专利名称：用于同步整流dc－dc转换器的负脉冲消除器电路和方法
技术领域：
本发明主要涉及电源转换器，并且更具体地，本发明涉及用于在孤立型同步整流DC-DC降压转换器的关断期间消除负脉冲的电路。
背景技术：
为了提高转换器的电源转换效率，同步整流器正逐渐取代次级侧(secondary side)的DC-DC降压转换器上的飞轮二极管(freewheelingdiode)。具有同步整流功能的DC-DC转换器的一个特征是电流不仅有可能经过同步整流器流到转换器的输出端而且有可能从输出端反方向流回转换器，也就是说，具有同步整流功能的DC-DC转换器可以具有电流源(current-sourcing)和电流宿(current-sinking)两种功能。
在次级侧同步整流器的大多数实现中，存在的一个问题是当DC-DC转换器被关断时，同步整流器FET(场效应晶体管)的门极被这些整流器的门极驱动电路置于饱和。这使得在关断期间，在DC-DC转换器的正输出端产生了负脉冲。如果转换器的输出电压低于-0.3伏左右，则这个负脉冲会对由该电源转换器供电的系统有害。
更具体地，典型的同步整流DC-DC转换器包括两个在转换器的次级端电源变压器上的MOSFET(金属氧化物半导体FET)。第一同步整流器MOSFET被连接在电源变压器次级线圈一端和输出电容器之间。输出电容器的另一端连接到次级线圈的另一端。第二同步整流器MOSFET被并联连接到输出电容器。典型地，两个同步整流器共同的结点经过滤波电感也连接到转换器的正输出端。当DC-DC转换器被关断时出现的负脉冲是由以下事实导致的在转换器的输出电压下降之后，次级侧辅助电源Vcc通常将继续给同步整流器的门极驱动电路供电。这导致同步整流器MOSFET的一个或两个门极在关断时仍然是饱和的。这就为转换器的输出电感生成如下这样的放电路径。在转换器的关断期间，由于输出电压开始下降，输出端电感首先向跨过电源转换器输出端连接的负载放电。然后，电感的极性反转(由于存储在变压器铁心中的能量)并且电流被从转换器的正输出端驱动到负输出端。这导致正输出端上的电压变负。如果提供有足够能量的话，输入到由该DC-DC转换器供电的集成电路(IC)的输入端的低于-0.3伏的电压会导致导通，该导通可能会损坏该IC。图4A示出了波形400，其为由同步整流DC-DC转换器在关断期间产生的示例性输出电压，并且显示了负脉冲的产生。如可从图4A中看到的那样，在转换器已被关断后的某个时刻，转换器的输出电压下降到低于基线电压402，例如，0伏，从而导致了此实例中-800毫伏左右的暂时性负脉冲。
因此，有必要设计一种同步同步整流DC/DC电源转换器，其能在该转换器被关断时消除负脉冲的产生及其后果。
发明内容
本发明包括用于避免负脉冲发生的负脉冲消除电路，典型地，这种负脉冲在具有次级侧同步驱动的孤立DC-DC转换器被关断时产生。负脉冲消除电路优选地使用电容器以便在DC-DC电源转换器被关断后将钳位晶体管门极上的电荷维持一段时间，其中钳位晶体管被连接在次级侧辅助电源的输出端和转换器的正输出端之间。钳位晶体管仅在关断期间当转换器的输出电压开始下降时才被导致导通。当钳位晶体管导通时，其使辅助电源中的存储电容器连接到转换器的正输出端，以便使存储电容器快速放电到负载。由于DC-DC电源转换器的同步整流器也因此被快速关断，所以防止了负脉冲发生。
负脉冲消除电路独立于DC-DC电源转换器的输入端工作，并且仅在关断期间当DC-DC电源转换器的输出端下降时才被触发。
