专利名称：同步整流控制装置及正激式同步转换器的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种同步整流装置及正激式同步转换器，尤指一种根据转换 器的二次侧输出电压的上升斜率，以判断连续电流模式与不连续电流模式交界 的同步整流装置及使用前述同歩整流装置的正激式同步转换器。
背景技术：
图1为现有技术的正激式转换器示意图。正激式转换器设有一变压器T1， 其一次侧设有耦接前级电路提供之输入电源VIN、脉宽调制控制器PWM、输 入滤波电容C1、初始电阻R1、初始电容C2、电流检测电阻R2、整流二极管 Dl与由脉宽调制控制器PWM所控制的晶体管开关Ql。变压器Tl的二次侧 设有两个输出整流二极管D2、 D3、储能电感L、 一输出滤波电容C3以及一 由电阻R3、 R4所构成的电压检测器10。
上述正激式转换器中，当电路在启动之初，电源端VIN开始通过初始电 阻R1对初始电容C2充电，当初始电容C2的电位被充到足以初始脉宽调制控 制器PWM时，脉宽调制控制器PWM开始运作。脉宽调制控制器PWM根据 电压检测器10对输出电压VO的检测信号及电流检测电阻R2对输入电流的检 测信号调整所产生的控制信号的占空比，以调整晶体管开关Q1的导通与截止 的时间比例。当输出电压VO低于一预设电压值时，晶体管开关Q1的导通时 间比例提高，高于一预设电压值时，晶体管开关Q1的导通时间比例降低，藉 此以达到输出一稳定的输出电压VO。
当晶体管开关Q1为导通时，输入电源VIN通过变压器T1提供能量，通 过整流二极管Dl向初始电容C2储能，以及通过整流二极管D2向储能电感L 及输出滤波电容C3储能。当晶体管开关Q1为截止时，初始电容C2释放能量 以供脉宽调制控制器PWM持续运作，而储能电感L通过整流二极管D3向输 出滤波电容C3释能。
然而，由于整流二极管D2、 D3在电流流经时均存在正向偏压，造成能量损耗。因此，现有技术也有以晶体管开关取代整流二极管D2、 D3以降低能量
损耗的作法。
请参考图2，为现有技术的正激式同步转换器的示意图。利用晶体管开关 Q2、 Q3取代图1所示的整流二极管D2、 D3。 一同步整流控制器12根据变压 器T1的二次侧电压VD以及死区设定信号S1、 S2，进而控制晶体管开关Q2、 Q3的导通与截止的时间。
图3为现有技术的正激式同步转换器操作在连续电流模式下的信号时序 示意图。请同时参考图2及图3，变压器T1 二次侧两端的输出端电压分别为 VI、 V2，当同步整流控制器12检测到变压器T1二次侧的端电压V1上升时， 产生一第一同步信号SG1控制晶体管开关Q2导通，此时变压器Tl的电流由 二次侧的端电压V1流经储能电感L、输出滤波电容C3、晶体管开关Q2到变 压器T1 二次侧的端电压V2。同步整流控制器12根据死区设定信号S1，让晶 体管开关Q2较一导通时间Ton提前一死区时间DT1截止。当晶体管开关Q2 截止并经过死区时间DT1后，同步整流控制器12产生一第二同步信号SG2 控制晶体管开关Q3导通，此时，储能电感L上的能量通过输出滤波电容C3 及晶体管开关Q3的路径输出。同步整流控制器12根据死区设定信号S2，让 晶体管开关Q3较一截止时间Toff提前一死区时间DT2截止。死区时间DT1、 DT2的设定是为了避免晶体管开关Q2、 Q3的同时导通。在死区时间DT1、 DT2内，变压器T1的二次侧电流可先流经晶体管开关Q2、 Q3的本体二极管 (BodyDiode，未标示)。
