TWI543518B - 具省電與高轉換效率機制的電源轉換裝置 - Google Patents

具省電與高轉換效率機制的電源轉換裝置 Download PDF

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Description

具省電與高轉換效率機制的電源轉換裝置
本發明是有關於一種電源轉換技術，且特別是有關於一種具省電與高轉換效率的電源轉換裝置。
電源轉換裝置為現代電子裝置中不可或缺的元件。在以脈寬調變(pulse width modulation，PWM)控制為基礎的電源轉換裝置中，其二次側通常具有整流二極體。由於整流二極體於導通狀態下的功率消耗較大，因此可採用導通電阻(Rds-on)較低的同步整流電晶體來取代整流二極體。在這樣的架構下，尚需要一同步整流控制器來控制二次側的同步整流電晶體的啟閉。
一般來說，同步整流電晶體的閘極端與源極端之間具有寄生電容。當同步整流電晶體在導通與截止之間進行切換時，同步整流控制器需對寄生電容進行充放電，從而產生功率消耗。除此之外，同步整流控制器本身亦會消耗電能。上述的功率消耗於電源轉換裝置的負載為輕載時，將會降低電源轉換裝置的轉換效 率而不利於節能的表現。因此，如何有效地提升電源轉換裝置整體的轉換效率是電源轉換技術相關領域所要面臨的重要課題。
有鑒於此，本發明提供一種具省電與高轉換效率機制的電源轉換裝置，藉以解決先前技術所述及的問題。
本發明的電源轉換裝置包括變壓器、同步整流電晶體以及同步整流控制電路。變壓器具有一次側與二次側。其中一次側的第一端用以接收輸入電壓，而二次側的第一端則用以提供輸出電壓給負載。同步整流電晶體的第一汲/源極端耦接二次側的第二端，同步整流電晶體的第二汲/源極端耦接第一接地端，且同步整流電晶體的閘極端用以接收控制信號。同步整流控制電路耦接同步整流電晶體，且接收同步整流電晶體的第一汲/源極端的信號以做為偵測信號。其中，同步整流控制電路根據偵測信號來判斷負載的狀態，並據以產生控制信號。
在本發明的一實施例中，上述的電源轉換裝置中，當同步整流控制電路判斷負載的狀態為輕載時，同步整流控制電路進入省電模式，且同步整流電晶體受控於控制信號而被截止。當同步整流控制電路判斷負載的狀態為中載或重載時，同步整流控制電路進入正常操作模式，且同步整流電晶體受控於控制信號而被導通或被截止。
在本發明的一實施例中，上述的同步整流電晶體的第一 汲/源極端與其本體(body)端之間具有寄生二極體。其中，同步整流控制電路計算偵測信號的時間區間，根據時間區間的長短來判斷負載的狀態，並據以產生控制信號。其中，時間區間為同步整流電晶體或寄生二極體導通的時間。
在本發明的一實施例中，上述的同步整流控制電路包括計時電路、決策電路以及驅動電路。計時電路接收偵測信號以計算時間區間，並產生與時間區間相關的第一信號。決策電路耦接計時電路以接收第一信號。決策電路判斷第一信號是否小於第一臨界值。若判斷結果為是，決策電路累加第一計數值。否則，決策電路重置第一計數值。當第一計數值大於或等於第一預設值時，決策電路判斷負載的狀態為輕載並產生模式信號以使同步整流控制電路操作於省電模式。驅動電路耦接決策電路以接收模式信號。當模式信號指示同步整流控制電路操作於省電模式時，驅動電路產生控制信號以關斷(turn off)同步整流電晶體。
在本發明的一實施例中，上述的決策電路判斷第一信號是否大於或等於第一臨界值。若判斷結果為是，決策電路累加第二計數值。否則，決策電路重置第二計數值。當第二計數值大於或等於第二預設值時，決策電路判斷負載的狀態為中載或重載並產生模式信號以使同步整流控制電路操作於正常操作模式。驅動電路更接收偵測信號。當模式信號指示同步整流控制電路操作於正常操作模式時，驅動電路在偵測信號的電壓值小於第一參考電壓值時導通同步整流電晶體，且在偵測信號的電壓值大於第二參 考電壓值時關斷同步整流電晶體。
在本發明的一實施例中，上述的決策電路包括決策比較器、計數器以及SR正反器。決策比較器的正相輸入端耦接到計時電路以接收第一信號。決策比較器的反相輸入端接收第一臨界值。決策比較器比較第一信號與第一臨界值並產生決策信號。計數器耦接到決策比較器以接收決策信號。當決策信號指示第一信號小於第一臨界值時，計數器累加第一計數值且重置第二計數值。否則，計數器重置第一計數值且累加第二計數值。其中，當第一計數值大於或等於第一預設值時，計數器產生設定信號。當第二計數值大於或等於第二預設值時，計數器產生重置信號。SR正反器的設定端耦接到計數器以接收設定信號。SR正反器的重置端耦接到計數器以接收重置信號。SR正反器的正相輸出端輸出模式信號。
在本發明的一實施例中，上述的計時電路包括第一比較器、第二比較器、SR正反器、放電開關、電流源以及電容。第一比較器的反相輸入端接收偵測信號，其正相輸入端接收第一參考電壓值，並產生第一比較信號。第二比較器的正相輸入端接收偵測信號，其反相輸入端接收第二參考電壓值，並據以產生第二比較信號。SR正反器的設定端耦接到第一比較器以接收第一比較信號，其重置端耦接到第二比較器以接收第二比較信號，且其正相輸出端輸出第二信號。放電開關的控制端耦接到SR正反器的反相輸出端以接收反相的第二信號，其第二端耦接到第一接地端。電 流源的第一端耦接到電源電壓，其第二端耦接到放電開關的第一端。電容的第一端耦接到電流源的第二端以產生第一信號，其第二端耦接到第一接地端。
