降低同步整流器控制器的功耗的制作方法与工艺

本文中公开的实施方式总体上涉及开关电力转换器，更具体地，涉及用于降低开关电力转换器的同步整流器控制器的功耗的技术。

背景技术：
图1是使用开关Q1例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的常规反激型开关电力转换器100的电路图。开关电力转换器100包括功率级101和次级输出级103。功率级101包括开关Q1和功率变压器T1。功率变压器T1包括初级绕组Np、次级绕组Ns和辅助绕组Na。次级输出级103包括二极管D1和输出电容器C1。控制器105使用具有导通时间(TON)和关断时间(TOFF)的脉冲形式的输出驱动信号107来控制开关Q1的ON(导通)状态和OFF(关断)状态。从AC电源(未示出)接收AC(交流)电压并对AC电压进行整流以提供未调节的输入电压VDC。由于在开关Q1导通时二极管D1变成反向偏置，因此在开关Q1导通的同时来自输入电压VDC的能量被存储在变压器T1中。由于在开关Q1关断时二极管D1变成正向偏置，因此在开关Q1关断的同时来自输入电压VDC的能量然后传递至电容器C1两端的电子装置。二极管D1用作输出整流器，并且电容器C1用作输出滤波器。由此生成的经调节的输出电压VOUT经由输出电容器C1递送至电子装置。在高输出电流应用中，作为输出整流器操作的二极管D1的传导损耗是相当大的。MOSFET或其他有源控制开关可以代替二极管D1使得高输出电流应用期间的电力转换器100中的传导损耗最小。MOSFET用作电力转换器100中的同步整流器。为了实现同步整流器的正确操作，向电力转换器100添加同步整流器控制器以控制同步整流器的操作。这样的同步整流器控制器通常包括外部感测输入、外部触发输入、内部逻辑电路、同步整流器驱动器以及偏置电压输入。同步整流器控制器需要合适的偏置电压以使其操作并驱动同步整流器。在轻载情况下的电流消耗通常在1mA至2mA之间。在5V输出电压的情况下，同步整流器的功耗高达10mW。因此，难于使电力转换器100满足10mW空载损耗的要求。

技术实现要素：
本文中的实施方式公开了一种用于降低开关电力转换器的同步整流器控制器的功耗的方法。在一个实施方式中，开关电力转换器包括同步整流器控制器，该同步整流器控制器控制包括在该开关电力转换器中的同步整流器开关的操作。也就是说，在同步整流器开关导通和关断时同步整流器控制器进行控制。在一个实施方式中，同步整流器控制器包括与同步整流器开关的各种控制操作相关联的多个电路部件。例如，当同步整流器开关导通时导通电路部件可以进行控制并且当同步整流器开关关断时关断电路部件可以进行控制。为了降低同步整流器控制器的功耗，在同步整流器开关导通之后同步整流器控制器可以禁用一个或更多个电路部件。附图说明通过结合附图考虑下面的详细描述，本公开内容的实施方式的教导可以容易地被理解。图1是常规开关电力转换器的电路图。图2是根据一个实施方式的包括同步整流器电路的开关电力转换器的电路图。图3是详细示出根据一个实施方式的图2中的同步整流器电路的电路图。图4是开关电力转换器的波形图。图5是根据一个实施方式的同步整流器控制器的方法流程图。具体实施方式附图和下面的描述仅以说明的方式涉及多个实施方式。应当注意，根据下面的讨论，在不背离本文中所讨论的原理的情况下，将容易地将本文中公开的的结构和方法的替代实施方式认为是可行的替代方案。现将详细地介绍若干实施方式，其示例在附图中示出。应当注意，在任何可行的情况下可以在图中使用相似的或相同的附图标记并且相似的或相同的附图标记可以表示相似的或相同的功能。附图中所描绘的各实施方式仅用于说明的目的。本领域的技术人员根据下面的描述将容易地认识到在不背离本文所描述的原理的情况下可以采用本文中示出的结构和方法的替代实施方式。图2是反激型开关电力转换器200的电路图。如图2所示，电力转换器200包括开关Q1。在一个实施方式中，开关Q1是MOSFET。然而，开关Q1可以是任意类型的开关装置，例如双极结型晶体管(BJT)。开关电力转换器200包括功率级201和次级输出级203。功率级201包括开关Q1和功率变压器T1。功率变压器T1包括初级绕组Np、次级绕组Ns和辅助绕组Na。控制器205使用具有导通时间(TON)和关断时间(TOFF)的脉冲形式的输出驱动信号207来控制开关Q1的ON状态和OFF状态。次级输出级203包括同步整流器电路和输出电容器C1。