正向转换器及次级侧开关控制器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及控制经隔离DC/DC正向转换器中的次级侧同步整流器的方法。明确地说，本发明涉及在不具有与初级侧的经由隔离边界的显式通信的情况下控制次级侧整流器。
【背景技术】
[0002]图1图解说明一种类型的现有技术正向转换器。正向转换器是使用变压器来相对于输入电压而增加或减小输出电压(取决于变压器绕组比)且提供负载的隔离的DC/DC转换器。在正向转换器中，与回扫转换器不同，能量在初级侧开关传导阶段期间通过变压器动作而被传递到正向转换器的输出。
[0003]正向转换器的最大输出电压受隔离变压器Tl匝数比Ns/Np约束，其中Ns是次级侧绕组且Np是初级侧绕组。Vout等于PWM工作循环*Ns/Np*Vin。
[0004]通常，在图1中，脉冲宽度调制(PWM)控制器IC 12使用任一类型的经隔离反馈电路13 (例如用以实现隔离的光电二极管-光电检测器光学传感器或变压器)来感测Vout。PWM控制器IC 12将反馈信号与参考信号进行比较且调整功率MOSFET Ml的工作循环以使反馈信号匹配到参考信号。更明确地说，PWM控制器IC 12产生具有所需工作循环的固定频率脉冲以用于控制功率MOSFET Ml (或其它类型的晶体管)且还用于控制次级侧MOSFETMrc及Ma以便使Vout保持处于预定经调节电压。MFe是指正向栅极晶体管(在本文中还称为正向M0SFET)，且Mra是指钳位栅极晶体管(在本文中还称为钳位M0SFET)。钳位晶体管还称作同步整流器且替代二极管。同步整流器比二极管高效，这是因为存在较低电压降，且输出电压可通过使用同步整流器而为较低的。
[0005]当PWM控制器IC 12经由其初级侧输出引脚OUT而发出脉冲以接通MOSFET Ml时，其还经由其次级侧输出引脚SOUT而发出脉冲以控制次级侧MOSFET Mfg及Mcgo当MOSFETMl接通时，MOSFET Mrc接通且MOSFET M ^关断。当MOSFET Ml关断时，MOSFET M Fe关断且MOSFET Ma接通。对脉冲进行精确计时以确保在M0SFETM1接通时MOSFET Mra关断以避免浪费能量。从PWM控制器IC 12到次级侧的控制信号需要经由变压器T2与次级侧隔离。次级侧控制器IC 14在其SYNC输入处接收控制信号且与MOSFET Ml的切换同步地控制MOSFETMfg 及 M CG。
[0006]当正向MOSFET MFe接通时，斜升电流流经输出电感器Lout，且输出电容器Cout使纹波变平稳以形成DC输出Vout。当MOSFET Ml及Mrc关断且MOSFET M 接通时，MOSFETMra致使斜降电流流经电感器Lout。
[0007]穿过MOSFET 1^的电流由次级侧控制器IC 14通过检测跨越其的电压(CSN及CSP)而监视。如果电流将要反向(CSP约等于CSN)，那么控制器IC 14将MOSFET Ma关断以便不浪费电力。
[0008]当MOSFET Ml关断时，由Pffff控制器IC 12控制的复位电路16(例如)通过在MOSFET Ml的关断时间期间在初级绕组与接地之间暂时连接一串联电容器而将变压器Tl的初级绕组复位到启动状态。
[0009]图2图解说明由IC 12及14接收及产生的用以通过控制MOSFET Ml的固定频率工作循环而产生经调节Vout的典型控制信号。
[0010]图1的现有技术转换器的一个缺点是变压器T2增加转换器的成本及大小。其还增加系统的复杂性。需要一种可在不使用如变压器T2的单独变压器的情况下同步地控制次级侧MOSFET (或其它类型的晶体管)的正向转换器。
【发明内容】
[0011]本发明揭示一种正向转换器，其不使用与初级侧的任何显式通信来控制次级侧上的正向及钳位MOSFET (或其它类型的晶体管)。经检测用于控制次级侧晶体管的所有信号均从所述次级侧获得。因此，不需要用于初级侧到次级侧通信的变压器，从而与现有技术相比显著减小转换器的大小及成本。
