初级侧受控反激转换器中连续导通模式的同步整流方案的制作方法

本公开总体上涉及开关模式电源或转换器，更具体而言，涉及初级侧受控反激转换器以及操作该反激转换器以避免在连续导通模式操作中初级开关与次级开关之间的交叉导通的电路和方法。

背景技术：

1、开关模式电源(smps)或转换器用于将来自交流(ac)电源的电力转换为指定电压电平的直流(dc)。一种广泛用于便携式消费、工业和医疗应用的smps是初级侧受控(psc)反激转换器。参考图1，psc反激转换器100通常包括变压器102，变压器102具有通过电磁干扰滤波(emi)滤波器104和整流电路(例如，桥式整流器106)以及一个或多个输入滤波电容器108电耦合到ac输入的初级侧，以及通过一个或多个输出电容器110耦合到dc输出的次级侧。在变压器102的初级侧，反激控制器112控制有源整流元件或功率开关(ps)(例如，ps场效应晶体管(ps_fet 114))以响应于通过电隔离电路116从次级侧接收的反馈(fb)信号而接通或关断到初级侧的功率。在次级侧上，同步整流器(sr)控制器118感测次级侧上的电压，并且响应于感测到的电压峰值、负电压和过零点而接通和关断同步整流器(sr)，例如sr场效应晶体管(sr_fet 120)。

2、在psc反激转换器100的操作中，在ps_fet 114接通或闭合，并且sr_fet 120关断或打开的时间期间，psc反激转换器被称为在反激模式中操作，并且磁场在变压器102中建立，同时初级侧上的电流线性增加。当ps_fet 114关断或打开，并且sr_fet 120接通或闭合时，psc反激转换器100将功率传输到次级侧，并且磁场开始崩溃，同时次级侧电流稳定地但是随着功率被提供给所连接的输出电容器110而逐渐减小，直到达到在次级侧中基本上为零电流的点。

3、通常，psc反激转换器100可以在两种模式中的一种模式中操作，这取决于从dc输出汲取的功率和ps_fet 114的所得接通-关断周期。如果ps_fet 114在变压器102完全放电之前从关断切换到接通，则变压器的初级侧中的电流不以零电流开始。这种操作模式被称为连续导通模式(ccm)。或者，如果ps_fet 114的关断时间持续足够长以使变压器102的初级侧完全放电，则当ps_fet 114从关断切换到接通时，初级侧电流从零电流开始。这种操作模式被称为断续导通模式(dcm)。

4、在ccm中操作的前几代psc反激转换器100的一个问题是，当ps_fet和sr_fet两者都接通时，ps_fet 114和sr_fet 120之间可能发生交叉导通，导致psc反激转换器的效率降低，以及sr_fet中具有高负电流的危险，从而在sr_fet关断时引起巨大的电压尖峰，这可能最终降低sr_fet的寿命或甚至可能损坏sr_fet。

5、图2a是示出在连续导通模式(ccm)中操作的图1的psc反激转换器100中通过ps_fet 114的初级电流202和ps_fet的漏极上的初级电压204的波形的曲线图。图2b示出了在ps_fet 114的相同时间或相同数量的周期期间通过sr_fet 120的次级电流206和sr_fet的漏极上的次级电压208的波形。图2c是示出在ccm操作期间psc反激转换器100的ps_fet 114和sr_fet 120的接通和关断操作的时序图。

6、参考图2a到2c，可以看出，在时间t3到t4期间，如果次级侧的检测花费更长时间来关断sr_fet，则ps_fet 114(由线210表示)和sr_fet 120(由线212表示)都可以导致ps_fet和sr_fet之间的交叉导通。在细长sr_fet保持接通的情况下，次级电流206斜率的快速变化可能导致高负次级电流(206)，从而导致psc反激转换器的效率降低以及损坏sr_fet的可靠性风险。

