TWI812476B - 電源轉換器 - Google Patents

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Abstract

提供了一種電源轉換器，包括變壓器、第一和第二功率電晶體、第一和第二電流源、第一、第二、第三、和第四電晶體、以及開關控制電路。第一、第二、第三、和第四電晶體的第一電極分別連接到開關控制電路的第一、第二、第三、和第四輸出端，第一和第三電晶體的第二電極分別連接到第一和第二電流源，第二電晶體的第二電極連接到第一電晶體的第三電極和第一功率電晶體的基極，第四電晶體的第二電極連接到第三電晶體的第三電極和第二功率電晶體的基極，第一功率電晶體的集極連接到變壓器的一次繞組、發射極連接到第二功率電晶體的基極，第二功率電晶體的集極連接到變壓器的一次繞組、發射極經由電流感測電阻接地。

Description

電源轉換器
本發明涉及積體電路領域，尤其涉及一種電源轉換器。
在中小功率電源轉換器領域，返馳變換器以其電路簡單、轉換效率高、輸入電壓範圍寬等優勢佔據100W以下應用市場的絕對主導地位。近年來，功率電晶體(又稱雙極型電晶體)因其良好的開關特性和低廉的價格優勢被廣泛應用於10W以下的小功率市場。
隨著手機、平板電腦等移動設備的功能越來越多，為移動設備供電的電池的容量爆發式增加，並且為移動設備供電的充電器或適配器的輸出功率不斷提高，已經從原來的5W發展到20W、30W、45W、65W甚至更高。如何在低成本的基礎上提高電源轉換器的系統整體效率和功率密度，使得電源轉換器既滿足充電器或適配器小型化的發展需求也滿足越來越嚴苛的電源能效標準，成為當今研究的重點。
根據本發明實施例的電源轉換器，包括變壓器、第一和第二功率電晶體、第一和第二電流源、第一、第二、第三、和第四電晶體、以及開關控制電路，其中：第一、第二、第三、和第四電晶體的第一電極分別連接到開關控制電路的第一、第二、第三、和第四輸出端，第一和第三電晶體的第二電極分別連接到第一和第二電流源，第二電晶體的第二電極連接到第一電晶體的第三電極和第一功率電晶體的基極，第四電晶體的第二電極連接到第三電晶體的第三電極和第二功率電晶體的基極，第二電晶體的第三電極接地或者連接到第三電晶體的第三電極和第四電晶體的第二電極，第四電晶體的第三電極接地，第一功率電晶體的集極連接到變壓器 的一次繞組、基極連接到第一電晶體的第三電極和第二電晶體的第二電極、發射極連接到第二功率電晶體的基極，第二功率電晶體的集極連接到變壓器的一次繞組、基極連接到第三電晶體的第三電極和第四電晶體的第二電極、發射極經由電流感測電阻接地。
1,2,3,4,5,6,7,8:引腳
100A,100B:電源轉換器
102:開關控制電路
104:晶片供電電路
106:回饋控制電路
108:電流感測控制電路
110:振盪器電路
112:邏輯控制電路
114:保護電路
CS:電流感測腳
D1:第一電晶體
D2:第二電晶體
D3:第三電晶體
D4:第四電晶體
FB,VDD:引腳
Hfe:放大倍數
IB1:第一驅動電流
IB2:第二驅動電流
Isource1:第一電流源
Isource2:第二電流源
Ic:電流
Iref:參考電流
Is:原邊電流
OVP:過壓保護腳
Q1:第一功率電晶體
Q2:第二功率電晶體
Rs:電流感測電阻
T:變壓器
U1,U1A,U1B:控制晶片
VBUS:電源線
Vcs:電流感測電阻Rs上的電壓
Vref:參考電壓
從下面結合圖示對本發明的具體實施方式的描述中可以更好地理解本發明，其中：圖1A示出了根據本發明實施例的電源轉換器的示例電路圖。
圖1B示出了根據本發明實施例的電源轉換器的另一示例電路圖。
