TWI538341B

TWI538341B - 具有電流感測控制的主動整流

Info

Publication number: TWI538341B
Application number: TW102122887A
Authority: TW
Inventors: 弗雷德葛林費爾德
Original assignee: 英特希爾美國公司
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2016-06-11
Also published as: CN103532407A; US20140003104A1; US9263963B2; TW201403990A

Description

具有電流感測控制的主動整流

本發明的一個實施例大致上關於電源供應器，且更特別係關於將電流進行整流，使得在一電源供應器操作於不連續模式(discontinuous mode，DCM)時阻擋一逆向電流的流動，其中該整流係響應於該電流來執行。

優先權主張

本申請案係主張於2012年6月29日的臨時申請案，案號為61/666,290的優先權，其完整的內容係併入於此以作為參照。

一不連續模式(DCM)切換電源供應器係響應於一電流而產生一調節過的輸出電壓，該電流係在每一次切換循環期間變為零一段時間。

若該電流將其方向予以逆向的話，亦即，變為負的或下降到零以下，那麼該電源供應器的效率可大量的減低。

因此，一不連續模式電源供應器可包含電路系統用來將該電流進行整流；也就是，此電路系統允許該電流以順向的方式流動(亦即，允許順向電流)，但是其抑制該電流以反向的方式流動(亦即，抑制反向電流)。舉例來說，一不連續模式電源供應器可包含在一電流路徑上的電晶體，並且可在該電流以順向的方式流動時，將該電晶體予以活化(activate)，並且將該電晶體予以去活化(deactivate)用以阻擋該電流以反向的方式流動；也就是，該電源供應器可藉由使用一主動構件(在此為一電晶體)以主動地將該電流進行整流，而不是使用一非主動構件(例如一二極體)來將該電流進行整流。

然而不幸地，此整流電路系統可造成一包含此整流電路系統之電源供應器的效率減低。舉例來說，此整流電路系統可以不提供最佳化的整流時序，並且因此在一逆向電流被阻擋前，可允許該逆向電流流動一段相當長的時間週期，或者在其應導向為一順向電流時，可阻擋該順向電流一段相當長的時間週期。

本發明之一實施例係一種設備，其係包括一能量儲存電路以及一整流電路。該能量儲存電路係組態用於產生一以一方向流動之電流，而該整流電路係組態用於實質地阻擋該電流以一逆向流動，以響應於該電流。

此一設備可組態用於在一逆向電流開始流動之前，阻擋該逆向電流。舉例來說，此一設備可包含一配置於該電流的路徑上的電晶體，並且可組態用於在一順向電流仍正在流動之時，將該電晶體予以去活化。

此外，藉著此一設備係組態用於阻擋一逆向電流以逆向流動來響應於該電流本身，而比起以另一方式來阻擋一逆向電流的設備來說，此一設備可更能夠阻擋一反向電流，例如響應於跨越一整流電晶體的電壓。

