CN101202509B

CN101202509B - 用于回扫功率转换器的同步整流电路及其方法

Info

Publication number: CN101202509B
Application number: CN2007101658598A
Authority: CN
Inventors: 杨大勇; 陈佐民
Original assignee: System General Corp Taiwan
Current assignee: Fairchild Taiwan Corp
Priority date: 2007-07-25
Filing date: 2007-11-07
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2027-11-07
Also published as: US20090027926A1; TWI372511B; US7787264B2; CN101202509A; WO2009012620A1; TW200906049A

Abstract

本发明提供一种用于回扫功率转换器的同步整流电路。脉冲产生器根据切换信号的前沿和后沿而产生脉冲信号。切换信号用于切换功率转换器的变压器。例如脉冲变压器或小电容器的隔离装置耦合到脉冲产生器，隔离装置经由变压器的隔离障壁(isolation barrier)传递脉冲信号。同步整流器包含功率开关和控制电路。功率开关连接在变压器的次级与功率转换器的输出之间，以用于整流操作(rectifying operation)。具有锁存的控制电路接收脉冲信号来控制功率开关。

Description

用于回扫功率转换器的同步整流电路及其方法

技术领域

本发明涉及一种功率转换器的控制电路，尤其是涉及一种用于功率转换器的同步整流控制电路(synchronous rectifying control circuit)。

背景技术

离线功率转换器(offline power converter)包含功率变压器(power transformer)，为了符合安全规范，功率变压器提供了交流输入到功率转换器的输出之间的隔离。在近来发展中，在功率变压器的次级应用同步整流器是为了实现功率转换器的高效率转换，例如Yang等人的6,995,991美国专利“PWM controller for synchronous rectifier of flyback power converter”。然而，此现有技术的缺点是切换信号检测和锁相(phase-locking)的传播延迟(propagation delay)，使得同步整流器的性能降级。此外，切换电流检测导致输出电容器的等效串联电阻(ESR)的额外功率消耗。需要切换信号的锁相和电流感应来促进连续模式和非连续模式两种模式下的同步整流器操作。

发明内容

本发明的目是提供一种可靠的同步整流电路，其可实现较高效率。此外，不需要电流感应装置且不需要锁相电路来用于连续模式和非连续模式操作。

本发明提供一种用于功率转换器的同步整流电路，其包括：脉冲产生器，其用于根据切换信号的上升沿(rising edge)产生第一負脉冲信号和下降沿(falling edge)来产生正脉冲信号，其中所述脉冲产生器并根据输入电压信号、编程信号和切换信号的脉冲宽度产生第二负脉冲信号；隔离装置，其耦合到所述脉冲产生器以将所述第一、第二负脉冲信号和所述正脉冲信号从所述功率转换器的变压器的初级传递到所述功率转换器的变压器的次级；以及同步整流器，其具有功率开关、二极管和控制电路，其中所述功率开关耦合到所述功率转换器的变压器的次级，用于整流操作，且其中所述控制电路接收所述第一、第二负脉冲信号和所述正脉冲信号来断开/接通所述功率开关，其中，所述切换信号用于切换所述功率转换器的变压器；所述二极管并联耦合到所述功率开关，所述脉冲产生器根据所述切换信号的上升沿而断开所述功率开关，且根据所述切换信号的下降沿而开启所述功率开关。

本发明还提供一种用于改进功率转换器的效率的方法，所述方法包括：根据切换信号的前沿产生第一负脉冲信号以及后沿而产生正脉冲信号；根据输入电压信号、编程信号和所述切换信号的脉冲宽度产生第二负脉冲信号来断开功率开关；经由隔离装置将所述第一、第二负脉冲信号和所述正脉冲信号从所述功率转换器的变压器的初级传递到所述功率转换器的变压器的次级；以及根据所述第一、第二负脉冲信号来断开所述功率开关，且根据所述正脉冲信号来接通所述功率开关；其中所述切换信号用于切换所述功率转换器的变压器；且所述功率开关耦合到所述功率转换器的变压器的次级，以用于整流操作。