同步整流器电路包括同步整流器开关QSR和同步整流(SR)控制器209。如图2所示，同步整流器开关QSR耦接在变压器T1的次级绕组Ns的下侧与地之间。从AC电源(未示出)接收AC电压并对AC电压进行整流以提供未调节的输入电压VDC。当开关Q1导通时，能量经由初级绕组磁化电感存储在变压器T1中。当开关Q1导通时，禁用同步整流器开关QSR(即关断)并且同步整流器开关QSR的体二极管反向偏置从而阻断变压器次级绕组Ns的电流通路。当开关Q1关断时，存储在变压器T1的磁化电感中的能量通过同步整流器开关QSR的体二极管传递至电容器C1。当同步整流器开关QSR导通时，创建具有低于正向偏置的二极管的电压降的电压降的附加通路以将所存储的能量递送至电容器C1。通常，同步整流器开关QSR用作输出整流器，并且电容器C1用作输出滤波器。所得到的经调节的输出电压VOUT被递送至电子装置，与没有同步整流器开关QSR的情况相比电力损耗较低。如前所述，控制器205生成适当的开关驱动脉冲207以控制开关Q1的导通时间和关断时间并且调节输出电压VOUT。控制器205基于在开关电力转换器200的先前的开关周期中感测到的输出电压VSENSE以及感测到的初级侧电流Ipri使用反馈回路来控制开关Q1，用于在包括PWM(脉冲宽度调制)和/或PFM(脉冲频率调制)模式的多种操作模式中生成在后续的开关周期中的使开关Q1导通或关断的定时。图2示出了在输出电压VOUT反映在变压器T1的辅助绕组Na的两端的情况下的初级侧控制，输出电压VOUT作为电压VSENSE经由包含电阻器R1和R2的电阻分压器输入至控制器205。基于感测到的输出电压，控制器205确定开关Q1在PFM、PWM或控制器205采用的任何其他调节模式中导通的时间。然而，如本文中所描述的同步整流控制也可以与次级侧输出电压的感测结合使用。如图2所示，同步整流器开关QSR的漏极端子耦接至功率变压器T1的次级绕组Ns的下侧并且耦接至同步整流(SR)控制器209。同步整流器开关QSR的栅极端子也耦接至SR控制器209。同步整流器开关QSR的源极端子耦接至地。应当注意，在其他实施方式中，同步整流器开关QSR可以耦接至功率变压器T1的次级绕组Ns的上侧、开关电力转换器200的输出以及SR控制器209。在同步整流器开关QSR的多个开关周期期间SR控制器209使用具有导通时间和关断时间的脉冲形式的输出驱动信号211来控制同步整流器开关QSR的ON状态和OFF状态。具体地，在多个开关周期的每个开关周期期间SR控制器209生成用于关断同步整流器开关QSR的输出驱动信号211。可替代地，在每个开关周期期间SR控制器209生成用于关断同步整流器开关QSR的输出驱动信号211。当同步整流器开关QSR关断时，由于用于将能量传递至电子装置的通路不可用，因此能量存储在变压器T1中。在一个实施方式中，基于在SR控制器209的引脚VD处感测到的同步整流器开关QSR的漏源电压，SR控制器209确定何时关断同步整流器开关QSR，如参照图3将在下文进一步描述的那样。反之，当开关Q1关断时在同步整流器开关QSR的多个开关周期期间SR控制器209生成用于使同步整流器开关QSR导通的输出驱动信号211。当同步整流器开关QSR导通时，创建在同步整流器开关QSR传导时将存储在变压器T1中的能量传递至电子装置的通路。在一个实施方式中，基于在SR控制器209的引脚VD处感测到的同步整流器开关QSR的漏源电压，SR控制器209确定何时导通同步整流器开关QSR，如参照图3将在下文进一步描述的那样。在一个实施方式中，在同步整流器开关QSR的每个开关周期期间SR控制器209使用输出驱动信号211来控制同步整流器开关QSR的ON状态和OFF状态。图3是根据一个实施方式的SR控制器209的详细视图。通常，SR控制器209包括控制同步整流器开关QSR的操作的多个电路部件。在一个实施方式中，SR控制器209包括如图3所示的多个比较器，所述多个比较器均与用于控制同步整流器开关QSR的操作的功能相关联。在替代实施方式中，比较器不是SR控制器209的一部分。在替代实施方式中可以使用其他电路部件来控制同步整流器开关QSR的操作。如图3所示，SR控制器209包括比较器A、比较器B和比较器C。在替代实施方式中包括在SR控制器209中的比较器的数目可以不同。在一个实施方式中，比较器A(即导通比较器)控制同步整流器开关QSR的导通操作，从而在同步整流器开关QSR导通的情况下进行控制。