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TWI713685B - 一種同步整流器驅動器 - Google Patents

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TWI713685B
TWI713685B TW106103218A TW106103218A TWI713685B TW I713685 B TWI713685 B TW I713685B TW 106103218 A TW106103218 A TW 106103218A TW 106103218 A TW106103218 A TW 106103218A TW I713685 B TWI713685 B TW I713685B
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turn
trigger
driver
capacitor
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崔恒碩
陳雷
陳振松
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美商菲爾卻德半導體公司
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Abstract

一種包括一同步整流器以及一同步整流器驅動器的切換式轉換器，該同步整流器驅動器控制該同步整流器的傳導。該同步整流器驅動器回應於一關斷觸發而關斷該同步整流器。該同步整流器驅動器避免該關斷觸發在一關斷觸發遮蔽時間期間關斷該同步整流器，該關斷觸發遮蔽時間係基於該同步整流器的一傳導時間而適應性地設定。

Description

一種同步整流器驅動器
本發明大致上係關於電氣電路，及更具體而言但非專屬地係關於同步整流器。
在切換式轉換器(諸如返馳式轉換器)中採用整流器二極體。一般而言，一返馳式轉換器係一降壓升壓轉換器，其中輸出電感器被分離以形成一變壓器。在一返馳式轉換器中，一初級側開關係經閉合以將該變壓器之初級繞組連接至一輸入電壓源。閉合該初級側開關使初級電流及磁通量增加、儲存能量於該變壓器中、及在該變壓器之次級繞組上感應產生電流。該感應電流具有使一二極體整流器處於反向偏壓以阻擋一輸出電容器之充電之一極性。當該初級側開關被斷開時，該初級電流及磁通量下降，且該次級繞組上的電流變更極性，以藉此加順向偏壓於該二極體整流器且允許該輸出電容器之充電，以產生一DC輸出電壓。
許多返馳式轉換器採用二極體整流器以產生該DC輸出電壓。一二極體整流器之傳導損失顯著促成總體功率損失，對於低電壓、高電流轉換器應用尤是。二極體整流器之傳導損失係藉由其順向電壓降及順向傳導電流之乘積而給定。藉由用操作為同步整流器的金屬氧化物半導體場效電晶體 (MOSFET)來取代二極體整流器，可降低等效順向電壓降，且因此可減小傳導損失。然而，不同於二極體整流器，必須藉由額外電路(諸如同步整流器驅動器)主動控制同步整流器之傳導。
在一實施例中，一種包括一同步整流器以及一同步整流器驅動器的切換式轉換器，該同步整流器驅動器控制該同步整流器的傳導。該同步整流器驅動器回應於一關斷觸發而關斷該同步整流器。該同步整流器驅動器避免該關斷觸發在一關斷觸發遮蔽時間期間關斷該同步整流器，該關斷觸發遮蔽時間係基於該同步整流器的一傳導時間而適應性地設定。
所屬技術領域中具有通常知識者閱讀本揭露之全文(包括附圖及申請專利範圍)後將瞭解本揭露之此等及其他優點及特徵。
101:波形
102:波形
103:波形
104:臨限值
105:臨限值
106:時間
107:時間
151:波形
152:波形
153:波形
154:波形
