专利名称：具有自驱式同步整流器的返驰式转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种返驰式转换器，特别涉及具有自驱动式同步整流器的返驰 式转换器。
背景技术：
传统的返驰式转换器(flyback converter)主要利用变压器以及二极管作为整 流器，又称为二极管整流器，用以将电源的能量传输至外部负载电路。变压器 电路具有分离的 一 次侧线圈(primary winding)及二次侧线圈(secondary
winding),其中一次侧线圈用以连接外部电源，而二次侧线圈是一感应线圈， 用以感应一次侧线圈的磁通量(magnetic flux)变化而生感应电压，连接整流器 (rectifier)形成电力电路(power circuit),用以驱动外部负载电路(load)。
请参考图1，其所示为传统返驰式转换器的电路。变压器io具有相互分离 的一次侧线圈Lp及二次侧线圈Ls， 一次侧线圈Lp用以连接外部电压源(power source),而二次侧线圈Ls，经由电力电路(power circuit)后，连接外部负载电路 (1oad)。图中一次侧线圈Lp及二次侧线圈Ls上的黑点表示同极性(同时为正极或 负极)。
二次侧线圈U连接二极管D,以形成电力电路，其中二极管D,用以整流， 又称为二极管整流器。电力电路的一输出端为电压输出端，另一端为接地端， 于电压输出端及接地端之间跨接电容C。，称为负载电容(load capacitor)。
首先介绍外部电源的供电方式，其通常区分为连续导通模式(continuous conduction mode,CCM)及不连续导通模式(discontinuous conduction mode,DCM)。连续导通模式仅为不连续导通模式的特例，以下说明不连续导通 模式。其中输入电压以周期性方式供电，时间标为t，其定义如下
1.首先为开启期间，记为T。n (0 < t < T。n)，此期间内外部电源施电压 Vj(VfHIGH)于一次侧线圈Lp， 一次侧线圈Lp储能，通过一次侧线圈Lp线圈的.
电流渐增至最大值，二次侧线圈Ls无电流。
2. 接着为重置期间，记为Tr(T。n<t<T。n+Tr)，此期间内外部电源关闭， 二次侧线圈Ls释能，通过二次侧线线圈Ls的电流is由最大渐减至O， 一次侧线
圈Lp受到反射输出电压(reflected output voltage)^ = -$。，其中Np及Ns分别
一次侧线圈Lp及二次侧线圈Ls的线圈数， 一次侧线圈"的电流/ =》/、々)形 成于一次侧电感及一次侧线圈Lp的封闭回路中，但通过一次侧开关;勺电流
3. 最后为延迟期间，记为Tdead=Ts-T。n-Tr(T。n+Tr<t<Ts)，其中Ts表 示开关一周期的期间，延迟期间内外部电源关闭(V「0)， 二次侧线圈U不再释 能，无电流通过一次侧线圈Lp及二次侧线圈Ls。
当感应电流未降至O(释能未完全)，下一个周期即开始，则称为连续导通 模式。配合图l，以下说明返驰式转换器的工作原理。
开启期间内， 一次侧线圈Lp及二次侧线圈Ls上标示黑点的端点为高压端， 二极管D,为反向偏压，电力电路未导通，由负载电容C。提供外部负载电路的 电压V。。
重置期间， 一次侧线圈Lp及二次侧线圈Ls上标示黑点的端点为低压端， 二极管D,为顺向偏压，电力电路导通，电力施加于负载电容C。及外部负载电 路。
延迟期间， 一次侧线圈Lp及二次侧线圈Ls上的电压为0， 二极管D,为反 向偏压-V。关闭，由负载电容C。提供外部负载电路的电压V。。
此种返驰式转换器的缺点在于二极管整流器将导致严重的导通损失 (conduction loss)。为降低导通损失， 一般采用同步整流器以替代二极管整流器， 例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor, MOS)常被用来制作同步整流器，其实际电路请参考图2。
