TWI491156B - 同步整流電路 - Google Patents

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TWI491156B TW098144917A TW98144917A TWI491156B TW I491156 B TWI491156 B TW I491156B TW 098144917 A TW098144917 A TW 098144917A TW 98144917 A TW98144917 A TW 98144917A TW I491156 B TWI491156 B TW I491156B
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Chou Sheng Wang
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Description

同步整流電路
本發明係有關於一種功率轉換器，特別是有關於一種功率轉換器之同步整流器。
第1圖係表示柔性切換功率轉換器之電路架構。此柔性切換功率轉換器包括變壓器10，為了安全性，變壓器10提供了功率轉換器之輸入VIN與輸出VO之間的隔離。開關20與30構成一個半橋電路，以切換變壓器10，切換電路(SW CIRCUIT)90產生切換信號SH及SL，以分別切換開關20及30。變壓器10之一次側線圈NP的漏電感與電容器41及42形成一個諧振槽。此漏電感L與電容器41及42之等效電容C決定了此諧振槽的共振頻率 f 0 。
變壓器10將能量由一次側線圈NP轉移至變壓器10之二次側線圈NS1及NS2。整流器61及62與電容器65執行整流與濾波操作，以產生輸出VO。電壓調整裝置(例如基納二極體)70、電阻器71、以及光耦合器80形成一個耦接輸出VO的調整電路。光耦合器80更耦接切換電路90，以形成回授路徑來調整輸出VO。切換電路90根據回授路徑信號來產生切換信號SH及SL。
雖然柔性切換功率轉換器可達到高功效以及低電磁干擾(electric-magnetic interference，EMI)效能，但是，整流器61及62的順向偏壓仍會造成顯著的功率損失。本發明之目的在於提供一種同步整流電路，用以切換功率轉換 器以達到較高的功效。
本發明提供一種同步整流電路，用於一切換功率轉換器。此同步整流電路包括一功率電晶體、一二極體、以及一控制電路。功率電晶體及二極體耦接於一變壓器及功率轉換器之輸出，以執行整流操作。控制電路產生一驅動信號，以在二極體遭受順向偏壓時導通功率電晶體。控制電路包括一相位鎖定電路。此相位鎖定電路根據驅動信號之脈波寬度來產生一關閉信號來關閉功率電晶體。相位鎖定電路更根據一回授信號來減少驅動信號之脈波寬度。而此回授信號與功率轉換器之輸出負載相關連。
本發明又提供一種同步整流電路，用於一切換功率轉換器。此同步整流電路包括一功率電晶體、一二極體、以及一控制電路。功率電晶體及二極體耦接於一變壓器以執行整流操作。控制電路產生驅動信號，以在二極體遭受順向偏壓時導通功率電晶體。控制電路包括一相位鎖定電路。此相位鎖定電路根據驅動信號之脈波寬度來禁能驅動信號以關閉功率電晶體。驅動信號之脈波寬度短於二極體之導通期間。
在一些實施例中，控制電路包括一最大期間電路。此最大期間電路產生一最大期間信號來關閉功率電晶體，以限制功率電晶體之導通時間。控制電路更包括一禁止電路。此禁止電路產生一禁止信號。而此禁止信號為一單擊信號，用以在功率電晶體關閉之後禁止功率電晶體之導通狀態。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
第2圖係表示具有積體同步整流器(同步整流電路)之諧振功率轉換器。功率轉換器包括變壓器10其具有一個一次側線圈NP以及兩個二次側線圈NS1與NS2。變壓器15之一次側線圈NP的漏電感與電容器41及42形成諧振槽。變壓器15之一次側線圈NP具有兩個開關20及30，用以切換變壓器15之一次側線圈NP。同步整流電路51具有一陰極K，其耦接二次側線圈NS1。同步整流電路51之一陽極端A耦接功率轉換器之輸出接地端。另一同步整流電路52具有一陰極端K，其耦接二次側線圈NS2。同步整流電路52更具有一陽極端A，其耦接功率轉換器之輸出接地端。