155:波形
156:波形
161:波形
162:波形
163:波形
164:波形
165:波形
166:波形
167:波形
200:SR驅動器
201:導通觸發遮蔽電路
202:正反器
203:設定/重置閂
204:關斷觸發遮蔽電路
205:綠色電路
206:放大器
209:放大器
210:及閘
211:放大器
212:及閘
300:返馳式轉換器
300A:返馳式轉換器
301:控制器IC
ARM:信號
C2:電容器
C4:時序電容器
COUT:輸出電容器
GND:接地
I2:電流源
IDS:電流
ISR:電流
QPR:初級側開關
QSR:同步整流器
REXT:外部電阻器
SR_COND:信號
T1:變壓器
TURN_OFF_ALLOW:信號
TURN_OFF_TRG:信號
TURN_OFF_TRG:信號
TURN_ON_ALLOW:信號
U2:延遲電路
U3:延遲電路
U5:閘
VIN:輸入電壓源
VDD:接腳
VDS.SR:同步整流器的汲極至源極電壓
VGS.SR:同步整流器的閘極至源極電壓
VTH.HGH:高臨限值
VTH.OFF:關斷臨限值
VTH.ON:導通臨限值
圖1展示可利用本發明之實施例之一返馳式轉換器的示意圖。
圖2及圖3分別展示當使用一固定關斷觸發遮蔽時間時，在重載情況下及輕載情況下的一同步整流器的信號波形。
圖4及圖5分別展示依據本發明之一實施例的在重載情況下及輕載情況下的一同步整流器的信號波形。
圖6展示根據本發明之一實施例之一切換式轉換器的示意圖。
圖7展示根據本發明之一實施例之一同步整流器驅動器的示意圖。
圖8展示根據本發明之一實施例之一返馳式轉換器的信號波形。
圖9展示根據本發明之一實施例之一關斷觸發遮蔽(blanking)電路的示意圖。
圖10展示根據本發明之一實施例之一返馳式轉換器的示意圖。
不同圖式中使用相同參考標號指示相同或相似組件。
[相關申請案之交互參照]
此申請案主張2016年2月2日申請之美國臨時申請案第62/290,165號的優先權，該案全文以引用之方式併入本文。
在本揭露中，提供許多具體細節，諸如電路、組件及方法之實例，以提供對本發明之實施例之徹底理解。然而，所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解，無須特定細節之一或多者即可實踐本發明。在其他情況中，未展示或描述熟知之細節以避免混淆本發明之態樣。
圖1展示可利用本發明之實施例之一返馳式轉換器的示意圖。在圖1之實例中，該返馳式轉換器包括一初級側開關QPR、一同步整流器QSR、一變壓器T1、及一輸出電容器COUT。在一實施例中，各初級側開關QPR及同步整流器QSR包含一MOSFET。
當初級側開關QPR經導通時，變壓器T1之初級繞組係連接至輸入電壓源VIN，導致一電流IDS流動通過初級側開關QPR及初級繞組。當初級側開關QPR經關斷時，儲存在初級側繞組中之能量係經釋放至變壓器T1之次級繞組。該次級繞組所感應的電流導通同步整流器QSR的該內接二極體，而電流ISR流過該次級繞組以充電輸出電容器COUT。當偵測到在內接二極體傳導開始時，同步整流器QSR導通，藉此藉由提供與其內接二極體並聯的一低阻抗電流路徑而最小化跨同步整流器QSR的順向電壓降。為了防止電流反轉，在同步整流器電流ISR到達零之前，同步整流器QSR被關斷。
圖2及圖3分別展示當使用一固定關斷觸發遮蔽時間時，在重載情況 下及輕載情況下的一同步整流器的信號波形。圖2及圖3展示該同步整流器的汲極至源極電壓VDS.SR(參照101)，流過同步整流器的同步整流器電流ISR(參照102)、以及該同步整流器的閘極至源極電壓VGS.SR(參照103)的波形。圖2及圖3亦展示該同步整流器的關斷臨限值VTH.OFF(參照104)及導通臨限值VTH.ON(參照105)。當該同步整流器的汲極至源極電壓VDS.SR下降至低於導通臨限值VTH.ON時，該同步整流器導通(其起因於該同步整流器的內接二極體之傳導)。注意，該同步整流器的該傳導時間起始於內接二極體傳導，而不一定是在對該同步整流器的該閘極驅動信號確立時。