在本發明的一實施例中，上述的同步整流控制電路計算偵測信號的周期時間，且根據週期時間的長短而判斷負載的狀態，並據以產生控制信號。其中，週期時間為電源轉換裝置的能量轉換週期。
在本發明的一實施例中，上述的同步整流控制電路包括計時電路、決策電路以及驅動電路。計時電路接收偵測信號以計算周期時間，並產生與周期時間相關的第一信號。決策電路耦接計時電路以接收第一信號。決策電路判斷第一信號是否大於第一臨界值。若判斷結果為是，決策電路判斷該負載的狀態為輕載並產生模式信號以使同步整流控制電路操作於省電模式。驅動電路耦接決策電路以接收模式信號。當模式信號指示同步整流控制電路操作於省電模式時，驅動電路產生控制信號以關斷(turn off)同步整流電晶體。
在本發明的一實施例中，上述的決策電路判斷第一信號是否小於或等於第一臨界值。若判斷結果為是，決策電路累加第一計數值。否則，決策電路重置第一計數值。當第一計數值大於或等於第一預設值時，決策電路判斷負載的狀態為中載或重載並產生模式信號以使同步整流控制電路操作於正常操作模式。驅動電路更接收偵測信號。當模式信號指示同步整流控制電路操作於 正常操作模式時，驅動電路在偵測信號的電壓值小於第一參考電壓值時導通同步整流電晶體，且在偵測信號的電壓值大於第二參考電壓值時關斷同步整流電晶體。
在本發明的一實施例中，上述的決策電路包括比較器、計數器以及SR正反器。比較器的正相輸入端耦接到計時電路以接收第一信號，其反相輸入端接收第一臨界值。比較器比較第一信號與第一臨界值並產生比較信號。計數器接收偵測信號，且耦接到比較器以接收比較信號。於偵測信號的週期時間結束時，若比較信號指示第一信號小於或等於第一臨界值，計數器累加第一計數值。否則，計數器重置第一計數值。其中，當第一計數值大於或等於第一預設值時，計數器產生重置信號。SR正反器的設定端耦接到比較器以接收比較信號，其重置端耦接到計數器以接收重置信號，且其正相輸出端輸出模式信號。
在本發明的一實施例中，上述的計時電路包括單擊電路、放電開關、電流源以及電容。單擊電路接收偵測信號，用以偵測偵測信號的邊緣以產生觸發信號。放電開關的控制端耦接到單擊電路以接收觸發信號，且其第二端耦接到第一接地端。電流源的第一端耦接到電源電壓，其第二端耦接到放電開關的第一端。電容的第一端耦接到電流源的第二端以產生第一信號，其第二端耦接到第一接地端。
在本發明的一實施例中，電源轉換裝置更包括功率開關以及脈寬調變信號產生器。功率開關的第一端耦接一次側的第二 端，其第二端耦接第二接地端，而其控制端則用以接收脈寬調變信號。脈寬調變信號產生器耦接功率開關的控制端，用以根據負載的狀態而產生並調整脈寬調變信號。其中，同步整流電晶體的第一汲/源極端與其本體端之間具有寄生二極體。其中，當功率開關被截止且同步整流控制電路操作於省電模式時，同步整流電晶體受控於控制信號而被截止，且寄生二極體被導通。
在本發明的一實施例中，當功率開關被截止且同步整流控制電路操作於正常操作模式時，同步整流電晶體受控於控制信號而被導通。
在本發明的一實施例中，當功率開關被導通時，同步整流電晶體與寄生二極體被截止。
基於上述，本發明所提出的電源轉換裝置中的同步整流控制電路可根據同步整流電晶體的第一汲/源極端的信號而偵測出同步整流電晶體(或其寄生二極體)導通的時間區間或是電源轉換裝置的電源轉換週期時間，並據以判斷負載的狀態變化。當同步整流控制電路判斷負載的狀態為輕載時，同步整流控制電路可進入省電模式並關斷同步整流電晶體。如此一來，可避免同步整流電晶體在導通與截止之間進行切換時，同步整流控制電路需對同步整流電晶體的寄生電容進行充放電所造成的功率消耗。除此之外，於省電模式下，同步整流控制電路也可將用以驅動同步整流電晶體的相關電路關閉以達到節能的目的，從而提高輕載時的電源轉換效率。
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。
100、200‧‧‧電源轉換裝置
110、210‧‧‧脈寬調變信號產生器
160‧‧‧同步整流控制器
260‧‧‧同步整流控制電路
462、562‧‧‧計時電路
462_1、464_2、564_2‧‧‧SR正反器
464、564‧‧‧決策電路
464_1、564_1‧‧‧計數器
466、566‧‧‧驅動電路
562_1‧‧‧單擊電路
Cgs‧‧‧寄生電容
cmp1‧‧‧第一比較器
cmp2‧‧‧第二比較器
cmp3‧‧‧決策比較器
cmp4‧‧‧比較器
cnt1‧‧‧第一計數值
cnt2‧‧‧第二計數值
Cc、Co‧‧‧電容
Dr‧‧‧寄生二極體
GND1‧‧‧第一接地端
GND2‧‧‧第二接地端
Ic‧‧‧電流源
Is‧‧‧電流
K‧‧‧線圈比
M‧‧‧第二預設值
Mp‧‧‧功率開關
Msr‧‧‧同步整流電晶體
N、Y‧‧‧第一預設值
Np‧‧‧一次側
Ns‧‧‧二次側
PWM‧‧‧脈寬調變信號
Q‧‧‧正相輸出端
/Q‧‧‧反相輸出端
R‧‧‧重置端
S‧‧‧設定端
scp1‧‧‧第一比較信號
scp2‧‧‧第二比較信號
scp3‧‧‧決策信號
scp4‧‧‧比較信號
