TWI543519B - 橋式整流電路 - Google Patents

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Description

橋式整流電路
本發明涉及電路領域，具體地，涉及一種橋式整流電路，該橋式整流電路中所含開關裝置的驅動電壓受到限制。
橋式整流電路廣泛用於各種應用中，特別是用來將交流(AC)電流整流為直流(DC)電流。第1圖中示出了一種常規的橋式整流電路。如第1圖所示，該橋式整流電路包括4個二極體101、102、103、104，這四個二極體成電橋連接。在第一輸入IN1和第二輸入IN2處輸入的AC電流，通過該橋式整流電路，可以在第一輸出OUT1和OUT2處變換為DC電流。通常，例如可以在輸出OUT1和OUT2之間連接電容器C1以便提供穩定的DC輸出電壓。
輸出OUT1和OUT2之間的輸出電壓Vout可以如下計算：Vout=MAX(ABS(VIN1-VIN2))-2*Vdiode，其中，MAX(x)表示取“x”的最大值，ABS(x)表示取“x”的絕對值，VIN1和VIN2分別表示輸入IN1和IN2處的電壓，以及Vdiode表示二極體(101，102，103，104)導通時的壓降。
如果輸入電壓足夠高(即，V IN1和V IN2相差足夠大)，則輸出電壓也足夠大，二極體上的壓降Vdiode可以忽略不計。此時，電路的轉換效率較高。
然而，當前的電路應用，特別是積體電路應用，趨向於使 用小的DC電壓。因此，在這種低輸出電壓應用中，二極體上的壓降相對較大，從而導致電路的轉換效率降低。為了提高電路的轉換效率，可以使用導通時壓降較小的肖特基二極體。第2圖中示出了這樣一種橋式整流電路，與第1圖所示的電路相比，其中的整流二極體均替換為肖特基二極體201、202、203、204。
為進一步提高電路的效率，還可以使用開關裝置如金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)來代替橋式整流電路中的二極體元件。第3圖中示出了這樣一種橋式整流電路，與第2圖所示的電路相比，以兩個NMOSFET(N型MOSFET)303和304代替了兩個下側肖特基二極體203和204，在電橋上側則仍然採用了兩個肖特基二極體301和302。
在第3圖所示的橋式整流電路中，當輸入IN1與IN2之間的電壓差大於輸出電壓時，二極體301將被正向偏置並因此導通。因此，電流從第一輸入IN1通過二極體301而對電容器C1充電，並通過NMOSFET 304而返回到第二輸入IN2。同樣，當輸入IN2與IN1之間的電壓差大於輸出電壓時，二極體302將導通。此時，電流從第二輸入IN2通過二極體302而對電容器C1充電，並通過NMOSFET 303而返回到第一輸入IN1。
如果將NMOSFET 303和304的導通電阻做得極低(這是可以通過當前的半導體工藝實現的)，那麼整個整流電路上的壓降可以僅為一個二極體(301或302)上的電壓，從而可以進一步提升電路的轉換效率。第3圖所示的電路當以分立裝置來實現時，可以很好地工作。但是，如果需要將這種電路集成到晶片中，則可能存在問題。具體來說，在當前的積體電路工藝中，電晶體的柵介質層做得越來越薄，以實現更好的源漏導通電阻性 能。這使得MOSFET的柵源電壓(Vgs)存在上限，否則柵介質層將可能擊穿。因此，當第3圖的電路實現為積體電路時，如果輸入IN1和IN2之間的電壓差相對於Vgs的上限過大時，將不能如第3圖所示那樣來直接驅動MOSFET。
為了避免MOSFET的驅動電壓過高而導致其柵介質擊穿，已經提出了使用單獨的驅動電路來為MOSFET提供較低驅動電壓。這種驅動電路需要單獨的電源來為其供電。而且由於通常需要MOSFET進行快速開關，因此這種電源應當是強電源。此外，驅動電路的時序需嚴格控制，以避免2個MOSFET 303和304同時導通。因此，這種驅動電路及相應電源的實現成本較高。
有鑒於此，有必要提供一種新穎的橋式整流電路，該電路使用開關裝置以增加轉換效率，同時又以簡單的配置實現開關裝置的驅動。
本發明的目的在於提供一種橋式整流電路，該電路可以以簡單的配置實現，且其中所含的開關裝置的驅動電壓可以受到限制。
根據本發明的一個方面，提供了一種橋式整流電路，包括：成電橋連接的整流部分，包括位於電橋下側的整流開關裝置；以及驅動部分，接收各整流開關裝置的相應驅動電壓，並將上限值受限的驅動電壓輸出至相應整流開關裝置的控制端子。