在一實施例中，用於關斷該同步整流器的該關斷觸發係其汲極對源極電壓VDS.SR變得大於關斷臨限值VTH.OFF。更具體而言，當同步整流器電流ISR到達0時，該同步整流器的汲極對源極電壓VDS.SR上升至超過關斷臨限值VTH.OFF，從而關斷該同步整流器。在該同步整流器關斷後，同步整流器電流ISR流過該內接二極體，而當同步整流器電流ISR到達零時，該內接二極體變為反向偏壓。
如圖2中所繪示的，該同步整流器的汲極對源極電壓VDS.SR(參照101)在該同步整流器導通後劇烈地振盪。由於此切換雜訊，在該同步整流器導通之後，汲極對源極電壓VDS.SR有一週期會超過關斷臨限值VTH.OFF，從而致使該同步整流器在其傳導時間期間過早地關斷。為了避免此事發生，無論相對於關斷臨限值VTH.OFF的該同步整流器的汲極對源極電壓VDS.SR的位準，在該同步整流器未關斷的期間提供關斷觸發遮蔽時間(參照106)。也就是說，該關斷觸發在該關斷觸發遮蔽時間期間被遮蔽(即，停用)。該關斷觸發遮蔽時間代表該同步整流器的該最小 傳導時間，即導通時間。在圖2的實例中，該關斷觸發遮蔽時間(參照106)短於該同步整流器的該傳導時間(參照107)。在一般的SR驅動器積體電路(integrated circuit，IC)中，需要專屬的接腳來程式化該關斷觸發遮蔽時間。
圖3展示圖2在輕載情況下的波形。大致上而言，選擇一最佳關斷觸發遮蔽時間相對地困難。過長的關斷觸發遮蔽時間可致使同步整流器電流在輕載情況下反轉，當該同步整流器傳導時間相對於該關斷觸發遮蔽時間來得短時惡化效率。另一方面，過短的關斷觸發遮蔽時間無法在重載情況下有效地遮蔽汲極對源極電壓VDS.SR上的該切換雜訊。
大致上而言，在重載情況下感應較多的切換雜訊，而在輕載情況下則感應較少的切換雜訊。在一實施例中，為了獲得有效率的關斷觸發遮蔽時間以及避免與一固定關斷觸發遮蔽時間相關的問題，該同步整流器的該關斷觸發遮蔽時間經調整以適應該負載情況。該關斷觸發遮蔽時間可在該閘極驅動信號導通該同步整流器之後引入。在該關斷觸發遮蔽時間期間，用於關斷該同步整流器的該關斷觸發被遮蔽以避免該關斷觸發過早地關斷該同步整流器。
圖4及圖5分別展示依據本發明之一實施例的在重載情況下及輕載情況下的一同步整流器的信號波形。在圖4及圖5的實例中，該關斷觸發遮蔽時間(圖4及圖5，參照106)經適應性地設定為等於在先前切換週期中的該同步整流器傳導時間的一分數。更具體而言，在一實施例中，圖4及圖5的波形分別相同於圖2及圖3中的波形，除了該關斷觸發遮蔽時間經適應性地設定為在先前切換週期中的該同步整流器傳導時間的50%之外。
圖6展示根據本發明之一實施例之一切換式轉換器電路的示意圖。在 圖6之實例中，該切換式轉換器係返馳式轉換器300，其除了額外具有同步整流器(synchronous rectifier，SR)驅動器200之外皆相同於圖1之返馳式轉換器。圖6的返馳式轉換器300的其他組件如參照圖1所描述的。
圖7展示根據本發明之一實施例之一SR驅動器200的示意圖。在圖7之實例中，SR驅動器200實施為具有複數個接腳之一積體電路，該複數個接腳包括：一汲極(DRAIN)接腳，其用於連接至同步整流器QSR之汲極；一源極(SOURCE)接腳，其用於連接至同步整流器QSR之源極；一接地(GND)接腳，其用於連接至一接地參考；一閘極(GATE)接腳，其用於連接至同步整流器QSR之閘極；及一VDD接腳，其用於接收一輸入電壓源。在圖7的實例中，SR驅動器200包括綠色電路205，其用於在該同步整流器傳導時間(其可偵測自一SR_COND信號)短於一預設臨限值時，藉由關閉至同步整流器QSR的閘極驅動信號來最小化待機電力。