10‧‧‧電源供應器

12‧‧‧整流電路

14‧‧‧驅動器

16‧‧‧能量儲存電路

18‧‧‧調節器

20‧‧‧整流器

22‧‧‧電流感測器

24‧‧‧控制器

30‧‧‧部分

32‧‧‧電壓箝位電路

34‧‧‧初級繞線

36‧‧‧次級繞線

38‧‧‧電路

40‧‧‧電路

42‧‧‧偏壓產生器

60‧‧‧電子系統

62‧‧‧處理電路系統

64‧‧‧輸入裝置

66‧‧‧輸出裝置

68‧‧‧資料儲存裝置

Np‧‧‧初級繞線

Ns‧‧‧次級繞線

T1‧‧‧變壓器

T2‧‧‧變壓器

圖1係根據一實施例之一不連續模式(DCM)電源供應器的方塊圖，該不連續模式電源供應器係組態用於主動地對一電流進行整流，以響應於該電流。

圖2係根據一實施例在圖1中的該電源供應器之一部分的示意圖。

圖3係根據一實施例在圖2中被主動整流過的電流對於時間的繪圖。

圖4係根據一實施例在圖2中的該整流電晶體的閘極電壓對於時間之繪圖，其係與在圖2中被主動整流過的電流對於時間之繪圖相重疊。

圖5係根據一實施例在圖2中的該整流電晶體的汲極電壓對於時間之繪圖，其係與在圖2中被主動整流過的電流對於時間之繪圖相重疊。

圖6係根據一實施例在圖2中的該整流電晶體的汲極電壓對於時間之另一個繪圖，其係與在圖2中被主動整流過的電流對於時間之繪圖相重疊。

圖7係根據一實施例在圖1中該不連續模式電源供應器的一部分的示意圖。

圖8係根據一實施例之一系統的方塊圖，該系統併入了圖1中的該電源供應器。

在本說明書中之“一個實施例”或“一實施例”係意指相關於該實施例的特別的特徵、結構、或特性係包含於至少一個實施例中。因此，在本說明中各個地方所出現的此等詞語“在一個實施例中”或“在一實施例中”並不一定全部都指向相同的實施例。此外，該特別的特徵、結構、或特性可以用任何合適的方式來結合於一個或更多個實施例中。

圖1係根據一實施例之一不連續模式電源供應器10的方塊圖，該不連續模式電源供應器10係組態用於產生一調節後的輸出電壓V_out以響應於一電流，並且該不連續模式電源供應器10係包含一整流電路12，該整流電路12係組態用於阻擋該電流以逆向流動，以響應於該電流本身。舉例來說，該整流電路12可組態用於即使在該電流開始以逆向開始流動之前，阻擋該電流以逆向流動。藉由降低或減低一逆向電流流動的時間週期，相較於一習知的不連續模式電源供應器來說，該整流電路12可增加該電源供應器10的效率。

除了該整流電路12之外，該電源供應器10係包含一驅動器14、一能量儲存電路16、以及一調節器18。

該驅動器14係接收一輸入電壓V_in及一電流I_in，並且產生第一中間電壓V_{int_1}及第一中間電流I_{int_1}。

該能量儲存電路係接收V_{int_1}及I_{int_1}，並且產生一第二中間電壓V_{int_2}及一第二中間電流I_{int_2}。

並且該調節器18係接收V_{int_2}及I_{int_2}，並且產生一調節後的輸出電壓V_out及一負載電流I_out。

該整流電路12係包含一整流器20、一電流感測器22、以及一控制器24。

在操作時，該驅動器14係驅動該能量儲存電路16，該能量儲存電路16係產生一衰減，亦即，耗失的電流I_{int_2}，其係以順向方式流動(亦即，流過該整流器20)，在圖1中係由“I_{int_2}”上方的箭頭所指示著。

當該電流I_{int_2}係以順向流動，且其具有的大小超過由該控制器24所設定的臨界值時，該整流電路12係允許I_{int_2}繼續流動。以細節上來說，該電流感測器22係監控I_{int_2}並產生一信號SENSE(感測)，其係呈現L_{int_2}的大小和方向。響應於該信號感測係指示I_{int_2}係以順向流動且具有的大小超過該臨界值，該控制器係將該整流器20予以活化，使得該整流器對I_{int_2}的順向流動呈現一相當小的阻抗。舉例來說，由該整流器20所呈現的阻抗可使得，跨越於該整流器電壓降比起跨越一順向偏壓的二極體的電壓降(例如，大約0.7伏特)來說小的很多；一般來說，跨越於該整流器的電壓降越小的話，該電源供應器10的效率越高。

