TWI516009B

TWI516009B - 控制同步整流器的方法、控制電路及其功率轉換器

Info

Publication number: TWI516009B
Application number: TW103110132A
Authority: TW
Inventors: 王周昇; 曾澤仁
Original assignee: 崇貿科技股份有限公司
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2016-01-01
Also published as: TW201537882A

Description

控制同步整流器的方法、控制電路及其功率轉換器

本發明是有關於一種控制功率轉換器的技術，且特別是有關於一種用於控制返馳(flyback)功率轉換器的同步整流器(synchronous rectifier，SR)的控制電路和方法，所述返馳功率轉換器可以操作於不連續電流模式(discontinuous current mode，DCM)以及連續電流模式(continuous current mode，CCM)，其中週期鎖定功能提供可靠的並且穩固的方法以防止同步整流(SR)功率電晶體發生反向導通(backward conduction)。

功率轉換器已被頻繁地用於將未經調節的電源轉化為恒定的電壓輸出。在各種功率轉換器中，返馳(flyback)功率轉換器是最常見的一種。具有一次繞組和次級繞組的變壓器是返馳功率轉換器的主要部分，並且返馳功率轉換器進一步包括輸出電容器。一次繞組連接到未經調節的電源，並且切換裝置連接到一次繞組以導通和截止未經調節的電源與一次繞組之間的連接。整流二極體通常連接到次級繞組，用於將從一次繞組傳送的能量整流成直流電壓。

返馳功率轉換器通常具有兩種操作模式，即，不連續導通模式(discontinuous conduction mode，DCM)和連續導通模式(continuous conduction mode，CCM)。在不連續導通模式中，儲存在變壓器中的所有能量在下一迴圈開始之前被完全傳送。因此，將不會有感應電壓保留在變壓器中來抵抗輸出電容器放電回到變壓器。然而，當在切換裝置截止的瞬間，一旦儲存在變壓器中的能量完全釋放，那麼電流將以反向的方向從輸出電容器中排放出來。相比之下，在連續操作模式中，一些能量保留在返馳功率轉換器的變壓器中。也就是說，在從次級繞組釋放的電流下降到零之前，下一切換迴圈將開始。在連續模式操作下，變壓器在下一切換迴圈開始時持續對能量進行續流(freewheeling)。如果在下一切換迴圈開始之前返馳功率轉換器的同步整流器沒有截止，那麼輸出電容器將以反向的方向充電。上述情況被稱為功率轉換器的“反向導通(backward conduction)”。

在上述揭示內容中，輸出電容器仍然是經由MOSFET同步整流器(synchronous rectifier，SR)以連續模式和不連續模式在切換的瞬間突然地充電和放電的。因此，將降低效率並且升高噪音。另外，在上述方法中，變壓器需要額外的輔助繞組來產生驅動信號以獲得同步整流，並且因此增加了製造變壓器的複雜度。

本發明揭示了一種用於控制功率轉換器的同步整流器的方法。所述方法包括以下步驟：回應於整流器的導通週期以導通電晶體；根據電壓感測信號的週期產生切換週期信號；根據整流器的導通週期以產生導通週期信號；回應於所述切換週期信號產生第一停用信號；回應於所述導通週期信號產生第二停用信號；回應於所述第一停用信號和所述第二停用信號以截止電晶體。在本發明的一個實施例中，電壓感測信號與變壓器的切換波形有關，並且電晶體耦接到變壓器並且作為同步整流器操作。第一停用信號的導通週期比切換週期信號的導通週期為短。在本申請案的一個實施例中，第二停用信號的導通週期比導通週期信號的導通週期為短。

從另一觀點來看，本發明揭示了一種用於功率轉換器的同步整流器的控制方法。所述控制方法包括以下步驟：回應於整流器的導通週期以導通電晶體；回應於變壓器的切換波形的導通週期截止電晶體；回應於整流器的導通週期截止電晶體。所述電晶體耦接到變壓器並且並聯連接到整流器，並且操作以進行同步整流。電晶體的導通週期比變壓器的切換波形的導通週期為短，並且也比整流器的導通週期為短。