比较图2与图1所示的返驰式转换器的电路，其不同处在于采用n-MOS 晶体管(n型氧化金属半导体场效应晶体管)M,替代二极管，作为同步整流器， 但此种设计需用集成电路控制器(controller)IC以控制n-MOS晶体管的导通。
另有相似的返驰式转换器的设计，请参考图3，其与图2电路的不同处在 于n-MOS晶体管M,连接于负载线圈的接地端。图3所示的返驰式转换器称为 低压端驱动返驰式转换器(low side driven flyback converter),而图2电路的返驰式转换器称为高压端驱动返驰式转换器(high side driven flyback converter)。此 类设计，因利用集成电路控制器IC而增加了电路的复杂度及成本。
为降低导通损失、电路的复杂度及成本，利用不同的电路以制造返驰式转 换器，仍有其需求。
发明内容
本发明的一目的是降低返驰式转换器的导通损失，其利用同步整流 器以控制二次侧电力线圈的导通。
本发明的另一 目的是降低返驰式转换器电路的复杂度，其利用二次 侧驱动线圈连接一开关控制器，用以接收电流检测电路的检测信号，开 关控制器控制开关的输出信号，进而决定开启或关闭同步整流器。
为达到上述目的，本发明提供一种返驰式转换器，其包含变压器、 二极管、开关控制器、开关、电流检测电路及同步整流器。变压器包含 -次侧线圈、二次侧驱动线圈及二次侧电力线圈。 一次侧线圈用以连接 外部电源。二次侧电力线圈连接同步整流器构成电力电路，并串接电流 检测电路，电力电路的输出端包含一接地端(低压端)， 一端为电压输出 端(高压端)，电压输出端及接地端间跨接负载电容。二次侧驱动线圈串 接二极管、开关控制器及开关以形成驱动电路，开关控制器连接于电流 检测电路以接收检测信号。电流检测电路串接于电力电路上，用以检测 电力电路的电流，并传送检测信号给开关控制器，用以控制开关，进而 令开关开启或关闭同步整流器。
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发 明的具体实施方式
作详细说明，其中
图1所示为现有技术的返驰式转换器的电路图。 图2所示为现有技术的高压端驱动返驰式转换器的电路图。 图3所示为现有技术的低压端驱动返驰式转换器电路图。 图4所示为本发明一实施例的反驰式转换器电路示意图。 图5所示为本发明一实施例的具有自驱式同步整流器的返驰式转换器的驱 动电路示意图。
图6所示为本发明一实施例的高压端具有自驱式同步整流器的返驰式 转换器电路示意图。
图7所示为本发明一实施例的低压端具有自驱式同步整流器的返驰式
转换器电路示意图。
图8所示为本发明一实施例的低压端具有自驱式同步整流器的返驰式 转换器电路图。
图9所示为本发明一实施例的同步整流器，其中以PNP双极晶体管及二极 管制作同步整流器。
具体实施例方式
以下实施例及配合附图以阐明本发明的精神。
请参考图4，说明本发明一实施例的返驰式变压器(transformer)100电路， 其包含 一 次侧线圈(primary winding)Lp 、 二次侧驱动线圈(secondary driving winding)Ld及二次侧电力线圈(secondary power winding)L,'其中一次侧线圈Lp 用以连接外部电源Vi。
二次侧电力线圈L,连接电力电路(power circuit),电力电路串接电流检测电 路700后，提供电压输出端(高压端)及接地端(低压端)，用以提供驱动外部负载 电路(oad)(图上未示)的电压V。，在电压输出端及接地端间跨接一负载电容 (load capacitor) C。用以稳压。