附图说明

本说明书包含附图以提供对本发明的进一步理解，且附图并入本说明书中并组成本说明书的一部分，附图说明本发明的实施例，并与描述内容一起用于阐释本发明的原理。

图1示出了根据本发明的具有同步整流器的回扫功率转换器(flyback power converter)的实施例。

图2是根据本发明的同步整流器的示意图。

图3是根据本发明的同步整流器的控制电路的实施例。

图4是根据本发明实施例的最大接通时间(maximum-on-time，MOT)电路。

图5是根据本发明实施例的同步整流器的脉冲宽度预测电路。

图6示出了根据本发明实施例的延迟电路的示意图。

图7示出了脉冲宽度预测电路的信号波形。

图8是根据本发明的脉冲产生器的示意图。

图9是根据本发明的信号产生电路的实施例。

图10是根据本发明实施例的脉冲产生器的线性预测电路。

图11示出了根据本发明实施例的同步整流电路的主要波形。

图12示出了根据本发明的具有同步整流器的回扫功率转换器的另一实施例，在所述同步整流器中将电容器用作隔离装置。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的具有同步整流器的功率转换器的实施例。功率转换器包含变压器10，其具有初级和次级。变压器10的初级包括用于切换变压器10的功率开关30。变压器10的次级包含第一端子V+和第二端子V-。根据变压器10的切换，跨在第二端子V-和第一端子V+上产生切换电压。同步整流器50包括连接到第二端子V-的整流端子DET。同步整流器50的接地端子GND连接到功率转换器的输出。输入端子RIN通过电阻器85和86来接收切换电压。同步整流器50的第一输入端子S_P和第二输入端子S_N连接到隔离装置70的次级，以接收脉冲信号来接通/断开同步整流器50。隔离装置70可以是脉冲变压器75或多个电容器。同步整流器50进一步包括耦合到功率转换器的输出电压V_O的V_CC端子。

脉冲产生器100包括输入信号端子S_IN，其接收切换信号S_IN，用于根据切换信号S_IN的上升(前)沿和下降(后)沿而产生脉冲信号。切换信号S_IN切换变压器10并调节功率转换器。脉冲信号产生于脉冲产生器100的第一输出端子X_P和第二输出端子X_N上。脉冲信号是差分信号(differential signal)。脉冲信号的极性决定接通还是断开同步整流器50。为了在切换变压器10之前产生脉冲信号，脉冲产生器100根据切换信号S_IN在输出端子SOUT处进一步产生驱动信号S_OUT。驱动信号S_OUT通过功率开关30来切换变压器10。在切换信号S_IN的启用与驱动信号S_OUT的启用之间设置时间延迟。

脉冲产生器100的第一输出端子X_P和第二输出端子X_N耦合到隔离装置70，以将脉冲信号从变压器10的初级传递到次级。脉冲信号的脉冲宽度短于切换信号S_IN的脉冲宽度。脉冲信号是具有高频率成分的触发信号。因此，仅需要小脉冲变压器或小的多个电容器，这减小印刷电路板(PCB)上的空间利用率并减小功率转换器的成本。脉冲产生器100进一步包含输入电压端子R_A，其接收代表变压器10的输入电压V_IN的输入电压信号。输入电压端子R_A经由电阻器81耦合到输入电压V_IN。脉冲产生器100的编程端子(program terminal)R_B通过电阻器80产生编程信号。当功率转换器在非连续模式下操作时，脉冲产生器100根据输入电压信号、编程信号和切换信号S_IN的脉冲宽度产生额外的脉冲信号来断开同步整流器50。

图2是同步整流器50的实施例的示意图。同步整流器50包含功率开关400、二极管450和控制电路200。二极管450并联连接到功率开关400。功率开关400连接在整流端子DET与接地端子GND之间。整流端子DET耦合到变压器10的次级。接地端子GND耦合到功率转换器的输出。控制电路200经由第一输入端子SP和第二输入端子SN来接收脉冲信号，以便接通/断开功率开关400。利用输入端子RIN来接收变压器的切换电压。利用V_CC端子将电源供应到控制电路200。V_CC端子通常连接到功率转换器的输出电压V_O。

