电源转换装置及其同步整流控制器的制作方法

1.本发明涉及一种电源装置，尤其涉及一种电源转换装置及其同步整流控制器。


背景技术：

2.电源转换装置为现代电子装置中不可或缺的组件。在以脉宽调变(pulse width modulation，pwm)控制为基础的电源转换装置中，电源转换装置的二次侧通常具有整流二极管。由于整流二极管于导通状态下的功率消耗较大，因此可采用导通电阻较低的同步整流晶体管来取代整流二极管。在这样的架构下，尚需要一同步整流控制器来控制二次侧的同步整流晶体管的启闭。
3.在电源转换装置的二次侧电感电流放电至0时，同步整流晶体管的漏极电压会相应地开始出现振荡的情形。在先前技术中，可通过检测漏极电压下降时的斜率大小来判断是否导通同步整流晶体管，以避免在电感电容振荡期间导通同步整流晶体管，而使得电源转换装置的输出端的电流回灌，进而造成电源转换装置损坏，降低电源转换装置的使用安全性。然而，随着而现今电源系统的操作频率提高，同步整流晶体管的漏极电压在电感电流放电期间与电感电容振荡期间的下降斜率越来越相近，此判断方式已无法准确地判断同步整流晶体管的导通时机。


技术实现要素：

4.本发明提供一种电源转换装置及其同步整流控制器，可有效提高控制同步整流晶体管导通状态切换的精准度。
5.本发明的同步整流控制器，用以控制同步整流晶体管的导通状态，同步整流控制器包括导通控制电路以及关断控制电路。导通控制电路耦接同步整流晶体管的漏极端，对同步整流晶体管的漏极电压信号执行微分操作以及积分操作至少其中之一，依据执行微分操作获得的微分信号以及执行积分操作获得的积分信号至少其中之一，决定下一次漏极电压信号小于等于导通阀值电压时是否导通同步整流晶体管。关断控制电路耦接同步整流晶体管的漏极端，比较漏极电压信号与关断阀值电压，当漏极电压信号大于关断阀值电压时，关断控制电路关断同步整流晶体管。
6.在本发明的一实施例中，若漏极电压信号大于等于预设电压，且于漏极电压信号大于等于预设电压的期间微分信号的信号值等于0的时间达一预设时间，导通控制电路于下一次漏极电压信号小于等于导通阀值电压时导通同步整流晶体管，若导通控制电路于漏极电压信号未大于等于预设电压，或于漏极电压信号大于等于预设电压的期间微分信号的信号值等于0的时间未达预设时间，导通控制电路于下一次漏极电压信号小于等于导通阀值电压时不导通同步整流晶体管。
7.在本发明的一实施例中，若微分信号的信号值大于等于预设微分值，且微分信号的信号值由大于等于预设微分值降低至0且维持在0的时间达预设时间，导通控制电路于下一次漏极电压信号小于等于导通阀值电压时导通同步整流晶体管，若微分信号的信号值未
大于等于预设微分值，或微分信号的信号值由大于等于预设微分值降低至0而未维持在0的时间达预设时间，导通控制电路于下一次漏极电压信号小于等于导通阀值电压时不导通同步整流晶体管。
8.在本发明的一实施例中，若漏极电压信号大于等于预设电压，且于漏极电压信号大于等于预设电压的期间积分信号的信号值大于等于预设积分值，导通控制电路于下一次漏极电压信号小于等于导通阀值电压时导通同步整流晶体管，若漏极电压信号未大于等于预设电压，或于漏极电压信号大于等于预设电压的期间积分信号的信号值未大于等于预设积分值，导通控制电路于下一次漏极电压信号小于等于导通阀值电压时不导通同步整流晶体管。
9.在本发明的一实施例中，于漏极电压信号大于等于预设电压的期间，若微分信号的信号值大于等于预设微分值，且积分信号的信号值大于等于预设积分值，导通控制电路于下一次漏极电压信号小于等于导通阀值电压时导通同步整流晶体管，若微分信号的信号值未大于等于预设微分值，或于漏极电压信号大于等于预设电压的期间积分信号的信号值未大于等于预设积分值，导通控制电路于下一次漏极电压信号小于等于导通阀值电压时不导通同步整流晶体管。
10.在本发明的一实施例中，上述的预设积分值等于在漏极电压信号大于等于预设电压的期间，漏极电压信号于预设时间内的积分值。
11.在本发明的一实施例中，上述的同步整流控制器还包括逻辑电路，其耦接导通控制电路、关断控制电路与同步整流晶体管的栅极端，受控于导通控制电路与关断控制电路产生同步整流控制信号至同步整流晶体管的栅极端。
