TWI688193B - 用於作為同步整流器之電源開關之自驅動控制電路及其操作方法 - Google Patents

用於作為同步整流器之電源開關之自驅動控制電路及其操作方法 Download PDF

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Abstract

本發明描述一種控制電路，其可應用至使用同步整流技術之電力供應系統。該控制電路藉由經由一主動開關感測電流而將一自驅動控制方法提供至該開關。該控制電路包含一二極體、一MOSFET及一BJT。該控制電路可包含一第一電阻器及一第二電阻器，該第一電阻器及該第二電阻器兩者連接至一電壓源。該二極體之一陽極側連接至該第一電阻器，而該二極體之一陰極側連接至該MOSFET之一汲極。該第二電阻器連接至該BJT之一集極以及該MOSFET之一閘極。該BJT之一基極連接至該第一電阻器及該二極體之該陽極側。該BJT之一射極耦合至該MOSFET之一源極。

Description

用於作為同步整流器之電源開關之自驅動控制電路及其操作方法
本發明係關於一種控制電路，其適用於使用同步整流技術之電力供應系統。控制電路藉由感測通過一主動開關之電流流動而將一自驅動控制方法提供至該開關。主動開關係一金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)。如揭示，首先在MOSFET之本體二極體中感測電流達一非常簡短的時間量且接著隨後在MOSFET之接通狀態電阻中感測電流。控制電路之切換動作僅容許通過MOSFET之電流流動之一個方向，其繼而有效地使主動開關之接通與所要電流方向之傳導同步。
同步整流係用於藉由使用一主動控制之開關(諸如一MOSFET)替換一二極體而改良整流之效率之一方法。此尤其適用於高電流應用。來自使用一MOSFET作為開關之一益處係一MOSFET之接通狀態電阻具有一非常低的電阻值，當相較於單獨的一肖特基(Schottky)二極體(其(例如)通常具有一0.3V或更高之壓降)時，該電阻值提供一低壓降。歸因於額外組件(包含冷卻二極體所需之潛在大尺寸之散熱器)之消除，較低壓降導致各週期中之一較低功率消耗、效率之一增加以及大小及成本之一降低。
然而，為了能夠使用一MOSFET作為一同步整流器，需要電壓或電流感測。由於一MOSFET可在任一方向上傳導電流，故接通及關斷之時序顯著以便在所要方向上傳導電流。不恰當切換回應可引起可限制或消除使用MOSFET開關替換一二極體整流器之任何益處之進一步損耗。再者，不恰當切換回應可引起一主要開關與同步整流器之間之非所要交叉傳導，從而導致潛在地損壞沿著一電源供應器之直通電流。為了最大化轉換器效能，閘極驅動信號之時序應係正確的。
然而，存在用於驅動同步整流器之一些習知同步整流器控制器，此等控制器通常包含於具有限制單獨控制器之效能之其他特徵及功能性之一積體電路內。此外，此等控制器可過度複雜。因而，現有控制器相對昂貴且不容易適用於用途之一變動。有益地，本文中揭示之控制電路包含使控制器之製造成本更小且更可用之最小數目個組件。此外，藉由為了藉由感測一電源MOSFET之接通狀態電阻處之電流流動而在正確時序驅動用作一同步整流器之MOSFET之目的設計一較簡單電路，所揭示控制器更易於實施於比習知設計更廣泛之一系列用途中。
如本文中揭示，一種用於同步整流之例示性控制電路感測在一MOSFET中流動通過跨該MOSFET之汲極及源極連接之一BJT、二極體及電阻器網路之電流。
在一個態樣中，本發明係關於一種控制電路。該控制電路包含一二極體、一金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)及一雙極接面電晶體(BJT)。此外，該控制電路可包含一第一電阻器及一第二電阻器，該第一電阻器及該第二電阻器兩者連接至一電源供應器或電壓源。該二極 體之一陽極側連接至該第一電阻器而該二極體之一陰極側連接至該MOSFET之一汲極。該第二電阻器連接至該BJT之一集極以及至該MOSFET之一閘極。再者，該BJT之一基極連接至該第一電阻器及該二極體之該陽極側。該BJT之一射極耦合至該MOSFET之一源極。在實例內，該控制電路可進一步包含可經添加以增加驅動能力之一圖騰柱閘極驅動電路。在其他實例中，考量額外組件，諸如一貝克(baker)夾箝(例如，BJT之基極-集極上方之一肖特基二極體)。
