TWI622262B - 應用於電源轉換器的同步整流器及其操作方法 - Google Patents

應用於電源轉換器的同步整流器及其操作方法 Download PDF

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Abstract

應用於電源轉換器的同步整流器包含一控制信號產生電路、一預衰減電路及一閘極驅動電路。該控制信號產生電路是當該電源轉換器的二次側開啟時，根據對應該二次側的前一週期的偵測電壓、一第一參考電壓和一第二參考電壓，產生對應該前一週期的控制信號，其中對應該前一週期的控制信號對應該前一週期的放電時間。該預衰減電路根據該放電時間，預衰減對應該二次側的當下週期的閘極控制信號和產生對應該當下週期的預衰減信號。該閘極驅動電路根據對應該當下週期的控制信號，驅動該閘極控制信號，以及根據該預衰減信號，停止驅動該閘極控制信號。

Description

應用於電源轉換器的同步整流器及其操作方法
本發明是有關於一種應用於電源轉換器的同步整流器及其操作方法，尤指一種可根據對應該電源轉換器的二次側的前一週期的放電時間，預衰減對應該電源轉換器的二次側的當下週期的閘極控制信號的同步整流器及其操作方法。
如第1圖所示，在電源轉換器100的連續導通模式(continuous conduction mode, CCM)下，應用於電源轉換器100的二次側SEC的同步整流器200是當電源轉換器100的二次側SEC開啟時，根據電源轉換器100的二次側SEC的一偵測電壓VDET(亦即同步開關102的源極電壓)，產生控制同步開關102的閘極控制信號GCS，其中在電源轉換器100的連續導通模式下，現有技術是利用同步整流器200根據偵測電壓VDET，快速地去能閘極控制信號GCS以避免電源轉換器100的一次側PRI和電源轉換器100的二次側SEC同時開啟。
如第2圖所示，當電源轉換器100的二次側SEC開啟時，偵測電壓VDET會從最小值VMIM(約-0.7V)逐漸增加。因此，在一時間T1時，當偵測電壓VDET增加至一第一參考電壓VREF1(約-50mV)時，同步整流器200會預衰減閘極控制信號GCS，然後在一時間T2時，當偵測電壓VDET增加至一第二參考電壓VREF1(約-10mV)時，同步整流器200會完全去能閘極控制信號GCS。
然而當耦接於電源轉換器100的二次側SEC的負載104是非常重載時，因為偵測電壓VDET可能不會增加至第一參考電壓VREF1，所以同步整流器200不會預衰減閘極控制信號GCS，導致同步整流器200必須直接去能閘極控制信號GCS。另外，當耦接於電源轉換器100的二次側SEC的負載104是輕載時，因為偵測電壓VDET可能很快增加至第一參考電壓VREF1，所以同步開關102大部分時間都操作在線性區(triode region)，導致電源轉換器100的效率變差。
因此，如何改進上述現有技術已成為同步整流器200的設計者的一項重要課題。
本發明的一實施例提供一種應用於電源轉換器的同步整流器。該同步整流器包含一控制信號產生電路、一預衰減電路及一閘極驅動電路。該控制信號產生電路是用於當該電源轉換器的二次側開啟時，根據對應該二次側的前一週期的偵測電壓、一第一參考電壓和一第二參考電壓，產生對應該前一週期的控制信號，其中對應該前一週期的控制信號是對應該前一週期的放電時間。該預衰減電路耦接於該控制信號產生電路，用於根據對應該前一週期的放電時間，預衰減對應該二次側的當下週期的閘極控制信號和產生對應該當下週期的預衰減信號。該閘極驅動電路耦接於該控制信號產生電路和該預衰減電路，用於根據對應該當下週期的控制信號，驅動對應該當下週期的閘極控制信號，以及根據對應該當下週期的預衰減信號，停止驅動對應該當下週期的閘極控制信號。
本發明的另一實施例提供一種應用於電源轉換器的同步整流器的操作方法，其中該同步整流器包含一控制信號產生電路、一預衰減電路及一閘極驅動電路。該操作方法包含當該電源轉換器的二次側開啟時，該控制信號產生電路根據對應該二次側的前一週期的偵測電壓、一第一參考電壓和一第二參考電壓，產生對應該前一週期的控制信號，其中對應該前一週期的控制信號是對應該二次側的前一週期的放電時間；該預衰減電路根據對應該前一週期的放電時間，預衰減對應該二次側的當下週期的閘極控制信號和產生對應該當下週期的預衰減信號。