但是響應於該順向電流I_{int_2}的大小係下降至低於該臨界值，該整流電路12係阻擋I_{int_2}的流動，因此限制或減低了I_{int_2}以逆向流動的時間(亦即，圖1中“L_{int_2}”上方的箭頭所指示的相反方向)。以細節上來說，響應於該信號感測係指示I_{int_2}係以順向流動且具有的大小低於該臨界值，該控制器24係將該整流器20予以去活化，使得該阻擋電路對I_{int_2}的流動呈現一相當高的阻抗，該阻抗係足夠高以造成I_{int_2}的大小減低為零，並且也足夠高以限制或減低I_{int_2}以逆向流動的時間週期。一般來說，I_{int_2}以逆向流動的時間週期越短的話，該電源供應器10的效率越高。

該調節器18將該電流I_{int_2}轉換成該電壓V_{int_2}，並調節V_{int_2}以產生V_out。舉例來說，該調節器18可為任一類型的調節器，例如為直流- 轉-直流轉換器(例如，一降壓轉換器，一升壓-降壓轉換器)，或一線性調節器(例如，一低壓降(low drop out，LDO)調節器)。

仍然參照圖1，該電源供應器10的替代實施例係可想像得到的。舉例來說，該調節器18可產生一調節後的電流I_out，而非調節後的電壓V_out。此外，該整流器20、該電流感測器22、或該整流器和該感測器兩者可置放於高側路徑(亦即，在電壓V⁺ _{int_2}處的路徑)，而非低側路徑。進一步來說，該能量儲存電路16可被省略，而該驅動器14直接產生L_{int_2}。此外，雖然該電源供應器10係以一不連續模式電源供應器來說明，該電源供應器10可為另一類型的供應器，例如是一連續模式電源供應器，其有時候係以不連續模式操作。舉例來說，該電源供應器10可主要地以不連續模式操作，但是其有時候係以不連續模式操作，例如在一負載暫態期間。

圖2係根據一實施例在圖1中的電源供應器10之一部分30的示意圖。

該驅動器14係包含一輸入濾波器電容器C1、一切換驅動的NMOS電晶體Q1、以及一電壓箝位電路32。該電晶體Q1係由電路系統來驅動，為求清楚明瞭該電路系統在圖2中係予以省略。

該能量儲存電路16係包含一變壓器T1，其具有耦合至該驅動器14之初級繞線Np，並具有一次級繞線Ns，其係以磁性的方式耦合至該初級繞線，即如圖2中的點規定(dot convention)所顯示。

該調節器18係包含一輸入濾波器電容器C2，而該調節器的剩餘區段在圖2中係被省略以求簡潔。

該整流器20係包含一NMOS電晶體Q2，且該電流感測器 22係包含一變壓器T2，其具有組態用於接收該電流I_{int_2}之初級繞線34，並具有一次級繞線36，其係以磁性的方式耦合至該初級繞線34，即如圖2中的點規定所顯示，且其係組態用於提供該信號感測至該控制器24。

該控制器24係包含一電路38，其係組態用於將該電晶體Q2予以活化和去活化，以響應於該電流I_{int_2}以順向流動(順向係以圖2中“I_{int_2}”上方的箭頭所指示般)，且該控制器24係包含一電路40，其係組態用於在I_{int_2}以反向流動的情況下將該電晶體Q2予以去活化。

該電路38係包含二極體D1和D2、一偏壓電阻器R1、一雙極NPN電晶體Q3、以及一偏壓產生器42，其係組態用於產生一偏壓V1。如下進一步所說明，R1的值係決定該電晶體Q1關閉(亦即，去活化)該順向電流I_{int_2}之值。

並且該電路40係包含二極體D3和D4、以及一雙極PNP電晶體Q4。

圖3係根據一實施例在圖2中的該電源供應器的部分30之電流I_{int_2}對於時間的繪圖。

圖4係根據一實施例在圖2中的該電晶體Q2的閘極電壓對於時間之繪圖，其係與圖2中該電流I_{int_2}的閘極電壓對於時間之繪圖相重疊。

圖5係根據一實施例在圖2中的該電晶體Q2的汲極電壓對於時間之繪圖，其係與圖2中該電流I_{int_2}的閘極電壓對於時間之繪圖相重疊。

圖6係根據一實施例在圖2中的該電晶體Q2的汲極電壓對於時間之另一個繪圖，其係與圖2中該電流I_{int_2}的閘極電壓對於時間之繪圖相重疊，相對於圖5中的重疊繪圖來說，其具有更高解析度的時間刻度。

