TWI323551B - Synchronous rectification circuit for power converters - Google Patents

Description

九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及功率轉換器，且更明確地說涉及切換式功率轉換器的控 制電路。 【先前技術】

明參閱第一圖習知具有可改進功率轉換效率的同步整流器的功率 轉換益之電路圖。如圖所示，雜裝置例如賴器1()包含—次側繞組 和=次側繞組队。開關15連接到一次側繞組心以切換變壓器和調 即功率轉換器的輪出c次側雜崎過電關關加和電容器洲輕合 到功率轉換11的輪出。電關關20及其主體二減25作制步整流器 ，操作。在磁化週期期間根據開M 15料通將電壓％施加到一次側繞 Np因此’充電電流Ic將根據電壓Ve和一次側繞側繞組Np的電感係 ，而f生。同時’在二次侧繞組Ns產生磁化電s Vs。-旦開關15斷開， Μ器10 U將通過二次側繞組⑷和電源開關2〇傳送到功率轉換器 ，輸出端。因此在去磁週期_去磁電壓（輸出電壓v。）將被施加到二 人側’、〜且Ns»放電電流Id將根據去磁電壓和二次側繞組爪的電感係數而 產生。充電電流I。與放電電流Id可由方程式⑴⑵分別得知： V〇 "j~ x Tdischarge — _ (2) 八中Lp和Ls刀別為變壓器1Q的―次側繞組Np和二次側繞組仏的電 感係數。Τ_Ε為磁化週期；且Td_ge為去磁週期。 在連續電賴式（c：Qntin_s瓣ntmQde ;(ΧΜ)操料變壓㈣ 完全去社前關15將⑻在非連續電流模式（discGnti_s encode ;廳）操作中，在下一切換週期開始之前變壓器10中的 1323551 能量完全去磁。 請參閱第二A圖和第二B圖連續電流模式和非連續電流模式的波形 圖。如果在變壓器10完全去磁之後電源開關20沒有斷開，那麼一個反 向電流（reverse current)將透過電源開關20對電容器30進行放電。此 反向電流降低了功率轉換器的效率。為了避免反向電流，常規技術’例 如在Yang等人的美國專利第6, 995, 991號“PWM controller for synchronous rectifier of flyback power converter” 中所述，利用 電阻器40及控制電路45在放電電流ID低於臨界值時斷開電源開關20 的同步整流方法。以及，在連續電流模式操作期間，鎖相電路在下一切 換週期開始之前斷開電源開關20。然而，電流感應電路和鎖相電路將產 生功率損失並增加系統的複雜性。另外，寬變頻系統（wide-variable frequency system)例如’諧振式功率轉換器（resonant p0wer converter) 將引起鎖相的問題。 【發明内容】 本發明提供一種同步整流電路’其適用於在固定頻率和/或可變頻率 下操作的功率轉換器。本發明之同步整流電路不需要電流感應電路或鎖 相電路。本發明之同步整流電路包括：電源開關，其耦合到變壓器（磁 性裝置）以用於整流。訊號產生電路，用於根據變壓器的磁化電壓、變 壓器的去磁電壓和變壓器的磁化週期而產生控制訊號。控制訊號經耦合 以控制電源開關導通。控制訊號的啟用週期與變壓器的去磁週期相關。 另外，控制訊號根據磁化電壓的增加而增加。控制訊號根據變壓器的磁 化週期的減小而減小。除此之外，控制訊號回應去磁電壓的增加而減小。 炫為使貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效更有進一步 之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施姻及配合詳細之說明，說明如後。 【實施方式】 π參閱第三圖包含本發明同步整流電路較佳實施例的切換式功率 轉換盗之電路圖。此同步整流電路適用於在固定頻率和/或可變頻率下 1323551 操作的功率轉換器，且不需要電流感應電路或鎖相電路。切換式功率轉 換器中的電源開關20耦合到變壓器（磁性裝置）10以用於整流。切換 控制電路100根據變壓器10的磁化電壓（magnetized V0ltage )Vs、去 磁電壓（demagnetized voltage)和磁化週期（magnetized time)產生由輸 出端OUT輸出的控制訊號s，。控制訊號經耦合以導通（turn 〇n)電源 開關2〇。其中控制訊號S»的啟用週期（enable period)與變壓器的去磁 週期（demagnetized time)相關。 當開關15導通時，在二次側繞組Ns與電源開關2〇之間產生電壓 Vos(圖中未顯不）。電壓Vds與變壓器1Q的磁化電壓％有關。磁化電壓^ 可由方程式（3)得知：