二次侧驱动线圈Ld串接驱动电路，驱动电路连接电流检测电路700及电力 电路，用以接收电流检测电路700的检测信号，进而导通或断开控制电力电路。
电流检测电路700串接于电力电路上，用以检测电力电路的电流，其将电 流信号转为电压信号，再传送此电压检测信号给驱动电路，驱动电路依据此检 湖U信号决定导通或断开电力电路。
图5为根据本发明的一实施例说明一次侧线圈Lp、 二次侧驱动线圈Ld、驱 动电路以及电流检测电路700的示意图。驱动电路包含二极管D2、开关控制器 600及开关200。开关控制器600具有第一输入端610、第二输入端630、参考
端640及输出端620。开关200具有控制端210、第一电压连接端220、第二电 压连接端230及信号输出端240。电流检测电路700包含电流流入端710、电 流流出端730、第一电压输出端720及第二电压输出端740。
二次侧驱动线圈Ld的第一端连接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极连接 开关200的第一电压连接端220，开关200的第二电压连接端230连接二次侧 驱动线圈L d的第二端，信号输出端240用以连接电力电路。
开关控制器600的第一输入端610及第二输入端630分别连接电流检测电 路700的第一电压输出端720及第二电压输出端740，用以接收电流检测电路 700的检测信号。开关控制器600的参考端640及输出端620分别连接开关200 的第一-电压连接端220及控制端20，用以控制开关200的信号输出端240的 电位。
电流检测电路700的电流流入端710及电流流出端730串接于电力电路上， 用以检测电力电路的电流，并将电流信号转换为电压信号，再借由第一电压输 出端720及第二电压输出端740将此电压信号传送给开关控制器600。在开关 控制器600的第二输入端630及电流检测电路700的第二电压输出端740间可 连接--电阻(图上未示)以调整其检测信号的电压值。
图6为根据本发明的一实施例说明高压端具有自驱式同步整流器的返驰式 转换器的一次侧线圈Lp、 二次侧驱动线圈Ld、驱动电路、二次侧电力线圈L,、 电力电路及电流检测电路700的示意图。如图所示，电力电路包含一同步整流 器300，其具有一控制端310、 一流入端320及一流出端330。
二次侧电力线圈L,连接同步整流器300的流入端320，其流出端330串接 电流检测电路700的电流流入端710，再由电流检测电路700的电流流出端730 连接至电压输出端。
驱动电路的开关200的信号输出端240及第二电压连接端230分别连接同 步整流器300的控制端310及流入端320。
根据上述实施例，在电源供电周期内，利用开关控制器600的输出端620 及参考端640连接开关200的控制端210及第一电压连接端220,用以控制开 关200的信号输出端240的电位，进而导通或断开同步整流器300的流入端320 与流出端330。若同步整流器300的控制端310被开启且流入端320的电压高
于流出端330的电压时，电流由流入端320流向流出端330，并流过电流检测 电路，如此二次侧电力线圈L,充能于负载电容C。并驱动外部负载电路(图上 未示)。若同步整流器300的控制端310被关闭时，流入端320及流出端330 为断路，电力电路形成开路，由负载电容C。驱动外部负载电路，此时电流检测 电路的电流亦为0。
图7为根据本发明的一实施例说明低压端具有自驱式同步整流器的返驰式 转换器的一次侧线圈Lp、 二次侧驱动线圈Ld、驱动电路、二次侧电力线圈L,、 电力电路及电流检测电路700的示意图。与高压端具有自驱式同步整流器的返 驰式转换器的电力电路相较，低压端具有自驱式同步整流器的返驰式转换器的 电力电路中的同步整流器300的流入端320串接于接地端(低压端)上，流出端 330连接电流检测电路700的电流流入端710，电流检测电路700的电流流出 端730连接二次侧电力线圈L，控制端310连接开关200的信号输出端240。 本实施例的控制端的开启与关闭与高压端具有自驱式同步整流器的返驰式转 换器的电力电路相同，在此不再赘述。
