专利名称：同步整流装置的制作方法
技术领域：
本发明主要关于一种电源转换器，特别是有关于一种同步整流柔性切换电 源转换器的装置。
背景技术：
图1是显示一传统柔性切换电源转换器的电路结构图。传统柔性切换电源转换器包括一变压器10，用以电性隔离交流输入端以及电源转换器的输出端。 柔性切换电源转换器能够达到高效率以及低电磁干扰(electric-magnetic interference, EMI)的性能。晶体管20与30形成一半桥电路，用以切换一谐 振槽(resonanttank)以及变压器10。谐振槽是由电感15以及电容40所形成。电 感15作为变压器10的一次侧漏电感(primary-side leakage inductance)以及/ 或一电感性装置。电感15的电感值L以及电容40的电容值C决定了共振频率 fo。变压器10将能量由其一次侧传送至二次侧。整流器41与42将变压器10 的切换电压整流，并输入至电容65，因此，于电源转换器的输出端产生一直流 电压Vo。在变压器二次侧设置一同步整流器能够得到更高的电源转换效率，例如 Yang所提出的美国专利编号7,173,835，标题为"具有运作为同步整流顺向型 电源转换器的饱和电感的控制电路"。然而，此传统技术的缺点为饱和电感将 导致额外的电源消耗。本发明的一目的是为了提供一种同步整流装置与方法来 柔性切换一电源转换器，以达到高效率。发明内容有鉴于此，本发明提供一种同步整流装置来柔性切换一电源转换器。根据 本发明一实施例所述的方法与装置包括一切换控制电路，用以根据一切换信号 的上升沿以及下降沿产生驱动信号。驱动信号耦接并切换一变压器以调整电源 转换器。驱动信号之间具有传递延迟以柔性切换电源转换器。切换控制电路还 根据一电流信号产生一脉冲信号。电流感测电路耦接至变压器以根据变压器的 切换电流产生电流信号。脉冲信号根据切换电流的零交越而产生。隔离装置， 例如脉冲变压器或多个电容，耦接至切换控制电路以由变压器的一次侧传送脉 冲信号至二次侧。集成同步整流器包括一控制器以及一电源晶体管。电源晶体 管耦接于变压器以及电源转换器的输出端，用以整流。脉冲信号设定或重置一 栓锁电路，用以切换上述电源晶体管。脉冲信号为差动信号，而脉冲信号的极 性决定集成同步整流器的启动或关闭。
图1是显示一传统柔性切换电源转换器的电路结构图。图2是显示根据本发明一实施例所述的具有同步整流电路的柔性切换电源 转换器。图3是显示根据本发明一实施例所述的集成同步整流器的电路图。图4是显示根据本发明一实施例所述的控制器的电路图。图5是显示根据本发明一实施例所述的最大导通时间电路。图6是显示根据本发明一实施例所述的切换控制电路。图7是显示根据本发明一实施例所述的电源管理电路。图8是显示根据本发明一实施例所述的电源管理电路的波形。图9是显示根据本发明一实施例所述的信号产生器的电路。图10是显示根据本发明一实施例所述的延迟电路。图11是显示根据本发明一实施例所述的脉冲信号产生器。图12是显示根据本发明一实施例所述的同步整流电路的波形。图13是显示根据本发明另一实施例所述的同步整流柔性切换电源转换器。主要组件符号说明:10、 11 变压器115、 275、 40、 550、 65、 71、 72 电容 15 电感17 电流感测组件19、 211、 221、 213、 223、 511 电阻器100 信号产生器110、120、 335、 337 '延迟电路113、273、 515、 540、545、 81 电流源150、160、 235、 260、262、 279、 305、 345、90 AND逻辑门271、130、 140、 105、111、 124、 125、 341、342、 343、 580、 582119、575、 576、 585 -NAND逻辑门20、 30、 400 电源晶体管 25、 35 驱动电路 200 控制器210、 220、 230、 561、 562、 85、 86 比较器215、 225 偏移电压250 SR触发器261、 320、 330、 340、 590 触发器270 最大导通时间电路272、 512、 521、 522、 523 晶体管300 脉冲信号产生器315 OR逻辑门41、 42 整流器450 二极管480 压控振荡电路50、 51、 52 集成同步整流器500 电源管理电路510 运算放大器530、 535、 536 开关581 磁滞缓冲器70 