SET‧‧‧設定信號
Sm‧‧‧模式信號
strobe_out‧‧‧觸發信號
sw1‧‧‧放電開關
RESET‧‧‧重置信號
RL‧‧‧負載
T‧‧‧變壓器
T0、T1、T1’、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10、T20、T21、T22、T30、Tp0、Tp1、Tp2、Tp3、Tp4、Tp5‧‧‧時間
Tcyc‧‧‧週期時間
Tref‧‧‧第一臨界時間
Tsr‧‧‧時間區間
Vc‧‧‧第一信號
VD‧‧‧偵測信號
VDD‧‧‧電源電壓
VF‧‧‧負電壓值
VG‧‧‧控制信號
VIN‧‧‧輸入電壓
Vref‧‧‧第一臨界值
VSR‧‧‧第二信號
/VSR‧‧‧反相的第二信號
Vth1‧‧‧第一參考電壓值
Vth2‧‧‧第二參考電壓值
Vth3‧‧‧第三參考電壓值
VOUT‧‧‧輸出電壓
下面的所附圖式是本發明的說明書的一部分，繪示了本發明的示例實施例，所附圖式與說明書的描述一起說明本發明的原理。
圖1是依照本發明一實施例所繪示的電源轉換裝置的電路示意圖。
圖2是圖1的電源轉換裝置與圖3的同步整流控制電路的信號時序示意圖。
圖3是圖1的電源轉換裝置的同步整流控制電路的一實施例的電路示意圖。
圖4是圖1的電源轉換裝置的同步整流控制電路的另一實施例的電路示意圖。
圖5是圖1的電源轉換裝置與圖4的同步整流控制電路的信號時序示意圖。
為了使本揭露之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本揭露確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或 類似部件。
圖1是依照本發明一實施例所繪示的電源轉換裝置200的電路示意圖。請參照圖1，電源轉換裝置200包括變壓器T、同步整流電晶體Msr、同步整流控制電路260、功率開關Mp以及脈寬調變信號產生器210。變壓器T包括一次側Np與二次側Ns。其中，一次側Np的第一端(例如同名端(common-polarity terminal，即打點處)用以接收輸入電壓VIN，而二次側Ns的第一端(例如異名端(opposite-polarity terminal，即未打點處)則用以提供輸出電壓VOUT給負載RL(例如電子裝置)，但不限於此。
同步整流電晶體Msr的第一汲/源極端耦接二次側Ns的第二端(例如同名端)，同步整流電晶體Msr的第二汲/源極端耦接第一接地端GND1，而同步整流電晶體Msr的閘極端則用以接收控制信號VG。同步整流控制電路260耦接同步整流電晶體Msr，且接收同步整流電晶體Msr的第一汲/源極端的信號以做為偵測信號VD。其中，同步整流控制電路260根據偵測信號VD來判斷負載RL的狀態，並據以產生控制信號VG。其中，同步整流電晶體Msr的第一汲/源極端與其本體(body)端之間具有寄生二極體Dr。
另一方面，功率開關Mp的第一端耦接一次側Np的第二端(例如異名端)，功率開關Mp的第二端耦接第二接地端GND2，而功率開關Mp的控制端則用以接收脈寬調變信號PWM。脈寬調變信號產生器210耦接功率開關Mp的控制端，用以根據負載RL 的狀態(或是電源供應需求)而產生並調整脈寬調變信號PWM。
以下將對電源轉換裝置200的運作進行詳細的說明。請同時參照圖1與圖2。圖2為電源轉換裝置200及同步整流控制電路260內部的信號時序示意圖。其中，有關同步整流控制電路260內部的信號將在稍後搭配其他圖示進行說明。在時間T0時，功率開關Mp導通，輸入電壓VIN提供電力至變壓器T的一次側Np的線圈以進行儲能。在此同時，同步整流電晶體Msr及寄生二極體Dr則是截止狀態。因此，偵測信號VD的電壓位準為K×VIN，其中K為電壓器T的二次側Ns與一次側Np的線圈比。
在時間T1時，功率開關Mp反應於脈寬調變信號產生器210所產生之脈寬調變信號PWM而截止(turned off)。基於楞次定律(Lenz's law)，變壓器T的一次側Np所儲存的能量將轉移至變壓器T的二次側Ns。於此同時，同步整流電晶體Msr中的寄生二極體Dr處於順向偏壓而導通。由於同步整流電晶體Msr的本體端耦接第一接地端GND1，因此同步整流電晶體Msr的第一汲/源極端的電壓位準(亦即偵測信號VD的電壓位準)將由K×VIN下降至負電壓值VF。
當同步整流控制電路260偵測到偵測信號VD的電壓位準(亦即負電壓值VF)小於第一參考電壓值Vth1(例如-200mV，但不限於此)時，同步整流控制電路260可導通同步整流電晶體Msr，如時間T1到時間T1’之間所示。此時，轉移至變壓器T之二次側Ns的能量將會開始對電容Co進行充電，並且供應直流輸 出電壓VOUT給負載RL。因此，變壓器T之二次側Ns的電流Is將由同步整流電晶體Msr的第二汲/源極端經由其內部感應的通道(channel)而流向第一汲/源極端。