本發明提供一種應用於電源轉換器的同步整流器及其操作方法。該同步整流器及該操作方法是利用該同步整流器的控制信號產生電路於該電源轉換器的二次側開啟時，根據對應該二次側的前一週期的偵測電壓、一第一參考電壓和一第二參考電壓，產生對應該前一週期的控制信號，以及利用該同步整流器的預衰減電路根據對應該前一週期的放電時間(對應該前一週期的控制信號)，預衰減對應該二次側的當下週期的閘極控制信號。因為該同步整流器及該操作方法是根據對應該前一週期的放電時間，預衰減對應該當下週期的閘極控制信號，所以當耦接於該電源轉換器的二次側的負載是輕載時，該同步整流器不會提早預衰減對應該當下週期的閘極控制信號以避免該同步開關大部分時間操作在線性區，以及當該負載是非常重載時，該同步整流器也不必直接去能對應該當下週期的閘極控制信號。
請參照第3圖，第3圖是本發明的第一實施例說明一種應用於電源轉換器100的二次側SEC的同步整流器300的示意圖，其中電源轉換器100的一次側PRI僅一次側繞組101和一功率開關103顯示在第3圖中，電源轉換器100是一交流/直流電源轉換器，同步整流器300是適用於電源轉換器100的連續導通模式，且GND代表一地端。如第3圖所示，同步整流器300包含一控制信號產生電路302、一預衰減電路304和一閘極驅動電路306，其中預衰減電路304耦接於控制信號產生電路302，以及閘極驅動電路306耦接於控制信號產生電路302和預衰減電路304。當電源轉換器100的二次側SEC開啟時，控制信號產生電路302是通過同步整流器300的接腳308接收對應電源轉換器100的二次側SEC的當下週期的偵測電壓VDET(亦即電源轉換器100的二次側SEC的同步開關102的源極電壓)。在控制信號產生電路302接收對應該當下週期的偵測電壓VDET後，控制信號產生電路302可根據對應該當下週期的偵測電壓VDET、一第一參考電壓VREF1和一第二參考電壓VREF2，產生對應該當下週期的控制信號CS，其中對應該當下週期的偵測電壓VDET和對應該當下週期的控制信號CS的時序可參照第4圖。如第4圖所示，在一時間T1時，控制信號產生電路302可根據對應該當下週期的偵測電壓VDET和第一參考電壓VREF1致能對應該當下週期的控制信號CS，以及在一時間T2時，控制信號產生電路302可根據對應該當下週期的偵測電壓VDET和第二參考電壓VREF2去能對應該當下週期的控制信號CS，其中第二參考電壓VREF2大於第一參考電壓VREF1。因此，如第4圖所示，對應該當下週期的控制信號CS是對應該當下週期的放電時間TDIS。另外，如第4圖所示，閘極驅動電路306是用於根據對應該當下週期的控制信號CS，驅動對應該當下週期的閘極控制信號GCS，對應該當下週期的閘極控制信號GCS是通過一接腳310傳送至電源轉換器100的二次側SEC的同步開關102，以及對應該當下週期的閘極控制信號GCS是用於控制同步開關102的開啟與關閉。
如第3圖所示，預衰減電路304包含一預衰減信號產生器3042、一脈衝產生器3044和一下拉電路3046，其中預衰減信號產生器3042耦接於控制信號產生電路302，脈衝產生器3044耦接於預衰減信號產生器3042，下拉電路3046耦接於脈衝產生器3044和預衰減信號產生器3042，以及下拉電路3046包含一第一N型金氧半電晶體30462、一第二N型金氧半電晶體30464以及一開關30466。另外，預控制信號產生電路302、閘極驅動電路306、衰減信號產生器3042、脈衝產生器3044、第一N型金氧半電晶體30462、第二N型金氧半電晶體30464以及開關30466之間的耦接關係可參照第3圖，在此不再贅述。