隔离装置75 脉冲变压器80 切换控制电路95 T型触发器BST 间歇节能信号CLR 清除端DET 阴极端GND 阳极端"12、 "22、 IS23 电流Ip 切换电流Iz 零交越信号 Np 一次侧线圈NA 辅助线圈Nsl、 Ns2 二次侧线圈R 重置输入端RMP 斜坡信号RST 电源启动重置信号Sms 放电信号Sam 充电信号Scw 清除信号Shys 信号Tp 脉冲宽度S 设定输入端SA、 SB 驱动信号S^ 切换信号Sp 第一输入信号端Sn 第二瑜入信号端SM 最大导通时间信号 So 振荡信号Spuke 脉冲信号丁d 延迟时间V,、 V广临界信号Ve 门驱动信号Vnj 反馈信号Vo 直流电压Vs 电流信号具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下 实施例图2是显示具有同步整流电路(或称同步整流装置)的柔性切换电源转换器。电源转换器具有一变压器10，包括一次侧以及二次侧。变压器10的一次侧包 括电源晶体管20以及30以切换变压器10的一次侧线圈Np。变压器10的二次 侧包括二次侧线圈NS1以及另一二次侧线圈NS2。第一集成同步整流器51包括 一阴极端DET，耦接至二次侧线圈NS1。第一集成同步整流器51的阳极端GND 是耦接至电源转换器的输出接地点。第二集成同步整流器52包括一阴极端DET 以及经由二次侧线圈Ns2耦接至电源转换器的输出接地点的阳极端GND。第一 集成同步整流器51与第二集成同步整流器52的第一输入信号端Sp以及第二输入信号端SN是耦接至隔离装置70的二次侧以接收脉冲信号Sp^e以开启或关闭第一集成同步整流器51与第二集成同步整流器52。隔离装置70作为一隔离障 壁，可以包括电容71和72，或可为一脉冲变压器。电容71和72的电容值可 为如20 pF的小电容，但必须为高额定电压才适合用来作电性隔离。切换控制电路80根据电源转换器的输出负载耦接并接收反馈信号VFB。驱 动信号Sa与SB耦接并分别经由驱动电路25与35控制电源晶体管20以及30， 以切换变压器10。驱动信号Sa与SB之间具有一延迟时间Td以柔性方式切換8电源转换器。在此仅大略说明说明切换信号以及延迟时间To，详细的内容将在 下文说明。脉冲信号Spulse根据电流信号Vs而产生。电流信号Vs耦接至切换控制电路 80，并与变压器10的切换电流Ip相关。电流感测组件17耦接至变压器10并 产生电流信号Vs。脉冲信号Sp^e根据切换电流Ip的零交越(zero-crossings) 而产生于第一输出信号端XP以及第二输出信号端XN，脉冲信号Spu^为差动信 号。而脉冲信号Spuk的极性决定第一集成同步整流器51与第二集成同步整流 器52的开启或关闭。切换控制电路80的第一输出信号端Xp以及第二输出信号端Xn是稱接至 隔离装置70以由变压器10的一次侧将脉冲信号Sp^e传送至二次侧。脉冲信号Spuke的脉冲宽度小于切换信号Sw的脉冲宽度。脉冲信号Sp^e为具有高频成分的信号，因此，隔离装置70只需使用小电容或小脉冲变压器即可，有效节省 印刷电路板的空间以及电源转换器的成本。图3是显示根据本发明一实施例所述的集成同步整流器50的结构图，代 表第一集成同步整流器51或第二集成同步整流器52。集成同步整流器50包括 电源晶体管400、 二极管450以及控制器200。 二极管450与电源晶体管400 并联。电源晶体管400耦接于阴极端DET以及阳极端GND之间。阴极端DET 耦接于图2所示的变压器10的二次侧。阳极端GND耦接于电源转换器的输出。 控制器200经由第一输入信号端Sp以及第二输入信号端Sn稱接并接收脉冲信 号Spuk，用以控制该电源晶体管400的开启或关闭状态，即开启或关闭电源晶 体管400。 Vcx端子用以供应电源至控制器200。图4是显示根据本发明一实施例所述的控制器200的结构图。电阻211与 221提供第一输入信号端Sp端点偏压(bias termination)。电阻213与223提供 第二输入信号端SN端点偏压(bias termination^第一输入信号端SP耦接至比 较器210的正输入端以及比较器220的负输入端。第二输入信号端Sn稱接至比 较器220的正输入端以及比较器210的负输入端。比较器210与220分别具有 偏移电压(offset voltage)215与225，用以提供磁滞(hysteresis)。