在另一態樣中，描述一種方法。該方法包含藉由首先通過一MOSFET之一本體二極體且接著通過MOSFET接通狀態電阻之一電流增加該MOSFET之一源極上相對於該MOSFET之一汲極之一電壓。另外，該方法包含自一二極體之一正向電壓及該MOSFET接通狀態電阻降低電壓。該二極體之一陰極側連接至該MOSFET之該汲極。該方法亦包含當該二極體之該正向電壓與該MOSFET之該源極相對於該汲極之該電壓之間之一差小於一BJT之一基極-射極電壓時容許電流流動通過該二極體但不通過該BJT。該BJT之一基極連接至該二極體之一陽極側而該BJT之一射極連接至該MOSFET之該源極。該BJT之一集極連接至該MOSFET之一閘極。該方法進一步包含當該二極體之該正向電壓與該MOSFET之該源極相對於該汲極之該電壓之一總和大於或等於該基極-射極電壓時容許電流流動通過該BJT但非該二極體。
藉由視情況參考附圖閱讀以下詳細描述，一般技術者將變得明白此等以及其他態樣、優點及替代例。
100:控制電路
102:電壓源
106:位置點A
108:位置點B
110:接地
112:負載
120:第一電阻器
122:第二電阻器
130:二極體
140:雙極接面電晶體(BJT)
142:金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)
200:控制電路
230:二極體
240:雙極接面電晶體(BJT)
240B:基極
240C:集極
240E:射極
242:金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)
242G:閘極
300:控制電路
330:二極體
340:雙極接面電晶體(BJT)
340B:基極
340C:集極
340E:射極
342:金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)
342G:閘極
400:控制電路
432:第一肖特基二極體
434:第二肖特基二極體
500:電路
501:控制電路
502:電壓源
504:電壓源
506:位置點A
508:位置點B
509:點V0
524:第三電阻器
544:第二雙極接面電晶體(BJT)
546:第三雙極接面電晶體(BJT)
圖1描繪根據一例示性實施方案之用於同步整流之一控制 電路之一簡化電路圖。
圖2描繪根據一例示性實施方案之在一第一狀態中之用於同步整流之一控制電路之一簡化電路圖。
圖3描繪根據一例示性實施方案之在一第二狀態中之用於同步整流之一控制電路之一簡化電路圖。
圖4描繪根據一例示性實施方案之用於同步整流之一控制電路之一簡化電路圖。
圖5描繪根據一例示性實施方案之在一測試組態中之用於同步整流之一控制電路之一簡化電路圖。
圖6提供根據一例示性實施方案之為測試用於同步整流之一控制電路作準備之初始波形。
圖7提供根據一例示性實施方案之為測試用於同步整流之一控制電路作準備之一電路之同步整流器閘極信號及其汲極電流波形。
圖8提供根據一例示性實施方案之在連接用於同步整流之一控制電路之後之初始測試波形。
圖9提供根據一例示性實施方案之在連接用於同步整流之一控制電路之後之最終測試波形。
本文中描述例示性方法及系統。詞「實例」、「例示性」及「闡釋性」在本文中用於意謂「充當一實例、例項或圖解」。本文中描述為一「實例」、「例示性」或「闡釋性」之任何實施例或特徵不一定被理解為與其他實施例或特徵相比較佳或有利。本文中描述之例示性實施例不旨在為限制性。將容易理解，如本文中大體上描述且在圖中繪示之本發 明之態樣可以廣泛各種不同組態配置、取代、組合、分離及設計，本文中明確地預期該等組態之全部。
如上文介紹，如本文中揭示之一例示性控制電路感測在一MOSFET中流動通過跨MOSFET之汲極及源極連接之一BJT、二極體及電阻器網路之電流。MOSFET之源極接地以便更容易地驅動。
圖1繪示用於同步整流之一控制電路100。控制電路100包含一電壓源(VS)102、接地110、一負載112、一第一電阻器(R1)120、一第二電阻器(R2)122、一二極體(D1)130、一雙極接面電晶體(BJT)(Q1)140及一金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)(Q2)142。
