TWI467901B - 補償方法和電路 - Google Patents

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Description

補償方法和電路
本發明大體與切換電源有關，尤其是與切換模式電源中的同步整流有關。
切換模式電源(SMPS)用在包括筆記型電腦適配器、液晶顯示器(LCD)電視適配器、電池充電器、消費設備例如數位視訊光碟(DVD)和視訊磁帶錄影機、無線存取點、網際網路協定(IP)電話等的各種應用中。當今在使用中的大多數高效率切換模式電源使用同步整流(SR)來達到SMPS功率級的期望效率。切換模式電源一般包括用於控制給標準整流器設旁路的同步整流金屬氧化物半導體場效應電晶體(SR MOSFET)開關的SR控制器。圖1是在SMPS 10中SR系統的次級側(second side)12的一部分的電路示意圖。為了清楚起見，可省略SMPS 10的初級側(primary side)14上的連接。在圖1中示出的是安裝到印刷電路板28上的次級側同步整流控制器16、SR MOSFET 18、肖特基二極體20、次級繞組22、濾波電容器25和負載27。作為例子，負載27包括電阻器。控制器16可為例如具有零件編號NCP4302並由Semiconductor Components Industries(LLC)製造的同步整流控制器，並適合於設定用於關閉SR MOSFET 18的定限電壓。控制器16具有連接到SR MOSFET 18的閘極端子的輸出30、連接到SR MOSFET 18的汲極端子的電流感測輸入32、以及連接到用作電流返回接腳(pin)的接地的輸入34。控制器16包括具有連接到內部邏輯電路41的輸出的比較器36，內部邏輯電路41具有耦合成驅動SR MOSFET 18的閘極的輸出。內部邏輯電路41的例子對本領域中具有通常知識者是已知的。例如，由Semiconductor Components Industries(LLC)製造的零件編號NCP4302的資料單表示出邏輯電路41的適當電路。比較器36還有連接到輸入32的輸入以及耦合到電壓源38的輸入，電壓源38提供定限參考電壓VTHR 。SR MOSFET 18具有在其源極和汲極之間的體二極體44以及由寄生汲極電感器40和寄生源極電感器42表示的寄生汲極和源極電感。寄生電感器40和42是在SR MOSFET 18的封裝材料內的導電元件例如引線(lead)和接合線(bond wire)的產物。肖特基二極體20跨接於SR MOSFET 18的汲極和源極端子。
在操作中，控制器16確定SR MOSFET 18的汲極到源極電壓，並使用該電壓結合定限參考電壓VTHR 來設定流經SR MOSFET 18的電流的關閉電流準位。一般，定限參考電壓VTHR 被選擇為接近於零，以便關閉電流很小或實質上等於零。次級電流(ISEC )從濾波電容器25和負載27通過SR MOSFET 18流向次級繞組22，分別在寄生汲極和源極電感器40和42兩端產生增加關閉電流的電壓降。增加的關閉電流由SR MOSFET的通道兩端的電壓降的不精確的測定引起，即，由從次級電流ISEC 和電阻Rds_ON 的乘積產生的通道電壓的值的不精確的測定引起。不精確性由與印刷電路板28相關的寄生元件兩端產生的電壓以及與SR MOSFET 18 相關的寄生電感器40和42兩端產生的電壓引起。當SMPS 10在不連續導通模式(DCM)中操作時，或可選地，當SMPS 10作為串聯諧振變換器例如電感器-電感器電容器(LLC)串聯諧振變換器在低於其串聯諧振頻率的頻率處操作時，檢測何時次級電流ISEC 達到零值是合乎需要的。
補償與印刷電路板28相關的寄生無源電路元件兩端的寄生電壓降的通常使用的技術包括使用克耳文感測探針測量汲極到源極電壓。然而，該技術不能解決與SR MOSFET 18相關的寄生電感器40和42兩端的電壓降的問題。因此，通道電壓(其等於ISEC *Rds_ON )的測定是不精確的，因為它從包括寄生電感器40和42兩端的電壓的電壓測量結果得到。
