TWI415372B - 離線式功率轉換器的同步整流電路 - Google Patents

離線式功率轉換器的同步整流電路 Download PDF

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TWI415372B
TWI415372B TW099102360A TW99102360A TWI415372B TW I415372 B TWI415372 B TW I415372B TW 099102360 A TW099102360 A TW 099102360A TW 99102360 A TW99102360 A TW 99102360A TW I415372 B TWI415372 B TW I415372B
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Ta Yung Yang
Ying Chieh Su
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Description

離線式功率轉換器的同步整流電路
本發明係有關於一種功率轉換器之一控制電路，其係尤指一種用於離線式功率轉換器之一同步整流控制。
按，一離線式功率轉換器包含一功率變壓器，用於交流輸入電源至功率轉換器之輸出之間提供隔離作用，以符合安全規範(safety)。在近年來的發展，應用同步整流器於功率變壓器之二次側的技術，讓功率轉換器達到高效率轉換。例如，由楊先生所提出的美國專利第7,173,835號”Control circuit associated with saturable inductor operated as synchronous rectifier forward power converter”。然而，此習知技術的缺點在於包含飽和電感及/或電流感測裝置，而增加功率消耗。飽和電感及電流感測裝置被需要用於促進同步整流器運作於連續模式與非連續模式。本發明之目的係提供一種可達到高效率之同步整流電路。此外，本發明不需要額外裝置與複雜電路即可運作於連續模式與非連續模式。
本發明之主要目的，在於提供一種離線式功率轉換器的同步整流電路，其可偵測一次側切換電流，而達到高效率之同步整流之目的。
本發明之主要目的，在於提供一種離線式功率轉換器的同步整流電路，其僅需要小脈波變壓器，因此達節省印刷電路板的空間並節省功率轉換器之成本的目的。
本發明提供之同步整流電路係用以增進離線式功率轉換器之效率。本發明之同步整流電路包含一脈波訊號產生器，其依據一功率變壓器之一切換電流與一切換訊號之上升邊緣/下降邊緣，而產生一脈波訊號，切換訊號用以切換功率變壓器與調整離線式功率轉換器。一隔離裝置，例如一脈波變壓器，其耦接脈波訊號產生器，以從功率變壓器之一次側傳送脈波訊號至功率變壓器之二次側。一同步整流器具有一功率開關與一控制電路，功率開關耦接耦接功率變壓器之二次側以進行整流。控制電路係接收脈波訊號以導通/截止功率開關，一旦切換電流大於一門檻值，則產生脈波訊號以導通功率開關。其中，脈波訊號為一觸發訊號，脈波訊號之脈波寬度小於切換訊號之脈波寬度。
茲為使　貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：請參閱第一圖，係本發明之一較佳實施例之具一同步整流電路之一離線式功率轉換器的電路圖。如圖所示，離線式功率轉換器包含一功率變壓器10，功率變壓器10在一次側具有一一次側繞組NP ，在二次側具有一二次側繞組NS ，功率變壓器10之一次側具有兩個功率開關20與30，以切換功率變壓器10。功率開關20經一電容15耦接一次側繞組NP 之一第一端，並接收一輸入電壓VIN ，功率開關30耦接功率開關20與一次側繞組NP 之一第二端。一切換電壓係依據功率變壓器10的切換而產生於二次側繞組NS 。一切換電流訊號SI 依據功率變壓器10之一切換電流而產生於一電阻40，切換電流訊號SI 係功率變壓器10之一一次側電流，電阻40耦接於功率開關30與一次側繞組NP 之第二端。
復參閱第一圖，一第一同步整流器51具有一整流端D，其耦接二次側繞組NS 之一第一端以進行整流，第一同步整流器51之一接地端GND耦接功率轉換器之接地端。一第二同步整流器52具有一整流端D，其耦接二次側繞組NS 之一第二端以進行整流，第二同步整流器52之一接地端GND也耦接功率轉換器之接地端。電感61與62分別從二次側繞組NS 之第一端與第二端耦接至功率轉換器之一輸出電壓VO ，功率轉換器之輸出電壓VO 產生於一輸出電容65。第一同步整流器51與第二同步整流器52之一第一輸入端SP與一第二輸入端SN耦接一隔離裝置70之二次側，以接收一脈波訊號而導通/截止第一同步整流器51與第二同步整流器52。其中，隔離裝置70可為一脈波變壓器(pulse transformer)或複數電容。
