TWI504114B - 控制電路以及同步整流控制電路 - Google Patents

控制電路以及同步整流控制電路 Download PDF

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TWI504114B TW102131621A TW102131621A TWI504114B TW I504114 B TWI504114 B TW I504114B TW 102131621 A TW102131621 A TW 102131621A TW 102131621 A TW102131621 A TW 102131621A TW I504114 B TWI504114 B TW I504114B
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Description

控制電路以及同步整流控制電路
本發明係關於一種同步整流的控制電路，更具體而言，本發明係關於其一種具有電荷泵的同步整流的控制電路，以改善功率轉換器的效率。
同步整流技術已揭露於許多的習知技術中，例如，名稱為”PWM Controller for Synchronous Rectifier of Flyback Power Converter”且編號為6,995,991的美國專利、名稱為”Synchronous Rectification Circuit for Power Converters”且編號為7,440,298的美國專利，以及名稱為”Synchronous Rectifying for Soft Switching Power Converters”且編號為8,072,787的美國專利。
圖1係表示習知具有同步整流的功率轉換器。由切換信號SW 所控制的電晶體20係耦接來切換變壓器10，以將來自輸入電壓VIN 的能量轉移至功率轉換器的輸出電壓VO 。當整流器35(或者是電晶體30的本體二極體)導通以將電源由變壓器10傳遞至輸出電容器40時，電晶體30將導通以減少整流器35的傳導損失(整流器35的順向偏壓降)。同步整流控制電路50的端點DET耦接電晶體30以及/或變壓器10以偵測信號SDET 並實現同步整流。同步整流控制電路50根據信號SDET 以在其端點VG上產生控制信號VG 。控制 信號VG 係用來切換電晶體30。在大多數的應用中，在同步整流控制電路50的端點VCC上的電源(VCC )係由功率轉換器的輸出電壓VO 所供應。這些應用的缺點是，當輸出電壓VO 變成一低電壓時，控制信號VG 的電壓準位不足以驅動電晶體30。
圖2係表示習知功率轉換器的電壓-電流曲線(輸出電壓VO 相對於輸出電流IO )。當功率轉換器操作在定電流模式時，輸出電壓VO 將為一低電壓。在區域65中，輸出電壓VO 相對低。假使功率轉換器操作在區域65，同步整流控制電路50的電源(VCC )會過低，以使得控制信號VG 無法完全地導通電晶體30。這將導致功率轉換器的低效率問題。
本發明提供一種同步整流控制電路，具有電荷泵且用於功率轉換器。此同步電流控制電路包括：同步整流驅動器、電荷泵電容器、電容器、複數個開關、振盪器以及偵測電路。同步整流驅動器耦接變壓器，且產生控制信號來切換電晶體。電荷泵電容器耦接電源，且產生電荷泵電壓。電容器儲存電荷泵電壓。電晶體耦接該變壓器，且操作如同同步整流器。電荷泵電壓確保了控制信號的足夠驅動能力。該些複數個開關以切換方式來對電荷泵電容器充電，藉此實現電荷泵。振盪器產生振盪信號來實現電荷泵電容器的切換方式。偵測電路偵測電源的電壓準位。當電源的電壓準位高於臨界值時，偵測電路產生偵測信號。偵測信號禁能電荷泵以及將電源傳遞至電容器。當電荷泵電壓低於低電壓臨界值時，控制信號被禁能。當電荷泵電壓高於高電壓臨界值時，控制信號被致能。