12.在本发明的一实施例中，上述的逻辑电路包括sr正反器，其设置端与重置端分别耦接导通控制电路与关断控制电路，sr正反器的输出端耦接同步整流晶体管的栅极端。
13.在本发明的一实施例中，上述的关断阀值电压大于导通阀值电压。
14.本发明还提供一种电源转换装置，包括变压器、同步整流晶体管以及同步整流控制器。变压器具有一次侧与二次侧，其中一次侧的第一端用以接收输入电压，而二次侧的第一端则用以提供输出电压给负载。同步整流晶体管的漏极端耦接二次侧的第二端，同步整流晶体管的源极端耦接接地端。同步整流控制器耦接于同步整流晶体管的漏极端与栅极端之间，用以控制同步整流晶体管的导通状态。同步整流控制器包括导通控制电路以及关断控制电路。导通控制电路耦接同步整流晶体管的漏极端，对同步整流晶体管的漏极电压信号执行微分操作以及积分操作至少其中之一，依据执行微分操作获得的微分信号以及执行积分操作获得的积分信号至少其中之一，决定下一次漏极电压信号小于等于导通阀值电压时是否导通同步整流晶体管。关断控制电路耦接同步整流晶体管的漏极端，比较漏极电压信号与关断阀值电压，当漏极电压信号大于关断阀值电压时，关断控制电路关断同步整流晶体管。
15.基于上述，本发明实施例的导通控制电路可对同步整流晶体管的漏极电压信号执行微分操作以及积分操作至少其中之一，并依据执行微分操作获得的微分信号以及执行积分操作获得的积分信号至少其中之一，决定下一次漏极电压信号小于等于导通阀值电压时是否导通同步整流晶体管，如此通过微分信号以及积分信号来判断同步整流晶体管的漏极电压信号的变化情形，可精确地区分电感电流放电期间与电感电容振荡期间，进而有效地
提高控制同步整流晶体管导通状态切换的精准度。
16.为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
17.图1是依照本发明一实施例所示出的电源转换装置的电路方块示意图；
18.图2是依照本发明一实施例所示出的同步整流控制器的电路示意图；
19.图3是依照本发明另一实施例所示出的同步整流控制器的电路示意图；
20.图4是依照本发明一实施例所示出的同步整流控制器的信号时序示意图；
21.图5是依照本发明另一实施例所示出的同步整流控制器的信号时序示意图；
22.图6是依照本发明另一实施例所示出的同步整流控制器的电路示意图；
23.图7是依照本发明另一实施例所示出的同步整流控制器的信号时序示意图；
24.图8是依照本发明另一实施例所示出的同步整流控制器的电路示意图；
25.图9是依照本发明另一实施例所示出的同步整流控制器的信号时序示意图。
具体实施方式
26.为了使本发明的内容可以被更容易明了，以下特举实施例做为本发明确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的组件/构件，代表相同或类似部件。
27.图1是依照本发明一实施例所示出的电源转换装置的电路方块示意图。在本实施例中，电源转换装置10为返驰式架构(flyback)，然不以此为限，在其它实施例中，电源转换装置的架构也可以例如为推挽式(push-pull)、顺向式(forward)、半桥式(half-bridge)、全桥式(full-bridge)或是其他类型的架构，电源转换装置为其他架构时的作动可依本实施例的作动类推。
28.电源转换装置10包括变压器t、同步整流晶体管msr、同步整流控制器102、功率开关mp以及脉宽调变信号产生器110，但不限于此。变压器t包括一次侧np与二次侧ns。其中，一次侧np的第一端(例如同名端(common-polarity terminal)，即打点处)用以接收输入电压vin，而二次侧ns的第一端(例如异名端(opposite-polarity terminal)，即未打点处)则用以提供输出电压vout给负载rl(例如电子装置)并对电容co进行充电，但不限于此。