復參閱第一圖，一脈波訊號產生器100具有一切換電流端SI，其接收切換電流訊號SI 以產生脈波訊號，脈波訊號產生器100也具有一輸入訊號端SIN，其接收一切換訊號SIN ，以依據切換訊號SIN 之上升邊緣與下降邊緣產生脈波訊號，切換訊號SIN 用以切換功率變壓器10與調整功率轉換器。脈波訊號係依據切換電流與切換訊號SIN 之脈波寬度而產生於脈波訊號產生器100之一第一輸出端XP與一第二輸出端XN，脈波訊號為一差動(differential)訊號。脈波訊號之極性將決定導通/截止第一同步整流器51與第二同步整流器52。為了在功率變壓器10被切換前產生脈波訊號，脈波訊號產生器100更依據切換訊號SIN 產生驅動訊號SA 與SB ，驅動訊號SA 與SB 經驅動緩衝器25、35與功率開關20、30而切換功率變壓器10。其中，在致能切換訊號SIN 與致能驅動訊號SA 與SB 之間有一延遲時間。
承接上述，脈波訊號產生器100之第一輸出端XP與第二輸出端XN耦接隔離裝置70之一次側，用以從功率變壓器10之一次側傳送脈波訊號經過功率變壓器10之一隔離屏障作用(isolation barrier)而至功率變壓器10之二次側。脈波訊號之脈波寬度小於切換訊號SIN 之脈波寬度，脈波訊號為包含高頻率成份之一觸發訊號。因此，僅需要一個很小的脈波變壓器(pulse transformer)，其節省印刷電路板的空間並節省功率轉換器之成本。一旦切換電流高於一門檻值，脈波訊號則被產生而導通第一同步整流器51與第二同步整流器52之功率開關。當功率轉換器運作於輕載時，切換電流訊號SI 低於一門檻訊號VT (如第八圖所示)，脈波訊號產生器100將僅產生脈波訊號，以截止第一同步整流器51與第二同步整流器52。
請參閱第二圖，係本發明之一較佳實施例之一同步整流器50的電路圖。本實施例之同步整流器50表示第一同步整流器51與第二同步整流器52之電路。同步整流器50包含一功率開關400、一二極體450與一控制電路200。二極體450並聯於功率開關400，功率開關400耦接於一整流端D與一接地端GND之間以進行整流。整流端D耦接功率變壓器10之二次側，接地端GND耦接功率轉換器之輸出。控制電路200經一第一輸入端SP與一第二輸入端SN接收脈波訊號，以產生一閘極驅動訊號VG ，而導通/截止功率開關400，脈波訊號之極性決定導通/截止功率開關400。
請參閱第三圖，係本發明之一較佳實施例之同步整流器50之控制電路200的電路圖。如圖所示，電阻211與221相互串聯，用於為第一輸入端SP提供一偏壓端。電阻213與223也相互串聯，以提供另一偏壓端至第二輸入端SN，電阻211與213更耦接一第一供應電壓VCC ，電阻221與223更耦接於接地端。第一輸入端SP耦接一第一比較器210之一正輸入端與一第二比較器220之一負輸入端，第二輸入端SN耦接第二比較器220之一正輸入端與第一比較器210之一負輸入端。比較器210與220係分別於正輸入端具有偏移電壓(offset voltage)215與225，以產生遲滯。
復參閱第三圖，一第三比較器230具有一臨界訊號VTH，其耦接於第三比較器230之一正輸入端，第三比較器230之一負輸入端耦接整流端D，比較器210與230之輸出端經一及閘235耦接一SR正反器250之一設定輸入端S，以設定SR正反器250。SR正反器250之一重置輸入端R受控於第二比較器220之輸出端，以重置SR正反器250。SR正反器250之一輸出端Q與第三比較器230之輸出端耦接一及閘260之兩輸入端。閘極驅動訊號VG 產生於及閘260之一輸出端，以導通/截止同步整流器50之功率開關400(如第二圖所示)。SR正反器250用於作為一閂鎖電路(latch circuit)，並經比較器210與220接收脈波訊號，以設定或重置閂鎖電路，而導通/截止功率開關400。
閘極驅動訊號VG 之最大導通時間係受限於一第一延遲電路270，閘極驅動訊號VG 耦接於第一延遲電路270。經過一消隱時間(blanking time)之後，第一延遲電路270之輸出將依據閘極驅動訊號VG 之致能而產生，第一延遲電路270之輸出經一反相器261耦接一及閘263之一輸入端，及閘263之另一輸入端接收一電源導通重置(power-on reset)訊號RST，及閘263之一輸出端耦接一清除輸入端CLR，以清除(重置)SR正反器250。閘極驅動訊號VG 之最大導通時間係受限於第一延遲電路270之延遲時間。一旦脈波訊號如下列方程式(1)所示產生時，閘極驅動訊號VG 將截止同步整流器50之功率開關400。
