TWI839138B - 同步整流控制系統 - Google Patents
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Abstract
一種同步整流控制系統，應用於一電源轉換電路，該電源轉換電路係至少包含有一主要MOS元件及一同步整流MOS元件，該同步整流控制系統係包含一控制器、一延時器、一同步整流偵測驅動器及一信號隔離器，該同步整流偵測驅動器偵測電流在不連續電流時，則驅動該同步整流MOS元件進行開啟/關閉，在連續電流時驅動，則驅動該同步整流MOS元件進行開啟，並於該同步整流偵測驅動器接收該控制器送出之PWM驅動訊號後，則驅動該同步整流MOS元件進行關閉。
Description
本發明是有關一種同步整流控制系統，特別是一種結合電流偵測與時序直接驅動之同步整流控制，其中經隔離器加同步偵測驅動不同的MOS元件更可以作於不同電位之應用。
一般的電源轉換器大多採用功率二極體整流方法，然而對於低輸出電壓高電流的電源轉換器，往往在整流二極體上產生很大的熱及功率損失，因而使效率下降。
由於金氧半場效電晶體(MOSFET)製程能力的提升，陸續研發量產高功率低導通電阻的MOSFET，使切換式電源轉換器轉換效率能大幅度的提升，不過MOSFET為電壓驅動控制元件，當轉換器工作於不連續電流模式時，會產生逆流問題而造成輕載或空載時增加功率損耗，而造成能源的浪費。
以返馳式轉換器來講，一般會搭同步整流控制IC來偵測流經該金氧半場效電晶體(MOSFET)之電流，以進行控制兩個金氧半場效電晶體(MOSFET)的啟動與關閉，用以避免兩個金氧半場效電晶體(MOSFET)同時導通，然而此一方法大多用於不連續電流模式，若是連續電流模式，其同步整流運作將會相對不穩定。
而對於連續電流模式，如順向式轉換器來講，則會使用時序法來
進行控制控制兩個金氧半場效電晶體(MOSFET)的啟動與關閉，用以避免兩個金氧半場效電晶體(MOSFET)同時導通。
然而上述兩種方法，往往都需要使用不同的同步整流控制電路，而無法一致性通用，因此本發明結合了電流偵測與時序法，開發出一種同步整流控制系統，能夠通用於連續電流模式或是不連續電流模式之電源轉換電路上，故將可應用於不同種類的電源架構中使用，因此，本案應為一最佳解決方案。
本發明同步整流控制系統，係應用於一電源轉換電路，該電源轉換電路係至少包含有一主要MOS元件及一同步整流MOS元件，該同步整流控制系統係包含一控制器，用以送出一PWM驅動訊號；一延時器，係與該控制器及該主要MOS元件電性連接，該延時器用以接收該PWM驅動訊號，並依據一死區時間(deadtime)，延時驅動該主要MOS元件啟動；一同步整流偵測驅動器，係與該同步整流MOS元件電性連接，用以偵測流經該同步整流MOS元件之電流並驅動該同步整流MOS元件進行啟動；以及一信號隔離器，係與該控制器及該同步整流偵測驅動器電性連接，用以將該控制器所送出之PWM驅動訊號經過該信號隔離器以傳送給該同步整流偵測驅動器，該同步整流偵測驅動器偵測電流並接收該PWM驅動訊號後，該同步整流偵測驅動器偵測電流在不連續電流時，則驅動該同步整流MOS元件進行開啟/關閉，在連續電流時驅動該同步整流MOS元件進行開啟，並於接收該PWM驅動訊號後，則驅動該同步整流MOS元件進行關閉。
更具體的說，所述死區時間(deadtime)用以避免該主要MOS元件與
該同步整流MOS元件同時導通。
更具體的說，所述信號隔離器用以對該控制器與該同步整流偵測驅動器之間做電位隔離。
更具體的說，所述同步整流控制系統，係能夠應用於該電源轉換電路之連續電流模式、邊界電流模式或是不連續電流模式。
更具體的說，所述主要MOS元件及該同步整流MOS元件係為一金屬氧化物半導體場效電晶體，而該主要MOS元件及該同步整流MOS元件亦能夠替代為一功率半導體材料，該功率半導體材料係為一氮化鎵或一碳化矽。
11:控制器
12:延時器
13:信號隔離器
14:同步整流偵測驅動器
21:主要MOS元件
22:同步整流MOS元件
[第1圖]係本發明同步整流控制系統之整體架構示意圖。
[第2圖]係本發明同步整流控制系統之第一實施電路示意圖。
[第3圖]係本發明同步整流控制系統之第二實施電路示意圖。
[第4圖]係本發明同步整流控制系統之第三實施電路示意圖。
[第5圖]係本發明同步整流控制系統之第四實施電路示意圖。
[第6A圖]係本發明同步整流控制系統之第五實施電路示意圖。
[第6B圖]係本發明同步整流控制系統之第五實施之不連續電流模式之時序示意圖。