7、因此，需要一种psc反激转换器及其操作方法，其使在ccm操作期间初级开关与次级开关之间的交叉导通减到最小或基本上消除，从而提高转换器的效率。

技术实现思路

1、提供了一种初级侧受控(psc)反激转换器及其操作方法，以当在连续导通模式(ccm)中操作时使初级侧上的功率开关(ps)与次级侧上的同步整流器(sr)之间的交叉导通减到最小或基本上消除。psc反激转换器包括变压器和反激控制器。变压器具有通过功率开关(ps)耦合到经整流的ac输入的初级绕组，以及通过同步整流器场效应晶体管(sr_fet)耦合到dc输出的次级绕组，sr_fet具有耦合到次级绕组的漏极和耦合到dc输出的源极。反激控制器可以实施为集成电路(ic)并且包括初级侧控制器和次级侧控制器，所述初级侧控制器可操作用于基于提供到dc输出的功率而控制ps的占空比，所述次级侧控制器可操作用于当ps在连续导通模式(ccm)中接通时关断sr_fet。次级侧控制器包括ccm过零检测器(zcd)比较器，其具有通过电容器耦合到sr_fet的漏极以接收第一电压的第一输入端，以及经耦合以接收第二电压的第二输入端，所述ccm zcd比较器可操作用于当在ccm期间ps接通引起次级电流的突然变化时检测sr_fet的漏极上的电压的急剧变化，并且输出信号以关断sr_fet。

2、在一个实施例中，ccm zcd比较器的第一输入端是非反相输入端，第二输入端是反相输入端，并且第二电压是参考电压。

3、在另一实施例中，ccm zcd比较器的第一输入端是非反相输入端，第二输入端是反相输入端，并且第二输入端通过分压器耦合到sr_fet的漏极，所述分压器包括外部电阻器(rext)和反激控制器的ic内部的内部电阻器(rint)。该电阻路径与通过电容器的路径相比的较慢响应时间使得ccm zcd比较器能够检测sr_fet的漏极上的电压的急剧变化。

4、下面参考附图详细描述本发明的实施例的其他特征和优点，以及本发明的各种实施例的结构和操作。应注意，本发明不限于本文所述的具体实施例。这些实施例在本文中仅出于说明性目的而呈现。基于本文包含的教导，附加实施例对于相关领域的技术人员而言将是显而易见的。

技术特征：

1.一种初级侧受控(psc)反激转换器，包括：

2.根据权利要求1所述的psc反激转换器，其中，所述ccm zcd比较器的所述第一输入端通过其耦合到所述sr_fet的所述漏极的所述电容器是所述反激控制器外部的外部电容器(cext)，并且通过所述ic上的sr_cap引脚耦合到所述反激控制器。

3.根据权利要求2所述的psc反激转换器，其中，所述次级侧控制器还包括耦合在所述sr_cap引脚与所述ccm zcd比较器的所述第一输入端之间的箝位电路，所述箝位电路可操作以使得所述第一输入端上的电压不超过+/-0.7伏。

4.根据权利要求3所述的psc反激转换器，其中，所述外部电容器具有约10皮法的电容。

5.根据权利要求1所述的psc反激转换器，还包括栅极驱动电路，所述栅极驱动电路包括强n型场效应晶体管(nfet)，所述sr_fet的栅极能够通过所述强n型场效应晶体管(nfet)耦合到地以响应于由所述ccm zcd比较器输出的信号而关断所述sr_fet。

6.根据权利要求5所述的psc反激转换器，其中，所述次级侧控制器还包括缓冲器，由所述ccm zcd比较器输出的所述信号通过所述缓冲器耦合到所述栅极驱动电路中的所述强nfet。

7.根据权利要求5所述的psc反激转换器，其中，所述栅极驱动电路还包括并联耦合到所述sr_fet的所述栅极的强p型场效应晶体管(pfet)和弱pfet，所述强pfet能够操作短暂时间以接通所述sr_fet，并且所述弱pfet可操作用于保持所述sr_fet接通，使得所述强nfet能够响应于由所述ccm zcd比较器输出的所述信号而快速关断所述sr_fet。

8.根据权利要求1所述的psc反激转换器，其中，所述第一输入端是非反相输入端，所述第二输入端是反相输入端，并且所述第二电压是参考电压。

9.根据权利要求8所述的psc反激转换器，还包括耦合在所述第一输入端和地之间的电阻器。

10.根据权利要求1所述的psc反激转换器，其中，所述第一输入端是非反相输入端，所述第二输入端是反相输入端，并且其中，所述第二输入端通过分压器耦合到所述sr_fet的所述漏极，所述分压器包括外部电阻器(rext)和所述反激控制器的所述ic内部的内部电阻器(rint)两者。