圖8展示根據本發明之一實施例之一返馳式轉換器300的信號波形。參照圖6及圖7，圖8展示由設定/重置閂203輸出的SR_COND信號(參照161)、由放大器206輸出的ARM信號(參照162)、由導通觸發遮蔽電路201(例如，1μs的固定遮蔽時間)輸出的TURN_ON_ALLOW信號(參照163)、由及閘210輸出的TURN_OFF_TRG信號(參照164)、由關斷觸發遮蔽電路204輸出的TURN_OFF_ALLOW信號(參照165)、由及閘212輸出的TURN_OFF_TRG信號(參照166)、以及在同步整流器QSR的閘極接腳的閘極驅動信號(參照167)的波形。在圖8的實例中，該關斷觸發遮蔽時間(由該TURN_OFF_ALLOW信號指示)經適應性地選擇為同步整流器QSR在先前切換週期中被偵測到的傳導時間的50%。因為該關斷遮蔽時間係經適應性地選擇，所以SR驅動器200的積體電路有利地不需 要用於程式化該關斷遮蔽時間之一專用接腳。
圖8進一步展示流過初級側開關QPR的電流IDS(參照151)、來自該汲極接腳對該源極接腳的該電壓(參照152)、流過同步整流器QSR的同步整流器電流ISR(參照153)、相對於至同步整流器QSR的閘極驅動信號(參照155)的至初級側開關QPR的閘極驅動信號(參照154)、以及該同步整流器的汲極對源極電壓VSR.DS(參照156)的波形。注意，由於同步整流器QSR的汲極上的雜散電感，因此來自SR驅動器200的該汲極接腳對該源極接腳的該電壓未確切相同於該同步整流器的汲極對源極電壓VSR.DS。
在一實施例中，該關斷觸發遮蔽時間(圖8，參照165)係在該閘極驅動信號(圖8，參照167)確立以導通同步整流器QSR之後才引入。此導致該關斷觸發遮蔽時間被延長一適應性地設定週期的時間以避免同步整流器QSR被發生在同步整流器QSR導通之後的切換雜訊關斷。
參照圖7，SR驅動器200從該汲極及源極接腳偵測同步整流器QSR的該汲極對源極電壓。放大器211比較該同步整流器的汲極對源極電壓VDS.SR與導通臨限值VTH.ON，以偵測內接二極體傳導的起始。當放大器211偵測到同步整流器QSR的該內接二極體開始傳導時，放大器211透過及閘210給予正反器202時脈以確立在該閘極接腳的該閘極驅動信號，並從而導通同步整流器QSR。此有利地藉由透過通道(而非同步整流器QSR的內接二極體)傳導而最小化電力損耗。放大器206比較同步整流器QSR的汲極對源極電壓VDS.SR與高臨限值VTH.HGH，以偵測內接二極體傳導的結束。當放大器206偵測到內接二極體傳導的結束時，放大器206重置該設定/重置閂203以撤除SR_COND信號。
續參照圖7，SR_COND信號由設定/重置閂203輸出。SR_COND信號由關斷觸發遮蔽電路204接收以產生一關斷觸發遮蔽信號，其停用及閘212以避免重置至同步整流器QSR的閘極驅動信號。更具體而言，在圖7的實例中，該關斷觸發係當同步整流器QSR的汲極對源極電壓VDS.SR(從該汲極接腳及該源極接腳偵測)超過關斷臨限值VTH.OFF時。當同步整流器QSR的汲極對源極電壓VDS.SR上升至超過關斷臨限值VTH.OFF時，放大器209產生一輸出信號，該輸出信號清除正反器202以撤除在該閘極接腳的該閘極驅動信號，並從而關斷同步整流器QSR。關斷觸發遮蔽電路204輸出一關斷觸發遮蔽信號至閘，即致能/停用及閘212以避免該關斷觸發在該關斷觸發遮蔽時間期間關斷同步整流器QSR。在一實施例中，關斷觸發遮蔽電路204藉由在該同步整流器傳導時間期間充電一時序電容器以產生該關斷觸發遮蔽信號。該時序電容器的峰值經取樣並保持。可比較該取樣信號的一半與該時序電容器電壓，以產生該關斷觸發遮蔽信號。