V SN -V SP >V 225 ……………(1)
當符合下列方程式(2)與(3)時，閘極驅動訊號VG 將導通功率開關400。
V SP -V SN >V 215 ……………(2)
V DET <V TH 　……………(3)
其中，VSP 為第一輸入端SP之電壓；VSN 為第二輸入端SN之電壓；VDET 為整流端D之電壓；VTH 為臨界訊號VTH之電壓，V215 為偏移電壓215的值；V225 為偏移電壓225的值。
一旦，第二圖所示之同步整流器50之二極體450導通時，整流端D的電壓將小於臨界訊號VTH之電壓VTH ，其表示功率開關400僅會在二極體450導通之後，才會被導通。
請參閱第四圖，係本發明之一較佳實施例之控制電路200之第一延遲電路270的電路圖。如圖所示，一電流源273耦接第一供應電壓VCC ，並用以對一電容275進行充電。一電晶體272耦接電容275與接地端，用於對電容275進行放電。一輸入訊號I係經一反相器271而傳送至電晶體272，以控制電晶體272。輸入訊號I更傳送至一及閘279之一輸入端，及閘279之另一輸入端經一反相器278耦接電容275。一旦，輸入訊號I被致能時，及閘279之一輸出端將在延遲時間之後，產生一輸出訊號O。延遲時間係由電流源273之電流值與電容275之電容值所決定。輸入訊號I可為控制電路200之閘極驅動訊號VG 。
請參閱第五圖，係本發明之一較佳實施例之脈波訊號產生器100的電路圖。如圖所示，驅動訊號SA 與SB 係依據切換訊號SIN 所產生，切換訊號SIN 耦接一互斥電路(exclusive circuit)之輸入端，互斥電路包含及閘110、120、延遲電路(DLY)130、140與反相器125、135、145。互斥電路之輸出端係產生驅動訊號SA 與SB 。切換訊號SIN 係傳送至及閘110之一輸入端，切換訊號SIN 經反相器125更傳送至及閘120之一輸入端。及閘110與120之輸出端係分別產生驅動訊號SA 與SB ，驅動訊號SA 係經反相器135傳送至延遲電路130之一輸入端IN。延遲電路130之一輸出端OUT耦接及閘120之另一輸入端。驅動訊號SB 經反相器145傳送至延遲電路140之一輸入端IN，延遲電路140之一輸出端OUT耦接及閘110之另一輸入端。因此，驅動訊號SA 與SB 兩者之間具有一延遲時間。此外，如第九A圖所示，切換訊號SIN 致能時驅動訊號SB 會禁能，而驅動訊號SA 會經過延遲時間後而致能。延遲電路130與140之電路如第七圖所示。切換訊號SIN 、切換電流SI 與驅動訊號SA 係傳送至一訊號產生電路(SIG)300，以於第一輸出端XP與第二輸出端XN產生脈波訊號。
請參閱第六圖，係本發明之一較佳實施例之脈波訊號產生器100之訊號產生電路300的電路圖。如圖所示，一正反器310之一輸入端D接收一第二供應電壓VDD ，正反器310之一時脈輸入端CK接收切換訊號SIN ，並於正反器310之一輸出端Q產生一第一訊號，且正反器310之輸出端耦接一或閘315之一第一輸入端。切換訊號SIN 更經由一反相器325產生一訊號SNN ，訊號SNN 係用以驅動一正反器320之一時脈輸入端CK。正反器320之一輸入端D接收第二供應電壓VDD ，正反器320之一輸出端Q輸出一第二訊號，並輸出端Q耦接或閘315之一第二輸入端。或閘315於第二輸出端XN產生一負脈波訊號，以截止同步整流器50(如第二圖所示)。負脈波訊號經一延遲電路(DLY)120傳送至正反器310與320之重置輸入端R，以重置正反器310與320。延遲電路120之一輸入端IN耦接第二輸出端XN而接收負脈波訊號，延遲電路120之一輸出端OUT耦接正反器310與320之重置輸入端R，以重置正反器310與320，延遲電路120之延遲時間決定負脈波訊號之脈波寬度。
復參閱第六圖，一門檻電路(threshold circuit)500接收切換訊號SIN 、切換電流訊號SI 與驅動訊號SA 用以產生一致能訊號ENP。致能訊號ENP傳送至一正反器340之一輸入端D與一及閘345之一輸入端，及閘345之另一輸入端經一反相器343、一延遲電路(DLY)125、另一反相器342與正反器340之一時脈輸入端CK，而耦接第二輸出端XN，以接收負脈波訊號，正反器340之一輸出端Q耦接及閘345之另一輸入端，及閘345用於第一輸出端XP產生一正脈波訊號。正脈波訊號經一延遲電路(DLY)130傳送至正反器340之一重置輸入端R，以重置正反器340。延遲電路130之一輸入端IN耦接第一輸出端XP，以接收正脈波訊號，延遲電路130之一輸出端OUT耦接正反器340之重置輸入端R，以重置正反器340。延遲電路130之延遲時間決定正脈波訊號之脈波寬度。所以，脈波訊號係由位於第一輸出端XP之正脈波訊號與位於第二輸出端XN之負脈波訊號所產生，延遲電路120、125與130之電路係如第七圖所示。