[第6C圖]係本發明同步整流控制系統之第五實施之連續電流模式之時序示意圖。
[第6D圖]係本發明同步整流控制系統之第五實施之邊界電流模式之時序示
意圖。
[第7圖]係本發明同步整流控制系統之第六實施電路示意圖。
[第8圖]係本發明同步整流控制系統之延時器之電路示意圖。
有關於本發明其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
請參閱第1圖，為本發明同步整流控制系統之整體架構示意圖，如圖所示，該同步整流控制系統係應用於一電源轉換電路，該電源轉換電路係至少包含有一主要MOS元件21及一同步整流MOS元件22。
該主要MOS元件21及該同步整流MOS元件22係為一金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，而該主要MOS元件21及該同步整流MOS元件22亦能夠替代為一功率半導體材料，該功率半導體材料係為一氮化鎵(GaN)或一碳化矽(SiC)。
該同步整流控制系統係包含一控制器11、一延時器12、一信號隔離器13及一同步整流偵測驅動器14。
該控制器11用以送出一PWM驅動訊號，該控制器11係能夠為控制IC，例如具有PWM控制功能之控制IC(例如AT6000/02H/AT1688/87Z)或是PFC控制功能之控制IC(例如AT6101/02/05/AT6201Z)。
該延時器12係與該控制器11及該主要MOS元件21電性連接，該延時器12用以接收該PWM驅動訊號，並依據一死區時間(deadtime)，延時驅動該主要MOS元件21啟動，而該延時器12之電路如第8圖所示，該延時器12之電路亦能為任一種類型的延時電路。
該延時器12根據該PWM驅動訊號，讓主要MOS元件21較一導通時間提前一死區時間截止；當電晶體開關Q2截止並經過死區時間(deadtime)後，再產生一同步信號控制主要MOS元件21導通，如此能夠避免該主要MOS元件21及該同步整流MOS元件22的同時導通。
該信號隔離器13用以對該控制器11與該同步整流偵測驅動器14之間做高低電位差隔離，而該信號隔離器13為光耦隔離器、磁耦隔離器或容耦隔離器。
在不連續電流時，該同步整流偵測驅動器14(例如NCP4305/AT6901/02Z)用以偵測流經該同步整流MOS元件22之電流並驅動該同步整流MOS元件22進行啟動/關閉。
在連續電流時，該同步整流偵測驅動器14(例如NCP4305/AT6901/02Z)用以偵測流經該同步整流MOS元件22之電流並驅動該同步整流MOS元件22進行啟動，故當該信號隔離器13接收該控制器11所送出之PWM驅動訊號後，經過該信號隔離器13再傳送給該同步整流偵測驅動器14，而該同步整流偵測驅動器能夠依據所偵測之電流與依據所接收該PWM驅動訊號後，進行判斷是否應驅動該同步整流MOS元件進行關閉。
在邊界電流時，由於邊界電流模式是變頻，所以時序會隨著頻率改變而改變，而同步整流偵測驅動器14則會隨著頻率改變而驅動該同步整流MOS元件22進行啟動/關閉。
本案提出以下幾種電源轉換電路，以說明如何將本案同步整流控制系統應用於不同類型的電源轉換電路。
如第2圖所示，該電源轉換電路係為功率因數修正電路(power
factor correction,PFC)，該主要MOS元件21之汲極(DRAIN)會連接到該同步整流MOS元件22之源極(SOURCE)；該延時器12之DRVL接腳會連接該主要MOS元件21之閘極(GATE)；該信號隔離器13及該同步整流偵測驅動器14之DRVHGND接腳會連接該主要MOS元件21之汲極(DRAIN)與電阻(R7A)一端；該同步整流偵測驅動器14之DRVH接腳會連接該同步整流MOS元件22之閘極(GATE)與電阻(R7A)另一端；該同步整流偵測驅動器14之Vdssense接腳會串接電阻(Rsense)連接到該同步整流MOS元件22之汲極(DRAIN)，以偵測取得電流。
如第3圖所示，該電源轉換電路係為單級返馳式PFC(Single-stage Flyback PFC)，該主要MOS元件21之汲極(DRAIN)會連接到該變壓器(ST1)的一次側，而同步整流MOS元件22之汲極(DRAIN)會連接到該變壓器(ST1)的二次側；該延時器12之DRVL接腳會連接該主要MOS元件21之閘極(GATE)；該同步整流偵測驅動器14之DRVH接腳會連接該同步整流MOS元件22之閘極(GATE)；該同步整流偵測驅動器14之Vdssense接腳會串接電阻(Rsense)連接到該同步整流MOS元件22之汲極(DRAIN)，以偵測取得電流。