從另一觀點來看，本發明揭示了一種功率轉換器。所述功率轉換器包括變壓器、整流器、電晶體、以及控制電路。所述電晶體耦接到所述整流器，並且操作以進行同步整流。所述控制電路耦接到所述電晶體，並且經配置以回應於所述整流器的導通而導通所述電晶體。所述控制電路包括第一比較器、同步整流重置電路、觸發器和及閘。第一比較器用於根據電壓感測信號產生啟用信號。同步整流重置電路用於根據電壓感測信號產生切換週期信號，根據所述整流器的導通週期產生導通週期信號，回應於所述切換週期信號產生第一停用信號，回應於所述導通週期信號產生第二停用信號，並且根據所述第一停用信號和所述第二停用信號產生停用信號。所述停用信號耦接到所述觸發器的復位端，所述觸發器是通過所述啟用信號設置的，所述觸發器的輸出和所述啟用信號連接到所述及閘以產生用於控制所述電晶體的控制信號。所述電壓感測信號與所述變壓器的切換波形有關；所述第一停用信號的導通週期比所述切換週期信號的導通週期為短；所述第二停用信號的導通週期比所述導通週期信號的導通週期為短；所述導通週期信號的所述導通週期不與所述第一停用信號的所述導通週期和所述第二停用信號的所述導通週期重疊。從另一觀點來看，本發明揭示了一種功率轉換器，所述功率轉換器包括變壓器、整流器、電晶體，以及控制電路。電晶體耦接到整流器，並且整流器並聯連接到電晶體。控制電路耦接到電晶體，並且控制電路回應於整流器的導通以導通電晶體；回應於變壓器的切換波形的導通週期截止電晶體；並且回應於整流器的導通週期截止電晶體。電晶體的導通週期比變壓器的切換波形的導通週期為短，並且電晶體的導通週期比整流器的導通週期為短。

從另一觀點來看，本發明揭示了一種功率轉換器的控制電路，用於控制所述功率轉換器的同步整流。所述控制電路包括第一比較器、同步整流重置電路、觸發器和及閘。第一比較器用於根據電壓感測信號產生啟用信號。同步整流重置電路用於根據電壓感測信號產生切換週期信號，根據所述整流器的導通週期產生導通週期信號，回應於所述切換週期信號產生第一停用信號，回應於所述導通週期信號產生第二停用信號，並且根據所述第一停用信號和所述第二停用信號產生停用信號。所述停用信號耦接到所述觸發器的復位端，所述觸發器是通過所述啟用信號設置的，所述觸發器的輸出和所述啟用信號連接到所述及閘以產生用於控制所述電晶體的控制信號。所述電壓感測信號與所述變壓器的切換波形有關；所述第一停用信號的導通週期比所述切換週期信號的導通週期為短；所述第二停用信號的導通週期比所述導通週期信號的導通週期為短；所述導通週期信號的所述導通週期不與所述第一停用信號的所述導通週期和所述第二停用信號的所述導通週期重疊。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10‧‧‧變壓器

20‧‧‧脈寬調製(PWM)控制器

25‧‧‧電晶體

30‧‧‧電晶體

40‧‧‧整流器

45‧‧‧輸出電容器

51、52‧‧‧電阻器

100‧‧‧控制電路

110、160、260‧‧‧比較器

120‧‧‧觸發器

121、211‧‧‧反相器

125‧‧‧及閘(AND gate)

150‧‧‧同步整流重置(SR-reset)電路

170‧‧‧或閘(OR gate)