图3示出了图2的控制电路200的实施例。电阻器211和221为第一输入端子S_P提供偏置终端(bias termination)。电阻器213和223为第二输入端子S_N提供另一偏置终端。第一输入端子S_P耦合到比较器210的正输入和比较器220的负输入。第二输入端子S_N耦合到比较器220的正输入和比较器210的负输入。比较器210和220分别包括偏移电压215和225，其产生磁滞现象(hystersis)。具有阈值VTH的第三比较器230连接到其正输入。比较器230的负输入耦合到整流端子DET。比较器210的输出耦合到SR触发器(SR flip-flop)250的设定(set)输入(S端子)。SR触发器250的重设(reset)输入(R端子)由比较器220的输出控制。SR触发器250的输出和比较器230的输出V_DET连接到与门262。与门262的输出处产生栅极驱动信号V_G以便控制功率开关400的接通或断开状态。栅极驱动信号V_G的最大接通时间受最大接通时间(maximum-on-time，MOT)电路270限制。栅极驱动信号V_G连接到最大接通时间电路270。消隐时间(blanking time)之后，将根据栅极驱动信号V_G的启用而产生最大接通时间信号S_M。最大接通时间信号S_M通过反相器276连接到或非门260。或非门260的另一输入连接到脉冲宽度预测电路(pulse-width-predict circuit，WPC)500的输出。或非门260的输出通过SR触发器250的清除端子(clear terminal)来将SR触发器250清除(重设)。栅极驱动信号V_G的最大接通时间因此受最大接通时间电路270的消隐时间限制。

此外，在变压器10完全退磁(demagnetized)时，脉冲宽度预测电路500产生非连续模式信号S_D将SR触发器250清除并断开功率开关400。功率转换器的输入端子R_IN、输出电压V_O通过V_CC端子和比较器230的输出V_DET连接到脉冲宽度预测电路500。变压器10的切换电压和功率转换器的输出电压用于预测变压器10的退磁时间。一旦脉冲信号产生为，

V_SN-V_SP＞V₂₂₅ ----------------------------------------- (1)

栅极驱动信号VG就将断开功率开关400。

当满足等式(2)和(3)时，

V_SP-V_SN＞V₂₁₅ ------------------------------------------(2)

V_DET＜V_TH ------------------------------------------(3)

栅极驱动信号V_G将接通功率开关400，其中，V_SP是第一输入端子S_P的电压；V_SN是第二输入端子S_N的电压。V_DET是整流端子DET的电压。V_TH是阈值V_TH的电压；V₂₁₅是偏移电压215的值；且V₂₂₅是偏移电压225的值。

一旦二极管450导通，整流端子DET的电压就将低于阈值V_TH的电压。其展示功率开关400仅可在二极管450接通之后被接通(顺向偏压)。

图4是最大接通时间电路270的实施例。电流源273对电容器275进行充电。晶体管272对电容器275进行放电。栅极驱动信号V_G通过反相器271来控制晶体管272。栅极驱动信号V_G进一步连接到与门279。与门279的另一输入经由反相器278耦合到电容器275。一旦启用栅极驱动信号V_G，与门279的输出就将产生最大接通时间信号S_M，以在消隐时间之后禁用栅极驱动信号V_G。消隐时间由电流源273的电流值和电容器275的电容值决定。

图5是脉冲宽度预测电路的实施例。运算放大器510、晶体管512、515、516和电阻器511形成电压-电流转换器。运算放大器510耦合到输入端子R_IN以接收变压器10的切换电压，以便在晶体管516上产生充电电流。运算放大器530、电阻器531和晶体管532、535、536、538、539形成另一电压-电流转换器。运算放大器530通过V_CC端子和电阻器521及522耦合到功率转换器的输出电压V_O，以便在晶体管539上产生放电电流。充电电流经由开关560对电容器550进行充电。放电电流经由开关565对电容器550进行放电。如图3所示，反相器574耦合到比较器230的输出V_DET，以便产生信号V_H。信号V_H进一步通过延迟单元(delay circuit，DLY)570产生放电信号。放电信号控制开关565。放电信号进一步连接到反相器571以产生充电信号V_HD来控制开关560。在电容器550处产生斜坡信号V_RMP。比较器580的正输入包括阈值V_T。比较器580的负输入耦合到斜坡信号V_RMP。比较器580的输出和放电信号连接到与门590，以产生非连续模式信号S_D。此外，放电信号和信号V_H通过晶体管540和与门575将电容器550重设。因此，根据变压器10的切换电压(振幅和工作周期)和功率转换器的输出电压V_O来产生非连续模式信号S_D。

