CN116073632A - 同步整流电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种同步整流电路及其控制方法，其借由侦测二次侧绕组感应电压正向转态或负向转态的发生，以控制同步整流电路的开关元件导通或截止。该同步整流电路包含一转态侦测器，供耦接于二次侧绕组；一转态控制器，耦接于该转态侦测器；以及一开关元件，其包含一控制端，该控制端耦接于该转态控制器。

Description

同步整流电路及其控制方法
技术领域
本发明是关于一种整流电路及其控制方法，特别是一种用于电源供应装置的同步整流电路及其控制方法。
背景技术
现有切换式电源供应装置中，一般会于输出端串联一整流装置来控制直流输出电压。整流装置可以为整流二极管，然而随着电子装置的技术发展，整流二极管的导通电压逐渐对电源供应装置构成限制。
为了满足低输出电压及高输出功率的需求，遂发展出以同步整流电路取代整流二极管。然而，现有的同步整流电路的技术中，通常需要设置一个或多个电压比较器，来将从切换式电源供应装置二次侧绕组检测到的电压值分别与二参考电压值进行比较，以输出对应的控制讯号来控制整流用途的晶体管开和关，进而达到同步整流的目的。
所述二参考电压值通常包含一上限参考讯号与一下限参考讯号使电压比较器可将一检测电压与该下限参考讯号比较，且在该检测电压小于该下限参考讯号时，输出一讯号控制该晶体管导通；反之则是在该检测电压大于该上限参考讯号时，输出另一讯号控制该晶体管截止。然而电压比较器本身存在运算延迟，因此当电压比较器欲控制该晶体管截止时即存在延迟，此时若切换式电源供应装置一次侧的开关已经导通，而同步整流电路的晶体管尚未截止，就会发生一二次侧运作重迭的情况，因而降低能量转换效率。
为了克服上述问题，现有的两种解决方案其一是采用指令周期较高的电压比较器，以尽可能降低运算延迟，然而如此电路的设计难度与电路面积都会提升。另一种则是直接将一次侧的开关或绕组的讯号引入到二次侧的同步整流电路中，以利用一次侧的讯号来对同步整流电路进行控制，但是这种方式需要高耐压的耦合元件，会大幅增加***成本，导致实际运用这种方案的产品市场接受度不高。据此，现有技术确实有加以改善的必要。
发明内容
本发明的一目的，在于解决前述问题而提供一种同步整流电路及其控制方法，透过侦测二次侧绕组感应电压正向转态或负向转态的发生，以控制同步整流电路的开关元件导通或截止，如此可以有效避免该一次侧开关与同步整流电路的开关元件同时导通的情形，能够提升能量转换效率，并降低切换式电源供应装置的功耗。
针对上述的目的，本发明提供一种同步整流电路，其包含一转态侦测器，供耦接于二次侧绕组；一转态控制器，耦接于该转态侦测器；以及一开关元件，其包含一控制端，该控制端耦接于该转态控制器。其中，该转态侦测器对该二次侧绕组的一感应电压进行瞬时变化讯号的量测，该转态控制器接收该转态侦测器所输出的讯号，以侦测该感应电压是否发生一正向转态或一负向转态，当该转态控制器侦测该感应电压发生该正向转态时，控制该开关元件截止；当该转态控制器侦测该感应电压发生该负向转态时，控制该开关元件导通。
针对上述的目的，本发明另提供一种同步整流电路的控制方法，其包含以一转态侦测器侦测该二次侧绕组的一感应电压的瞬时变化讯号；以一转态控制器接收该转态侦测器所输出的讯号，以侦测该感应电压是否发生一正向转态或一负向转态。其中，当该转态控制器侦测该感应电压发生正向转态时，控制一开关元件截止；当该转态控制器侦测该感应电压发生负向转态时，控制该开关元件导通。
附图说明
图1：其为本发明一实施例的电路架构示意图；
图2：其为本发明实施例所适用的切换式电源供应装置的一次侧开关讯号与二次侧感应电压的讯号示意图；
图3：其为本发明实施例的电路范例示意图；
图4：其为本发明实施例于断续导通模式下的讯号对照示意图；
图5：其为本发明实施例于连续导通模式下的讯号对照示意图；以及
图6：其为本发明实施例的同步整流电路的控制方法流程示意图。
【图号对照说明】
10                     同步整流电路
102                    整流输出端
104                    整流输入端
12                     转态侦测器
14                     转态控制器