一般地说，在用于将输入DC电压转换成在第一和第二输出端的输出DC电压并且在其次级侧上包括同步整流的电源转换器中，根据本发明的用于对该转换器次级侧上辅助电源中的能量存储元件进行放电的负脉冲消除电路，包括具有门极端子、源极端子和漏极端子的晶体管，其中该晶体管的漏极端子连接到上述存储元件，该晶体管的源极端子连接到上述第一输出端，该负脉冲消除电路还包括当转换器被开通时用于从晶体管门极端子上捕获电荷的装置，和用于将第一输出端上的电压加到上述门极端子的装置，以便当转换器关断并且输出电压开始下降时，捕获到的电荷使晶体管的门极到源极电压上升直到晶体管充分饱和从而导致晶体管导通足够的时间以使存储元件放电。
根据本发明的用于防止DC/DC电源转换器输出端上产生的输出电压中的负脉冲的方法包括当转换器处于开通状态时，捕获晶体管的门极端子上的电荷，而当转换器关断时，当输出电压下降时致使晶体管导通，从而释放存储在该辅助电源中的能量。其中该DC/DC电源转换器具有次级侧同步整流和次级侧辅助电源，该晶体管被连接在次级侧辅助电源和输出端之间。
在本发明的第二实施例中，在用于将输入DC电压转换成第一和第二输出端上的输出DC电压并在其次级侧上包括同步整流的电源转换器中，用于将转换器次级侧辅助电源中的存储电容器放电的负脉冲消除电路包括具有门极端子、源极端子和漏极端子的晶体管，被连接在上述晶体管门极和第二输出端之间的电容器，被连接在晶体管源极端子和门极端子之间的电阻，被连接在晶体管漏极端子和门极端子之间的第二电阻，和被连接在存储电容器和晶体管漏极端子之间的二极管。其中该晶体管的漏极端子连接到上述存储电容器，该晶体管的源极端子连接到上述第一输出端。
有利的是，本发明为了防止负脉冲(也就是，+Vout上的负电压)，在断路期间将次级侧Vcc存储电容器快速放电。而且，本发明不依赖于任何从电源初级侧产生的信号。此外，本发明易于实现并需要最少量的元件。
在以下详细描述中公开了其它结构和方法。这个概括不意味着定义本发明。本发明是通过权利要求定义的。联系以下描述、权利要求和附图，将更好地理解本发明的这些和其它实施例、特征、方面、和优点。
图1是说明具有次级侧同步整流的孤立型DC-DC电源转换器的第一实施例的原理图，其中该电源转换器包括根据本发明的负脉冲消除电路；
图2是说明具有次级侧同步整流的孤立型DC-DC电源转换器的原理图，该电源转换器包括根据本发明的负脉冲消除器的第二实施例；图3是说明根据本发明的用于消除同步整流DC-DC电源转换器中负脉冲的处理的流程图；和图4A是当转换器被关断时经历负脉冲的同步整流DC-DC转换器的输出电压的符号图，图4B是关断期间加入了根据本发明的负脉冲消除电路的转换器的输出电压的符号图。
在图中使用了附图标记或名称以指示在此的某些元件、方面或特征。在附图中，共同的附图标记指示在此示出的相同的元件、方面或特征。
具体实施例方式
参考图1，示出了说明具有次级侧同步整流的孤立型DC-DC电源转换器100的原理图，其中该电源转换器包括根据本发明的负脉冲消除器电路150的第一实施例。在图1所示的示例性电源转换器100中，电源开关110与变压器114的初级线圈116串联跨接于输入DC电压源Vin 112。电源开关110响应由传统脉宽调制器(PWM，未显示)施加到电源开关110控制门极的信号，而在导通时期和关断时期之间交替转换。由PWM提供的信号是响应来自反馈回路(未显示)的反馈信号生成的，该反馈回路响应电源转换器100的输出电压，Vout 140。
在电源转换器100的次级侧，变压器114的次级线圈118在结点134连接到正电压线路而在结点136连接到负电压线路。第一同步整流器120在结点134和结点135被连接在次级线圈118之间。第二同步整流器122被连接在结点135和在结点136的次级线圈118的负极侧之间，结点136对应于次级侧的地端。第二同步整流器122与输出电容器124并联连接。电感126被连接在结点135和转换器100的正输出端142(+Vout)之间。结点136连接到连接器100的负输出端144(-Vout)。输出电压Vout被生成为跨接输出端142、144。转换器100向负载128提供功率，其中该负载128被连接在正、负输出端142和144之间。
