TW202027394A - 有源箝位電路 - Google Patents

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亞歷山大 瑞迪克
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Abstract

一種有源箝位電路包括：一有源箝位開關，該有源箝位開關具有一汲極節點及一源極節點；一有源箝位電容器，該有源箝位電容器與該有源箝位開關以一串聯組合耦接；一延遲電路；及一有源箝位控制器電路，該有源箝位控制器電路耦接至該有源箝位開關且耦接至該延遲電路。該有源箝位控制器電路經組態以：i)基於該有源箝位開關之該汲極節點及該源極節點兩端形成的一電壓接收一有源箝位開關電壓，ii)基於該有源箝位開關電壓之一電壓幅值啟用該有源箝位開關，及iii)基於藉由該延遲電路產生的一延遲信號停用該有源箝位開關。

Description

有源箝位電路
相關申請案
本申請案主張2019年10月28日申請且題為「有源箝位電路(Active Clamp Circuit)」之美國專利申請案第16/665,237號的權益，該案為2019年1月14日申請、題為「有源箝位電路(Active Clamp Circuit)」且作為美國專利第10,461,626號頒予的美國專利申請案第16/247,227號的接續案；前述各案之全部皆以全文引用之方式倂入本文中。
本發明係有關於有源箝位電路。
開關模式功率供應器(Switch-mode power supplies, SMPS)為現代電子裝置中之功率管理部件。開關模式功率供應器向多個負載提供有效且流電隔離之功率，等等。為了達成高的功率處理效率及/或流電隔離，習知地需要一或多個磁耦合元件、半導體開關及相關聯之閘極驅動器電路。
磁耦合元件常常遭受重大漏電感現象，該漏電感現象使對用以控制半導體開關峰值汲極至源極電壓的價格實惠之電壓吸收器電路的需要成為必需。因為SMPS之價格敏感本質，吸收器電路習知地限於具成本效益的無源且有功率損耗之電阻器-電容器-二極體(resistor-capacitor-diode；RCD)組態。
在一些實施例中，一種有源箝位電路包括：一有源箝位開關，該有源箝位開關具有一汲極節點及一源極節點；一有源箝位電容器，該有源箝位電容器與該有源箝位開關以一串聯組合耦接；一延遲電路；及一有源箝位控制器電路。該有源箝位控制器電路耦接至該有源箝位開關且耦接至該延遲電路。該有源箝位控制器電路經組態以：i)基於該有源箝位開關之該汲極節點及該源極節點兩端形成的一電壓接收一有源箝位開關電壓，ii)基於該有源箝位開關電壓之一電壓幅值啟用該有源箝位開關，及iii)基於藉由該延遲電路產生的一延遲信號停用該有源箝位開關。
在一些實施例中，一種功率轉換器包括具有一初級繞組及一次級繞組的一變壓器。該初級繞組之一第一繞組節點經組態以耦接至一電壓源以接收一輸入電壓。該次級繞組經組態以耦接至一負載以自該輸入電壓提供一輸出電壓。該功率轉換器包括一有源箝位電路及一主開關，該主開關耦接至該初級繞組之一第二繞組節點以控制通過該初級繞組的一電流。該有源箝位電路包括：一有源箝位開關，該有源箝位開關具有一汲極節點及一源極節點；一有源箝位電容器，該有源箝位電容器與該有源箝位開關以一串聯電路組合耦接；一延遲電路；及一有源箝位控制器電路。該有源箝位控制器電路耦接至該有源箝位開關且耦接至該延遲電路。該有源箝位控制器電路經組態以：i)基於該有源箝位開關之該汲極節點及該源極節點兩端形成的一電壓接收一有源箝位開關電壓，ii)基於該有源箝位開關電壓之一電壓幅值啟用該有源箝位開關，及iii)基於藉由該延遲電路產生的一延遲信號停用該有源箝位開關。
本文中所描述之一些實施例提供一種用於功率轉換器中的低成本自驅動式有源箝位電路及自驅動式有源箝位方法，該功率轉換器使用變壓器將輸入電壓轉換為輸出電壓。在一些實施例中，本文中所描述之自驅動式有源箝位電路替換習知功率轉換器之電阻器-電容器-二極體(resistor-capacitor-diode, RCD)吸收器電路的二極體，從而將習知功率轉換器有利地轉換成具有自驅動式箝位功能之功率轉換器而不需要改變功率轉換器之額外控制電路(諸如，初級側功率管理積體電路，或次級側同步開關控制器積體電路)。在其他實施例中，將自驅動式有源箝位電路整合至功率轉換器之初始設計中。在任一實施例中，對功率轉換器之控制相較於習知解決方案得以有利地簡化。
在對於功率損耗及熱產生敏感之系統中，有損部件中呈熱之形式的耗散為不合適的。因此，系統內使用有源箝位組態之能量的回收利用為系統提供形式因數減小及功率效率改良的機會。另外，箝位開關功率電晶體之最大汲極-源極電壓允許裝置可靠性增大及具有改良之效率指數(figure-of-merit, FOM)之功率電晶體的使用。改良之FOM使得SMPS能夠以較高開關頻率操作同時維持高功率處理效率。此外，箝位開關功率電晶體之最大汲極-源極電壓允許SMPS無功部件之大小及成本有所減小。
