TWI362819B - Synchronous rectifying circuit for power converters and method using the same - Google Patents

Synchronous rectifying circuit for power converters and method using the same Download PDF

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Description

1362819 C158 24824twf.doc/p 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體上關於一種功率轉換器的控制電路，更明 確的是，關於一種用於功率轉換器的同步整流控制電路 (synchronous rectifying control circuit)。 【先前技術】
圖1繪示離線諧振功率轉換器（offlineresonantpQw^ converter)的電路示意圖。其包含功率變壓器（p〇wer transformer) 10,為了符合安全規範，功率變壓器1〇提供 了交流輸入到功率轉換器的輪出之間的隔離。諧振功率轉 換器的軟切換(soft-switching)實現高效率和低電磁干擾 (electric-magnetic interference，EMI)性能。電晶體 ％ 和30形成半橋電路以切換魏叫（郎。咖滅）。諸振 回路由功率_10、電感器15和電容器4〇形成。電感 乍二同變壓器10和/或電感器裝㈣^
=^：15幅叫物，電容值c決定 ϊο = ~^ . 2ttVLxC ............................( 1 ) 功率變壓器1〇將能量 到二政你丨。敖、士„ h ^ 從力率變壓器1〇的一次側傳遞 流到電容^42將功率變壓器10的切換電壓整 直二“。功二’在功率轉換器的輪出端子處輸出 決定諸振回路的Q值。輪出負载藉由功率變壓器10 圖2繪錢㈣率的㈣化振幅料切換頻率的函 1362819
Cl 58 24824twf.doc/p 數。當切換頻率操作在諧振頻率&時，將最大功率傳送到 功率轉換器端子。如果切換解倾雜頻率， 那麼諧振⑽將魏t雜阻抗（eapadtive峋咖咖）。 當切換頻率操作在高於諧振頻率f〇時，諧振回路將變成電 ，性阻抗（inductive impedance)。功率轉換器的壓控振盪 器（voltage-controlled oscillator，VC0)將切換頻率控制 在諧振頻率f〇與最大頻率fM之間，以確保功率轉換器的回 授電路(feedback circuit)在線性系統下操作。此外，將切換 頻率控制在最大頻率fM以下是為了確保軟切換機制。諧振 功率轉換器的詳細技術可查閱1995年由john Wiley &
Sons 公司出版的 Marian Κ· Kazimierczuk 和 Dariusz
Czarkowski 所著的教科書“Resonant power c〇nverters” 〇 在近來的發展中’在功率變壓器的二次側應用同步整 流器疋實現較咼效率功率轉換的另一方法，例如Yang的 第 7，173,835 號美國專利“Control circuit associated with saturable inductor operated as synchronous rectifier forward power converter’’。然而，此現有技術的缺點是飽和電感器 (saturable inductor )等引起的額外功率消耗。本發明的目 的是提供一種用於諧振功率轉換器的同步整流電路，以實 現較高效率。 【發明内容】 本發明開發一種同步整流電路以改進諧振功率轉換 器的效率。同步整流電路包含脈衝信號產生電路，其用於 依據切換信號的上升緣（rising edge)和下降緣（faiiing C158 24824twf.d〇c/p 信號。