TWI787914B - 同步整流控制器與相關之充電方法 - Google Patents

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Abstract

本發明實施例提供一種對於一同步整流控制器之一操作電源的充電方法。該操作電源可供電該同步整流控制器。該同步整流控制器依據一同步整流開關之一通道訊號，開關該同步整流開關，以產生數個同步開關開啟時間以及數個同步開關關閉時間。該充電方法包含有：偵測該通道訊號是否於一第一同步開關關閉時間中震盪，並產生一震盪紀錄；以及，依據該震盪紀錄，於一第二同步開關關閉時間內，取用使該通道訊號震盪的諧振能量，對該操作電源充電。該第二同步開關關閉時間晚於該第一同步開關關閉時間。

Description

同步整流控制器與相關之充電方法
本發明大致係關於同步整流控制器，尤指針對同步整流控制器的操作電源充電的裝置與控制方法。
在電源管理中，同步整流是一個非常受歡迎的技術。同步整流採用一同步整流開關以及一同步整流控制器這樣的組合，可以模擬並取代一個流經大電流的二極體，來減少該二極體的固定之順向電壓(forward voltage)所造成可觀的功率損耗。
圖1顯示交流轉直流的一電源供應器(AC-to-DC power supply)10。變壓器TF具有主繞組LP與二次側繞組LS，分別位於相隔離的一次側(primary side)與二次側(secondary side)。
在一次側，橋式整流器12對交流電輸入電源提供全波整流，在輸入電源線IN提供輸入電壓源VIN，輸入接地線26提供輸入地。功率控制器13提供PWM訊號SPRI，控制功率開關N1，改變流經主繞組LP的電流與跨在主繞組LP的電壓。
在二次側，相對於主繞組LP的電壓/電流變化，二次側繞組LS產生感應電壓/感應電流。透過偵測端DET與偵測電阻RC，同步整流控制 器14偵測同步整流開關SWSR的通道訊號VD，據以提供同步訊號SSEC，控制同步整流開關SWSR。基本上，同步整流控制器14可使得二次側電流ISEC大約都為正值，來對輸出電容17充電，建立起輸出電源VOUT，對負載16供電。在二次側，電源電容30上跨有操作電源VCC，用以提供同步整流控制器14操作所需要的電能。
圖2A與圖2B顯示圖1之電源供應器分別操作於不連續導通模式(discontinuous-conduction mode，DCM)與連續導通模式(continuous-conduction mode，CCM)時的PWM訊號SPRI與通道訊號VD的波型。圖2A中顯示，在PWM訊號SPRI關閉了功率開關N1後的解磁時間TDMG內，通道訊號VD從一個負值，漸漸的變為0V。這意味著流經變壓器TF的電流完全歸零，因此此操作模式稱為DCM。解磁時間TDMG之後，因為寄生電容與變壓器TF之繞組所構成的LC震盪電路，通道訊號VD維持震盪，直到功率開關N1的下一個開啟時間TON-P開始。在圖2B中，解磁時間TDMG在通道訊號VD還沒有到0V，也就是變壓器TF的電流沒有完全歸零時，就被開啟時間TON-P的開始而被迫結束。所以此操作模式稱為CCM。
圖2A與2B中都特別標註一種特別狀況：操作電源VCC是高於輸出電源VOUT。也就是說，輸出電源VOUT無法降壓來直接對電源電容30充電。操作電源VCC必須想辦法補充能量，否則會隨著同步整流控制器14的運作而耗盡。
一種圖1中對於電源電容30充電的方法，是在圖2A或是圖2B中的功率開關N1之開啟時間TON-P內，開啟同步整流控制器14中的線性穩壓器(low dropout，LDO)(未顯示)，從高壓供電端HVR抽電流，對連接到 電源端VCC的操作電源VCC充電。只是，如同圖2A與2B所示，在開啟時間TON-P時，高壓供電端HVR上的通道訊號VD高過操作電源VCC非常多，所以LDO將會消耗可觀的電能。尤其在負載16為無載或是輕載時，會大幅降低電源供應器10的電能轉換效率。
本發明實施例提供一種對於一同步整流控制器之一操作電源的充電方法。該操作電源可供電該同步整流控制器。該同步整流控制器依據一同步整流開關之一通道訊號，開關該同步整流開關，以產生數個同步開關開啟時間以及數個同步開關關閉時間。該充電方法包含有：偵測該通道訊號是否於一第一同步開關關閉時間中震盪，並產生一震盪紀錄；以及，依據該震盪紀錄，於一第二同步開關關閉時間內，取用使該通道訊號震盪的諧振能量，對該操作電源充電。該第二同步開關關閉時間晚於該第一同步開關關閉時間。
