TWI389443B - 同步整流電路 - Google Patents

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TWI389443B TW098110628A TW98110628A TWI389443B TW I389443 B TWI389443 B TW I389443B TW 098110628 A TW098110628 A TW 098110628A TW 98110628 A TW98110628 A TW 98110628A TW I389443 B TWI389443 B TW I389443B
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Description

同步整流電路
本發明係有關於一種功率轉換器，特別係有關於一種切換功率轉換器之同步整流器。
第1圖係表示柔性切換功率轉換器之電路示意圖。此功率電路包括變壓器10，其為了功率轉換器之安全性來提供電路之線輸入電壓VIN 至輸出電壓VO 之間的隔離。開關20與30組合成半橋電路以切換變壓器10。變壓器10之一次側線圈NP 的漏電感與電容器41及42形成一個諧振槽。漏電感之電感值 L 與電容器41及42之等效電容值 C 決定了此諧振槽的諧振頻率f 0 。
變壓器10將能量由其一次側線圈NP 轉移至二次側線圈NS1 與NS2 。整流器61及62與電容器65對變壓器10執行整流與濾波，以在功率轉換器之輸出端產生DC電壓VO 。
雖然柔性切換功率轉換器可達到較高效能與較低的電磁干擾(electric-magnetic interference，EMI)性能，但是整流器61與62之正向電壓仍導致明顯的功率損失。本發明之目的在於提供一種切換功率轉換器之同步整流電路，以達到較高的效能。
本發明提供一種同步整流電路，適用於切換功率轉換器。同步整流電路包括功率電晶體、二極體、控制器、以及鎖相電路。功率電晶體與二極體耦接於變壓器與切換功率轉換器之輸出端，用以執行整流。控制器根據導通信號與關閉信號來產生驅動信號，以控制功率電晶體。鎖相電路依據導通信號來產生關閉信號。一旦二極體被順向偏壓時，導通信號被致能。導通信號係用來致能驅動信號以導通功率電晶體，且關閉信號則用來禁能驅動信號以關閉功率電晶體。
本發明又提供一種同步整流電路，適用於切換功率轉換器。同步整流電路包括第一與第二電晶體、第一與第二二極體、以及仲裁電路。第一電晶體與第一二極體耦接變壓器與切換功率轉換器之輸出端，用以執行整流。第二電晶體與第二二極體，耦接變壓器與切換功率轉換器之輸出端，用以執行整流。當第一二極體或第一電晶體導通時，仲裁電路產生鎖定信號，以避免第二電晶體導通。當第二二極體或第二電晶體導通時，鎖定信號避免第一電晶體導通。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
第2圖係表示具有整合同步整流器(同步整流電路)之切換功率轉換器。功率轉換器包括變壓器15，其具有一次側線圈NP 與二次側線圈NS1 及NS2 。變壓器15之一次側線圈NP 具有兩個開關20及30，用來切換變壓器15之一次側線圈NP 。同步整流電路51之陰極端K耦接二次側線圈NS1 ，且其陽極端A耦接功率轉換器之輸出接地端。另一個具有陰極端K與陽極端A之同步整流電路52也由二次側線圈NS2 耦接至功率轉換器之輸出接地端。
同步整流電路51包括第一功率電晶體、第一二極體、以及第一控制電路。另一同步整流電路52包括第二功率電晶體、第二二極體、以及第二控制電路。同步整流電路51及52產生鎖定信號L(lock signal)，以避免同步整流電路51及52同時導通。當第一二極體或第一功率電晶體導通時，鎖定信號L避免第二功率電晶體導通。此外，當第二二極體或第二功率電晶體導通時，鎖定信號L避免第一功率電晶體導通。