然而，图3中，提前一预定时间将晶体管开关Q2、 Q3截止而达到设定死 区时间DT1、 DT2的方式，在断续电流模式下容易造成电流逆流的情况。请 参考图4，为现有技术的正激式同步转换器操作在断续电流模式下的信号时序 示意图。由于操作在断续电流模式，在变压器T1的一次侧的脉宽调制控制器 PWM控制晶体管开关Q1于下一个周期导通前，储能电感L已经释放完所储 存的能量，因此输出滤波电容C3开始反向输出能量至储能电感L，如第四图 所示，电压V2出现小于0伏特之区域A。逆流的情况发生时，不仅会造成输 出电压VO的不稳定，也会损耗不必要的能量。
发明内容
6有鉴于此，本发明的同步整流控制装置适用于一正激式同步转换器中，用 以检测正激式同步转换器的输出电压信号以判断正激式同步转换器的工作状 态。并且，当正激式同步转换器进入断续电流模式(DCM)时，本发明的同步整 流控制装置得以停止同步整流晶体管开关的切换，以避免电流逆流的问题。
本发明的同步整流控制装置，包含有一状态判断电路与一同步整流控制 器。其中，状态判断电路耦接于正激式同步转换器的二次侧，是根据正激式同 步转换器的二次侧电压的上升斜率，以判断出正激式同步转换器的工作状态。 当该正激式同步转换器工作在断续电流模式与连续电流模式的交界状态时或 工作在断续电流模式时，二次侧电压的上升斜率将低于一斜率值，此时该状态 判断电路输出一重置信号。同步整流控制器耦接于正激式同步转换器的二次侧 与状态判断电路，是根据正激式同步转换器的二次侧电压、 一第一死区设定信 号、 一第二死区设定信号，以控制正激式同步转换器的一第一整流开关与一第 二整流开关的切换，同时，同步整流控制器根据重置信号以截止正激式同步转 换器的第二整流开关一预定时间长度，以避免电流逆流的问题发生。
另外，本发明的正激式同步转换器，包括有一转换单元、 一第一开关、一 脉宽调制控制器、 一同步整流开关单元及前述的同步整流控制装置。转换单元 具有一次侧与二次侧，其一次侧耦接一输入电源，转换单元将输入电源的电力 转换成一输出电压于其二次侧输出。第一开关耦接转换单元的一次侧。脉宽调 制控制器根据输出电压的一检测信号，用以控制第一开关的切换。同步整流开 关单元具有一第一整流开关及一第二整流开关，同步整流开关单元耦接于转换 单元的二次侧，用以整流该输出电压。前述的同步整流控制装置耦接于转换单 元的二次侧，根据转换单元的输出电压的上升斜率，以判断正激式同步转换器 的工作状态，当正激式同步转换器工作在断续电流模式与连续电流模式的交界 状态时或工作在断续电流模式时，二次侧电压的上升斜率将低于一斜率值，此 时强制截止第二整流开关一预定时间长度，以避免电流逆流的问题发生。
综上，本发明提供的同步整流装置，适用于一正激式同步转换器中，其中， 同步整流装置根据正激式同步转换器的二次侧输出电压的上升斜率，以判断出 正激式同步转换器工作在断续电流模式与连续电流模式交界或工作在断续电 流模式，进而在此时间点，强制截止第二整流开关一预定时间长度，以避免电 流逆流的问题发生，进而改善电流逆流所造成输出电压不稳定及能量的损耗。
7以上的概述与接下来的详细说明皆为示范性质，是为了进一步说明本发明 的权利要求保护范围。而有关本发明的其它目的与优点，将在后续的说明与图 示加以阐述。
图1为现有技术的正激式转换器的示意图2为现有技术的正激式同步转换器的示意图3为现有技术的正激式同步转换器操作在连续电流模式下的信号时序 示意图4为现有技术的正激式同步转换器操作在断续电流模式下的信号时序 示意图5为本发明的正激式同歩转换器架构示意图 图6为本发明的状态判断电路示意图；及 图7为本发明的状态判断电路工作时序示意图。主要组件符号说明
现有技术 变压器T1 输入电源VIN 脉宽调制控制器PWM 输入滤波电容C1 初始电阻R1 初始电容C2 电流检测电阻R2 整流二极管D1