圖2示出了圖1A/1B所示的電源轉換器中的多個信號的工作波形圖。
圖3A示出了圖1A所示的電源轉換器中的控制晶片的示例框圖。
圖3B示出了圖1B所示的電源轉換器中的控制晶片的示例框圖。
圖4示出了圖1A/1B所示的電源轉換器中的第一和第二功率電晶體的示例封裝示意圖。
圖5示出了圖1A/1B所示的電源轉換器中的第一和第二功率電晶體以及控制晶片的示例封裝示意圖。
下面將詳細描述本發明的各個方面的特徵和示例性實施例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理解。但是，對於本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明決不限於下面所提出的任何具體配置，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素和部件的任何修改、替換和改進。在圖示和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。另外，需要說明的是，這裡使用的用語“A與B連接”可以表示“A與B直接連接”也可以表示“A與B經由一個或多個其他元件間接連接”。
目前，功率電晶體只能應用於小功率市場的主要原因在於，功率電晶體的導通是電流驅動的，必須有足夠的驅動電流才可以使功率電晶體導通。另外，功率電晶體的驅動損耗大、導通損耗大、且關斷速度慢，這些因素也限制了其在更高功率市場上的應用。
鑒於上述情況，提出了根據本發明實施例的電源變換器，其中，採用四個電晶體來組合驅動功率電晶體，以降低功率電晶體的驅動電流損耗、提高功率電晶體的開通速度和/或關斷速度、和/或降低功率電晶體的關斷損耗。
圖1A示出了根據本發明實施例的電源轉換器100A的示例電路圖。如圖1A所示，電源轉換器100A包括變壓器T、第一和第二功率電晶體Q1和Q2、第一和第二電流源Isource1和Isource2、第一、第二、第三、和第四電晶體D1至D4、以及開關控制電路102，其中：第一、第二、第三、和第四電晶體D1至D4的第一電極分別連接到開關控制電路102的第一、第二、第三、和第四輸出端，第一和第三電晶體D1和D3的第二電極分別連接到第一和第二電流源Isource1和Isource2，第二電晶體D2的第二電極連接到第一電晶體D1的第三電極和第一功率電晶體Q1的基極，第四電晶體D4的第二電極連接到第三電晶體D3的第三電極和第二功率電晶體Q2的基極，第二電晶體D2的第三電極和D4的第三電極接地，第一功率電晶體Q1的集極連接到變壓器T的一次繞組、基極連接到第一電晶體D1的第三電極和第二電晶體D2的第二電極、發射極連接到第二功率電晶體Q2的基極，第二功率電晶體Q2的集極連接到變壓器T的一次繞組、基極連接到第三電晶體D3的第三電極和第四電晶體D4的第二電極、發射極經由電流感測電阻Rs接地。
圖1B示出了根據本發明實施例的電源轉換器100B的示例電路圖。圖1B所示的電源轉換器100B與圖1A所示的電源轉換器100A在結構上的主要不同在於，第二電晶體D2的第三電極連接到第三電晶體D3的第三電極和第四電晶體D4的第二電極(即，連接到第一功率電晶體Q1的 發射極和第二功率電晶體Q2的基極)，其他部分的連接關係與圖1所示的相應部分相同，在此不再贅述。
圖2示出了圖1A/1B所示的電源轉換器100A/100B中的多個信號的工作波形圖，其中，D1至D4分別表示用於驅動第一至第四電晶體D1至D4的導通與關斷的驅動信號，IB1表示用於第二功率電晶體Q2的第一驅動電流，IB2表示用於第二功率電晶體Q2的第二驅動電流，Is表示流過電流感測電阻Rs的原邊電流。