同步整流電路51包括一第一功率電晶體、一第一二極體、一第一控制電路。同步整流電路52包括一第二功率電晶體、一第二二極體、一第二控制電路。同步整流電路51及52產生一鎖定信號L，以避免同步整流電路51及52同時啟動。當第一二極體或第一功率電晶體導通時，鎖定信號L避免第二功率電晶體的導通。第二二極體或第二功率電晶體導通時，鎖定信號L避免第一功率電晶體的導通。此外，同步整流電路51及52具有輸入端XP及XN，這些輸入端XP及XN耦接一回授路徑以接收一回授信號。一電壓調整裝置(例如基納二極體)70、電阻器71及72、以及一光耦合器80形成一個調整電路，以調整功率轉換器之 輸出VO。光耦合器80更耦接切換電路90，以形成回授路徑來調整輸出VO。輸入端XP及XN耦接電阻器72。
第3圖係表示同步整流電路50之示意圖，其表示同步整流電路51或52的電路。同步整流電路包括一功率電晶體200、一二極體250、以及一控制電路100。控制電路100產生一驅動信號VG，以控制功率電晶體200。二極體250與功率電晶體200並聯耦接。二極體250為一實體二極體或是功率電晶體200之寄生裝置。功率電晶體200耦接於陰極端K與陽極端A之間。陰極端K耦接變壓器10之二次側線圈。陽極端A耦接功率轉換器之輸出VO。一旦二極體250遭受順向偏壓時，控制電路100將產生一導通信號來致能驅動信號VG並導通功率電晶體200。控制電路100將根據導通信號的期間來產生一關閉信號來禁能驅動信號VG並關閉功率電晶體200。一鎖定端輸出鎖定信號L，以表示功率電晶體200之導通/關閉。輸入端XP及XN用來接收回授信號。
第4圖係表示控制電路100之實施例。控制電路100包括一相位鎖定電路(PL)300、一仲裁器電路900、以及一控制器。此控制器係由一正反器150、一比較器130、一延遲電路(DLY)170、一反或閘(NOR)119、及閘125、118、160、以及一輸出緩衝器165所組成。
比較器130具有一臨界電壓VTH，耦接至其正輸入端。比較器130之負輸入端耦接陰極端K。比較器130之輸出端產生一導通信號EN。導通信號EN以及鎖定信號L透過及閘118而耦合至正反器150之時脈輸入端(”ck”)。因 此，只在鎖定信號L被禁能時驅動信號VG才被致能。正反器150之重置輸入端(”R”)受到反或閘119的輸出所控制。正反器150之輸出(信號SW)及導通信號EN耦合至及閘160。正反器150如栓鎖電路般地操作。及閘160之輸出端耦接輸出緩衝器165。驅動信號VG產生於輸出緩衝器165之輸出端，以控制功率電晶體200。
仲裁器電路900包括鎖定電路(LOCK)290以及偵測電路(DET)175。鎖定電路290產生鎖定信號L。在一非正常情況發生時，偵測電路185產生重置信號SM以關閉驅動信號VG以及功率電晶體200。重置信號SM透過反或閘119而耦合至正反器150之重至輸入端(”R”)，以清除正反器150。
一旦陰極端K之電壓低於臨界電壓VTH時(即二極體250導通時)，驅動信號VG被產生來導通功率電晶體200。反或閘119之一輸入端耦接及閘125之輸出端。及閘125之第一輸入端耦接延遲電路170之輸出(遮沒信號SB)。延遲電路170之輸入端接收驅動信號VG。延遲電路170提供遮沒時間以實現最小導通時間給驅動信號VG。相位鎖定電路300產生一關閉信號RS，且此關閉信號RS耦合至及閘125之第二輸入端。關閉信號RS係根據導通信號EN以及輸入端XP與XN之信號而產生。關閉信號RS係用來關閉驅動信號VG。當二極體250導通且受到順向偏壓時，陰極端K的電壓將小於臨界電壓VTH。因此，只有在二極體250導通後，功率電晶體200才可導通，以實現功率電晶體200之柔性切換。此外，當二極體250遭受到反向偏壓時，驅 動信號VG將被禁能且功率電晶體200將關閉。關閉信號RS根據相位鎖定電路300的操作來關閉功率電晶體200。驅動信號VG之脈波寬度短於二極體250之導通期間。