图6示出了延迟电路的实施例的电路示意图。电流源113经连接以对电容器115进行充电。晶体管112对电容器115进行放电。输入信号IN通过反相器111来控制晶体管112。输入信号IN进一步连接到与非门119。与非门119的的另一输入耦合到电容器115。与非门119的输出是延迟电路的输出。当输入信号为逻辑低(logic-low)时，对电容器115进行放电且与非门119的输出为逻辑高(logic-high)。当输入信号变为逻辑高时，电流源113将开始对电容器115进行充电。一旦电容器115的电压高于与非门119的输入阈值，与非门119就将输出逻辑低。电流源113的电流值和电容器115的电容值决定延迟电路的延迟时间T_P。延迟时间T_P是从输入信号的逻辑高开始到延迟电路的输出信号的逻辑低。

图7示出了脉冲宽度预测电路的信号波形。斜坡信号V_RMP在信号V_H的上升沿与充电信号V_HD的上升沿之间重设。斜坡信号V_RMP在充电信号V_HD的启用周期期间增加。一旦禁用充电信号V_HD，斜坡信号V_RMP就被放电。在斜坡信号V_RMP的放电时间结束时产生非连续模式信号S_D。这意味着当变压器10完全退磁(非连续模式)时将禁用同步整流器50的功率开关400。

图8是图1的脉冲产生器100的实施例的方框示意图。驱动信号S_OUT根据切换信号S_IN而产生。切换信号S_IN连接到延迟电路(delay circuit，DLY)110的输入。延迟电路110的输出通过反相器105连接到与门150的输入。与门150的另一输入耦合到切换信号S_IN。与门150的输出产生驱动信号S_OUT且切换变压器10。因此，在切换信号S_IN的启用与驱动信号S_OUT的启用之间设置时间延迟。脉冲产生器100进一步包含输入电压端子R_A，其接收代表变压器10的输入电压V_IN的输入电压信号。编程端子R_B用于对代表功率转换器的输出电压V_O的编程信号进行编程。编程信号、输入电压信号和切换信号S_IN耦合到线性预测电路(linear-predict circuit，LPC)600。线性预测电路600根据输入电压信号、编程信号和切换信号S_IN的脉冲宽度将产生线性预测信号S_W来断开功率开关400。线性预测信号S_W和切换信号S_IN两者均进一步耦合到信号产生(signal generation，SIG)电路300以在第一输出端子X_P和第二输出端子X_N上产生脉冲信号。

图9是信号产生电路300的实施例的电路。触发器310的时钟输入接收切换信号S_IN并产生连接到或门315的第一输入的第一信号。切换信号S_IN通过反相器325进一步产生信号S_NN。信号S_NN驱动触发器320的时钟输入。触发器320输出连接到或门315的第二输入的第二信号。线性预测信号S_W连接到或门315的第三输入。或门315用来在第二输出端子X_N处产生负脉冲信号，以便断开同步整流器50。负脉冲信号通过延迟电路120将触发器310和320重设。延迟电路120的延迟时间决定负脉冲信号的脉冲宽度。信号S_NN耦合到触发器340的D输入和与门345的输入。触发器340的时钟输入通过反相器342耦合到第二输出端子X_N，以接收负脉冲信号。触发器340的输出连接到与门345的另一输入。与门345用来在第一输出端子X_P处产生正脉冲信号。正脉冲信号经由延迟电路130将触发器340重设。延迟电路130的延迟时间决定正脉冲信号的脉冲宽度。因此，正脉冲信号和负脉冲信号在第一输出端子X_P和第二输出端子X_N上形成脉冲信号。