要说明的是，在一实施例中，利用N(P)型金属氧化物半导体场效应晶体管 (n/p-channel metal oxide semiconductor field effect transistor, n/p-MOS)、 N ( P ) 型结型场效应晶体管(p/n-channel junction field effect transistor, p/n-JFET)或 PNP(NPN)双极晶体管(p/n-type bipolar junction transistor, p/n-BJT)制作同步整 流器时，栅(基)极作为控制端310，并依据晶体管源(发射)极与漏(集电)极的特 性分别定义流入端320及流出端330。例如，以n-MOS制作高(低)压端具有自 驱式同步整流器的自驱返驰式转换器的同步整流器，其控制端310、流入端320 以及流出端330分别为n-MOS的栅极、源极以及漏极电压检测电路是检测 n-MOS晶体管的源-漏极间的本体二极管(body diode)的跨压。
又如，利用PNP或NPN型双极晶体管制作同步整流器，因无如MOS晶 体管的本体二极管的特性，需外接一二极管提供跨压，其连接方式是将二极管 的阳极及阴极分别连接流入端320及流出端330。如一实施例中，利用PNP型 双极晶体管制作同步整流器时，以其基极、集电极及发射极作为控制端310、 流出端330及流入端320，在流入端320(发射极)及流出端330(集电极)之间跨 接二极管。
接着，图8所示为一低压端具有自驱式同步整流器的返驰式转换器实施例
的电路图。如图所示，同步整流器300为一n-MOS晶体管M2。
开关200以一互锁型电路制作，其包含一NPN双极晶体管Q,、 PNP双极 晶体管Q2、电阻112。双极晶体管Q,的发射极连接双极晶体管Q2的发射极且连 接点定义为信号输出端240。 二双极晶体管Q,、 Q2的基极相接且连接点定义为 控制端20。电阻R2跨接在双极晶体管Q2的集电极与基极之间。双极晶体管 Q!、 Q2的集电极分别定义为第一电压连接端220及第二电压连接端230。
开关控制器600为一 NPN双极晶体管Q3，其发射极同时被定义为第一输 入端610及输出端620，基极及集电极分别被定义为第二输入端630及参考端 640。
电流检测电路700包含变压器电路、电阻Rs、电容C2及二极管D3，变压 器电路包含一次侧线圈U及二次侧线圈U。 一次侧线圈La的二端被定义为电 流流入端710及电流流出端730，分别连接于同步整流器300的流入端320及 电压输出端之间。二次侧线圈Lb的二端分别被定义为第一电压输出端720及第 二电压输出端740(图中黑点表示同极性)。二次侧线圈Lb的二端跨接电阻Rv 用以将感应电流转为一电压信号，跨接电容C3用以稳压，二极管D3的阴极与 阳极分别连接第一电压输出端720及第二电压输出端740，用以确保电流方向。
电阻R6连接于电流检测电路700的第二电压输出端740与开关控制器600 的第二输入端630(双极晶体管Q3的基极)之间，用以调整传送给开关控制器600 的电压值。
电源供电的一周期内的电路的导通情况，电源供电供电周期区分为开启期 间、重置期间以及延迟期间(定义已于背景技术中描述)。当应用上述实施例时，
其各区间的导通描述如下
