专利名称：功率转换器的同步整流电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及功率转换器，且更明确地说涉及切换式功率转换器的控制电路。
背景技术：
图1绘示常规具有用于改进功率转换效率的同步整流器的功率转换器。磁性装置例如变压器10包含一次侧绕组NP和二次侧绕组NS。开关15连接到一次侧绕组NP以切换变压器10和调节功率转换器的输出。二次侧绕组NS通过电源开关20和电容器30耦合到功率转换器的输出。电源开关20及其主体二极管25作为同步整流器而操作。在磁化周期期间响应于开关15的接通将电压VE施加到一次侧绕组NP。因此，充电电流IC将根据电压VE和一次侧绕组NP的电感系数而产生。同时，在二次侧绕组NS处产生磁化电压VS。一旦开关15断开，变压器10的能量将通过二次侧绕组NS和电源开关20而传送到功率转换器的输出端。因此在去磁周期期间去磁电压(输出电压VO)将被施加到二次侧绕组NS。放电电流ID将根据去磁电压和二次侧绕组NS的电感系数而产生。充电电流IC与放电电流ID可由方程式(1)(2)分别得知 其中LP和LS分别为变压器10的一次侧绕组NP和二次侧绕组NS的电感系数。TCHARGE为磁化周期；且TDISCHARGE为去磁周期。
在连续电流模式(continuous current mode；CCM)操作中，变压器10完全去磁之前开关15将接通。在非连续电流模式(discontinuouscurrent mode；DCM)操作中，在下一切换周期开始之前变压器10中的能量完全去磁。
图2A和图2B分别绘示连续电流模式和非连续电流模式的波形图。如果在变压器10完全去磁之后电源开关20没有断开，那么一个反向电流(reverse current)将透过电源开关20对电容器30进行放电。此反向电流降低了功率转换器的效率。为了避免反向电流，常规技术，例如在Yang等人的美国专利第6,995,991号“PWM controller for synchronousrectifier of flyback power converter”中所述，利用电阻器40及其控制电路45在放电电流ID低于临界值时断开电源开关20的同步整流的方法。另外，在连续电流模式操作期间，锁相电路在下一切换周期开始之前断开电源开关20。然而，电流感应电路和锁相电路将产生功率损失并增加系统的复杂性。另外，宽变频系统(wide-variable frequency system)例如，谐振式功率转换器(resonant power converter)将引起锁相的问题。
实用新型内容本实用新型提供一种同步整流电路，其适用于在固定频率和/或可变频率下操作的功率转换器。本实用新型之同步整流电路不需要电流感应电路或锁相电路。同步整流电路包括电源开关，其耦合到变压器(磁性装置)以用于整流。信号产生电路用于响应于变压器的磁化电压、变压器的去磁电压和变压器的磁化周期而产生控制信号。控制信号经耦合以控制电源开关导通。控制信号的启用周期与变压器的去磁周期相关。另外，控制信号响应于磁化电压的增加而增加。控制信号响应于变压器的磁化周期的减小而减小。除此之外，控制信号响应于去磁电压的增加而减小。
由于本发明省略了电流感应电路和锁相电路，由此将降低功率损失和系统的复杂性。
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，其并入本说明书中并组成本说明书的一部分。
本实用新型的实施例，且连同实施方式一起用以解释本实用新型的原理。
图1绘示具有同步整流器的常规功率转换器。
图2A和图2B分别绘示连续电流模式和非连续电流模式的波形图。
图3绘示包含本实用新型同步整流电路优选实施例的功率转换器的电路示意图。
图4绘示本实用新型优选实施例的切换控制电路。
图5和图6绘示本实用新型优选实施例中多个电压-电流转换电路的电路示意图。
图7绘示本实用新型优选实施例的信号产生电路的电路示意图。
图8绘示本实用新型优选实施例的同步整流电路的波形图。
具体实施方式
图3绘示包含本实用新型同步整流电路的优选实施例的切换式功率转换器的电路示意图。此同步整流电路适用于在固定频率和/或可变频率下操作的功率转换器，且不需要电流感应电路或锁相电路。切换式功率转换器中的电源开关20耦合到变压器(磁性装置)10以用于整流。切换控制电路100响应于变压器10的磁化电压(magnetized voltage)VS、去磁电压(demagnetized voltage)和磁化周期(magnetized time)而产生由输出端OUT输出的控制信号SW。控制信号SW经耦合以接通(turn on)电源开关20。其中控制信号SW的启用周期(enable period)与变压器的去磁周期(demagnetized time)相关。
当开关15接通时，在二次侧绕组NS与电源开关20之间产生电压VDS。电压VDS与变压器10的磁化电压VS有关。磁化电压VS可由方程式(3)得知 VS＝VDS-VO --------------------------------------------------------(3) 当开关15断开(turn off)时，输出电压VO施加到二次侧绕组NS以用于去磁。因此输出电压VO与变压器10的去磁电压相关。切换控制电路100的输入端子S1经耦合通过电阻器50和55来检测电压VDS。二极管60进一步耦合到二次侧绕组NS以加速对电压VDS的检测。另一输入端子S2耦合到功率转换器的输出以用于接收输出电压VO。