晶体管开关Ql 整流二极管D2、 D3 储能电感L 输出滤波电容C3 电阻R3、 R4 检测器10晶 体管开关Q2、 Q3 同步整流控制器12 死区设定信号S1、 S2 变压器T1 二次侧的端电压V1、 V2 变压器T1 二次侧电压VD 第一同步信号SG1 第二同步信号SG2 输出电压VO 本发明
正激式转换器2 转换单元Tr 第一开关Q1 脉宽调制控制器20 同步整流控制装置23 同步整流开关单元24 输入电源Vin 输出电压VD 反馈电压信号VFB 电流检测信号VIC 第一整流开关Q2 第二整流开关Q3 状态判断电路230 同步整流控制器232 第一同步信号SG1 第二同步信号SG2 储能电感L 输出滤波电容C3 第一死区设定信号S1 第二死区设定信号S2 导通时间Ton截止时间Toff 死区时间DT1、 DT2 重置信号Sreset 第一电压检测器2302 第二电压检测器2304 延迟电路2306 D缓存器2308 第一参考电压VREF1 第二参考电压VREF2 第一判断信号SV1 第二判断信号SV2 延迟判断信号SV具体实施例方式
参考图5，为本发明的正激式同步转换器架构示意图。正激式转换器2主 要设有一转换单元Tr、 一第一开关Q1、 一脉宽调制控制器20、 一同步整流开 关单元24及一同步整流控制装置23。
其中，转换单元Tr具有一次侧与二次侧，该一次侧耦接一输入电源Vin， 并将输入电源Vin的电力转换成一输出电压VD于转换单元Tr的二次侧输出。 第一开关Ql耦接转换单元Tr的一次侧。脉宽调制控制器20根据正激式同步 转换器的一反馈电压信号VFB与流过第一开关Ql的电流检测信号VIC，以 控制第一开关Q1的切换动作。同步整流开关单元24具有一第一整流开关Q2 与一第二整流开关Q3，且第一整流开关Q2与第二整流开关Q3都为晶体管开 关。其中，第一整流开关Q2串联耦接于转换单元Tr的二次侧，作为正激式 同步转换器2中一电流正向路径。而第二整流开关Q3并联耦接于转换单元Tr 的二次侧，作为正激式同步转换器2中一电感电流释放路径。
同步整流控制装置23包括有一状态判断电路230与一同步整流控制器 232。当同步整流控制器232检测到转换单元Tr的二次侧输出电压VD上升时， 产生一第一同步信号SG1控制第一整流开关Q2导通，此时转换单元Tr的电 流由二次侧的输出电压VD端流经储能电感L、输出滤波电容C3、第一整流开关Q2到转换单元Tr的二次侧另一端。同步整流控制器232并根据第一死 区设定信号Sl，让第一整流开关Q2较一导通时间Ton提前一死区时间DT1 截止。
同时，当第一整流开关Q2截止并经过死区时间DTi后，同歩整流控制器 232系产生一第二同步信号SG2控制第二整流开关Q3导通，此时，储能电感 L上的能量通过输出滤波电容C3及第二整流开关Q3的路径输出。同步整流 控制器232并根据第二死区设定信号S2，让第二整流开关Q3较一截止时间 Toff提前一死区时间DT2截止。死区时间DT1、 DT2的设定是为了避免第一 整流开关Q2与第二整流开关Q3的同时导通。在死区时间DT1、 DT2内，转 换单元Tr的二次侧电流可先流经第一整流开关Q2与第二整流开关Q3的本体 二极管(未标示)。
另外，状态判断电路230耦接于转换单元Tr的二次侧，是根据转换单元 Tr的输出电压VD的上升斜率，以判断正激式同步转换器2的工作状态。当 正激式同步转换器2工作在断续电流模式与连续电流模式的交界状态时及工 作在断续电流模式时，该状态判断电路230输出一重置信号Sreset。同时，同 步整流控制器232耦接于转换单元Tr的二次侧、状态判断电路230及同步整 流开关单元24，接收重置信号Sreset，并根据重置信号Sreset用以截止同步整 流开关单元24中的第二整流开关Q3至少一个周期以上，以达到避免正激式 同步转换器2在断续电流模式与连续电流模式的交界时或在断续电流模式时 发生逆流情况，其中该周期为正激式转换器2的操作周期，例如脉宽调制控 制器20的操作周期。