开启期间T。n(0<t<T。n): 二极管D2受反向偏压(reverse biased)而关闭。 因n-MOS晶体管M2的本体二极管受反向偏压(reverse biased)而关闭，使电流 检测电路700的一次侧线圈La无法导通电流，故电流检测电路700的二次侧线 圈U无感应电流，可被视为短路，双极晶体管Q3的基-射极因无偏压而关闭， 幵关200的双极晶体管Q,亦关闭，n-MOS晶体管M2被关闭。即使n-MOS晶 体管M2的栅极积存电荷，也会很快地经由开关200的晶体管Q2及电阻112而 释放，使n-MOS晶体管M2的栅-源二极的跨压降为0(VGS=0)，因而关闭n-MOS
晶体管M2。因此，电力电路不导通，由输出电容C。驱动外部负载电路的电压 V。。因此，在开启期间T。n((Xt〈T。。)内，电流由n-MOS晶体管M2的栅极流 向晶体管Q2，即开关200的信号输出端240提供低电压信号。
重置期间Tr(T。n〈t〈T。n+Tr):二极管D2受顺向偏压(forward biased)而开 启。因n-MOS晶体管M2的本体二极管受顺向偏压(forward biased)而开启，使 电流可流入电流检测电路700的一次侧线圈U的黑点端，二次侧线圈U产生 的感应电流从黑点端流出，经电阻R5转换为一电压，此电压，经电容C2滤波 与二极管D3钳位后，使双极晶体管Q3的基-射极间的跨压为顺向偏压，因而开
启双极晶体管Q3，开关200的双极晶体管Q,亦被开启，而在开关200的信号 输出端240提供一高电位以开启n-MOS晶体管M2，因而导通源极(流入端320) 与漏极(流出端330)，电力电路形成通路。因此，在重置期间Tr (T。n < t < T。n +Tr) 内，电流由晶体管Q,流向n-MOS晶体管M2的栅极，即开关200的信号输出 端240提供高电压信号。
延迟期间Tdead (Ton+Tr < t < T。n+Tr+Tdead):返驰式变压器100的一次侧线圈 Lp、 二次侧驱动线圈Ld以及二次侧电力线圈Li不再释能且无电流通过，此时 二极管D2无偏压而形成断路，n-MOS晶体管M2被关闭，电力电路不导通，由 输出电容C。驱动外部负载电路的电压V。。
高压端具有自驱式同步整流器的返驰式转换器的原理同低压端具有自驱 式同步整流器的返驰式转换器，仅需注意同步整流器的极性需连接正确，此不 再赘述。
另 一实施例是利用PNP双极晶体管制作同步整流器300时，需外接二极管， 以产生流入端320及流出端330的跨压，其同步整流器的实施例如图9所示。
综上所述，利用二次侧驱动线圈形成一驱动电路，驱动电路上的开关控制 器受电流检测电路而可控制开关，用以开启或关闭电力电路上的同步整流器， 电力电路因而形成回路或开路，即可完成具有自驱式同步整流器的返驰式转换 器。
虽然本发明己以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本 领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善， 因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
权利要求
1.一种具有自驱式同步整流器的返驰式转换器，包含一返驰式变压器，具有一第一一次侧线圈、一二次侧驱动线圈以及一二次侧电力线圈，其中该第一一次侧线圈连接一外部电源，借以输入电压；一电力电路，是由该返驰式变压器的该二次侧电力线圈串接一同步整流器所构成，以提供一电压输出端及一接地端，并于该电压输出端及该接地端之间跨接一电容，其中该同步整流器具有一控制端、一流入端及一流出端，该流入端与该流出端连接于该二次侧电力线圈，该控制端接收一控制信号以导通或断开该流入端及该流出端；一驱动电路，是由该返驰式变压器的该二次侧驱动线圈串接一二极管、一开关控制器及一开关所构成，其中该开关控制器具有一第一输入端、一第二输入端、一参考端及一输出端，该开关具有一控制端、一第一电压连接端、一第二电压连接端及一电压信号输出端，该开关的该第一电压连接端连接该二极管的阴极，该二极管的阳极连接该二次侧驱动线圈的第一端，该二次侧驱动线圈的第二端连接该开关的该第二电压连接端，该开关的该第二电压连接端及该电压信号输出端分别连接该同步整流器的该流入端及该控制端，用以提供该控制信号，该开关控制器的该参考端及该输出端分别连接该开关的该第一电压连接端及该控制端；以及一电流检测电路，具有一电流流入端、一电流流出端、一第一电压输出端及一第二电压输出端，该电流流入端及该电流流出端串接于该同步整流器的该流出端，该第一电压输出端及该第二电压输出端分别连接于该开关控制器的该第一输入端及该第二输入端。