图10是线性预测电路600的实施例。晶体管610和611形成电流镜，其耦合到输入电压端子R_A以接收代表输入电压信号的电流。晶体管612和613形成另一电流镜，其耦合到晶体管610、611以便在晶体管613处产生充电电流。运算放大器625的正输入包含参考电压V_R。运算放大器625的负输入耦合到编程端子R_B以产生代表编程信号的电流。运算放大器625、晶体管631结合图1的电阻器80而在晶体管631处产生电流。晶体管632、633、637和638形成电流镜，其耦合到晶体管631以在晶体管638处产生放电电流。

充电电流经由开关615对电容器620进行充电。放电电流经由开关635对电容器620进行放电。反相器640接收切换信号S_IN以便产生放电信号。放电信号控制开关635。切换信号S_IN进一步控制开关615。在电容器620处产生斜率信号(slope signal)。比较器641的正输入包括阈值V_T1。比较器641的负输入耦合到斜率信号。比较器641的输出和放电信号连接到与门642，以通过触发器645产生线性预测信号S_W。此外，线性预测信号S_W通过延迟电路650将触发器645重设。因此，根据输入电压信号、编程信号和切换信号S_IN的脉冲宽度产生线性预测信号S_W。编程信号的值代表功率转换器的输出电压V_O。

当功率转换器在边界模式下操作时，电感器的磁化通量(magnetized flux)ΦC等于退磁通量(demagnetized flux)ΦD。边界模式意味着功率转换器在连续模式与非连续模式之间操作。

相等性展示为：

Φ_C＝Φ_D-----------------(4)

Φ = B \times Ae = \frac{V \times T}{N}

-----------------------------(5)

(\frac{V_{IN} \times N_{S}}{N_{P}}) \times T_{CHARGE} = V_{O} \times T_{DISCHARGE}

-----------------------------(6)

T_{DISCHARGE} = [(\frac{V_{IN} \times N_{S}}{N_{P}}) / V_{O}] \times T_{CHARGE}

-----------------------------(7)

其中，B是通量密度；Ae是变压器10的横截面面积；磁化时间(T_CHARGE)是切换信号S_IN的脉冲宽度；变压器10的退磁时间(T_DISCCHARGE)展示功率转换器的边界条件。

可根据等式(7)获得变压器10的退磁时间T_DISCHARGE。还表示可根据输入电压V_IN、输出电压V_O和磁化时间T_CHARGE(切换信号S_IN的脉冲宽度)来预测退磁时间T_DISCHARGE。根据退磁时间T_DISCHARGE产生非连续模式信号S_D。

图11示出了同步整流电路的波形。根据切换信号S_IN的前沿产生脉冲信号S_P-S_N(负脉冲信号)，以禁用同步整流器50的功率开关400。还根据切换信号S_IN的后沿产生另一脉冲信号S_P-S_N(负脉冲信号)，以禁用同步整流器50的功率开关400。在负脉冲信号结束之后，产生脉冲信号S_P-S_N(正脉冲信号)，以当同步整流器50的二极管450导通时启用同步整流器50。产生非连续模式信号S_D和线性预测信号S_W以便断开同步整流器50。这意味着当变压器10完全退磁(非连续模式)时将禁用同步整流器50的功率开关400。因此，产生脉冲信号以根据变压器10的磁化而断开功率开关400，且产生脉冲信号以根据变压器10的退磁而接通功率开关400。

图12示出了作为用于同步整流电路的隔离装置70而操作的电容器71和72。因为脉冲信号的脉冲宽度较短，所以电容器71和72的电容值可能较小(例如，20pF)。然而，对于电容器71和72，需要电容器的高压额定值来用于隔离。

本领域技术人员将了解，可在不脱离本发明的范围或精神的前提下，对本发明的结构作出各种修改和变化。鉴于以上内容，希望本发明涵盖在所附权利要求书及其等效物的范围内的对本发明的修改和变化。

Claims

1.一种用于功率转换器的同步整流电路，其包括：

脉冲产生器，其用于根据切换信号的上升沿产生第一负脉冲信号和下降沿来产生正脉冲信号，其中所述脉冲产生器并根据输入电压信号、编程信号和切换信号的脉冲宽度产生第二负脉冲信号；