隨著所儲存的能量持續地對電容Co進行充電，二次側Ns的電流Is將會持續降低，使得偵測信號VD的電壓位準由負電壓值VF向上拉升。直到偵測信號VD的電壓位準到達第三參考電壓值Vth3(例如-70mV，但不限於此)，如時間T2所示。此時，同步整流控制電路260將開始降低控制信號VG的電壓位準以維持偵測信號VD的電壓位準於第三參考電壓值Vth3。由於二次側Ns的電流Is仍將持續下降，最終將導致同步整流控制電路260無法維持偵測信號VD的電壓位準於第三參考電壓值Vth3並上升至第二參考電壓值Vth2(例如-30mV，但不限於此)，如時間T3所示。此時，變壓器T所儲存的能量已經完全傳送至電容Co，故二次側Ns的電流Is降至零，同步整流控制電路260將關斷同步整流電晶體Msr。其中，由時間T1至時間T3的時間區間Tsr即為同步整流電晶體Msr的導通時間。亦或是，時間區間Tsr也可視為變壓器T所儲存的能量對電容Co進行充電的時間。
於時間T3，功率開關Mp與同步整流電晶體Msr皆為截止狀態。由於變壓器T所儲存的能量已經轉移結束，因此其一次側Np的線圈與功率開關Mp的寄生電容以及一次側Np的線圈中的電感將開始產生諧振。直到功率開關Mp再次導通時，輸入電壓VIN再次提供電力至變壓器T的一次側Np的線圈以進行儲能，並 隨後重覆地執行類似於時間T0到時間T4之間所執行的運作(例如時間T4到時間T8之間)。
如同先前所述，脈寬調變信號產生器210可根據負載RL的狀態(或是電源供應需求)而產生並調整脈寬調變信號PWM。當負載RL的狀態為輕載而使得電源供應需求降低時，脈寬調變信號產生器210可調降脈寬調變信號PWM的工作週期(duty cycle)。如此一來，功率開關Mp反應於脈寬調變信號產生器210所產生之脈寬調變信號PWM而導通的時間(例如時間T0到時間T1之間)將會變短，從而降低變壓器T每一次儲存的能量。在此情況下，變壓器T每一次轉移的能量會隨著所儲存能量的降低而降低。因此，電容Co的充電時間(亦即時間區間Tsr)亦隨之降低。換句話說，同步整流電晶體Msr的導通時間將會降低。反之亦然。
由於偵測信號VD的時間區間Tsr為同步整流電晶體Msr的導通時間，因此，在本發明的一實施例中，同步整流控制電路260可計算偵測信號VD的時間區間Tsr，且根據時間區間Tsr的長短來判斷負載RL的狀態(例如輕載或是中載或重載)，並據以產生控制信號VG。
舉例來說，當同步整流控制電路260根據時間區間Tsr而判斷負載RL的狀態為輕載時，同步整流控制電路260可進入省電模式並產生控制信號VG以關斷同步整流電晶體Msr。此時，二次側Ns的電流Is將流經同步整流電晶體Msr中的寄生二極體 Dr。如此一來，可避免同步整流電晶體Msr於導通與截止之間進行切換時，同步整流控制電路260需對同步整流電晶體Msr的寄生電容Cgs進行充放電所造成的功率消耗。除此之外，於省電模式下，同步整流控制電路260也可將用以驅動控制信號VG的相關電路關閉以達到節能的目的，從而提高輕載時的電源轉換效率。
以下請同時參照圖1、圖2與圖3。圖3是圖1的電源轉換裝置200的同步整流控制電路260的一實施例的電路示意圖。同步整流控制電路260包括計時電路462、決策電路464以及驅動電路466。計時電路462接收偵測信號VD以計算時間區間Tsr，並產生與時間區間Tsr相關的第一信號Vc。
決策電路464耦接計時電路462以接收第一信號Vc。決策電路464判斷第一信號Vc是否小於第一臨界值Vref。若判斷結果為是，決策電路464累加第一計數值cnt1(例如圖2的時間T3與T7處)，否則重置第一計數值cnt1(例如圖2的時間Tp2處)。當第一計數值cnt1大於或等於第一預設值N時，亦即，連續N個(N為正整數)以上的時間區間Tsr的時間長度皆小於第一臨界時間Tref時(例如圖2的時間T7處)，決策電路464可判斷負載RL的狀態為輕載並產生模式信號Sm以使同步整流控制電路260操作於省電模式。其中，第一臨界時間Tref與第一臨界值Vref相關聯。
驅動電路466耦接決策電路464以接收模式信號Sm。當模式信號Sm指示同步整流控制電路260操作於省電模式時，驅動電路466產生控制信號VG以關斷同步整流電晶體Msr。
舉例來說，在圖2的時間T7與Tp5之間，同步整流控制電路260操作於省電模式。此時，控制信號VG的電壓值保持在0V以關斷同步整流電晶體Msr。在時間T8時，功率開關Mp導通，輸入電壓VIN提供電力至變壓器T的一次側Np的線圈以進行儲能。在時間T9時，功率開關Mp反應於脈寬調變信號產生器210所產生之脈寬調變信號PWM而截止。變壓器T的一次側Np所儲存的能量將轉移至變壓器T的二次側Ns。於此同時，同步整流電晶體Msr中的寄生二極體Dr處於順向偏壓而導通，因此同步整流電晶體Msr的第一汲/源極端的電壓位準(亦即偵測信號VD的電壓位準)將由K×VIN下降至負電壓值VF。此時，由於同步整流電晶體Msr被截止，故二次側Ns的電流Is將流經同步整流電晶體Msr中的寄生二極體Dr。
隨著所儲存的能量持續地對電容Co進行充電，二次側Ns的電流Is將會持續降低，使得偵測信號VD的電壓位準由負電壓值VF向上拉升。直到偵測信號VD的電壓位準到達第二參考電壓值Vth2(例如-30mV，但不限於此)，如時間T10所示。此時，變壓器T所儲存的能量已經完全傳送至電容Co，故二次側Ns的電流Is降至零，使得同步整流電晶體Msr中的寄生二極體Dr被截止。其中，由時間T9至時間T10的時間區間Tsr為寄生二極體Dr導通的時間，亦即變壓器T所儲存的能量對電容Co進行充電的時間。因此，當同步整流控制電路260操作於省電模式下，仍可透過計算偵測信號VD的時間區間Tsr，且根據時間區間Tsr的 長短來判斷負載RL的狀態，並據以產生控制信號VG。