2. 如权利要求1所述的具有自驱式同步整流器的返驰式转换器，其特征在 于，该返驰式转换器是为一高压端具有自驱式同步整流器的返驰式转换器或一 低压端具有自驱式同步整流器的返驰式转换器，其中该高压端具有自驱式同步 整流器的返驰式转换器，其同步整流器与该二次侧电力线圈串接于该二次侧电 力线圈与该电压输出端之间；该低压端具有自驱式同步整流器的返驰式转换 器，其同步整流器串接于该二次侧电力线圈与该接地端之间。
3. 如权利要求1或2所述的具有自驱式同步整流器的返驰式转换器，其特 征在于，该开关包含一NPN双极晶体管，其中该NPN双极晶体管的集电极定义为该第一电压 连接端；以及一 PNP双极晶体管， 一第二电阻跨接该PNP双极晶体管的集电极与基极， 并将该PNP双极晶体管的基极与发射极分别连接于该NPN双极晶体管的基极 与发射极，其中该PNP双极晶体管的集电极定义为该第二电压连接端，二晶体 管发射极的连接点定义为该电压信号输出端，二晶体管基极的连接点定义为该 控制端。
4. 如权利要求1或2所述的具有自驱式同步整流器的返驰式转换器，其特 征在于，该同步整流器是为N型金属氧化物半导体场效应晶体管、P型金属氧 化物半导体场效应晶体管、N型结型场效应晶体管、P型结型场效应晶体管、 NPN双极晶体管或PNP双极晶体管，其中NPN双极晶体管或PNP双极晶体管需外接一第二二极管。
5. 如权利要求1或2所述的具有自驱式同步整流器的返驰式转换器，其特 征在于，该开关控制器为一PNP双极晶体管，其发射极同时为该第一输入端及 该输出端，其基极及集电极分别为该第二输入端及该参考端。
6. 如权利要求1或2所述的具有自驱式同步整流器的返驰式转换器，其特 征在于，该电流检测电路包含一第二一次侧线圈、一二次侧线圈、 一第二电容、 一第二二极管、 一电阻，该第二一次侧线圈的二端定义为该电流流入端及该电 流流出端，该二次侧线圈的二端分别定义为该第一电压输出端及该第二电压输 出端，该第二电容、该第二二极管及该电阻跨接于该第一电压输出端及该第二 电压输出端之间，其中该第二二极管的阴极与阳极分别连接于该第一电压输出 端与该第二电压输出端。
7. 如权利要求6所述的具有自驱式同步整流器的返驰式转换器，其特征 在于，还包含一电阻，连接于该电流检测电路的该第二电压输出端与该开关控 制器的该第二输入端间。
全文摘要
本发明涉及一种具有自驱式同步整流器的返驰式转换器，其利用晶体管作为二次侧整流器替代传统二极管整流器，以降低导通损失。然而，晶体管必须被适当的栅极驱动器驱动，传统采用他驱式栅极驱动器以集成电路实现，复杂且昂贵，而一般自驱式栅极驱动器电路仍太过复杂。本发明所揭示的具有自驱式同步整流器的返驰式转换器由二次侧驱动线圈串接二极管、开关控制器及开关构成驱动电路以制作自驱式栅极驱动器，其中，开关控制器决定开启或关闭开关。利用一电流检测电路连接于开关控制器，其可检测连接于二次侧线圈的同步整流器的电流用以控制开关控制器。如此，本发明揭示的具有自驱式同步整流器的返驰式转换器可有效的简化电路复杂度并降低成本。
文档编号H02M7/12GK101359877SQ20071014080
公开日2009年2月4日 申请日期2007年8月3日 优先权日2007年8月3日
发明者余金生, 王志良 申请人:洋鑫科技股份有限公司;王志良