变压器的磁化通量ΦC等于去磁通量ΦD可由下列方程式得知， ΦC＝ΦD --------------------------------------------------------------- (4) -------------------------------------------------(5) ---------------------------------------------------------(8) 其中B为通量密度，Ae为变压器的横截面面积(cross-section area)，T为变压器的磁化周期(TCHARGE)或去磁周期(TDISCHARGE)，且N为变压器的绕组匝数的数目。
可根据方程式(7)和(8)获得变压器10的去磁周期(TDISCHARGE)。
根据方程式(9)展示，可由磁化电压VS、去磁电压VO和磁化周期(TCHARGE)来预测去磁周期(TDISCHARGE)。根据方程式(3)和(9)，去磁周期(TDISCHARGE)可重新以方程式(10)表示如下 根据变压器10的去磁周期(TDISCHARGE)产生控制信号SW的启用周期。因此，控制信号SW的启用周期响应于磁化电压VS的增加而增加。控制信号SW的启用周期响应于变压器10的磁化周期(TCHARGE)的减小而减小。除此之外，控制信号SW的启用周期响应于去磁电压VO的增加而减小。
图4绘示本实用新型切换控制电路100的优选实施例。如图所示切换控制电路100的输入电路是由放大器110、120，二极管115、125，电压-电流转换电路140、150，阻抗装置101、102和迟滞缓冲器电路180所组成。运算放大器110和二极管115形成第一单位增益缓冲器。参考信号VR提供至第一单位增益缓冲器。运算放大器120和二极管125形成第二单位增益缓冲器。第二单位增益缓冲器通过阻抗装置101和102耦合到输入端子S2。第一单位增益缓冲器的输出与第二单位增益缓冲器的输出结合在一起而产生信号VB。信号VB的最小值受参考信号VR箝制。信号VB连接到电压-电流转换电路150以响应输出电压VO产生第二信号I2和第三信号I3。第二信号I2的最小值是箝制于一限制值。输入端子S1产生电压信号VA，其连接到电压-电流转换电路140以响应于电压VDS而产生第一信号I1。另外，迟滞缓冲电路180耦合到输入端子S1以响应于变压器10的磁化周期而产生切换信号SON。第一信号I1、第二信号I2、第三信号I3和切换信号SON耦合到信号产生电路200以产生控制信号SW。
图5和图6分别绘示本实用新型中电压-电流转换电路140和150的优选实施例。参阅图5，电压VA连接到运算放大器141。运算放大器141连接到晶体管143和电阻器142以响应于电压VA而产生电流I143。电流I143连接到晶体管145和146以产生第一信号I1。参阅图6电压VB连接到运算放大器151。运算放大器151连接到晶体管153和电阻器152以响应于电压VB而产生电流I153。电流I153连接到晶体管155和156以产生电流I156。电流I156进一步连接到晶体管157、158和159以用于产生第二信号I2和第三信号I3。因此第一电流I1根据电压VA而产生。第二信号I2和第三信号I3根据电压VB而产生。
图7绘示本实用新型较中信号产生电路200的优选实施例。电容器220用来决定控制信号SW的周期。第一开关210耦合在第一信号I1与电容器220之间。第二开关215耦合在第二信号I2与电容器220之间。第一比较器230耦合到电容器220以在电容器220的电压高于第一参考电压VR1时，在第一比较器230的输出端产生第一控制信号。由反相器231和AND门232形成的输出电路经耦合以响应于第一控制信号的启用和切换信号SON的禁用而在AND门232的输出端产生第一放电信号。切换信号SON进一步经耦合以控制第一开关210。第一开关210响应于切换信号SON的启用而接通。第一放电信号经耦合以控制第二开关215。第二开关215响应于第一放电信号的启用而接通。第一信号I1用于对电容器220进行充电。第二信号I2用于对电容器220进行放电。第三信号I3进一步耦合到第一信号I1以减小第一信号I1的值。
电压VDS决定第一信号I1。第一信号I1可以方程式(11)表示为 输出电压VO决定的第二信号I2和第三信号I3可以方程式(12)、(13)表示如下 电容器220上的电压可以方程式(14)表示为， 其中k1、k2和k3为常数，例如阻抗装置的比率和/或电流镜的增益，C为电容器220的电容值，TON为切换信号SON的启用时间(电容器220的充电时间)，R142为电阻器142的电阻值，R152为电阻器152的电阻值。电容器220的放电时间TOFF由下式给出， 通过适当选择k1、k2、k3、R142和R152，电容器220的放电时间TOFF可根据方程式(14)和(15)重新整理为方程式(16) 因此电容器220的放电时间TOFF与变压器10的去磁周期TDISCHARGE相关。去磁周期TDISCHARGE可以方程式(17)表示 其中K为常数。