相較於RCD吸收器電路，自驅動式有源箝位電路藉由使儲存於變壓器之漏電感中的能量回收利用來有利地增大功率轉換器的功率處理效率。根據一些實施例，自驅動式有源箝位電路箝位功率轉換器之主開關的初級側峰值電壓，此舉使得功率轉換器能夠利用具有較低電壓額定值的初級側及/或次級側開關，從而在開關導通及/或開關期間產生減小的功率損耗。
在一些實施例中，自驅動式有源箝位電路基於如下兩者之間的比較來啟用有源箝位開關：參考電壓；與有源箝位開關之汲極節點及源極節點兩端形成的電壓，或者該電壓之衰減表示。在此類實施例中，自驅動式有源箝位電路在延遲過期時停用有源箝位開關。延遲回應於有源箝位開關經啟用而起始。在此類實施例中，有利地，有源箝位電路可使用低成本電壓比較放大器來實施。另外，自驅動式有源箝位電路之接通時間相較於習知有源箝位解決方案可得以有利地減小，此係因為有源箝位開關並不需要與主開關接通時間一致。因此，相較於習知箝位電路中使用的有源箝位電容器，可利用較小有源箝位電容器，此係因為有源箝位電路的諧振週期較短。因為有源箝位電容器為高壓部件，所以使用較小電容可致使顯著的成本減小益處。
圖1為習知功率轉換器(「轉換器」) 100的簡化電路示意圖。轉換器100之一些元件已自圖1省略以簡化轉換器100的描述，但應理解為存在的。在轉換器100處接收到電壓源Vin ’。Vin ’可作為交流電(alternating current, AC)或直流電(direct current, DC)提供。轉換器100之輸入側通常包括輸入電壓濾波器區塊122、整流器區塊116 (在AC輸入之狀況下)、輸入電壓緩衝器電容器C1、RCD吸收器電路區塊114 (其包括電容器C2、電阻器R1及二極體D1)、藉由脈寬調變(pulse-width-modulation, PWM)信號PWMM1 驅動之主開關M1’及主開關控制器電路(「控制器」) 118。輸入電壓濾波器區塊122、整流器區塊116及輸入緩衝器電容器C1提供經濾波、緩衝、整流或以其他方式調節的輸入電壓Vin 至變壓器102。
變壓器102將功率自轉換器100之輸入側傳送至轉換器100之輸出側，且通常包括具有第一節點108及第二節點110的初級繞組104以及次級繞組106。轉換器100之輸出側通常包括輸出緩衝器電路112、同步整流器開關M2’、同步整流器開關控制器電路(「控制器」) 120及負載RL ’。
第一節點108接收Vin 。第二節點110耦接至主開關M1’的汲極節點。主開關M1’控制通過初級繞組104之電流以在轉換器100之開關週期的第一部分期間對變壓器102之勵磁電感LM 105充電。同步整流器開關M2’控制通過次級繞組106之電流以在開關週期之後續部分期間使變壓器102放電至輸出緩衝器電路112及負載中。
當主開關M1’在開關週期之第一部分期間藉由控制器118啟用時，電流流過初級繞組104至諸如接地之電壓偏壓節點。電流流過初級繞組104使得能量儲存於變壓器102之勵磁電感LM 105及漏電感LL (圖中未示)中。當主開關M1’在開關週期之後續部分中停用時，輸出緩衝器電路112處產生輸出電壓Vout ，且所述輸出電壓Vout 被提供至負載RL ’。當主開關M1’關斷時，第二節點110處主開關M1’之汲極節點處形成反射電壓(nVout )。反射電壓nVout 對第二節點110處主開關M1’之汲極-源極電壓VdsM1 的貢獻表達為： VdsM1 = Vin + nVout (等式1) 其中n為變壓器102之匝數比。儲存於變壓器102之漏電感LL 中的能量亦對第二節點110處形成之電壓VdsM1 有貢獻。
RCD吸收器電路114防止電壓VdsM1 增大至損害主開關M1’之位準。隨著VdsM1 升高，二極體D1變為正向偏壓，且電流流動至電容器C2中且流動至電阻器R1中以耗散能量，藉此箝位VdsM1 至在主開關M1’之安全操作範圍內的位準。然而，在對於功率損耗及熱產生敏感之系統中，有損部件(例如，電阻器R1)中之呈熱之形式的耗散為不合適的。為了進一步增大轉換器100之效率，二極體D1可用藉由有源箝位驅動信號驅動之有源驅動式箝位開關替換。然而，習知有源箝位電路要求來自控制器118之控制信號或其他同步構件。因此，使用並非已經組態以支援習知有源箝位之控制器118的轉換器100可能並不易於修改以實施有源箝位。
圖2為根據一些實施例之具有自驅動式有源箝位電路214之功率轉換器(「轉換器」) 200的簡化電路示意圖。轉換器200之一些元件已自圖2省略以簡化轉換器200的描述，但應理解為存在的。轉換器200之一些元件類似於轉換器100的元件(例如，主開關M1類似於主開關M1’)。然而，在所展示之實施例中，轉換器100之吸收器電路114的全部或一部分(例如，二極體D1)已由自驅動式有源箝位電路(「有源箝位電路」) 214替換。在一些實施例中，習知RCD 114之電阻器R1可有利地自有源箝位電路214省略，從而提供進一步成本節省及功率效率的改良。一般而言，轉換器200包括經組態以接收輸入電壓的輸入側，及經組態以自輸入電壓提供輸出電壓的輸出側，輸入側藉由變壓器202耦接至輸出側。變壓器202將功率自轉換器200之輸入側傳送至轉換器200的輸出側，且通常包括初級繞組204及次級繞組206。初級繞組204包括第一繞組節點208及第二繞組節點210。轉換器200之輸入側通常包括輸入濾波器區塊222、整流器區塊216、輸入電壓緩衝器電容器C1、主開關M1、自驅動式有源箝位電路(「有源箝位電路」) 214及主開關控制器218。變壓器202之勵磁電感LM 說明為繞組205。類似於參看圖1之節點108及節點110所描述，節點208接收輸入電壓Vin 且節點210接收主開關M1的汲極-源極電壓VdsM1 。