第3圖係表示同步整流電路50之示意圖，其表示同步整流電路51或52之電路。同步整流電路50包括功率電晶體200、二極體250、以及控制電路100。控制電路100產生驅動信號VG ，以控制功率電晶體200。二極體250與功率電晶體200並聯。在此實施例中，二極體250為一二極體或是功率電晶體200之寄生元件。功率電晶體200耦接於陰極端K與陽極端A之間。陰極端K耦接變壓器10之二次側線圈，而其陽極端A耦接功率轉換器之輸出接地端。一旦二極體250被順向偏壓時，控制電路100將產生導通信號，以致能驅動信號VG 並導通功率電晶體200。根據導通信號的期間控制電路100將產生關閉信號以禁能驅動信號VG 並關閉功率電晶體200。鎖定端L輸出鎖定信號L，以表示出功率電晶體200之導通/關閉狀態。
第4圖係表示控制電路100之一較佳實施例，其包括鎖相電路(phase-lock，PL)300、仲裁電路90、以及控制器。此控制器係由正反器150、比較器130、延遲電路(DLY)170、反或閘(NOR)119、及閘(AND)125、118與160、以及輸出緩衝器165所組成。
比較器130具有門檻電壓VTH ，此門檻電壓VTH 耦接至比較器之正輸入端。比較器130之負輸入端耦接至陰極端K。比較器130之輸出端產生導通信號EN 。透過及閘118，導通信號EN 與鎖定信號L耦接至正反器150之時脈輸入端CK。因此，驅動信號VG 只有當鎖定信號L被禁能時(高位準)，才被致能。正反器150之重置輸入端R受到反或閘119之輸出端(信號)所控制。正反器150之輸出端(信號SW )與導通信號EN 耦接至及閘160。正反器150如同拴鎖電路般操作。及閘160之輸出端耦接至輸出緩衝器165。驅動信號VG 產生於輸出緩衝器165之輸出端，用以控制功率電晶體200。
仲裁電路90包括鎖定電路(LOCK)290以及偵測電路(MOT)175。鎖定電路290產生鎖定信號L。偵測電路175產生重置信號SM ，以在非正常狀態下關閉驅動信號VG 與功率電晶體200。重置信號SM 透過反或閘119來耦接至正反器150之重置輸入端R，以清除(或稱為重置)正反器150。
一旦陰極端K之電壓低於門檻電壓VTH 時，驅動信號VG 將導通功率電晶體200。反或閘119之另一輸入端耦接及閘125之輸出端。及閘125之第一輸入端接收延遲電路170之輸出信號(遮沒信號SB )。延遲電路170之輸入端耦接驅動信號VG 。延遲電路170提供遮沒時間以完成驅動信號VG 之最小導通時間。鎖相電路300產生關閉信號RS 至及閘125之第二輸入端。關閉信號RS 是根據導通信號EN 而反應產生的。當二極體250導通且被正向偏壓時，關閉信號RS 係用來關閉驅動信號VG 。陰極端K之電壓將低於門檻電壓VTH 。因此，功率電晶體200只有在二極體250導通之後才會導通，此完成了功率電晶體200之柔性切換。此外，當二極體250被反相偏壓時，驅動信號VG 將被禁能且功率電晶體200將關閉。依照鎖相電路300的運作，關閉信號RS 用來關閉功率電晶體200。
第5圖係表示偵測電路175之電路示意圖，其包括最大期間電路、禁止電路、以及保護電路。在此實施例中，最大期間電路係由延遲電路(DLY)180所形成。保護電路係由及閘177與延遲電路(DLY)185所形成。在此實施例中，禁止電路則係由脈波產生電路191所組成。導通信號EN 被傳送至延遲電路180之輸入端。延遲電路180產生最大期間信號，其耦接或閘187之一輸入端。導通信號EN 更透過反向器176而耦接至及閘177之一輸入端。及閘177之另一輸入端接收驅動信號VG 。及閘177之輸出端耦接延遲電路185。延遲電路185產生保護信號SP 至或閘187之另一輸入端。或閘187之輸出端則用來觸發脈波產生電路190。脈波產生電路190之輸出端耦接及閘195之一輸入端。導通信號EN 更透過反向器176而耦接至脈波產生電路191之輸入端。脈波產生電路191產生禁止信號SI ，其透過反向器193傳送至及閘195之另一輸入端。因此，最大期間信號用來關閉功率電晶體200，以限制功率電晶體200之導通時間。在功率電晶體200關閉後，禁止信號SI 則用來限制功率電晶體200的導通。禁止信號是單擊信號。單擊信號之脈波寬度是受控於脈波產生器191。保護信號SP 也用來關閉功率電晶體200，以在非正常狀態期間來限制功率放大器200之電流。