为了给同步整流器120、122提供开通和关断时间从而提供电源转换器100的期望操作以产生跨接输出端142和144的Vout，同步整流器120和122的门极被门极驱动器电路160用传统方式驱动。典型地，门极驱动电路160(以及任何其它次级侧电路)由电源变压器144次级侧上产生的电压Vcc供电。如图1所示，这个次级侧电压被示为Vcc_sec158。典型地，这个Vcc电压被设为5伏。仍如图1所示，辅助电压Vcc_sec 158通过使用变压器114的辅助次级线圈190以传统方式产生。线圈190连接到两个整流二极管192和194，线圈190将电压Vcc加载到存储电容器196，该电容器196被连接在辅助电源的输出端157和结点136之间。在电源转换器100的正常工作期间，辅助输出电压Vcc_sec生成在跨接于存储电容器196上，并由该存储电容器196来维持。
根据本发明的负脉冲消除器电路被显示在图1中的150并且在电源转换器100被关断时，该负脉冲消除器电路起到将辅助电源中的存储电容器196放电的作用。负脉冲消除器电路150独立于电源转换器100的输入侧工作。在关断期间当由电源转换器100产生的输出电压Vout下降时，负脉冲消除器电路150被触发。电路150包括具有三个端子，漏极端子152a、门极端子152b和源极端子152c的MOSFET钳位晶体管152。钳位晶体管152的漏极端子152a连接到辅助电压电源的输出端157，在该辅助电压电源中Vcc_sec电压是输出，同时源极端子152c连接到结点135。连接在源极152c和门极152b之间的是电阻154。优选地，电阻154是在1-10兆欧范围内的大电阻。负脉冲消除器电路150中的电阻154的功能是确保晶体管152的门极端子152b被充电到等于或高于电源转换器100的输出电压Vout 140的水平。
图1所示的负脉冲消除器电路150按照以下这样工作。当DC-DC电源转换器100处于开通时，电阻154将输出电压+Vout加到晶体管152的门极。晶体管152固有的门极到源极电容Cg_s因此被充电到这个电压。根据本发明，充足的电荷被保留在晶体管152门极到源极电容Cg_s上从而在转换器100被关断，而输出的电压下降时使晶体管152仍旧导通，并保持导通足够长时间以将存储电容器196充分放电。也就是说，当源极端子152c上的电压由于输出电压+Vout的下降而下降时，晶体管152的门极到源极电压增加，直到晶体管152的门极充分饱和而导致晶体管152导通并在其漏极和源极端子152a和152c之间变得可传导。一旦晶体管152被导通，它就会将辅助电压源的输出端157经过电感126连接到输出端142，从而使得当输出电压+Vout继续向零伏下降时让存储电容器196放电。存储电容器196的这种放电防止了同步整流器120和122的门极保持饱和，从而使它们也关断作为+Vout中下降的函数。结果是，在+Vout上没有产生负脉冲，由于如上所述，同步整流器120、122都不能提供电流路径，否则的话将会允许电流从输出端142经过电感126流回。
要注意的是，根据本发明，为了提供负脉冲消除器电路150的上述功能，分离的电阻154可能并不是必需的。具体来说，在晶体管152源极端子152c和门极端子152b之间可能存在足够大的固有电阻以提供充分的连接从而致使晶体管152的门极端子152b上升到电压Vout。然而，如果这样的电路布局被使用，必须要当心，当电源转换器100被关断时，晶体管152的门极端子152b上的电荷会经过相同路径而被快速释放掉。否则，辅助电压Vcc_sec会在转换器100的下一个开通时序被压低。