如圖1A/1B和圖2所示，在一些實施例中，在第二功率電晶體Q2從關斷狀態變為導通狀態的過程中，第一電晶體D1和第一功率電晶體Q1處於導通狀態且第二、第三、和第四電晶體D2至D4處於關斷狀態，第二功率電晶體Q2的基極電流由第一電流源Isource1經由第一電晶體D1和第一功率電晶體Q1提供(即，使用第一驅動電流IB1作為第二功率電晶體Q2的驅動電流)。
如圖1A/1B和圖2所示，在一些實施例中，在第二功率電晶體Q2處於導通狀態期間，在電流感測電阻Rs上的電壓Vcs達到預定設置值之前，第一電晶體D1和第一功率電晶體Q1處於導通狀態且第二、第三、和第四電晶體D2至D4處於關斷狀態，第二功率電晶體Q2的基極電流由第一電流源Isource1經由第一電晶體D1和第一功率電晶體Q1提供(即，使用第一驅動電流IB1作為第二功率電晶體Q2的驅動電流)。
如圖1A/1B和圖2所示，在一些實施例中，在第二功率電晶體Q2處於導通狀態期間，在電流感測電阻Rs上的電壓Vcs達到預定設置值之後，第一電晶體D1、第四電晶體D4、以及第一功率電晶體Q1處於關斷狀態，第二和第三電晶體D2和D3處於導通狀態，第二功率電晶體Q2的基極電流由第二電流源Isource2經由第三電晶體D3提供(即，使用第二驅動電流IB2作為第二功率電晶體Q2的驅動電流)。
如圖1A/1B和圖2所示，在一些實施例中，在第二功率電晶體Q2處於關斷狀態期間，第一電晶體D1、第三電晶體D3、以及第一功率 電晶體Q1處於關斷狀態，第二和第四電晶體D2和D4處於導通狀態。
在圖1A/1B所示的電源轉換器100A/100B中，第一和第二電晶體D1和D2用於控制第一驅動電流IB1是否被用作第二功率電晶體Q2的驅動電流(第一驅動電流IB1也用作第一功率電晶體Q1的驅動電流，所以第一和第二電晶體D1和D2實際用於控制第一功率電晶體Q1的導通與關斷)，第三和第四電晶體D3和D4用於控制第二驅動電流IB2是否被用作第二功率電晶體Q2的驅動電流。在第二功率電晶體Q2處於導通狀態期間，分時段使用第一和第二驅動電流IB1和IB2作為第二功率電晶體Q2的驅動電流。在第二功率電晶體Q2從關斷狀態變為導通狀態的過程中，使用第一驅動電流IB1作為第二功率電晶體Q2的驅動電流，在這種情況下第一驅動電流IB1要足夠大，使得第二功率電晶體Q2能夠迅速進入飽和區，以最大限度地降低第二功率電晶體Q2的開通損耗，提高第二功率電晶體Q2的開關速度。但是，第二功率電晶體Q2的驅動電流過大會降低第二功率電晶體Q2的關斷速度，增加第二功率電晶體Q2的關斷損耗，因此在第二功率電晶體Q2從導通狀態變為關斷狀態的過程開始之前，將第二功率電晶體Q2的驅動電流從第一驅動電流IB1切換到第二驅動電流IB2(也稱為預關斷驅動電流)，可以使第二功率電晶體Q2處於導通狀態期間存儲在基極區的少數載流子迅速複合以減小第二功率電晶體Q2的關斷時間，降低第二功率電晶體Q2的關斷損耗，提高電源轉換器100A/100B的系統效率和輸出功率。
具體地，在第二功率電晶體Q2從關斷狀態變為導通狀態的過程中，使用第一驅動電流IB1作為第二功率電晶體Q2的驅動電流，由於第一功率電晶體Q1的放大作用，第二功率電晶體Q2的基極電流為hfe* IB1(hfe是第一功率電晶體Q1的放大倍數)，較大的基極電流促使第二功率電晶體Q2迅速進入飽和區，降低了第二功率電晶體Q2的開通損耗；在第二功率電晶體Q2處於導通狀態期間，流過電流感測電阻Rs的原邊電流Is=Ic+hfe* IB1(Ic是流過變壓器T的一次繞組的電流)；電流感測電阻Rs 上的電壓Vcs達到預定設置值(例如，電流感測電阻Rs上的最大電壓值Vcsmax的90%)之後，使用第二驅動電流IB2作為第二功率電晶體Q2的驅動電流，由於IB2<<IB1，所以在使用第二驅動電流IB2維持第二功率電晶體Q2處於導通狀態期間，第二功率電晶體Q2存儲在基極區的載流子較少，第二功率電晶體Q2關斷時其基極區較少的載流子能迅速複合以減小第二功率電晶體Q2的關斷時間，降低第二功率電晶體Q2的關斷損耗。