第6圖係表示第5圖中延遲電路180與185之電路示意圖。電流源273係用來對電容器275充電。電晶體272則是使電容器275放電。輸入信號IN透過反向器271來控制電晶體272。輸入信號IN更耦接至及閘279之一輸入端。及閘279之另一輸入端耦接電容器275。一旦輸入信號被致能，輸出信號OUT則在一個延遲時間之後由及閘279之輸出端產生。此延遲時間是由電流源273之電流與電容器275之電容值來決定。
第7圖係表示第5圖中脈波產生電路190與191。電流源473係用來對電容器475充電。電晶體472則是使電容器475放電。信號I透過反向器471來控制電晶體472。信號I更耦接至及閘479之一輸入端。及閘479之另一輸入端透過反向器478而耦接電容器475。輸出脈波信號之脈波寬度是由電流源473之電流與電容器475之電容值來決定。
第8圖係表示鎖定電路290之示意圖。正反器293由來自另一同步整流電路50之驅動信號VG 所導通。或閘291之輸出端用來重置正反器293。正反器293之輸出端耦接至或閘295之一輸入端。或閘295之另一輸入端接收驅動信號VG 。或閘295之輸出端驅動電晶體297。電晶體297產生鎖定信號L。電流源296提供位準拉高給鎖定信號L。根據驅動信號VG 的致能，產生鎖定信號L(低位準)。當驅動信號VG 與導通信號EN 皆被禁能時，鎖定信號L將被禁能(被拉高位準)。驅動信號VG 只有當鎖定信號L被禁能時(被拉高位準)才會被初始化。
第9圖係表示鎖相電路300之示意圖。導通信號EN 透過開關341與電流源340來致能電容器350的充電，並因此於電容器350產生斜坡信號SR 。導通信號EN 更被耦合來透過反向器311與脈波產生電路315來產生取樣信號S1 ，且接者透過反向器321與脈波產生電路325來產生清除信號S2 。取樣信號S1 係透過開關342來對自電容器350至電容器351之信號進行取樣，以於電容器351處產生維持信號SH 。在取樣之後，清除信號S2 則透過開關343來清除電容器350。電容器351之清除信號SH 的位準與導通信號EN 之致能期間相關聯。電容器351之清除信號SH 透過緩衝放大器360與電阻370而耦接至比較器380之一輸入端。一電流源600更耦接至電阻370，以在電阻370產生電壓降。比較器380之另一輸入端耦接以接受斜坡信號SR 。比較器380之輸出端耦接反向器390。反向器390產生關閉信號RS 用以禁能驅動信號VG (見第4圖)。電流源600之電流IB 被調整來產生關閉信號RS 。此外，電流源396透過開關395來使電容器351放電以拉低維持信號SH 之位準。當偵測到一錯誤相位信號時，脈波偵測器(PHASE)500產生重新啟動信號S3 以致能開關395，以進行上述放電操作。相位偵測器500偵測在驅動信號VG 之禁能與導通信號EN 之禁能間的足夠時間限度(enough timing margin)。在驅動信號VG 關閉之後，導通信號EN 需要維持致能。這表示，當功率電晶體200關閉時，二極體250需要維持導通一段期間(50～100nsec)，以確保同步整流電路正確地操作。因此，當二極體250沒有在功率電晶體200關閉後維持導通一段期間時，產生重新啟動信號S3 來降低維持信號SH 位準。
第10圖係表示相位偵測器500之電路示意圖。驅動信號VG 透過反向器510來致能脈波產生電路530。脈波產生電路530之輸出端耦接及閘535之一輸入端。及閘535之另一輸入端透過反向器520接收導通信號EN 。及閘535之輸出端產生重新啟動信號S3 。
第11圖係表示同步整流電路之主要波形圖。變壓器10之切換電流IS 包括IS1 與IS2 。驅動信號VG1 與VG2 分別為同步整流電路51與52之驅動信號VG 。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許其的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10．．．變壓器
15．．．變壓器
20、30．．．開關
41、42．．．電容器
50、51、52．．．同步整流電路
61、62．．．整流器
65．．．電容器
90．．．仲裁電路
100．．．控制電路