如圖1中繪示，第一電阻器120及第二電阻器122可耦合至電壓源102。第一電阻器120亦可耦合至BJT 140之一基極及二極體130之一陽極側。第二電阻器122可耦合至BJT 140之一集極。MOSFET 142之一閘極可連接至BJT 140之集極及第二電阻器122，而MOSFET 142之一汲極連接至二極體130之一陰極側。MOSFET 142之一源極亦可耦合至BJT 140之一射極。又，MOSFET 142之源極可耦合至接地110，使得源極可更容易地驅動。
BJT 140及二極體130可取決於流動通過MOSFET 142之電流之一方向而進行切換。換言之，控制電路100之一切換動作容許電流在一單一方向上流動通過MOSFET 142(如在本文中進一步詳細提供)。在實例內，BJT 140係一NPN電晶體。再者，為了防止開關之過早關斷，可加偏壓於BJT 142使得一基極-射極正向電壓(VBEQ1)大於二極體130之一接通臨限值電壓。
圖2繪示在一第一狀態中之一控制電路200，而圖3繪示在 一第二狀態中之一控制電路300。圖2及圖3可表示圖1之一簡化版本以便更容易地表示控制電路100之第一狀態及第二狀態。圖2及圖3之第一狀態及第二狀態可在形式上類似，其等具有彼此(且與圖1)類似之組件但具有基於各在下文更詳細描述之獨有狀態特性之不同功能。在一些態樣中，分別為圖2及圖3之第一狀態及第二狀態可將一MOSFET之開關描繪為用於同步整流之一控制電路(諸如圖1之控制電路100)之部分，如本文中描述。
圖2之控制電路200及圖3之控制電路300可各在形式上類似於圖1之控制電路100。此外，控制電路200及控制電路300之組件可類似於在控制電路100內描述之組件。可在圖1、圖2與圖3之間針對類似組件使用類似元件符號，且可使用元件符號之變動以更特定地描述圖2或圖3之特定特徵或組件。然而，雖然可使用元件符號之變動，但在圖1、圖2及圖3中描述之組件之實體態樣可在形式及/或功能上類似。
如圖2中描繪，第一狀態可被視為一「高」狀態或條件。如圖2中展示，控制電路200包含電壓源(VS)102、接地110、負載112、第二電阻器(R2)122、一二極體(D1)230、一BJT(Q1)240、BJT 240之一基極240B、BJT 240之一集極240C、BJT 240之一射極240E、一MOSFET(Q2)242及MOSFET 242之一閘極242G。如描述，BJT 240、二極體230及MOSFET 242可類似於圖1內之BJT 140、二極體130及MOSFET 142，然而，不同地指示BJT 240、二極體230及MOSFET 242以便更特定地描述如本文中描述之各種電壓條件。
類似地，如圖3中描繪，控制電路300包含電壓源(VS)102、接地110、負載112、第二電阻器(R2)122、一二極體(D1)330、一BJT(Q1)340、BJT 340之一基極340B、BJT 340之一集極340C、BJT 340之一射極340E、一MOSFET(Q2)342及MOSFET 342之一閘極342G。如描述，BJT 340、二極體330及MOSFET 342可類似於圖1內之BJT 140、二極體130及MOSFET 142(及/或圖2中之對應組件)，然而，不同地指示BJT 340、二極體330及MOSFET 342以便更特定地描述如本文中描述之各種電壓條件。
在圖2之高狀態中，電流未流動通過BJT 240。最初，電流通過MOSFET 242之一本體二極體。電流將僅在此方向上流動達一非常短的時間量，例如，100奈秒。在該時間期間，所述電流流動將在MOSFET 242之一源極側上之位置點B 108處引入一較正電位。跨位置點A 106(在MOSFET 242之一汲極側上)及位置點B 108之電位(即，跨MOSFET 242之汲極-源極之電位)(VRDSon)將自二極體230之一正向電壓(Vf(D1))減去。當Vf(D1)與VRDSon之間之差小於BJT 240之一基極-射極電壓(VBE(Q1))(即，Vf(D1)-VRDSon<VBE(Q1))時，則BJT 240處於導致圖2中描繪之「高」狀態之一關斷狀態。隨著MOSFET 242接通，電流將立即通過接通狀態電阻(其係一低阻抗路徑)。電流之傳導將繼續，直至其達到零位準。
繼續參考圖3，第二狀態可被視為一「低」狀態或條件。當電流具有零量值或反向方向時，現在位置點A(MOSFET 342之汲極側)處將存在一較正電位。現在，跨位置點A及位置點B之電位(即，VRDSon)將與二極體330之正向電壓(VfD1)相加。因而，當Vf(D1)與VRDSon之一總和大於或等於BJT 340之基極-射極電壓(VBE(Q1))(即，Vf(D1)+VRDSon