優選地，驅動部分還接收參考電壓，並根據接收到的參考電壓來限制驅動電壓的上限值。例如，該橋式整流電路可以包括參考電壓生成部分，用於生成參考電壓。這種參考電壓生成部分可以包括：串聯連接的電流源和齊納二極體，其中所述電流源的電流流過所述齊納二極體而生 成所述參考電壓。
優選地，驅動部分可以包括開關裝置。驅動部分根據參考電壓，並利用開關裝置的閾值電壓，來將驅動電壓的上限值限制為等於參考電壓減去閾值電壓的值。
這種開關裝置可以包括：第一開關裝置，連接在相應的整流開關裝置的控制端子及針對該整流開關裝置的驅動電壓之間，且該第一開關裝置的控制端子接收參考電壓；以及第二開關裝置，連接在相應的另一整流開關裝置的控制端子以及針對該另一整流開關裝置的驅動電壓之間，且該第二開關裝置的控制端子接收參考電壓。
優選地，第一開關裝置可以包括第一金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)，該第一MOSFET的閘極接收參考電壓，源極連接至相應的整流開關裝置的控制端子，以及汲極連接至針對該整流開關裝置的驅動電壓；以及第二開關裝置可以包括第二MOSFET，該第二MOSFET的閘極接收參考電壓，源極連接至相應的另一整流開關裝置的控制端子，以及汲極連接至針對該另一整流開關裝置的驅動電壓。
進一步優選地，該橋式整流電路還可以包括：與第一MOSFET並聯的第一二極體；以及與第二MOSFET並聯的第二二極體。
優選地，整流部分可以包括：第一二極體，連接在第一輸入與第一輸出之間；第二二極體，連接在第二輸入與第一輸出之間；第一整流開關裝置，連接在第一輸入與第二輸出之間，其控制端子連接至驅動部分以接收相應的驅動電壓；以及第二整流開關裝置，連接在第二輸入與第二輸出之間，其控制端子連接至驅動部分以接收相應的驅動電壓，其中， 第一二極體、第二二極體、第一開關裝置和第二開關裝置的電流傳導路徑構成電橋連接。
第一整流開關裝置可以包括第一NMOSFET，其汲極連接至第一輸入，源極連接至第二輸出。第二整流開關裝置可以包括第二NMOSFET，其汲極連接至第二輸入，源極連接至第二輸出。
優選地，驅動部分接收第二輸入處的電壓作為第一整流開關裝置的驅動電壓；以及驅動部分接收第一輸入處的電壓作為第二整流開關裝置的驅動電壓。
根據本發明，以一種簡單的配置，實現了對驅動電壓具有限壓作用的驅動部分，從而可以容易地驅動橋式整流電路下側所包含的開關裝置，而不會由於過高的驅動電壓而造成開關裝置損壞。
501、502、5058、5059、101、102、103、104、401、402‧‧‧二極體
503、504、403、404‧‧‧開關裝置
IN1、IN2‧‧‧輸入
505a‧‧‧驅動部分
505b‧‧‧參考電壓生成部分
5055‧‧‧電流源
5056‧‧‧齊納二極體
5053、5054‧‧‧電阻器
201、202、203、204、301、302‧‧‧肖特基二極體
303、304‧‧‧NMOSFET(N型MOSFET)
405‧‧‧驅動部分
I1‧‧‧電流
Vbias‧‧‧參考電壓
5051、5052‧‧‧NMOSFET(N型MOSFET)
OUT1、OUT2‧‧‧輸出
C1‧‧‧電容器
通過以下參照附圖對本發明實施例的描述，本發明的上述以及其他目的、特徵和有點將更為清楚，在附圖中：第1~3圖出了根據現有技術的橋式整流電路的示意圖；第4圖示出了根據本發明一個實施例的橋式整流電路的示意圖；以及第5圖示出了根據本發明另一實施例的橋式整流電路的示意圖。
以下，通過附圖中示出的具體實施例來描述本發明。但是應該理解，這些描述只是示例性的，而並非要限制本發明的範圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結構和技術的描述，以避免不必要地混淆本發明的概念。
第4圖示出了根據本發明一個實施例的橋式整流電路的示意圖。如第4圖所示，該橋式整流電路包括按電橋形式連接的二極體401、402以及開關裝置403、404所構成的整流部分。該整流部分在第一輸入IN1和第二輸入IN2之間例如接收AC電流，並在第一輸出OUT1和第二輸出OUT2之間例如輸出DC電流。該DC電流例如可以通過電容器C1而轉換為DC電壓。在此，開關裝置403和404可以包括NMOSFET。