參照圖2-圖6，圖1中的電源供應器10的該部分30的操作係根據一實施例來說明。

在該電晶體Q1於時間t₀及t₁之間的切換循環(圖3)的充電部分期間，Q1係被活化，使得其透過該變壓器T1的初級繞線Np來汲取一電流。此係使得該初級繞線Np和該次級繞線Ns在黑點處的節點相對於沒有黑點處的各個節點的電壓位準還低。正常來說，此會造成該次級繞線Ns流出一逆向電流I_{int_2}；但是因為該電晶體Q2係被去活化且其本體二極體係逆向偏壓的關係，該次級繞線並不會產生一電流。因此，由流過該初級繞線Np的電流所產生的能量係儲存於該變壓器的磁場中。

在時間t₁時，該電晶體Q1係被去活化，使得其停止抽取流過該變壓器T1的初級繞線Np的電流。

在該電晶體Q1於時間t₁及t₂間的切換循環(圖3)的放電部分期間，參照於該初級繞線Np，該電壓箝位電路32係提供一路徑給該變壓器T1的漏電感(未顯示於圖2)以藉由流出一初級側的放電電流來放電，該放電電流以順時針方向流過該初級繞線和該箝位電路；此外，該電壓箝位電路係將跨越該初級繞線的電壓予以限制成一預定值(例如，20伏特)，以保護Q1免於過多由電壓引起的應力。

進一步來說，在該電晶體Q1於時間t₁及t₂間的切換循環(圖3)的放電部分期間，在該電晶體Q1的切換循環期間，儲存於該變壓器T1的磁場的能量的耗失係藉著讓一順向電流I_{int_2}流過該次級繞線Ns(亦即，在圖2中“I_{int_2}”上方的箭頭所顯示的方向)，其中I_{int_2}一開始係線性地耗失，在時間t₁為最大值，且在時間t₂變為零。

隨著I_{int_2}開始在時間t₂流動，該電晶體Q2一開始係不作用；因此，I_{int_2}一開始係流過該變壓器T2的初級繞線34以及Q2的順向偏壓本體二極體。

此一開始流過該變壓器T2的初級繞線34之Ii_{nt_2}係使得該初級繞線和該次級繞線36在黑點處的節點相對於沒有黑點處的各個節點的電壓位準還高，並且跨越於該次級繞線的電壓係造成一電流感測按箭頭所顯示的方向流過該次級繞線。以更細節的方式而言，跨越於該次級繞線36的電壓係造成跨越於該電晶體Q3的集極-射極接面的電壓V_CE下降至跨越於Q3的基極-射極接面的電壓V_BE，使得Q3開始導通(V_CE至V_BE的限制係在下方說明)，並且在Q3開始導通之後，該電流感測流動。

該電流感測流過該二極體D2，並且此電流之第一部分流過該二極體D1，此電流之第二部分流進該電晶體Q3的基極，因此將Q3活化，並且此電流之第三部分流過該電阻器R1。該二極體D1具有至少兩個效果。第一個效果係，該二極體D1係用來將該電流感測的多餘數量予以導通離開，以致於將該電晶體Q3的基底電流維持在一位準，該位準係夠低來預防對Q3造成傷害。第二個效果係(可以藉由應用克希何夫(Kirchoff)電壓定律於該兩個電路迴圈附近來顯示，該兩個電路迴圈係包含該變壓器T2的次級繞線36)，該二極體D1跨越於該電晶體Q3的集極-射極接面的電壓V_CE的最小值予以限制成大約為跨越於Q3的基極-射極接面的電壓V_BE。此V_CE最小值的限制可使得Q3不會飽和，且因此，比起假如Q3會飽和的情況，可允許Q3更快速地去活化。