本發明提供一種控制電路，用於功率轉換器的同步整流。此控制電路包括同步整流驅動器、升壓電感器、電容器、開關、偵測電路以及振盪器。同步整流驅動器耦接變壓器，且產生控制信號來切換電晶體。升壓電感器耦接電源，且產生升壓電壓。電容器儲存升壓電壓。電晶體耦接變壓器，且操作如同同步整流器。升壓電壓確保了控制信號的足夠驅動能力。開關用來切換升壓電感器來實現升壓切換操作。偵測電路偵測電源的電壓準位。當電源的電壓準位高於臨界值時，偵測電路產生偵測信號。偵測信號禁能升壓切換操作以及將電源傳遞至電容器。振盪器產生振盪信號來切換升壓電感器。當升壓電壓低於低電壓臨界值時，控制信號被禁能。當升壓電壓高於高電壓臨界值時，控制信號被致能。
圖1：
10‧‧‧變壓器
20‧‧‧電晶體
30‧‧‧電晶體
35‧‧‧整流器
40‧‧‧輸出電容器
50‧‧‧同步整流控制電路
DET‧‧‧端點
GND‧‧‧端點
IO ‧‧‧輸出電流
SDET ‧‧‧偵測信號
SW ‧‧‧切換信號
VCC ‧‧‧電壓(電源)
VG ‧‧‧控制信號
VIN ‧‧‧輸入電壓
VO ‧‧‧輸出電壓
VCC‧‧‧端點
VG‧‧‧端點
圖2：
65‧‧‧區域
IO ‧‧‧輸出電流
VO ‧‧‧輸出電壓
圖3：
10‧‧‧變壓器
20‧‧‧電晶體
30‧‧‧電晶體
35‧‧‧整流器
40‧‧‧輸出電容器
51‧‧‧電荷泵電容器
52‧‧‧電容器
100‧‧‧同步整流控制電路
DET‧‧‧端點
GND‧‧‧端點
IO ‧‧‧輸出電流
SDET ‧‧‧偵測信號
SW ‧‧‧切換信號
VCC ‧‧‧電壓(電源)
VG ‧‧‧控制信號
VIN ‧‧‧輸入電壓
VO ‧‧‧輸出電壓
VCC‧‧‧端點
VDD‧‧‧端點
VG‧‧‧端點
X、Y‧‧‧端點
圖4：
51‧‧‧電荷泵電容器
52‧‧‧電容器
71、72、73、74‧‧‧開關
100‧‧‧同步整流控制電路
200‧‧‧時序器電路
300‧‧‧同步整流驅動器
S1 、S2 、S3 、S4 ‧‧‧信號
SDET ‧‧‧偵測信號
VCC ‧‧‧電壓(電源)
VDD ‧‧‧電壓(電荷泵電壓)
VG ‧‧‧控制信號
VCC‧‧‧端點
VDD‧‧‧端點
X、Y‧‧‧端點
圖5：
200‧‧‧時序器電路
210‧‧‧振盪器
215‧‧‧比較器
230‧‧‧正反器
250‧‧‧信號產生器
251、252、254‧‧‧或閘
253‧‧‧反或閘
S1 、S2 、S3 、S4 ‧‧‧信號
SA 、SB 、SC 、SD ‧‧‧信號
SOSC ‧‧‧振盪信號
SV ‧‧‧偵測信號
VCC ‧‧‧電壓(電源)
圖6A、6B、7：
51‧‧‧電荷泵電容器
52‧‧‧電容器
71、72、73、74‧‧‧開關
S1 、S2 、S3 、S4 ‧‧‧信號
VCC‧‧‧端點
VDD‧‧‧端點
X、Y‧‧‧端點
圖8：
300‧‧‧同步整流驅動器
310‧‧‧比較器
315‧‧‧反相器
320、321‧‧‧開關
350‧‧‧同步整流信號產生器
SDET ‧‧‧偵測信號
SUV ‧‧‧信號
VCC ‧‧‧電壓(電源)
VDD ‧‧‧電壓(電荷泵電壓)
VG ‧‧‧控制信號
VT2 ‧‧‧高電壓臨界值
VT3 ‧‧‧低電壓臨界值
圖9：
10‧‧‧變壓器
20‧‧‧電晶體
30‧‧‧電晶體
35‧‧‧整流器
40‧‧‧輸出電容器
52‧‧‧電容器
53‧‧‧升壓電感器
500‧‧‧同步整流控制電路
B‧‧‧端點
DET‧‧‧端點
GND‧‧‧端點
IO ‧‧‧輸出電流
SDET ‧‧‧偵測信號
SW ‧‧‧切換信號
VCC ‧‧‧電壓(電源)
VG ‧‧‧控制信號
VIN ‧‧‧輸入電壓
VO ‧‧‧輸出電壓
VCC‧‧‧端點
VDD‧‧‧端點
VG‧‧‧端點
圖10：
52‧‧‧電容器
53‧‧‧升壓電感器
210‧‧‧振盪器
215‧‧‧比較器
230‧‧‧正反器
300‧‧‧同步整流驅動器
500‧‧‧同步整流控制電路
510、520‧‧‧開關
515‧‧‧反或閘
525‧‧‧或閘
600‧‧‧信號產生器
B‧‧‧端點
SDET ‧‧‧偵測信號
SOSC ‧‧‧振盪信號
SV ‧‧‧偵測信號
SX 、SY ‧‧‧信號
VCC ‧‧‧電壓(電源)
VDD ‧‧‧電壓(電荷泵電壓)