轉換器200之輸出側通常包括輸出緩衝器212、同步整流器開關M2、同步整流器開關控制器電路(「控制器」) 220及負載RL 。如圖所示，自驅動式有源箝位電路214連接於節點208與節點210之間。在一些實施例中，主開關M1及/或同步整流器開關M2中之一或兩者為場效電晶體(field-effect transistor, FET)，前述開關各自具有汲極節點、源極節點及閘極節點以控制汲極節點與源極節點之間的電流之傳導。在其他實施例中，同步整流器開關M2用二極體替換。
有利地，在一些實施例中，有源箝位電路214可替換轉換器100之吸收器電路114而不對轉換器100進行顯著修改(例如，轉換器並不需要來自控制器218、220的控制信號或其他同步信號)。因此，在此類實施例中，製造有類似於吸收器電路114之吸收器電路的轉換器100可經修改而具有自驅動式有源箝位電路214以執行有源箝位。舉例而言，在一些實施例中，習知吸收器電路114之二極體D1可用自驅動式有源箝位電路214替換。在其他實施例中，轉換器200可經設計及或製造以包括自驅動式有源箝位電路214。在此類實施例中，如與習知解決方案相比較，對轉換器200之控制有利地得以簡化。
圖3為根據一些實施例之參看圖2介紹之轉換器200之自驅動式有源箝位電路214的簡化電路示意圖。自驅動式有源箝位電路214之一些元件已自圖3省略以簡化自驅動式有源箝位電路214的描述，但應理解為存在的。
有源箝位電路214防止電壓VdsM1 增大至損害主開關M1之位準。有源箝位電路214通常包括有源箝位電容器C3、有源箝位開關M3、延遲電路302、有源箝位控制器電路304、閘極驅動器電路306及分壓器電路313。延遲電路302通常包括電阻器R4、R5、R6，電容器C4，及電壓比較電路310。有源箝位控制器電路304通常包括電壓比較電路316及邏輯電路318。在一些實施例中，有源箝位控制器電路304包括參考電壓源312 (例如，帶隙)。在其他實施例中，參考電壓源312係在有源箝位控制器電路304外部。在所展示之實施例中，分壓器電路313包括電阻器R2、R3。在其他實施例中，分壓器電路313包括適用於基於輸入電壓產生衰減電壓的其他或額外電路部件。有源箝位開關M3包括體二極體、汲極節點(「D」)、源極節點(「S」)及閘極節點(「G」) (亦即，開關控制節點)。
有源箝位電容器C3與有源箝位開關M3以串聯電路組合連接。有源箝位控制器電路304經由閘極驅動器電路306耦接至有源箝位開關M3的閘極節點G。閘極驅動器電路306耦接至偏壓電壓Vcc且耦接至節點210以接收幹線電壓。有源箝位控制器電路304經組態以在節點308處接收有源箝位開關電壓(Vac ) 307。有源箝位開關電壓307係基於有源箝位開關M3之汲極節點D及源極節點S兩端形成之電壓(VdsM3 )。有源箝位控制器電路304基於有源箝位開關電壓307之電壓幅值啟用(接通)有源箝位開關M3，且在時間延遲過期時基於藉由延遲電路302產生的延遲信號305而停用(亦即，關斷)有源箝位開關M3。藉由延遲電路302提供之時間延遲回應於有源箝位開關M3被啟用而起始，且在延遲之持續時間已經過之後過期。一接收到延遲信號305，有源箝位控制器電路304便可停用有源箝位開關M3。
有源箝位開關電壓(Vac ) 307藉由分壓器電路313產生以接收有源箝位開關M3的汲極-源極電壓VdsM3 ，該分壓器電路直接連接在有源箝位開關M3之汲極節點D及源極節點S兩端。在一些實施例中，分壓器電路313包括電阻器R2及R3的串聯組合。在此類實施例中，電阻器R2之第一端子直接連接至有源箝位開關M3之汲極節點D，電阻器R2之第二端子耦接至電阻器R3的第一端子，且電阻器R3之第二端子直接連接至有源箝位開關M3的源極節點S。
參考電壓源312產生參考電壓314。電壓比較電路(例如，比較器) 316在負極端子(「-」)處自節點308接收有源箝位開關電壓307，且在正極端子(「+」)處接收參考電壓314。電壓比較電路316基於有源箝位開關電壓307與參考電壓314的比較而產生電壓比較信號(Vcmp ) 317。在此類實施例中，當有源箝位開關電壓307低於參考電壓314時，有源箝位開關M3經啟用。
邏輯電路318包括設定-重設(set-reset, SR)鎖存電路。邏輯電路318之SR鎖存電路的設定(SET)端子經組態以接收電壓比較信號317。回應於在SET端子處接收到電壓比較信號317的正邊緣，邏輯電路318發射處於第一位準(例如，宣告的位準)的脈寬調變(pulse-width-modulation, PWM)信號319 (亦即，有源箝位開關控制信號PWMM3 )以啟用有源箝位開關M3。