11.根据权利要求10所述的psc反激转换器，还包括耦合在所述ccm zcd比较器的所述第一输入端和所述第二输入端之间的电阻器，其中，所述电阻器的电阻限定所述ccm zcd比较器的共模输入电压。

12.根据权利要求10所述的psc反激转换器，还包括断续导通模式过零检测器(dcmzcd)比较器，所述断续导通模式过零检测器(dcm zcd)比较器具有通过所述分压器的所述外部电阻器耦合到所述sr_fet的所述漏极的第一非反相输入端，以及耦合到负参考电压的第二反相输入端，所述dcm zcd比较器可操作用于当所述psc反激转换器在dcm中操作时检测所述sr_fet的所述漏极上的所述电压的过零。

13.一种初级侧受控(psc)反激转换器，包括：

14.根据权利要求13所述的psc反激转换器，其中，所述ccm zcd比较器的所述第一输入端通过其耦合到所述sr_fet的所述漏极的所述电容器是所述反激控制器外部的外部电容器(cext)，并且通过所述ic上的sr_cap引脚耦合到所述反激控制器，并且其中，所述次级侧控制器还包括耦合在所述sr_cap引脚与所述ccm zcd比较器的所述第一输入端之间的箝位电路，所述箝位电路可操作以使得所述第一输入端上的电压不超过+/-0.7伏。

15.根据权利要求13所述的psc反激转换器，其中，所述栅极驱动电路还包括强n型场效应晶体管(nfet)，所述sr_fet的栅极能够通过所述强n型场效应晶体管(nfet)耦合到地以响应于由所述ccm zcd比较器输出的信号而关断所述sr_fet。

16.根据权利要求15所述的psc反激转换器，其中，所述栅极驱动电路还包括并联耦合到所述sr_fet的所述栅极的强p型场效应晶体管(pfet)和弱pfet，所述强pfet能够操作短暂时间以接通所述sr_fet，并且所述弱pfet可操作用于保持所述sr_fet接通，使得所述强nfet能够响应于由所述ccm zcd比较器输出的所述信号而快速关断所述sr_fet。

17.一种操作初级侧受控(psc)反激转换器的方法，所述方法包括：

18.根据权利要求17所述的方法，其中，接通所述sr_fet包括通过以下方式接通所述sr_fet：通过强p型场效应晶体管(pfet)在短时间内向所述sr_fet的栅极施加栅极电压，然后通过与所述强pfet并联耦合到所述sr_fet的所述栅极的pfet向所述栅极施加所述栅极电压。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，将所感测的sr漏极电压与耦合到所述ccm zcd比较器的第二输入端的电压进行比较包括将所感测的sr漏极电压与耦合到所述ccm zcd比较器的所述第二输入端的参考电压进行比较。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，将所感测的sr漏极电压与耦合到所述ccm zcd比较器的第二输入端的电压进行比较包括将所感测的sr漏极电压与通过分压器耦合到所述ccm zcd比较器的所述第二输入端的电压进行比较，所述分压器包括耦合到所述sr_fet的漏极的外部电阻器和耦合在所述外部电阻器和地之间的内部电阻器。

技术总结
提供了一种初级侧受控反激转换器，以在连续导通模式(CCM)中操作时消除初级侧上的功率开关(PS)与次级侧上的同步整流器(SR)之间的交叉导通。通常，转换器包括变压器，该变压器具有通过PS耦合到经整流的AC输入的初级，以及通过SR耦合到DC输出的次级，SR具有耦合到次级绕组的漏极。反激控制器包括可操作用于控制PS的占空比的初级控制器，以及可操作用于当PS在CCM中接通时关断SR的次级控制器。次级控制器包括CCM过零检测器比较器，其具有通过电容器耦合到SR的漏极的第一输入端，并且可操作用于当PS在CCM期间接通时检测漏极电压的急剧变化，并且输出信号以关断SR。

技术研发人员：A·坎梅斯拉,P·比斯瓦尔,H·莱,S·比鲁希普拉姆穆鲁格桑
受保护的技术使用者：赛普拉斯半导体公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15