CN100547897C - 用于正向电力变换器的同步整流器的控制电路 - Google Patents
用于正向电力变换器的同步整流器的控制电路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种正向电力变换器的同步整流电路。变压器的次级绕组包括用于产生切换电压的第一端子和第二端子。一可饱和电感器从变压器的次级绕组的第二端子耦接到第三端子以提供延迟时间。第一晶体管从变压器的次级绕组的第一端子耦接到接地端子。第二晶体管从第三端子连接到接地端子。第一晶体管和第二晶体管用作同步整流器。一电感器耦接于第三端子和正向电力变换器的输出端子间。此外，一电流感测装置响应电感器的切换电流而产生电流信号。一控制电路接收切换电压和电流信号以产生分别用于驱动多个晶体管的多个信号。一个二极管，其从所述控制电路连接到第三端子，以检测第二晶体管在第三端子与接地端子之间的一电压。
Description
技术领域
本发明涉及一种正向电力变换器的控制电路，更具体而言，涉及一种改进电力变换效率的正向电力变换器的同步整流器控制电路。
背景技术
电力变换器常用于将未调节的电源变换成恒定电压源和/或恒定电流源。具有一初级绕组和一次级绕组的变压器通常用于电力变换。在一典型应用中，初级绕组耦接到一未调节的直流电压电源，且一切换装置连接到初级绕组以导通和截止直流电压电源与初级绕组之间的传导。一整流二极管连接到次级绕组以将从初级绕组变换来的能量整流成直流电压。然而，在整流二极管两端的正向电压降却造成不可避免的传导损耗，并使整流二极管成为产生损耗的关键组件。为解决功率损耗问题，大多采用低导通电阻晶体管来取代整流二极管并应用电力变换器的同步整流(SynchronousRectifying)技术。最近，Edgar Abdoulin在题为“Single ended forwardconverter with synchronous rectification and delay circuit inphase-locked loop”的美国专利第6,026,005号中提出一种同步整流技术。然而，上述现有同步整流技术的缺点是在轻负载条件下会降低功率效率。此外，在重负载工作期间可能发生交叉传导。
图1说明一具有同步整流器的现有正向电力变换器。正向电力变换器包括一变压器10、多个切换装置20、30，多个切换装置20、30用于控制在变压器10的初级绕组与一输入电压源VIN之间的传导。应用多个二极管25和35来将初级绕组的电感能量收回到输入电压源VIN。用作同步整流器的两个晶体管60、70连接到变压器10的次级绕组。第一晶体管60耦接在次级绕组的第一端子与一接地端子之间。第二晶体管70从次级绕组的第二端子连接到接地端子。一电感器80耦接在次级绕组的第二端子与电力变换器的输出端子之间。一输出电容85连接于电力变换器的输出端子与接地端子之间。
图1A说明现有电力变换器的第一工作阶段。在这个阶段中，导通切换装置20和30以经由变压器10和电感器80从输入电压源VIN向电力变换器的输出端子传导能量。晶体管60在其寄生二极管65导通后导通，用作同步整流器。
图1B说明现有电力变换器的第二工作阶段。在这个阶段中，切换装置20、30截止后。存储在电感器80中的能量经由晶体管70的寄生二极管75向输出端子连续放电。晶体管70在其寄生二极管75导通后导通，用作同步整流器。
正向电力变换器通常具有二种不同的工作模式，即非连续工作模式和连续工作模式。在连续工作模式中，能量仍保持在电感器80中，即，在从电感器80释放的电流达到零之前，下一周期就开始了。因为在第二工作阶段期间，晶体管70被导通用作同步整流器，所以，在下一周期开始后可能发生交叉传导，如图2A中所说明，其中将经由晶体管70和寄生二极管65使次级绕组短路。在交叉传导期间，将产生电磁干扰(electromagneticinterference)，并且将严重减少晶体管70、60的使用寿命。相反地，在非连续工作模式中，在下一周期开始之前，存储在电感器80中的所有能量已完全被释放完毕。因此，没有感应电压保持在电感器80中而阻挡输出电容器85的能量放电回到变压器10。
如图2B中所说明，当电力变换器在轻负载条件下处于非连续工作模式中时，在切换瞬间电感器80的能量被完全释放，并且反向电流将从输出电容器85放电到变压器10。反向电流产生功率损耗并大幅降低功率变换的效率。本发明的目的是提供一种用于同步整流的控制电路，其在连续工作模式和非连续工作模式下都有较高的工作效率。
