TWI605678B - Synchronous rectification control circuit and its control method - Google Patents

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Description

同步整流控制電路及其控制方法
本發明有關於一種同步整流控制電路及其控制方法，尤指一種利用伏秒平衡原理調控同步整流中開關電晶體截止時間之同步整流控制電路及其控制方法 。
參照第1圖所示，為升降壓型穩壓器之基本電路架構。如第2圖所示，當開關電晶體 SW 1 處於導通狀態時，輸入電源 V in 向電感 L儲能，並且二極體 D 1呈截止狀態。又如第3圖所示，待開關電晶體 SW 1 切換截止狀態後，電感 L所儲存之電流便產生與輸入電源 V in 反向之電動勢向電容 C充能，並使二極體 D 1呈導通狀態。藉此由上述電路結構，可將直流輸入電源 V in 短暫地轉為交流電並降壓後輸出電壓 V o ，再提供負載 R L 所需之功率。
前述整流電路於二極體 D 1導通時，二極體 D 1本身會產生障壁電壓，使部分功率虛耗在二極體 D 1上。此種消耗在低輸出電壓時特別明顯，例如當輸出電壓 V o 為1.5 V時，此時縱使採用蕭特基二極體，仍會產生0.4 V± 0.1 V之障壁電壓，造成轉換效率劣化。
為解決上述非同步整流電路之缺陷，如美國公告第US8526202號專利案提供一種以另一開關電晶體替換二極體 D 1之同步整流電路，該開關電晶體可為金屬氧化物半導體場效電晶體等，場效電晶體導通時具線性伏安關係，導通電阻約為50 m Ω。設導通電流為2 A，其所產生之壓降僅0.1 V而已，而能改善習用電路中因二極體 D 1高障壁電壓造成轉換損耗之缺點。此種電路因開關電晶體之閘極電壓須與被整流電壓保持相位同步，因而得名同步整流電路。同步整流電路中兩個開關電晶體必須交替切換導通及截止狀態，否則，若兩個開關電晶體同時處於導通狀態將造成交換式電源損壞。
惟前述專利案係利用開關電晶體兩端電壓差控制導通或截止，即在其中一端以設計有徧移電壓之比較器，構成類似零電流偵測電路之結構，此種作法雖然同樣可達到調控導通或截止時間之目的，但該種電路工作於連續導通模式時，二次側之開關電晶體將會被燒燬。是以，如何精準地控制開關並令電路可工作於連續導通模式，實為同步整流電路亟欲克服之課題。
本發明之目的，在於解決先前技術無法工作於連續導通模式之問題。
為達上述目的，本發明提供一種同步整流控制電路，係用於控制一交換式電源，該交換式電源包含有一變壓器，一耦接至該變壓器初級側之第一開關電晶體，以及一耦接至該變壓器次級側和負載間之第二開關電晶體，該同步整流控制電路包含有一導通感測模組、一電壓平均模組、一伏秒平衡模組。該導通感測模組包含有一第一參考電位，以及一導通感測比較器，該導通感測比較器輸出一導通訊號，該導通訊號依據該第二開關電晶體汲極與源極之電位差是否處於高電位，進而被組態為該第一參考電位或地電位。該電壓平均模組包含有一耦接該導通訊號之平均電路，以及一由該平均電路輸出之一第二參考電位、以及一邏輯控制模組。該伏秒平衡模組包含有一對應於該第一參考電位之第一參考電流，一對應於該第二參考電位之第二參考電流，一介於該第一參考電流與該第二參考電流間且受該導通訊號控制切換導通或截止狀態之伏秒平衡開關，一伏秒平衡比較器，以及一計時電容，該伏秒平衡比較器包含有一處於低電位之正輸入端，一耦接該伏秒平衡開關對應該第二參考電流一端之負輸入端，以及一耦接該伏秒平衡比較器輸出端之重置訊號，且該計時電容跨接於該正輸入端與該負輸入端之間。該邏輯控制模組，包含有一耦接該導通訊號及該重置訊號之邏輯電路，且該邏輯電路耦接該第二開關電晶體之閘極，並控制該第二開關電晶體呈導通或截止狀態。