比较器230 耦接至阴极端DET。比较器210与230的输出经由AND逻辑门235耦接至SR 触发器250的设定输入端S。 SR触发器250的重置输入端R由比较器220的输出所控制。SR触发器250以及比较器230的输出耦接至AND逻辑门262。门 驱动信号V(j是产生于AND逻辑门262的输出以控制电源晶体管400的开启或 者关闭状态。门驱动信号Vc的最大导通时间受到最大导通时间电路 (maximum-on-time circuit, MOT) 270所限制。门驱动信号V(j耦接至最大导 通时间电路270。在一既定时间之后，最大导通时间信号SM根据门驱动信号 V(5的使能而产生，经由反相器261耦接至AND逻辑门260。 AND逻辑门260 的另一输入端耦接至电源启动重置信号RST。AND逻辑门260的输出端耦接至 SR触发器250的清除端CLR以重置SR触发器250。因此，门驱动信号Vc的 最大导通时间受限于最大导通时间电路270的既定时间。V(3关闭电源晶体管 400。VSN — VSP > V225 ............................................. f 、当符合方程式(2)及(3)时，门驱动信号Vcj将导通电源晶体管400。VSP - VSN > V215Vdet < Vth(3)(4)其中Vsp为第一输入信号端Sp的电压，VsN为第二输入信号端SN的电压， VDET为阴极端DET的电压，VTH为临界电压的电压值，V2。为偏移电压215的电压值，而V^为偏移电压225的电压值。当二极管450导通时，阴极端DET的电压值将低于临界电压VTH。因此， 显示电源晶体管400仅在二极管450导通时导通。图5是显示根据本发明一实施例所述的最大导通时间电路270。电流源273 用来对电容275充电。晶体管272用来对电容275放电。门驱动信号Vc3经由 反相器271控制晶体管272。门驱动信号Vcj还耦接至AND逻辑门279。 AND 逻辑门279的另一输入端耦接至电容275。当门驱动信号Vcj启用时，AND逻 辑门279的输出将产生最大导通时间信号SM以于该既定时间禁用(disable)门驱 动信号VG。该既定时间是由电流源273的电流以及电容275的电容值所决定。图6是显示根据本发明一实施例所述的切换控制电路80。切换控制电路80接收图2所示的反馈信号VFB，并产生切换信号SIN。信号产生器100根据 切换信号SIN的上升沿(前沿)以及下降沿(后沿)产生信号Sa与Sb。切换信号SIN 由T型触发器95 (除二电路(divided-by-two circuit))所产生，用以确保切换信 号Sw具有50。/。的占空比(duty cycle) 。 T型触发器95的输入为压控振荡电路 (VCO)480所产生的振荡信号So。反馈信号VFB是用以控制压控振荡电路480。 振荡信号So的频率是由反馈信号Vfb所决定。电源管理电路500用以根据反馈 信号VpB产生间歇节能(burst)信号BST。间歇节能信号BST耦接至信号产生 器100以产生用以关闭集成同步整流器51与52 (使得同步整流器的电源晶体 管400不导通)的脉冲信号。此外，间歇节能信号BST用以重置T型触发器 95以禁能切换信号SIN。电流源81在电流信号Vs提供直流偏压(DC bias)。电流信号Vs耦接至比较 器85的负输入端以及比较器86的正输入端。比较器85的正输入端耦接至临 界信号V"比较器86的负输入端耦接至临界信号V,。临界信号V2大于临界 信号V,。比较器85以及比较器86的输出耦接至AND逻辑门90。 AND逻辑 门90产生零交越信号Iz并耦接至信号产生器100以于第一输出信号端XP以及 第二输出信号端Xw产生脉冲信号。零交越信号Iz是根据切换电流Ip的交越而 产生。图7是显示根据本发明一实施例所述的电源管理电路500。运算放大器 510、电阻511以及晶体管512形成一电压转电流转换器，用以根据反馈信号 Vfb在晶体管512产生电流1512。晶体管521、 522与523形成一电流镜。根据 电流1512与电流源515的电流的比较结果而分别在晶体管522与523产生电流 1522与1523。根据电流1522与电流源525的电流的比较结果产生耦接至磁滞缓冲 器581的信号SHYS。电流1523以及电流源540经由开关530对电容550充电。 电流源545经由开关535对电容550放电。