請參閱第七圖，係本發明之一較佳實施例之第二延遲電路的電路圖。如圖所示，一電流源113係接收第二供應電壓VDD ，並用以對電容115進行充電。一電晶體112耦接電容115與接地端，而對電容115進行放電。輸入訊號經一反相器111傳送至電晶體112，以控制電晶體112，輸入訊號更傳送至一反及閘119之一輸入端，反及閘119之另一輸入端耦接電容115，反及閘119之一輸出端為延遲電路之輸出端。當輸入訊號為邏輯低準位時，電容115進行放電且反及閘119之輸出訊號為邏輯高準位。當輸入訊號改變為邏輯高準位時，電流源113將開始對電容115進行充電，一旦電容115之電壓高於反及閘119之輸入門檻電壓時，反及閘119將輸出一邏輯低準位訊號。電流源113之電流值與電容115之電容值決定延遲電路之延遲時間TP ，延遲時間TP 係起始於輸入訊號之邏輯高準位，而結束於延遲電路之輸出訊號的邏輯低準位。
請參閱第八圖，係本發明之一較佳實施例之訊號產生電路300之門檻電路500的電路圖。如圖所示，切換電流訊號SI 傳送至一比較器510之一輸入端，比較器510之另一輸入端接收門檻訊號VT ，比較器510之一輸出端耦接一D型正反器530之一輸入端D。驅動訊號SA 係傳送至一及閘520之一輸入端，及閘520之另一輸入端經一反相器525接收切換訊號SIN ，及閘520之一輸出端耦接D型正反器530之一時脈輸入端CK，D型正反器530之一輸出端Q產生致能訊號ENP。當切換電流訊號SI 高於門檻訊號VT ，致能訊號ENP將依據驅動訊號SA 與切換訊號SIN 而產生。
請一併參閱第九A圖與第九B圖，係本發明之一較佳實施例之同步整流電路的波形圖。如第九A圖所示，一脈波訊號SP -SN (負脈波訊號)係依據切換訊號SIN 之上升邊緣與下降邊緣而產生，以截止功率開關400，進而禁能同步整流器50(如第二圖所示)。若同步整流器50之二極體450(如第二圖所示)導通，接著負脈波訊號的結束，一脈波訊號SP -SN (正脈波訊號)會被產生，以導通功率開關400，進而致能同步整流器50。第九B圖係顯示切換電流訊號SI 與致能訊號ENP的波形。當致能訊號ENP產生(切換電流高於門檻值)時，脈波訊號SP -SN (正脈波訊號)僅被產生，即第一圖所示之同步整流器51與52於輕載或無載的情況下將被禁能。
綜上所述，本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈　鈞局早日賜准專利，至感為禱。
惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10．．．功率變壓器
100．．．脈波訊號產生器
101．．．及閘
111．．．反相器
112．．．電晶體
113．．．電流源
115．．．電容
119．．．反及閘
120．．．延遲電路
120．．．及閘
125．．．反相器
130．．．延遲電路
135．．．反相器
140．．．延遲電路
145．．．反相器
15．．．電容
20．．．功率開關
200．．．控制電路
220．．．第二比較器
211．．．電阻
213．．．電阻
215．．．偏移電壓
221．．．電阻
223．．．電阻
225．．．偏移電壓
230．．．第三比較器
235．．．及閘
25．．．緩衝器
250．．．SR正反器
260．．．及閘
261．．．反相器
263．．．及閘
270．．．第一延遲電路
271．．．反相器
272．．．電晶體
273．．．電流源
275．．．電容
278．．．反相器
279．．．及閘
30．．．功率開關
300．．．訊號產生電路
310．．．正反器
315．．．或閘
320．．．正反器
340．．．正反器
342．．．反相器
343．．．反相器
345．．．及閘
35．．．緩衝器
40．．．電阻
400．．．功率開關
450．．．二極體
50．．．同步整流器
500．．．門檻電路
51．．．第一同步整流器
52．．．第二同步整流器
520．．．及閘
525．．．反相器
530．．．D型正反器
61．．．電感
62．．．電感
65．．．輸出電容
70．．．隔離裝置
ENP．．．致能訊號
I．．．輸入訊號
NP ．．．一次側繞組
NS ．．．二次側繞組
O．．．輸出訊號
RST．．．電源導通重置訊號
SA ．．．驅動訊號
SB ．．．驅動訊號
SI ．．．切換電流訊號
SIN ．．．切換訊號
SNN ．．．訊號
TP ．．．延遲時間
VCC ．．．第一供應電壓
VDD ．．．第二供應電壓