140                    复用器
142                    第一电流检测电路
143                    第二电流检测电路
144                    正反器电路
S                      设置端
R                      重设端
Q                      输出讯号端
16                     开关元件
162                    控制端
164                    开关输出端
166                    开关输入端
VD                      感应电压
9                      开关控制器
Mp                     一次侧开关
VGPri                   一次侧开关讯号
Np                     一次侧绕组
Ns                     二次侧绕组
VGSec                   控制讯号
VIN                     输入电压
VOUT                    输出电压
CDET                    检测电容
IPri                    一次侧绕组流通的电流
ISec                    二次侧绕组流通的电流
具体实施方式
为了使本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，特用较佳的实施例及配合详细的说明，说明如下：
在说明书及权利要求当中使用了某些词汇指称特定的元件，然，所属本发明技术领域中具有通常知识者应可理解，同一个元件可能会用不同的名词称呼，而且，本说明书及权利要求并不以名称的差异作为区分元件的方式，而是以元件在整体技术上的差异作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的「耦接」一词在此包含任何直接及间接的连接手段，使两个装置之间得以交互传递电讯号。
首先，请参阅图1，其为本发明一实施例的电路架构示意图。如图所示，本实施例的一同步整流电路10包含一转态侦测器12、一转态控制器14与一开关元件16。该转态侦测器12供耦接于切换式电源供应装置的一二次侧绕组Ns，该转态控制器14耦接于该转态侦测器12，该开关元件16耦接于该转态控制器14。切换式电源供应装置还包含对应该二次侧绕组Ns的一一次侧绕组Np，该一次侧绕组Np耦接于一一次侧开关Mp，该一次侧开关Mp可以接收一开关控制器9所输出的一一次侧开关讯号VGPri而导通或截止。
详言之，该转态侦测器12可以包含一高通滤波器，以接收该二次侧绕组Ns上的瞬时变化讯号。该转态控制器14可以包含一译码器，该转态控制器14的输入端耦接于该转态侦测器12，以接收该转态侦测器12侦测到的讯号进行译码判断，并对应产生控制讯号。
该开关元件16的一控制端162耦接该转态控制器14的输出端，以自该转态控制器14接收一控制讯号VGSec而控制该开关元件16导通或截止。该开关元件16可以包含一金属氧化物半导体场效晶体管Ms(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)，其控制端162相当于该开关元件16的晶体管Ms的一闸极端(Gate)耦接于该转态控制器14的输出端。而该开关元件16的一开关输出端164耦接于该同步整流电路10的一整流输出端102，即相当于该晶体管M的一漏极端(Drain)耦接于该同步整流电路10的一整流输出端102；该开关元件16的一开关输入端166耦接于该同步整流电路10的一整流输入端104，即相当于该晶体管M的一源极端(Source)耦接于该同步整流电路10的一整流输入端104。在本发明其他实施例中，该开关元件16也可以选用接面场效晶体管(junction gate field-effect transistor,JFET)、双极性晶体管(bipolar transistor,BJT)等元件。