发明内容
一电路供电力变换器的同步整流包括一具有一初级绕组和一次级绕组的变压器。次级绕组包括第一端子和第二端子。当切换变压器时，在变压器的次级绕组的第二端子和第一端子之间产生切换电压。一可饱和电感器从变压器次级绕组的第二端子耦接到第三端子。一第一晶体管从变压器的次级绕组的第一端子耦接到一接地端子。此外，一第二晶体管从第三端子耦接到接地端子。第一晶体管和第二晶体管用作同步整流器。一电感器从第三端子耦接到电力变换器的输出端子。此外，一电流感测装置响应电感器的一切换电流而产生一电流信号。一控制电路连接到第三端子并接收切换电压和电流信号，以产生分别用于驱动第一晶体管和第二晶体管的第一控制信号和第二控制信号。可饱和电感器提供一延迟时间，其用于当切换电压产生时抑制从变压器的次级绕组的第二端子流向第二晶体管的电流。另外，一个二极管从控制电路连接到第三端子，其用于检测第三端子上的电压并提供第二控制信号。当所述切换电压高于一第一门限后，所述第一控制信号即被启用；当所述切换电压低于一第二门限，所述第一控制信号即被禁用；当所述第二晶体管在所述第三端子与所述接地端子之间的所述电压低于一第四门限，所述第二控制信号即被启用；当所述电流信号低于一第五门限或所述切换电压高于所述第二门限，所述第二控制信号即被禁用。
本发明还提供了一种用于一电力变换器的同步整流器电路，其特征在于包括：一第一晶体管，其从一变压器的一次级绕组的一第一端子耦接到一接地端子；一第二晶体管，其从一第三端子耦接到所述接地端子；一可饱和电感器，其将所述变压器的所述次级绕组的一第二端子连接至所述第三端子；其中当切换所述变压器时，在所述变压器的所述次级绕组两端产生一切换电压；一电感器，其从所述第三端子耦接到所述电力变换器的一输出端子；一电流感测装置，其响应所述电感器的一切换电流而产生一电流信号；一控制电路，其用以接收所述切换电压和所述电流信号，以产生分别用于驱动所述第一晶体管和所述第二晶体管的一第一控制信号和一第二控制信号；以及一个二极管，其从所述控制电路连接到所述第三端子，以检测所述第二晶体管在所述第三端子与所述接地端子之间的一电压；其中当所述切换电压高于一第一门限后，所述第一控制信号即被启用；当所述切换电压低于一第二门限，所述第一控制信号即被禁用；当所述第二晶体管在所述第三端子与所述接地端子之间的所述电压低于一第四门限，所述第二控制信号即被启用；当所述电流信号低于一第五门限或者所述切换电压高于所述第二门限，所述第二控制信号即被禁用。
本发明还提供了一种用于一电力变换器的同步整流电路，其特征在于包括：一第一开关，其从一变压器的一次级绕组的一第一端子耦接到一接地端子；一第二开关，其从一第三端子耦接到所述接地端子；一可饱和电感器，其将所述变压器的所述次级绕组的一第二端子连接至所述第三端子；其中当切换所述变压器时，在所述次级绕组两端将产生一切换电压；一电感器，其从所述第三端子耦接到所述电力变换器的一输出端子；一电流感测装置，其响应所述电感器的一切换电流而产生一电流信号；一控制电路，其接收所述切换电压和所述电流信号，以产生分别用于驱动所述第一开关和所述第二开关的一第一控制信号和一第二控制信号；以及一个二极管，其从所述控制电路连接到所述第三端子，以检测所述第二开关在所述第三端子与所述接地端子之间的一电压；其中当所述切换电压高于一第一门限后，所述第一控制信号即被启用；当所述切换电压低于一第二门限，所述第一控制信号即被禁用；当所述第二开关在所述第三端子与所述接地端子之间的所述电压低于一第四门限，所述第二控制信号即被启用；当所述电流信号低于一第五门限或者所述切换电压高于所述第二门限，所述第二控制信号即被禁用。
附图说明
附图是用来进一步理解本发明的，与说明书不可分割，是说明书组成的一部分。附图表示了本发明的实施例，与说明书一起用来解释本发明的原理。
图1说明一具有同步整流器的现有正向电力变换器。
图1A说明现有电力变换器的第一工作阶段。
图1B说明现有电力变换器的第二工作阶段。
图2A说明现有电力变换器在连续工作模式中的交叉传导操作。
图2B说明在轻负载条件期间在非连续工作模式操作的现有电力变换器，和从输出电容器到变压器的反向电流放电操作。
图3是根据本发明的第一实施例的同步整流电路的示意图。
图4说明根据本发明的第一实施例产生驱动信号供同步整流器的控制电路。
图5说明根据本发明的第一实施例用于连续工作模式中的电力变换器的同步整流的多个关键波形。