在轉換器200之輕負載操作期間，汲極-源極電壓相較於在非輕負載期間的汲極-源極電壓可小數百伏特。有利地，除充當分壓器外，電阻器R2、R3之串聯組合實施有源箝位電路214的低功率模式。即，汲極-源極電壓VdsM3 在宣告SET端子處之電壓比較信號317之前已升高至足夠高的位準。
邏輯電路318之SR鎖存電路的重設(RESET)端子經組態以接收延遲信號305。回應於在RESET端子處接收到延遲信號305，邏輯電路318發射處於第二位準(例如，解除宣告的位準)之PWMM3 信號319以停用有源箝位開關M3。此外，邏輯電路318經組態以在上電重設(power-on-reset, POR)端子處自節點320接收POR信號，且經組態以在過溫保護(over-temperature-protection, OTP)端子處自節點322接收OTP信號。邏輯電路318經組態以回應於接收POR或OTP信號中之任一者而停用有源箝位開關M3。在一些實施例中，POR信號藉由POR電路(圖中未示)產生，且OTP信號藉由OTP電路(圖中未示)產生。經組態以產生POR及OTP信號之電路藉由一般熟習此項技術者來理解。
延遲電路302包括串聯連接之電阻器R4、R5的電阻分壓器電路，其經組態以在第一端子處接收偏壓電壓Vcc且在第二端子處自有源箝位開關M3之源極節點接收電壓Vs。電阻分壓器電路R4、R5產生延遲閾值電壓(Vthr ) 309，其在電壓比較電路310之負極端子(「-」)處接收到。電容器C4及電阻器R6的電阻器-電容器(resistor-capacitor, RC)電路接收PWMM3 信號319，且隨著電容器C4藉由PWMM3 信號319充電而產生斜坡信號(VRC ) 311。電壓比較電路310在正極端子(「+」)處接收斜坡信號311，且比較斜坡信號311與延遲閾值電壓309。當斜坡信號311等於或大於延遲閾值電壓309時，電壓比較電路310發射延遲信號305。因此，藉由延遲電路302提供之延遲的持續時間基於電阻器R4、R5、R6以及電容器C4的值之選擇而組態。在邏輯電路318之RESET端子處接收到延遲信號305，且回應地，邏輯電路318藉由如先前所描述發射處於第二位準之PWMM3 信號319而停用有源箝位開關M3。
閘極驅動器電路306驅動(亦即，啟用並停用)有源箝位開關M3。在一些實施例中，有源箝位開關M3為電流雙向雙象限開關。有源箝位開關M3之閘極節點G控制電流在汲極節點D與源極節點S之間的傳導。有源箝位開關M3之汲極節點D及源極節點S與有源箝位電容器C3處於串聯電路組合狀態。在一些實施例中，有源箝位開關M3包括不同於體二極體之二極體，該二極體經組態以在二極體經正向偏壓時(例如，當足夠電壓在有源箝位開關M3之源極及汲極兩端形成時)在源極節點S與汲極節點D之間傳遞電流(在第一電流方向上)。當有源箝位開關M3之閘極節點G藉由開關控制信號驅動時，有源箝位開關M3雙向(例如，在第一電流方向及/或第二電流方向上)傳遞電流。在第一電流方向上，電流自初級繞組204、通過有源箝位開關M3流動且流動至有源箝位電容器C3中。在第二電流方向上，電流自有源箝位電容器C3、通過有源箝位開關M3流動且流動至初級繞組204中。
在開關週期之一部分中，當主開關M1及有源箝位開關M3皆關斷時，有源箝位開關電流isd 自初級繞組204通過有源箝位開關M3之體二極體流動且流動至有源箝位電容器C3。在開關週期之後續部分中，當主開關M1關斷且有源箝位開關M3接通時，電流isd 在有源箝位電容器C3、勵磁電感LM 及轉換器200之其他預期或寄生無功元件之間振盪。
圖4提供根據一些實施例的簡化實例圖形402、404、406、408及410，該等圖形圖示轉換器200 (包括有源箝位電路214的信號)在時間窗兩端之信號之間的關係。圖形402圖示主開關M1在時間窗兩端的全範圍電壓汲極-源極電壓(VdsM1 )。圖形404展示節點308處的有源箝位開關電壓(Vac ) 307。隨著主開關M1之汲極節點處的電壓VdsM1 升高，有源箝位開關電壓(Vac )將對應地降低(亦即，如相對於有源箝位開關M3之汲極節點D所量測)。當有源箝位開關電壓(Vac ) 307降低至低於參考電壓314 (展示為虛線VREF )的電壓位準時，電壓比較電路316宣告邏輯電路318之SR鎖存電路之SET輸入端處的升高邊緣，如以圖形406所展示。回應地，邏輯電路318發射宣告的PWMM3 信號，如以圖形410所展示，藉此啟用有源箝位開關M3且箝位(亦即，限制)節點210處之電壓VdsM1 至在主開關M1之安全操作範圍內的最大電壓。舉例而言，在一些實施例中，最大電壓為小於主開關M1之最大操作電壓的電壓。