该整流输出端102耦接于该二次侧绕组Ns的一端，以利用该开关元件16对该二次侧绕组Ns的输出电压VOUT进行整流。该转态侦测器12可对该二次侧绕组Ns的一感应电压VD进行瞬时变化讯号的量测，为了方便说明，在本实施例中将该转态侦测器12耦接于该二次侧绕组Ns耦接该整流输出端102的一端，如此该感应电压VD即相当于该开关元件16的开关输出端164的电压。惟，在本发明其他实施例中，也可以将该转态侦测器12耦接于该二次侧绕组Ns的另一端。由于该二次侧绕组Ns感应该一次侧绕组Np所形成的电压变化会同时出现在该二次侧绕组Ns两端，因此本申请说明书将不对此等实施例重复进行说明。
请参阅图2，其为本发明的实施例所适用的切换式电源供应装置的一次侧开关讯号VGPri与该感应电压VD的讯号示意图。其中，随着该一次侧开关讯号VGPri升高的过程，该二次侧绕组Ns感应产生的感应电压VD会发生一正向转态，也就是从低电位开始转变为高电位的瞬时变化，此正向转态并不需要该一次侧开关讯号VGPri完全升高到目标值就会发生，一般是在一次侧开关讯号VGPri接近该一次侧开关Mp的临界电压(threshold voltage,Vt)时发生。而一旦该一次侧开关讯号VGPri升高到接近目标值，该一次侧开关Mp就会导通，而使输入电压VIN通过该一次侧绕组Np对该二次侧绕组Ns储能，过程中该感应电压VD将持续上升。另一方面，随着该一次侧开关讯号VGPri降低的过程，该二次侧绕组Ns感应产生的感应电压VD会发生一负向转态，也就是从高电位开始转变为低电位的瞬时变化，此负向转态并不需要该一次侧开关讯号VGPri完全降低到目标值就会发生，一般也是在一次侧开关讯号VGPri接近该一次侧开关Mp的临界电压(threshold voltage,Vt)时发生。而一旦该一次侧开关讯号VGPri降低到接近目标值，该一次侧开关Mp就会截止，而使该二次侧绕组Ns开始释放所储存的能量，过程中该感应电压VD将持续下降。
据此，本发明实施例的同步整流电路10通过设置转态侦测器12及转态控制器14，以侦测上述正向转态或负向转态的发生，以利用该转态控制器14跟据正向转态或负向转态的发生产生该控制讯号VGSec来控制该开关元件16导通或截止。更明确来说，由于该正向转态在该一次侧开关Mp导通前就会发生，因此若在正向转态发生时就改变该控制讯号VGSec以使该开关元件16截止，就可以有效避免该一次侧开关Mp与该开关元件16同时导通的情形，反之亦然。
为了更容易理解本发明上述实施例的操作方式，请参照图3所示，在此举一简单的电路范例为例说明。其中，该转态侦测器12可以包含一检测电容CDET，该检测电容CDET两端分别供耦接该二次侧绕组Ns及该转态控制器14的输入端。该转态控制器14的输入端耦接一复用器140，该复用器140分别耦接一第一电流检测电路142及一第二电流检测电路143，该第一电流检测电路142耦接于一正反器电路(flip-flop)144的设置端S，该第二电流检测电路143耦接于该正反器电路144的重设端R，该正反器电路144的输出讯号端Q则作为该转态控制器14的输出端，以对该开关元件16输出该控制讯号VGSec。
请参照图4所示，此为断续导通模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)下的讯号对照示意图，其中IPri表示该一次侧绕组Np流通的电流，ISec表示该二次侧绕组Ns流通的电流。假设一初始状态是该开关元件16呈导通状态，此时该控制讯号VGSec为高电位1，因此该复用器140选择的是该第二电流检测电路143。在该一次侧开关讯号VGPri升高的过程中，该二次侧绕组Ns感应产生的感应电压VD会发生一电压斜率转换，此瞬时变化即该正向转态，会经由该检测电容CDET被耦合到该第二电流检测电路143，而随着感应电压VD的升高，流过该第二电流检测电路143的电流就越高，一旦此电流达到该第二电流检测电路143默认的一第二参考电流IC2，正反器电路144的重设端R的电压会被拉到零电位，而使该正反器电路144转为输出一低电位0的控制讯号VGSec，进而使该开关元件16截止。如此即完成了在侦测到正向转态时，控制该开关元件16截止的效果，以避免该一次侧开关Mp与该开关元件16同时导通。该一次侧开关Mp导通后，会使输入电压VIN通过该一次侧绕组Np对该二次侧绕组Ns储能，因此该一次侧绕组Np将有电流流通。此外，N为该一次侧绕组Np与该二次侧绕组Ns的匝数比。