118．．．及閘
119．．．反或閘
125．．．及閘
130．．．比較器
150．．．正反器
160．．．及閘
165．．．輸出緩衝器
170．．．延遲電路(DLY)
175．．．偵測電路(MOT)
176．．．反向器
177．．．及閘
180、185．．．延遲電路(DLY)
187．．．或閘
190．．．脈波產生電路
191．．．脈波產生電路
193．．．反向器
195．．．及閘
200．．．功率電晶體
250．．．二極體
271．．．反向器
272．．．電晶體
273．．．電流源
275．．．電容器
279．．．及閘
290．．．鎖定電路(LOCK)
291．．．或閘
293．．．正反器
295．．．或閘
296．．．電流源
297．．．電晶體
300．．．鎖相電路
311．．．反向器
315．．．脈波產生電路
321．．．反向器
325．．．脈波產生電路
340．．．電流源
341、343．．．開關
350、351．．．電容器
342．．．開關
360．．．緩衝放大器
370．．．電阻
380．．．比較器
390．．．反向器
395．．．開關
396．．．電流源
471．．．反向器
472．．．電晶體
473．．．電流源
475．．．電容器
478．．．反向器
479．．．及閘
500．．．相位偵測器(PHASE)
510、520．．．反向器
530．．．脈波產生電路
535．．．及閘
600．．．電流源
A．．．同步整流電路之陽極端
EN ．．．導通信號
I．．．脈波產生電路之輸入信號
IB ．．．電流
IS 、IS1 、IS2 ．．．切換電流
IN．．．輸入信號
K．．．同步整流電路之陰極端
L．．．鎖定信號
NP ．．．一次側線圈
NS1 、NS2 ．．．二次側線圈
O．．．脈波產生電路之輸出信號
OUT．．．輸出信號
RS ．．．關閉信號
S1 ．．．取樣信號
S2 ．．．清除信號
S3 ．．．重新啟動信號
SB ．．．遮沒信號
SI ．．．禁止信號
SH ．．．維持信號
SM ．．．重置信號
SP ．．．保護信號
SW ．．．正反器150之輸出信號
VCC ．．．電壓
VG 、VG1 、VG2 ．．．驅動信號
VIN ．．．導線輸入電壓
VO ．．．輸出電壓
VTH ．．．門檻電壓
第1圖表示柔性切換功率轉換器之電路示意圖；
第2圖表示根據本發明實施例之整合同步整流器，其適用於切換功率轉換器；
第3圖表示根據本發明實施例之整合同步整流電路之示意圖；
第4圖表示根據本發明實施例之同步整流電路之控制電路；
第5圖表示根據本發明實施例之偵測電路之示意圖；
第6圖表示根據本發明實施例之延遲電路之示意圖；
第7圖表示脈波產生電路；
第8圖表示根據本發明實施例之鎖定電路；
第9圖表示根據本發明實施例之鎖相電路；
第10圖表示根據本發明實施例之相位偵測器；以及
第11圖表示根據本發明實施例之同步整流電路之主要波形圖。
15．．．變壓器
20、30．．．開關
41、42．．．電容器
51、52．．．同步整流電路
65．．．電容器
A．．．同步整流電路之陽極端
IS1 、IS2 ．．．切換電流
K．．．同步整流電路之陰極端
L．．．鎖定信號
NP ．．．一次側線圈
NS1 、NS2 ．．．二次側線圈
VIN ．．．導線輸入電壓
VCC ．．．電壓
VO ．．．輸出電壓

Claims (13)

  1. 一種同步整流電路，適用於一切換功率轉換器，包括：一功率電晶體與一二極體，耦接於一變壓器與該切換功率轉換器之輸出端，用以執行整流；一控制器，用以根據一導通信號與一關閉信號來產生一驅動信號，以控制該功率電晶體；一鎖相電路，用以依據該導通信號來產生該關閉信號；以及一禁止電路，用以產生一禁止信號，其中，該禁止信號為一單擊信號，用以在該功率電晶體關閉之後，禁止該功率電晶體之導通；其中，一旦該二極體被順向偏壓時，該導通信號被致能；以及其中，該導通信號係用來致能該驅動信號以導通該功率電晶體，且該關閉信號則用來禁能該驅動信號以關閉該功率電晶體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之同步整流電路，更包括：一鎖定電路，用以根據該驅動信號之致能來產生一鎖定信號；其中，該鎖定信號根據該導通信號之禁能而被禁能，且該驅動信號只在該鎖定信號被禁能時被致能。