图6说明根据本发明的第一实施例用于非连续工作模式中的电力变换器的同步整流的多个关键波形。
图7说明根据本发明的第二实施例的同步整流电路。
图8说明根据本发明的第三实施例的同步整流电路。
图9说明根据本发明的第三实施例包括一用于产生电流信号的变流器的电流感测装置。
具体实施方式
图3说明根据本发明的第一实施例的同步整流电路。上述电路包括一具有一初级绕组和一次级绕组的变压器10。次级绕组包括一第一端子和一第二端子。响应变压器10的切换，在次级绕组的第二端子和第一端子之间产生切换电压VS。一可饱和电感器50从次级绕组的第二端子连接到一第三端子。一晶体管60从次级绕组的第一端子连接到接地端子。一晶体管70从第三端子连接到接地端子。一电感器80从第三端子连接到电力变换器的输出端子，以产生输出电压V0。一电流感测装置响应切换电流ISW而产生一电流信号。一控制电路100用来导通/截止晶体管60和70。控制电路100接收切换电压VS和电流信号，用以产生分别用以驱动晶体管60和晶体管70的一第一控制信号S1和一第二控制信号S2。控制电路100包括一连接到次级绕组第二端子的DET+端子和一连接到次级绕组第一端子的DET-端子。控制电路100的GND端子连接到接地参考。控制电路100更包括IN1端子和IN2端子、输出端子OUT1和输出端子OUT2。控制电路100的IN1端子经由一个二极管90连接到第三端子，以检测晶体管70在第三端子与接地端子之间的电压VE。IN2端子用来检测电流信号。输出端子OUT1和OUT2产生分别用于切换晶体管60和70的第一控制信号S1和第二控制信号S2。当切换信号产生时，变压器10的电流流经可饱和电感器50、电感器80、电力变换器的输出端子和二极管65。二极管65可为晶体管60的寄生二极管和/或外部二极管。在切换信号产生时，可饱和电感器50提供一延迟时间TD，其抑制从变压器10流向晶体管70的电流并保护晶体管70。
图4说明根据本发明控制电路100的第一实施例，控制电路100包括一比较器110，比较器110的一正输入端经由一门限(threshold)120连接到DET+端子。DET+端子更经由一电阻器40耦接到变压器10次级绕组的第二端子。比较器110的负输入端连接到DET-端子。DET-端子更经由一电阻器45耦接到变压器10次级绕组的的第一端子。一比较器111的一正输入端经由一门限123耦接到DET+端子。比较器111的一负输入端连接到DET-端子。一比较器112的一正输入端经由一门限125耦接到DET-端子。比较器112的一负输入端连接到DET+端子。一比较器115的一正输入端耦接到一门限VR1。比较器115的一负输入端耦接到IN1端子。IN1端子更耦接到第三端子以检测晶体管70的电压。一电流源129耦接到比较器115的负输入端。一比较器116的一正输入端连接到一门限VR2。比较器116的负输入端连接到IN2端子以接收电流信号。一触发器155产生第一控制信号S1，其中第一控制信号S1由比较器110启用并由比较器111禁用。触发器156产生第二控制信号S2。其中第二控制信号S2由112和比较器115启用并由比较器111或比较器116禁用。一电路包括多个与门160、161和多个反相器162、163用来保证在启用第一控制信号S1之前禁用第二控制信号S2，并保证在启用第二控制信号S2之前禁用第一控制信号S1。
因此，在切换电压VS高于门限120后，第一控制信号S1即启用。一旦切换电压VS低于门限123，第一控制信号S1即禁用。一旦晶体管70的电压VE低于门限VR1并且切换电压VS低于门限125，第二控制信号S2即启用。只要电流信号低于门限VR2和/或切换电压VS高于门限123，第二控制信号S2即禁用。
图5说明根据本发明第一实施例在连续工作模式中工作的同步整流的关键波形。在下一切换周期开始前，电感器80仍保持能量。可饱和电感器50提供延迟时间TD。在延迟时间TD期间，切换电压VS被抑止传递到第三端子且切换电流ISW被抑止从变压器10流出。因此，在切换电流ISW开始之前，可截止晶体管70。
图6说明根据本发明的第一实施例在非连续工作模式中工作的同步整流的关键波形。在切换电压VS再次对电感器80充电之前，电感器80储存的能量已完全释放。非连续工作模式一般用于轻负载和无负载条件下。在电感器80被放电到零之前，令晶体管70截止，以在轻负载工作的情况下防止电容器85的能量经由晶体管70放电。
