斷開。具體而言，控制端Ng 會依據第二控制訊號SSR 的變化，使得次級側開關120的第一端Nd 與第二端Ns 之間為導通或斷開。次級側二極體D2用於在次級側開關120斷開時，使感應電力Sout 得以流過第一端Nd 與第二端Ns 之間。依據一些實施例，次級側二極體D2為次級側開關120的寄生元件。
在一些實施例，由於第一控制電路200透過隔離耦合元件400及轉換電路20以控制第二控制電路300，第二控制訊號SSR 使次級側開關120導通的時間與第一控制訊號SSW 使初級側開關110導通的時間不重疊。換句話說，當初級側開關110為導通時，次級側開關120為斷開。因此同步整流裝置100能避免初級側開關110及次級側開關120同時導通而短路。
請同時參照圖2及圖4，圖4繪示依據本案一些實施例的感應電壓VSE 的訊號圖。其中訊號圖的橫軸為時間T，訊號圖的縱軸為第一控制電壓VSW 、操作電壓VDS 、感應電壓VSE 及第二控制電壓VSR 。在一些實施例，次級側開關120具有一操作電壓VDS ，操作電壓VDS 為第一端Nd 與第二端Ns 之間的電位差，操作電壓VDS 會受感應電力Sout 影響而變動。具體而言，當感應電力Sout 通過次級側開關120或次級側二極體D2時，次級側開關120在第一端Nd 與第二端Ns 之間累積的電荷會依據感應電力Sout 的電流方向增加或減少，因此操作電壓VDS 的大小會隨感應電力Sout 而改變。當操作電壓VDS 符合特定的多個感應電壓VSE （啟動電壓VON 及關閉電壓VOFF 皆為感應電壓VSE ）的其中之一時，次級側開關120產生對應的啟動訊號SON 或關閉訊號SOFF 。其中當操作電壓VDS 符合對應的啟動電壓VON 時，次級側開關120產生對應的啟動訊號SON 。當操作電壓VDS 符合對應的關閉電壓VOFF 時，次級側開關120產生對應的關閉訊號SOFF 。需特別說明的是，感應電壓VSE 對時間T的訊號圖僅供示意啟動訊號SON 及關閉訊號SOFF 的時序。
承上，在一些實施例，由於次級側開關120用於依據第二控制訊號SSR 而導通或斷開以調整感應電力Sout 。當次級側開關120導通時，由於操作電壓VDS 可視為零，因此感應電力Sout 不受次級側開關120限制，轉換電路20能正常輸出感應電力Sout 。當初級側開關110斷開時，感應電力Sout 則受限於次級側二極體D2，因此轉換電路20無法正常輸出感應電力Sout 。
請續參閱圖2及圖3，在一些實施例，隔離耦合元件400包括一接收側410及一反應側420。其中接收側410耦接於第一控制電路200與一接地端GND之間，反應側420耦接於第二控制電路300及一參考電位端P1之間。接收側410用於接收第一控制訊號SSW 。反應側420用於響應第一控制訊號SSW 以產生耦合訊號SCO 。具體而言，隔離耦合元件400用於將第一控制電路200輸出的第一控制訊號SSW 以耦合訊號SCO 的形式傳遞至第二控制電路300。當流經接收側410的第一控制訊號SSW 符合隔離耦合元件400的預設閾值時，反應側420產生對應於第一控制訊號SSW 的耦合訊號SCO ，並且反應側420輸出耦合訊號SCO 至第二控制電路300。依據一些實施例，當第一控制訊號SSW 為高位準時，反應側420產生耦合訊號SCO ，其中耦合訊號SCO 的時長對應於第一控制訊號SSW 為高位準的時長。
承上，在一些實施例中，隔離耦合元件400用於隔離第一控制電路200及第二控制電路300，以及隔離初級側開關110及次級側開關120，因此隔離耦合元件400避免初級側開關110及次級側開關120因為異常突波而互相影響。依據一些實施例中，隔離耦合元件400為一光耦合器。