圖3A示出了圖1A所示的電源轉換器100A中的控制晶片U1A的示例框圖。圖3B示出了圖1B所示的電源轉換器100B中的控制晶片U1B的示例框圖。下面為了簡單，將控制晶片U1A和U1B統稱為控制晶片U1。如圖3A/3B所示，第一至第四電晶體D1至D4以及開關控制電路102可以被包括在控制晶片U1中，並且控制晶片U1還可以包括： 晶片供電電路104：連接到控制晶片U1的VDD引腳，包括欠壓保護(Under Voltage Lock Out,UVLO)、過壓保護腳(Over Voltage Protection,OVP)、參考電壓與參考電流(Vref&Iref)三部分，用於為晶片內部電路提供工作電壓、參考電壓Vref、以及參考電流Iref。當VDD引腳處的電壓超過UVLO電壓後，晶片內部電路開始工作。當VDD引腳處的電壓超過OVP閾值時，晶片內部電路進入自動恢復保護狀態，以防止控制晶片U1損壞。
回饋控制電路106：連接到控制晶片U1的FB引腳，包括連續導通模式(Continuous Conduction Mode,CCM)/准諧振(Quasi-resonant,QR)模式/綠色模式/高載模式控制、脈寬調變(Pulse Width Modulation,PWM)比較器、脈寬調變預關斷(PWM_pre)比較器三部分。PWM比較器和PWM_pre比較器將FB引腳接收的輸出電壓回饋信號和CS電流感測腳接收的電流感測信號(例如，電流感測電阻Rs上的電壓Vcs)進行比較，產生PWM信號和PWM_pre信號，並輸出PWM信號和PWM_pre信號給邏輯控制電路112。另外，CCM/QR模式/綠色模式/高載模式控制部分根據FB引腳接收的輸出電壓回饋信號，實現CCM、QR模式、綠色模式、以及 高載模式的切換控制，並且輸出模式控制信號給邏輯控制電路112。
電流感測控制電路108：連接到控制晶片U1的CS電流感測腳，包括前沿消隱(Leading Edge Blanking,LEB)、斜坡補償、過流保護(Over Current Protection,OCP)比較器、過流保護預關斷(OCP_pre)比較器四部分。當經由CS電流感測腳檢測到系統工作模式處於深度CCM時，需要進行斜波補償，以維持系統穩定。OCP比較器將CS電流感測腳接收的電流感測信號與OCP閾值進行比較，並輸出OCP關斷信號給邏輯控制電路112。OCP_pre比較器將CS電流感測腳接收的電流感測信號與OCP預關斷閾值進行比較，並輸出OCP預關斷信號給邏輯控制電路112。
振盪器(Oscillator,OSC)電路110：用於產生高頻鋸齒波信號提供給邏輯控制電路112，供邏輯控制電路112用以生成占空比可調的方波信號。
邏輯控制電路112：用於將來自各個電路模組的輸入信號進行邏輯分析，輸出邏輯控制信號給開關控制電路102。
保護電路114：用於在檢測到異常故障資訊時，使控制晶片U1進入自動恢復保護狀態，避免控制晶片U1損壞。
這裡，需要說明的是，開關控制電路102用於根據邏輯控制電路112提供的邏輯控制信號產生分別用於控制第一至第四電晶體D1至D4的導通與關斷的四個控制信號，第一至第四電晶體D1至D4在開關控制電路102的控制下導通和關斷，從而形成第一和第二驅動電流IB1和IB2。第一至第四電晶體D1、D2、D3、D4可以採用N型金屬氧化物半導體場效應電晶體(N-MOSFET)或雙極型接面電晶體(Bipolar Junction Transistor,BJT)來實現。第一和第三電晶體D1和D3也可以採用P型金屬氧化物半導體場效應電晶體(P-MOSFET)來實現。