在此需要指出的是，這種電橋連接形式的整流部分本身在本領域中是公知的，例如參見第3圖所示。具體地，例如二極體401連接在第一輸入IN1與第一輸出OUT1之間，二極體402連接在第二輸入IN2與第一輸出OUT1之間，開關裝置403連接在第一輸入IN1與第二輸出OUT2之間，開關裝置404連接在第二輸入IN2與第二輸出OUT2之間。在此，與第一輸出OUT1相連的元件(二極體401、402)稱作“上側”元件，與第二輸出OUT2相連的元件(開關裝置403、404)稱作“下側”元件。
這裏，整流部分中各元件的電流傳導路徑應被適配為實現整流電橋。例如，在第4圖所示的實施例中，二極體401的陽極連接至第一輸入IN1，陰極連接至第一輸出OUT1；二極體402的陽極連接至第二輸入IN2，陰極連接至第一輸出OUT1；NMOSFET 403的汲極連接至第一輸入IN1，源極連接至第二輸出OUT2；NMOSFET 404的汲極連接至第二輸入IN2，源極連接至第二輸出OUT2。
參照第3圖所示的現有技術電路圖，為了實現開關裝置403和404的正確驅動時序以實現整流目的，可以以第一輸入IN1處的電壓作為開關裝置404的驅動電壓，以第二輸入IN2處的電壓作為開關裝置403的驅動 電壓。為避免現有技術中的問題(輸入IN1與IN2之間的電壓差過大可能導致損壞開關裝置403、404)，根據本發明該實施例的橋式整流電路還包括驅動部分405。該驅動部分接收針對開關裝置403、404的驅動電壓，即輸入IN2、IN1處的電壓，並且將上限值受限的驅動電壓送至開關裝置403、404的控制端子。具體來說，驅動部分405將第一輸入IN1處的電壓傳輸至開關裝置404的控制端子處，但將該驅動電壓的上限值限制在預定值；將第二輸入IN2處的電壓傳輸至開關裝置403的控制端子處，但將該驅動電壓的上限值限制在預定值。從而，可以正常地驅動開關裝置403、404。所述預定值可以根據開關裝置403、404的特性來確定。例如，當開關裝置403、404為NMOSFET時，可以根據其柵介質擊穿的條件來確定所述上限值。
根據本發明的有利實施例，這種驅動電路例如可以由開關裝置(例如MOSFET或者具體地NMOSFET)來構成。利用開關裝置的閾值電壓，可以實現驅動電路的上述“限壓”動作。具體地，例如開關裝置的控制端子可以接收一參考電壓，而其電流傳導路徑連接在相應的驅動電壓(IN1/IN2處的電壓)與相應整流開關裝置(403/404)的控制端子之間。這樣，在開關裝置導通的情況下，其將驅動電壓(IN1/IN2處的電壓)幾乎原樣不變地送至相應整流開關裝置(403/404)的控制端子，從而有效地驅動整流開關裝置。而開關裝置在導通狀態下控制端子與另一端子之間的壓降應該大於閾值電壓(例如，對於NMOSFET而言，柵源電壓大於閾值電壓)，由於開關裝置在控制端子處接收固定的參考電壓，因此在導通狀態下該開關裝置所述另一端子處的電壓不會超出參考電壓減去閾值電壓的值。利用開關裝置的這一固有特性，可以實現上述“限壓”。
第5圖示出了根據本發明另一實施例的橋式整流電路的示意圖。在該實施例中，特別示出了上述驅動部分的具體示例並示出了用於生成上述參考電壓的參考電壓生成部分的示例。
如第5圖所示，根據該實施例的橋式整流電路包括按電橋形式連接的二極體501、502以及開關裝置503、504所構成的整流部分。該整流部分在第一輸入IN1和第二輸入IN2之間例如接收AC電流，並在第一輸出OUT1和第二輸出OUT2之間例如輸出DC電流。該DC電流例如可以通過電容器C1而轉換為DC電壓。在此，開關裝置503和504可以包括NMOSFET。關於該整流部分的具體連接關係，可以參照以上針對第4圖所示實施例的描述。
在該實施例中，該橋式整流電路包括驅動部分505a和參考電壓生成部分505b。
參考電壓生成部分505b可以生成恒定的參考電壓Vbias。
例如，該參考電壓生成部分505b可以包括串聯連接的電流源5055和齊納二極體5056。電流源5055的電流I1流過齊納二極體5056，從而相對於第二輸出OUT2生成恒定的參考電壓Vbias。可選地，該參考電壓生成部分505b還可以包括與齊納二極體5056並聯連接的電容器5057，用以穩定輸出的參考電壓Vbias。該電流源5055例如可以是其他電路中所生成的電流，或者可以由電荷泵或升壓電路(尤其在低輸入電壓的應用中)來實現。本領域技術人員可以設想多種方式來實現這種參考電壓生成部分。