Vs = Vds - Vo ^ (3) s開關15斷開（turn 0ff)時，輸出電壓v〇施加到二次側繞組爪 以用於去磁。因此輸出電壓v。與變壓器1G的去磁電壓相關。切換控制 電路100的輸入端S“_合通過電阻器50和55檢測電墨I。二極體 60進-步耗合到二次側繞組⑴以加速對電壓㈣檢測。另—輸入端& 耦合到功率轉換器的輪出以用於接收輸出電壓V。。 變壓器的，等於去磁通量仏可由下列方程式得知， Φ = Β ^ Ac _______ N (5)

Ve

Vo

^-XTCHARGE =^7"XTDISCI

Ns

CHARGE (6)

V E x T CHARGE N,Nl x v,

T

DISCHARGE (7)

Ve

Vs----

Np

Ns Γ 8 ) f中B為通量密度，Ae為變壓器的橫戴面 area) ’ T為變壓器的磁化週期（Tc瞧）或 ^ 壓器的繞組的隨。 週』（Tm_E)，N為變 根據方程式⑺*⑻可獲得變壓器1〇的去磁週期㈤赚）。 7 (9)

Tdischarge =-^-xTcHARGE

Vo 可預由磁化電壓Vs、去磁電壓v。和磁化週期(w) 可重新以方Γ 。根據方程式（3)和（9)，去磁週期（τ_瓶） 可重新以方程式（10)表示如下：

Tdischarge = V°)

Vo

X TcHARGE (10) 根據變壓益l〇的去磁週期（T_RGE)產生控制訊號&的啟用週期。 因此’控制訊號Sw的啟用週期根據磁化電壓Vs的增加而增加。控制訊號 S,的啟用職根據變顧1G魏週期（τ_)的減小而減小。除此之 外’控制訊號S»的啟用週期根據去磁電壓Vg的增加而減小。 請參閱第賴本發”浦控制電路⑽的較佳實施例之電路圖。 如圖所示，切換控制電路100的輸入電路是由運算放大器11〇、12〇，二 極體115、125 ’電壓-電流轉換電路14〇、15〇，阻抗裳置m、1〇2和 遲滯緩衝器電路180所組成。運算放大器削和二極體115形成第一單 位增益緩肺。參考减Vr提供至第—輕料緩魅。運算放大器 120和二極體125形成第二單位增益緩衝器。第二單位增益緩衝器通過 阻抗裝置101和102麵合到輸入端S2。第一單位增益緩衝器的輸出與第 二單位增益緩衝器的輸出結合在-起而產生訊號Vb。訊號％的最小值受 參考訊號VR箝制。訊號VB連接到電壓—電流轉換電路15〇以根據輸出電 壓V。產生第二訊號I2和第三訊號I3。第二訊號Iz的最小值籍制於一限 制值。輸入端S,產生電壓訊號Va，其連接到電壓_電流轉換電路14〇以 根據電壓Vds產生第一訊號L·。另外，遲滯緩衝電路18〇耦合到輸入端 S,以根據變壓器10的磁化週期產生切換訊號Sgn。第一訊號h、第二訊 號h、第三訊號I3和切換訊號Son耦合到訊號產生電路2〇〇以產生控制 訊號S，。請參閱第五、六圖，第五、六圖分別為本發明中電壓_電流轉 換電路140和150之較佳實施例的電路圖。請參閱第五圖，電壓Va 丄奶551 到運算放大器141。運算放大器141連接到電晶體143和電阻器142以 根據電壓VA產生電流Im。電流U連接到電晶體145和146以產生第 —訊號L·。請參閱第六圖，電壓VB連接到運算放大器151。運算放大器 151連接到電晶體153和電阻器152 ’以根據電壓Vb產生電流Ii53。電流 I!53連接到電晶體155和156以產生電流1156。電流1,56進一步連接到電 晶體157、158和159以用於產生第二訊號ι2和第三訊號丨3。因此第一 電流[根據電壓VA而產生。第二訊號ι2和第三訊號h根據電壓Vb而產 生。

請參閱第七圖本發明的訊號產生電路2〇〇的較佳實施例之電路圖。 電容器220用來決定控制訊號S»的週期。第一開關21〇耦合在第一訊號 Ιι與電容器220之間。第二開關215耦合在第二訊訊號ι2與電容器220 之間。第一比較器230耦合到電容器220以在電容器220的電壓高於第 一參考電壓VR1時，在第一比較器23〇的輸出端產生第一控制訊號。由