另一方面，當決策電路464判斷第一信號Vc大於或等於第一臨界值Vref時，決策電路464累加第二計數值cnt2(例如圖2的時間Tp2與Tp5處)，否則，決策電路464重置第二計數值cnt2。當第二計數值cnt2大於或等於第二預設值M時(例如圖2的時間Tp5處)，亦即，連續M個以上的時間區間Tsr的時間長度皆大於或等於第一臨界時間Tref時，決策電路464可判斷負載RL的狀態為中載或重載並產生模式信號Sm以使同步整流控制電路260操作於正常操作模式。
舉例來說，在圖2的時間T7之前與時間Tp5之後，同步整流控制電路260操作於正常操作模式。其中，驅動電路466可接收偵測信號VD以控制同步整流電晶體Msr的啟閉。當模式信號Sm指示同步整流控制電路260操作於正常操作模式時，如同先前所述，驅動電路466在偵測信號VD的電壓值小於第一參考電壓值Vth1(例如-200mV，但不限於此)時導通同步整流電晶體Msr，且在偵測信號VD的電壓值大於第二參考電壓值Vth2(例如-30mV，但不限於此)時關斷同步整流電晶體Msr。其中，有關同步整流電晶體Msr啟閉的詳細運作可參考上述有關時間T0到時間T3的相關說明，在此不再贅述。
如圖3所示，在本發明的一實施例中，決策電路464可包括決策比較器cmp3、計數器464_1以及SR正反器464_2。決策比較器cmp3的正相輸入端耦接到計時電路462以接收第一信號 Vc，其反相輸入端接收第一臨界值Vref。決策比較器cmp3比較第一信號Vc與第一臨界值Vref並產生決策信號scp3。計數器464_1耦接到決策比較器cmp3以接收決策信號scp3。當決策信號scp3指示第一信號Vc小於第一臨界值Vref時，計數器464_1累加第一計數值cnt1且重置第二計數值cnt2，否則，計數器464_1重置第一計數值cnt1且累加第二計數值cnt2。其中，當第一計數值cnt1大於或等於第一預設值N(N為正整數)時，計數器464_1產生設定信號SET。當第二計數值cnt2大於或等於第二預設值M(M為正整數)時，計數器464_1產生重置信號RESET。SR正反器464_2的設定端S耦接到計數器464_1以接收設定信號SET，SR正反器464_2的重置端R耦接到計數器464_1以接收重置信號RESET，且SR正反器464_2的正相輸出端Q輸出模式信號Sm。
以下將針對計時電路462的實施方式進行說明。如圖3所示，計時電路462包括第一比較器cmp1、第二比較器cmp2、SR正反器462_1、放電開關sw1、電流源Ic以及電容Cc。第一比較器cmp1的反相輸入端接收偵測信號VD。第一比較器cmp1的正相輸入端接收第一參考電壓值Vth1(例如-200mV，但不限於此)，並產生第一比較信號scp1。第二比較器cmp2的正相輸入端接收偵測信號VD。第二比較器cmp2的反相輸入端接收第二參考電壓值Vth2(例如-30mV，但不限於此)，並產生第二比較信號scp2。SR正反器462_1的設定端S耦接到第一比較器cmp1以接收第一比較信號scp1，其重置端R耦接到第二比較器cmp2以接 收第二比較信號scp2，且其正相輸出端Q輸出第二信號VSR。在本實施例中，第二信號VSR為邏輯高位準的時間區間可視為變壓器T所儲存的能量對電容Co進行充電的時間區間Tsr，或是同步整流電晶體Msr或寄生二極體Dr導通的時間區間Tsr。
放電開關sw1的控制端耦接到SR正反器462_1的反相輸出端/Q以接收反相的第二信號/VSR，且放電開關sw1的第二端耦接到第一接地端GND1。電流源Ic的第一端耦接到電源電壓VDD，而電流源Ic的第二端耦接到放電開關sw1的第一端。電容Cc的第一端耦接到電流源Ic的第二端以產生第一信號Vc，而電容Cc的第二端耦接到第一接地端GND1。其中，第一臨界時間Tref可視為電流源Ic對電容Cc進行充電使得第一信號Vc的電壓位準上升至第一臨界值Vref的時間。
在本發明圖3的實施例中，計時電路462採用電流源Ic及受控於反相的第二信號/VSR的放電開關sw1來對電容Cc進行放電與充電，從而獲得時間區間Tsr的長短，然而本發明並不以此為限。在本發明的其他實施例中，也可使用計數器來計數第二信號VSR位於邏輯高位準的時間以獲得時間區間Tsr。
另一方面，如同先前所述，脈寬調變信號產生器210可根據負載RL的狀態(或是電源供應需求)而產生並調整脈寬調變信號PWM。舉例來說，當負載RL的狀態為輕載而使得電源供應需求降低時，可降低電源轉換裝置200的能量轉換的頻率。此時，脈寬調變信號產生器210可調整脈寬調變信號PWM以使功率開關 Mp截止的時間變長，從而使得脈寬調變信號PWM的頻率降低。如此一來，偵測信號VD的週期時間Tcyc(例如圖2的時間T4到時間T8的時間區間，或者是時間T5到時間T9的時間區間，端視設計需求而論)將會隨之上升。反之亦然。
因此，在本發明的一實施例中，同步整流控制電路260也可計算偵測信號VD的週期時間Tcyc，且根據週期時間Tcyc的長短來判斷負載RL的狀態(例如輕載或者是中載或重載)，並據以產生控制信號VG。