因此，該電晶體Q3係將一大約等於V1-V_CE=V1-V_BE的活化電壓耦合至該電晶體Q2的閘極，因此活化了Q2。如圖4，在I_{int_2}在時間t₁開始流動之後，電晶體Q3係更快地將此活化電壓施加至該電晶體Q2的閘極。此外，耦合至該電晶體Q3的基極的電阻器R1的節點處的電壓大約為電壓V1，且因此流過R1的電流大約為V1/R1(假定跨越於該變壓器T2的初級繞線34的電壓降係相當小)。

在該電晶體Q2開啟(亦即，活化)之後，該電流I_{int_2}停止流過Q2的本體二極體，並且該電流I_{int_2}反而係從Q2的汲極流至Q2的源極。因此，跨越於該電晶體Q2的電壓係從一順向偏壓P-N接面電壓下降至一遠小於相當於I_{int_2}和Rds_on的乘積值的電壓，Rds_on為Q2活化時在Q2汲極和源極之間電阻值。因為在該電晶體Q2耗失的電源係等於I_{int_2}和跨越於Q2的汲極-源極電壓之乘積值，藉由更快地活化Q2，該控制器24係藉由限制I_{int_2}流過Q2的本體二極體之時間來限制在Q2中的電源耗失。

在時間t₂(圖4)，順向電流I_{int_2}的減少係足以將該電流感測降低至某一點，此時感測無法將該電晶體Q3的基極處的電壓維持在大約V1，因為該電流係被汲取通過該電阻器R1；因此，該電晶體Q2的閘極處的電壓也開始減低。隨著該電流感測繼續減低，該電晶體的閘極處的電壓也繼續減低。並且在閘極電壓下降的期間，該電晶體Q2係操作於三極管(triode)區域，且因此其操作作為電壓控制的電阻器。因而，隨著Q2的閘極電壓減低，Q2的Rds_on增加。

在時間t₀時，該電晶體Q2的閘極處的電壓係減低至一造成Q2去活化的位準。

假如在Q2去活化之後仍有一順向電流I_{int_1}在流動的話，那麼在Q2的Rds_on減低至Q2的汲極-源極電壓Vds超過Q2的本體二極體的活化電壓之一點時，如以下相關於圖6來說明，I_{int_1}會開始流過Q2的本體二極體。

參照圖6，從時間t_b時間t₂的週期期間，該電流I_{int_2}的“最後部分”流過該電晶體Q2的本體二極體；但是在時間t_b時間t₂的週期可能足夠短暫，並且I_{int_2}和該本體二極體的順向電壓之乘積值(亦即，由Q2所耗失的電源)在此週期係足夠短暫，以致於在該Q1切換循環期間係可省略地增加由Q2所耗失的總電源。從t_b到t₂的時間可充當一緩衝週期，以在I_{int_2}開始以逆向流動之前，允許Q2完全地去活化。

進一步來說，圖6也顯示，該電晶體Q2的汲極電壓隨著I_{int_2}減低而線性地增加；此係因為隨著I_{int_2}減低，該汲極電壓增加朝向接地端。

參照圖3，在時間t₂時間t3之間的週期係該電晶體Q1切換循環的不連續部分，於該切換循環期間Q1仍不作用且I_{int_2}沒有流動，亦即，I_{int_2}等於零。參照圖5，雖然寄生電流可流動於該電晶體Q2的汲極和源極之間以及流動於T2的初級繞線34中，如在該不連續週期期間在Q2的汲極處的電壓震盪所證明，此電流係太小以致於無法開啟Q2；因此，此電流無法在該不連續週期期間造成I_{int_2}以逆向流動，並且無法放電C2。