29.功率开关mp的第一端耦接一次侧np的第二端(例如异名端)，功率开关mp的第二端耦接第二接地端gnd2，而功率开关mp的控制端耦接脉宽调变信号产生器110以接收脉宽调变信号spwm。脉宽调变信号产生器110可根据负载rl的状态(或是电源供应需求)而产生并调整脉宽调变信号spwm。
30.同步整流晶体管msr的漏极端耦接二次侧ns的第二端(例如同名端)，同步整流晶体管msr的源极端与本体端耦接第一接地端gnd1，其中，同步整流晶体管msr的漏极端与本体端之间具有寄生二极管dr。在本发明的一实施例中，同步整流晶体管msr可为n型金氧半场效晶体管，但本发明并不以此为限，端视实际应用或设计需求而定。同步整流控制器102耦接同步整流晶体管msr的漏极端以接收漏极电压信号vd。同步整流控制器102可根据漏极电压信号vd的电压电平对应地产生同步整流控制信号vg至同步整流晶体管msr的栅极端，
以控制同步整流晶体管msr的导通状态。
31.同步整流控制器102包括导通控制电路104以及关断控制电路106，导通控制电路104以及关断控制电路106耦接同步整流晶体管msr的漏极端。
32.导通控制电路104可对漏极电压信号vd执行微分操作以及积分操作至少其中之一，并依据执行微分操作获得的微分信号以及执行积分操作获得的积分信号至少其中之一决定下一次漏极电压信号vd小于等于导通阀值电压vonth时是否导通同步整流晶体管msr。此外，关断控制电路106可比较漏极电压信号vd与关断阀值电压voffth，当漏极电压信号vd大于关断阀值电压voffth时，关断控制电路106可关断同步整流晶体管msr，其中关断阀值电压voffth大于导通阀值电压vonth。
33.如此通过漏极电压信号vd的微分信号以及积分信号至少其中之一来判断同步整流晶体管msr的漏极电压信号vd的变化情形，可精确地区分电源转换装置10的二次侧处于电感电流放电期间或电感电容振荡期间，进而有效地提高控制同步整流晶体管导通状态切换的精准度。
34.在部分实施例中，同步整流控制器102还可包括逻辑电路，逻辑电路耦接导通控制电路104、关断控制电路106与同步整流晶体管msr的栅极端，受控于导通控制电路104与关断控制电路106产生同步整流控制信号至同步整流晶体管的栅极端。例如图2所示，在本实施例中，逻辑电路为以sr正反器202来实施，然不以此为限。sr正反器202的设置端s与重置端r分别耦接导通控制电路104与关断控制电路106，sr正反器202的输出端q则耦接同步整流晶体管msr的栅极端。sr正反器202可依据导通控制电路104输出的导通控制信号与关断控制电路106输出的关断控制信号输出同步整流控制信号vg，以控制同步整流晶体管msr的导通状态。
35.举例来说，图3是依照本发明另一实施例所示出的同步整流控制器的电路示意图，图4是同步整流控制器的信号时序示意图，请参照图3与图4。导通控制电路104可对漏极电压信号vd执行微分操作，进一步来说，导通控制电路104可包括微分电路302、比较电路304以及与门306，微分电路302耦接于同步整流晶体管msr的漏极端及与门306的一输入端之间，比较电路304耦接于同步整流晶体管msr的漏极端及与门306的另一输入端之间，与门306的输出端耦接sr正反器202的设置端s。
36.微分电路302可对漏极电压信号vd执行微分操作以得到微分信号vd1。如图4所示，当功率开关mp被导通时，输入电压vin提供电力至变压器t的一次侧np的线圈以进行储能，此时漏极电压vd被急遽地拉高至k
×
vin，因此微分信号vd1出现正突波，其中k为电压器t的二次侧ns与一次侧np的线圈比，此时同步整流晶体管msr的寄生二极管dr为逆向偏压而为关断状态。此外，当功率开关mp反应于脉宽调变信号产生器110所产生的脉宽调变信号spwm而截止时，基于冷次定律(lenz's law)，变压器t的一次侧np所储存的能量将转移至变压器t的二次侧ns。于此同时，同步整流晶体管msr的寄生二极管dr处于顺向偏压而导通。由于同步整流晶体管msr的本体端耦接第一接地端gnd1，因此同步整流晶体管msr的漏极端的电压电平(即漏极电压vd)将由k