200‧‧‧切換週期鎖定電路

210、215、265‧‧‧脈衝發生器

220‧‧‧功率電晶體

230‧‧‧電流源

235、245‧‧‧電容器

240‧‧‧開關

250‧‧‧緩衝放大器

251、252‧‧‧電阻器

300‧‧‧導通週期鎖定電路

310、315、365、380‧‧‧脈衝發生器

311、371、372‧‧‧反相器

320‧‧‧功率電晶體

335、345‧‧‧電容器

340‧‧‧開關

350‧‧‧緩衝放大器

351352‧‧‧電阻器

360‧‧‧比較器

370‧‧‧觸發器

410‧‧‧電流源

411、420‧‧‧比較器

412‧‧‧電晶體

415‧‧‧電容器

425‧‧‧及閘

V_IN‧‧‧輸入

V_DS‧‧‧信號

S_W‧‧‧切換信號

S_SR‧‧‧控制信號

V_S‧‧‧電壓感測信號

V_O‧‧‧輸出

V_TL‧‧‧低電平閾值

S_E‧‧‧啟用信號

ENB‧‧‧信號

S_D‧‧‧停用信號

V_TH‧‧‧高電平閾值

S_D1‧‧‧第一停用信號

S_D2‧‧‧第二停用信號

T‧‧‧週期

T_ON‧‧‧導通時間/導通週期

S_T‧‧‧切換週期信號

V_F1‧‧‧衰減信號

S_ON‧‧‧導通週期信號

X‧‧‧輸入信號

Y‧‧‧輸出信號

S1010~S1130‧‧‧步驟

圖1繪示以說明根據本發明的一個實施例的具有同步整流器 (SR)的返馳功率轉換器的示意圖。

圖2繪示以說明根據本發明的一個實施例的控制電路的方塊圖。

圖3繪示以說明根據本發明的一個實施例的同步整流重置電路的方塊圖。

圖4繪示以根據本發明的一個實施例在DCM中操作的返馳功率轉換器的波形。

圖5繪示以根據本發明的一個實施例在CCM中操作的返馳功率轉換器的波形。

圖6繪示以說明根據本發明的一個實施例的切換週期鎖定電路的電路圖。

圖7繪示以說明根據本發明的一個實施例的導通週期鎖定電路的電路圖。

圖8繪示以說明根據本發明的一個實施例的圖6和圖7中的脈衝發生器中的一個的參考電路圖。

圖9繪示以根據本發明的一個實施例的脈衝發生器的波形。

圖10繪示以說明根據本發明的一個實施例的控制功率轉換器的同步整流器的方法的流程圖。

圖11繪示以說明根據本發明的一個實施例的用於功率轉換器的同步整流器的控制方法的流程圖。

本發明提供了用於可以在DCM(不連續電流模式)和CCM(連續電流模式)中操作的返馳功率轉換器的具有週期鎖定功能的同步整流器(SR)的控制電路和方法。返馳功率轉換器的週期鎖定功能提供可靠的並且穩固的方法以防止同步整流電晶體發生反向導通。

DCM操作意味著功率轉換器的變壓器在變壓器重新磁化(下一切換迴圈的開始)之前是完全去磁的。CCM操作意味著功率轉換器的變壓器在下一切換迴圈開始時不是完全去磁的。

圖1繪示以說明根據本發明的一個實施例的具有同步整流器(SR)的返馳功率轉換器的示意圖。所述返馳功率轉換器包括變壓器10、脈寬調製(PWM)控制器20、電晶體25和30、整流器40、輸出電容器45、電阻器51和52，以及控制電路100。整流器40操作以進行功率轉換器的同步整流。電晶體25經配置以切換變壓器10的一次繞組(primary-winding)，用於將能量從輸入V_IN轉移到返馳功率轉換器的輸出V_O。在電晶體25與變壓器10的一次繞組之間產生信號V_DS。PWM控制器20經配置以檢測輸出V_O，用於產生切換信號S_W以控制電晶體25並且調節輸出V_O。當整流器40(或電晶體30的體二極體)導通以用於將功率從變壓器10傳送到輸出電容器45時，電晶體30將被導通以減少整流器40的導通損失(整流器40的正向壓降)。控制電路100產生控制信號S_SR以驅動電晶體30來用於進行同步整流操作。電阻器51和52耦接到變壓器10的次級繞組(secondary-winding)以用於根據變壓器10的波形產生電壓感測信號V_S。電壓感測信號V_S耦接到控制電路100以用於產生控制信號S_SR。

圖2繪示以說明根據本發明的一個實施例的控制電路100的方塊圖。控制電路100包括比較器110、觸發器120、反相器121、及閘(AND gate)125以及同步整流重置(SR-reset)電路150。當電壓感測信號V_S低於低電平閾值V_TL時，比較器110產生啟用信號S_E。啟用信號S_E的上升緣(rising edge)經配置以設置(啟用(enable))觸發器120。觸發器120的輸出以及啟用信號S_E連接到及閘125以產生控制信號S_SR。同步整流重置電路150經配置以接收啟用信號S_E、電壓感測信號V_S以及控制信號S_SR，用於產生停用信號(disabling signal)S_D。通過反相器121，停用信號S_D經配置以重置(reset)觸發器120並且停用控制信號S_SR。觸發器120的信號ENB是常態性為高的。

當整流器40被導通時，電壓感測信號V_S將低於低電平閾值V_TL。因此，控制信號S_SR將被啟用以在整流器40被導通的同時導通電晶體30。控制信號S_SR將回應於電壓感測信號V_S、控制信號S_SR以及啟用信號S_E而被停用。電壓感測信號V_S與變壓器10的波形有關。