本發明實施例提供一種同步整流控制器，可由一電源電容上之一操作電源供電，用以控制一同步整流開關。該同步整流控制器包含有一開關控制器、一充電開關、一震盪偵測器、以及一充電時間設定器。依據該同步整流開關之一通道訊號，該開關控制器開關該同步整流開關，以產生數個同步開關開啟時間以及數個同步開關關閉時間。該充電開關，在開啟時，可提供一充電路徑。該震盪偵測器偵測該通道訊號是否於一第一同步開關關閉時間中震盪，並提供一震盪紀錄。當該震盪紀錄指示該通道訊號震盪時，該充電時間設定器於一第二同步開關關閉時間內，開啟該充電開關，使該通道訊號震盪的諧振能量，透過該充電路徑，對該操作電源 充電。該第二同步開關關閉時間晚於該第一同步開關關閉時間。
10:電源供應器
12:橋式整流器
13:功率控制器
14:同步整流控制器
16:負載
17:輸出電容
26:輸入接地線
28:輸出接地線
30:電源電容
100:同步整流控制器
102:定電流電路
104、106:充電開關
107:邏輯閘
108:震盪偵測器
110:比較器
112:充電時間設定器
120:開關控制器
130:比較器
132:關閉時間紀錄器
134:選擇器
136:定電流源
138:開關
140:比較器
600:控制方法
602、604、606:步驟
CNT:信號
CSA:電容
CSP:取樣電容
DF1、DF2、DF3:D正反器
DET:偵測端
HVR:高壓供電端
IN:輸入電源線
ISEC:二次側電流
LP:主繞組
LS:二次側繞組
MOD:震盪紀錄
N1:功率開關
PK:區域
PTH:充電路徑
R1、R2:分壓電阻
RC:偵測電阻
SAV:訊號
SON1、SON2:短脈衝
SPRI:PWM訊號
SR-OFF1、SR-OFF2:同步開關關閉時間
SR-ON1、SR-ON2:同步開關開啟時間
SSEC、SDRV:同步訊號
SWSR:同步整流開關
TDMG:解磁時間
TF:變壓器
TON-P:開啟時間
TSAV:充電時段
TSR-OFF:同步開關關閉時間
TSR-ON:同步開關開啟時間
VCC:操作電源
VCC:電源端
VD:通道訊號
VIN:輸入電壓源
VD-OFF、VREC、VRAT:電壓
VOUT:輸出電源
VREF-CC:參考電壓
VRES-OS:參考電壓
圖1顯示交流轉直流的一電源供應器10。
圖2A與圖2B顯示圖1之電源供應器分別操作於不連續導通模式與連續導通模式時的PWM訊號SPRI與通道訊號VD的波型。
圖3顯示依據本發明所實施的同步整流控制器100。
圖4為適用於同步整流控制器100的控制方法600。
圖5為圖1之交流轉直流電源供應器10採用同步整流控制器100時的一些信號波型。
圖6舉例顯示震盪偵測器108。
圖7舉例顯示充電時間設定器112。
圖8大致相似圖5，但增加了圖6與圖7中的信號CNT、震盪紀錄MOD、電壓VD-OFF、VREC、VRAT、與訊號SAV之信號波型。
在本說明書中，有一些相同的符號，其表示具有相同或是類似之結構、功能、原理的元件，且為業界具有一般知識能力者可以依據本說明書之教導而推知。為說明書之簡潔度考量，相同之符號的元件將不再重述。
本發明的一實施例為適用於一同步整流控制器的一充電方法。該同步整流控制器適用於一電源供應器。該同步整流控制器依據一同步整流開關之一通道訊號，開關該同步整流開關，以產生數個同步開關開 啟時間以及數個同步開關關閉時間。該充電方法包含有偵測該通道訊號是否於一第一同步開關關閉時間中震盪，並產生一震盪紀錄。依據該震盪紀錄，在該第一同步開關關閉時間之後的一第二同步開關關閉時間內，取用使該通道訊號震盪的諧振能量，對該操作電源充電。
在一實施例中，該充電方法先確認該電源供應器當下是否操作於DCM。如果是的話，就在下一個同步開關關閉時間中，大約於該通道訊號產生一峰值時，取用該諧振能量，對該操作電源充電。