Figure 108101669-A0305-02-0009-2
VBE(Q1))時，則二極體330經反向偏壓(即，電流不會流動通過二極體330)且BJT 340經偏壓，因此容許電流自集極340C流動至射極340E。因此，在MOSFET 342之一閘極處之偏壓經移除且防止額外電流流動。如圖2及 圖3中繪示，BJT及二極體可基於通過MOSFET之電流流動之一方向進行切換。控制電路之切換動作容許通過MOSFET之電流流動之一個方向，其繼而有效地使主動開關之接通與所要電流方向之傳導同步。
移動至圖4，圖4繪示一控制電路400之另一實施例。控制電路400可類似於圖1之控制電路100且包含圖1之控制電路100之全部組件且能夠如分別為圖2及圖3之控制電路200及控制電路300中描述般操作。另外，控制電路400可包含一或多個額外組件。如繪示，圖4之控制電路400亦包含一第一肖特基二極體(D2)432及一第二肖特基二極體(D3)434。雖然在圖4中描繪第一肖特基二極體432及一第二肖特基二極體434兩者，但經良好考量，可不需要兩者且組件之一者可經包含且操作而無關於另一組件是否亦已包含於一特定實施例內。
第一肖特基二極體432可定位於控制電路400中使得第一肖特基二極體432之一陽極側可連接至第一電阻器120、BJT 140之基極及二極體130之陽極側。此外，第一肖特基二極體432之一陰極側可連接至第二電阻器122、BJT 140之集極且至MOSFET 142之閘極。換言之，第一肖特基二極體432可跨BJT 140之基極-集極安裝(即，一貝克夾箝)。第一肖特基二極體432之添加可改良閘極驅動電路之切換回應。
在另一實例中，控制電路400亦可包含第二肖特基二極體434。第二肖特基二極體434之一陽極側可耦合至BJT 140之射極。第二肖特基二極體434之一陰極側可耦合至MOSFET 142之源極。換言之，第二肖特基二極體434可安裝於BJT 140與MOSFET 142之間。第二肖特基二極體434之添加可將臨限值電壓添加至電路400以便加偏壓於BJT 140，使得BJT 140之基極-射極正向電壓高於二極體130之接通臨限值(如上文描 述)。
在實施例內，所描述之控制電路可實施為一方法。在一個實例中，一方法可包含藉由通過一MOSFET之一本體二極體之一電流增加MOSFET之一源極上相對於MOSFET之一汲極之一電壓(即，VRDSon)。方法亦可包含降低一二極體之一正向電壓(Vf_D)。在此一實例中，二極體之一陰極側可連接至MOSFET之汲極。再者，方法可包含一些條件。例如，當Vf_D與VRDSon之間之一差小於一雙極接面電晶體(BJT)之一基極-射極電壓(VBE_BJT)時，電流可不流動通過BJT但電流可流動通過二極體。在此一實例中，BJT之一基極可連接至二極體之一陽極側。方法亦可包含當Vf_D與VRDSon之一總和大於或等於VBE_BJT時，容許電流流動通過BJT，不容許電流通過二極體。
使用如上文描述之用於同步整流之一例示性控制電路進行測試。圖5繪示在一測試組態中之用於同步整流之一控制電路501之一簡化電路圖，而圖6至圖9提供在所述測試期間進行之步驟之結果。
圖5繪示經設計以測試用於同步整流之控制電路501之一電路500之一示意圖。控制電路501可在形式及功能上類似於本文中先前描述之控制電路及組件。再者，控制電路501可包含在本文中描述之任何類似控制電路中描述之組件。除了先前描述之組件之外，電路500亦包含一電壓源(SYNC_VREG)502、另一電壓源(SVCC)504、接地110、一第三電阻器(R3)524、一第二BJT(Q3)544及一第三BJT(Q4)546。
如測試，控制電路501經施加至一DC-DC返馳區段之二次側。關於在測試電路500中使用之各種組件之描述包含：
Figure 108101669-A0305-02-0012-1
控制電路501首先經組裝於一單獨外部PCB上。第一，位置點A 506連接至MOSFET 142之汲極且位置點B 508連接至MOSFET 142之源極用於感測。第二，第一電阻器120及第二電阻器122連接至電壓供應器502。當使用二次電流測試信號同步性時，點V0 509未經端接。