图7说明本发明的第二实施例。此实施例以电阻器95用以作电流感测装置，其用以将切换电流ISW转换为电压信号供控制电路100使用。图8说明根据本发明的第三实施例的电路。装备一电流感测装置200以将切换电流ISW转换为电压信号。图9说明根据图8所示本发明的实施例的电流感测装置200。电流感测装置200包括一变流器15、多个二极管210～213、一电阻器215和一电容器220。电流感测装置200转换切换电流ISW并产生一信号供控制电路100的I N2端子。
在不脱离本发明的范围或思想的情况下，可对本发明的结构进行各种更动与改进，这对于所属技术领域的技术人员是显而易见的。如前所述，本发明涵盖了本发明的各种改进和变化，只要它们在权利要求及其等同物的范围内。
Claims (9)
1.一种用于一电力变换器的同步整流电路，其特征在于包括：
一变压器，具有一初级绕组和一次级绕组，其中所述变压器的所述次级绕组包括一第一端子和一第二端子，其中当切换所述变压器时，在所述变压器的所述次级绕组的所述第二端子和所述第一端子之间产生一切换电压；
一可饱和电感器其从所述变压器的所述次级绕组的所述第二端子耦接到一第三端子；
一第一晶体管，其从所述变压器的所述次级绕组的所述第一端子耦接到一接地端子；
一第二晶体管，其从所述第三端子耦接到所述接地端子；
一电感器，其从所述第三端子耦接到所述电力变换器的一输出端子；
一电流感测装置，其响应所述电感器的一感应电流而产生一电流信号；
一控制电路，其用以接收所述切换电压和所述电流信号，以产生分别用于驱动所述第一晶体管和所述第二晶体管的一第一控制信号和一第二控制信号，其中所述第一晶体管响应所述切换电压而被导通，且所述第二晶体管响应所述电流信号而被截止；以及
一个二极管，其从所述控制电路连接到所述第三端子，以检测所述第二晶体管在所述第三端子与所述接地端子之间的一电压，
其中所述可饱和电感器提供一延迟时间，以在所述切换电压产生时，抑止一从所述变压器流向所述第二晶体管的电流；
其中当所述切换电压高于一第一门限后，所述第一控制信号即被启用；当所述切换电压低于一第二门限，所述第一控制信号即被禁用；当所述第二晶体管在所述第三端子与所述接地端子之间的所述电压低于一第四门限，所述第二控制信号即被启用；当所述电流信号低于一第五门限或所述切换电压高于所述第二门限，所述第二控制信号即被禁用。
2.根据权利要求1所述的用于一电力变换器的同步整流电路，其特征在于其中所述控制电路包括：
一第一比较器，其具有一正输入端经由所述第一门限耦接到所述变压器的所述次级绕组的所述第二端子，所述第一比较器的一负输入端耦接到所述变压器的所述次级绕组的所述第一端子；
一第二比较器，其具有一正输入端经由所述第二门限耦接到所述变压器的所述次级绕组的所述第二端子，所述第二比较器的一负输入端耦接到所述变压器的所述次级绕组的所述第一端子；
一第三比较器，其具有一正输入端经由一第三门限耦接到所述变压器的所述次级绕组的所述第一端子，所述第三比较器的一负输入端耦接到所述变压器的所述次级绕组的所述第二端子；
一第四比较器，其具有一正输入端耦接到所述第四门限，所述第四比较器的一负输入端耦接到所述第三端子，其中一电流源耦接到所述第四比较器的所述负输入端；
一第五比较器，其具有一正输入端耦接到所述第五门限，所述第五比较器的一负输入端接收所述电流信号；
一第一触发器，产生所述第一控制信号，其中所述第一比较器启用所述第一控制信号，且所述第二比较器禁用所述第一控制信号；以及
一第二触发器，产生所述第二控制信号，其中所述第二控制信号由所述第三比较器和所述第四比较器来启用，所述第二控制信号由所述第二比较器或所述第五比较器来禁用。
3.根据权利要求1所述的用于一电力变换器的同步整流电路，其特征在于其中所述控制电路更包括一电路，用于保证在所述第一控制信号启用前令所述第二控制信号禁用，并用于保证在所述第二控制信号启用前令所述第一控制信号禁用。
4.一种用于一电力变换器的同步整流器电路，其特征在于包括：
一第一晶体管，其从一变压器的一次级绕组的一第一端子耦接到一接地端子；
一第二晶体管，其从一第三端子耦接到所述接地端子；
一可饱和电感器，其将所述变压器的所述次级绕组的一第二端子连接至所述第三端子；其中当切换所述变压器时，在所述变压器的所述次级绕组两端产生一切换电压；
一电感器，其从所述第三端子耦接到所述电力变换器的一输出端子；
一电流感测装置，其响应所述电感器的一切换电流而产生一电流信号；