宣告的PWMM3 信號亦起始延遲電路302之時間延遲。圖形408展示回應於宣告的PWMM3 信號升高的斜坡信號(VRC ) 311。當斜坡信號(VRC ) 311等於或大於延遲閾值電壓(Vthr ) 309時，延遲電路302宣告邏輯電路318之SR鎖存電路之RESET輸入端上的升高邊緣，如以圖形406所展示。回應地，邏輯電路318發射解除宣告的PWMM3 信號，如以圖形410所展示，藉此停用有源箝位開關M3。
圖5為根據一些實施例的用於箝位功率轉換器(例如，轉換器200)之主開關之電壓的實例程序500之一部分。特定步驟、步驟之次序及步驟的組合僅係出於說明性及解釋性目的而展示。其他實施例可實施不同特定步驟、步驟次序及步驟之組合以達成類似功能或結果。在步驟502處，在功率轉換器(200)之變壓器(202)之初級繞組(204)處接收輸入電壓。在步驟504處，使用功率轉換器(200)之主開關(M1)控制通過初級繞組(204)之電流。在步驟506處，使用有源箝位電路(214)之有源箝位開關(M3)將主開關(亦即，第二節點210處)之電壓箝位至最大電壓。基於有源箝位開關(M3)兩端形成之有源箝位開關電壓(Vac )來啟用有源箝位開關(M3)，且有源箝位開關(M3)係基於延遲電路(302)而停用。
根據一些實施例，步驟506之細節呈現於圖6中。特定步驟、步驟之次序及步驟的組合僅係出於說明性及解釋性目的而展示。其他實施例可實施不同特定步驟、步驟次序及步驟之組合以達成類似功能或結果。
在步驟602處，在有源箝位電路(214)之有源箝位控制器電路(304)處接收有源箝位開關電壓(Vac )。在步驟604處，判定有源箝位開關電壓(307)是否小於參考電壓(314)。若有源箝位開關電壓(307)不小於參考電壓(314)，則流程返回至步驟602。有利地，若有源箝位開關M3之電壓VdsM3 從未升高高於參考電壓(314) (例如，在功率轉換器200之輕負載操作期間)，則處理流程將保持在步驟602處。在步驟604處，若判定有源箝位開關電壓(307)小於參考電壓(314)，則流程繼續至步驟606。在步驟606處，啟用有源箝位開關(M3)。當啟用有源箝位開關(M3)時，有源箝位電路(214)箝位(亦即，限制)功率轉換器(200)之主開關(M1)的電壓。在步驟608處，回應於有源箝位開關(M3)被啟用，起始有源箝位電路214之延遲電路(302)處的延遲。在610處，判定在步驟608處起始之延遲是否已過期。若延遲尚未過期，則流程保持於步驟610。若在步驟610處判定延遲已過期，則流程繼續至步驟612。在步驟612處，停用有源箝位開關(M3)。當停用有源箝位開關(M3)時，有源箝位電路(214)不再箝位功率轉換器(200)之主開關(M1)的電壓。
詳細參看了本發明之實施例，該等實施例之一或多個實例已在隨附諸圖中圖示。每一實例已藉助於當前技術之解釋而非作為當前技術之限制而提供。實際上，雖然說明書已關於本發明之特定實施例予以了描述，但應瞭解，熟習此項技術者在理解前述內容之後可易於設想到此等實施例之替代、變化及等效物。舉例而言，作為一個實施例之部分說明或描述的特徵可與另一實施例一起使用以產生又一實施例。因此，意欲本發明之標的物涵蓋在隨附申請專利範圍及其等效物之範疇內的所有此類修改及變化。對本發明之此等及其他修改及變化可藉由一般熟習此項技術者來實踐而不偏離本發明之範疇，本發明之範疇更特定而言係闡述於隨附申請專利範圍中。此外，一般熟習此項技術者將瞭解，前述描述內容係僅藉助於實例且並非意欲限制本發明。
100:習知功率轉換器/轉換器 102:變壓器 104:初級繞組 105:勵磁電感LM 106:次級繞組 108:第一節點 110:第二節點 112:輸出緩衝器電路 114:RCD吸收器電路區塊 116:整流器區塊 118:主開關控制器電路/控制器 120:同步整流器開關控制器電路/控制器 122:輸入電壓濾波器區塊 200:功率轉換器/轉換器 202:變壓器 204:初級繞組 205:繞組/勵磁電感LM 206:次級繞組 208:節點 210:節點 212:輸出緩衝器 214:自驅動式有源箝位電路 216:整流器區塊 218:主開關控制器 220:同步整流器開關控制器電路/控制器 222:輸入濾波器區塊 302:延遲電路 304:有源箝位控制器電路 305:延遲信號 306:閘極驅動器電路 307:有源箝位開關電壓(Vac) 308:節點 309:延遲閾值電壓(Vthr) 310:電壓比較電路 311:斜坡信號(VRC) 312:參考電壓源 313:分壓器電路 314:參考電壓/虛線VREF 316:電壓比較電路 317:電壓比較信號(Vcmp) 318:邏輯電路 319:脈寬調變(PWM)信號/PWMM3信號 320:節點 322:節點 402、404、406、408及410:簡化實例圖形 500:實例程序 502:步驟 504:步驟 506:步驟 602:步驟 604:步驟 606:步驟 608:步驟 610:步驟 612:步驟 C1:輸入電壓緩衝器電容器 C2:電容器 C3:有源箝位電容器 C4:電容器 D:汲極節點 D1:二極體 G:閘極節點 isd:有源箝位開關電流 nVout:反射電壓 L-L:漏電感 M1:主開關 M1’:主開關 M2:同步整流器開關 M2’:同步整流器開關 M3:有源箝位開關 PWMM1…脈寬調變(PWM)信號 R1、R2、R3、R4、R5、R6:電阻器 RL:負載 RL’:負載 S:源極節點 Vs:電壓 Vin:輸入電壓 Vin’:電壓源 VdsM1:汲極-源極電壓 Vcc:偏壓電壓 VdsM1:汲極-源極電壓 VdsM3:電壓 Vout:輸出電壓