图2是说明根据本发明的负脉冲消除器电路200的第二实施例的原理图。除了晶体管152和电阻154，负脉冲消除器电路200还包括一个或多个其它元件。第二电阻220可被连接在晶体管152的门极端子152b和辅助电源的输出端157之间。典型地，电阻220是1-10兆欧范围内的大电阻。电阻220是可选元件以便在辅助电源输出端157和结点135之间产生分压电路以正偏置晶体管152的门极端子152b，从而导致门极饱和更深。换句话说，电阻220被用于稍微向上偏移Vg_s电压以便使更小的+Vout 142下降就足以导通晶体管152，导致负脉冲消除器电路100能更快地激活并能从存储电容器196吸收更多电荷到输出端142。
能被包括在负脉冲消除器电路200中的另一个元件是连接在晶体管152门极端子152b和结点136之间的电容器240。电容器240是可选元件，其在终端142的电压+Vout下降期间增强了对晶体管152门极端子152b上电荷的保持。如果晶体管152的电容Cg_s能保留足够电荷以使晶体管152能在+Vout 140下降时保持导通足够长时间以便使存储电容器196能放电到防止同步整流器120和122维持开通的水平，则不需要电容器240。
可选二极管210被连接在终端157和晶体管152的漏极端子152a之间。二极管210防止反向电流从Vout流到结点157从而饱和一个或两个同步整流器120和122的门极。这种可能的反向电流是由晶体管152中的固有二极管导致的。换句话说，二极管210阻止了在+Vout端142上的反向驱动电压被加载到终端157上，从而提供了充足的电压以饱和电源转换器10中一个或两个同步整流器120、122的门极。在这种情况下，缺少二极管210会导致转换器100的输出看上去象短路并产生电流宿。
本领域的一般技术人员会认识到能够实施其它变化和修改而不会脱离本发明的精神。
图3是说明根据本发明的用于消除同步整流DC-DC转换器100输出电压中的负脉冲的处理300的流程图。在步骤310，当DC-DC电源转换器100被打开时，电容器从晶体管152的门极上捕获电荷。在步骤320，当DC-DC电源转换器100被关断或停止时，晶体管152源极端子上的电压下降。结果是，晶体管152的门极到源极电压上升直到晶体管的门极被捕获的电荷充分饱和，从而使晶体管152导通。在步骤330，辅助电源Vcc的存储电容器196经过晶体管152(和二极管210如果被使用的话)被放电到Vout以关断同步整流器并避免负脉冲(即，+Vout上的负电压)。
图4B是说明作为同步整流DC-DC转换器中根据本发明的负脉冲消除器电路150或200操作的函数生成的波形408的符号图。通过负脉冲消除器电路150或200，作为结果的波形408显示了在保持在基线电压410以上一段显著长时间的信号电压。在优选实施例中，基线电压410是零伏。尽管当DC-DC电源转换器100断开时输出电压也下降，但是输出电压保持在基线电压410上，并仅随着时间的流逝缓慢地逼近零伏，从而避免了任何负脉冲的发生。
本领域的技术人员现在能从前述的描述中理解到，本发明实施例广泛的技术能以各种形式实现。因此，虽然本发明的实施例是结合其特定实例被描述的，但本发明实施例的实际范围不应被这样限制，因为本领域的技术人员通过研究附图、说明书和权利要求后，由说明书明确提供的或暗示的其它修改将变得显而易见。
权利要求