[0012]所述转换器感测隔离变压器的次级绕组与正向MOSFET Mrc之间的电压。此电压称为正向开关(FSW)电压。当初级侧MOSFET Ml接通时，FSW将下降到低于阈值，且所述所感测下降用于接通所述次级侧中的正向MOSFET Mfgο钳位MOSFET Mra从不在MOSFET Ml及MFe接通的同时接通是非常重要的以便实现最大效率。由于PWM控制器在固定频率下操作，因此延迟锁定环路(DLL)在所述次级侧中用于预测所述MOSFET Ml在每一循环内将接通的时间。所述DLL使用所述隔离变压器与输出电感器之间的电压电平来识别所述MOSFET Ml何时接通及关断。所述电压称为钳位开关(CSW)电压，其中所述CSW电压在所述功率MOSFETMl接通时具有上升边缘。通过确保MOSFET Mra在所述CSW信号上升之前的100纳秒关断，所述DLL在所述MOSFET Ml接通之前的预定时间(例如100纳秒)自动关断所述钳位MOSFETMo；。所述MOSFET Mra大约在因检测到所述CSW信号的下降而关断所述MOSFET Ml时被接通。如可见，所述钳位MOSFET Ma仅由次级侧信号控制以绝不在所述MOSFET Ml及Mrc接通的同时接通。在所述MOSFET Mra的100纳秒关断状态期间，由所述MOSFET Ma传导的任何电流由其体二极管传导。
[0013]以上操作称为预测性方案，因为电路预测何时将接通MOSFET Ml且在MOSFET Ml的所预测接通之前的100纳秒关断钳位MOSFET Μα。
[0014]使用DLL的以上操作适用于在中等到高负载电流下以连续模式操作的转换器。然而，在极轻负载情况下，PWM控制器可进入到可变频率模式中，其中初级侧MOSFET Ml保持关断达若干工作循环，而输出电容器将低电流供应到所述负载，直到输出电压下降到低于阈值电压为止。此外，钳位MOSFET Mra具有最小接通时间，例如250纳秒。此最小接通时间可能太长以致在负载电流足够低的情况下也无法避免传导反向电流，因此期望在此情况的循环期间不接通MOSFET Mra。在任一情形中，至少钳位MOSFET Ma在若干循环内保持关断。此称为不连续模式。在此情景中，正向转换器使用反应式方案来确定何时关断钳位MOSFETMcgo当跨越所述MOSFET Mra的电压低于指示穿过MOSFET Ma的极低电流的下限阈值时，关断MOSFET Ma以防止反向电流从输出电容器流动。在使MOSFET M 保持关断时，通过MOSFETMra进行的任何整流动作将由其体二极管执行。接着使MOSFET Mcx^S M Fe两者保持关断达评估周期。如果在所述评估周期(例如，等于三个CSW电压上升循环时间)内检测到负载电流继续将高于阈值电平，那么确定转换器应摆脱其不连续模式，且重新开始上文所描述的预测性方案。
[0015]描述了各种其它实施例。
【附图说明】
[0016]图1图解说明使用到次级侧的初级侧通信用于控制次级侧晶体管的现有技术DC/DC正向转换器。
[0017]图2展示图1的转换器中所产生的信号的实例。
[0018]图3图解说明根据本发明的一个实施例的正向转换器。
[0019]图4展示图3的转换器中所产生的处于中等到高负载电流的预测性操作模式中所使用的信号的实例。
[0020]图5图解说明用于预测初级侧功率MOSFET Ml的接通及在接通MOSFET Ml之前的预定时间关断钳位MOSFET Mra的延迟锁定环路(DLL)电路。
[0021]图6展示图5的DLL中所产生的信号的实例。
[0022]图7图解说明用于依据次级侧绕组上的所检测模拟CSW信号而产生供在图5的电路中使用的数字CSW信号的电路。
[0023]图8图解说明用于依据次级侧绕组上的所检测模拟FSW信号而产生正向MOSFETMrc接通信号的电路。
[0024]图9是图3的正向转换器电路的复制品以较容易地理解图10的波形。
[0025]图10展示图9的转换器中所产生的在极低负载电流下反应式操作模式中所使用的信号的实例。
[0026]图11图解说明用于控制钳位MOSFET Ma的反应式模式中所使用的电路。
[0027]图12A-12D图解说明针对确定转换器是将以预测性模式操作还是将以反应式模式操作的各种情景的波形。
[0028]以相同编号标记相同或等效的元件。
【具体实施方式】
[0029]在图3-12中所展示的本发明的各种实施例中，仅详细描述转换器的不