TWI499194B - 適應性同步整流控制電路 - Google Patents

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TWI499194B
TWI499194B TW100115544A TW100115544A TWI499194B TW I499194 B TWI499194 B TW I499194B TW 100115544 A TW100115544 A TW 100115544A TW 100115544 A TW100115544 A TW 100115544A TW I499194 B TWI499194 B TW I499194B
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Jhih Da Hsu
Chia Yo Yeh
Chou Sheng Wang
Ying Chieh Su
Rui Hong Lu
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Description

適應性同步整流控制電路
本發明係有關於一種同步整流控制，尤其是指一種在一變壓器之二次側的適應性同步整流控制，其可提高效率和偵測準確性。
一離線式功率轉換器(offline power converter)包含一功率變壓器，其為了安全性，而隔離一交流線電壓與功率轉換器的輸出。在現今發展上，應用一同步整流器在功率變壓器的二次側，以讓功率轉換器達到一高效率轉換。第一圖係具有同步整流器之一習用功率轉換器。習用功率轉換器包含一橋式整流器10與一大電容CIN ，以轉換一電源VAC 為一輸入電壓VIN 。輸入電壓VIN 儲存於大電容CIN 。一功率變壓器T1 包含位於一次側的一一次側繞組NP 與位在二次側的一二次側繞組NS 。功率變壓器T1 之一次側具有一功率開關Q1，其耦接一次側繞組NP ，以切換功率變壓器T1 而調整功率轉換器之一輸出電壓VO 。功率開關Q1接收一驅動訊號SG 並耦接於功率變壓器T1 之一次側繞組NP 與一接地端之間。
功率變壓器T1 之二次側繞組NS 經由一同步開關Q2與一輸出電容CO 耦接至功率轉換器之輸出。同步開關Q2之一汲極耦接二次側繞阻NS 之一端，同步開關Q2之一源極耦接至接地端。輸出電容CO 耦接二次側繞組NS 之另一端與接地端之間。同步開關Q2與其寄生二極體DQ2 運作如同為同步整流器。因此，具有寄生二極體DQ2 之同步開關Q2耦接於功率變壓器T1 之二次側繞組NS 與輸出電容CO 之間。輸出電容CO 耦接功率轉換器之輸出電壓VO 。
設置於功率變壓器T1 之二次側的一控制電路20耦接同步開關Q2之一閘極，而依據位於控制電路20之一偵測端VDET的一偵測訊號VDET 產生一控制訊號SW ，以導通/截止同步開關Q2，該控制訊號SW 在控制電路20的一輸出端OUT。偵測端VDET耦接二次側繞阻NS 。偵測訊號VDET 係依據功率變壓器T1 之一激磁電壓VS 、一消磁電壓與一激磁週期所產生。控制訊號SW 之致能週期關聯於功率變壓器T1 之消磁週期。控制電路20包含一比較器24與一脈寬調變(PWM)電路25。比較器24之一正輸入端接收偵測訊號VDET 。一門檻訊號VT 提供於比較器24之一負輸入端。比較器24比較偵測訊號VDET 與門檻訊號VT 產生一切換訊號SON 於比較器24之一輸出端。脈寬調變電路25耦接同步開關Q2之閘極，以依據切換訊號SON 產生控制訊號SW 。
第二A圖係輸入電壓VIN 、偵測訊號VDET 與切換訊號SON 的波形。跨於大電容CIN 的輸入電壓VIN 經由第一圖所示之橋式整流器10整流。大電容CIN 作為一電壓調整器，大電容CIN 之電容值決定輸入電壓VIN 之一漣波範圍。因此，偵測訊號VDET 係隨輸入電壓VIN 的漣波範圍而相對改變。當門檻訊號VT 設定過高，在輸入電壓VIN 的一波谷電壓下比較偵測訊號VDET 與門檻訊號VT 時，切換訊號SON 則會遺漏。明顯地，例如第二A圖所示，前兩個較低振幅之偵測訊號VDET 的振幅低於門檻訊號VT ，所以前兩個較低振幅之偵測訊號VDET 即不會被偵測到。因此，先前技術的第一缺點係門檻訊號VT 設定過高時，在輸入電壓VIN 的波谷電壓期間，切換訊號SON 則會暫時被停止一些週期。