驅動部分505a在正常情況下(即，開關裝置的驅動電壓較小時)可以將驅動電壓直接傳送至相應開關裝置503、504的控制端子。而當開 關裝置的驅動電壓較大時，驅動部分505a可以根據參考電壓來來限制驅動電壓的上限值，並將上限值受限的驅動電壓輸出至相應開關裝置503、504的控制端子。
進一步，這種驅動部分505a可以通過開關裝置來實現。具體地，如第5圖所示，驅動部分505a可以包括兩個開關裝置5051、5052，例如NMOSFET。開關裝置5051連接在相應的開關裝置503的控制端子與針對開關裝置503的驅動電壓節點IN2之間，以便能夠將IN2處的驅動電壓傳送至開關裝置503。開關裝置5051的控制端子連接至參考電壓生成部分505b接收參考電壓Vbias。
因此，開關裝置5051的控制端子處的電壓被限制在參考電壓Vbias。
同樣地，開關裝置5052連接在相應的開關裝置504的控制端子與針對開關裝置504的驅動電壓節點IN1之間，以便能夠將IN1處的驅動電壓傳送至開關裝置504。
開關裝置5052的控制端子連接至參考電壓生成部分505b接收參考電壓Vbias。因此，開關裝置5052的控制端子處的電壓被限制在參考電壓Vbias。
在開關裝置5051、5052為NMOSFET的情況下，如第5圖所示，NMOSFET 5051的汲極連接至第二輸入IN2，源極連接至開關裝置503的控制端子且可以通過下拉電阻器5053連接至第二輸出OUT2；NMOSFET 5052的汲極連接至第一輸入IN1，源極連接至開關裝置504的控制端子且可以通過下拉電阻器5054連接至第二輸出OUT2。這樣，對於NMOSFET 5051 和5052而言，當其汲極處的電壓(從輸入IN1/IN2處接收到的驅動電壓)較小時，具體地，小於等於(Vbias-Vth)(其中，Vth為NMOSFET 5051、5052的閾值電壓)時，NMOSFET 5051和5052處於正常的導通狀態，從而其源極電壓近似等於其汲極電壓。也就是說，NMOSFET 5051和5052直接將汲極處的電壓(驅動電壓)傳送至源極並進一步傳送至相應開關裝置504和503的控制端子處，以正常驅動開關裝置504和503。
而當NMOSFET 5051和5052汲極處的電壓(從輸入IN1/IN2處接收到的驅動電壓)較大時，在此具體地大於(Vbias-Vth)時，NMOSFET 5051和5052的源極電壓將不再跟隨汲極電壓。這是因為，NMOSFET 5051和5052處於導通時，其源極電壓等於閘極電壓(為“Vbias”)減去閾值電壓(Vth)。也就是說，NMOSFET 5051和5052的源極電壓被限制在(Vbias-Vth)。也就是說，(Vbias-Vth)對應於受限驅動電壓的上限值，該上限值可以通過選擇Vbias(具體地，例如通過選擇齊納二極體5056的規格)來設置。
可以看出，開關裝置503和504實際接收到的驅動電壓的上限值被限制在(Vbias-Vth)，從而可以有效地避免損壞開關裝置503和504。
在此，可選地可以設置分別與開關裝置5051和5052並聯的二極體5058和5059，來幫助傳輸電流。具體地，二極體5058的陽極和陰極分別連接至開關裝置5051的源極和汲極，二極體5059的陽極和陰極分別連接至開關裝置5052的源極和汲極。
根據本發明的實施例，無需花費額外的精力來控制開關裝置503和504的驅動時序。具體來說，當輸入IN1與IN2之間的電壓差大於開關裝置504的閾值電壓時，開關裝置504導通而開關裝置503將截止。同樣，當 輸入IN2與IN1之間的電壓差大於開關裝置503的閾值時，開關裝置503導通而開關裝置504截止。因此，開關裝置503和504不會同時導通。
以上參照本發明的實施例對本發明予以了說明。但是，這些實施例僅僅是為了說明的目的，而並非為了限制本發明的範圍。本發明的範圍由所附申請專利範圍及其等價物限定。不脫離本發明的範圍，本領域技術人員可以做出多種替代和修改，這些替代和修改都應落在本發明的範圍之內。
501、502、5058、5059‧‧‧二極體
503、504‧‧‧開關裝置
IN1、IN2‧‧‧輸入
505a‧‧‧驅動部分
505b‧‧‧參考電壓生成部分
5055‧‧‧電流源
5056‧‧‧齊納二極體
5053、5054‧‧‧電阻器
I1‧‧‧電流
Vbias‧‧‧參考電壓
5051、5052‧‧‧NMOSFET(N型MOSFET)
OUT1、OUT2‧‧‧輸出