接续上述，此时该控制讯号VGSec为低电位0，因此该复用器140选择的是该第一电流检测电路142。随着该一次侧开关讯号VGPri降低的过程，该二次侧绕组Ns感应产生的感应电压VD会发生另一电压斜率转换，此瞬时变化即该负向转态，会经由该检测电容CDET被耦合到该第一电流检测电路142，而随着感应电压VD的降低，流过该第一电流检测电路142的电流就越高，一旦此电流达到该第一电流检测电路142默认的一第一参考电流IC1，正反器电路144的设置端S的电压会被拉到零电位，而使该正反器电路144转为输出一低高电位1的控制讯号VGSec，进而使该开关元件16导通。如此即完成了在侦测到负向转态时，控制该开关元件16导通的效果。该开关元件16导通后，会使该二次侧绕组Ns开始释放所储存的能量，因此该二次侧绕组Ns将有电流流通。
断续导通模式中，在该一次侧开关Mp下一次导通的前，该二次侧绕组Ns就会放电完毕，而在该二次侧绕组Ns结束放电时，该二次侧绕组Ns感应产生的感应电压VD也会发生一电压斜率转换，此瞬时变化也属于该正向转态。因此如同上述，此瞬时变化会经由该检测电容CDET被耦合到该第二电流检测电路143，而使该正反器电路144转为输出一低电位0的控制讯号VGSec，进而使该开关元件16截止。如此在该一次侧开关Mp下一次导通的前，即已完成控制该开关元件16截止。
请参照图5所示，此为连续导通模式(Continuous Conduction Mode,CCM)下的讯号对照示意图，与前述图4的断续导通模式差异的处在于，在该二次侧绕组Ns放电完毕的前，该一次侧开关Mp就会开始下一次导通，然而如同上述，在该一次侧开关讯号VGPri升高的过程中所发生正向转态会经由该检测电容CDET被耦合到该第二电流检测电路143，而使该正反器电路144转为输出一低电位0的控制讯号VGSec，进而使该开关元件16截止。如此在该一次侧开关Mp下一次导通的前，仍已完成控制该开关元件16截止。依此类推，本发明实施例的同步整流电路10不仅可适用于断续导通模式、连续导通模式，同样也适用于临界操作模式(Boundary Current Mode,BCM、Critical Conduction Mode,CrM或Transition Mode,TM)。
值得注意的是，该检测电容CDET与该第一电流检测电路142及一第二电流检测电路143的各讯号的对应关系可表示如下式所示：
Figure BDA0003925364350000091
Figure BDA0003925364350000092
其中，QSet为该第一电流检测电路142中的开关晶体管，QReset为该第二电流检测电路143中的开关晶体管，RLMT1为该第一电流检测电路142中的电阻阻值，RLMT2为该第二电流检测电路143中的电阻阻值。ic、ib、ie为双极性晶体管的集电极(Collector)、基极(Base)和发射极(Emitter)电流，β为双极性晶体管的共发射极电流增益。上式可供设定该第一参考电流IC1、该第二参考电流IC2，并且显示了图3所示的电路范例可以通过该检测电容CDET容值和电阻RLMT1、RLMT2的阻值来调整侦测感应电压VD正向转态、负向转态的灵敏度。
前述检测电容CDET只是构成该转态侦测器12所需的高通滤波器的最简单组成元件，目的在方便说明本发明上述实施例的操作方式，本领域中具有通常知识者自可利用具有相应功能的电路加以置换。同理，前述转态控制器14的细部电路也只是要满足侦测上述正向转态或负向转态的发生以产生该控制讯号VGSec的其中一种实施方式，其并非用以限定本发明上述实施例。
请参考图6所示，是本发明前述实施例的同步整流电路10的控制方法流程示意图，该控制方法包含：
以一转态侦测器侦测一二次侧绕组的感应电压的瞬时变化讯号；
以一转态控制器接收该转态侦测器所输出的讯号，以侦测该感应电压是否发生正向转态或负向转态；
其中，当该转态控制器侦测该感应电压发生正向转态时，控制一开关元件截止；当该转态控制器侦测该感应电压发生负向转态时，控制该开关元件导通。
综上所述，本发明实施例的同步整流电路及其控制方法提供了一种通过侦测二次侧绕组感应电压正向转态或负向转态的发生，以控制同步整流电路的开关元件导通或截止，如此可以有效避免该一次侧开关与同步整流电路的开关元件同时导通的情形，能够提升能量转换效率，并降低切换式电源供应装置的功耗。