圖1所示電路的缺點是，當汲極到源極電壓為零時，次級電流ISEC 仍然流動。因此，SR MOSFET 18仍然承載相當大的次級電流ISEC 。因為SR MOSFET 18關閉，SMPS 10內的SR系統的通道傳導和效率降低了。寄生電感器40和42的效應在高頻率應用中變得更嚴重，在這些應用中，電流相對於時間的變化增加，且SR MOSFET之Rds_ON 值減小。
此外，寄生電感器40和42在汲極電流和汲極到源極電壓之間產生相移，這導致用於SR MOSFET 18的關閉電流增加，該關閉電流係隨著負載電流變化。當定限參考電壓VTHR 具有負電壓時，SR MOSFET 18的關閉電流甚至更高。
因此，擁有用於補償電晶體內的寄生元件的方法和結構將是有利的。該方法和結構實現起來成本有效是進一步有利的。
圖2是根據本發明的實施方式的切換模式電源100的次級側103的一部分的示意圖。圖2所示的切換模式電源100的該部分包括安裝到印刷電路板110上的次級側同步整流控制器102、SR MOSFET 104、次級繞組106、濾波電容器112和負載114。為了清楚起見，省略了SMPS 100的初級側105上的連接。作為例子，負載114包括電阻器。SR MOSFET 104具有寄生汲極電感器130、寄生源極電感器132和在其源極與汲極之間的體二極體134。寄生電感器130和132由在SR MOSFET 104的封裝材料內的導電元件例如引線和接合線產生。寄生汲極電感器130也稱為汲極端子寄生電感器，而寄生電感器132也稱為源極端子寄生電感器。SR MOSFET 104的閘極端子、汲極端子和源極端子分別連接到控制器102的驅動器輸出122、電流感測輸入124和電流返回輸入126。控制器102包括耦合成接收用於控制電壓源129的控制信號的參考電壓補償輸入128，電壓源129輸出定限參考電壓VTHR 。電壓源129通過類比反向器(inverter)155耦合到輸入128。控制器102還包括比較器136和內部邏輯電路138，其中比較器136具有耦合成接收定限參考電壓VTHR 的輸入、連接到電流感測輸入124的輸入、以及連接到內部邏輯電路138的輸入的輸出。內部邏輯電路138具有連接到輸出122的輸出，用於向SR MOSFET 104的閘極端子提供閘極驅動信號。內部邏輯電路138的例子對本領域中具有通常知識者是已知的。例如，由Semiconductor Components Industries(LLC)製造的零件編號NCP4302的資料單表示出了邏輯電路138的適當電路。
此外，切換模式電源100包括補償元件，例如連接在寄生源極電感器132和補償輸入128之間的補償電感器140。較佳地，補償電感器140的電感值被選擇成匹配寄生電感器130和132的電感值的和。補償電感器140兩端的電壓降用於改變SR MOSFET 104的關閉臨界值。較佳地，電流ISEC 流經寄生電感器130和132以及補償電感器140。
在操作中，控制器102確定SR MOSFET 104的通道電壓，並使用該電壓結合定限參考電壓VTHR 來設定流經SR MOSFET 104的電流的關閉電流準位。一般，定限參考電壓VTHR 被選擇為接近於零，以便關閉電流很小或實質上等於零。當SMPS 100在不連續導通模式(DCM)中操作時，或可選地，當SMPS 100作為串聯諧振變換器例如電感器-電感器電容器(LLC)變換器在低於其串聯諧振頻率的頻率處操作時，次級電流(ISEC )實質上在從濾波電容器112通過補償電感器140向次級繞組106的方向流動。應注意，次級電流ISEC 的一小部分流入輸入126中；然而，該部分與電流ISEC 流向次級繞組126的部分相比是可忽略的。電流ISEC 在補償電感器140兩端產生電壓VCOMP 。通過SR MOSFET 104流向次級繞組106的次級電流ISEC 分別在電感器130和132兩端產生電壓VLD 和VLS 。