圖9展示根據本發明之一實施例之關斷觸發遮蔽電路204的示意圖。在圖9之實例中，由一延遲電路U2延遲SR_COND信號(例如，30ns延遲)及由一延遲電路U3延遲SR_COND信號(例如，20ns延遲)，以確保適當取樣與保持。根據SR_COND信號，藉由一電流源I2充電一時序電容器C4。對於各切換週期，時序電容器C4之峰值電壓與同步整流器傳導時間成比例。時序電容器C4電壓之峰值被取樣及儲存於一電容器C2中。接著，在下一切換週期中比較電容器C2上之電壓之一半與時序電容器C4上之電壓，以產生TURN_OFF_ALLOW信號。TURN_OFF_ALLOW信號上升邊緣相對於SR_COND信號上升邊緣延遲達先前切換週期之同步整流器之傳導時間之一半。藉由一閘U5輸出TURN_OFF_ALLOW信號，即該 關斷觸發遮蔽信號。
圖10展示根據本發明之一實施例之一返馳式轉換器300A的示意圖。返馳式轉換器300A為圖6的返馳式轉換器300的一具體實施例。返馳式轉換器300A包含先前討論的組件，即變壓器T1、初級側開關QPR、同步整流器QSR、以及SR驅動器200。返馳式轉換器300A接收、濾波、及整流一交流輸入AC以產生跨在變壓器T1的初級繞組上的一輸入電壓。在圖10的實例中，返馳式轉換器300A包括控制器IC 301，其用於藉由例如在變壓器T1的該初級側的脈衝寬度調變(pulse-width modulation,PWM)控制初級側開關QPR的切換操作。SR驅動器200控制在該次級側的同步整流器QSR的傳導。
在一實施例中，SR驅動器200的積體電路封裝包含複數個接腳。SR驅動器200的該積體電路封裝包括連接至同步整流器QSR的汲極的一汲極接腳、連接至同步整流器QSR的源極的一源極接腳、以及連接至同步整流器QSR的閘極的一閘極接腳。在圖10之實例中，該汲極接腳藉助一外部電阻器REXT連接至同步整流器QSR的閘極。隨著適應性關斷觸發遮蔽，SR驅動器200的積體電路不具有用於程式化該關斷遮蔽時間之一專用接腳。
揭露除了所附申請專利範圍之外，還至少包括以下的額外申請專利範圍：
1.一種切換式轉換器電路，其包含：一變壓器；一同步整流器，其連接至該變壓器的一次級繞組；及一同步整流器驅動器，其位於一積體電路封裝中，該積體電路封裝包含一汲極接腳、一源極接腳、以及一閘極接腳，該汲極接腳連接至該同 步整流器的一汲極，該源極接腳連接至該同步整流器的一源極，該閘極接腳連接至該同步整流器的一閘極，該同步整流器驅動器經組態以回應於一關斷觸發而關斷該同步整流器，以避免該關斷觸發在一關斷觸發遮蔽時間期間關斷該同步整流器，並適應性地基於該同步整流器的一傳導時間設定該關斷觸發遮蔽時間。
2.如請求項1之切換式轉換器電路，其中該同步整流器驅動器經組態以設定該關斷觸發遮蔽時間為該同步整流器的該傳導時間的50%。
3.如請求項1之切換式轉換器電路，其中該切換式轉換器包含一返馳式轉換器。
4.如請求項1之切換式轉換器電路，其進一步包含連接至該變壓器的一初級繞組的一初級側開關。
5.如請求項1之切換式轉換器電路，其中該關斷觸發為一放大器的一輸出信號，其指示該同步整流器的一汲極至源極電壓超過一關斷臨限值。
6.如請求項5之切換式轉換器電路，其中該同步整流器驅動器包含一關斷觸發遮蔽電路，其在該關斷觸發遮蔽時間期間產生遮蔽該放大器的該輸出信號的一關斷觸發遮蔽信號。
7.如請求項6之切換式轉換器電路，其中該放大器的該輸出信號為至一及閘的輸入，而該關斷觸發遮蔽信號為至該及閘的另一輸入。
8.如請求項6之切換式轉換器，其中該關斷觸發遮蔽電路包含：一第一電容器，其在該同步整流器在一第一切換週期中的該傳導時間期間被充電；一第二電容器，其儲存該第一電容器在該第一切換週期中儲存的一 電荷的一峰值；及一比較器電路，其比較儲存於該第二電容器中的一電荷的一半與該第一電容器在一第二切換週期中儲存的一電荷，該第二切換週期接續該第一切換週期。