請續參閱圖2及圖3，在一些實施例中，第二控制電路300依據耦合訊號SCO 、啟動訊號SON 及關閉訊號SOFF 而輸出第二控制訊號SSR 。其中耦合訊號SCO 及啟動訊號SON 用於驅動第二控制電路300開始輸出第二控制訊號SSR 。而關閉訊號SOFF 用於驅動第二控制電路300停止輸出第二控制訊號SSR 。換句話說，當第二控制電路300接收關閉訊號SOFF 時，第二控制電路300停止輸出第二控制訊號SSR ，而次級側開關120因此為斷開。
承上，在一些實施例，第二控制電路300更包括一位準產生電路310。位準產生電路310用於提供一判斷位準VFL ，而判斷位準VFL 用於供第二控制電路300調整第二控制訊號SSR 。其中位準產生電路310響應耦合訊號SCO 以調整判斷位準VFL 為一第一準位F1。並且位準產生電路310響應啟動訊號SON 以調整判斷位準VFL 為一第二準位F2。
依據一些實施例，當判斷位準VFL 為第一準位F1時，第二控制電路300依據啟動訊號SON 調整第二控制訊號SSR 並使次級側開關120為導通。換句話說，第二控制電路300需同時接收啟動訊號SON 以及偵測判斷位準VFL 為第一準位F1時，第二控制電路300開始輸出第二控制訊號SSR ，而次級側開關120依據第二控制訊號SSR 為導通。由於第二控制電路300需同時驗證第一控制電路200透過隔離耦合元件400傳遞的耦合訊號SCO 及轉換電路20傳遞的啟動訊號SON ，因此同步整流裝置100能避免初級側開關110及次級側開關120同時導通而造成短路的情形。
需特別說明的是，在一些實施例，當位準產生電路310接收耦合訊號SCO 時，位準產生電路310切換判斷位準VFL 從第二準位F2為第一準位F1。當位準產生電路310接收啟動訊號SON ，並且第二控制電路300開始輸出第二控制訊號SSR 使次級側開關120導通之後，位準產生電路310切換判斷位準VFL 從第一準位F1為第二準位F2。
請參照圖5，圖5繪示依據本案一些實施例的計數時間T1的訊號圖。同步整流裝置100更包括一計數電路500，計數電路500耦接位準產生電路310。計數電路500依據一計數時間T1調整判斷位準VFL 。其中，當判斷位準VFL 為第一準位F1的時長超過計數時間T1時，計數電路500調整判斷位準VFL 為第二準位F2。具體而言，當判斷位準VFL 一直為第一準位F1時，次級側開關120容易因為錯誤的啟動訊號SON 而誤導通。因此計數電路500調整判斷位準VFL 從第一準位F1為第二準位F2以達到同步整流裝置100重置的功能。
請參閱圖6，圖6繪示依據本案一些實施例的同步整流方法的流程圖。在一些實施例，一種同步整流方法包括以下步驟：
步驟S100：依據第一控制訊號SSW 轉換輸入電力Sin 成感應電力Sout ；
步驟S120：依據感應電力Sout 產生啟動訊號SON 及關閉訊號SOFF ；
步驟S140：響應第一控制訊號SSW 以產生耦合訊號SCO ；
步驟S160：依據耦合訊號SCO 、啟動訊號SON 及關閉訊號SOFF 而輸出第二控制訊號SSR ；及
步驟S180：依據第二控制訊號SSR 調整感應電力Sout 。
依據一些實施例，同步整流方法更包括依據判斷位準VFL 調整第二控制訊號SSR ，其中響應耦合訊號SCO 以調整判斷位準VFL 為第一準位F1，並響應啟動訊號SON 以調整判斷位準VFL 為第二準位F2。
依據一些實施例，同步整流方法更包括依據計數時間T1調整判斷位準VFL ，其中當判斷位準VFL 為第一準位F1的時間超過計數時間T1時，調整判斷位準VFL 為第二準位F2。
綜上，本案之同步整流裝置100及其方法依據耦合訊號SCO 、啟動訊號SON 及關閉訊號SOFF 而輸出第二控制訊號SSR 以調整感應電力Sout ，同步整流裝置100能避免初級側開關110及次級側開關120同時導通而造成短路的情形。在一些實施例，同步整流裝置100及其方法更包括依據計數時間T1調整判斷位準VFL ，因此同步整流裝置100具有重置的功能。