隔离装置，其耦合到所述脉冲产生器以将所述第一、第二负脉冲信号和所述正脉冲信号从所述功率转换器的变压器的初级传递到所述功率转换器的变压器的次级；以及

同步整流器，其具有功率开关、二极管和控制电路，其中所述功率开关耦合到所述功率转换器的变压器的次级，用于整流操作，且其中所述控制电路接收所述第一、第二负脉冲信号和所述正脉冲信号来断开/接通所述功率开关，

其中，所述切换信号用于切换所述功率转换器的变压器；所述二极管并联耦合到所述功率开关，所述脉冲产生器根据所述切换信号的上升沿而断开所述功率开关，且根据所述切换信号的下降沿而开启所述功率开关。

2.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中一旦所述二极管导通，所述正脉冲信号就接通所述功率开关。

3.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中所述隔离装置是脉冲变压器或由多个电容器组成。

4.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中所述第一、第二负脉冲信号和所述正脉冲信号是触发信号，所述第一、第二负脉冲信号和所述正脉冲信号的脉冲宽度短于所述切换信号的脉冲宽度。

5.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中所述脉冲产生器根据所述切换信号而进一步产生驱动信号；所述驱动信号切换所述功率转换器的变压器；且在所述切换信号的启用与所述驱动信号的启用之间设置时间延迟。

6.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中所述脉冲产生器包括：

输入电压端子，其接收代表所述功率转换器的变压器的输入电压的所述输入电压信号；以及

编程端子，其产生所述编程信号。

7.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中所述脉冲产生器包括：

输入信号端子，其接收所述切换信号；

第一输出端子；以及

第二输出端子；

其中在所述第一输出端子和所述第二输出端子处产生所述正脉冲信号和所述第一、第二负脉冲信号；所述正脉冲信号和所述第一、第二负脉冲信号是差分信号。

8.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中所述同步整流器包括：

整流端子，其耦合到所述功率转换器的变压器的次级；

接地端子，其耦合到所述功率转换器的输出；

第一输入端子；以及

第二输入端子；

其中所述功率开关连接在所述整流端子与所述接地端子之间；且所述第一输入端子和所述第二输入端子接收所述正脉冲信号和所述第一、第二负脉冲信号来接通/断开所述功率开关。

9.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中所述控制电路包括锁存电路，所述锁存电路耦合到第一输入端子和第二输入端子，以接收所述正脉冲信号和所述第一、第二负脉冲信号来设定或重设所述锁存电路；且所述锁存电路控制所述功率开关。

10.根据权利要求1所述的同步整流器电路，其中所述功率开关的最大接通时间受所述控制电路的最大接通时间电路限制。

11.一种用于改进功率转换器的效率的方法，其包括：

根据切换信号的前沿产生第一负脉冲信号以及后沿而产生正脉冲信号；

根据输入电压信号、编程信号和所述切换信号的脉冲宽度产生第二负脉冲信号来断开功率开关；

经由隔离装置将所述第一、第二负脉冲信号和所述正脉冲信号从所述功率转换器的变压器的初级传递到所述功率转换器的变压器的次级；以及

根据所述第一、第二负脉冲信号来断开所述功率开关，且根据所述正脉冲信号来接通所述功率开关；

其中所述切换信号用于切换所述功率转换器的变压器；且所述功率开关耦合到所述功率转换器的变压器的次级，以用于整流操作。

12.根据权利要求11所述的用于改进功率转换器的效率的方法，其中当二极管导通时接通所述功率开关，且其中所述二极管并联耦合到所述功率开关。

13.根据权利要求11所述的用于改进功率转换器的效率的方法，其中所述隔离装置包含脉冲变压器或多个电容器。

14.根据权利要求11所述的用于改进功率转换器的效率的方法，其中所述第一、第二负脉冲信号和所述正脉冲信号的脉冲宽度短于所述切换信号的脉冲宽度。

15.根据权利要求11所述的用于改进功率转换器的效率的方法，其进一步包括：

接收代表所述功率转换器的变压器的输入电压的所述输入电压信号；以及

在编程端子上产生所述编程信号。

16.根据权利要求11所述的用于改进功率转换器的效率的方法，其中所述功率开关的最大接通时间受最大接通时间电路限制。