请参考图6，为本发明的状态判断电路示意图。本发明的状态判断电路230 包括有一第一电压检测器2302、 一第二电压检测器2304、 一延迟电路2306 及一D缓存器2308。其中，第一电压检测器2302比较运算转换单元Tr二次 侧的输出电压VD与一第一参考电压VREF1，并根据比较结果输出一第一判 断信号SV1。同时，第二电压检测器2304比较运算转换单元Tr二次侧的输出 电压VD与一第二参考电压VREF2，并根据比较结果输出一第二判断信号 SV2，其中第二参考电压VREF2的电压值大于第一参考电压VREF1。根据前 述，第一电压检测器2302与第二电压检测器2304组成一模拟/数字转换器。
状态判断电路230可配合实际应用，使用两个或以上电压检测器，以输出
ii多个判断信号而达到更精准判断该正激式同步转换器2的工作状态。
再参考图6，延迟电路2306耦接于第一电压检测器2302，用于延迟运算 第一判断信号SV1，以输出一延迟判断信号SV3。另外，D缓存器2308的数 据输入端(D)耦接第二电压检测器2304以接收第二判断信号SV2，且D缓存 器2308的工作频率输入端(CK)耦接延迟电路2306以接收延迟判断信号SV3。 同时，D缓存器2308根据延迟判断信号SV3将第二判断信号SV2存于D缓 存器2308中，并呈现在D缓存器2308的输出端Q'成为重置信号Sreset。根 据前述，延迟电路2306与D缓存器2308组成一数字处理器。
配合图6，参考图7，图7为本发明的状态判断电路工作时序示意图。第 一电压检测器2302先对转换单元Tr 二次侧的输出电压VD的上升沿(rising edge)进行检测，并且比较运算检测到的输出电压VD与第一参考电压VREF1， 再根据比较结果输出第一判断信号SV1。第二电压检测器2304亦对转换单元 Tr 二次侧的输出电压VD的上升沿(rising edge)进行检测，并且比较运算检测 到的输出电压VD与第二参考电压VREF2，再根据比较结果输出第二判断信 号SV2。另外，延迟判断信号SV3为第一判断信号SV1经过延迟电路2306 延迟一延迟时间Td后所产生。
再配合图6，参考图7，在时间tl-t2时，正激式同步转换器2操作在断续 电流模式(DCM)，此时，转换单元Tr的二次侧的输出电压VD的上升斜率比 较小，如此，第一判断信号SV1、延迟判断信号SV3及第二判断信号SV2依 序先后从低电平(Low)转成高电平(High)，且延迟判断信号SV3的前缘触发 (Leading edge trigger)控制D缓存器2308，用以将低电平(Low)的第二判断 信号SV2存于D缓存器2308中，并在D缓存器2308的输出端Q'呈现高电平 (High),此高电平(High)表征为重置信号Sreset。