本發明的一實施例為一種同步整流控制器，可由一電源電容上之一操作電源供電，用以控制一同步整流開關，該同步整流控制器包含有一開關控制器、一充電開關、一震盪偵測器、以及一充電時間設定器。該開關控制器依據該同步整流開關之一通道訊號，開關該同步整流開關，以產生數個同步開關開啟時間以及數個同步開關關閉時間。該充電開關可提供一充電路徑。該震盪偵測器偵測該通道訊號是否於一第一同步開關關閉時間中震盪，並提供一震盪紀錄。該充電時間設定器於晚於該第一同步開關關閉時間的一第二同步開關關閉時間內，開啟該充電開關，使該通道訊號震盪的諧振能量，透過該充電路徑，對該操作電源充電。
在一實施例中，該震盪偵測器偵測該同步整流控制器所在的一電源供應器當下是否操作於DCM。如果是操作於DCM的話，該充電時間設定器就在該第二同步開關關閉時間中的一充電時段，開啟該充電開關，使得大約於該通道訊號產生一峰值時，讓該諧振能量對該操作電源充電。
請同時參閱圖3、圖4與圖5。圖3顯示依據本發明所實施的同步整流控制器100，在實施例中，可以取代圖1中的同步整流控制器14。圖4 為適用於同步整流控制器100的控制方法600。圖5為圖1之交流轉直流電源供應器10採用同步整流控制器100時的一些信號波型。
如同圖3所示，同步整流控制器100具有開關控制器120、震盪偵測器108、充電開關104、充電時間設定器112、比較器110、與充電開關106。
開關控制器120偵測同步整流開關SWSR的通道訊號VD，據以提供同步訊號SSEC，控制同步整流開關SWSR。舉例來說，當通道訊號VD為正，大於輸出接地線28的輸出地電壓(在二次側視為0V)時，開關控制器120使得同步訊號SSEC/SDRV為邏輯上的0，關閉同步整流開關SWSR。相反的，當通道訊號VD為負，小於輸出接地線28的輸出地電壓時，開關控制器120使得同步訊號SSEC/SDRV為邏輯上的1，開啟同步整流開關SWSR。同步整流開關SWSR開啟時，為同步開關開啟時間TSR-ON，當時同步整流開關SWSR提供相當小的導通電阻，大致短路通道訊號VD至輸出接地線28；同步整流開關SWSR關閉時，為同步開關關閉時間TSR-OFF，當時同步整流開關SWSR大致隔絕通道訊號VD與輸出接地線28。同步訊號SSEC與SDRV可以視為具有相同邏輯值的信號。在一些實施例中，同步訊號SSEC可能具有變動的電壓或是電流，用來驅動同步整流開關SWSR；而同步訊號SDRV是用於同步整流控制器100內部控制，具有固定數位電壓準位。如同圖5所示，隨著PWM訊號SPRI造成了主繞組LP的電壓/電流變化，開關控制器120便根據通道訊號VD，提供同步訊號SSEC開關同步整流開關SWSR，可以產生數個同步開關開啟時間SR-ON1、SR-ON2等等，與同步開關關閉時間SR-OFF1、SR-OFF2等等。每個同步開關開啟時間介於兩個同步開關關閉時間，每個同步開關關閉時間 介於兩個同步開關開啟時間。
震盪偵測器108可以執行圖4中的步驟602，偵測通道訊號VD是否於一同步開關關閉時間TSR-OFF中震盪，並提供震盪紀錄MOD。震盪偵測器108稍後將會舉例細部說明。圖5顯示了在同步開關關閉時間SR-OFF1中，通道訊號VD明顯的有震盪，因此，當同步開關關閉時間SR-OFF1結束時，震盪偵測器108會使得震盪紀錄MOD為邏輯上的1。如果震盪偵測器108沒有確定通道訊號VD於一同步開關關閉時間TSR-OFF中有震盪，那震盪紀錄MOD將會是邏輯上的0。
充電開關104與106串接在一起。當充電開關104與106都開啟時，可以提供充電路徑PTH，讓通道訊號VD，沿著充電路徑PTH，經過高壓供電端HVR、定電流電路102、與充電開關104與106，對連接到電源端VCC的操作電源VCC充電。
充電時間設定器112可以實現圖4中的步驟604，紀錄一同步開關關閉時間TSR-OFF的時間長度，並依據該時間長度而產生訊號SAV，來指出下一個同步開關關閉時間TSR-OFF內的充電時段TSAV。充電時間設定器112將會舉例細部說明。在圖5中，同步開關關閉時間SR-OFF2內的充電時段TSAV大致與同步開關關閉時間SR-OFF2一起開始，而充電時段TSAV的長度依據同步開關關閉時間SR-OFF1而決定。舉例來說，圖5中的充電時段TSAV大約是同步開關關閉時間SR-OFF1的一半。