×
vin急遽下降至负电压值，因此微分信号vd1出现负突波。
37.微分电路302可判断漏极电压信号vd是否大于等于预设电压vth(亦即上述正突波的电压是否大于等于预设电压vth)，以及在漏极电压信号vd大于等于预设电压vth的期间微分信号vd1的信号值等于0的时间是否达到预设时间tth(亦即在出现上述正突波的时间
起至出现上述负突波的时间为止的期间内，上述正突波的电压值在回到0后是否维持在0达一段预设时间tth)。当漏极电压信号vd大于等于预设电压vth且在漏极电压信号vd大于等于预设电压vth的期间微分信号vd1的信号值等于0的时间达到预设时间tth时，微分电路302输出具有高电压电平的第一控制信号至与门306。而若漏极电压信号vd未大于等于预设电压vth，或在漏极电压信号vd大于等于预设电压vth的期间微分信号vd1的信号值等于0的时间未达到预设时间tth，微分电路302输出具有低电压电平的第一控制信号至与门306。
38.此外，比较电路304可比较漏极电压信号vd与导通阀值电压vonth，当漏极电压信号vd小于等于导通阀值电压vonth时，比较电路304输出具有高电压电平的第二控制信号至与门306。而若漏极电压信号vd未小于等于导通阀值电压vonth，比较电路304输出具有低电压电平的第二控制信号至与门306。与门306可依据第一控制信号与第二控制信号产生导通控制信号至sr正反器202的设置端s。
39.另外，关断控制电路106可比较漏极电压信号vd与关断阀值电压voffth，当漏极电压信号vd大于关断阀值电压voffth时，关断控制电路106可输出具有高电压电平的关断控制信号至sr正反器202的重置端r。而若漏极电压信号vd未大于关断阀值电压voffth，关断控制电路106输出具有低电压电平的关断控制信号至sr正反器202的重置端r。
40.如此，若微分电路302判断出漏极电压信号vd大于等于预设电压vth，且于漏极电压信号vd大于等于预设电压vth的期间微分信号vd1的信号值等于0的时间达预设时间，导通控制电路104可于下一次漏极电压信号vd小于等于导通阀值电压vonth时导通同步整流晶体管msr(使同步整流控制信号vg转为高电压电平)。而若微分电路302判断出漏极电压信号vd未大于等于预设电压vth，或于漏极电压信号vd大于等于预设电压vth的期间微分信号vd1的信号值等于0的时间未达预设时间tth，导通控制电路104于下一次漏极电压信号vd小于等于导通阀值电压vonth时将不导通同步整流晶体管msr，以避免在同步整流晶体管msr的漏极电压信号vd的振荡期间导通同步整流晶体管msr，而使得电源转换装置10的输出端的电流回灌，进而造成电源转换装置10损坏。
41.值得注意的是，在部分实施例中，微分电路302也可依据微分信号vd1的信号值是否大于等于预设微分值来判断是否导通同步整流晶体管msr。例如图5所示，在图5实施例中，若微分电路302判断出微分信号vd1的信号值大于等于预设微分值vrth，且微分信号vd1的信号值由大于等于预设微分值vrth降低至0且维持在0的时间达到预设时间tth，导通控制电路104可于下一次漏极电压信号vd小于等于导通阀值电压vonth时导通同步整流晶体管msr。而若微分电路302判断出微分信号vd1的信号值未大于等于预设微分值vrth，或微分信号vd1的信号值由大于等于预设微分值vrth降低至0而维持在0的时间未达到预设时间tth，导通控制电路104于下一次漏极电压信号vd小于等于导通阀值电压vonth时将不导通同步整流晶体管msr。
42.图6是依照本发明另一实施例所示出的同步整流控制器的电路示意图，图7是图6实施例的同步整流控制器的信号时序示意图，请参照图6与图7。图6实施例与图3实施例的不同之处在于，图3的微分电路在本实施例中以积分电路602取代。积分电路602可对漏极电压信号vd执行积分操作以得到积分信号vd2，并判断漏极电压信号vd是否大于等于预设电压vth，以及漏极电压信号vd大于等于预设电压vth的期间积分信号vd2的信号值是否大于等于预设积分值ath。其中预设积分值ath可例如为在漏极电压信号vd大于等于预设电压的