在一些實施例中，可以通過第一開關控制電路來控制第一和第二電晶體D1和D2的導通與關斷，並通過第二開關控制電路來控制第三和第四電晶體D3和D4的導通與關斷。另外，第一和第二功率電晶體Q1 和Q2可以是兩個獨立的功率電晶體，也可以形成在一個晶片封裝中；或者控制晶片U1可以與第一和第二功率電晶體Q1和Q2形成在一個三晶片封裝中。
圖4示出了圖1A/B所示的電源轉換器100A/100B中的第一和第二功率電晶體Q1和Q2的示例封裝示意圖。如圖4所示，第一和第二功率電晶體Q1和Q2可以被包括在同一個單基島晶片封裝中(其中，第一和第二功率電晶體Q1和Q2的集極相連)，並且該單基島晶片封裝的詳細引腳資訊如下：1引腳為第一電流引腳，用於接收第一驅動電流IB1，連接到第一功率電晶體Q1的基極區；2引腳為第二電流引腳，用於接收第二驅動電流IB2，連接到第一功率電晶體Q1的發射極區和第二功率電晶體Q2的基極區；3/4引腳為發射極引腳，連接到第二功率電晶體Q2的發射極區，為了增大散熱面積、降低溫度，可以採用多根打線、多引腳封裝，例如分別通過兩組打線連接兩個引腳，每組打線包含的打線的具體根數可以根據第二功率電晶體Q2的發射極區的面積確定；5~8引腳為集極引腳，連接到第一和第二功率電晶體Q1和Q2的集極區，為了散熱和印刷電路板佈局方便，採用多引腳封裝，第一和第二功率電晶體Q1和Q2的集極區位於電晶體背面，所以第一和第二功率電晶體Q1和Q2可以採用導電膠和晶片基島連接，無需打線，阻抗最小。
圖5示出了圖1A/B所示的電源轉換器100A/100B中的第一和第二功率電晶體Q1和Q2以及控制晶片U1的示例封裝示意圖。如圖5所示，第一和第二功率電晶體Q1和Q2採用平鋪形式封裝，控制晶片U1和第二功率電晶體Q2採用疊代形式封裝。具體的封裝形式可以根據基島個數和形狀進行調整，不局限於8引腳封裝形式。圖5所示的示例封裝的詳細引腳資訊如下：1、2、3引腳為用於控制晶片U1的控制引腳，連接到控制 晶片U1的內部焊墊；4引腳為發射極引腳，連接到第二功率電晶體Q2的發射極區，為了增大散熱面積、降低溫度，可以採用多根打線方式降低打線阻抗，打線的具體根數可以根據第二功率電晶體Q2的發射極區的面積確定；5~8引腳為集極引腳，連接到第一和第二功率電晶體Q1和Q2的集極區，為了散熱和印刷電路板佈局方便，採用多引腳封裝，第一和第二功率電晶體Q1和Q2的集極區位於電晶體背面，採用導電膠和基島連接，無需打線，阻抗最小。
圖5所示的示例封裝可以增加多餘引腳，不增加系統引腳成本，整個系統電路簡單、週邊器件少、系統成本低。
綜上所述，在根據本發明實施例的電源轉換器中，採用四個電晶體來組合驅動功率電晶體，降低了功率電晶體的驅動電流損耗，提高了功率電晶體的開通速度。另外，通過在功率電晶體準備從導通狀態變為關斷狀態時設置預關斷驅動電流，減少了功率電晶體處於導通狀態期間基極區的載流子，使得關斷時能迅速抽取功率電晶體的基極區中剩餘的少數載流子，提高關斷速度，降低關斷損耗，從而可以提高功率電晶體在中功率系統上的應用範圍。
本發明可以以其他的具體形式實現，而不脫離其精神和本質特徵。當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發明的範圍由所附請求項而非上述描述定義，並且落入請求項的含義和等同物的範圍內的全部改變都被包括在本發明的範圍中。
100A:電源轉換器
102:開關控制電路
CS:電流感測腳
FB,VDD:引腳
D1:第一電晶體