第二B圖係偵測訊號VDET 、切換訊號SON1 、SON2 與驅動訊號SG 的波形。第二B圖係繪示偵測訊號VDET 於非連續導通模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)。於一般運作下，切換訊號SON 係依據偵測訊號VDET 與門檻訊號VT 間的比較而產生。如第二B圖所示，此切換訊號SON 與此門檻訊號VT 可以分別視為一第一切換訊號SON1 與一第一門檻訊號VT1 。當門檻訊號VT 設定過低下，而比較偵測訊號VDET 與門檻訊號VT 時，切換訊號SON 會產生一額外且非預期脈波(undesirable pulse)。如第二B圖所示，此切換訊號SON 與此門檻訊號VT 可以分別視為一第二切換訊號SON2 與一第二門檻訊號VT2 。第二門檻訊號VT2 低於第一門檻訊號VT1 。明顯地例如第二B圖所示，於一切換週期期間，第二切換訊號SON2 具有一額外且非預期脈波。因此，先前技術的第二缺點係門檻訊號VT 設定過低時，切換訊號SON 會產生額外且非預期脈波於每一切換週期。
本發明之主要目的，在於提供一種適應性同步整流電路，其提供一適應性同步整流電路，以準確性地量測偵測訊號。
本發明適應性同步整流控制電路包含一適應性電路、一箝制電路與一切換電路。適應性電路依據功率轉換器之一偵測訊號產生一參考訊號。若參考訊號相同或大於一門檻電壓時，箝制電路則箝制參考訊號於門檻電壓。切換電路依據偵測訊號與參考訊號產生控制訊號，以控制功率轉換器之同步開關。
茲為使　貴審查委員對本發明之技術特徵及所達成之功效更有進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後：
請參閱第三圖，其係本發明之控制電路20之一較佳實施例的電路圖。控制電路20包含一適應性電路200、具有一運算放大器282與一電晶體283的一箝制電路，以及具有一比較器284與一脈寬調變(PWM)電路285的一切換電路。適應性電路200用於依據功率轉換器之偵測訊號VDET 產生一參考訊號VREF 。偵測訊號VDET 關聯於功率轉換器之輸入電壓VIN (如第一圖所示)。適應性電路200包含一上升邊緣偵測器210、一下降邊緣偵測器220、一取樣保持電路與一放大器281。取樣保持電路用於取樣與保持偵測訊號VDET 以產生參考訊號VREF 。取樣保持電路包含一第一取樣開關230、一第一保持電容240、一第一放電開關232、一第二取樣開關250、一第二保持電容260與一第二放電開關252。
第一取樣開關230之一端耦接偵測端VDET以接收偵測訊號VDET 。第一保持電容240耦接於第一取樣開關230之另一端與接地端之間。第二取樣開關250耦接於第一保持電容240與第二保持電容260之間。第二保持電容260更耦接至接地端。上升邊緣偵測器210接收偵測訊號VDET ，以在偵測訊號VDET 的一上升邊緣產生一第一取樣訊號SP1 。下降邊緣偵測器220接收偵測訊號VDET ，以在偵測訊號VDET 的一下降邊緣產生一第二取樣訊號SP2 。第一取樣訊號SP1 與第二取樣訊號SP2 被用於控制取樣保持電路以取樣與保持偵測訊號VDET 。
第一取樣開關230受控於上升邊緣偵測器210的第一取樣訊號SP1 。藉由週期性的切換第一取樣開關230，使得一第一保持訊號VP1 一據偵測訊號VDET 被充電並產生於第一保持電容240。第二取樣開關250受控於下降邊緣偵測器220的第二取樣訊號SP2 。藉由週期性的切換第二取樣開關250，使得一第二保持訊號VP2 一據第一保持訊號VP1 被充電並產生於第二保持電容260。第一放電開關232並聯於第一保持電容240。第二放電開關252並聯於第二保持電容260。第一放電開關232與第二放電開關252受控於一放電訊號SD ，以放電保持電容240與260。在一切換週期，放電訊號SD 位於第二取樣訊號SP2 之結束端，以清除與重置第一保持電容240之第一保持訊號VP1 與第二保持電容260之第二保持訊號VP2 。