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之同步整流電路，其中，在該導通信號之禁能之前，該關閉信號被致能。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之同步整流電路，其中， 該鎖相電路包括：一充電電路，當該導通信號被致能時，用以產生一斜坡信號；一取樣電路，用以依據該斜坡信號之位準來產生一維持信號；以及一比較器，用以根據比較該斜坡信號與該維持信號以產生該關閉信號；其中，該維持信號之位準與該導通信號之期間相關聯。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之同步整流電路，其中，該控制器包括：一拴鎖電路，用以產生該驅動信號，以控制該功率電晶體；其中，該驅動信號根據該導通信號之致能而被致能，且該驅動信號根據該關閉信號之致能而被禁能。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之同步整流電路，更包括：一最大期間電路，用以產生一最大期間信號；其中，該最大期間信號用來關閉該功率電晶體，以限制該功率電晶體之最大期間。
  7. 一種同步整流電路，適用於一切換功率轉換器，包括：一第一電晶體與一第一二極體，耦接一變壓器與該切換功率轉換器之輸出端，用以執行整流；一第二電晶體與一第二二極體，耦接該變壓器與該切換功率轉換器之輸出端，用以執行整流；一禁止電路，用以產生一禁止信號，其中，該禁止信 號為一單擊信號，用以在該第一電晶體關閉之後，禁止該第一電晶體之導通；以及一仲裁電路，當該第一二極體或該第一電晶體導通時，用以產生一鎖定信號，以避免該第二電晶體導通；其中，當該第二二極體或該第二電晶體導通時，該鎖定信號避免該第一電晶體導通。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之同步整流電路，更包括：一最大期間電路，用以產生一最大期間信號；其中，該最大期間信號用來關閉該第一電晶體，以限制該第一電晶體之導通時間。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之同步整流電路，更包括：一控制器，用以根據一導通信號與一關閉信號來產生一驅動信號，以控制該第一電晶體；以及一鎖相電路，用以依據該導通信號來產生該關閉信號；其中，一旦該第一二極體被順向偏壓時，該導通信號被致能；以及其中，該導通信號係用來致能該驅動信號以導通該第一電晶體，且該關閉信號則用來禁能該驅動信號以關閉該第一電晶體。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之同步整流電路，其中，在該導通信號之禁能之前，該關閉信號被致能。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之同步整流電路，其中，該控制器包括： 一拴鎖電路，用以產生該驅動信號，以控制該第一電晶體；其中，該驅動信號根據該導通信號之致能而被致能，且該驅動信號根據該關閉信號之致能而被禁能。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之同步整流電路，其中，該鎖相電路包括：一充電電路，當該導通信號被致能時，用以產生一斜坡信號；一取樣電路，用以依據該斜坡信號之位準來產生一維持信號；以及一比較器，用以根據該斜坡信號與該維持信號間之比較而產生該關閉信號；其中，該維持信號之位準與該導通信號之期間相關聯。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之同步整流電路，其中，該鎖相電路更包括：一相位偵測器，用以產生一重新啟動信號，以降低該維持信號之位準；其中，當該第一二極體沒有在該第一電晶體關閉後維持導通一段期間，產生該重新啟動信號。
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