第5圖係表示偵測電路175之電路示意圖。偵測電路175包括一最大期間電路、一禁止電路、以及一保護電路。在此實施例中，最大期間電路係由一延遲電路(DLY)180所組成；保護電路係由一及閘177以及一延遲電路(DLY)185所組成；禁止電路係由脈波產生電路191所組成。導通信號EN耦接延遲電路180之輸入端。延遲電路180產生一最大期間信號，而此最大期間信號耦合至一或閘187之一輸入端。導通信號EN更透過一反向器176而耦合至及閘177之一輸入端。及閘177之另一輸入端耦接驅動信號VG。及閘177之輸出端耦接延遲電路185。延遲電路185產生一保護信號，而此保護信號耦合至或閘187之另一輸入端。或閘187之輸出端用來觸發一脈波產生電路190。脈波產生電路190之輸出端耦接一及閘195之一輸入端。導通信號EN更透過反向器176耦合至脈波產生電路191之輸入端。脈波產生電路191產生一禁止信號，而此禁止信號透過一反向器193耦合至及閘195之另一輸入端。及閘195產生重置信號SM，以關閉驅動信號VG。因此，最大期間信號係用來關閉功率電晶體200，以限制功率電晶體200的導通時間。禁止信號則係用來在功率電晶體200關閉之後禁止功率電晶體200之導通狀態。禁止信號為一單擊信號。此單擊信號之脈波寬度係由脈波產生電路191所控制。保護信號也用來關閉功率電晶體200，以在非正常情 況下限制功率電晶體200之電流。
第6圖係表示延遲電路之示意圖。一電流源273用來對一電容器275充電。一電晶體272用來使電容器275放電。一輸入信號IN透過一反向器271來控制電晶體272。此輸入信號IN更耦合至一及閘279之一輸入端。及閘279之另一輸入端耦接電容器275。一旦輸入信號IN被致能，及閘279之輸出端將產生一輸出信號OUT。延遲時間係由電流源273之電流以及電容器275之電容值所決定。
第7圖係表示脈波產生電路。一電流源473用來對一電容器475充電。一電晶體472用來使電容器475放電。一信號I透過一反向器471來控制電晶體472。此信號I更耦合至一及閘479之一輸入端。及閘479之另一輸入端透過一反向器478耦接電容器475。及閘479之輸出端產生一輸出脈波信號O。此輸出脈波信號O之脈波寬度係由電流源473之電流以及電容器475之電容值所決定。在第7圖之實施例中，由及閘479所產生之輸出脈波信號O作為上述禁止信號，以透過第5圖之反向器193來耦合至及閘195之一輸入端。
第8圖係表示鎖定電路290之示意圖。一正反器293由驅動信號VG導通。驅動信號VG以及導通信號EN耦合至一或閘291。或閘291之輸出用來重置正反器293。正反器293之輸出端耦接一或閘295之一輸入端。或閘295之另一輸入端接收驅動信號VG。或閘295之輸出驅動一電晶體297。電晶體297產生上述鎖定信號L。一電流源296提供拉高效應給鎖定信號L。鎖定信號L是根據驅動信號 VG的致能而產生的。當驅動信號VG與導通信號EN被禁能時，鎖定信號L將被禁能。只有當鎖定信號L被禁能時，驅動信號VG才被初始化及致能。
第9圖係表示相位鎖定電路300。一開關341、一電流源340、以及一電容器350組成一充電電路。導通信號EN用透過開關341及電流源340來致能電容器350的充電。一斜坡信號因而產生於電容器350上。導通信號EN更用來透過脈波產生電路315與325以及反向器311與321產生一取樣信號S1以及一清除信號S2。一開關342以及一電容器351形成一取樣電路。取樣信號S1透過開關342來對由電容器350之信號進行取樣，以提供至電容器351。因此，在電容器351產生一維持信號。在取樣後，清除信號S2透過一開關343來清除電容器350。電容器351之維持信號的位準與導通信號EN之致能期間相關聯。電容器351之維持信號透過一緩衝放大器360與一電阻器370而耦合至一比較器380之一輸入端。一電流源600更耦接電阻器370，以在電阻器370產生一電壓降。比較器380之另一輸入端用來接收上述斜坡信號。比較器380之輸出端耦接一反向器390。反向器390產生上述關閉信號RS以進能驅動信號VG。電流源600之電流IB被調整以產生關閉信號RS。驅動信號VG之脈波寬度因此短於二極體250之導通期間。
此外，一電流源396透過一開關395來使電容器351放電，並減少維持信號之位準。一比較電路(COM)(相位偵測器)500根據在輸入端XP及XN上的回授信號來產生一重新啟動信號S3，以致能開關395來實現上述放電操 作。比較電路500係用來在回授信號高於一臨界值510時(如第10圖所示)，減少驅動信號VG之脈波寬度。在功率轉換器之輕負載期間，回授信號高於臨界值510。因此，當輸出VO之負載由重負載變為輕負載時，驅動信號VG之脈波寬度將減小。
第10圖係表示比較電路500之示意圖。具有上述臨界值510之一比較器520耦接輸入端XP及XN。比較器520之輸出用來啟動一正反器525。正反器525產生上述重新啟動信號S3。重新啟動信號S3更透過一延遲電路530來重置正反器525。