放大器281耦接第二保持電容260以接收第二保持訊號VP2 。具有一放大係數K的放大器281一據第二保持訊號VP2 與放大係數K產生參考訊號VREF 。放大係數K必需小於1。藉由取樣並保持偵測訊號VDET 以產生第二保持訊號VP2 。然而，參考訊號VREF 將被一箝制電路箝制於一門檻電壓VTH ，箝制電路包含運算放大器282與電晶體283。因此，被乘以放大係數K之第二保持訊號VP2 小於門檻電壓VTH ，或者若被乘以放大係數K之第二保持訊號VP2 等於或大於門檻電壓VTH 時，被乘以放大係數K之第二保持訊號VP2 則被箝制於門檻電壓VTH 。也就是說，參考訊號VREF 小於門檻電壓VTH ，或者若參考訊號VREF 相等或大於門檻電壓VTH 時，參考訊號VREF 則被箝制於門檻電壓VTH 。
運算放大器282之一負輸入端提供有門檻電壓VTH ，運算放大器282之一正輸入端耦接電晶體283之一汲極與適應性電路200之K倍放大器281的一輸出。運算放大器282之一輸出端控制電晶體283之一閘極。電晶體283之一源極耦接至接地端。若參考訊號VREF 相等或大於門檻電壓VTH 時，電晶體283則被運算放大器282導通，以箝制參考訊號VREF 在門檻電壓VTH 。換言之，在功率轉換器的一切換週期，藉由取樣與保持偵測訊號VDET ，並相乘於放大係數K，而產生參考訊號VREF ，且更被限制於門檻電壓VTH 。
切換電路包含比較器284與脈寬調變電路285，並依據偵測訊號VDET 與參考訊號VREF 產生控制訊號SW ，以控制功率轉換器之同步開關Q2(如第一圖所示)。比較器284之一正輸入端接收偵測訊號VDET ，比較器284之一負輸入端接收參考訊號VREF 。比較器284比較偵測訊號VDET 與參考訊號VREF 而產生切換訊號SON 。但必須注意，偵測訊號VDET 是藉由功率轉換器之目前這一個切換週期所產生，而參考訊VREF 是透過取樣與保持藉由功率轉換器之先前一個切換週期所產生的偵測訊號VDET 並乘以放大係數K所產生，參考訊VREF 更限制於門檻電壓VTH 。換言之，藉由比較目前這一個切換週期所產生的偵測訊號VDET 與參考訊號VREF 而產生切換訊號SON ，而參考訊號VREF 是藉由先前一個切換週期所產生的偵測訊號VDET 而產生。因此，當偵測訊號VDET 大於參考訊號VREF 時，切換訊號SON 則保持導通。另一方面，當偵測訊號VDET 小於參考訊號VREF 時，切換訊號SON 則保持截止。
脈寬調變電路285依據切換訊號SON 產生控制訊號SW 於控制電路20之輸出端OUT，以切換同步開關Q2。因為切換訊號SON 與控制訊號SW 在一切換週期是完全相同且同相位，所以切換訊號SON 關聯於控制訊號SW 。切換訊號SON 用於導通脈寬調變電路285以控制同步開關Q2。脈寬調變電路285為現有技術，因此在此不再詳述。
請參閱第四A圖，其係本發明之上升邊緣偵測器210之一較佳實施例的電路圖。揭露於第三圖之上升邊緣偵測器210包含一第一反相器211、一電流源212、一電晶體213、一電容214、一第二反相器215與一及閘216。上升邊緣偵測器210接收偵測訊號VDET ，以在偵測訊號VDET 的一上升邊緣產生第一取樣訊號SP1 。電晶體213之一閘極經由第一反相器211接收偵測訊號VDET 。偵測訊號VDET 經由第一反相器211控制電晶體213。電流源212耦接一電壓源VCC 與電晶體213之一汲極之間。電晶體213之一源極耦接至接地端。
電容214連接於電晶體213之汲極與接地端之間。電晶體213並聯於電容214以對電容214放電。電流源212連接電壓源VCC 並用於對電容214充電。電流源212與電容214之電容值決定跨於電容214之電壓的脈波寬度與振幅。及閘216之一輸入端經由第二反相器215耦接電晶體213之汲極與電容214，及閘216之另一輸入端接收偵測訊號VDET ，及閘216之一輸出端產生第一取樣訊號SP1 。
請參閱第四B圖，其係本發明之下降邊緣偵測器220之一較佳實施例的電路圖。揭露於第三圖之下降邊緣偵測器220包含一第一反相器221、一電流源222、一電晶體223、一電容224、一第二反相器225、一及閘226與一第三反相器227。下降邊緣偵測器220接收偵測訊號VDET ，以在偵測訊號VDET 之一下降邊緣產生第二取樣訊號SP2 。電晶體223之一閘極經由第一反相器221與第三反相器227接收偵測訊號VDET 。第一反相器221耦接於第三反相器227與電晶體223之閘極之間。偵測訊號VDET 經由第一反相器221與第三反相器227控制電晶體223。電流源222耦接於電壓源VCC 與電晶體223之一汲極之間，電晶體223之一源極耦接至接地端。