磁滞缓冲器581产生清除信号SCUi 以控制开关536以重置电容550。电容550耦接至比较器561与562。 NAND 逻辑门575以及576形成一 SR栓锁器，耦接至比较器561与562以产生放电 信号SDIS。放电信号Sws用以控制开关535。充电信号ScHR经由反相器580， 依据放电信号Sws而产生。充电信号ScHR耦接至开关530用以控制开关530。 因此，斜坡(ramp)信号RMP产生在电容550。充电信号ScHR还耦接至NAND逻辑门585。 NAND逻辑门585的另一输入端经由反相器582接收该清除信号 ScljR。 NAND逻辑门585的输出耦接至触发器590的D输入端。振荡信号S0 耦接至触发器590的时脉输入端CK，用以同步触发器590。电源启动重置信号 RST耦接至触发器590的重置端，用以重置触发器590。因此，触发器590根 据反馈信号VpB产生间歇节能信号BST。图8是显示间歇节能信号BST的波形。斜坡信号RMP的充电时间以及间 歇节能信号BST的间歇节能时期随着反馈信号VFB的降低而增加。而反馈信号VpB随着电源转换器的负载降低而降低。图9是显示信号产生器100的电路。驱动信号Sa与Sb根据切換信号Sin 而产生。切换信号Sw耦接至延迟电路110的输入端。延迟电路110的输出端 经由反相器105耦接至AND逻辑门150的输入端。AND逻辑门150的另一输 入端耦接至切换信号SIN。 AND逻辑门150、 160与反相器130、 140形成一抗 跨传输电路(anti-cross-conduction circuit)以产生驱动信号SA与SB。 AND逻 辑门150的输出端耦接至抗跨传输电路的输入端。切换信号S^还经由反相器 124耦接至延迟电路120的输入端。延迟电路120的输出端经由反相器125耦 接至AND逻辑门160的输入端。AND逻辑门160的另一输入端耦接至反相器 124的输出端。AND逻辑门160的输出端耦接至抗跨传输电路的输入端。因此， 在使能切换信号SIN以及驱动信号Sa与SB之间具有一时间延迟。延迟电路110、 120决定该时间延迟。此外，间歇节能信号BST、零交越信号Iz以及驱动信号 Sa与SB耦接至脉冲信号产生器300以在第一输出信号端Xp以及第二输出信号 端Xw产生脉冲信号。图10是显示根据本发明一实施例所述的延迟电路。电流源113用以对电 容115充电。晶体管112用以对电容115放电。输入信号IN经由反相器111 耦接并控制晶体管112。输入信号IN还耦接至NAND逻辑门119。 NAND逻 辑门119的另一输入端耦接至电容115。 NAND逻辑门119的输出端为延迟电 路的输出。当输入信号IN为低逻辑电平时，电容115放电且NAND逻辑门119 的输出端为高逻辑电平。当输入信号IN充电至高逻辑电平时，电流源113开 始充电电容115。当电容115的电压高于NAND逻辑门119的输入临限时， NAND逻辑门119的输出转为低逻辑电平。电流源113的电流以及电容115的电容值决定延迟电路的延迟时间。延迟时间由输入信号IN的高逻辑电平开始 至延迟电路的输出信号为低逻辑电平为止。图11是显示根据本发明一实施例所述的脉冲信号产生器300。触发器320 的时脉输入端接收零交越信号Iz以产生第一信号。第一信号传输至OR逻辑门 315的第一输入端。间歇节能信号BST经由反相器343耦接至触发器330的时 脉输入端。触发器330输出耦接至OR逻辑门315的第二输入端的第二信号。 OR逻辑门315用以在第二输出信号端XN产生负脉冲信号。负脉冲信号传输经 由延迟电路335输出以重置触发器320与330。延迟电路335的延迟时间决定 负脉冲信号的脉冲宽度Tp。反相器343的输出经由触发器341耦接至触发器340 的D输入端以及AND逻辑门345的第一输入端。触发器340的时脉输入端耦 接至AND逻辑门305的输出。AND逻辑门305的其中两输入端接收驱动信号 Sa与Sb。 AND逻辑门305的另一输入端经由反相器342耦接至第二输出信号 端XN以接收负脉冲信号。触发器340的输出耦接至AND逻辑门345的第二输 入端。电源启动重置信号RST耦接至AND逻辑门345的第三输入端。AND逻 辑门345在第一输出信号端Xp产生正脉冲信号。正脉冲信号传输经由延迟电 路337输出至触发器340用以重置触发器340。延迟电路337的延迟时间决定 正脉冲信号的脉冲宽度TP。