圖1為習知功率轉換器的簡化電路示意圖。
圖2為根據一些實施例之功率轉換器的簡化電路示意圖。
圖3為根據一些實施例的例如用於展示於圖2中之功率轉換器中的低成本自驅動式有源箝位電路的簡化電路示意圖。
圖4展示根據一些實施例之與展示於圖3中之低成本自驅動式有源箝位電路相關之信號的簡化圖形。
圖5至圖6為根據一些實施例的用於使用展示於圖3中之自驅動式有源箝位電路來箝位展示於圖2中之功率轉換器之主開關之電壓的程序之數個部分。
208:節點
210:節點
214:自驅動式有源箝位電路
302:延遲電路
304:有源箝位控制器電路
305:延遲信號
306:閘極驅動器電路
307:有源箝位開關電壓(Vac)
308:節點
309:延遲閾值電壓(Vthr)
310:電壓比較電路
311:斜坡信號(VRC)
312:參考電壓源
313:分壓器電路
314:參考電壓/虛線VREF
316:電壓比較電路
317:電壓比較信號(Vcmp)
318:邏輯電路
319:脈寬調變(PWM)信號/PWMM3信號
320:節點
322:節點
C3:有源箝位電容器
C4:電容器
D:汲極節點
G:閘極節點
S:源極節點
isd:有源箝位開關電流
M3:有源箝位開關
R2、R3、R4、R5、R6:電阻器
Vs:電壓
Vin:輸入電壓
VdsM1:汲極-源極電壓
Vcc:偏壓電壓
VdsM3:電壓

Claims (37)

  1. 一種方法，包含： 基於一有源箝位開關之一汲極節點及一源極節點兩端形成之一電壓在一有源箝位控制器電路處接收一有源箝位開關電壓，該有源箝位開關與一有源箝位電容器以一串聯組合耦接； 基於該有源箝位開關電壓之一電壓幅值藉由該有源箝位控制器電路啟用該有源箝位開關； 基於一持續時間藉由一延遲電路產生一延遲信號，該持續時間與該有源箝位開關的一開關頻率成反比；及 回應於接收到藉由該延遲電路產生之該延遲信號而藉由該有源箝位控制器電路停用該有源箝位開關。
  2. 如請求項1之方法，進一步包含： 回應於該有源箝位開關被啟用而起始該延遲電路的一延遲；及 在該延遲之該持續時間已經過之後，藉由該延遲電路產生該延遲信號。
  3. 如請求項1之方法，進一步包含： 基於該有源箝位開關之該汲極節點及該源極節點兩端形成之該電壓藉由一分壓器電路產生該有源箝位開關電壓；及 在該有源箝位控制器電路處自該分壓器電路接收該有源箝位開關電壓。
  4. 如請求項3之方法，進一步包含： 藉由該有源箝位控制器電路之一電壓比較電路接收該有源箝位開關電壓； 藉由該電壓比較電路接收一參考電壓； 基於該有源箝位開關電壓與該參考電壓之一比較藉由該電壓比較電路產生一電壓比較信號；及 基於該電壓比較信號藉由該有源箝位控制器電路啟用該有源箝位開關。
  5. 如請求項4之方法，進一步包含： 在該有源箝位控制器電路之一鎖存電路處接收該電壓比較信號； 回應於接收到該電壓比較信號藉由該鎖存電路啟用該有源箝位開關； 在該鎖存電路處接收藉由該延遲電路產生的該延遲信號；及 回應於接收到該延遲信號藉由該鎖存電路停用該有源箝位開關。
  6. 如請求項1之方法，進一步包含： 基於一偏壓電壓及來自該有源箝位開關之該源極節點的一電壓藉由該延遲電路產生一閾值延遲電壓； 基於一有源箝位開關控制信號及來自該有源箝位開關之該源極節點的該電壓藉由該延遲電路產生一斜坡電壓，該有源箝位開關控制信號經組態以啟用並停用該有源箝位開關；及 基於該斜坡電壓與該閾值延遲電壓的一比較藉由該延遲電路產生該延遲信號。
  7. 如請求項1之方法，進一步包含： 藉由該有源箝位控制器電路接收一超溫指示信號或一上電重設信號中的一或兩者；及 回應於接收到該超溫指示信號或該上電重設信號中的任一者而藉由該有源箝位控制器電路停用該有源箝位開關。
  8. 如請求項1之方法，進一步包含： 藉由該有源箝位開關將另一開關之一節點處的一電壓箝位至一最大電壓。
  9. 如請求項8之方法，進一步包含： 藉由該另一開關控制通過一變壓器之一繞組的一電流。
  10. 一種方法，包含： 在一變壓器之一初級繞組處接收一輸入電壓； 使用一主開關控制通過該變壓器之該初級繞組的一電流以在該變壓器之一次級繞組處產生一輸出電壓； 基於一有源箝位開關之一汲極節點及一源極節點兩端形成之一電壓在一有源箝位控制器電路處接收一有源箝位開關電壓，該有源箝位開關與一有源箝位電容器以一串聯組合耦接； 基於該有源箝位開關電壓之一電壓幅值藉由該有源箝位控制器電路啟用該有源箝位開關； 基於一持續時間藉由一延遲電路產生一延遲信號，該持續時間與該有源箝位開關的一開關頻率成反比；及 回應於接收到藉由該延遲電路產生之該延遲信號而藉由該有源箝位控制器電路停用該有源箝位開關。