切換信號用來切換功率變壓器並 = 例如脈衝變壓器或多個電容器的隔離裝 的-^丨^彳5號產生電路’以將脈衝㈣從功率變壓器 的认側傳遞到功率欒壓哭& 括整流端子、的Γ側。積體同步整流器包 率賴器的二次側。接地端子輕合到功 之間。第-輸入端子和第^^ 斷⑽_ _ 端子接收歸^號來接通/ ==電阳體。脈衝信號是觸發信號㈤ 齡说的脈衝寬度短於域錢的脈衝寬度。 為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文 舉較佳實_ ’並配合所關式，作詳細說明如下。 【實施方式】 圖3綠不具有積體同步整流器的讀振功率轉換器 振功率轉換ϋ包含功率變壓n 1G，其具有—次側^二:欠 側。功率變壓器1〇的一次側包括兩個功率開關2〇和3〇， 适兩個功率開關20和30用於切換功率變壓器1〇的一次繞 組NP。功率變廢态1〇的二次側包含二次繞組〜和另一 二次繞組NS2。第一積體同步整流器51包括連接到二次繞 組NS1的整流端子DET。第一積體同步整流器51的接地端 子GND連接到功率轉換器的接地。具有整流端子det和 接地端子GND的第二積體同步整流器52也從二次繞組 Ns2連接到功率轉換器的接地。第一積體同步整流器和 第二積體同步整流器52的第一輸入端子Sp、第二輸入端 1362819 C158 24824twf.doc/p 子sN連接到隔離裝置7〇的二次側，以接收脈衝信號來接 ，或斷開積體同步整流器51和52。隔離裝置7〇可由電容 =71和72级成’或可以是脈衝變壓器(pUise的似仿啦打）。 電容器71和72的電容可能較小（例如，20 PF)，但需要 電容器的高壓額定值來用於隔離。 % 脈衝信號產生電路100包括輸入信號端子sm，其接 收切換信號sIN，用於依據切換信號Sin的上升（前）緣和 下降（後）緣而產生脈衝信號。切換信號切換功率變 壓器10並調節功率轉換器。脈衝信號產生於脈衝信號產生 ，路100的第—輸出端子Xp和第二輸出端子xN上。脈衝 =號是差分(differential信號。脈衝信號的極性決定積體同 v整流器51和52的接通或斷開。為了在切換功率變壓器 *進行切換之&產生脈衝彳s號’脈衝信號產生電路100依 ^刀換信號SIN進-步產生鶴信號SB。驅動信號 A和SB分別藉由驅動電路25和35來控制功率開關2〇和 0。在切換錄sIN的啟用_動錄 間設置時離遲。 APB喊用之 脈衝信號產生電路的第一輪出端子&和第 q出端子X-合到隔離裝置70，以將脈衝信號從功率變壓 二〇的-次侧傳遞到功率麵器1〇的二次側。脈衝信號 ===&的脈衝寬度。脈衝信號是包 各冋頻率成分的觸發信號。因此，僅 衝變壓器來用作隔離裝置70,這節省印届丨丄：广戈小脈 節省功率轉換器的成本。^即切刷電路板的空間並 8
Cl 58 24824twf.doc/p 圖4是積體同步整流器5〇的實施例的示意圖。其表示 積體同步整流器51或52的電路。積體同步整流器50包含 功率電晶體400、二極體450和控制電路2〇〇。二極體450 並聯連接到功率電晶體4〇〇。功率電晶體400連接在整流 端子DET與接地端子GND之間。整流端子det耦合到功 率變壓器10的二次側。接地端子〇!^1)通常耦合到功率轉 換器的輸出。控制電路200經由第一輸入端子心和第二輸 入端子SN來接收脈衝信號，以便接通或斷開功率電晶體 働。VCC端子用來將電源供應到控制電路2〇〇。 圖5繪示控制電路2〇〇的實施例的示意圖。電阻器211 和221為第一輸入端子SP提供偏壓終端（bias termination)。電阻器213和223為第二輸入端子知提供 另一偏壓終端。第一輸入端子Sp耦合到比較器21〇的正輸 入和比較器220的負輪入。第二輪入端子Sn耦合到比較器 220的正輪入和比較器21〇的負輪入。比較器21〇和22〇 分別包括偏移電壓215和225，其產生磁滯現象 (hystersis)。具有閾值vTH的第三比較器23〇連接到其正輸 入。比較為230的負輸入耦合到整流端子DET。比較器21〇 和230的輸出藉由AND閘235耦合到SR觸發器25〇的設 定(set)，入端子（“S，，> SR觸發器25〇的重置扣对)輸入 端子（R”）由比較器220的輸出控制。SR觸發器25〇的 輸出和比較|§ 230的輸出連接到AND閘262。在AND閘 262的輸出處產生閘驅動信號％，以便控制功率電晶體 400的接通或斷開狀態。閘驅動信號％的最大接通時間受 1362819