現在參考圖3，其示出SR MOSFET 104和補償電感器140的等效電路150。如上討論的，補償電感器140的電感值較佳地是寄生電感器130和132的電感值的和。電流ISEC 流經SR MOSFET 104，產生在汲極寄生電感器130兩端的電壓VLD 、在源極寄生電感器132兩端的電壓VLS 、以及在電阻Rds_ON 兩端的通道電壓VRds_ON 。此外，次級電流ISEC 流經補償電感器140，產生補償電壓VCOMP ，該補償電壓傳輸到補償電壓輸入128，在輸入128該補償電壓被內部反向器155反轉，並將定限參考電壓VTHR 的電壓準位移動了實質上等於寄生電感器130和132所引入的電壓的量。因為補償電感器140的電感值實質上等於寄生電感器130和132的電感值的和，且次級電流ISEC 流經補償電感器140以及寄生電感器130和132，電感器130和132兩端的電壓的絕對值的和實質上等於電感器140兩端的補償電壓的絕對值。因此，補償電感器140兩端的電壓補償寄生電感器130和132兩端的電壓，使內部比較器136檢測通道電壓VRds_ON 。通道電壓VRds_ON 提供流經SR MOSFET 104的導通電阻Rds_ON 的即時電流的準確指示。使用補償電感器140來改變參考電壓VTHR 的優點是，它使開關電源如SMPS 100對負載電流和變換器的操作頻率的變化保持不變。
圖3還示出對於電感器130、132和140以及導通電阻Rds_ON 兩端的電壓和汲極到源極電壓VDS 的電壓信號與時間的關係曲線。此外，在圖3中示出了電流信號ISEC 與時間的關係曲線。
到現在應認識到，已經提供了用於補償在切換場效應電晶體中的寄生電感的方法和電路。根據一個實施方式，補償電感被添加到其上安裝了開關MOSFET的基板，以便流經補償電感器的電流產生出現在控制器的輸入處的補償信號，例如補償電壓。補償電壓改變了控制器內定限參考電壓VTHR 的輸出準位，其中改變的參考電壓出現在控制器內的比較器的輸入處。包括在寄生汲極和源極電感器兩端以及在導通電阻Rds_ON 兩端產生的電壓的汲極到源極電壓出現在比較器的另一輸入處。該補償電壓補償汲極和源極寄生電感兩端的電壓，從而允許通道電壓即電阻Rds_ON 兩端的電壓的精確感測。精確感測MOSFET的通道兩端的電壓能夠精確地將其關閉電流閾值調節為將近於零，這又允許增加MOSFET的傳導時間並增加SR系統的效率。因為補償電感器140補償SR MSFET 104的寄生源極和汲極電感器，比較器的關閉閾值實質上對次級電流ISEC 的幅度和導數以及對SMPS 100的操作頻率是不變的。
可選地，可從基板製造補償元件。例如，當基板是印刷電路板時，導電跡線(trace)可在印刷電路板上或中形成，其中導電跡線是類似於補償電感器140的補償電感器。
雖然這裏公開了特定的實施方式，但意圖不是將本發明限制到所公開的實施方式。本領域中具有通常知識者應認識到，可進行更改和變化，而不偏離本發明的實質。意圖是本發明包括落在所附申請專利範圍的範圍內的所有這樣的更改和變化。
10．．．SMPS
12．．．SR系統的次級側
14．．．SMPS 10的初級側
16．．．次級側同步整流控制器
18．．．SR MOSFET
20．．．肖特基二極體
22．．．次級繞組
25．．．濾波電容器
27．．．負載
28．．．印刷電路板
30．．．輸出
32．．．電流感測輸入
34．．．輸入
36．．．比較器
38．．．電壓源
40．．．寄生汲極電感器
41．．．內部邏輯電路
42．．．寄生源極電感器
44．．．體二極體
100．．．切換模式電源
102．．．次級側同步整流控制器
103．．．切換模式電源100的次級側
104．．．SR MOSFET
105．．．SMPS 100的初級側
106．．．次級繞組
110．．．印刷電路板
112．．．濾波電容器
114．．．負載
122．．．驅動器輸出
124．．．電流感測輸入
126．．．電流返回輸入
128．．．參考電壓補償輸入
129．．．電壓源
130．．．寄生汲極電感器/寄生電感器
132．．．寄生源極電感器/寄生電感器
134．．．體二極體
136．．．比較器
138．．．內部邏輯電路
140．．．補償電感器
150．．．SR MOSFET 104和補償電感器140的等效電路
從結合附圖理解的下面詳細描述的閱讀中將更好地理解本發明，其中相似的參考符號表示相似的元件，且其中：
圖1是現有技術切換模式電源的一部分的示意圖；