電容224連接於電晶體223之汲極與接地端之間。電晶體223並聯於電容224以對電容224放電。電流源222連接電壓源VCC 且用於對電容224充電。電流源222與電容224之電容值決定跨於電容224之電壓的脈波寬度與振幅。及閘226之一輸入端經由第二反相器225耦接電晶體223之汲極與電容224。及閘226之另一輸入端經由第三反相器227接收偵測訊號VDET ，及閘226之一輸出端產生第二取樣訊號SP2 。
請參閱第五圖，其係本發明之一較佳實施例之參考訊號VREF 、偵測訊號VDET 、第一取樣訊號SP1 、第二取樣訊號SP2 與切換訊號SON 之輸出波形。如先前所述，第一取樣訊號SP1 為對應偵測訊號VDET 之複數上升邊緣的複數單擊脈波，而第二取樣訊號SP2 為對應偵測訊號VDET 之複數下降邊緣的複數單擊脈波。第一取樣訊號SP1 是依據偵測訊號VDET 之上升邊緣所產生。第二取樣訊號SP2 是依據偵測訊號VDET 之下降邊緣所產生。
如切換訊號SON 之切換波形所示，切換訊號SON 是透過比較目前這一個切換週期所產生的偵測訊號VDET 與參考訊號VREF 所產生，而參考訊號VREF 是藉由先前一個切換週期所產生的偵測訊號VDET 而產生。參考訊號VREF 是依據第二保持訊號VP2 (如第三圖所示)所產生，而第二保持訊號VP2 是透過取樣與保持偵測訊號VDET 所產生。然而，被乘以放大係數K之第二保持訊號VP2 將如虛線所示而被限制於門檻電壓VTH 。因此，參考訊號VREF 小於門檻電壓VTH ，或者若參考訊號VREF 相同或大於門檻電壓時VTH 時，參考訊號VREF 則被箝制於門檻電壓VTH 。
在時序T1 與時序T2 之間，切換訊號SON 被產生並且參考訊號VREF 之振幅會隨輸入電壓VIN 與偵測訊號VDET 之增加而逐漸地增加。值得注意的，在時序T2 與時序T3 之間，切換訊號SON 被產生，並且即使輸入電壓VIN 與偵測訊號VDET 仍然上升，參考訊號VREF 之振幅會保持一固定值(如所示之門檻電壓VTH )。在時序T3 與時序T4 之間，切換訊號SON 被產生，並且參考訊號VREF 之振幅會隨輸入電壓VIN 與偵測訊號VDET 之降低而逐漸地減小。
故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，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，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故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．．．橋式整流器
20．．．控制電路
24．．．比較器
25．．．脈寬調變電路
200．．．適應性電路
210．．．上升邊緣偵測器
211．．．第一反相器
212．．．電流源
213．．．電晶體
214．．．電容
215．．．第二反相器
216．．．及閘
220．．．下降邊緣偵測器
221．．．第一反相器
222．．．電流源
223．．．電晶體
224．．．電容
225．．．第二反相器
226．．．及閘
227．．．第三反相器
230．．．第一取樣開關
232．．．第一放電開關
SP1 ．．．第一取樣訊號
SP2 ．．．第二取樣訊號
SW ．．．控制訊號
T1 ．．．功率變壓器
VAC ．．．電源
VCC ．．．電壓源
VDET．．．偵測端
VDET ．．．偵測訊號
VIN ．．．輸入電壓
240．．．第一保持電容
250．．．第二取樣開關
252．．．第二放電開關
260．．．第二保持電容
281．．．放大器
282．．．運算放大器
283．．．電晶體
284．．．比較器
285．．．脈寬調變電路
CIN ．．．大電容
CO ．．．輸出電容
DQ2 ．．．寄生二極體
NP ．．．一次側繞組
NS ．．．二次側繞組
OUT．．．輸出端
Q1．．．功率開關
Q2．．．同步開關
SD ．．．放電訊號
SG ．．．驅動訊號
SON ．．．切換訊號
SON1 ．．．切換訊號
SON2 ．．．切換訊號
VO ．．．輸出電壓
VP1 ．．．第一保持訊號
VP2 ．．．第二保持訊號
VREF ．．．參者訊號
VS ．．．激磁電壓
