TWI415373B - Dead state adjustment circuit and method with coarse adjustment function and fine adjustment function - Google Patents

Description

具粗調節功能及細調節功能的死區調整電路及方法

本發明係有關一種應用於同步整流的死區調整電路及方法，尤指一種具有粗調節功能及細調節功能的死區調整電路及方法。

隨著地球暖化及石油能源的消耗，發展替代能源及綠色能源已是勢在必行，但以目前來看，距離替代能源及綠色能源完全取代石油的階段還尚有努力空間，因此，如能提高電源轉換效率便能有效的降低能量的耗損，而提高轉換效率的方法之一便是使用同步整流電路。

而在同步整流電路中，其主要技術在於控制一次側電路與二次側電路的電路開關時間，而通常同步整理電路中之技術重點便在於控制二次側電路中的電晶體關閉時間，稱之為死區時間(Dead Time)之控制，如美國第6038150號專利案之”TRANSISTORIZED RECTIFIER FOR A MULTIPLE OUTPUT CONVERTER”，其係揭露了一種應用在電源轉換器的無二極體二次側子電路(Secondary Subcircuit)，請參閱圖1，其主要技術在於利用利用複數電晶體2開關取代二極體電路，並且藉由一個二次側後校準電路3(Secondary Side post regulation，SSPR)從同步訊號起始點利用類比比較的方式一步一步的逼近一脈波寬度調變電路4中的開關訊號，藉此調整二次側子電路1的死區時間以製造出同步整流訊號，但同步訊號的時間週期將使二次側後校準電路3用於記憶前次週期的電容面積過大，進而提高了電路的使用面積及元件成本，且由於是一步一步的逼近，因此需要較多的時間以達到其預定的死區時間。

再者，如美國第6418039號專利案，該案揭露了一種控制同步整理器的關閉時間的裝置及方法，請參閱圖2，其主要是利用一數位關閉控制器5(digital Turn-Off Controller)來控制同步整流器中之二次側電晶體6的關閉時間，更進一步的說明，該數位關閉控制器5藉由一固定頻率的時脈訊號來判斷關閉該二次側電晶體6的時間，藉由全數位的方式來達成同步整流器二次側電晶體6的開關控制，惟，時脈訊號的頻率控制著二次側電晶體6的關閉延遲時間，若時脈訊號的頻率太低，容易有關閉延遲時間過長的問題，造成與一次側電路開關時間的匹配誤差，但若提高時脈訊號的頻率，則必須使用較高頻的電路元件及高頻比較器元件，間接提高了電路成本。

本發明之主要目的，在於解決傳統類比電路中必須使用大面積的電容來逼近一次側電路中的開關訊號，藉此調整二次側電路的死區時間以製造出同步整流訊號。

本發明之另一目的，在於解決習知技術中之類比電路因使用過多的時間完成死區的逼近而造成功率的損耗以及效率的浪費。

本發明之再一目的，在於解決全數位關閉控制器必須使用高頻的時脈訊號以避免關閉延遲時間過長，造成與一次側電路開關時間的匹配誤差。

為達上述目的，本發明提供一種具粗調節功能及細調節功能的死區調整電路，以下簡稱為死區調整電路，其係應用於一同步整流電路中，該同步整流電路主要包含有一個一次側子電路(Primary Subcircuit)及一個二次側子電路(Secondary Subcircuit)，而該死區調整電路應用於該二次側子電路，控制該同步整流電路中的一死區時間，該死區調整電路包括有一粗調節單元、一細調節單元及一分別與該粗調節單元及該細調節單元連接的訊號合成單元。該粗調節單元設置於該同步整流電路中，用以對一同步訊號進行粗調節後輸出一粗調節訊號；該細調節單元與該粗調節單元連接，用以將該粗調節訊號進行細微調節後輸出一細調節訊號；而該訊號合成單元用以輸出一控制訊號，該控制訊號用以控制該二次側子電路中的至少一電晶體之開關，完成該死區時間的控制。

由上述說明可知，本發明利用該粗調節單元完成初步且較大的死區時間控制，並得到該粗調節訊號，在將該粗調節訊號傳遞至該細調節單元，再進行細微的死區時間調整，以達成最佳化的死區時間，相較於習知技術的類比逼近電路，本發明利用粗調節單元大幅縮小元件中的電容面積，並有效節省電路元件的成本，且縮短了逼近死區所需要的時間，再利用細調節單元進行死區時間微調，精準的得到最佳化的死區時間，提高同步整流之效率及降低同步整流電路的成本。