  11. 如請求項10之方法，進一步包含： 基於該有源箝位開關之該汲極節點及該源極節點兩端形成之該電壓藉由一分壓器電路產生該有源箝位開關電壓；及 在該有源箝位控制器電路處自該分壓器電路接收該有源箝位開關電壓。
  12. 如請求項11之方法，進一步包含： 藉由該有源箝位控制器電路之一電壓比較電路接收該有源箝位開關電壓； 藉由該電壓比較電路接收一參考電壓； 基於該有源箝位開關電壓與該參考電壓之一比較藉由該電壓比較電路產生一電壓比較信號；及 基於該電壓比較信號藉由該有源箝位控制器電路啟用該有源箝位開關。
  13. 如請求項12之方法，進一步包含： 在該有源箝位控制器電路之一鎖存電路處接收該電壓比較信號； 回應於接收到該電壓比較信號藉由該鎖存電路啟用該有源箝位開關； 在該鎖存電路處接收藉由該延遲電路產生的該延遲信號；及 回應於接收到該延遲信號藉由該鎖存電路停用該有源箝位開關。
  14. 如請求項10之方法，進一步包含： 基於一偏壓電壓及來自該有源箝位開關之該源極節點的一電壓藉由該延遲電路產生一閾值延遲電壓； 基於一有源箝位開關控制信號及來自該有源箝位開關之該源極節點的該電壓藉由該延遲電路產生一斜坡電壓，該有源箝位開關控制信號經組態以啟用並停用該有源箝位開關；及 基於該斜坡電壓與該閾值延遲電壓的一比較藉由該延遲電路產生該延遲信號。
  15. 如請求項10之方法，進一步包含： 藉由該有源箝位控制器電路接收一超溫指示信號或一上電重設信號中的一或兩者；及 回應於接收到該超溫指示信號或該上電重設信號中的任一者而藉由該有源箝位控制器電路停用該有源箝位開關。
  16. 如請求項10之方法，進一步包含： 藉由一主開關控制器電路控制該主開關以在該變壓器之該次級繞組處產生該輸出電壓； 其中： 該有源箝位控制器電路以通信方式與該主開關控制器電路隔離。
  17. 如請求項10之方法，其中： 藉由該有源箝位開關之一開關控制節點控制該有源箝位開關之該汲極節點與該源極節點之間的一有源箝位開關電流。
  18. 如請求項17之方法，進一步包含： 回應於該源極節點及該汲極節點兩端形成的一電壓藉由該有源箝位開關在該源極節點與該汲極節點之間傳遞該有源箝位開關電流；及 回應於在該開關控制節點處接收到之一開關控制信號藉由該有源箝位開關在該汲極節點與該源極節點之間傳遞該有源箝位開關電流。
  19. 一種有源箝位電路，包含： 一有源箝位開關，該有源箝位開關具有一汲極節點及一源極節點； 一有源箝位電容器，該有源箝位電容器與該有源箝位開關以一串聯組合耦接； 一延遲電路；及 一有源箝位控制器電路，該有源箝位控制器電路耦接至該有源箝位開關且耦接至該延遲電路，該有源箝位控制器電路經組態以：i)基於該有源箝位開關之該汲極節點及該源極節點兩端形成的一電壓接收一有源箝位開關電壓，ii)基於該有源箝位開關電壓之一電壓幅值啟用該有源箝位開關，及iii)基於藉由該延遲電路產生的一延遲信號停用該有源箝位開關。
  20. 如請求項19之有源箝位電路，其中： 該延遲電路之一延遲回應於該有源箝位開關被啟用而起始，且在該延遲之一持續時間已經過之後過期，該有源箝位開關在該延遲之該持續時間已經過之後被停用。
  21. 如請求項20之有源箝位電路，其中： 該延遲之該持續時間與該有源箝位開關之一開關頻率成反比。
  22. 如請求項19之有源箝位電路，進一步包含： 一分壓器電路，其直接連接在該有源箝位開關之該汲極節點及該源極節點兩端； 其中： 該分壓器電路經組態以基於該有源箝位開關之該汲極節點及該源極節點兩端形成的該電壓產生該有源箝位開關電壓；且 該有源箝位控制器電路經組態以自該分壓器電路接收該有源箝位開關電壓。
  23. 如請求項22之有源箝位電路，其中該有源箝位控制器電路進一步包含： 一電壓比較電路，其經組態以：i)接收該有源箝位開關電壓，ii)接收一參考電壓，及iii)基於該有源箝位開關電壓與該參考電壓的一比較而產生一電壓比較信號； 其中： 該有源箝位開關基於該電壓比較信號而啟用。
  24. 如請求項23之有源箝位電路，其中該有源箝位控制器電路進一步包含： 一邏輯電路，該邏輯電路包含一設定-重設(SR)鎖存電路； 其中： 該SR鎖存電路之一SET端子經組態以接收該電壓比較信號，該SR鎖存電路經組態以回應於在該SET端子處接收到該電壓比較信號來啟用該有源箝位開關；且 該SR鎖存電路之一RESET端子經組態以接收藉由該延遲電路產生的該延遲信號，該SR鎖存電路經組態以回應於在該RESET端子處接收到該延遲信號而停用該有源箝位開關。
  25. 如請求項19之有源箝位電路，其中該延遲電路包含： 一電阻分壓器電路，該電阻分壓器電路用以接收一偏壓電壓及來自該有源箝位開關之該源極節點的一電壓，以產生一延遲閾值電壓； 一電阻器-電容器(RC)電路，該電阻器-電容器(RC)電路用以回應於該有源箝位開關控制信號而接收一有源箝位開關控制信號及來自該有源箝位開關之該源極節點的該電壓以產生一斜坡信號，該有源箝位開關控制信號經組態以啟用並停用該有源箝位開關；及 一電壓比較電路，該電壓比較電路經組態以：i)接收該延遲閾值電壓，ii)接收該斜坡信號，iii)比較該斜坡信號與該延遲閾值電壓，及iv)基於該斜坡信號與該延遲閾值電壓的一比較停用該有源箝位開關。