再配合图6，参考图7，在时间t2-t3时，正激式同步转换器2操作在断续 电流模式(DCM)与连续电流模式(CCM)的交界状态，此时，转换单元Tr的二 次侧的输出电压VD的上升斜率稍微大，如此，第一判断信号SV1、延迟判断 信号SV3及第二判断信号SV2依序先后从低电平(Low)转成高电平(High)，而 延迟判断信号SV3的前沿触发(Leading edge trigger)控制D缓存器2308，用 以将低电平(Low)的第二判断信号SV2存于D缓存器2308中，并在D缓存器 2308的输出端Q，呈现高电平(High)，此高电平(High)表征为重置信号Sreset。再配合图6，参考图7，在时间t3-t4时，正激式同步转换器2操作在连续 电流模式(CCM)，此时，转换单元Tr的二次侧的输出电压VD的斜率极大， 如此，第一判断信号SV1、第二判断信号SV2几乎同时从低电平(Low)转成高 电平(High)，而延迟判断信号SV3则随后从低电平(Low)转成高电平(High)。因 此，延迟判断信号SV3的前沿触发(Leading edge trigger)会控制D缓存器2308， 以将高电平(High)的第二判断信号SV2存于D缓存器2308中，并在D缓存器 2308的输出端Q'呈现低电平(Low)。
参考图5，同步整流控制器232于接收到重置信号Sreset时，使同步整流 开关单元24中的第二整流开关Q3截止一预定时候长度(至少一个周期以上)， 此段时间第二整流开关Q3不再随第二同步信号SG2进行导通，如此即可避免 电流逆流的问题发生。
综上所述，本发明提供的同步整流装置，适用于一正激式同步转换器中， 其中，同步整流装置根据正激式同步转换器的二次侧输出电压的上升斜率，以 判断出正激式同步转换器工作在断续电流模式与连续电流模式交界或工作在 断续电流模式，进而在此时间点，强制截止正激式同步转换器中的第二整流开 关，以避免电流逆流的问题发生，进而改善电流逆流所造成输出电压不稳定及 能量的损耗。
虽然本发明己以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不 背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作 出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权 利要求的保护范围。
1权利要求
1.一种同步整流控制装置，其特征在于，耦接于一正激式同步转换器，该正激式同步转换器包含一具有一次侧及二次侧的转换单元以及耦接该转换单元的二次侧的一第一整流开关及一第二整流开关，该同步整流控制装置包含一状态判断电路，耦接于该正激式同步转换器的二次侧，根据该转换单元的二次侧电压的上升斜率，判断出该正激式同步转换器的状态，以及输出一重置信号；及一同步整流控制器，耦接于该状态判断电路，该同步整流控制器输出一第一同步信号及一第二同步信号以分别控制该第一整流开关及该第二整流开关；其中，该同步整流控制器接收该重置信号时，使该第二整流开关截止一预定时间长度。
2. 如权利要求1所述的同步整流控制装置，其特征在于，该同步整流控制 器是根据该转换单元的二次侧电压、 一第一死区设定信号、 一第二死区设定信 号，以控制该正激式同步转换器的一第一整流开关与一第二整流开关的切换。
3. 如权利要求1所述的同步整流控制装置，其特征在于，该状态判断电 路包括一模拟/数字转换器，根据该转换单元的二次侧电压，以输出多个判断信 号；及一数字处理器，耦接该模拟/数字转换器，该数字处理器处理该多个判断 信号，以及输出该重置信号。
4. 如权利要求3所述的同步整流控制装置，其特征在于，该模拟/数字转 换器包括一第一电压检测器，比较运算该转换单元的二次侧电压与一第一参考电压，以及输出一第一判断信号；及一第二电压检测器，比较运算该转换单元的二次侧电压与一第二参考电 压，以及输出一第二判断信号，其中该第二参考电压大于该第一参考电压。