反之，比较器B(即关断比较器)控制同步整流器开关QSR的关断操作，从而在同步整流器开关QSR关断的情况下进行控制。比较器C在一个或更多个比较器被关断的情况下进行控制用于节省电力的目的，如下文将进一步描述的那样。如图3所示，每个比较器包括多个输入。每个比较器包括：第一输入，其耦接至同步整流器开关QSR的漏极电压(VD)；以及第二输入，其耦接至相应的基准电压。例如，比较器A耦接至基准电压A(例如，-0.5V)，比较器B耦接至基准电压B(例如，-0.8mV)以及比较器C耦接至基准电压C(例如，1.5V)。在一个实施方式中，每个基准电压表示通过变压器T1的次级绕组NS的次级电流IS的阈值电流大小。在同步整流器开关QSR的每个开关周期期间，每个比较器A、B、C将其相应的基准电压与同步整流器开关QSR的漏极电压进行比较并向SR逻辑模块301输出相应的触发信号。基于由比较器输出的触发信号在同步整流器开关QSR的每个开关周期期间SR逻辑模块301控制同步整流器开关QSR的操作。例如，比较器A将同步整流器开关QSR的漏极电压与基准A进行比较。当同步整流器开关QSR的漏极电压超过基准A时比较器A向SR逻辑模块301输出触发信号303。响应于接收到触发信号303，SR逻辑模块301经由输出驱动信号211使同步整流器开关QSR导通。类似地，比较器B将同步整流器开关QSR的漏极电压与基准B进行比较。当同步整流器开关QSR的漏极电压超过基准B时比较器B向SR逻辑模块301输出触发信号305。响应于接收到触发信号305，在开关周期期间SR逻辑模块301经由输出驱动信号211关断同步整流器开关QSR。最后，比较器C将同步整流器开关QSR的漏极电压与基准C进行比较。当同步整流器开关QSR的漏极电压超过基准C时比较器C向SR逻辑模块301输出触发信号307。响应于触发信号307，SR逻辑模块301启动用于禁用一个或更多个比较器的定时器以降低SR控制器209的功耗，如下文将进一步描述的那样。SR逻辑模块301经由发送至每个比较器的使能信号可以禁用每个比较器。基于发送至比较器的使能信号的状态禁用每个比较器。例如，如果使能信号高，则接收到该使能信号的比较器被启用，过去如果使能信号低，则禁用比较器。在一个实施方式中，SR逻辑模块301通过将比较器从向比较器供电的偏置电压源断开连接来禁用比较器。可替代地，基于发送至比较器的使能信号的状态SR逻辑模块301通过将比较器设置成关断状态来禁用比较器。如图3所示，SR逻辑模块301将使能信号309发送至比较器A，将使能信号311发送至比较器B以及将使能信号313发送至比较器C。在一个实施方式中，在初始状态下一个或更多个比较器被禁用。例如，比较器B和比较器C在初始时被禁用。当比较器A被触发从而引起信号303的输出时，由于比较器A的触发表示同步整流器开关QSR导通从而需要由其他比较器而生成的触发信号，因此SR逻辑模块301启用比较器B和比较器C。在一个实施方式中，比较器B和比较器C在被启用之后再次被禁用以节省能量消耗。在一个实施方式中，在同步整流器开关QSR的每个开关周期期间同步整流器开关QSR关断之后，比较器B和比较器C被禁用。具体地，响应于由比较器C输出的触发信号307，SR逻辑模块301通过启动定时器来确定何时禁用比较器B和比较器C。通常，在同步整流器开关QSR关断之后的某个时间输出触发信号307。当定时器达到阈值数(例如，10μs)时，SR逻辑模块301禁用比较器B和比较器C二者。在比较器B和比较器C被禁用的同时比较器A可以保持启用。当比较器A被触发以在同步整流器开关QSR的随后的开关周期期间使同步整流器开关QSR导通时SR逻辑模块301重新启用比较器B和比较器C。在全载情况下，电力转换器200的开关频率高，因此在比较器A被触发之前定时器达不到阈值数。因而，在全载期间比较器B和比较器C不会被禁用。在另一实施方式中，一旦比较器B输出信号305，SR逻辑模块301就立即禁用比较器B。类似地，一旦比较器C输出信号307，SR逻辑模块301就立即禁用比较器C。在另一实施方式中，在比较器B和比较器C被禁用的同时SR逻辑模块301可以部分地禁用比较器A或者使其减慢而不是使比较器A处于启用状态。在定时器达到阈值数之后，SR逻辑控制模块301限制施加至比较器A的偏置电流的大小。在本实施方式中，在比较器A被部分地禁用或减慢的情况下，当同步整流器开关QSR的漏极电压超过基准A时，由于比较器A被部分地禁用或减慢，所以触发信号303的输出被延迟。