有關本發明之詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：請參閱圖3及圖4所示，圖3係本發明一較佳實施例之同步整流電路架構示意圖，圖4係本發明一較佳實施例之方塊配置示意圖，如圖所示：本發明係為一種具粗調節功能及細調節功能的死區調整電路，以下簡稱為死區調整電路10，其係應用於一同步整流電路中，該同步整流電路主要包含有一個一次側子電路20及一個二次側子電路30，而該死區調整電路10應用於該二次側子電路30，用以控制該同步整流電路中的一死區時間，請再參閱圖4，該死區調整電路10包括有一粗調節單元11、一細調節單元12及一分別與該粗調節單元11及該細調節單元12連接的訊號合成單元13。該粗調節單元11設置於該同步整流電路中，用以對一同步訊號SYNC進行粗調節後輸出一粗調節訊號rough；該細調節單元12與該粗調節單元11連接，用以將該粗調節訊號rough進行細微調節後輸出一細調節訊號fine；而該訊號合成單元13用以輸出一控制訊號CS，該控制訊號CS用以控制該二次側子電路30中的至少一電晶體31之開關時間，完成該死區時間的控制。

請再參閱圖5-1及圖5-2，圖5-1係本發明一較佳實施例之數位調節電路示意圖，而圖5-2係本發明一較佳實施例之數位調節電路時脈訊號示意圖。本發明之粗調節單元11係可藉由一數位調節電路進行粗調節，如圖所示：該數位調節電路係藉由兩時脈訊號clk1、clk2進行粗調節記數，該兩時脈訊號clk1、clk2會對該同步訊號SYNC進行記數比較，而得該粗調節訊號rough，因為粗調節單元11即為一初步的死區時間控制，因此不需要高頻率的時脈訊號，僅需要一較低頻率的時脈訊號即可達成初步的死區時間控制。

而本發明之粗調節單元11亦可藉由一類比調節電路達成粗調節之功能，如圖6-1至圖6-5所示，其中，圖中各個接點各具有其對應的接點名稱，相同之接點名稱代表各個電路圖中之接點相接，該類比調節電路包含有一第一調節單元111、一第二調節單元112及一連接該第一調節單元111及該第二調節單元112的比較單元113，該類比調節電路藉由該比較單元113對該第一調節單元111及該第二調節單元112進行訊號比較而得一粗調節訊號rough，而圖6-5為本發明一較佳實施例之類比調節電路各接點訊號的時脈示意圖，由圖6-5搭配圖6-1至圖6-4，可以很清楚的瞭解各個電路單元的操作狀態，並得到一粗調節訊號rough。

再者，請參閱圖7-1及圖7-2，其係為本發明一較佳實施例之細調節單元12及訊號合成單元13之電路及時脈示意圖，其中，圖中各個接點各具有其對應的接點名稱，相同之接點名稱代表各個電路圖中之接點相接，並且，各個接點的時脈狀態如圖7-2所示，由圖中可知，透過一制動訊號Fenable的控制對一電容C1充放電產生一鋸齒波電壓Vsaw，該制動訊號Fenable為該粗調節訊號rough(示於圖6-5)與該同步訊號SYNC比較後取得，而後透過該鋸齒波電壓Vsaw變化與一參考電壓Vref做比較得到一細調節訊號fine，該細調節訊號fine會在經過一斜率控制器121重新調整一輸入電壓V1、V2的大小以調整該鋸齒波電壓Vsaw的波形斜率，該鋸齒波電壓Vsaw的波形斜率不同便會影響到該細調節訊號fine的責任週期(Duty Cycle)，該訊號合成單元13分析該細調節訊號fine與該同步訊號SYNC後，得到一控制訊號CS，該控制訊號CS用以控制該二次側子電路30的電晶體31(示於圖3)之開關時間，藉此縮小死區時間，以增加效率，需特別說明的是，藉由該控制訊號CS控制該電晶體31關閉後，可得一死區時間時脈Dt，該死區時間時脈Dt越小，代表與該一次側子電路20的開關同步率越高，也代表能源的耗損率越低，由圖7-2中可知，該死區時間時脈Dt責任週期會隨著細調節訊號fine的調整而漸漸縮小，本發明設定一死區時間最小值Dtm，當該死區時間時脈Dt的責任週期小於該死區時間最小值Dtm的責任週期時，該斜率控制器121就會調整該輸入電壓V1、V2，以重新調整該鋸齒波電壓Vsaw，避免細調節訊號fine調整過當，反而超過了設定的時間週期。