因此，根据位于第一输出信号端Xp以及第二输出信号端XN的正脉冲信号与负脉冲信号可产生脉冲信号。图12是显示同步整流电路的波形。驱动信号Sa与Sb分別根据切換信号 SIN的上升沿(前沿)以及下降沿(后沿)产生。在使能切换信号SIN以及驱动信号 Sa与SB之间具有一时间延迟。时间延迟设计为位于切换信号S,n的上升沿以及 驱动信号SA的上升沿之间。另外，另一时间延迟设计为位于切换信号Sw的下 降沿以及驱动信号Sb的上升沿之同。驱动信号Sa为驱动信号Sa的反相信号。根据零交越信号Iz产生脉冲信号SP-SN (负脉冲信号)以禁能第一集成同 步整流器51与第二集成同步整流器52。在脉冲信号SP-SN (负脉冲信号)结束 之后，将产生脉冲信号SP-SN (正脉冲信号)以在第一集成同步整流器51或第 二集成同步整流器52的二极管450导通时使能第一集成同步整流器51或第二 集成同步整流器52。此外，脉冲信号SP-SN (负脉冲信号)根据间歇节能信号 BST而产生，代表电源转换器操作在间歇节能模式的间歇节能时期时，会禁能第一集成同步整流器51与第二集成同步整流器52。图13是显示根据本发明另一实施例所述的同步整流柔性切换电源转换器。 在此实施例中，加入脉冲变压器75做为隔离装置70。此外，变压器ll包括耦 接至电阻19的辅助线圈NA，用以产生电流信号Vs。本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何 熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰， 因此本发明的保护范围当视后附的权利要求范围所界定者为准。
权利要求
1.一种同步整流装置，适用于柔性切换一电源转换器，其特征在于，包括集成同步整流器，包括电源晶体管，耦接于一变压器以及所述电源转换器的输出之间；以及控制器，接收一脉冲信号，用以切换所述电源晶体管的开启或关闭状态；切换控制电路，根据一电流信号产生所述脉冲信号，并根据一切换信号产生多个驱动信号以切换所述变压器；以及隔离装置，耦接于所述切换控制电路以及所述集成同步整流器之间，用以传送所述脉冲信号，其中所述切换信号是用以调整所述电源转换器，而所述电流信号与所述变压器的切换电流有关。
2. 如权利要求l所述的同步整流装置，其特征在于，还包括电流感测组件， 耦接于所述变压器，用以根据所述切换电流产生所述电流信号，其中所述脉冲 信号根据所述电流信号以及所述切换电流的零交越而产生。
3. 如权利要求1所述的同步整流装置，其特征在于，所述集成同步整流器的所述控制器包括一栓锁电路，用以切换所述电源晶体管，而所述栓锁电路是 根据所述脉冲信号而设定或重置。
4. 如权利要求1所述的同步整流装置，其特征在于，所述脉冲信号为差动信号，而所述集成同步整流器的开启或关闭状态是根据所述脉冲信号的极性而 决定。
5. 如权利要求1所述的同步整流装置，其特征在于，所述集成同步整流器 还包括一最大导通时间电路，用以限制所述电源晶体管的最大导通时间。
6. 如权利要求1所述的同步整流装置，其特征在于，所述隔离装置为脉冲 变压器或包括多个电容。
7. 如权利要求1所述的同步整流装置，其特征在于，所述切换控制电路还 包括一电源管理电路，用以根据所述电源转换器的一反馈信号产生间歇节能信 号，所述间歇节能信号用以产生所述脉冲信号以切换所述电源晶体管，而所述 反馈信号根据所述电源转换器的输出负载而产生。
8. 如权利要求1所述的同步整流装置，其特征在于，所述驱动信号之间具有一传输延迟，用以柔性切换所述电源转换器。
9.如权利要求1所述的同步整流装置，其特征在于，所述切换控制电路还 包括除二电路，用以使得所述切换信号具有50%的占空比。
全文摘要
本发明公开了一种同步整流装置，适用于柔性切换一电源转换器。集成同步整流器，包括电源晶体管，耦接于变压器以及电源转换器的输出之间。控制器接收脉冲信号，并切换电源晶体管的导通状态。切换控制电路根据电流信号产生脉冲信号，并根据切换信号产生多个驱动信号以切换变压器。隔离装置耦接于切换控制电路以及电源转换器之间，用以传送脉冲信号。切换信号用以调整电源转换器，而电流信号与变压器的切换电流有关。
文档编号H02M3/335GK101257260SQ20081009227
公开日2008年9月3日 申请日期2008年4月14日 优先权日2007年10月9日
发明者杨大勇 申请人:崇贸科技股份有限公司