Cl 58 24824twf.doc/p
衣大接通時間電路（maximum on time circuit，MOT) 270 限制。閘驅動信號VG連接到最大接通時間電路27〇。消隱 時間（blanking time)之後，將依據閘驅動信號Vg的啟用 而產生最大接通時間信號sM。最大接通時間信號Sm經由 反相器261連接到AND閘260。AND閘260的另一輸入 連接到電源開啟（p0wer_0n)重置信號耶丁。AND閘260 的輸出耦合到SR觸發器250的清除端子（‘‘CLR”），以將 SR觸發器250清除（重置）。閘驅動信號Vg的最大接通 時間因此受最大接通時間電路270的消隱時間限制。一旦 脈衝信號產生為，
Vsn — Vsp > V225 閘驅動信號VG就將斷開功率電晶體400。 當滿足等式（2)和（3)時， Vsp - Vsn > V215 _ (2)
...................-..................Ο)--------------------------------------- 閘驅動k號VG將接通功率電晶體400，其中，vsp是 第一輸入端子sP的電壓；vSN是第二輸入端子^的電壓。 Vdet疋整流墙子DET的電壓。Vth是閾值VTH的電壓； Vm是偏移電壓215的值；v225是偏移電壓225的值。 一旦一極體450導通’整流端子DET的電壓就將低於 閾值VTH的電壓。這表示了功率電晶體4〇〇僅可在二極 體導通之後被接通。
Vdet < Vth 圖6是最大接通時間電路270的實施例的示意圖。電 流源273對電容器275進行充電。電晶體272對電容器275 1362819
Cl 58 24824twf.doc/p 進行放電。間驅動信號VG藉由反相_ 271來控制電晶體 272。閘驅動^號vG進—步連制AND閘279。顧^閘 ' 279的另—輸人齡到電容器奶。-旦啟用閘驅動信號
Vg ’ AND Μ 279的輸出就將產生最大接通時間信號Sm， U在、;肖隱時間之後禁㈣驅動信號Vg。消隱時間由電流源 273的電流值和電容器2乃的電容值決定。 圖7是脈衝信號產生電路1〇〇的實施例的示意圖。驅 • 動信號、和Sb依據切換信號SIN而產生。切換信號SlN連 接到延遲電路110的輸入。延遲電路110的輸出藉由反相 器105連接到and閘150的輸入。AND閘150的另一輸 入耦合到切換信號SIN。AND閘150、160以及反相器130 和140开>成短路防止電路（anti_cr〇ss c〇nducti〇n也叫幻， 以產生驅動信號SA* SB。AND閘150的輸出耦合到短路 防止電路的輪入。切換信號SIN藉由反相器124進一步連 接到延遲電路120的輸入。延遲電路120的輸出藉由反相 器125連接到AND閘160的輸入。AND閘160的另一輸 _ 入耦合到反相器124的輸出。AND閘160的輸出耦合到短 路防止電路的輸入。在切換信號SlN的啟用與驅動信號sA 和SB的啟用之間設置時間延遲。延遲電路ι1〇和12〇決定 時間延遲。 圖8繪示延遲電路的實施例的示意圖。電流源H3對 電容器115進行充電。電晶體112對電容器115進行放電。 輸入信號藉由反相器111來控制電晶體112。輸入信號進 一步連接到NAND閘ll^NAND閘119的另一輸入耦合 1362819 C158 24824twf.doc/p 到電容器115。NAND閘119的輸出是延遲電路的輸出。 當輪入信號為邏輯低(logic-low)時，對電容器進行放電且 NAND閘119的輸出為邏輯高(logic-high)。