更進一步的說明，請參閱圖8，圖8為本發明一較佳實施例之流程步驟示意圖，藉由步驟S1-S5共五個步驟做更進一步的解說，並請同時參閱圖3至圖7-2：

S1：進行粗調節，將一同步訊號SYNC進行粗調節，藉由一粗調節單元11對輸入之同步訊號SYNC進行粗調節，並且得到一粗調節訊號rough，其中，係使用一數位粗調節的方式對該同步訊號SYNC進行粗調節，該數位粗調節的方式係指利用時脈訊號clk1、clk2之頻率來對該同步訊號SYNC進行記數比較，而除了使用該數位粗調節的方式之外，亦可使用類比粗調節的方式對該同步訊號SYNC進行粗調節；

S2：進行細調節，將該粗調節訊號rough輸入至一細調節單元12，藉由該細調節單元12對該粗調節訊號rough進行細微調整後輸出一細調節訊號fine，其中，請配合參閱圖7-1及圖7-2，該粗調節訊號rough會轉換成一反細調節制動訊號Fenable，該細調節單元12便藉由該反細調節制動訊號Fenable作為時脈訊號clk1、clk2進行細調節，並且，在本實施例中，係使用一斜率調整的鋸齒波比較方法進行細調節，該鋸齒波比較方法為藉由一鋸齒波電壓Vsaw變化與一參考電壓Vref做比較，進而取得一微調後的細調節訊號fine；

S3：回授微調，將該細調節訊號fine經過一斜率分析，得到一微調訊號後重新傳回給該細調節單元12進行微調，以得到一較佳的細調節訊號fine；

S4：訊號合成，分別將該粗調節訊號rough及該細調節訊號fine經由一訊號合成單元13進行訊號合成為一控制訊號CS；

S5：控制死區時間，藉由該控制訊號CS控制該同步整流電路中的電晶體31開關，藉此調整死區時間時脈Dt。

綜上所述，由於本發明利用該粗調節單元11完成初步且較大的死區時間控制，並得到該粗調節訊號rough，在將該粗調節訊號rough傳遞至該細調節單元12，再進行細微的死區時間調整，以達成最佳化的死區時間，相較於習知技術的類比逼近電路，本發明利用粗調節單元11大幅縮小元件中的電容面積，並有效節省電路元件的成本，且縮短了逼近死區所需要的時間，再利用細調節單元12進行死區時間微調，精準的得到最佳化的死區時間，提高同步整流之效率及降低同步整流電路的成本。因此本發明極具進步性及符合申請發明專利之要件，爰依法提出申請，祈　鈞局早日賜准專利，實感德便。

以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施之範圍。即凡依本發明申請範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍內。