參照圖2-圖6，該電源供應器的部分30係針對該電晶體Q1的每一個後續切換循環來重複以上所述的操作。

仍參照圖2-圖6，假如在該電晶體Q2去活化之前I_{int_2}確實以逆向流動的話，那麼電晶體Q4會去活化Q2。假如一逆向電流I_{int_2}開始流動的話，此會造成一逆向電流流過該變壓器T2的次級繞線36、該電晶體 Q4的射極-集極接面、以及二極體D4，並且造成一基極電流從Q4的基極流過該二極體D3。因此，由該電晶體Q4的射極所汲取的電流係將該電晶體Q2的閘極予以放電，並且因此將更快地Q2去活化，因而限制了I_{int_2}以逆向流動期間之時間數量。該電流I_{int_2}以逆向流動的原因係吾人設定該電阻器R1之值以致於在t₀和t₂之間的週期減低至大約為零，而在此週期期間I_{int_2}係流過該電晶體Q2的本體二極體；假如因為公差關係造成R1太大的話，那麼在I_{int_2}以逆向流動之前，Q2可以不完全地去活化。

參照圖2，該電源供應器的部分30的替代實施例係可想像得到的。舉例來說，該二極體D4可被省略，並且該二極體D1-D3中的一個或多個二極體可用其他電壓下降構件取代，例如一齊納(Zener)二極體或一電阻器。進一步來說，該電路40可被省略。此外，該變壓器T2可用另一個電流感測構件取代，例如一霍爾效應(Hall-effect)裝置或一光學耦合器。此外，該變壓器T1可用一電感器電路取代。進一步來說，雖然該電源供應器的部分30係揭示作為一返馳式(flyback)電源供應器，該整流電路12、或是執行一個或更多個如上所述的整流原理的其他電路之實施例，可以搭配組態用於以不連續模式操作的任何其他類型的電源供應器來使用。

圖7係根據一實施例在圖1中該電源供應器10的一部分50的示意圖。該部分50係類似於圖2中的部分30，除了該電晶體Q3和該二極體D1之外，該電壓產生器42係從該電路38中省略。在操作時，當該電流I_{int_2}以逆向流動時，來自該變壓器T2的次級繞線36的電流感測係流過該電阻器R1，並且因此在該電晶體Q2的閘極處產生一大約等於R1和感測的乘積值之電壓。因此，以類似於上面相關於圖2所說明的方式，吾人可選擇該電阻器R1之值來設定I_{int_2}的大小，此時該電晶體Q2係去活化，並且因而可以設定該時間t₀，此時Q2變得不作用。

仍然參照圖7，該電源供應器50的替代實施例係可想像得到的。舉例來說，且該二極體D2-D4中的一個或多個二極體可被省略，或者其可用另一個構件，例如一電阻器或一齊納二極體，來取代。

圖8係一電子系統60的功能方塊圖，該電子系統60所包含處理電路系統62含有圖1中的電源供應器10的一個或更多個實施例。該處理電路系統62所包含的電路系統係用於執行各式各樣的功能，例如執行特定軟體來執行特定計算，或是擴至該電子系統60來提供所希望的功能性。此外，該電子系統60係包括耦合於該處理電路系統62的一個或更多個輸入裝置64，像是鍵盤、滑鼠、觸控螢幕、聽覺或語音辨識構件…等，以允許一操作者和該電子系統介接。一般來說，該電子系統60也包含耦合於該處理電路系統62之一個或更多個輸出裝置66，其中該輸出裝置可包含印表機、視訊顯示器、音訊輸出構件…等。一般來說，一個或更多個資料儲存裝置68係耦合於該處理電路系統62來儲存資料，或是從儲存媒體處(未顯示)取得資料。典型的資料儲存裝置68的範例包括磁性碟片、快閃記憶體、其他種類的固態記憶體、磁帶驅動器、光學碟片，像是光碟、以及數位視訊碟片(DVD)…等。

從以上說明，將了解的係，雖然特定實施例在此係以例示為目的來說明，各式各樣修改例係在不偏離本揭示的精神以及範疇下做出。進一步來說，當針對一特別實施例來揭示一替代例時，即使沒有特別說明，此替代例可應用至其他實施例。