圖2是根據本發明的實施方式的切換模式電源的一部分的示意圖；以及
圖3是圖2的開關電源的一部分的等效電路。
100．．．切換模式電源
102．．．次級側同步整流控制器
103．．．切換模式電源100的次級側
104．．．SR MOSFET
105．．．SMPS 100的初級側
106．．．次級繞組
110．．．印刷電路板
112．．．濾波電容器
114．．．負載
122．．．驅動器輸出
124．．．電流感測輸入
126．．．電流返回輸入
128．．．參考電壓補償輸入
129．．．電壓源
130．．．寄生汲極電感器/寄生電感器
132．．．寄生源極電感器/寄生電感器
134．．．體二極體
136．．．比較器
138．．．內部邏輯電路
140．．．補償電感器

Claims (20)

  1. 一種用於補償一電晶體之一個或多個寄生元件之方法，該方法包括：提供該電晶體，其中該電晶體包括一個或多個寄生元件且其中該一個或多個寄生元件包括至少一寄生電感；自一非寄生補償元件產生一補償信號；以及使用該補償信號來補償該電晶體之該至少一寄生電感之一信號。
  2. 如請求項1的方法，其中產生該補償信號包括產生在一補償電感器兩端之間的一電壓。
  3. 如請求項1的方法，其中使用該補償信號來補償來自該一個或多個寄生元件的一信號包括使用該補償信號來補償至少一個電感器。
  4. 如請求項3的方法，其進一步包括使用該補償信號以補償一第一電感器和一第二電感器。
  5. 如請求項4的方法，進一步包括使用該補償信號以補償一第一寄生電感器和一第二寄生電感器。
  6. 如請求項1的方法，更包括使用該補償信號來改變一定限參考電壓。
  7. 如請求項6的方法，更包括：傳輸通過該第一電感器的一電流以產生該補償信號。
  8. 如請求項1的方法，其中使用該補償信號來補償來自該一個或多個寄生元件的該信號包括，補償一源極電感器和一汲極電感器。
  9. 如請求項1的方法，其中使用該補償信號來補償該電晶體之該至少一寄生電感的該信號包括傳輸實質上等於該電晶體的一導通電阻兩端之間的一電壓的一電壓。
  10. 一種用於調節一參考電壓之方法，該方法包括：產生在一電晶體的一第一端子和一第二端子兩端之間的一電壓，其中該電晶體包括一寄生源極電感及一寄生汲極電感中至少一者，且該電壓之一部分係在該寄生源極電感及該寄生汲極電感中該至少一者的兩端之間；以及從一被動非寄生電路元件產生一補償電壓，該補償電壓補償該寄生源極電感及該寄生汲極電感中該至少一者之該電壓的一部分。
  11. 如請求項10的方法，其中產生在該電晶體的該第一端子和該第二端子兩端之間的該電壓包括產生在一汲極端子寄生電感器和一源極端子寄生電感器兩端之間的一電壓。
  12. 如請求項11的方法，其中該補償電壓補償在該汲極端子寄生電感器和該源極端子寄生電感器兩端之間的電壓的一部分。
  13. 如請求項11的方法，更包括使用該補償電壓來調節一定限參考電壓的一輸出準位。
  14. 如請求項13的方法，更包括提供一補償電感器作為該被動非寄生電路元件，且其中產生該補償電壓包括產生在該補償電感器兩端之間的補償電壓。
  15. 如請求項14的方法，其中產生在該補償電感器兩端之間的該補償電壓包括產生在固定至一基板之該補償電感器兩端之間的該補償電壓。
  16. 如請求項15的方法，其中產生在固定至該基板之該補償電感器兩端之間的該補償電壓包括產生在固定至由一印刷電路板所製成之該基板之該補償電感器兩端之間的該補償電壓。
  17. 如請求項16的方法，更包括使用該補償電壓來調節該參考電壓的一輸出準位。
  18. 如請求項10的方法，更包括從在該基板上或中形成的傳導跡線形成之該被動非寄生電路元件產生該補償電壓。
  19. 一種電路，包括：一基板，其具有一主表面；一電晶體，其安裝到該基板，該電晶體具有多個端子和至少一個寄生元件；以及一補償元件，其安裝到該基板，其中該補償元件係一被動非寄生電路元件且被選擇成補償該電晶體的該至少一個寄生元件。
  20. 如請求項19的電路，其中該補償元件是一電感器。
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