震盪偵測器108、充電時間設定器112與及邏輯閘(And gate)107可以實現圖4中的步驟606。當震盪紀錄MOD為邏輯上的1時，充電時間設定器112在充電時段TSAV內開啟充電開關104，可以用通道訊號VD震盪的 諧振能量，透過充電路徑PTH，對操作電源VCC充電，直到操作電源VCC的電壓達參考電壓VREF-CC為止。如同圖5所示，因為同步開關關閉時間SR-OFF1內通道訊號VD有震盪，所以在同步開關關閉時間SR-OFF2的充電時段TSAV，通道訊號VD的諧振能量可以對操作電源VCC充電。圖5中的區域PK中，顯示了原本通道訊號VD震盪該出現的波峰被削減，因為通道訊號VD超過操作電源VCC，開始對操作電源VCC充電。圖5也顯示，同步開關關閉時間SR-OFF2的震盪幅度，明顯的比同步開關關閉時間SR-OFF1的震盪幅度小，因為部分通道訊號VD的諧振能量，在區域PK出現時，已經被取用來對操作電源VCC充電。
圖6舉例顯示震盪偵測器108，其具有比較器130、D正反器DF1、DF2、DF3，彼此的連接如同圖中所示。圖7舉例顯示充電時間設定器112。圖8大致相似圖5，但增加了圖6與圖7中的信號CNT、震盪紀錄MOD、電壓VD-OFF、VREC、VRAT、與訊號SAV之信號波型。
圖6僅僅用來舉例說明，並非用來限制本發明。在其他實施例中，震盪偵測器108可能採用不同於圖6中的做法，來偵測在一同步開關關閉時間TSR-OFF內，通道訊號VD是否有震盪。請同時參照圖6與圖8。簡單的說，圖6中的震盪偵測器108偵測通道訊號VD在一同步開關關閉時間TSR-OFF內，是否有爬升交越過參考電壓VRES-OS兩次。D正反器DF1與DF2作為平移紀錄器(shift register)，當比較器130的輸出有兩次上升緣(rising edge)時，信號CNT才會為邏輯上的1，如同圖8所示。當同步訊號SSEC/SDRV由邏輯上的0轉為1時，D正反器DF3複製信號CNT，來產生震盪紀錄MOD，同時D正反器DF1與DF2被重置(reset)，如同圖8所示。通道訊號VD在一同 步開關關閉時間TSR-OFF內，如果爬升交越過參考電壓VRES-OS兩次或以上，意味著當下交流轉直流電源供應器10一定操作於DCM。如果爬升交越過參考電壓VRES-OS一次，意味著當下交流轉直流電源供應器10可能操作於DCM或是CCM。因此，圖6中，當震盪紀錄MOD為邏輯上的1時，表示在上一個同步開關關閉時間TSR-OFF內，交流轉直流電源供應器10確定操作於DCM，通道訊號VD有震盪。
圖7舉例顯示充電時間設定器112。圖7僅僅用來舉例說明，並非用來限制本發明。在其他實施例中，充電時間設定器112可能採用不同於圖7中的做法，在一同步開關關閉時間TSR-OFF內，設定充電時段TSAV。圖7的充電時間設定器112包含有關閉時間紀錄器132、選擇器134、與分壓電阻R1與R2。
請同時參照圖7與圖8。當同步開關關閉時間TSR-OFF一開始時，電壓VD-OFF大約為0V。隨著一同步開關關閉時間TSR-OFF的持續，定電流源136持續對電容CSA充電，所以電壓VD-OFF可以大約表示當下同步開關關閉時間TSR-OFF的時間長度。當同步開關關閉時間TSR-OFF結束後，短脈衝SON1使得取樣電容CSP先對電壓VD-OFF取樣持守(Sample/hold)而產生電壓VREC，然後短脈衝SON2使得電壓VD-OFF被開關138重置為0V。因此，電壓VD-OFF大致具有三角波波形，而取樣電容CSP上的電壓VREC紀錄了三角波的波峰。電壓VREC等同紀錄了上一個同步開關關閉時間TSR-OFF的時間長度，如同圖8所示。電阻R1與R2分壓電壓VREC來產生電壓VRAT。舉例來說，電壓VRAT固定為電壓VREC的1/2，如同圖8舉例所示。
選擇器134中，比較器140比較電壓VRAT與電壓VD-OFF，在一 同步開關關閉時間TSR-OFF內，產生訊號SAV。充電時段TSAV為訊號SAV在邏輯1的時段，如同圖8所示。因此，充電時段TSAV所定義的充電時間，或是充電時段TSAV的長度，大約會跟先前同步開關關閉時間TSR-OFF的時間長度，具有一固定關係。舉例來說，圖8中，同步開關關閉時間SR-OFF2之充電時段TSAV，大約就是同步開關關閉時間SR-OFF1的時間長度的一半。
一般而言，通道訊號VD的諧振能量往往是隨著時間流逝，被LC震盪電路中的寄生電阻給自然消耗掉。而依據本發明所實施的一電源供應器，可以取用這樣的諧振能量，適時地對一同步整流控制器的一操作電源充電，維持其電壓準位。因此，本發明的實施例可能可以得到比較好的轉換效能。