進一步地，該導通感測模組包含有一第一閾值電位，該導通訊號依據該第二開關電晶體汲極與源極之電位差是否高於該第一閾值電位，進而被組態為該第一參考電位或地電位。
進一步地，該伏秒平衡模組包含有一耦接該正輸入端之第二閾值電位，該重置訊號依據該負輸入端之電位是否低於該第二閾值電位，進而被組態為脈波或地電位。
進一步地，該平均電路包含有至少一耦接該導通訊號之平均電阻，以及至少一跨接該平均電阻與地電位之平均電容。
進一步地，該伏秒平衡模組包含有一耦接該導通訊號之脈波產生器，以及一並聯於該計時電容之重置開關，該脈波產生器於該導通訊號由低電位轉為高電位時產生脈波並使該重置開關導通。
本發明之另一目的，在於提供一種同步整流控制方法，係用於控制一交換式電源，該交換式電源包含有一變壓器，一耦接至該變壓器初級側且間歇性地切換導通與截止狀態之第一開關電晶體，以及一耦接至該變壓器次級側和負載間之第二開關電晶體，所述之同步整流控制方法包含有以下步驟：(a)設定該第一開關電晶體呈導通狀態之時間為導通時間，呈截止狀態之時間為截止時間；(b)產生一導通訊號，該導通訊號被組態為在導通時間中輸出一第一參考電位、在截止時間中輸出地電位，並產生一等同該導通訊號均值之第二參考電位；(c)轉換該第一參考電位為一第一參考電流、轉換該第二參考電位為一第二參考電流；(d)提供一計時電容，該計時電容流通一計時電流，並產生一積分電壓；(e)設定於該導通時間內、該計時電流被組態為該第一參考電流減去該第二參考電流，於該截止時間內、該計時電流被組態為該第二參考電流之負值；以及(f)判斷該積分電壓是否自高電位至零，並執行以下步驟：(f1)若該積分電壓自高電位至零，則截止該第二開關電晶體。
進一步地，步驟(f)更包含以下步驟：(f2)清除該計時電容之電壓。
是以，本發明較先前技術具有以下有益功效：
1.本發明利用跨越第二開關電晶體汲源閘之電壓計算出變壓器次級側之導通時間，改善先前技術使用零電流偵測方式而僅能工作於非連續導通模式之缺點。
2.本發明之伏秒平衡模組採用電容與電流之組合，計算出第二開關電晶體應導通或截止之精確切換時間，取代習用在變壓器增設控制線圈以計算導通時間之方式，而可有效減少整體電路體積。
茲就本申請案的技術特徵暨操作方式舉數個較佳實施態樣，並配合圖示說明謹述於后，俾提供審查參閱。再者，本發明中之圖式，為便於說明其比例未必按實際比例繪製，圖式中之比例並不用以限制本發明所欲請求保護之範圍。
《電路結構說明》
關於本發明之技術，請參照第4圖所示，本發明提供一種同步整流控制電路，用於控制一交換式電源200。該交換式電源200包含有一變壓器210，一耦接至該變壓器210初級側之初級電路，一耦接至該變壓器210次級側和負載間之第二開關電晶體230，以及一與負載並聯之輸出電容。本實施態樣中，該初級電路包含有一耦接於該變壓器210初級側與地電位之間的第一開關電晶體220，以及一耦接該第一開關電晶體220閘極之第一閘極控制訊號 V G 1。該第一閘極控制訊號 V G 1係用於控制該第一開關電晶體220之導通或截止狀態，該第一閘極控制訊號 V G 1之產生方式已為本發明所屬技術領域具通常知識者所孰習，在此不予詳述。