如第4圖所示，該電源轉換電路係為升壓電路(Boost)，該主要MOS元件21之汲極(DRAIN)會連接到該同步整流MOS元件22之源極(SOURCE)；該延時器12之DRVL接腳會連接該主要MOS元件21之閘極(GATE)；該信號隔離器13及該同步整流偵測驅動器14之DRVHGND接腳會連接該主要MOS元件21之汲極(DRAIN)與電阻(R7A)一端；該同步整流偵測驅動器14之DRVH接腳會連接該同步整流MOS元件22之閘極(GATE)與電阻(R7A)另一端；該同步整流偵測驅動器14之Vdssense接腳會串接電阻(Rsense)
連接到該同步整流MOS元件22之汲極(DRAIN)，以偵測取得電流。
如第5圖所示，該電源轉換電路係為Totem-Pole PFC，該主要MOS元件21之汲極(DRAIN)會連接到該同步整流MOS元件22之源極(SOURCE)；該延時器12之DRVL接腳會連接該主要MOS元件21之閘極(GATE)；該信號隔離器13及該同步整流偵測驅動器14之DRVHGND接腳會連接該主要MOS元件21之汲極(DRAIN)與電阻(R7A)一端；該同步整流偵測驅動器14之DRVH接腳會連接該同步整流MOS元件22之閘極(GATE)與電阻(R7A)另一端；該同步整流偵測驅動器14之Vdssense接腳會串接電阻(Rsense)連接到該同步整流MOS元件22之汲極(DRAIN)，以偵測取得電流。
如第6A圖所示，該電源轉換電路係為返馳式(Flyback)，該主要MOS元件21之汲極(DRAIN)會連接到該變壓器(ST1)的一次側，而同步整流MOS元件22之汲極(DRAIN)會連接到該變壓器(ST1)的二次側；該延時器12之DRVL接腳會連接該主要MOS元件21之閘極(GATE)；該同步整流偵測驅動器14之DRVH接腳會連接該同步整流MOS元件22之閘極(GATE)；該同步整流偵測驅動器14之Vdssense接腳會串接電阻(Rsense)連接到該同步整流MOS元件22之汲極(DRAIN)，以偵測取得電流。
如第6A及6B圖所示，其中第6B圖為定頻的不連續電流模式的時序圖，其中二次側由同步整流偵測驅動器14進行偵測，當偵測到電流(Is)為負壓時則會送至閘極(GATE)將同步整流MOS元件22導通，當電流(Is)未達0之前，該同步整流偵測驅動器14偵測大於該切換點之前，則將同步整流MOS元件22關閉，因此在不連續電流模式中，是由同步整流偵測驅動器14決定該同步整流MOS元件進行開啟/關閉；
上述的控制方式僅適用於不連續電流模式(Disontinuous Conduction Mode,DCM)，但若是要應用於連續電流模式(Continuous Conduction Mode,CCM)，例如應用於市電時，其電壓特性會導致電壓會上下改變，電流也會忽大忽小，故電流偵測將會不準確。
如第6A及6C圖所示，為定頻的連續電流模式的時序圖，由於二次側無法透過由同步整流偵測驅動器14進行準確偵測，故必須透過一次側來輔助，當一次側的PWM送來訊號要開啟主要MOS元件21時，二次側SR PWM送來訊號讓同步整流MOS元件22就必須關，由圖中可知，電流(Is)則會同步降，之後一次測的電流(Ip)才起來。因此在連續電流時，當驅動該同步整流MOS元件進行開啟後，若接收該PWM驅動訊號，則驅動該同步整流MOS元件進行關閉。
因此，本案對於同步整流MOS元件開關，若是應用於不連續電流模式下，則能夠透過同步整流偵測驅動器14來偵側開或關，若是應用於連續電流模式下，則能夠依據一次側的時序來控制關閉，同時若是同步整流偵測驅動器14有偵側的，亦能夠由同步整流偵測驅動器14來控制該同步整流MOS元件。
另外，如第6D圖所示，本案亦能夠應用於邊界電流模式(Boundary Conduction Mode,BCM或是Critical Conduction Mode,CRM)，由於邊界電流模式是變頻，所以時序會隨著頻率改變而改變，而本案之架構亦能夠應用於邊界電流模式狀態下。
如第7圖所示，該電源轉換電路係為順向式(Forward)，該主要MOS元件21之汲極(DRAIN)會連接到該變壓器(ST1)的一次側，而同步整流MOS元件22之源極(SOURCE)會連接到該變壓器(ST1)的二次側；該延時器12之DRVL接腳會連接該主要MOS元件21之閘極(GATE)；該同步整流偵測
驅動器14之DRVH接腳會連接該同步整流MOS元件22之閘極(GATE)；該同步整流偵測驅動器14之Vdssense接腳會串接電阻(Rsense)連接到該同步整流MOS元件22之汲極(DRAIN)，以偵測取得電流。