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。
30:電源電容
100:同步整流控制器
102:定電流電路
104、106:充電開關
107:邏輯閘
108:震盪偵測器
110:比較器
112:充電時間設定器
120:開關控制器
130:比較器
DET:偵測端
HVR:高壓供電端
MOD:震盪紀錄
PTH:充電路徑
RC:偵測電阻
SAV:訊號
SSEC、SDRV:同步訊號
VCC:操作電源
VCC:電源端
VD:通道訊號
VREF-CC:參考電壓

Claims (10)

  1. 一種對於一同步整流控制器之一操作電源的充電方法，該操作電源可供電該同步整流控制器，該同步整流控制器依據一同步整流開關之一通道訊號，開關該同步整流開關，以產生數個同步開關開啟時間以及數個同步開關關閉時間，該充電方法包含有：偵測該通道訊號是否於一第一同步開關關閉時間中震盪，並產生一震盪紀錄；以及依據該震盪紀錄，於一第二同步開關關閉時間內，取用使該通道訊號震盪的諧振能量，對該操作電源充電；其中，該第二同步開關關閉時間晚於該第一同步開關關閉時間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之充電方法，另包含有：紀錄該第一同步開關關閉時間的一時間長度；以及於該第二同步開關關閉時間內的一充電時段，取用該諧振能量，對該操作電源充電；其中，該充電時段係依據該時間長度而決定。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之充電方法，其中，該充電時段的一充電時間，比例於該時間長度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之充電方法，包含有：偵測該通道訊號於該第一同步開關關閉時間中是否交越一預設參考電壓達一預設次數，來產生該震盪紀錄。
  5. 一種同步整流控制器，可由一電源電容上之一操作電源供電，用以控制一同步整流開關，該同步整流控制器包含有： 一開關控制器，依據該同步整流開關之一通道訊號，開關該同步整流開關，以產生數個同步開關開啟時間以及數個同步開關關閉時間；一充電開關，開啟時，可提供一充電路徑；一震盪偵測器，偵測該通道訊號是否於一第一同步開關關閉時間中震盪，並提供一震盪紀錄；以及一充電時間設定器，當該震盪紀錄指示該通道訊號震盪時，該充電時間設定器於一第二同步開關關閉時間內，開啟該充電開關，使該通道訊號震盪的諧振能量，透過該充電路徑，對該操作電源充電；其中，該第二同步開關關閉時間晚於該第一同步開關關閉時間。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之同步整流控制器，其中，該震盪偵測器偵測該通道訊號於該第一同步開關關閉時間中是否交越一預設參考電壓達一預設次數，來提供該震盪紀錄。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之同步整流控制器，其中，該震盪偵測器偵測該通道訊號於該第一同步開關關閉時間中是否超過該預設參考電壓達兩次數，來提供該震盪紀錄。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之同步整流控制器，其中，該充電時間設定器包含有：一關閉時間紀錄器，紀錄該第一同步開關關閉時間的一時間長度；以及一選擇器，依據該時間長度而決定該第二同步開關關閉時間內的一充電時段，且於該充電時段內，開啟該充電開關。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之同步整流控制器，其中，該充電時段的一 充電時間，與該時間長度具有一固定關係。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之同步整流控制器，其中，該開關控制器於該通道訊號為一第一極性時，開啟該同步整流開關，產生該等同步開關開啟時間其中之一；以及，該開關控制器於該通道訊號為相反於該第一極性之一第二極性時，關閉該同步整流開關，產生該等同步開關關閉時間其中之一。
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