VG ‧‧‧控制信號
VCC‧‧‧端點
VDD‧‧‧端點
圖11A、11B、12：
52‧‧‧電容器
53‧‧‧升壓電感器
510、520‧‧‧開關
B‧‧‧端點
IL ‧‧‧電流
SX 、SY ‧‧‧信號
VCC ‧‧‧電壓(電源)
VCC‧‧‧端點
VDD‧‧‧端點
圖1表示習知具有同步整流的功率轉換器。
圖2表示在圖1中具有同步整流的功率轉換器的電壓-電流曲線。
圖3表示根據本發明一實施例，具有同步整流的功率轉換器。
圖4表示根據本發明一實施例，在圖3中功率轉換器的同步整流控制電路。
圖5表示根據本發明一實施例，在圖4中同步整流控制電路的時序器電路。
圖6A以及圖6B分別表示在圖3中同步整流控制器的電荷泵的 第一週期以及第二週期。
圖7表示表示在圖3中同步整流控制器不具電荷泵的操作； 圖8表示根據本發明一實施例，在圖4中同步整流控制電路的同步整流驅動器。
圖9表示根據本發明另一實施例具有同步整流的功率轉換器。
圖10表示根據本發明一實施例，在圖9中功率轉換器的同步整流控制電路。
圖11A與圖11B分別表示在圖9中同步整流控制器的升壓切換操作的第一週期以及第二週期。
圖12表示在圖9中同步整流控制器不具升壓切換操作的操作。
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。
圖3係表示根據本發明一實施例的功率轉換器。由切換信號SW 所控制的電晶體20係耦接來切換變壓器10，以將來自輸入電壓VIN 的能量轉移至功率轉換器的輸出電壓VO 。當整流器35(或者是電晶體30的本體二極體)導通以將電源由變壓器10傳遞至輸出電容器40時，電晶體30將導通以減少整流器35的傳導損失(整流器35的順向偏壓降)。電晶體30的操作使其如同一同步整流器。同步整流控制電路50的端點DET耦接電晶體30以及/或變壓器10以偵測信號SDET 並實現同步整流。具有電荷泵(charge pump)同步整流控制電路100係操作來驅動電晶體30。同步整流控制器100耦接介於其端點X與Y之間的電荷泵電容器51，以將VCC 電壓(電 源)升壓並儲存至電容器52，因此在同步整流控制電路100的端點VDD上產生VDD 電壓。VDD 電壓的準位高於VCC 電壓的準位。VDD 電壓可確保了產生於同步整流控制電路100的端點VG上的控制信號VG ，具有足夠的驅動能力來驅動電晶體30。當VCC 電壓為一高電壓時，同步整流控制電路100將禁能電荷泵，且直接將VCC 電壓耦合成為VDD 電壓。
圖4係表示根據本發明一實施例的同步整流控制電路100。同步整流控制電路100包括複數個開關71、72、73、與74、時序器電路200以及同步整流驅動器300。同步整流驅動器300耦接變壓器10以產生控制信號VG 來切換電晶體30。這些開關71、72、73、與74耦接電荷泵電容器51以產生VDD 電壓。開關71、72、73、與74的導通/截止(on/off)狀態係分別由時序器電路200所產生的信號S1 、S2 、S3 、與S4 來控制。在同步整流控制電路100的端點VCC上的VCC 電壓(電源)耦合至時序器電路200以產生信號S1 、S2 、S3 、與S4 。VDD 電壓耦合來將電源供應至同步整流驅動器300。同步整流驅動器300根據VCC 電壓以及/或信號SDET 來產生控制信號VG 。偵測信號SDET 以產生控制信號VG 來驅動電晶體30的操作已為此技術領域中具有通常知識者所知，因此在此省略相關敍述。