預衰減信號產生器3042可根據對應電源轉換器100的二次側SEC的前一週期的放電時間(對應電源轉換器100的二次側SEC的前一週期的控制信號CS)，產生對應該當下週期的當下預衰減時間CT(如第4圖所示)和對應當下預衰減時間CT的預衰減信號PAS(其中對應當下預衰減時間CT的預衰減信號PAS亦對應該當下週期)。例如，起初預衰減信號產生器3042可根據對應電源轉換器100的二次側SEC的第零週期的放電時間和一預設時間值，產生對應電源轉換器100的二次側SEC的第一週期的第一預衰減時間和對應該第一預衰減時間的預衰減信號；然後預衰減信號產生器3042可根據對應電源轉換器100的二次側SEC的第一週期的放電時間和該第一預衰減時間，產生對應電源轉換器100的二次側SEC的第二週期的第二預衰減時間和對應該第二預衰減時間的預衰減信號；然後預衰減信號產生器3042可根據對應電源轉換器100的二次側SEC的第二週期的放電時間和該第二預衰減時間，產生對應電源轉換器100的二次側SEC的第三週期的第三預衰減時間和對應該第三預衰減時間的預衰減信號；以此類推，其中該第三周期在該第二周期之後，該第二周期在該第一周期之後，以及該第一周期在該第零周期之後。因此，預衰減信號產生器3042根據對應電源轉換器100的二次側SEC的前一週期的放電時間所產生的對應電源轉換器100的二次側SEC的當下週期的當下預衰減時間CT會逐漸趨近於對應電源轉換器100的二次側SEC的前一週期的放電時間，但預衰減信號產生器3042會使如第4圖所示的一偽死區時間PDT(pseudo dead time)不小於一預定時間區間。
另外，在本發明的一實施例中，預衰減信號產生器3042是平均對應該第零週期的放電時間和該預設時間值以產生對應電源轉換器100的二次側SEC的第一週期的第一預衰減時間，但本發明並不受限於預衰減信號產生器3042平均對應該第零週期的放電時間和該預設時間值以產生對應電源轉換器100的二次側SEC的第一週期的第一預衰減時間，亦即預衰減信號產生器3042也可加權對應該第零週期的放電時間和該預設時間值以產生對應電源轉換器100的二次側SEC的第一週期的第一預衰減時間。因此，只要是預衰減信號產生器3042利用對應電源轉換器100的二次側SEC的前一週期的放電時間以產生對應電源轉換器100的二次側SEC的當下週期的當下預衰減時間CT都落入本發明的範圍。
如第3圖所示，在預衰減信號產生器3042產生對應該當下週期的預衰減信號PAS後，閘極驅動電路306將會停止驅動對應該當下週期的閘極控制信號GCS。
另外，如第4圖所示，脈衝產生器3044用於根據對應該當下週期的預衰減信號PAS，於一時間T3產生對應該當下週期的預衰減脈衝PAP。因此，如第3圖所示，在脈衝產生器3044產生對應該當下週期的預衰減脈衝PAP後，第一N型金氧半電晶體30462開啟，因為閘極驅動電路306停止驅動對應該當下週期的閘極控制信號GCS，所以對應該當下週期的閘極控制信號GCS將會被預衰減(如第4圖所示)。另外，因為開關30466根據對應該當下週期的預衰減信號PAS開啟，所以第二N型金氧半電晶體30464會根據一第三參考電壓VREF3開啟，導致對應該當下週期的閘極控制信號GCS被穩壓在一預定電壓值PV(如第4圖所示)，其中預定電壓值PV可由第三參考電壓VREF3、第二N型金氧半電晶體30464的臨界電壓VTH30464和式(1)決定：
PV = VREF3 – VTH30464 (1)
另外，在本發明的另一實施例中，開關30466和第二N型金氧半電晶體30464可被一箝位電路取代，亦即該箝位電路可根據對應該當下週期的預衰減信號PAS將閘極控制信號GCS穩壓在預定電壓值PV。
因為同步整流器300是根據對應該前一週期的放電時間，預衰減對應該當下週期的閘極控制信號GCS，所以當耦接於電源轉換器100的二次側SEC的負載104是輕載時，同步整流器300不會提早預衰減對應該當下週期的閘極控制信號GCS以避免同步開關102大部分時間操作在線性區，以及當負載104是非常重載時，同步整流器300也不必直接去能對應該當下週期的閘極控制信號GCS。
請參照第3-5圖，第5圖是本發明的第二實施例說明一種應用於電源轉換器的同步整流器的操作方法的流程圖。第5圖的操作方法是利用第3圖的電源轉換器100與同步整流器300說明，詳細步驟如下：
步驟500： 開始；
步驟502： 當電源轉換器100的二次側SEC開啟時，控制信號產生電路302根據對應電源轉換器100的二次側SEC的前一週期的偵測電壓VDET、第一參考電壓VREF1和第二參考電壓VREF2，產生對應電源轉換器100的二次側SEC的前一週期的控制信號CS；