第11圖係表示本發明實施例之同步整流電路之主要信號波形圖。變壓器15之切換電流IS包括IS1及IS2部分。驅動信號VG1及VG2分別為同步整流電路51及52之驅動信號。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
第1圖：
10‧‧‧變壓器
20、30‧‧‧開關
41、42‧‧‧電容器
61、62‧‧‧整流器
65‧‧‧電容器
70‧‧‧電壓調整裝置(基納二極體)
71‧‧‧電阻器
80‧‧‧光耦合器
90‧‧‧切換電路
NP‧‧‧一次側線圈
NS1、NS2‧‧‧二次側線圈
SH、SL‧‧‧切換信號
VIN‧‧‧輸入
VO‧‧‧輸出
第2圖：
51、52‧‧‧同步整流電路
A‧‧‧同步整流電路之陽極端
K‧‧‧同步整流電路之陰極端
L‧‧‧鎖定信號
XP、XN‧‧‧同步整流電路之輸入端
IS1、IS2‧‧‧變壓器之切換電流
第3圖：
50‧‧‧同步整流電路
100‧‧‧控制電路
200‧‧‧功率電晶體
250‧‧‧二極體
VG‧‧‧驅動信號
第4圖：
118‧‧‧及閘
119‧‧‧反或閘
125‧‧‧及閘
130‧‧‧比較器
150‧‧‧正反器
160‧‧‧及閘
165‧‧‧輸出緩衝器
170‧‧‧延遲電路
175‧‧‧偵測電路
290‧‧‧鎖定電路
300‧‧‧相位鎖定電路
900‧‧‧仲裁器電路
EN‧‧‧導通信號
RS‧‧‧關閉信號
SB‧‧‧遮沒信號
SM‧‧‧重置信號
SW‧‧‧正反器之輸出信號
VTH‧‧‧臨界電壓
第5圖：
176‧‧‧反向器
177‧‧‧及閘
180、185‧‧‧延遲電路
187‧‧‧或閘
190、191‧‧‧脈波產生電路
193‧‧‧反向器
195‧‧‧及閘
第6圖：
271‧‧‧反向器
272‧‧‧電晶體
273‧‧‧電流源
275‧‧‧電容器
279‧‧‧及閘
IN‧‧‧輸入信號
OUT‧‧‧輸出信號
第7圖：
471‧‧‧反向器
472‧‧‧電晶體
473‧‧‧電流源
475‧‧‧電容器
478‧‧‧反向器
479‧‧‧及閘
I‧‧‧信號
O‧‧‧輸出脈波信號
第8圖：
291‧‧‧或閘
293‧‧‧正反器
295‧‧‧或閘
296‧‧‧電流源
297‧‧‧電晶體
第9圖：
311‧‧‧反向器
315‧‧‧脈波產生電路
321‧‧‧反向器
325‧‧‧脈波產生電路
340‧‧‧電流源
341、342、343‧‧‧開關
350、351‧‧‧電容器
360‧‧‧緩衝放大器
370‧‧‧電阻器
380‧‧‧比較器
390‧‧‧反向器
395‧‧‧開關
396‧‧‧電流源
500‧‧‧比較電路
600‧‧‧電流源
S1‧‧‧取樣信號
S2‧‧‧清除信號
IB‧‧‧電流源之電流
S3‧‧‧重新啟動信號
第10圖：
510‧‧‧臨界值
520‧‧‧比較器
525‧‧‧正反器
530‧‧‧延遲電路
第11圖：
IS‧‧‧變壓器之切換電流
VG1、VG2‧‧‧驅動信號
第1圖表示柔性切換功率轉換器之電路示意圖；第2圖表示根據本發明實施例，用於諧振供率轉換器之同步整流器；第3圖表示根據本發明實施例之積體同步整流器之示意圖； 第4圖表示根據本發明實施例，用於同步整流器之控制電路；第5圖表示根據本發明實施例之偵測電路之示意圖；第6圖表示根據本發明實施例之延遲電路之示意圖；第7圖表示脈波產生器；第8圖表示根據本發明實施例之鎖定電路之示意圖；第9圖表示根據本發明實施例之相位鎖定電路之示意圖；第10圖表示根據本發明實施例之比較電路之示意圖；以及第11圖表示根據本發明實施例，同步整流器之主要信號之波形圖。
100‧‧‧控制電路
118‧‧‧及閘
119‧‧‧反或閘
125‧‧‧及閘
130‧‧‧比較器
150‧‧‧正反器
160‧‧‧及閘
165‧‧‧輸出緩衝器
170‧‧‧延遲電路
175‧‧‧偵測電路
250‧‧‧二極體
290‧‧‧鎖定電路
300‧‧‧相位鎖定電路
900‧‧‧仲裁器電路
EN‧‧‧導通信號
K‧‧‧同步整流電路之陰極端
L‧‧‧鎖定信號
RS‧‧‧關閉信號
SB‧‧‧遮沒信號
SM‧‧‧重置信號
SW‧‧‧正反器之輸出信號
VTH‧‧‧臨界電壓
VG‧‧‧驅動信號
XP、XN‧‧‧同步整流電路之輸入端

Claims (11)