請參照第5圖及第6圖所示，具體而言，本發明之同步整流控制電路主要包含有一導通感測模組10、一電壓平均模組20、一伏秒平衡模組30、以及一邏輯控制模組40。該導通感測模組10係用於感測該第一開關電晶體220之導通狀態，其包含有一第一參考電位 V ref1 ，以及一導通感測比較器11，該導通感測比較器11輸出一導通訊號 V 11 ，該導通訊號 V 11 依據該第二開關電晶體230汲極與源極之電位差是否處於高電位，進而被組態為該第一參考電位 V ref1 或地電位。當電路呈穩態且該第一開關電晶體導通，其汲源電壓 V ds1 處於低電位，而該第二開關電晶體230截止，其汲源電壓 V ds2 為高電位，此時該導通訊號 V 11 便呈現該第一參考電位 V ref1 ；反之當該第一開關電晶體截止時，該第二開關電晶體230導通且其汲源電壓 V ds2 為低電位。於本實施態樣中，該導通感測比較器11負輸入側設置一第一閾值電位 V A ，該導通訊號 V 11 依據該第二開關電晶體230汲極與源極之電位差是否高於該第一閾值電位 V A ，進而被組態為該第一參考電位 V ref1 或地電位，藉此可抵消電路中之偏壓。
該電壓平均模組20包含有一耦接該導通訊號 V 11 之平均電路21，以及一由該平均電路21輸出之一第二參考電位 V ref2 。本實施態樣中，該平均電路21係為電阻電容串並聯電路，其功能在於將時變之該導通訊號 V 11 轉化為均值電壓(即該第二參考電位 V ref2 )，本發明中，該平均電路21僅需達成將該導通訊號 V 11 轉換為均值電壓之目的即可，該平均電路21之具體電路設置在此不予限制。
該伏秒平衡模組30包含有一對應於該第一參考電位 V ref1 之第一參考電流 I ref1 ，一對應於該第二參考電位 V ref2 之第二參考電流 I ref2 (具體可由電壓電流轉換器等習用電路實現)，一介於該第一參考電流 I ref1 與該第二參考電流 I ref2 間且受該導通訊號 V 11 控制導通或截止狀態之伏秒平衡開關31(可為電晶體元件)，一伏秒平衡比較器32，以及一計時電容33，該伏秒平衡比較器32包含有一處於低電位之正輸入端321，一耦接該伏秒平衡開關31對應該第二參考電流 I ref2 一端之負輸入端322，以及一耦接該伏秒平衡比較器32輸出端之重置訊號 V 32，且該計時電容33跨接於該正輸入端321與該負輸入端322之間，且該計時電容33兩端係藉由電流產生一積分電壓 V C 。於本實施態樣中，且該伏秒平衡模組30包含有一耦接該導通訊號 V 11 之脈波產生器34，以及一並聯於該計時電容33之重置開關35，該脈波產生器34於該導通訊號 V 11 由低電位轉為高電位時產生脈波，並使該重置開關35導通，由於該計時電容33一端連接於地電位，因此當該重置開關35導通之瞬間，該計時電容33上之電荷會朝地電位移動，藉此可在該第一開關電晶體220導通瞬間確保重置該積分電壓 V C 。
該邏輯控制模組40包含有一耦接該導通訊號 V 11 及該重置訊號 V 32之邏輯電路41，且該邏輯電路41耦接該第二開關電晶體230之閘極，並輸出一第二閘極控制訊號 V G 2控制該第二開關電晶體230呈導通或截止狀態。本實施態樣中，該邏輯電路41係由邏輯閘與 RS正反器組成， RS正反器之輸出與該導通訊號 V 11 反向，藉此控制該第二開關電晶體230可與該第一開關電晶體220交替地導通，達成切換式同步整流之目的。
《原理說明》
本發明中，主要係依據伏秒平衡原理，利用在連續導通模式下該變壓器210上電感之漣波電流每一週期之變化量等於零之特性，藉此得出一個週期結束時之正確時間點。參照第1圖所示之電路，設導通時間 T on ，週期時間 T s ，並設截止時間 T off ，則該第一開關電晶體220之責任週期 D為： (式1)