隨著在測試期間採取步驟，在下文描述圖6至圖9之各者。一般言之，圖6及圖7係在連接控制電路501用於測試以便建立一些基線之前之一原始電路。圖6提供在檢查同步性且判定組件值時之初始波形。如圖6中展示，Ch.1係用於檢查二極體130之電壓應力及狀態之跨二極體130之電壓。Ch.2係用於使用二次電流檢查同步之在點V0 509處之電壓。Ch.4係返馳二次電流。
繼續圖7，圖7提供電路之原始同步整流器閘極信號及其汲極電流波形。Ch.2係在MOSFET 142之閘極處之電壓。Ch.4保持為返馳二次電流。
在此刻，電路500仍使用一原始同步整流器控制器且其信號在最佳化測試電路500之值及組件時被用作參考。若不存在控制器，則可使用一MOSFET之本體二極體，只要閘極接地以防止不需要的偏壓以使 轉換器保持工作且獲取一二次電流參考。
當達成點V0 509與二次電流之間之同步性且判定組件之值時，原始電路經移除且由控制電路501替換。點V0 509現連接至圖騰柱閘極驅動器。完成用於進一步檢查及調整之額外步驟以最佳化閘極信號。
繼續圖8，圖8提供在將所提出電路之點V0連接至圖騰柱驅動器之後之初始波形。Ch.1係用於檢查BJT 140之電壓應力及狀態之跨BJT 140之基極-射極之電壓。Ch.2係用於使用二次電流檢查同步之在點V0 509處之電壓。Ch.4係返馳二次電流。
圖9提供最終測試波形：在於最佳化之後應用至原始同步整流器時測試電路501之閘極信號。圖9指示閘極信號與二次電流之傳導之間之適當同步。Ch.2係在MOSFET 142處之電壓。Ch.4係返馳二次電流。
因而，且在執行初始測試之後，判定所提出控制電路501可將自驅動類型之控制有效地提供至用作一同步整流器之一電源開關。
結論
本發明不相對於本申請案中描述之特定實施方案受限制，該等實施方案旨在作為各種態樣之圖解。如熟習此項技術者將明白，可進行許多修改及變動而不脫離其範疇。除了本文中列舉之方法及裝置之外，熟習此項技術者將自前述描述明白在本發明之範疇內之功能上等效方法及裝置。此等修改及變動旨在落於隨附發明申請專利範圍之範疇內。
上文之詳細描述參考附圖描述所揭示系統、裝置及方法之各種特徵及功能。在本文中且在圖中描述之例示性實施方案不旨在為限制性。可利用其他實施方案，且可進行其他改變而不脫離本文中呈現之標的 物之範疇。將容易理解，如本文中大體上描述且在圖中繪示之本發明之態樣可以廣泛各種不同組態配置、取代、組合、分離及設計，本文中明確地預期該等組態之全部。
100:控制電路
102:電壓源
106:位置點A
108:位置點B
110:接地
112:負載
120:第一電阻器
122:第二電阻器
130:二極體
140:雙極接面電晶體(BJT)
142:金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)

Claims (10)

  1. 一種控制電路，其包括：一電壓源；一第一電阻器，其耦合至該電壓源；一第二電阻器，其耦合至該電壓源；一二極體，其中該二極體之一陽極側耦合至該第一電阻器；一金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，其中該MOSFET之一汲極耦合至該二極體之一陰極側，該MOSFET之一閘極耦合至該第二電阻器；及一雙極接面電晶體(BJT)，其中該BJT之一集極耦合至該第二電阻器及該MOSFET之該閘極，該BJT之一基極耦合至該第一電阻器及該二極體之該陽極側，且該BJT之一射極耦合至該MOSFET之一源極；及一肖特基二極體，其中該肖特基二極體之一陽極側耦合至該第一電阻器、該BJT之該基極及該二極體之該陽極側，且進一步其中該肖特基二極體之一陰極側耦合至該第二電阻器、該BJT之該集極及該MOSFET之該閘極。
  2. 如請求項1之控制電路，其中該BJT係一NPN電晶體。
  3. 如請求項1之控制電路，其中該BJT之一基極-射極電壓大於該二極體之一接通臨限值。
  4. 如請求項1之控制電路，其進一步包括：一肖特基二極體，其中該肖特基二極體之一陽極側耦合至該BJT之該射極，且進一步其中該肖特基二極體之一陰極側耦合至該MOSFET之該源極。
  5. 如請求項1之控制電路，其中該控制電路之一切換動作容許電流在一單一方向上流動通過該MOSFET。
  6. 如請求項1之控制電路，其中該MOSFET係一開關，進一步其中該開關之接通與一電流方向之一傳導同步。
  7. 如請求項1之控制電路，其中該BJT及該二極體基於流動通過該MOSFET之電流之一方向進行切換。