圖5係表示根據本發明一實施例的同步整流控制電路100的時序器電路200。時序器電路200包括振盪器210、比較器215、正反器230、信號產生器250、或閘251、252與254以及反或閘253。振盪器210產生振盪信號SOSC ，其耦合至信號產生器250以產生信號SA 、SB 、SC 、與SD 。比較器215以及正反器230形成一偵測電路，以偵測VCC (電源)。比較器215接收VCC 電壓(電源)以及 臨界值VT1 ，且比較此兩者。當VCC 電壓高於臨界值VT1 時，比較器215透過正反器230產生偵測信號SV 。偵測信號SV 以及信號SA 、SB 、SD 、與SC 透過或閘251、252與254以及反或閘253來分別產生信號S1 、S2 、S4 、與S3 。在第一週期(如圖6A所示)，信號S1 與S2 被致能以分別導通開關71與72。跨越電荷泵電容器51的電壓將被充電至與VCC 電壓的準位相同的準位。在第二週期(如圖6B所示)，信號S3 與S4 被致能以分別導通開關73與74。VCC 電壓與跨越電荷泵電容器51的電壓將被加總以對電容器52充電。即，VCC 電壓與跨越電荷泵電容器51的電壓的加總電壓將儲存於電容器52中。在此時，VDD 電壓的準位將大致等於VCC 電壓的準位的兩倍。當VCC 電壓高於臨界值VT1 時，偵測信號SV 將被產生來禁能信號S3 且致能信號S1 、S2 、與S4 (顯示於圖7，開關71、72、與74導通而開關73截止)，因此，VCC 電壓將直接地供應作為VDD 電壓(電荷泵將被禁能)。
圖8係表示根據本發明一實施例的同步整流驅動器300。同步整流驅動器300包括比較器310、反相器315、開關320與321以及同步整流信號產生器350。VDD 電壓係耦合來對同步整流信號產生器350供電。同步整流信號產生器350根據信號SUV 以及VCC 電壓以及/或信號SDET 來產生控制信號VG 。當VDD 電壓高於一高電壓臨界值VT2 時，信號SUV 由比較器310所產生(致能)。當信號SUV 被致能時，控制信號VG 被致能。反相器315以及開關320與321形成遲滯電路。當VDD 電壓低於一低電壓臨界值VT3 時，信號SUV 被禁能。其中，高電壓臨界值VT2 的準位高於低電壓臨界值VT3 的準位。當信號SUV 被禁能時，控制信號VG 被禁能。
圖9係表示根據本發明另一實施例的具有同步整流 的功率轉換器。具有電荷泵的同步整流控制電路500係耦接來驅動電晶體30。同步整流控制電路500耦接升壓電感器53，以將VCC 電壓(電源)升壓至VDD 電壓，藉此儲存在電容器52，其中，升壓電感器53耦接同步整流控制電路500的端點B。VDD 電壓可確保了產生於同步整流控制電路500的端點VG上的控制信號VG ，具有足夠的驅動能力來驅動電晶體30。當VCC 電壓為一高電壓時，同步整流控制電路500將禁能升壓切換操作，且直接將VCC 電壓耦合成為VDD 電壓。
圖10係表示根據本發明一實施例的同步整流控制電路500。同步整流控制電路500包括振盪器210、比較器215、正反器230、同步整流驅動器300、開關510與520、反或閘515、或閘525以及信號產生器600。開關510與520耦接以切換升壓電感器53，藉以產生VDD 電壓。開關510與520的導通/截止(on/off)狀態分別由信號SX 與SY 來控制。振盪器210產生振盪信號SOSC ，其耦合至信號產生器600。根據VDD 電壓的準位，信號產生器600透過反或閘515以及或閘525來分別產生信號SX 與SY 。當VCC 電壓高於臨界值VT1 時，比較器215透過正反器230來產生偵測信號SV 。根據偵測信號SV ，藉由反或閘515以及或閘525來分別產生信號SX 與SY 。VDD 電壓係耦合來對同步整流驅動器300供電。同步整流驅動器300根據VCC 電壓以及/或信號SDET 來產生控制信號VG 。
圖11A與圖11B分別表示同步整流控制電路500的電荷泵的升壓切換操作的第一週期以及第二週期。參閱圖11A，當信號SX 被致能且開關510導通時，升壓電感器53透過電流IL 來充電。在此時，儲存在升壓電感器53的能量產生升壓電壓。參閱圖 11B，當信號SY 被致能且開關520導通時，升壓電感器53的能量被放電以對電容器52進行充電，藉此產生VDD 電壓。因此，升壓電壓將儲存在電容器52中。參照下面式子： 其中，TON 是開關510的導通時間(信號SX 的致能時間)。T是信號SX 的切換週期。L53 是升壓電感器53的電感值。