  1. 一種同步整流電路，用於一切換功率轉換器，該切換功率轉換器具有一一次側線圈以及一二次側線圈，該二次側線圈具有第一端以及第二端，且該二次側線圈的第一端耦接該切換功率轉換器的輸出，該同步整流電路包括：一功率電晶體及一二極體，其中，該功率電晶體以及該二極體都耦接於該二次側線圈的第二端與該功率轉換器之一輸出接地之間，以執行整流操作；以及一控制電路，用以產生一驅動信號，以在該二極體遭受順向偏壓時導通該功率電晶體，其中，該控制電路包括：一相位鎖定電路，用以根據該驅動信號之脈波寬度來產生一關閉信號來關閉該功率電晶體；其中，該相位鎖定電路更根據一回授信號來減少該驅動信號之脈波寬度；以及其中，該回授信號與該功率轉換器之一輸出負載相關連。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之同步整流電路，其中，該控制電路更包括：一最大期間電路，用以產生一最大期間信號；其中，該最大期間信號用來關閉該功率電晶體，以限制該功率電晶體之導通時間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之同步整流電路，其中，該控制電路更包括：一禁止電路，用以產生一禁止信號；其中，該禁止信號為一單擊信號，且在該功率電晶體 關閉之後，該單擊信號用來禁止該功率電晶體之導通狀態。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之同步整流電路，其中，該相位鎖定電路更包括：一充電電路，當該驅動信號被致能時用以產生一斜坡信號；一取樣電路，用以根據該斜坡信號之位準來產生一維持信號；以及一比較器，用以根據該斜坡信號與該維持信號之間的比較來產生該關閉信號；其中，該維持信號之位準與該驅動信號之脈波寬度相關連。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之同步整流電路，其中，該相位鎖定電路更包括：一相位偵測器，用以產生一重新啟動信號，以減少該維持信號之位準；其中，該重新啟動信號產生於當該回授信號高於一臨界值時。
  6. 一種同步整流電路，用於一切換功率轉換器，該切換功率轉換器具有一一次側線圈以及一二次側線圈，該二次側線圈具有第一端以及第二端，且該二次側線圈的第一端耦接該切換功率轉換器的輸出，包括：一功率電晶體及一二極體，其中，該功率電晶體以及該二極體都耦接於該二次側線圈的第二端與該切換功率轉換器的一輸出接地之間，以執行整流操作；以及一控制電路，用以產生一驅動信號，以在該二極體遭 受順向偏壓時導通該功率電晶體，其中，該控制電路包括：一相位鎖定電路，用以根據該驅動信號之脈波寬度來禁能該驅動信號以關閉該功率電晶體；其中，該驅動信號之脈波寬度短於該二極體之導通期間。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之同步整流電路，其中，該相位鎖定電路更根據該回授信號來改變驅動信號之脈波寬度，且該回授信號與該供率轉換器之一輸出負載相關連。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之同步整流電路，其中，該控制電路更包括：一最大期間電路，用以產生一最大期間信號；其中，該最大期間信號用來關閉該功率電晶體，以限制該功率電晶體之導通時間。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之同步整流電路，其中，該控制電路更包括：一禁止電路，用以產生一禁止信號；其中，該禁止信號為一單擊信號，且在該功率電晶體關閉之後，該單擊信號用來禁止該功率電晶體之導通狀態。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之同步整流電路，其中，該相位鎖定電路更包括：一充電電路，當該驅動信號被致能時用以產生一斜坡信號；一取樣電路，用以根據該斜坡信號之位準來產生一維持信號；以及一比較器，用以根據該斜坡信號與該維持信號之間的 比較來產生該關閉信號；其中，該維持信號之位準與該驅動信號之脈波寬度相關連。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之同步整流電路，其中，該相位鎖定電路更包括：一相位偵測器，用以產生一重新啟動信號，以減少該維持信號之位準；其中，該重新啟動信號產生於當該回授信號高於一臨界值時。
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