圖3繪示以說明根據本發明的一個實施例的同步整流重置電路150的方塊圖。同步整流重置電路150包括比較器160、或閘(OR gate)170、切換週期鎖定電路200，以及導通週期鎖定電路300。當電壓感測信號V_S高於高電平閾值V_TH時，比較器160產生切換週期信號S_T。切換週期信號S_T通過切換週期鎖定電路200以產生第一停用信號S_D1。控制信號S_SR和啟用信號S_E通過導通週期鎖定電路300以產生第二停用信號S_D2。第一停用信號S_D1和第二停用信號S_D2都耦接到或閘170以產生停用信號S_D。

圖4繪示以根據本發明的一個實施例在DCM中操作的返馳功率轉換器的波形。信號V_DS是在圖1中的電晶體25與變壓器10的一次繞組之間產生的。週期T是切換信號S_W的切換週期。導通時間T_ON表示整流器40的導通週期(turned-on period)(連接週期(conduction period))，並且整流器40的導通週期與變壓器10的去磁時間相關。第二停用信號S_D2是被產生以在整流器40的導通週期結束之前停用控制信號S_SR。

圖5繪示以根據本發明的一個實施例在CCM中操作的返馳功率轉換器的波形。導通時間T_ON表示整流器40的導通週期(連接週期)，並且導通時間T_ON是回應於切換信號S_W的開始(下一切換迴圈的開始)結束的。產生第一停用信號S_D1是被產生以在下一切換迴圈開始之前停用控制信號S_SR。

圖6繪示以說明根據本發明的一個實施例的切換週期鎖定電路200的電路圖。切換週期鎖定電路200包括第一脈衝發生器210、第二脈衝發生器215、第三脈衝發生器265、反相器211、功率電晶體220、電流源230、電容器235和245、開關240、緩衝放大器250以及電阻器251、252。電流源230耦接到功率電晶體220、電容器235以及開關240，並且應用電流源230給電容器235充電。第二脈衝發生器215通過反相器211接收第一脈衝發生器210的輸出。第二脈衝發生器215的輸出耦接到功率電晶體220的控制節點，功率電晶體220的第一節點耦接到電流源230，並且功率電晶體220的第二節點耦接到地面。開關240經配置以將電容器235的電壓取樣給由脈衝發生器210的輸出控制的電容器245。切換週期信號S_T通過脈衝發生器210產生脈衝信號。脈衝發生器210的輸出經配置以導通開關240用於回應於切換週期信號S_T的上升緣進行取樣。脈衝發生器210的輸出進一步經配置以在取樣之後通過反相器211、脈衝發生器215和功率電晶體220使電容器235放電。電容器245的電壓電平V₂₄₅與切換信號S_W的週期T(即，切換週期信號S_T)有關，並且可以根據電流源230的電流I₂₃₀以及電容器235的電容C₂₃₅通過公式(1)計算電壓電平V₂₄₅。

電容器245經配置以通過緩衝放大器250以及電阻器251和252產生衰減信號V_F1。比較器260經配置以在電容器235的電壓電平高於衰減信號V_F1時通過脈衝發生器265產生第一停用信號S_D1。因此，第一停用信號S_D1將在切換信號S_W啟用之前(在下一切換迴圈開始之前)被產生。

圖7繪示以說明根據本發明的一個實施例的導通週期鎖定電路300的電路圖。導通週期鎖定電路300包括脈衝發生器310、315、365和380、觸發器370、反相器311、371和372、電流源330、電容器335和345、功率電晶體320、開關340、緩衝放大器350以及電阻器351和352。控制信號S_SR的上升緣在觸發器370中產生導通週期信號S_ON。啟用信號S_E用以重置觸發器370並且在啟用信號S_E停用(低邏輯；整流器40未導通)時通過反相器371、372以及脈衝發生器380將導通週期信號S_ON停用(disable)。

電流源330耦接到功率電晶體320、電容器335以及開關340，並且電流源330是用以為電容器335充電。開關340經配置以將電容器335的電壓取樣給由脈衝發生器310的輸出所控制的電容器345。導通週期信號S_ON經由脈衝發生器310產生脈衝信號。脈衝發生器310的輸出用以導通開關340以用於回應於導通週期信號S_ON的上升緣而進行取樣。脈衝發生器310的輸出進一步用以在取樣之後通過反相器311、脈衝發生器315和功率電晶體320使電容器335放電。第二脈衝發生器315的輸出耦接到功率電晶體320的控制節點。電容器345的電壓電平將與整流器40的導通時間T_ON(導通週期)相關，並且可以根據電流源330的電流I₃₃₀以及電容器335的電容C₃₃₅通過公式(2)計算電壓電平V₃₄₅。