當輸入信號變 為邏輯高時，電流源113將開始對電容器115進行充電。 一旦電容器115的電壓高於NAND閘119的輸入閾值， NAND閘119就將輸出邏輯低❶電流源113的電流值和電 谷益115的電容值決定延遲電路的延遲時間。延遲時間是 從輸入信號的邏輯高開始到延遲電路的輸出信號的邏輯 低。 圖9是信號產生電路300的實施例的示意圖。觸發器 310的時脈輸入接收切換信號sIN並產生連接到〇R閘315 的第一輸入的第一信號。切換信號SIN藉由反相器325進 一步產生信號SNN。信號SNN驅動觸發器320的時脈輸入。 觸發器320輸出連接到OR閘315的第二輸入的第二信 號。OR閘315用來在第二輸出端子\1^處產生負脈衝信 號’以便斷開圖3的積體同步整流器51和52。負脈衝信 號藉由延遲電路（delay circuit，DLY) 322將觸發器310 和320重置。廷遲電路322的廷遲時間決定負脈衝信號的 脈衝寬度TP。信號SNN耦合到觸發器340的D輸入端子和 ANp閘345的輸入。觸發器340的時脈輸入藉由反相器 342輕合到第二輸出端子χΝ以接收負脈衝信號。觸發器 340的輸出連接到AND閘345的另一輸入。AND閘345 用來在第一輸出端子XP處產生正脈衝信號。正脈衝信號經 由延遲電路332將觸發器340重置。延遲電路332的延遲 12 1362819 C158 24824twf.doc/p 時間決定正脈衝信號的脈衝寬度Tp。因此，正脈衝信號和 負脈衝信號在第一輸出端子ΧΡ和第二輸出端子心上形成 脈衝信號。 圖10繪示同步整流電路的信號波形。驅動信號^和 Sb分別依據切換信號SIN的上升緣和下降緣而產生。延遲 時間TD設計在切換信號sIN的上升緣與驅動信號Sa的上 升緣之間。此外，另一延遲時間TD設計在切換信號SiN的 下降緣與驅動信號sB的上升緣之間。驅動信號Sb是驅動 信號SA的相反信號。脈衝信號sP-SN (負脈衝信號）依據 切換信號SIN的前緣和後緣而產生，以禁用積體同步整流 器51和52。在負脈衝信號結束之後，產生脈衝信號心_^ (正脈衝信號）’以當積體同步整流器51或52的二極體導 通時啟用積體同步整流器51或52。圖U繪示脈衝變壓器 75 ’其用作同步整流電路的隔離裝置7〇。 °° 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，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^者，在 脫離本發明之精神和範_，當可作些許之動 二⑽月之保護範圍當視後附之申請專利範= 【圖式簡單說明】 圖1繪示離線諧振功率轉換器的電路示音圖。 為切率轉換器的輪㈣率的：化振幅作 圖3繪示根據本發明的具有積體同步整流器的譜振功 13 1362819
Cl 58 24824twf.doc/p 率轉換器的實施例。 圖4是根據本發明實施例的積體同步 圖。 /’丨1· ~的示意 圖5是根據本發明的積體同步整流 施例。 7役制電路的實
圖6是根據本發明實施例的最大接通時間電路 承意^是根據本發日月實關的_信號產生電路的方框 圖8繪示延遲電路的電路示意圖。 圖9是根據本發明的信號產生電路的實施例。 流電據本發明實施例依據切換信號的同步整 圖U繪示根據本發明一種具有同步整汚 壓實施例，在同步整流器：
【主要元件符號說明】 10 :功率變壓器 20、30:功率開關 25、35 :驅動電路 15 :電感器 4G :電容器 41、42 :整流器 50 :積體同步整流器 51 ·第一積體同步整流器 1362819 C158 24824twf.doc/p 52 :第二積體同步整流器 65 :電容器 70 :隔離裝置 71、72 :電容器 • 75 :功率變壓器 100 :脈衝信號產生電路 105、111 :反相器 112 :電晶體 113 :電流源 115 :電容器 119 : NAND 閘 120 :延遲電路 124 :反相器 130、140 :反相器 150、160 : AND 閘 200 :控制電路 # 211、221 :電阻器 213、223 :電阻器 210、220、230 :比較器 215、225 :偏移電壓 235、262 : AND 閘 250 : SR觸發器 261 :反相器 270 :最大接通時間電路 15 1362819 C158 24824twf.doc/p 271 :反相器 272 :電晶體 273 :電流源 275 :電容器 279 : AND 閘 300 :信號產生電路 315 : OR 閘 310、320、340 :觸發器 ® 325、342 :反相器 345 : AND 閘 400 :功率電晶體 450 :二極體 f〇 .諸振頻率 fM:最大頻率 NP : —次繞組 NS1、NS2 :二次繞組 • DET :整流端子 GND :接地端子 SIN :輸入信號端子 XP :第一輸出端子 XN :第二輸出端子 VG :閘驅動信號 Vcc :端子 Sin .切換彳s被 16 1362819
Cl 58 24824twf.doc/p SA、SB :驅動信號 Sp :第一輸入端子 sN :第二輸入端子 SM :最大接通時間信號 RST :重置信號 TD :延遲時間
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Claims (1)

1362819 _ 年月正替換頁 十、申請專利範圍： 一種用於功率轉換器的同步整流電路，其包括： 積體同步整流器，其具有： 整流端子’其耦合到功率變壓器的二次侧； 接地端子，其耦合到所述功率轉換器的輸出； 第一輸入端子；以及 第二輸入端子；以及 控制電路， 其中，功率電晶體連接在所述整流端子與所述接地 端子之間，且所述第一輸入端子和所述第二輸入端子接收 脈衝侦號，所述積體同步整流器的控制電路依據所述第一 輸入端子上的電壓與所述第二輸入端子上的電壓的大小及 差值，以對應產生閘驅動信號來接通/斷開所述功率電晶 體；以及 脈衝信號產生電路，其具有： 輸入彳§號端子’其接收切換信號； 第一輪出端子；以及 第一輸出端子， 其中所述切換信號用於切換所述功率轉換器的所述 功率變壓器；所述第一輸出端子和所述第二輸出端子用來 依據所述切換信號的上升緣及下降緣來產生所述脈衝信 银·，反 隔離裝置，其耦合在所述積體同步整流器的第一輸入 嬙孑與第二輸入端子之間，以及所述脈衝信號產生電路的 18 年月 第/輸出端子與第二輪出端子之間。 2.如申凊專利範圍第1項所述的同步整流電路，其中 戶斤述隔離裝置包括脈衝變壓器或多個電容器。 3_如申請專利範圍第1項所述的同步整流電路’其中 所述脈衝錢是差分錢；且所述脈衝信號的極性決定所 述功率電晶體的接通/斷開狀態。 4.如申请專利範圍第1項所述的同步整流電路，其中 所述脈衝信號是觸發信號，且其中所述脈衝信號的脈衝寬 度短於所述切換信號的脈衝寬度。 . 5·如申凊專利範圍第1項所述的同步整流電路，其中 所述積體同步整流器包括閂鎖電路，所述閂鎖電路耦合到 所述積體同步整流器的第一輸入端子和第二輪入端子，以 接收所述脈衝信號來設定或重置所述閂鎖電路；其中所述 閃鎖電路接通/斷開所述功率電晶體。 6.如申請專利範圍第1項所述的同步整流電路，其中 所述積體同步整流器進一步包括最大接通時間電路，以限 制所述功率電晶體的最大接通時間。 ^ 7·—種用於功率轉換器的同步整流器設備，其包括. 脈衝信號產生電路，其用於依據切換信f虎;^緣和 俊緣而產生脈衝信號，其中所述脈衝信號為差分信號； 隔離裝置’其將所述脈衝信號從功率轡厭1二，^ 你丨值、r , 又/至裔的一次 寻遞到所述功率變壓器的二次側；以及 盆積體同步整流器，其具有功率電晶體和控制電路； 其中所述功率電晶體耦合到所述功率變壓器，以用於整漭 1362819 年月曰居遵正替换^ 操作；且所述控制電路接收所述脈衝信號來接通/斷開所述 功率電晶體； 其中所述切換信號用於切換所述功率轉換器的所述 功率變壓器；且所述控制電路依據所述脈衝信號的差值及 大小關係設定或重置所述控制電路的閂鎖電路，以便控制 所述功率電晶體。 8·如申明專利範圍第7項所述的同步整流器設備其