相较于现有技术需采用指令周期较高的电压比较器，以降低比较器运算延迟的方式来克服问题，本发明实施例的同步整流电路及其控制方法并不需要电压比较器电路，具有较低的电路设计与制造成本。另一方面，相较于其他现有技术需要直接将一次侧的开关或绕组的讯号引入到二次侧的同步整流电路中来对同步整流电路进行控制，这些方式可能需要高耐压的耦合元件，甚至会需要额外的感应线圈，本发明实施例的同步整流电路及其控制方法并不需要切换式电源供应装置一次侧的讯号，相较之下能显著节省***成本。
以上所述的实施例，本发明的同步整流电路为透过复用器选择输出讯号至比较器，而利用比较器所输出的比较结果讯号，用于控制同步整流的开关元件的控制端，借此达成同步整流，更可节省耗能，并减少占用的电路面积。
上文仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (13)

1.一种同步整流电路，其特征在于，供应用于一切换式电源供应装置，该切换式电源供应装置包含一一次侧绕组及一二次侧绕组，该同步整流电路包含：
一转态侦测器，供耦接于该二次侧绕组；
一转态控制器，耦接于该转态侦测器；以及
一开关元件，其包含一控制端，该控制端耦接于该转态控制器；
其中，该转态侦测器对该二次侧绕组的一感应电压进行瞬时变化讯号的量测，该转态控制器接收该转态侦测器所输出的讯号，以侦测该感应电压是否发生一正向转态或一负向转态，当该转态控制器侦测该感应电压发生该正向转态时，控制该开关元件截止；当该转态控制器侦测该感应电压发生该负向转态时，控制该开关元件导通。
2.如权利要求1所述的同步整流电路，其特征在于，其中，该正向转态指耦接该一次侧绕组对应的一一次侧开关讯号降低的过程中，该二次侧绕组感应产生的感应电压所发生的一电压斜率转换。
3.如权利要求1所述的同步整流电路，其特征在于，其中，该正向转态指耦接该一次侧绕组对应的一一次侧开关讯号升高的过程中，该二次侧绕组感应产生的感应电压所发生的一电压斜率转换。
4.如权利要求1所述的同步整流电路，其特征在于，其中，该正向转态指该二次侧绕组结束放电时，该感应电压所发生的一电压斜率转换。
5.如权利要求1所述的同步整流电路，其特征在于，其中，该正向转态在该一次侧绕组耦接的一一次侧开关导通前发生。
6.如权利要求1所述的同步整流电路，其特征在于，其中，该转态侦测器包含一高通滤波器。
7.如权利要求6所述的同步整流电路，其特征在于，其中，该高通滤波器包含一检测电容。
8.如权利要求1所述的同步整流电路，其特征在于，其中，该转态控制器的输入端分别耦接该转态侦测器及一复用器，该复用器分别耦接一第一电流检测电路及一第二电流检测电路，该第一电流检测电路耦接于一正反器电路的一设置端，该第二电流检测电路耦接于该正反器电路的一重设端，该正反器电路的一输出讯号端耦接该开关元件，以对该开关元件输出一控制讯号。
9.一种同步整流电路的控制方法，其特征在于，供控制应用于一切换式电源供应装置的同步整流电路，该切换式电源供应装置包含一一次侧绕组及一二次侧绕组，该同步整流电路的控制方法包含：
以一转态侦测器侦测该二次侧绕组的一感应电压的瞬时变化讯号；以及
以一转态控制器接收该转态侦测器所输出的讯号，以侦测该感应电压是否发生一正向转态或一负向转态；
其中，当该转态控制器侦测该感应电压发生正向转态时，控制一开关元件截止；当该转态控制器侦测该感应电压发生负向转态时，控制该开关元件导通。
10.如权利要求9所述的同步整流电路的控制方法，其中，该正向转态指耦接该一次侧绕组对应的一一次侧开关讯号降低的过程中，该二次侧绕组感应产生的感应电压所发生的一电压斜率转换。
11.如权利要求9所述的同步整流电路的控制方法，其特征在于，其中，该正向转态指耦接该一次侧绕组对应的一一次侧开关讯号升高的过程中，该二次侧绕组感应产生的感应电压所发生的一电压斜率转换。
12.如权利要求9所述的同步整流电路的控制方法，其特征在于，其中，该正向转态指该二次侧绕组结束放电时，该感应电压所发生的一电压斜率转换。
13.如权利要求9所述的同步整流电路的控制方法，其特征在于，其中，该正向转态在该一次侧绕组耦接的一一次侧开关导通前发生。
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