步驟504： 預衰減信號產生器3042根據對應該前一週期的控制信號CS，產生對應電源轉換器100的二次側SEC的當下週期的預衰減信號PAS；
步驟506： 脈衝產生器3044根據對應電源轉換器100的二次側SEC的當下週期的預衰減信號PAS，產生對應電源轉換器100的二次側SEC的當下週期的預衰減脈衝PAP；
步驟508： 下拉電路3046根據對應電源轉換器100的二次側SEC的當下週期的預衰減脈衝PAP，預衰減對應電源轉換器100的二次側SEC的當下週期的閘極控制信號GCS，跳回步驟502。
在步驟502中，當電源轉換器100的二次側SEC在電源轉換器100的二次側SEC的前一週期開啟時，控制信號產生電路302是通過同步整流器300的接腳308接收對應該前一週期的偵測電壓VDET。在控制信號產生電路302接收對應該前一週期的偵測電壓VDET後，控制信號產生電路302可根據對應該前一週期的偵測電壓VDET、第一參考電壓VREF1和第二參考電壓VREF2，產生對應該前一週期的控制信號CS。同理，當電源轉換器100的二次側SEC在電源轉換器100的二次側SEC的當下週期開啟時，控制信號產生電路302也可根據對應該當下週期的偵測電壓VDET、第一參考電壓VREF1和第二參考電壓VREF2，產生對應該當下週期的控制信號CS。
在步驟504中，如第3圖所示，預衰減信號產生器3042可根據對應電源轉換器100的二次側SEC的前一週期的放電時間(對應電源轉換器100的二次側SEC的前一週期的控制信號CS)，產生對應該當下週期的當下預衰減時間CT(如第4圖所示)和對應當下預衰減時間CT的預衰減信號PAS。因此，預衰減信號產生器3042根據對應電源轉換器100的二次側SEC的前一週期的放電時間所產生的對應電源轉換器100的二次側SEC的當下週期的當下預衰減時間CT會逐漸趨近於對應電源轉換器100的二次側SEC的前一週期的放電時間，但預衰減信號產生器3042會使如第4圖所示的偽死區時間PDT不小於該預定時間區間。
在步驟506和步驟508中，如第4圖所示，脈衝產生器3044根據對應該當下週期的預衰減信號PAS，於時間T3產生對應該當下週期的預衰減脈衝PAP。因此，如第3圖所示，在脈衝產生器3044產生對應該當下週期的預衰減脈衝PAP後，第一N型金氧半電晶體30462開啟，因為閘極驅動電路306停止驅動對應該當下週期的閘極控制信號GCS，所以對應該當下週期的閘極控制信號GCS將會被預衰減(如第4圖所示)。另外，因為開關30466根據對應該當下週期的預衰減信號PAS開啟，所以第二N型金氧半電晶體30464會根據第三參考電壓VREF3開啟，導致對應該當下週期的閘極控制信號GCS被穩壓在預定電壓值PV(如第4圖所示)。
另外，如第3、4圖所示，閘極驅動電路306可根據對應該當下週期的控制信號CS，驅動對應該當下週期的閘極控制信號GCS，以及在預衰減信號產生器3042產生對應該當下週期的預衰減信號PAS後，閘極驅動電路306將會停止驅動對應該當下週期的閘極控制信號GCS。
綜上所述，本發明所提供的應用於電源轉換器的同步整流器及其操作方法是利用該控制信號產生電路於該電源轉換器的二次側開啟時，根據對應該二次側的前一週期的偵測電壓、該第一參考電壓和該第二參考電壓，產生對應該前一週期的控制信號，以及利用該預衰減電路根據對應該前一週期的放電時間(對應該前一週期的控制信號)，預衰減對應該二次側的當下週期的閘極控制信號。因為該同步整流器及該操作方法是根據對應該前一週期的放電時間，預衰減對應該當下週期的閘極控制信號，所以當耦接於該電源轉換器的二次側的負載是輕載時，該同步整流器不會提早預衰減對應該當下週期的閘極控制信號以避免該同步開關大部分時間操作在線性區，以及當該負載是非常重載時，該同步整流器也不必直接去能對應該當下週期的閘極控制信號。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100‧‧‧電源轉換器
101‧‧‧一次側繞組
102‧‧‧同步開關
103‧‧‧功率開關
104‧‧‧負載
200、300‧‧‧同步整流器
302‧‧‧控制信號產生電路
304‧‧‧預衰減電路
306‧‧‧閘極驅動電路
308、310‧‧‧接腳
3042‧‧‧預衰減信號產生器