以下請同時參照圖1、圖4與圖5。圖4是圖1的電源轉換裝置200的同步整流控制電路260的另一實施例的電路示意圖。圖5是圖1的電源轉換裝置200與圖4的同步整流控制電路260的信號時序示意圖。其中，為了便於閱讀，圖5的偵測信號VD中有關於低於0V以及諧振部份的波形將予以省略。
同步整流控制電路260包括計時電路562、決策電路564以及驅動電路566。計時電路562接收偵測信號VD以計算周期時間Tcyc，並產生與周期時間Tcyc相關的第一信號Vc。
決策電路564耦接計時電路562以接收第一信號Vc。決策電路564判斷第一信號Vc是否大於第一臨界值Vref。若判斷結果為是(例如圖5的時間T20處)，決策電路564判斷負載RL的狀態為輕載並產生模式信號Sm以使同步整流控制電路260操作於省電模式。驅動電路566耦接決策電路564以接收模式信號Sm。當模式信號Sm指示同步整流控制電路260操作於省電模式時，驅 動電路566產生控制信號VG以關斷同步整流電晶體Msr。
另一方面，當決策電路564判斷第一信號Vc小於或等於第一臨界值Vref時(例如圖5的時間T21、T22、T30處所示)，決策電路564累加第一計數值cnt1，否則，決策電路564重置第一計數值cnt1。當第一計數值cnt1大於或等於第一預設值Y時(例如圖5的時間T30之後)，亦即，連續Y個以上的週期時間Tcyc皆小於或等於第一臨界時間Tref時，決策電路564可判斷負載RL的狀態為中載或重載並產生模式信號Sm以使同步整流控制電路260操作於正常操作模式。其中，第一臨界時間Tref與第一臨界值Vref相關。
類似於圖3所示的同步整流控制電路260的驅動電路466，圖4的驅動電路566接收偵測信號VD。當模式信號Sm指示同步整流控制電路260操作於正常操作模式時(例如在圖5的時間T20以前以及時間T30之後)，驅動電路566在偵測信號VD的電壓值小於第一參考電壓值Vth1(例如-200mV，但不限於此)時導通同步整流電晶體Msr，且在偵測信號VD的電壓值大於第二參考電壓值Vth2(例如-30mV，但不限於此)時關斷同步整流電晶體Msr。其中，有關同步整流電晶體Msr啟閉的詳細運作可參考上述有關圖1~圖3的相關說明，在此不再贅述。
除此之外，在圖5的時間T20到時間T30之間，同步整流控制電路260操作於省電模式。此時，控制信號VG的電壓值保持在0V以關斷同步整流電晶體Msr。此時，功率開關Mp與同 步整流電晶體Msr的運作可參照上述圖1~圖3的相關說明，在此不再贅述。
在本發明的一實施例中，決策電路564包括比較器cmp4、計數器564_1以及SR正反器564_2。比較器cmp4的正相輸入端耦接到計時電路562以接收第一信號Vc，其反相輸入端接收第一臨界值Vref。比較器cmp4比較第一信號Vc與第一臨界值Vref並產生比較信號scp4。計數器564_1接收偵測信號VD。計數器564_1耦接到比較器cmp4以接收比較信號scp4。於偵測信號VD的週期時間Tcyc結束時，若比較信號scp4指示第一信號Vc小於或等於第一臨界值Vref，計數器564_1累加第一計數值cnt1，否則，計數器564_1重置第一計數值cnt1。其中，當第一計數值cnt1大於或等於第一預設值Y(Y為正整數)時，計數器564_1產生重置信號RESET。SR正反器564_2的設定端S耦接到比較器cmp4以接收比較信號Scp4，其重置端R耦接到計數器564_1以接收重置信號RESET，且其正相輸出端Q輸出模式信號Sm。
以下將針對計時電路562的實施方式進行更進一步的說明。如圖4所示，計時電路562包括單擊電路562_1、放電開關sw1、電流源Ic以及電容Cc。單擊電路562_1接收偵測信號VD，用以偵測偵測信號VD的邊緣(例如上升邊緣或是下降邊緣)以產生觸發信號strobe_out。放電開關sw1的控制端耦接單擊電路562_1以接收觸發信號strobe_out，且放電開關sw1的第二端耦接第一接地端GND1。電流源Ic的第一端耦接到電源電壓VDD，電 流源Ic的第二端耦接到放電開關sw1的第一端。電容Cc的第一端耦接到電流源Ic的第二端以產生第一信號Vc，電容Cc的第二端耦接到第一接地端GND1。
詳細來說，當單擊電路562_1偵測到偵測信號VD的上升邊緣時，單擊電路562_1可產生對應於上升邊緣的觸發信號strobe_out，並據以瞬間導通放電開關sw1以使第一信號Vc放電至第一接地端GND1的位準，並在隨後關斷放電開關sw1。然後，電流源Ic開始對電容Cc進行充電，直到單擊電路562_1偵測到偵測信號VD的下一次的上升邊緣為止。如此一來，第一信號Vc的電壓位準可忠實地反應出偵測信號VD的週期時間Tcyc的長短。其中，第一臨界時間Tref可視為電流源Ic對電容Cc充電使得第一信號Vc的電壓位準上升至第一臨界值Vref時的時間。
在本發明圖4的實施例中，計時電路562是採用單擊電路562_1、放電開關sw1、電流源Ic以及電容Cc來獲得偵測信號VD的週期時間Tcyc，但本發明並不以此為限。在本發明的其他實施例中，也可以使用計數器來計算偵測信號VD的週期時間Tcyc。