10:電源供應器100:同步整流裝置110:初級側開關120:次級側開關200:第一控制電路300:第二控制電路310:位準產生電路400:隔離耦合元件410 接收側420:反應側500:計數電路Sin:輸入電力Sout:感應電力SSW:第一控制訊號SSR:第二控制訊號SCO:耦合訊號SON:啟動訊號SOFF:關閉訊號Nin:二輸入端Nout:二輸出端L1:初級側線圈L2:次級側線圈GND:接地端P1:參考電位端Eg:控制極Ed:第一極Es:第二極Ng:控制端Nd:第一端Ns:第二端VSW:第一控制電壓VCO:耦合電壓VFL:判斷位準VSE:感應電壓VON:啟動電壓VOFF:關閉電壓VSE:感應電壓VSR:第二控制電壓VDS:操作電壓F1:第一準位F2:第二準位T:時間T1:計數時間S100-S180:步驟20:轉換電路D2:次級側二極體
圖1繪示依據本案一些實施例的同步整流裝置的方塊圖。 圖2繪示依據本案一些實施例的同步整流裝置的電路圖。 圖3繪示依據本案一些實施例的同步整流裝置的訊號圖。 圖4繪示依據本案一些實施例的感應電壓的訊號圖。 圖5繪示依據本案一些實施例的計數時間的訊號圖。 圖6繪示依據本案一些實施例的同步整流方法的流程圖。
10:電源供應器
100:同步整流裝置
110:初級側開關
120:次級側開關
200:第一控制電路
300:第二控制電路
310:位準產生電路
400:隔離耦合元件
410:接收側
420:反應側
500:計數電路
Sin:輸入電力
Sout:感應電力
SSW:第一控制訊號
SSR:第二控制訊號
SCO:耦合訊號
SON:啟動訊號
SOFF:關閉訊號
L1:初級側線圈
L2:次級側線圈
20:轉換電路
D2:次級側二極體
Nin:二輸入端
Nout:二輸出端
Eg:控制極
Ed:第一極
Es:第二極
Ng:控制端
Nd:第一端
Ns:第二端
GND:接地端
P1:參考電位端

Claims (10)

  1. 一種同步整流裝置，適於控制一轉換電路，該轉換電路包括一初級側線圈及一次級側線圈，其中該初級側線圈用於接收一輸入電力，而該次級側線圈響應該輸入電力而產生一感應電力，該同步整流裝置包括： 一第一控制電路，用於提供一第一控制訊號以控制該初級側線圈； 一次級側開關，依據該感應電力以產生一啟動訊號及一關閉訊號； 一隔離耦合元件，包括： 一接收側，用於接收該第一控制訊號；及 一反應側，響應該第一控制訊號以產生一耦合訊號；及 一第二控制電路，依據該耦合訊號、該啟動訊號及該關閉訊號而輸出一第二控制訊號以調整該感應電力。
  2. 如請求項1所述的同步整流裝置，其中該次級側開關用於依據該第二控制訊號而導通或斷開以調整該感應電力。
  3. 如請求項2所述的同步整流裝置，更包括：一初級側開關，依據該第一控制訊號而導通或斷開，其中，當該初級側開關為導通時，該次級側開關為斷開。
  4. 如請求項3所述的同步整流裝置，其中，該第二控制電路依據該關閉訊號調整該第二控制訊號並使該次級側開關為斷開。
  5. 如請求項3所述的同步整流裝置，其中該第二控制電路包括：一位準產生電路，以提供一判斷位準供該第二控制電路調整該第二控制訊號。
  6. 如請求項5所述的同步整流裝置，其中，該位準產生電路響應該耦合訊號以調整該判斷位準為一第一準位。
  7. 如請求項6所述的同步整流裝置，其中，該位準產生電路響應該啟動訊號以調整該判斷位準為一第二準位。
  8. 如請求項7所述的同步整流裝置，其中，當該判斷位準為該第一準位時，該第二控制電路依據該啟動訊號調整該第二控制訊號並使該次級側開關為導通。
  9. 如請求項7所述的同步整流裝置，更包括：一計數電路，依據一計數時間調整該判斷位準。
  10. 如請求項9所述的同步整流裝置，其中，當該判斷位準為該第一準位的時長超過該計數時間時，該計數電路調整該判斷位準為該第二準位。
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