電容器345用以通過緩衝放大器350以及電阻器351和 352而產生衰減信號V_F2。比較器360用以在電容器335的電壓電平高於衰減信號V_F2時通過脈衝發生器365而產生第二停用信號S_D2。因此，第二停用信號S_D2將在整流器40的導通時間結束之前產生，也就是說，在導通時間T_ON結束時產生。

圖8繪示以說明根據本發明的一個實施例的圖6和圖7中的脈衝發生器中的一個的參考電路圖。圖8中所示的脈衝發生器包括電流源410、反相器411和420、電晶體412、及閘425，以及電容器415。輸入信號X是通過電晶體412經由反相器411接收的。電流源410經配置以給電容器415充電。電容器415的電壓電平通過反相器420反相。電晶體412經配置以使由輸入信號X控制的電容器415放電。輸入信號X和電容器415的反相電壓電平由及閘425接收以產生輸出信號Y。

圖9繪示以根據本發明的一個實施例的脈衝發生器的波形。回應於脈衝發生器的輸入信號X的上升緣，脈衝發生器的輸出信號Y將產生脈衝。輸出信號Y的脈寬是通過圖8中所示的電流源410的電流以及電容器415的電容確定的。

因此，回應於整流器40的導通，圖1中所示的電晶體30是導通的。切換週期信號S_T是根據電壓感測信號V_S的週期產生的。導通週期信號S_ON是根據整流器40的導通週期產生的。第一停用信號S_D1是回應於切換週期信號S_T產生的。第二停用信號S_D2是回應於導通週期信號S_ON產生的。電晶體30回應於第一停用信號和第二停用信號而截止。第一停用信號S_D1的週期比切換週期信號S_T的週期為短。第二停用信號S_D2的週期比導通週期信號S_ON的週期為短。

圖10繪示以說明根據本發明的一個實施例的控制用於功率轉換器的同步整流器的方法的流程圖。在本實施例中，控制功率轉換器的同步整流器的方法適用於圖1到圖3的功率轉換器。本文中描述了所述方法的每個步驟。參考圖1至圖3以及圖10，在步驟S1010中，回應於整流器40的導通週期，控制電路100導通電晶體30(電晶體30的體二極體)。在步驟S1020中，控制電路100根據電壓感測信號V_S的週期產生切換週期信號S_T(即切換信號S_W)。在步驟S1030中，控制電路100根據整流器40的導通週期(即，導通週期)T_ON產生導通週期信號S_ON。在步驟S1040中，回應於切換週期信號S_T(即，切換信號S_W)，控制電路100產生第一停用信號S_D1。在步驟S1050中，回應於導通週期信號S_ON，控制電路100產生第二停用信號S_D2。在步驟S1060中，回應於第一停用信號S_D1和第二停用信號S_D2，控制電路100截止電晶體30。電壓感測信號V_S與變壓器10的切換波形有關。電晶體30耦接到變壓器10並且作為同步整流器操作。整流器40並聯連接到電晶體30。第一停用信號S_D1的導通週期比切換週期信號S_T(即，切換信號S_W)的導通週期為短。第二停用信號S_D2的導通週期比導通週期信號S_ON的導通週期為短。在本發明的上述實施例中描述了與控制功率轉換器的同步整流器的方法相結合的技術以及這種方法的具體實施。

從另一觀點來看，圖11繪示以說明根據本發明的一個實施例的功率轉換器的同步整流器的控制方法的流程圖。在本實施例中，用於功率轉換器的同步整流器的控制方法適用於圖1到圖3的功率轉換器。本文中描述了所述方法的每個步驟。在步驟S1110中，，控制電路100回應於整流器40的導通週期以導通電晶體30(電晶體30的體二極體)。在步驟S1120中，回應於變壓器10的切換波形的週期，控制電路100截止電晶體30。在步驟S1130中，回應於整流器40的導通週期，控制電路100截止電晶體30。電晶體30耦接到變壓器10並且作為同步整流器操作。整流器40並聯連接到電晶體30。電晶體30的導通週期比變壓器10的切換波形的週期為短，並且電晶體30的導通週期比整流器40的導通週期為短。

雖然本發明已以實施例揭露如上，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識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。