5. 如权利要求4所述的同步整流控制装置，其特征在于，该数字处理器 包括一延迟电路，耦接于该第一电压检测器，用于延迟该第一判断信号，以及输出一延迟判断信号；及一D缓存器，具有一数据输入端、 一工作频率输入端及一输出端，其中， 该数据输入端耦接该第二电压检测器以接收该第二判断信号，该工作频率输入 端耦接该延迟电路以接收该延迟判断信号，该D缓存器根据该第二判断信号 与该延迟判断信号，由该输出端输出该重置信号。
6. 如权利要求1所述的同步整流控制装置，其特征在于，该预定时间长 度长于该正激式同步转换器的一操作周期。
7. —种正激式同步转换器，其特征在于，包括一转换单元，具有一次侧与二次侧，其中，该一次侧耦接一输入电源，并 将该输入电源的电力转换成一输出电压于该二次侧输出； 一第一开关，耦接该转换单元的一次侧；一脉宽调制控制器，根据该输出电压的一检测信号控制该第一开关的切换；一同步整流开关单元，具有一第一整流开关及一第二整流开关，该同步整 流开关单元耦接于该转换单元的二次侧，用以整流该输出电压；一状态判断电路，耦接于该转换单元的二次侧，用于根据该转换单元的输 出电压的上升斜率，以判断出该正激式同步转换器的状态，以及输出一重置信 号；及一同步整流控制器，耦接于该状态判断电路与该同步整流开关单元，用于 根据该重置信号使该第二整流开关截止一预定时间长度。
8. 如权利要求7所述的正激式同步转换器，其特征在于，该同步整流控制器进一步耦接于该转换单元的二次侧，根据该转换单元的二次侧电压、 一第一 死区设定信号、 一第二死区设定信号，以控制该第一整流开关与该第二整流开 关的切换。
9. 如权利要求7所述的正激式同歩转换器，其特征在于，该状态判断电 路包括一模拟/数字转换器，根据该转换单元的输出电压，以输出多个判断信号;及一数字处理器，耦接该模拟/数字转换器，该数字处理器处理该多个判断 信号，以及输出该重置信号。
10. 如权利要求9所述的正激式同步转换器，其特征在于，该模拟/数字转 换器包括一第一电压检测器，比较运算该转换单元的输出电压与一第一参考电压， 以及输出一第一判断信号；及一第二电压检测器，比较运算该转换单元的输出电压与一第二参考电压， 以及输出一第二判断信号，其中该第二参考电压大于该第一参考电压。
11. 如权利要求10所述的正激式同步转换器，其特征在于，该数字处理器包括一延迟电路，耦接于该第一电压检测器，用于延迟该第一判断信号，以及 输出一延迟判断信号；及一D缓存器，具有一数据输入端、 一工作频率输入端及一输出端，其中，该数据输入端耦接该第二电压检测器以接收该第二判断信号，该工作频率输入端耦接该延迟电路以接收该延迟判断信号，该D缓存器根据该第二判断信号 与该延迟判断信号，由该输出端输出该重置信号。
12. 如权利要求7所述的正激式同步转换器，其特征在于，该预定时间长 度长于该正激式同步转换器的一操作周期。
全文摘要
本发明公开了一种同步整流控制装置及正激式同步转换器，该同步整流控制装置适用于该正激式同步转换器，该正激式同步转换器包含一具有一次侧及二次侧的转换单元以及耦接于该转换单元的二次侧的一第一整流开关及一第二整流开关。该同步整流控制装置包含一状态判断电路与一同步整流控制器。状态判断电路耦接于该转换单元的二次侧，用于根据二次侧电压的上升斜率，判断出正激式同步转换器工作在断续电流模式与连续电流模式的交界状态或是工作在断续电流模式，以及输出一重置信号。同步整流控制器耦接于正激式同步转换器的二次侧与状态判断电路，用于根据重置信号进而截止该第二整流开关一预定时间长度，以达到逆向电流的保护。
文档编号H02M3/335GK101588137SQ20081009834
公开日2009年11月25日 申请日期2008年5月23日 优先权日2008年5月23日
发明者林春敏 申请人:尼克森微电子股份有限公司