由于同步整流器开关QSR的导通被延迟，所以次级电流IS通过同步整流器开关QSR的体二极管从而增加传导损耗。在一个实施方式中，比较器A在极轻载(例如全载的2％)和空载情况下被仅部分地禁用或减慢。因而，通过部分地禁用比较器A来节省电力的益处克服了由比较器A的延迟引入的传导损耗。在较重载(例如大于全载的5％)或全载情况下，电力转换器200的开关频率足够高使得定时器达不到阈值数。因而，在较重载或全载情况下比较器A将不会被部分地禁用或减慢。通常，每个比较器需要用于正确操作的最小偏置电流。通过限制施加至比较器的偏置电流，比较器响应于比较器输入的变化的延迟时间可能增加从而使比较器减慢。因而，通过限制施加至比较器A的偏置电流的大小，进一步降低SR控制器209的总功耗。图4示出了电力转换器200的波形图。图4包括同步整流器开关QSR的漏源电压(VDS)的波形图、发送至同步整流器开关QSR的输出驱动信号211的波形图以及比较器使能信号311和313的波形图。图5是根据一个实施方式的由SR逻辑模块301实现的逻辑的流程图。在下面的描述中将参照图4和图5二者。SR逻辑模块301确定501在漏源电压(VDS)波形图中示出的次级电流IS是否大于与比较器A相关联的电流阈值(即ITH_A)。与比较器A相关联的电流阈值ITH_A由提供至比较器A的电压基准A来表示。如果次级电流IS大于电流阈值ITH_A，则比较器A被触发并且SR逻辑模块301接收来自比较器A的表示次级电流IS大于与比较器A相关联的电流阈值的信号303。响应于信号303，在时间t1处SR逻辑模块301通过向同步整流器开关QSR的栅极发出高401输出驱动信号211来使同步整流器开关QSR导通503。此外，在时间t1处SR逻辑模块301通过以高状态403分别发出使能信号311和313来启用比较器B和比较器C。如果次级电流IS小于电流阈值ITH_A，则SR逻辑模块301不执行操作。在同步整流器开关QSR导通的情况下，SR逻辑模块301确定次级电流IS是否小于与比较器B相关联的电流阈值(即ITH_B)(505)。与比较器B相关联的电流阈值ITH_B由提供至比较器B的电压基准B来表示。如果次级电流IS小于电流阈值ITH_B，则比较器B被触发使得SR逻辑模块301接收来自比较器B的表示次级电流IS小于与比较器B相关联的电流阈值的信号305。响应于信号305，如图4所示，在时间t2处SR逻辑模块301通过发出低405栅极驱动信号211来关断507同步整流器开关QSR。如果次级电流IS大于电流阈值ITH_B，则SR逻辑模块301不执行操作。在同步整流器开关QSR关断的情况下，SR逻辑模块301确定次级电流IS是否小于与比较器C相关联的电流阈值(即ITH_C)(509)。与比较器C相关联的电流阈值ITH_C由提供至比较器C的电压基准C来表示。如果次级电流IS小于电流阈值ITH_C，则比较器C被触发使得SR逻辑模块301接收来自比较器C的表示次级电流IS小于与比较器C相关联的电流阈值的信号307。响应于信号307，SR逻辑模块301关断511比较器B和比较器C。如前所述，响应于信号307，SR逻辑模块301可以立即关断比较器B和比较器C。可替代地，SR逻辑模块301可以启动定时器，并且当定时器达到阈值时SR逻辑模块301关断比较器C和比较器B。如图4所示，一旦在时间t3处次级电流IS达到电流阈值ITH_C，则定时器被触发并由图4所示的“延迟”来表示。在时间t4处SR逻辑模块301通过以低状态407发出使能信号311和313来在延迟结束时禁用比较器B和比较器C。除了关断比较器B和比较器C以外，尽管在图4中未示出，但是SR逻辑模块301通过限制施加至比较器A的偏置电流可以使比较器A的操作减慢。在时间t5处该方法重复，SR逻辑模块301确定501次级电流IS是否大于与比较器A相关联的电流阈值(即ITH_A)并且通过向同步整流器开关QSR的栅极发出高401输出驱动信号211来使同步整流器开关QSR导通。通过阅读本公开内容，本领域的技术人员还将理解能够响应于动态负载情况的开关电力转换器的另外的可替代设计方案。因而，尽管对本发明的具体实施方式和应用已经作出说明和描述，应当理解，本发明并不限于本文中公开的精确结构和部件，在不背离本发明的精神和范围内的情况下可以对本文中公开的本发明的方法和设备的布置、操作及细节作出对于本领域的技术人员是明显的多种修改、改变和变型。