習知技術

1．．．二次側子電路

2．．．電晶體

3．．．二次側後校準電路

4．．．脈波寬度調變電路

5．．．數位關閉控制器

6．．．二次側電晶體

本發明

10．．．死區調整電路

11．．．粗調節單元

111．．．第一調節單元

112．．．第二調節單元

113．．．比較單元

12．．．細調節單元

Fenable．．．制動訊號

C1．．．電容

121．．．斜率控制器

V1、V2．．．輸入電壓

13．．．訊號合成單元

SYNC．．．同步訊號

CS．．．控制訊號

clk1、clk2．．．時脈訊號

rough．．．粗調節訊號

fine．．．細調節訊號

Vref．．．參考電壓

Vsaw．．．鋸齒波電壓

20．．．一次側子電路

30．．．二次側子電路

31．．．電晶體

Dt．．．死區時間時脈

Dtm．．．死區時間最小值

圖1，係習知技術一之電路示意圖。

圖2，係習知技術二之電路示意圖。

圖3，係本發明一較佳實施例之同步整流電路架構示意圖。

圖4，係本發明一較佳實施例之方塊配置示意圖。

圖5-1，係本發明一較佳實施例之數位調節電路示意圖。

圖5-2，係本發明一較佳實施例之數位調節電路時脈訊號示意圖。

圖6-1，係本發明一較佳實施例之類比調節電路示意圖一。

圖6-2，係本發明一較佳實施例之類比調節電路示意圖二。

圖6-3，係本發明一較佳實施例之類比調節電路示意圖三。

圖6-4，係本發明一較佳實施例之類比調節電路示意圖四。

圖6-5，係本發明一較佳實施例之類比調節電路時脈示意圖。

圖7-1，係本發明一較佳實施例之細調節單元及訊號合成單元之電路示意圖。

圖7-2，係本發明一較佳實施例之細調節單元及訊號合成單元之時脈示意圖。

圖8，係本發明一較佳實施例之流程步驟示意圖。

10．．．死區調整電路

11．．．粗調節單元

12．．．細調節單元

13．．．訊號合成單元

SYNC．．．同步訊號

CS．．．控制訊號

rough．．．粗調節訊號

fine．．．細調節訊號

Claims (10)

1. 一種具粗調節功能及細調節功能的死區調整電路，其係應用於一同步整流電路中，控制該同步整流電路中的一死區時間，該具粗調節功能及細調節功能的死區調整電路包括有：一粗調節單元，其係設置於該同步整流電路中，用以對一同步訊號進行粗調節後輸出一粗調節訊號；一細調節單元，其與該粗調節單元連接，用以將該粗調節訊號進行細微調節後輸出一細調節訊號，該細調節單元係藉由一斜率調整的鋸齒波比較電路對一參考電壓進行訊號比較，而得該細調節訊號；及一分別與該粗調節單元及該細調節單元連接的訊號合成單元，其用以輸出一控制訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具粗調節功能及細調節功能的死區調整電路，其中該粗調節單元藉由一數位調節電路進行粗調節後輸出該粗調節訊號。
3. 如申請專利範圍第2項所述之具粗調節功能及細調節功能的死區調整電路，其中該數位調節電路係藉由一時脈訊號進行粗調節記數，而得該粗調節訊號。
4. 如申請專利範圍第1項所述之具粗調節功能及細調節功能的死區調整電路，其中該粗調節單元藉由一類比調節電路進行粗調節。
5. 如申請專利範圍第4項所述之具粗調節功能及細調節功能的死區調整電路，其中該類比調節電路包含有一第一調節單元、一第二調節單元及一連接該第一調節單元及該第二調節單元的比較單元，該類比調節電路 藉由該比較單元對該第一調節單元及該第二調節單元進行訊號比較而得該粗調節訊號。
6. 如申請專利範圍第1項所述之具粗調節功能及細調節功能的死區調整電路，其中該細調節單元具有一斜率調整器，其用以將該細調節訊號分析產生一微調訊號後回授以進行微調。
7. 一種具粗調節功能及細調節功能的死區調整方法，其係應用於一同步整流電路中，控制該同步整流電路中的一死區時間，該具粗調節功能及細調節功能的死區調整方法包含有以下步驟：將一同步訊號進行粗調節，藉由一粗調節單元對輸入之同步訊號進行粗調節，並且得到一粗調節訊號；將該粗調節訊號輸入至一細調節單元，藉由該細調節單元對該粗調節訊號進行細微調整後輸出一細調節訊號，其中係使用一斜率調整的鋸齒波比較方法進行細調節，該鋸齒波比較方法為藉由一鋸齒波比較電路與一參考電壓做比較，進而取得該細調節訊號；將該細調節訊號經過一斜率分析器，得到一微調訊號後重新傳回給該細調節單元進行微調，以得到一調整後的細調節訊號；分別將該粗調節訊號及該細調節訊號經由一訊號合成單元進行訊號分析，而得一控制訊號；及藉由該控制訊號控制該同步整流電路中的電晶體開關，藉此調整該死區時間。
8. 如申請專利範圍第7項所述之具粗調節功能及細調節功能的死區調整方法，其中係使用一數位粗調節 的方式對該同步訊號進行粗調節，該數位粗調節的方式係指利用一時脈訊號之頻率來對該同步訊號進行記數比較。
9. 如申請專利範圍第7項所述之具粗調節功能及細調節功能的死區調整方法，其中係使用一類比粗調節的方式對該同步訊號進行粗調節。
10. 如申請專利範圍第7項所述之具粗調節功能及細調節功能的死區調整方法，其中該細調節訊號透過一斜率調整機制重新校準該細調節訊號的責任週期。