C1‧‧‧電容器

Claims (8)

  1. 一種橋式整流電路，包括：一成電橋連接的整流部分，包括位於電橋下側的多個整流開關裝置；以及一驅動部分，接收各整流開關裝置的一相應驅動電壓，並將一上限值受限的該相應驅動電壓輸出至相應整流開關裝置的控制端子；其中，該驅動部分還接收一參考電壓，並根據接收到的該參考電壓來調整該相應驅動電壓的該上限值；其中，該驅動部份還包括一第一開關裝置，其控制端子接收該參考電壓，其電流傳導路徑連接在相應的整流開關裝置的控制端子及該整流開關裝置的相應驅動電壓之間，其中，當該相應的整流開關裝置的相應驅動電壓小於該參考電壓減去該第一開關裝置的閾值電壓時，該整流開關裝置的控制端子處的電壓跟隨該整流開關裝置的相應驅動電壓，當該整流開關裝置的相應驅動電壓大於該參考電壓減去該第一開關裝置的閾值電壓時，該整流開關裝置的控制端子處的電壓被限制在該參考電壓減去該第一開關裝置的閾值電壓；以及該驅動部份還包括一第二開關裝置，其控制端子接收該參考電壓，其電流傳導路徑連接在另一整流開關裝置的控制端子及該另一整流開關裝置的相應驅動電壓之間，其中當該另一整流開關裝置的相應驅動電壓小於該參考電壓減去該第二開關裝置的閾值電壓時，該另一整流開關裝置的控制端子處的電壓跟隨該另一整流開關裝置的相應驅動電壓，當該另一整流開關裝置的相應驅動電壓大於該參考電壓減去該第 二開關裝置的閾值電壓時，該另一整流開關裝置的控制端子處的電壓被限制在該參考電壓減去該第二開關裝置的閾值電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的橋式整流電路，還包括一參考電壓生成部分，用於生成該參考電壓。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的橋式整流電路，其中，該參考電壓生成部分包括：串聯連接的一電流源和一齊納二極體，其中該電流源的電流流過該齊納二極體而生成該參考電壓(Vbias)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的橋式整流電路，其中，該第一開關裝置包括一第一金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)，該第一MOSFET的閘極接收該參考電壓(Vbias)，源極連接至相應的整流開關裝置的控制端子，以及汲極連接至針對該整流開關裝置(503)的該相應驅動電壓(IN2)；以及該第二開關裝置包括一第二MOSFET，該第二MOSFET的閘極接收該參考電壓(Vbias)，源極連接至相應的另一整流開關裝置的控制端子，以及汲極連接至針對該另一整流開關裝置的該相應驅動電壓。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的橋式整流電路，還包括：與該第一MOSFET並聯的一第一二極體；以及與該第二MOSFET並聯的一第二二極體。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的橋式整流電路，其中，該整流部分包括：一第一二極體，連接在一第一輸入與一第一輸出之間；一第二二極體，連接在一第二輸入與該第一輸出之間； 一第一整流開關裝置，連接在該第一輸入與一第二輸出之間，其控制端子連接至該驅動部分以接收該相應驅動電壓；以及一第二整流開關裝置，連接在該第二輸入與該第二輸出之間，其控制端子連接至該驅動部分以接收該相應驅動電壓，其中，該第一二極體、該第二二極體、該第一開關裝置和該第二開關裝置的電流傳導路徑構成電橋連接。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的橋式整流電路，其中該第一整流開關裝置包括一第一NMOSFET，其汲極連接至該第一輸入，源極連接至該第二輸出，該第二整流開關裝置包括一第二NMOSFET，其汲極連接至該第二輸入，源極連接至該第二輸出。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的橋式整流電路，其中，該驅動部分接收該第二輸入處的電壓作為該第一整流開關裝置的驅動電壓；以及該驅動部分接收該第一輸入處的電壓作為該第二整流開關裝置的驅動電壓。
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