進一步包括二極體，所述二極體並聯耦合到所述功率電晶 體；且其中一旦所述二極體導通，所述脈衝信號就接通所 述功率電晶體。 9.如申請專利範圍第7項所述的同步整流器設備，^ 中所述隔離裝置包括多個電容H或脈衝變壓器。 士 6乂〇 „$專㈣圍第7項所述的同步整流器設備’ ^ ==號是觸發信號，且其中所述脈衝信號賴 寬度短於所述切換信號的脈衝寬度。
11.如申請專利範圍第7 中所述脈衝信號產生電路進 項所述的同步整流器設備，其 一步包括： 輸入信號端子， 第一輸出端子； 第二輸出端子； 其中在所述第一 生所述脈衝信號。 其接收所述切換信號； 輪出端子和所述第二輸出端子處產 中所包第括7項所述的同步整流器設備， 20 1362819 年月曰修(更)正替換頁 -- 100-3-18_ 整流端子，其耦合到所述功率變壓器的二次側； 接地端子’其耗合到所述功率轉換器的輪出； 第一輸入信號端子；以及 第二輸入信號端子； 其中，所述功率電晶體連接在所述整流端子與所述 接地端子之間，且所述積體同步整流器的第一輸入信號4
子和第一輸入彳§號知子接收所述脈衝信號來接通/斷開所 述功率電晶體。 13.如申請專利範圍第7項所述的同步整流器設備，其 中所述功率電晶體的最大接通時間受最大接通時 制。 14. 一種用於改進功率轉換器的效率的方法其包括： 依據切換信號的前緣和後緣而產生脈衝信號，苴中 所述脈衝信號為差分信號； /'
經由隔離裝置將所舰衝信號從功率變壓 側傳遞到所述功率變壓器的二次側； 依據所述脈衝信號的差值及大小_來設 閂鎖，以及 $所述_的狀態來接通/_功率電晶體； 紅制於切換所述功率轉換11的功率變壓 用於整轉Ϊ電晶翻合到所述功率魏器的二次側，以 器的^14項所述的用於改進功率轉換 料方法’其巾僅當二極料通時才可接通所述功 21 1362819 年月正替換胃 率電晶體’且其中所述二極體並聯耦合到所述功率電晶體。 16.如申請專利範圍第14項所述的用於改進功率轉換 器的效率的方法，其中所述隔離裝置包括脈衝變壓器或多 個電容器。 17.如申請專利範圍第14項所述的用於改進功率轉換 器的效率的方法，其中所述脈衝信號的脈衝寬度短於所述 切換信號的敝衝寬度。
18·如申請專利範圍第14項所述的用於改進功率轉換 器的效率的方法，其中所述功率電晶體的最大接通時間受 最大接通時間電路限制。 19·—種用於功率轉換器的同步整流電路，其包括： 第一積體同步整流器，其耦合到功率變壓器的二次 側的第一端子； 器的 第二積體同步整流器，其耦合到所述功率變壓 二次側的第二端子；
其中所述第一或第二積體同步整流器具有： 整流端子，其耦合到所述功率變壓器的二欠 側；和接地端子，其輕合到所述功率轉換器的輸出，且= 中力率電B曰體連接在所述整流端子與所述接地端子之間. 第一輸入端子和第二輸入端子；其中所述 :入鸲子和所述第二輸入端子接收脈衝信號，所述 ^積體同步整流器依據所述第—輸人端子和所述第二^ 入&子上的f壓大彳、及錄來卿所述功率電晶體·—輪 22 丄观819 年月P〇德(覆3正替換頁 脈衝信號產生電路，其具有： 輸入信號端子，其接收切換信號來切換所述功 率轉換器的所述功率變壓器； 第一輸出端子和第二輸出端子’其用於依據所 述切換信號的上升緣及下降緣產生所述脈衝信號；以及 隔離裝置，其耦合在所述積體同步整流器的第 輸入知子與第一輸入端子之間，以及所述脈衝信號產生 電路的第-輸出端子與第二輪出端子之間。 20. 如申請專利範圍第19項所述的同步整流電路其 中所述脈衝彳s號疋差分彳冑號；其巾所述脈衝信號的脈衝寬 度短於所述城信制脈衝寬度；且其巾所述脈衝信號的 極性決定所述辨電晶體的接通/斷開狀態。 21. 如申凊專利範圍第19項所述的同步整流電路，其 中所^積體同步整流II包括⑽電路，其_合到所述第一 述第二輸入端子’以接收所述脈衝信號來設 ^力率電晶=鎖電路；且其中所朗鎖電路接通/斷開所 23
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