VG ．．．閘極驅動訊號
VIN ．．．輸入電壓
VT ．．．門檻訊號
VTH ．．．臨界訊號
第1圖係本發明之一較佳實施例具一同步整流電路之一離線式功率轉換器的電路圖；
第2圖係本發明之一較佳實施例之同步整流器的電路圖；
第3圖係本發明之一較佳實施例之同步整流器之一控制電路的電路圖；
第4圖係本發明之一較佳實施例之一第一延遲電路的電路圖；
第5圖係本發明之一較佳實施例之一脈波訊號產生器的電路圖；
第6圖係本發明之一較佳實施例之脈波訊號產生器之一訊號產生電路的電路圖；
第7圖係本發明之一較佳實施例之一第二延遲電路的電路圖；
第8圖係本發明之一較佳實施例之訊號產生電路之一門檻電路的電路圖；以及
第9A圖與第9B圖係本發明之一較佳實施例之同步整流電路的波形圖。
10．．．功率變壓器
15．．．電容
20．．．功率開關
25．．．緩衝器
30．．．功率開關
35．．．緩衝器
40．．．電阻
51．．．第一同步整流器
52．．．第二同步整流器
61．．．電感
62．．．電感
65．．．輸出電容
70．．．隔離裝置

Claims (11)

  1. 一種離線式功率轉換器之一同步整流電路，該離線式功率轉換器具有一功率變壓器，該同步整流電路包含：一脈波訊號產生器，依據一切換電流及一切換訊號產生一脈波訊號；一隔離裝置，耦接該脈波訊號產生器，以從該功率變壓器之一一次側傳送該脈波訊號至該功率變壓器之一二次側；以及一同步整流器，具有一功率開關、一二極體與一控制電路，該功率開關耦接該功率變壓器之該二次側以進行整流，該控制電路接收該脈波訊號，以導通/截止該功率開關；其中，該切換電流為該功率變壓器之一一次側電流，該二極體與該功率開關相並聯，該脈波訊號之極性決定導通/截止該功率開關，該切換訊號用以切換該功率變壓器。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之同步整流電路，其中一旦該切換電流高於一門檻值，該脈波訊號則產生以導通該功率開關。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之同步整流電路，其中該脈波訊號依據該切換訊號之上升邊緣與下降邊緣而被產生。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之同步整流電路，其中一旦該二極體導通，該脈波訊號導通該功率開關。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之同步整流電路，其中該隔離裝置為一脈波變壓器或複數電容。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之同步整流電路，其中該脈波訊號為一觸發訊號，該脈波訊號之脈波寬度小於該切換訊號之脈波寬度。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之同步整流電路，其中該脈波訊號產生器更依據該切換訊號產生一驅動訊號，該驅動訊號切換該 功率變壓器，該切換訊號之致能與該驅動訊號之致能兩者之間具有一延遲時間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之同步整流電路，其中該脈波訊號產生器包含：一切換電流端，接收表示該切換電流之一切換電流訊號；一輸入訊號端，接收該切換訊號；一第一輸出端，產生該脈波訊號；以及一第二輸出端，產生該脈波訊號，該脈波訊號為一差動訊號；其中，該脈波產生器依據該切換電流與該切換訊號之脈波寬度產生該脈波訊號，以控制該功率開關，該脈波訊號之極性決定該脈波訊號被產生用於導通或截止該功率開關。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之同步整流電路，其中該脈波訊號產生器包含一訊號產生電路，以依據該切換電流與該切換訊號產生該脈波訊號，該脈波訊號包括一正脈波訊號與一負脈波訊號，該正脈波訊號用以導通該功率開關，該負脈波訊號用以截止該功率開關。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之同步整流電路，其中該訊號產生電路包含一門檻電路，一旦該切換電流高於一門檻值，該門檻電路產生一致能訊號，以產生該正脈波訊號。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之同步整流電路，其中該控制電路包含一閂鎖電路，其接收該脈波訊號，以設定或重置該閂鎖電路，該閂鎖電路用以導通/截止該功率開關。
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