反相器231和AND閘232形成的輸出電路經耦合以根據第一控制訊號的 啟用和切換訊號5(«的禁用在AND閘232的輸出端產生第一放電訊號。 切換讯號S™進一步經耦合以控制第一開關21〇。第一開關21〇根據切換 訊號Son的啟用而導通。第一放電訊號經耦合以控制第二開關215。第二 開關215根據第-放電訊號的啟用而導通。第一訊號L用於對電容器 220進行充電。第二訊號h用於對電容器22〇進行放電。第三訊號Ia 進一步耗合到第一訊號Ιι以減小第一訊號h的值。 klx 電壓Vds決定第一訊號h。第―

Yds Rl42 訊號l·可以方程式（11)表示為-----------------------(11) 輸出電壓V。決定的第二訊號l2和第三訊號h可以方程式⑽、⑴） 表示如下： h = k2 > Vo < - Rl52 sS--- L· = k3 x Vo RlS2 電容器220上的電壓可以方程式⑽表示為： kl x Yds (12) (13)

Vc = II b c x Ton =

Rl42 kl^V〇

xT〇N (14)^23551 、其中W、k2和k3為常數，例如阻抗裝置的比率和/或電流鏡的增 益’C為電容器220的電容值，T()N為切換訊號Sw的啟用時間（電容器 220的充電時間），Rl42為電阻器142的電阻值，“為電阻器152的電 I5且值。電容器220的放電時間T〇FF由下式表示為：

Toff =

Cx Vc C x Vc h k2x

Vo Rl52 (15)

通過適當選擇Id、k2、k3、“和Rl52，電容器22Q的放電時間 可根據方程式（14)和（15)重新整理為方程式（16

Vds Vo Toff = K x—--xTon Vo (16) 因此電容器220的放電時間T〇F#變壓器1〇的去磁週期7_咖相 關。去磁週期Tdischarge可以方程式（17)表示為： TDISCHARGE = K :

Vs

X TcHARGE 其中K為常數。 第二比較器240耦合到電容器220以用於在電容器 ---------(17) 220的電壓高於 第一參考電壓VR2時’在第二比較器240的輸出端產生第二控制訊號。

由反相器241和腦250形成的另一輸出電路經麵合以根據第二控制 訊號的啟用以及切換訊號Son的禁用而在AND閘25〇的輸出端產生第二 放電訊號。控制訊號S»可根據第—放電訊號或第二放電訊號而產生。在 此實施例中，第二放電訊號用於產生控制訊號&。第二參考電壓〜高 於第-參考電壓VR1。因此’在變壓器1()進行磁化之前，控制訊號&禁 用，且電源開關20斷開。 π 參看方程式（16)和第八圖的同步整流電路的波形，控制訊號&的 週期由電容器22G (電壓V。）的放電時間T()FF控制。控制訊號&的週期 根據電容H 220的充電時間Tdn的減小而減小。控制訊號Sw的週期根據 輸出電壓V。的減小而增加。充電時間T〇N由切換魏s〇n的啟㈣間來控 制。切換訊號Son的啟用時間來控制與磁化週期（Tcharge)相關。 ^^551 國專ίΐΐΓΓ—具掏紐、進步性及可供產業上者，應符合我 准專她提出發明術請，祈釣局早日踢 私明宭所述者’僅為本發明—較佳實施例而已，並非用來限定本 發月貫就滅’故舉凡依本發明申請專利細 及精神所权解魏娜飾，觸包胁树狀帽翻=内特徵 1323551 【圖式簡單說明】 第一圖為習知具有同步整流器的功率轉換器之電路圖。 第二A與第二B圖分別為連續電流模式和非連續電流模式的波形 圖。 第二圖為包含本發明同步整流電路較佳實施例的切換式功率轉換 器之電路圖。 、 第四圖為本發明之切換控制電路之較佳實施例的電路圖。 第五圖和第六圖分別為為本發明之電壓_電流轉換電路之較佳實施 例的電路圖。 第七圖為本發明之訊號產生電路之較佳實施例的電路圖。 第八圖為本發明較佳實施例的同步整流電路的波形圖。

【主要元件符號說明】 10變壓器 30電容器 15開關 40電阻器 55電阻器 100控制電路 110運算放大器 101阻抗裝置 140電壓-電流轉換電路 141運算放大器 143電晶體 146電晶體 2〇電源開關 45控制電路 25二極體 50電阻器 60二極體 102阻抗裝置 125二極體 115二極體 120運算放大器 142電阻器 145電晶體 ^0電壓·電流轉換電路 1323551