本發明所提供之同步整流控制系統，與其他習用技術相互比較時，其優點如下：
1.本發明結合了電流偵測與時序法，開發出一種同步整流控制系統，能夠通用於連續電流模式(Continuous Conduction Mode)、邊界電流模式(Boundary Conduction Mode,BCM或是Critical Conduction Mode,CRM)或是不連續電流模式(Disontinuous Conduction Mode)之電源轉換電路上，故將可應用於不同種類的電源架構中使用。
2.本發明能夠應用於不同電位之需求使用，故能夠應用之電源架構非常廣泛。
本發明已透過上述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此一技術領域具有通常知識者，在瞭解本發明前述的技術特徵及實施例，並在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之請求項所界定者為準。
11:控制器
12:延時器
13:信號隔離器
14:同步整流偵測驅動器
21:主要MOS元件
22:同步整流MOS元件
Claims (5)
- 一種同步整流控制系統，係應用於一電源轉換電路，該電源轉換電路係至少包含有一主要MOS元件及一同步整流MOS元件，該同步整流控制系統係包含：一控制器，用以送出一PWM驅動訊號；一延時器，係與該控制器及該主要MOS元件電性連接，該延時器用以接收該PWM驅動訊號，並依據一死區時間，延時驅動該主要MOS元件啟動；一同步整流偵測驅動器，係與該同步整流MOS元件電性連接，用以偵測流經該同步整流MOS元件之電流並驅動該同步整流MOS元件進行啟動；以及一信號隔離器，係與該控制器及該同步整流偵測驅動器電性連接，用以將該控制器所送出之PWM驅動訊號經過該信號隔離器以傳送給該同步整流偵測驅動器；於不連續電流時，該同步整流偵測驅動器偵測流經該同步整流MOS元件之電流，以驅動該同步整流MOS元件進行啟動或關閉；於連續電流時，當該同步整流偵測驅動器驅動該同步整流MOS元件開啟，若是該控制器送出該PWM驅動訊號，以驅動該主要MOS元件啟動後，該信號隔離器能夠接收該PWM驅動訊號，並傳送給該同步整流偵測驅動器，該同步整流偵測驅動器於接收該PWM驅動訊號後，則驅動該同步整流MOS元件進行關閉。
- 如請求項1所述之同步整流控制系統，其中該死區時間用以避免該主要MOS元件與該同步整流MOS元件同時導通。
- 如請求項1所述之同步整流控制系統，其中該信號隔離器用以對該控制器與該同步整流偵測驅動器之間做電位隔離。
- 如請求項1所述之同步整流控制系統，係應用於該電源轉換電路之連續電流模式、邊界電流模式或是不連續電流模式。
- 如請求項1所述之同步整流控制系統，其中該主要MOS元件及該同步整流MOS元件係為一金屬氧化物半導體場效電晶體，而該主要MOS元件及該同步整流MOS元件亦能夠替代為一功率半導體材料，該功率半導體材料係為一氮化鎵或一碳化矽。
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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| TW201832455A (zh) * | 2017-02-24 | 2018-09-01 | 昂寶電子（上海）有限公司 | 一種具有對於同步整流控制器的定時控制的系統和方法 |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW201238228A (en) * | 2011-03-03 | 2012-09-16 | Monolithic Power Systems Inc | Smart driver for flyback converts |
| TW201832455A (zh) * | 2017-02-24 | 2018-09-01 | 昂寶電子（上海）有限公司 | 一種具有對於同步整流控制器的定時控制的系統和方法 |
| TW202247587A (zh) * | 2021-05-19 | 2022-12-01 | 大陸商台達電子企業管理（上海）有限公司 | 適用於寬範圍輸出電壓的變換器及其控制方法 |
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