  26. 如請求項19之有源箝位電路，其中： 該有源箝位控制器電路經組態以接收一過溫指示信號且接收一上電重設信號；且 該有源箝位控制器電路經組態以回應於接收到該過溫指示信號或該上電重設信號中的任一者而停用該有源箝位開關。
  27. 如請求項19之有源箝位電路，其中： 該有源箝位開關耦接至另一開關的一節點；且 該有源箝位開關將該另一開關之該節點處的一電壓箝位至一最大電壓。
  28. 如請求項27之有源箝位電路，其中： 該另一開關之該節點耦接至一變壓器之一繞組；且 該另一開關控制通過該變壓器之該繞組的一電流。
  29. 一種功率轉換器，包含： 一變壓器，該變壓器具有一初級繞組及一次級繞組，該初級繞組之一第一繞組節點經組態以耦接至一電壓源以接收一輸入電壓，該次級繞組經組態以耦接至一負載以自該輸入電壓提供一輸出電壓； 一主開關，該主開關耦接至該初級繞組之一第二繞組節點，該主開關用以控制通過該初級繞組的一電流；及 一有源箝位電路，該有源箝位電路包含： 一有源箝位開關，該有源箝位開關具有一汲極節點及一源極節點； 一有源箝位電容器，該有源箝位電容器與該有源箝位開關以一串聯電路組合耦接； 一延遲電路；及 一有源箝位控制器電路，該有源箝位控制器電路耦接至該有源箝位開關且耦接至該延遲電路，該有源箝位控制器電路經組態以：i)基於該有源箝位開關之該汲極節點及該源極節點兩端形成的一電壓接收一有源箝位開關電壓，ii)基於該有源箝位開關電壓之一電壓幅值啟用該有源箝位開關，及iii)基於藉由該延遲電路產生的一延遲信號停用該有源箝位開關。
  30. 如請求項29之功率轉換器，進一步包含： 一分壓器電路，其直接連接在該有源箝位開關之該汲極節點及該源極節點兩端； 其中： 該分壓器電路經組態以基於該有源箝位開關之該汲極節點及該源極節點兩端形成的該電壓產生該有源箝位開關電壓；且 該有源箝位控制器電路經組態以自該分壓器電路接收該有源箝位開關電壓。
  31. 如請求項30之功率轉換器，其中該有源箝位控制器電路進一步包含： 一電壓比較電路，其經組態以：i) 接收該有源箝位開關電壓，ii) 接收一參考電壓，及iii) 基於該有源箝位開關電壓與該參考電壓的一比較而產生一電壓比較信號； 其中： 該有源箝位開關基於該電壓比較信號而啟用。
  32. 如請求項31之功率轉換器，其中該有源箝位控制器電路進一步包含： 一設定-重設(SR)鎖存電路； 其中： 該SR鎖存電路之一SET端子經組態以接收該電壓比較信號，該SR鎖存電路經組態以回應於在該SET端子處接收到該電壓比較信號而啟用該有源箝位開關；且 該SR鎖存電路之一RESET端子經組態以接收藉由該延遲電路產生的該延遲信號，該SR鎖存電路經組態以回應於在該RESET端子處接收到該延遲信號而停用該有源箝位開關。
  33. 如請求項29之功率轉換器，其中該延遲電路包含： 一電阻分壓器電路，該電阻分壓器電路用以接收一偏壓電壓以及來自該有源箝位開關之該源極節點的一電壓，以產生一延遲閾值電壓； 一電阻器-電容器(RC)電路，該電阻器-電容器(RC)電路用以接收一有源箝位開關控制信號及來自該有源箝位開關之該源極節點的該電壓以產生一斜坡信號，該有源箝位開關控制信號經組態以啟用並停用該有源箝位開關；及 一電壓比較電路，該電壓比較電路經組態以：i)接收該延遲閾值電壓，ii)接收該斜坡信號，及iii)基於該延遲閾值電壓與該斜坡信號之一比較產生該延遲信號； 其中： 該有源箝位控制器電路經組態以回應於接收到該延遲信號而停用該有源箝位開關。
  34. 如請求項29之功率轉換器，其中： 該有源箝位控制器電路經組態以接收一過溫指示信號且接收一上電重設信號；且 該有源箝位控制器電路經組態以回應於接收到該過溫指示信號或該上電重設信號中的任一者而停用該有源箝位開關。
  35. 如請求項29之功率轉換器，進一步包含： 一主開關控制器電路，該主開關控制器電路以通信方式耦接至該主開關以控制自該初級繞組至該次級繞組的一功率傳送； 其中： 該有源箝位控制器電路以通信方式與該主開關控制器電路隔離。
  36. 如請求項29之功率轉換器，其中： 該有源箝位開關為一電流雙向雙象限開關； 該有源箝位開關之該源極節點及該汲極節點與該有源箝位電容器處於該串聯電路組合；且 該有源箝位開關之一開關控制節點耦接至該有源箝位控制器電路以控制該有源箝位開關之該汲極節點與該源極節點之間的一有源箝位開關電流。
  37. 如請求項36之功率轉換器，其中： 該有源箝位開關經組態以回應於該源極節點與該汲極節點兩端形成之一電壓而在該源極節點與該汲極節點之間傳遞該有源箝位開關電流；且 該有源箝位開關經組態以回應於在該開關控制節點處接收到之一開關控制信號而在該汲極節點與該源極節點之間傳遞該有源箝位開關電流。
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