上述流經該變壓器210之電感電流 I L 如第7圖所示。圖中可見，該電感電流 I L 於單一週期時間中，包含有上升斜率 m 1 (0~ dT s 區間)，以及下降斜率 m 2 ( dT s ~ T s 區間)兩部分，後依電感上電壓電流變化關係，以及伏秒平衡原理，可知責任週期 D與上升斜率 m 1 、下降斜率 m 2 之關係如下： (式2)
接續，設作用於提高電流量之電壓為第一參考電位 V ref1 ，作用於電流量均值之電壓為第二參考電位 V ref2 ，則該第一參考電位 V ref1 與該第二參考電位 V ref2 之比值為=( m 1- m 2 ):(- m 2 )，代入式2可得： (式3)
由於該第二參考電位 V ref2 等同於該第一參考電位 V ref1 與責任週期 D之乘積，當可理解為該第二參考電位 V ref2 等於該第一參考電位 V ref1 之電壓與責任週期 D之均值。
一併參照第8圖及第9圖所示，由電容器定義可得知： (式4)
設作用於提高該積分電壓 V c 之電流為第一參考電流 I ref1 ，降低該積分電壓 V c 之電流為第二參考電流 I ref2 ，並將導通時間 T on 及截止時間 T off 代入式4後得 ，與 ，又依伏秒平衡原理可知電壓變化量為零，即 。令該第一參考電流 I ref1 、該第二參考電流 I ref2 對應該第一參考電位 V ref1 、該第二參考電位 V ref2 之比值為 K 1 、 K 2 ，為簡化計算令 K 1 = K 2 並代入式4後可得： (式5)
由上可見式3與式5相同，故前述以電感偵測導通時間 T on 、導通時間 T off 之實體電路組成，可由電容電路取代，由於流經該計時電容33之電流漣波，將於該計時電容33兩端產生積分電壓 V C ，因此本發明可透過該計時電容33兩端電壓之變化取得切換該第二開關電晶體230導通或截止狀態之正確時間點，達成同步整流之目的。
《控制方法流程說明》
以下詳述本案之控制方法，參照第10圖所示，所述之同步整流控制方法包含有以下步驟：
步驟( a)設定該第一開關電晶體220呈導通狀態之時間為導通時間 T on ，呈截止狀態之時間為截止時間 T off 。本步驟中導通時間 T on 及截止時間 T off 係可依使用者需求決定。
步驟( b)產生一導通訊號 V 11 ，該導通訊號 V 11 被組態為在導通時間 T on 中輸出一第一參考電位 V ref1 、在截止時間 T off 中輸出地電位，並產生一等同該導通訊號 V 11 均值之第二參考電位 V ref2 。
步驟( c)轉換該第一參考電位 V ref1 為一第一參考電流 I ref1 、轉換該第二參考電位 V ref2 為一第二參考電流 I ref2 。本步驟中具體係使用電壓電流轉換電路，並令該第一參考電流 I ref1 、該第二參考電流 I ref2 之電壓電流比一致。
步驟( d)提供一計時電容33，該計時電容33流通一計時電流，並產生一積分電壓 V C 。
步驟( e)設定於該導通時間內、該計時電流被組態為該第一參考電流 I ref1 減去該第二參考電流 I ref2 ，於該截止時間內、該計時電流被組態為該第二參考電流 I ref2 之負值。藉此，當該第一開關電晶體220導通時，該計時電流係逐漸上升，而該第一開關電晶體220截止、改換該第二開關電晶體230導通時，該計時電流則逐漸下降，而該計時電容33上之電壓便隨之升降。