151運算放大器 153電晶體 156電晶體 158電晶體 180遲滞緩衝器電路 210第一開關 220電容器 231反向器 240第二比較器 250 AND 閘 12第二訊號 Ic充電電流 1143電流 1156電流 NS 二次側繞組 S2輸入端 Sw控制訊號 Vb電壓 V〇輸出電壓 VR1第一參考電壓 Vs磁化電壓 GND接地端 152電阻器 155電晶體 157電晶體 159電晶體 200訊號產生電路 215第二開關 230第一比較器 232 AND 閘 241反向器 I!第一訊號 13第三訊號 Id放電電流 Il53電流 Np —次側繞組 Si輸入端 S〇N切換訊號 vA電壓 Ve電壓 VR參考訊號 VR2第二參考電壓 OUT輸出端 13

Claims (1)

1. 4月尹修正替換頁 ->- ;1 十、申請專利範圍： 1. 一種功率轉換器的同步整流電路，其包括： 一電源開關’其相合到—變壓器以用於整流；以及 "刀換控寺丨电路，其根據該變壓器的一磁化電壓、該變壓器的一去磁 電廢和該Μ器的—磁化週期產生—控制訊號，其中該控制訊號經搞合 以控制該電源開關’且該控制訊號的—啟用週期與該魏器的一去磁週 期相關。 2·如申β月專利範圍帛i項所述之同步整流電路，其中雜制訊號的該啟 用週期根據該磁化電壓的增加而増加，該控制訊號的該啟用週期根據該 兔壓的該磁化週期減小而減小，該控制訊號的該啟用週期相應於該去 磁電壓的增加而減小。 3·如U利範U第1項所述之同步整流電路’其巾該切換控制電路 括： -輸入電路，其產生—第__訊號、—第二訊號、—第三訊號和—切 換訊號；以及 一汛號產生電路，其耦合該一輸入電路以產生該控制 訊號； 其中該第一訊號與該變壓器的電壓相關，該第二訊號、該第 二訊號與該功率轉換器的輸出電壓相關，且該切換訊號根據該變 壓器的該磁化週期而產生。 4.如申請專利顧S3項所述的畔整親路，其巾魏號產生電路勺 括： 一電容器； 一第一開關’其耦合在該第一訊號與該一電容器之間； 一第二開關，其耦合在該第二訊號與該電容器之間； 一第一比較器，其耦合到該電容器，並在該電容器的電壓高於 第一參考電壓時產生一第一控制訊號 ;以及 一輸出電路，其經耦合以根據該第一控制訊號的啟用和該切換訊 號的禁用而產生一第一放電訊號； 其中該第一開關根據該切換訊號的啟用而導通，該第二開關根據 該第一放電訊號的啟用而導通；該第一訊號對該電容器進行充電，該 第二訊號對該電容器進行放電，且該第三訊號進一步耦合到該第一訊 號以減小該第一訊號的值。 5. 如申請專利範圍第4項所述的同步整流電路’其中該訊號產生電路進 一步包括： 一第二比較器，其耦合到該電容器以在該電容器的該電壓高於— 第二參考電壓時產生一第二控制訊號，其中該控制訊號是根據該第— 放電訊號或第二放電訊號而產生。 6. 如申請專利範圍第1項所述的同步整流電路，其中該電源開關在該 變壓器磁化之前斷開。 7. 如申凊專利範圍第3項所述的同步整流電路，其中該第二訊號的最 小值被箝位在一限制值。 8. —種功率轉換器的同步整流裝置，其包括： 一電源開關，其耦合到一磁性裝置用於整流，·以及 一切換控制電路’其根據該磁性裝置的一磁化電壓和該磁性裝置的 磁化週期產生一控制訊號，该控制訊號經輕合控制該電源開關； 其中該控制訊號的一啟用週期與該磁性裝置的一去磁週期相關。 9. 如申請專利範圍第8項所述的同步整流裝置，其中該磁性農置的一 去磁電壓進一步用於確定該控制訊號的該啟用週期。 10·如申請專利範圍第8項所述的同步整流裝置，其中該控制訊號的該 啟用週期根據該磁化電壓的增加而增加，該控制訊號的該啟用週期根據 該磁性裝置的該魏職_小喊小，且該控籠號的該則週期根 據該去磁電壓的增加而減小。 11.如申請專利範圍第8項所述的同步整流裝置，其中該電源開關在該磁性 裝置磁化之前斷開。