1.一种电源转换器，其用于将输入DC电压转换成在第一和第二输出端的输出DC电压，并包括在所述转换器次级侧上的同步整流，和用于将在所述转换器所述次级侧上辅助电源中的能量存储元件放电的负脉冲消除器电路，包括具有门极端子、源极端子和漏极端子的晶体管，所述晶体管的漏极端子连接到所述存储元件，所述晶体管的源极端子连接到所述第一输出端；用于在所述转换器被打开时从所述晶体管的门极端子上捕获电荷的装置；和用于将所述第一输出端上的电压加载到所述门极端子的装置，以便当所述转换器被关断且所述输出电压开始下降时，所述捕获到的电荷使所述晶体管的门极到源极电压增加，直到所述晶体管的门极被充分饱和导致所述晶体管导通充足的时间以使所述存储元件放电。
2.如权利要求1所述的电源转换器电路，其中，所述晶体管是MOSFET，并且其中用于从所述晶体管的门极端子上捕获电荷的所述装置包括所述MOSFET固有的门极到源极电容。
3.如权利要求1所述的电源转换器电路，其中，用于从所述晶体管门极端子上捕获电荷的所述装置包括连接在所述晶体管门极和所述第二输出端之间的电容器。
4.如权利要求1所述的电源转换器电路，其中，所述晶体管是MOSFET，并且其中用于将所述第一输出端上的电压加载到所述门极端子的所述装置包括所述MOSFET源极端子和门极端子之间的固有阻抗。
5.如权利要求1所述的电源转换器电路，其中用于将所述第一输出端上的电压加载到所述门极端子的所述装置包括连接在所述晶体管源极端子和门极端子之间的电阻。
6.如权利要求1所述的电源转换器电路，进一步包括连接在所述晶体管的漏极端子和门极端子之间的电阻。
7.如权利要求1所述的电源转换器电路，进一步包括连接在所述存储元件和所述晶体管的漏极端子之间的二极管。
8.一种用于防止在DC-DC电源转换器输出端上生成的输出电压中的负脉冲的方法，其中所述DC-DC电源转换器具有次级侧同步整流和次级侧辅助电源，该方法包括当所述转换器处于开通状态时，从连接在所述次级侧辅助电源和所述输出端之间的晶体管的门极端子上捕获电荷；和当所述转换器关断时，使所述晶体管随输出电压下降而导通，从而释放存储在所述辅助电源中的能量。
9.如权利要求8所述的方法，其中存储在所述辅助电源中的能量包括所述电源中存储电容器上的电荷。
10.在一种电源转换器中，该电源转换器用于将输入DC电压转换成在第一和第二输出端的输出DC电压，并包括在其次级侧上的同步整流和用于将在其所述次级侧上辅助电源中的存储电容器放电的负脉冲消除器电路，包括具有门极端子、源极端子和漏极端子的晶体管，所述晶体管的漏极端子连接到所述存储电容器，所述晶体管的源极端子连接到所述第一输出端；连接在所述晶体管门极和所述第二输出端之间的电容器；和连接在所述晶体管源极端子和门极端子之间的电阻。
11.如权利要求10所述的电源转换器，进一步包括连接在所述晶体管漏极端子和门极端子之间的第二电阻；和连接在所述存储电容器和所述晶体管漏极端子之间的二极管。
全文摘要
本发明公开了一种负脉冲消除器电路，其避免通常在带次级侧同步驱动器的孤立DC－DC转换器关断时出现的负脉冲发生。该电路起到使转换器次级侧辅助电源中能量存储元件放电的作用。该电路包括带门极端子、源极端子和漏极端子且该漏极端子连接存储元件而源极端子连接转换器的输出端的钳位晶体管；用于在转换器开通时捕获门极端子上电荷的装置；和用于将转换器输出端的电压加到门极端子的装置，以便当该转换器关断且其输出电压下降时，捕获的电荷能使该晶体管的门极到源极电压增加到使门极被充分饱和导致其导通足够时间以将存储元件放电。该电路优选使用电容器从门极端子捕获电荷。存储电容器被快速放电以避免DC/DC电源转换器关断时负脉冲发生。
文档编号H02M7/217GK1780126SQ20051011778
公开日2006年5月31日 申请日期2005年11月10日 优先权日2004年11月10日
发明者K·T·弗郎克 申请人:雅达电子国际有限公司