步驟( f)判斷該積分電壓 V C 是否自高電位至零，並執行以下步驟： ( f1)當該積分電壓 V C 自高電位至零，則截止該第二開關電晶體230，並執行步驟( f2)清除該計時電容33之電壓。本步驟係進行連續判斷，若該積分電壓 V C 尚未自高電位至零，則持續執行步驟( f)之判斷。
以上已詳細說明本發明之內容，惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍內。
100‧‧‧同步整流控制電路
10‧‧‧導通感測模組
11‧‧‧導通感測比較器
20‧‧‧電壓平均模組
21‧‧‧平均電路
211‧‧‧平均電阻
212‧‧‧平均電容
30‧‧‧伏秒平衡模組
31‧‧‧伏秒平衡開關
32‧‧‧伏秒平衡比較器
321‧‧‧正輸入端
322‧‧‧負輸入端
33‧‧‧計時電容
34‧‧‧脈波產生器
35‧‧‧重置開關
40‧‧‧邏輯控制模組
41‧‧‧邏輯電路
200‧‧‧交換式電源
210‧‧‧變壓器
220‧‧‧第一開關電晶體
230‧‧‧第二開關電晶體
Vref1 ‧‧‧第一參考電位
Vref2 ‧‧‧第二參考電位
VA ‧‧‧第一閾值電位
VB ‧‧‧第二閾值電位
VC ‧‧‧積分電壓
VG1 ‧‧‧第一閘極控制訊號
VG2 ‧‧‧第二閘極控制訊號
V11 ‧‧‧導通訊號
V32 ‧‧‧重置訊號
D‧‧‧責任週期
IL ‧‧‧電感電流
Iref1 ‧‧‧第一參考電流
Iref2 ‧‧‧第二參考電流
SW1 ‧‧‧開關電晶體
Vds1 、Vds2 ‧‧‧汲源電壓
V_in ‧‧‧輸入電源
Vo ‧‧‧輸出電壓
L‧‧‧電感
D1 ‧‧‧二極體
C‧‧‧電容
Ton ‧‧‧導通時間
Toff ‧‧‧截止時間
Ts ‧‧‧週期時間
RL ‧‧‧負載
m1 ‧‧‧上升斜率
m2 ‧‧‧下降斜率
第1圖：為習用升降壓型穩壓器之電路圖。 第2圖：為習用升降壓型穩壓器於開關電晶體導通時之示意圖。 第3圖：為習用升降壓型穩壓器於開關電晶體截止時之示意圖。 第4圖：為本發明與交換式電源組合之示意圖。 第5圖：為本發明一種實施態樣之電路圖。 第6圖：為本發明實施態樣之時序圖。 第7圖：為習用穩壓器操作在連續導通模式之時序圖。 第8圖：為本發明伏秒平衡模組之電路圖。 第9圖：為本發明伏秒平衡模組之時序圖。 第10圖：為本發明控制方法之流程圖。
10‧‧‧導通感測模組
11‧‧‧導通感測比較器
20‧‧‧電壓平均模組
21‧‧‧平均電路
211‧‧‧平均電阻
212‧‧‧平均電容
30‧‧‧伏秒平衡模組
31‧‧‧伏秒平衡開關
32‧‧‧伏秒平衡比較器
321‧‧‧正輸入端
322‧‧‧負輸入端
33‧‧‧計時電容
34‧‧‧脈波產生器
35‧‧‧重置開關
40‧‧‧邏輯控制模組
41‧‧‧邏輯電路
210‧‧‧變壓器
220‧‧‧第一開關電晶體
230‧‧‧第二開關電晶體
V ref1 ‧‧‧第一參考電位
V ref2 ‧‧‧第二參考電位
V A ‧‧‧第一閾值電位
V B ‧‧‧第二閾值電位
V C ‧‧‧積分電壓
V G1 ‧‧‧第一閘極控制訊號
V G2 ‧‧‧第二閘極控制訊號
V 11 ‧‧‧導通訊號
V 32 ‧‧‧重置訊號
I ref1 ‧‧‧第一參考電流
I ref2 ‧‧‧第二參考電流
V ds1 、V ds2 ‧‧‧汲源電壓
V in ‧‧‧輸入電源
V o ‧‧‧輸出電壓
C‧‧‧電容

Claims (7)