綜上所述，本發明實施例的電源轉換裝置中的同步整流控制電路可根據同步整流電晶體的第一汲/源極端的信號而偵測出同步整流電晶體(或其寄生二極體)導通的時間區間或是電源轉換裝置的能量轉換週期，並據以判斷負載的狀態變化。當同步整流控制電路判斷負載的狀態為輕載時，同步整流控制電路可進入省電模式並關斷同步整流電晶體。如此一來，可避免同步整流電 晶體在導通與截止之間進行切換時，同步整流控制電路需對同步整流電晶體的寄生電容進行充放電所造成的功率消耗。除此之外，於省電模式下，同步整流控制電路也可將用以驅動同步整流電晶體的相關電路關閉以達到節能的目的，從而提高輕載時的電源轉換效率。
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。
200‧‧‧電源轉換裝置
210‧‧‧脈寬調變信號產生器
260‧‧‧同步整流控制電路
Co‧‧‧電容
Dr‧‧‧寄生二極體
GND1‧‧‧第一接地端
GND2‧‧‧第二接地端
Is‧‧‧電流
Mp‧‧‧功率開關
Msr‧‧‧同步整流電晶體
Np‧‧‧一次側
Ns‧‧‧二次側
PWM‧‧‧脈寬調變信號
RL‧‧‧負載
T‧‧‧變壓器
VD‧‧‧偵測信號
VG‧‧‧控制信號
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓

Claims (15)

  1. 一種電源轉換裝置，包括：一變壓器，具有一一次側與一二次側，其中該一次側的第一端用以接收一輸入電壓，而該二次側的第一端則用以提供一輸出電壓給一負載；一同步整流電晶體，該同步整流電晶體的第一汲/源極端耦接該二次側的第二端，該同步整流電晶體的第二汲/源極端耦接一第一接地端，且該同步整流電晶體的閘極端則用以接收一控制信號；以及一同步整流控制電路，耦接該同步整流電晶體，且接收該同步整流電晶體的第一汲/源極端的信號以做為一偵測信號，其中，該同步整流控制電路根據該偵測信號來判斷該負載的狀態，並據以產生該控制信號，其中，當該同步整流控制電路判斷該負載的狀態為輕載時，該同步整流控制電路進入一省電模式，且該同步整流電晶體於該省電模式下受控於該控制信號而為截止狀態。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電源轉換裝置，其中：當該同步整流控制電路判斷該負載的狀態為中載或重載時，該同步整流控制電路進入一正常操作模式，且該同步整流電晶體受控於該控制信號而被導通或被截止。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的電源轉換裝置，其中該同步整流電晶體的該第一汲/源極端與其本體(body)端之間具有一寄 生二極體，其中，該同步整流控制電路計算該偵測信號的一時間區間，根據該時間區間的長短來判斷該負載的狀態，並據以產生該控制信號，其中，該時間區間為該同步整流電晶體或該寄生二極體導通的時間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的電源轉換裝置，其中該同步整流控制電路包括：一計時電路，接收該偵測信號以計算該時間區間，並產生與該時間區間相關的一第一信號；一決策電路，耦接該計時電路以接收該第一信號，該決策電路判斷該第一信號是否小於一第一臨界值，若判斷結果為是，該決策電路累加一第一計數值，否則，該決策電路重置該第一計數值，當該第一計數值大於或等於一第一預設值時，該決策電路判斷該負載的狀態為輕載並產生一模式信號以使該同步整流控制電路操作於該省電模式；以及一驅動電路，耦接該決策電路以接收該模式信號，當該模式信號指示該同步整流控制電路操作於該省電模式時，該驅動電路產生該控制信號以關斷(turn off)該同步整流電晶體。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的電源轉換裝置，其中：該決策電路判斷該第一信號是否大於或等於該第一臨界值，若判斷結果為是，該決策電路累加一第二計數值，否則，該決策 電路重置該第二計數值，當該第二計數值大於或等於一第二預設值時，該決策電路判斷該負載的狀態為中載或重載並產生該模式信號以使該同步整流控制電路操作於該正常操作模式；以及該驅動電路更接收該偵測信號，當該模式信號指示該同步整流控制電路操作於該正常操作模式時，該驅動電路在該偵測信號的電壓值小於一第一參考電壓值時導通該同步整流電晶體，且在該偵測信號的電壓值大於一第二參考電壓值時關斷該同步整流電晶體。