  8. 一種用於操作一控制電路之方法，其包括：藉由首先通過一金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之一本體二極體少於100奈秒且接著通過一MOSFET接通狀態電阻之一電流，增加相對於該MOSFET之一汲極的該MOSFET之一源極上之一電壓(VRDSon)；自一二極體之一正向電壓(Vf_D)及該VRDSon降低電壓，其中該二極體之一陰極側耦合至該MOSFET之該汲極；當該Vf_D與該VRDSon之間之一差小於一雙極接面電晶體(BJT)之一基極-射極電壓(VBE_BJT)時，其中該BJT之一射極耦合至該MOSFET之該源極，該BJT之一基極耦合至該二極體之一陽極側且該BJT之一集極連接至 該MOSFET之一閘極，不容許電流流動通過該BJT且容許電流流動通過該二極體；及當該Vf_D與該VRDSon之一總和大於或等於VBE_BJT時，容許電流流動通過該BJT且不容許電流流動通過該二極體。
  9. 如請求項8之方法，其進一步包括跨該BJT之該基極及該BJT之一集極耦合一肖特基二極體。
  10. 如請求項8之方法，其進一步包括藉由將一肖特基二極體之一陽極側耦合至該BJT之該射極且將該肖特基二極體之一陰極側耦合至該MOSFET之該源極而增加該二極體之一接通臨限值。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6469564B1 (en) * 1998-04-14 2002-10-22 Minebea Co., Ltd. Circuit simulating a diode
EP2003768A2 (en) * 2007-06-14 2008-12-17 Samsung Electronics Co., Ltd. Synchronous rectifier circuit and multi-output power supply device using the same
TW201012062A (en) * 2008-09-12 2010-03-16 Glacialtech Inc Unidirectional MOSFET and applications thereof
US20130076406A1 (en) * 2011-09-23 2013-03-28 Ming Xu Isolated gate driver adapted for pwm-based switching power supply
WO2015065592A1 (en) * 2013-11-01 2015-05-07 Dialog Semiconductor Inc. Adaptive synchronous rectifier control
US9219416B2 (en) * 2013-11-30 2015-12-22 Ixys Corporation Buck converter having self-driven BJT synchronous rectifier

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5303138A (en) 1993-04-29 1994-04-12 At&T Bell Laboratories Low loss synchronous rectifier for application to clamped-mode power converters
US5693447A (en) 1995-02-17 1997-12-02 Konica Corporation Image forming material, method of preparing the same and image forming method employing the same
US6060943A (en) * 1998-04-14 2000-05-09 Nmb (Usa) Inc. Circuit simulating a diode
US6377477B1 (en) 1999-07-16 2002-04-23 University Of Hong Kong Self-driven synchronous rectifier by retention of gate charge