  1. 一種同步整流控制電路，係用於控制一交換式電源，該交換式電源包含有一變壓器，一耦接至該變壓器初級側之第一開關電晶體，以及一耦接至該變壓器次級側和負載間之第二開關電晶體，該同步整流控制電路包含有： 一導通感測模組，包含有一第一參考電位，以及一導通感測比較器，該導通感測比較器輸出一導通訊號，該導通訊號依據該第二開關電晶體汲極與源極之電位差是否處於高電位，進而被組態為該第一參考電位或地電位； 一電壓平均模組，包含有一耦接該導通訊號之平均電路，以及一由該平均電路輸出之一第二參考電位； 一伏秒平衡模組，包含有一對應於該第一參考電位之第一參考電流，一對應於該第二參考電位之第二參考電流，一介於該第一參考電流與該第二參考電流間且受該導通訊號控制切換導通或截止狀態之伏秒平衡開關，一伏秒平衡比較器，以及一計時電容，該伏秒平衡比較器包含有一處於低電位之正輸入端，一耦接該伏秒平衡開關對應該第二參考電流一端之負輸入端，以及一耦接該伏秒平衡比較器輸出端之重置訊號，且該計時電容跨接於該正輸入端與該負輸入端之間；以及 一邏輯控制模組，包含有一耦接該導通訊號及該重置訊號之邏輯電路，且該邏輯電路耦接該第二開關電晶體之閘極，並控制該第二開關電晶體呈導通或截止狀態。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的同步整流控制電路，其中該導通感測模組包含有一第一閾值電位，該導通訊號依據該第二開關電晶體汲極與源極之電位差是否高於該第一閾值電位，進而被組態為該第一參考電位或地電位。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的同步整流控制電路，其中該伏秒平衡模組包含有一耦接該正輸入端之第二閾值電位，該重置訊號依據該負輸入端之電位是否低於該第二閾值電位，進而被組態為脈波或地電位。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的同步整流控制電路，其中該平均電路包含有至少一耦接該導通訊號之平均電阻，以及至少一跨接該平均電阻與地電位之平均電容。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的同步整流控制電路，其中該伏秒平衡模組包含有一耦接該導通訊號之脈波產生器，以及一並聯於該計時電容之重置開關，該脈波產生器於該導通訊號由低電位轉為高電位時產生脈波並使該重置開關導通。
  6. 一種同步整流控制方法，係用於控制一交換式電源，該交換式電源包含有一變壓器，一耦接至該變壓器初級側且間歇性地切換導通與截止狀態之第一開關電晶體，以及一耦接至該變壓器次級側和負載間之第二開關電晶體，所述之同步整流控制方法包含有以下步驟： ( a)設定該第一開關電晶體呈導通狀態之時間為導通時間，呈截止狀態之時間為截止時間； ( b) 產生一導通訊號，該導通訊號被組態為在導通時間中輸出一第一參考電位、在截止時間中輸出地電位，並產生一等同該導通訊號均值之第二參考電位； ( c) 轉換該第一參考電位為一第一參考電流、轉換該第二參考電位為一第二參考電流； ( d) 提供一計時電容，該計時電容流通一計時電流，並產生一積分電壓； ( e) 設定於該導通時間內、該計時電流被組態為該第一參考電流減去該第二參考電流，於該截止時間內、該計時電流被組態為該第二參考電流之負值；以及 ( f) 判斷該積分電壓是否自高電位至零，並執行以下步驟： (f1)若該積分電壓自高電位至零，則截止該第二開關電晶體。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中步驟( f)更包含以下步驟： (f2)清除該計時電容之電壓。
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