期间，漏极电压信号于预设时间t1内的积分值。
43.当漏极电压信号vd大于等于预设电压vth且漏极电压信号vd大于等于预设电压vth的期间积分信号vd2的信号值大于等于预设积分值ath时，积分电路602输出具有高电压电平的第一控制信号至与门306。而若漏极电压信号vd未大于等于预设电压vth，或漏极电压信号vd大于等于预设电压vth的期间积分信号vd2的信号值未大于等于预设积分值ath，积分电路602输出具有低电压电平的第一控制信号至与门306。比较电路304与关断控制电路106的实施细节与图3实施例相同，因此在此不再赘述。
44.如此，若漏极电压信号vd大于等于预设电压vth，且于漏极电压信号vd大于等于预设电压vth的期间积分信号vd2的信号值大于等于预设积分值ath，导通控制电路104可于下一次漏极电压信号vd小于等于导通阀值电压vonth时导通同步整流晶体管msr。而若漏极电压信号vd未大于等于预设电压vth，或于漏极电压信号vd大于等于预设电压vth的期间积分信号vd2的信号值未大于等于预设积分值ath，导通控制电路104于下一次漏极电压信号vd小于等于导通阀值电压vonth时不导通同步整流晶体管msr，以避免在同步整流晶体管msr的漏极电压信号vd的振荡期间导通同步整流晶体管msr。
45.图8是依照本发明另一实施例所示出的同步整流控制器的电路示意图，图9是图8实施例的同步整流控制器的信号时序示意图，请参照图8与图9。图8实施例与图3实施例的不同之处在于，图3的微分电路在本实施例中以微分积分电路802取代。微分积分电路802可对漏极电压信号vd执行微分操作与积分操作以得到微分信号vd1与积分信号vd2，并于漏极电压信号vd大于等于预设电压vth的期间，判断微分信号vd1的信号值是否大于等于预设微分值vrth，以及积分信号vd2的信号值是否大于等于预设积分值ath。
46.当在漏极电压信号vd大于等于预设电压vth的期间微分信号vd1的信号值大于等于预设微分值vrth，且积分信号vd2的信号值大于等于预设积分值ath时，微分积分电路802输出具有高电压电平的第一控制信号至与门306。而若在漏极电压信号vd大于等于预设电压vth的期间微分信号vd1的信号值未大于等于预设微分值vrth，或积分信号vd2的信号值未大于等于预设积分值ath，微分积分电路802输出具有低电压电平的第一控制信号至与门306。比较电路304与关断控制电路106的实施细节与图3实施例相同，因此在此不再赘述。
47.如此，若在漏极电压信号vd大于等于预设电压vth的期间微分信号vd1的信号值大于等于预设微分值vrth，且积分信号vd2的信号值大于等于预设积分值ath，导通控制电路104可于下一次漏极电压信号vd小于等于导通阀值电压vonth时导通同步整流晶体管msr。而若在漏极电压信号vd大于等于预设电压vth的期间微分信号vd1的信号值未大于等于预设微分值vrth，或积分信号vd2的信号值未大于等于预设积分值ath，导通控制电路104于下一次漏极电压信号vd小于等于导通阀值电压vonth时不导通同步整流晶体管msr，以避免在同步整流晶体管msr的漏极电压信号vd的振荡期间导通同步整流晶体管msr。
48.综上所述，本发明实施例的的导通控制电路可对同步整流晶体管的漏极电压信号执行微分操作以及积分操作至少其中之一，并依据执行微分操作获得的微分信号以及执行积分操作获得的积分信号至少其中之一，决定下一次漏极电压信号小于等于导通阀值电压时是否导通同步整流晶体管，如此通过微分信号以及积分信号来判断同步整流晶体管的漏极电压信号的变化情形，可精确地区分电感电流放电期间与电感电容振荡期间，有效地提高控制同步整流晶体管导通状态切换的精准度，进而避免在电感电容振荡期间导通同步整
流晶体管，而使得电源转换装置的输出端的电流回灌，造成电源转换装置损坏。
49.虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。