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的電源轉換裝置，其中該決策電路包括：一決策比較器，其正相輸入端耦接到該計時電路以接收該第一信號，其反相輸入端接收該第一臨界值，該決策比較器比較該第一信號與該第一臨界值並產生一決策信號；一計數器，耦接到該決策比較器以接收該決策信號，當該決策信號指示該第一信號小於該第一臨界值時，該計數器累加該第一計數值且重置該第二計數值，否則，該計數器重置該第一計數值且累加該第二計數值，其中，當該第一計數值大於或等於該第一預設值時，該計數器產生一設定信號，當該第二計數值大於或等於該第二預設值時，該計數器產生一重置信號；以及一SR正反器，其設定端耦接到該計數器以接收該設定信號，其重置端耦接到該計數器以接收該重置信號，且其正相輸出端輸出該模式信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電源轉換裝置，其中該計時電路包括：一第一比較器，其反相輸入端接收該偵測信號，其正相輸入端接收該第一參考電壓值，並產生一第一比較信號；一第二比較器，其正相輸入端接收該偵測信號，其反相輸入端接收該第二參考電壓值，並產生一第二比較信號；一SR正反器，其設定端耦接到該第一比較器以接收該第一比較信號，其重置端耦接到該第二比較器以接收該第二比較信號，且其正相輸出端輸出一第二信號；一放電開關，其控制端耦接到該SR正反器的反相輸出端以接收反相的該第二信號，其第二端耦接到該第一接地端；一電流源，其第一端耦接到一電源電壓，其第二端耦接到該放電開關的第一端；以及一電容，其第一端耦接到該電流源的第二端以產生該第一信號，其第二端耦接到該第一接地端。
  8. 如申請專利範圍第2項所述的電源轉換裝置，其中：該同步整流控制電路計算該偵測信號的一周期時間，且根據該週期時間的長短而判斷該負載的狀態，並據以產生該控制信號，其中，該週期時間為該電源轉換裝置的能量轉換週期。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的電源轉換裝置，其中該同步整流控制電路包括：一計時電路，接收該偵測信號以計算該周期時間，並產生與 該周期時間相關的一第一信號；以及一決策電路，耦接該計時電路以接收該第一信號，該決策電路判斷該第一信號是否大於一第一臨界值，若判斷結果為是，該決策電路判斷該負載的狀態為輕載並產生一模式信號以使該同步整流控制電路操作於該省電模式；以及一驅動電路，耦接該決策電路以接收該模式信號，當該模式信號指示該同步整流控制電路操作於該省電模式時，該驅動電路產生該控制信號以關斷(turn off)該同步整流電晶體。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的電源轉換裝置，其中：該決策電路判斷該第一信號是否小於或等於該第一臨界值，若判斷結果為是，該決策電路累加一第一計數值，否則，該決策電路重置該第一計數值，當該第一計數值大於或等於一第一預設值時，該決策電路判斷該負載的狀態為中載或重載並產生該模式信號以使該同步整流控制電路操作於該正常操作模式；以及該驅動電路更接收該偵測信號，當該模式信號指示該同步整流控制電路操作於該正常操作模式時，該驅動電路在該偵測信號的電壓值小於一第一參考電壓值時導通該同步整流電晶體，且在該偵測信號的電壓值大於一第二參考電壓值時關斷該同步整流電晶體。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的電源轉換裝置，其中該決策電路包括：一比較器，其正相輸入端耦接到該計時電路以接收該第一信 號，其反相輸入端接收該第一臨界值，該比較器比較該第一信號與該第一臨界值並產生一比較信號；一計數器，接收該偵測信號，耦接到該比較器以接收該比較信號，於該偵測信號的該週期時間結束時，若該比較信號指示該第一信號小於或等於該第一臨界值，該計數器累加該第一計數值，否則，該計數器重置該第一計數值，其中，當該第一計數值大於或等於該第一預設值時，該計數器產生一重置信號；以及一SR正反器，其設定端耦接到該比較器以接收該比較信號，其重置端耦接到該計數器以接收該重置信號，且其正相輸出端輸出該模式信號。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的電源轉換裝置，其中該計時電路包括：一單擊電路，接收該偵測信號，用以偵測該偵測信號的一邊緣以產生一觸發信號；一放電開關，其控制端耦接到該單擊電路以接收該觸發信號，且其第二端耦接到該第一接地端；一電流源，其第一端耦接到一電源電壓，其第二端耦接到該放電開關的第一端；以及一電容，其第一端耦接到該電流源的第二端以產生該第一信號，其第二端耦接到該第一接地端。
  13. 如申請專利範圍第2項所述的電源轉換裝置，更包括：一功率開關，其第一端耦接該一次側的第二端，其第二端耦 接一第二接地端，而其控制端則用以接收一脈寬調變信號；以及一脈寬調變信號產生器，耦接該功率開關的控制端，用以根據該負載的狀態而產生並調整該脈寬調變信號，其中，該同步整流電晶體的該第一汲/源極端與其本體端之間具有一寄生二極體，其中，當該功率開關被截止且該同步整流控制電路操作於該省電模式時，該同步整流電晶體受控於該控制信號而被截止，且該寄生二極體被導通。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的電源轉換裝置，其中：當該功率開關被截止且該同步整流控制電路操作於該正常操作模式時，該同步整流電晶體受控於該控制信號而被導通。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的電源轉換裝置，其中：當該功率開關被導通時，該同步整流電晶體與其寄生二極體被截止。
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