一控制电路，其用以接收所述切换电压和所述电流信号，以产生分别用于驱动所述第一晶体管和所述第二晶体管的一第一控制信号和一第二控制信号；以及
一个二极管，其从所述控制电路连接到所述第三端子，以检测所述第二晶体管在所述第三端子与所述接地端子之间的一电压；
其中当所述切换电压高于一第一门限后，所述第一控制信号即被启用；当所述切换电压低于一第二门限，所述第一控制信号即被禁用；当所述第二晶体管在所述第三端子与所述接地端子之间的所述电压低于一第四门限，所述第二控制信号即被启用；当所述电流信号低于一第五门限或者所述切换电压高于所述第二门限，所述第二控制信号即被禁用。
5.根据权利要求4所述的用于一电力变换器的同步整流器电路，其特征在于其中所述可饱和电感器提供一延迟时间，以当所述切换电压产生时，抑止一从所述变压器的所述次级绕组流向所述第二晶体管的电流。
6.根据权利要求4所述的用于一电力变换器的同步整流器电路，其特征在于其中所述控制电路包括：
一第一比较器，其具有一正输入端经由所述第一门限耦接到所述变压器的所述次级绕组的所述第二端子，所述第一比较器的一负输入端耦接到所述变压器的所述次级绕组的所述第一端子；
一第二比较器，其具有一正输入端经由所述第二门限耦接到所述变压器的所述次级绕组的所述第二端子，所述第二比较器的一负输入端耦接到所述变压器的所述次级绕组的所述第一端子；
一第三比较器，其具有一正输入端经由一第三门限耦接到所述变压器的所述次级绕组的所述第一端子，所述第三比较器的所述负输入端耦接到所述变压器的所述次级绕组的所述第二端子；
一第四比较器，其具有一正输入端耦接到所述第四门限，所述第四比较器的一负输入端耦接到所述第二晶体管，其中一电流源耦接到所述第四比较器的所述负输入端；
一第五比较器，其具有一正输入端耦接到所述第五门限，所述第五比较器的一负输入端接收所述电流信号；
一第一触发器，产生所述第一控制信号，其中所述第一比较器启用所述第一控制信号，且所述第二比较器禁用所述第一控制信号；以及
一第二触发器，产生所述第二控制信号，其中所述第二控制信号由所述第三比较器和所述第四比较器来启用，所述第二控制信号由所述第二比较器或所述第五比较器来禁用。
7.根据权利要求4所述的用于一电力变换器的同步整流器电路，其特征在于其中所述控制电路更包括一电路，用于保证在所述第一控制信号启用前令所述第二控制信号禁用，并用于保证在所述第二控制信号启用前令所述第一控制信号禁用。
8.一种用于一电力变换器的同步整流电路，其特征在于包括：
一第一开关，其从一变压器的一次级绕组的一第一端子耦接到一接地端子；
一第二开关，其从一第三端子耦接到所述接地端子；
一可饱和电感器，其将所述变压器的所述次级绕组的一第二端子连接至所述第三端子；其中当切换所述变压器时，在所述次级绕组两端将产生一切换电压；
一电感器，其从所述第三端子耦接到所述电力变换器的一输出端子；
一电流感测装置，其响应所述电感器的一切换电流而产生一电流信号；
一控制电路，其接收所述切换电压和所述电流信号，以产生分别用于驱动所述第一开关和所述第二开关的一第一控制信号和一第二控制信号；以及
一个二极管，其从所述控制电路连接到所述第三端子，以检测所述第二开关在所述第三端子与所述接地端子之间的一电压；
其中当所述切换电压高于一第一门限后，所述第一控制信号即被启用；当所述切换电压低于一第二门限，所述第一控制信号即被禁用；当所述第二开关在所述第三端子与所述接地端子之间的所述电压低于一第四门限，所述第二控制信号即被启用；当所述电流信号低于一第五门限或者所述切换电压高于所述第二门限，所述第二控制信号即被禁用。
9.根据权利要求8所述的用于一电力变换器的同步整流电路，其特征在于其中所述可饱和电感器抑止一从所述变压器的所述次级绕组流向所述第二开关的一瞬时电流。
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2006
- 2006-01-18 CN CNB200610001513XA patent/CN100547897C/zh not_active Expired - Fee Related
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| CN101005242A (zh) | 2007-07-25 |
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