第二比较器240耦合到电容器220以用于在电容器220的电压高于第二参考电压VR2时在第二比较器240的输出端产生第二控制信号。由反相器241和AND门250形成的另一输出电路经耦合以响应于第二控制信号的启用以及切换信号SON的禁用而在AND门250的输出端产生第二放电信号。控制信号SW可根据第一放电信号或第二放电信号而产生。在此实施例中，第二放电信号用于产生控制信号SW。第二参考电压VR2高于第一参考电压VR1。因此，在变压器10进行磁化之前，控制信号SW禁用，且电源开关20断开。
参看方程式(16)和图8的同步整流电路的波形图，控制信号SW的周期由电容器220(电压VC)的放电时间TOFF控制。控制信号SW的周期响应于电容器220的充电时间TON的减小而减小。控制信号SW的周期响应于输出电压VO的减小而增加。充电时间TON由切换信号SON的启用时间来控制。切换信号SON的启用时间来控制与磁化周期(TCHARGE)相关。
所属领域的技术人员将了解，在不脱离本实用新型范围或精神的情况下，可对本实用新型的结构作出各种修改和变化。鉴于前述内容，希望本实用新型涵盖所附权利要求书及其等效物范围内的本实用新型的修改和变化。
权利要求1.一种功率转换器的同步整流电路，其包括
电源开关，其耦合到变压器以用于整流；
其特征在于还包括
切换控制电路，其响应于所述变压器的磁化电压、所述变压器的去磁电压和所述变压器的磁化周期而产生控制信号，所述控制信号经耦合以控制所述电源开关，且所述控制信号的启用周期与所述变压器的去磁周期相关。
2.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中所述控制信号的所述启用周期响应于所述磁化电压的增加而增加，所述控制信号的所述启用周期响应于所述变压器的所述磁化周期的减小而减小，且所述控制信号的所述启用周期响应于所述去磁电压的增加而减小。
3.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中所述切换控制电路包括
输入电路，其产生第一信号、第二信号、第三信号和切换信号；以及
信号产生电路，其耦合所述输入电路以产生所述控制信号，
其中所述第一信号与所述变压器的电压相关，所述第二信号和所述第三信号与所述功率转换器的输出电压相关，且所述切换信号响应于所述变压器的所述磁化周期而产生。
4.根据权利要求3所述的同步整流电路，其中所述信号产生电路包括
电容器；
第一开关，其耦合在所述第一信号与所述电容器之间；
第二开关，其耦合在所述第二信号与所述电容器之间；
第一比较器，其耦合到所述电容器并在所述电容器的电压高于第一参考电压时产生第一控制信号；以及
输出电路，其经耦合以响应于所述第一控制信号的启用和所述切换信号的禁用而产生第一放电信号，
其中所述第一开关响应于所述切换信号的启用而接通，所述第二开关响应于所述第一放电信号的启用而接通；所述第一信号用于对所述电容器进行充电，所述第二信号用于对所述电容器进行放电，且所述第三信号进一步耦合到所述第一信号以减小所述第一信号的值。
5.根据权利要求4所述的同步整流电路，其中所述信号产生电路进一步包括
第二比较器，其耦合到所述电容器以在所述电容器的所述电压高于第二参考电压时产生第二控制信号，其中所述控制信号是根据所述第一放电信号或第二放电信号而产生。
6.根据权利要求1所述的同步整流电路，其中所述电源开关在所述变压器的磁化之前断开。
7.根据权利要求3所述的同步整流电路，其中所述第二信号的最小值被箝制于一限制值。
8.一种功率转换器的同步整流装置，其包括
电源开关，其耦合到磁性装置用于整流；
其特征在于还包括
切换控制电路，其响应于所述磁性装置的磁化电压和所述磁性装置的磁化周期而产生控制信号，所述控制信号经耦合以控制所述电源开关，所述控制信号的启用周期与所述磁性装置的去磁周期相关。
9.根据权利要求8所述的同步整流装置，其中所述磁性装置的去磁电压进一步用于确定所述控制信号的所述启用周期。
10.根据权利要求8所述的同步整流装置，其中所述控制信号的所述启用周期响应于所述磁化电压的增加而增加，所述控制信号的所述启用周期响应于所述磁性装置的所述磁化周期的减小而减小，且所述控制信号的所述启用周期响应于所述去磁电压的增加而减小。
11.根据权利要求8所述的同步整流装置，其中所述电源开关在所述磁性装置磁化之前断开。
专利摘要本实用新型提供一种可在固定和/或可变频率下操作的功率转换器的同步整流电路，其中不需要电流感应电路或锁相电路。同步整流电路具有耦合到变压器以用于整流的电源开关；信号产生电路用于响应于变压器的磁化电压、变压器的去磁电压和变压器的磁化周期而产生控制信号。控制信号经耦合以控制电源开关导通。控制信号的启用周期与变压器的去磁周期相关。
文档编号H02M3/07GK201048350SQ20062013699
公开日2008年4月16日 申请日期2006年10月31日 优先权日2006年10月31日
发明者杨大勇 申请人:崇贸科技股份有限公司