3044‧‧‧脈衝產生器
3046‧‧‧下拉電路
30462‧‧‧第一N型金氧半電晶體
30464‧‧‧第二N型金氧半電晶體
30466‧‧‧開關
CS‧‧‧控制信號
CT‧‧‧當下預衰減時間
GND‧‧‧地端
GCS‧‧‧閘極控制信號
PAS‧‧‧預衰減信號
PAP‧‧‧預衰減脈衝
PDT‧‧‧偽死區時間
PRI‧‧‧一次側
PV‧‧‧預定電壓值
SEC‧‧‧二次側
T1-T3‧‧‧時間
TDIS‧‧‧放電時間
VDET‧‧‧偵測電壓
VREF1‧‧‧第一參考電壓
VREF3‧‧‧第二參考電壓
VREF2‧‧‧第三參考電壓
VMIM‧‧‧最小值
500-508‧‧‧步驟
第1圖是說明應用於電源轉換器的二次側的同步整流器的示意圖。 第2圖是說明偵測電壓和閘極控制信號的時序示意圖。 第3圖是本發明的第一實施例說明一種應用於電源轉換器的二次側的同步整流器的示意圖。 第4圖是說明偵測電壓、控制信號、閘極控制信號和預衰減脈衝的時序示意圖。 第5圖是本發明的第二實施例說明一種應用於電源轉換器的同步整流器的操作方法的流程圖。

Claims (9)

  1. 一種應用於電源轉換器的同步整流器，包含： 一控制信號產生電路，用於當該電源轉換器的二次側開啟時，根據對應該二次側的前一週期的偵測電壓、一第一參考電壓和一第二參考電壓，產生對應該前一週期的控制信號，其中對應該前一週期的控制信號是對應該前一週期的放電時間； 一預衰減電路，耦接於該控制信號產生電路，用於根據對應該前一週期的放電時間，預衰減對應該二次側的當下週期的閘極控制信號和產生對應該當下週期的預衰減信號；及 一閘極驅動電路，耦接於該控制信號產生電路和該預衰減電路，用於根據對應該當下週期的控制信號，驅動對應該當下週期的閘極控制信號，以及根據對應該當下週期的預衰減信號，停止驅動對應該當下週期的閘極控制信號。
  2. 如請求項1所述的同步整流器，其中該偵測電壓是該二次側的同步開關的源極電壓。
  3. 如請求項1所述的同步整流器，其中該當下週期的閘極控制信號是用於控制該二次側的同步開關的開啟與關閉。
  4. 如請求項1所述的同步整流器，其中該預衰減信號產生電路包含： 一預衰減信號產生器，耦接於該控制信號產生電路，用於根據對應該前一週期的控制信號，產生對應該當下週期的預衰減信號； 一脈衝產生器，耦接於該預衰減信號產生器，用於根據對應該當下週期的預衰減信號，產生對應該當下週期的預衰減脈衝；及 一下拉電路，耦接於該脈衝產生器和該預衰減信號產生器，用於根據對應該當下週期的預衰減脈衝，預衰減對應該當下週期的閘極控制信號。
  5. 一種應用於電源轉換器的同步整流器的操作方法，其中該同步整流器包含一控制信號產生電路、一預衰減電路及一閘極驅動電路，該操作方法包含： 當該電源轉換器的二次側開啟時，該控制信號產生電路根據對應該二次側的前一週期的偵測電壓、一第一參考電壓和一第二參考電壓，產生對應該前一週期的控制信號，其中對應該前一週期的控制信號是對應該二次側的前一週期的放電時間；及 該預衰減電路根據對應該前一週期的放電時間，預衰減對應該二次側的當下週期的閘極控制信號和產生對應該當下週期的預衰減信號。
  6. 如請求項5所述的操作方法，另包含： 該閘極驅動電路根據對應該當下週期的控制信號，驅動對應該當下週期的閘極控制信號；及 該閘極驅動電路根據對應該當下週期的預衰減信號，停止驅動對應該當下週期的閘極控制信號。
  7. 如請求項5所述的操作方法，其中該偵測電壓是該二次側的同步開關的源極電壓。
  8. 如請求項5所述的操作方法，其中該當下週期的閘極控制信號是用於控制該二次側的同步開關的開啟與關閉。
  9. 如請求項5所述的操作方法，其中該預衰減電路根據對應該前一週期的放電時間，預衰減對應該當下週期的閘極控制信號和產生對應該當下週期的預衰減信號包含： 該預衰減電路的預衰減信號產生器根據對應該前一週期的控制信號，產生對應該當下週期的預衰減信號； 該預衰減電路的脈衝產生器根據對應該當下週期的預衰減信號，產生對應該當下週期的預衰減脈衝；及 該預衰減電路的下拉電路根據對應該當下週期的預衰減脈衝，預衰減對應該當下週期的閘極控制信號。
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