VT ．．．門檻訊號
VT1 ．．．第一門檻訊號
VT2 ．．．第二門檻訊號
VTH ．．．門檻電壓
第一圖係具有一同步整流器之一習用功率轉換器的電路圖；
第二A圖係輸入電壓、偵測訊號與切換訊號的波形；
第二B圖係偵測訊號、切換訊號與驅動訊號的波形；
第三圖係本發明之控制電路之一較佳實施例的電路圖；
第四A圖係本發明之上升邊緣偵測器之一較佳量施例的電路圖；
第四B圖係本發明之下降邊緣偵測器之一較佳實施例的電路圖；以及
第五圖係本發明之一較佳實施例之參考訊號、偵測訊號、第一取樣訊號、第二取樣訊號與切換訊號之輸出波形。
20．．．控制電路
200．．．適應性電路
210．．．上升邊緣偵測器
220．．．下降邊緣偵測器
230．．．第一取樣開關
232．．．第一放電開關
240．．．第一保持電容
250．．．第二取樣開關
252．．．第二放電開關
260．．．第二保持電容
281．．．放大器
282．．．運算放大器
283．．．電晶體
284．．．比較器
285．．．脈寬調變電路
OUT．．．輸出端
SD ．．．放電訊號
SON ．．．切換訊號
SP1 ．．．第一取樣訊號
SP2 ．．．第二取樣訊號
SW ．．．控制訊號
VDET．．．偵測端
VDET ．．．偵測訊號
VP1 ．．．第一保持訊號
VP2 ．．．第二保持訊號
VREF ．．．參考訊號
VTH ．．．門檻電壓

Claims (8)

  1. 一種適應性同步整流控制電路包含：一適應性電路，依據一功率轉換器之一偵測訊號產生一參考訊號；一箝制電路，耦接該適應性電路，若該參考訊號相等或大於一門檻電壓時，該箝制電路則箝制該參考訊號於該門檻電壓；以及一切換電路，依據該偵測訊號與該參考訊號產生一控制訊號，而控制該功率轉換器之一同步開關。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之適應性同步整流控制電路，其中該適應性電路更包含一取樣保持電路，以取樣與保持該偵測訊號而產生該參考訊號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之適應性同步整流控制電路，其中該適應性電路更包含一放大器，其耦接該取樣保持電路，該取樣保持電路取樣與保持該偵測訊號以產生一保持訊號，該放大器接收該保持訊號並依據該保持訊號與一放大係數產生該參考訊號。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之適應性同步整流控制電路，其中該適應性電路更包含：一上升邊緣偵測器，依據該偵測訊號之一上升邊緣產生一第一取樣訊號；以及一下降邊緣偵測器，依據該偵測訊號之一下降邊緣產生一第二取樣訊號；其中，該第一取樣訊號與該第二取樣訊號用於控制該取樣保持電路，以取樣與保持該偵測訊號而產生該參考訊號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之適應性同步整流控制電路，其中該箝制電路包含：一電晶體，耦接於該適應性電路與一接地端之間；以及一運算放大器，依據該參考訊號與該門檻電壓控制該電晶體；其中，該參考訊號相等或大於該門檻電壓時，該電晶體被該運算放大器導通，以箝制該參考訊號於該門檻電壓。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之適應性同步整流控制電路，其中該切換電路更包含：一比較器，比較該偵測訊號與該參考訊號以產生一切換訊號；以及一脈寬調變電路，依據該切換訊號產生該控制訊號。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之適應性同步整流控制電路，其中該偵測訊號是藉由該功率轉換器之目前這一個切換週期所產生，而該參考訊號是透過取樣與保持藉由該功率轉換器之先前一個切換週期所產生之該偵測訊號而產生。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之適應性同步整流控制電路，其中該偵測訊號關聯於該功率轉換器之一輸入電壓。
TW100115544A 2010-06-11 2011-05-04 適應性同步整流控制電路 TWI499194B (zh)

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