9.一種控制一同步整流器之方法，該方法包含：在一第一切換週期中導通一同步整流器；在該第一切換週期中關斷該同步整流器；在接續該第一切換週期的一第二切換週期中導通該同步整流器；及在該第二切換週期中，避免該同步整流器被關斷達一遮蔽時間，該遮蔽時間係基於該同步整流器在該第一切換週期中的一傳導時間而被適應性地設定。
10.如請求項9之方法，其中該遮蔽時間經適應性地設定為在該第一切換週期中的該同步整流器的該傳導時間的50%。
11.如請求項9之方法，其進一步包含：在該第一切換週期中的該同步整流器的傳導期間充電一第一電容器；將該第一電容器在該第一切換週期中的一峰值電荷儲存於一第二電容器中；及比較該第二電容器在該第一切換週期中儲存的一電荷與該第一電容器在該第二週期中儲存的一電荷，以設定該遮蔽時間。
12.如請求項11之方法，其中當該同步整流器的該汲極至源極電壓增至超過一關斷臨限值時，該同步整流器在該第一切換週期中被關斷。
13.如請求項12之方法，其進一步包含： 在該遮蔽時間在該第二切換週期中期滿之後，關斷該同步整流器。
已揭露具有適應性關斷觸發遮蔽的切換式轉換器的電路及方法。雖然已提供本發明之具體實施例，但是應理解這些實施例係闡釋性用途而非限制。閱讀本揭露之所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解許多額外實施例。
200:SR驅動器
201:導通觸發遮蔽電路
202:正反器
203:設定/重置閂
204:關斷觸發遮蔽電路
205:綠色電路
206:放大器
209:放大器
210:及閘
211:放大器
212:及閘
SR_COND:信號
TURN_OFF_ALLOW:信號
VIN:輸入電壓源
VDD:接腳
VTH.HGH:高臨限值
VTH.OFF:關斷臨限值
VTH.ON:導通臨限值

Claims (7)

  1. 一種同步整流器(SR)驅動器，其包含： 經組態以連接至一同步整流器的一汲極的一第一節點、經組態以連接至該同步整流器的一源極的一第二節點及經組態以連接至該同步整流器的一閘極的一第三節點； 一第一電路，其經組態以基於該同步整流器的一汲極至源極電壓的一位準而關斷該同步整流器；及 一第二電路，其經組態以避免該第一電路在一關斷觸發遮蔽時間期間關斷該同步整流器，該關斷觸發遮蔽時間具有基於該同步整流器的一傳導時間的一持續時間。
  2. 如請求項1之同步整流器驅動器，其中該第二電路經組態以適應性地設定該關斷觸發遮蔽時間的該持續時間為該同步整流器的該傳導時間的50%。
  3. 如請求項1之同步整流器驅動器，其中該同步整流器驅動器之該第一節點、該第二節點及該第三節點係該同步整流器驅動器之一積體電路封裝之接腳。
  4. 如請求項1之同步整流器驅動器，其中該第一電路包含： 一放大器，其經組態以基於該同步整流器的該汲極至源極電壓與一關斷臨限值的一比較而產生一關斷觸發信號。
  5. 如請求項4之同步整流器驅動器，其中該第二電路包含： 一關斷觸發遮蔽電路，其產生在該關斷觸發遮蔽時間期間停用該關斷觸發信號的一關斷觸發遮蔽信號。
  6. 如請求項5之同步整流器驅動器，其中該關斷觸發遮蔽電路包含： 一第一電容器，其在該同步整流器在一第一切換週期中的該傳導時間期間被充電； 一第二電容器，其儲存該第一電容器在該第一切換週期中的一峰值電荷；及 一比較器電路，其比較儲存於該第二電容器中的該第一電容器的該峰值電荷與該第一電容器在一第二切換週期中的一取樣電荷，該第二切換週期接續該第一切換週期。
  7. 如請求項6之同步整流器驅動器，其中該比較器電路在該第二切換週期中比較該第一電容器的該取樣電荷與該第一電容器的該峰值電荷的一半。
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