D2:第二電晶體
D3:第三電晶體
D4:第四電晶體
IB1:第一驅動電流
IB2:第二驅動電流
Ic:電流
Is:原邊電流
Isource1:第一電流源
Isource2:第二電流源
Q1:第一功率電晶體
Q2:第二功率電晶體
Rs:電流感測電阻
U1A:控制晶片
VBUS:電源線

Claims (11)

  1. 一種電源轉換器，其特徵在於，包括變壓器、第一和第二功率電晶體、第一和第二電流源、第一、第二、第三、和第四電晶體、以及開關控制電路，其中：所述第一、第二、第三、和第四電晶體的第一電極分別連接到所述開關控制電路的第一、第二、第三、和第四輸出端，所述第一和第三電晶體的第二電極分別連接到所述第一和第二電流源，所述第二電晶體的第二電極連接到所述第一電晶體的第三電極和所述第一功率電晶體的基極，所述第四電晶體的第二電極連接到所述第三電晶體的第三電極和所述第二功率電晶體的基極，所述第二電晶體的第三電極接地或者連接到所述第三電晶體的第三電極和所述第四電晶體的第二電極，所述第四電晶體的第三電極接地，所述第一功率電晶體的集極連接到所述變壓器的一次繞組、基極連接到所述第一電晶體的第三電極和所述第二電晶體的第二電極、發射極連接到所述第二功率電晶體的基極，所述第二功率電晶體的集極連接到所述變壓器的一次繞組、基極連接到所述第三電晶體的第三電極和所述第四電晶體的第二電極、發射極經由電流感測電阻接地。
  2. 如請求項1所述的電源轉換器，其中，在所述第二功率電晶體從關斷狀態變為導通狀態的過程中，所述第一電晶體和所述第一功率電晶體處於導通狀態且所述第二、第三、和第四電晶體處於關斷狀態，所述第二功率電晶體的基極電流由所述第一電流源經由所述第一電晶體和所述第一功率電晶體提供。
  3. 如請求項1所述的電源轉換器，其中，在所述第二功率電晶體處於導通狀態期間，在所述電流感測電阻上的電壓達到預定設置值之前，所述第一電晶體和所述第一功率電晶體處於導通狀態且所述第二、 第三、和第四電晶體處於關斷狀態，所述第二功率電晶體的基極電流由所述第一電流源經由所述第一電晶體和所述第一功率電晶體提供。
  4. 如請求項1所述的電源轉換器，其中，在所述第二功率電晶體處於導通狀態期間，在所述電流感測電阻上的電壓達到預定設置值之後，所述第一電晶體、所述第四電晶體、以及所述第一功率電晶體處於關斷狀態，所述第二和第三電晶體處於導通狀態，所述第二功率電晶體的基極電流由所述第二電流源經由所述第三電晶體提供。
  5. 如請求項1所述的電源轉換器，其中，在所述第二功率電晶體處於關斷狀態期間，所述第一電晶體、所述第三電晶體、以及所述第一功率電晶體處於關斷狀態，所述第二和第四電晶體處於導通狀態。
  6. 如請求項1所述的電源轉換器，其中，所述第一、第二、第三、和第四電晶體被實現為功率電晶體或場效應電晶體。
  7. 如請求項1所述的電源轉換器，其中，還包括控制晶片，所述第一、第二、第三、和第四電晶體以及所述開關控制電路被包括在所述控制晶片中。
  8. 如請求項1所述的電源轉換器，其中，所述第一和第二功率電晶體被包括在同一個單基島晶片封裝中。
  9. 如請求項8所述的電源轉換器，其中，所述單基島晶片封裝具有第一電流引腳、第二電流引腳、至少一個發射極引腳、以及至少一個集極引腳。
  10. 如請求項7所述的電源轉換器，其中，所述第一和第二功率電晶體以及所述控制晶片被包括在同一個晶片封裝中。
  11. 如請求項10所述的電源轉換器，其中，所述第一和第二功率電晶體採用平鋪形式封裝，並且所述控制晶片和所述第二功率電晶體採用疊代形式封裝。
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