CN1101989C (zh) 1999-12-27 2003-02-19 艾默生网络能源有限公司 Dc/dc变换器的自驱动电路
CN1108011C (zh) 1999-12-30 2003-05-07 艾默生网络能源有限公司 Dc/dc变换器的自驱动电路
CN1144346C (zh) 2000-08-17 2004-03-31 伊博电源（杭州）有限公司 同步整流管的自驱动电路
CN1177402C (zh) 2002-01-01 2004-11-24 艾默生网络能源有限公司 直流／直流变换器同步整流驱动电路及驱动方法
US6563719B1 (en) 2002-04-09 2003-05-13 Bel-Fuse, Inc. Self-driven synchronous rectification scheme
CN1228909C (zh) 2003-01-06 2005-11-23 艾默生网络能源有限公司 用于直流变换器的同步整流驱动电路
CN100405724C (zh) 2004-03-15 2008-07-23 艾默生网络能源有限公司 谐振复位正激变换器的同步整流自驱电路
CN100474749C (zh) 2005-11-09 2009-04-01 艾默生网络能源有限公司 Dc/dc变换器同步整流箝位驱动电路
US7636011B2 (en) * 2006-07-27 2009-12-22 Artesyn Technologies, Inc. Controller for ORing field effect transistor
US9621020B2 (en) * 2008-05-16 2017-04-11 Astec International Limited Control circuits and methods for controlling switching devices
US8207779B2 (en) * 2008-05-16 2012-06-26 Astec International Limited Control circuits and methods for controlling switching devices
CN102217181B (zh) * 2008-11-14 2014-09-03 伟创力国际美国公司 用于同步整流器的驱动器以及采用该驱动器的功率转换器
CN102545868A (zh) * 2011-12-28 2012-07-04 华为技术有限公司 一种ORing Fet阻断电路及电源系统

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6469564B1 (en) * 1998-04-14 2002-10-22 Minebea Co., Ltd. Circuit simulating a diode
EP2003768A2 (en) * 2007-06-14 2008-12-17 Samsung Electronics Co., Ltd. Synchronous rectifier circuit and multi-output power supply device using the same
TW201012062A (en) * 2008-09-12 2010-03-16 Glacialtech Inc Unidirectional MOSFET and applications thereof
US20130076406A1 (en) * 2011-09-23 2013-03-28 Ming Xu Isolated gate driver adapted for pwm-based switching power supply
WO2015065592A1 (en) * 2013-11-01 2015-05-07 Dialog Semiconductor Inc. Adaptive synchronous rectifier control
US9219416B2 (en) * 2013-11-30 2015-12-22 Ixys Corporation Buck converter having self-driven BJT synchronous rectifier

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