圖12係表示不具有升壓切換操作的同步整流控制電路500的電荷泵。當VCC 電壓高於臨界值VT1 時，偵測信號SV 將產生來禁能信號SX 且致能信號SY 。如此一來，開關520導通。因此，VCC 電壓將供應來作為VDD 電壓(不具升壓切換操作)。
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。
10‧‧‧變壓器
20‧‧‧電晶體
30‧‧‧電晶體
35‧‧‧整流器
40‧‧‧輸出電容器
51‧‧‧電荷泵電容器
52‧‧‧電容器
100‧‧‧同步整流控制電路
DET‧‧‧端點
GND‧‧‧端點
IO ‧‧‧輸出電流
SDET ‧‧‧偵測信號
SW ‧‧‧切換信號
VCC ‧‧‧電壓(電源)
VG ‧‧‧控制信號
VIN ‧‧‧輸入電壓
VO ‧‧‧輸出電壓
VCC‧‧‧端點
VDD‧‧‧端點
VG‧‧‧端點
X、Y‧‧‧端點

Claims (10)

  1. 一種同步整流控制電路，具有電荷泵且用於一功率轉換器，包括：一同步整流驅動器，耦接一變壓器，且產生一控制信號來切換一電晶體；一電荷泵電容器，耦接一電源；複數個開關，當該電源的一電壓位準低於一臨界值時，以一切換方式來使該電源對該電荷泵電容器充電，以產生該電荷泵電壓，藉此實現一電荷泵；以及一電容器，儲存該電荷泵電壓；其中，該電晶體耦接該變壓器，且操作如同一同步整流器；以及其中，該電荷泵電壓確保了該控制信號的一足夠驅動能力。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之同步整流控制電路，更包括：一振盪器，產生一振盪信號來實現該切換方式。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之同步整流控制電路，更包括：一偵測電路，偵測該電源的該電壓準位；其中，當該電源的該電壓準位高於該臨界值時，該偵測電路產生一偵測信號；以及 其中，該偵測信號禁能該電荷泵以及將該電源傳遞至該電容器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之同步整流控制電路，其中，當該電荷泵電壓低於一低電壓臨界值時，該控制信號被禁能。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之同步整流控制電路，其中，當該電荷泵電壓高於一高電壓臨界值時，該控制信號被致能。
  6. 一種控制電路，用於功率轉換器的同步整流，包括：一同步整流驅動器，耦接一變壓器，且產生一控制信號來切換一電晶體；一升壓電感器，耦接一電源；一開關，當該電源的一電壓位準低於一臨界值時，切換該升壓電感器來實現一升壓切換操作，以使該電源對該升壓電感器充電藉以產生一升壓電壓；以及一電容器，儲存該升壓電壓；其中，該電晶體耦接該變壓器，且操作如同一同步整流器；以及其中，該升壓電壓確保了該控制信號的一足夠驅動能力。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之控制電路，更包括：一偵測電路，偵測該電源的該電壓準位； 其中，當該電源的該電壓準位高於該臨界值時，該偵測電路產生一偵測信號；以及其中，該偵測信號禁能該升壓切換操作以及將該電源傳遞至該電容器。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之控制電路，更包括：一振盪器，產生一振盪信號來切換該升壓電感器。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之控制電路，其中，其中，當該升壓電壓低於一低電壓臨界值時，該控制信號被禁能。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之控制電路，其中，當該升壓電壓高於一高電壓臨界值時，該控制信號被致能。
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