同步整流控制器与相关的控制方法与流程

同步整流控制器与相关的控制方法
1.本技术是为分案申请，原申请的申请日为：2020年4月28日；
2.申请号为：202010348396.4；发明名称为：同步整流控制器与相关的控制方法。
技术领域
3.本发明关于一种次级侧的同步整流控制器；特别关于用于返驰式开关电源供应器的次级侧的同步整流控制器以及相关的控制方法。


背景技术：

4.电源供应器除了要求有精准的输出电压或是输出电流之外，能量转换效率(power conversion efficiency)往往也是业界非常在乎的规格之一。
5.传统的返驰式开关电源供应器以变压器分隔初级侧与次级侧。透过一功率开关的开关，初级侧的主绕组上跨压产生了变化。由于电感耦合，次级绕组的跨压产生了交流部分，其经过整流后，可以供应位于次级侧的负载。
6.在次级侧的整流，最简单的方式是采用一整流二极管。只是整流二极管开启所需要的顺向电压(forward voltage)，却使得整流二极管成为一个固定地耗损能量的元件。为了降低或消除整流二极管的能量耗损，增加能量转换效率，业界已经发展了以一个整流开关取代整流二极管。这样的技术称为次级侧同步整流。只是，整流开关应该如何控制，这不只是关乎能量转换效率，也关乎产品安全。如果整流开关在不应该开启的时候而开启，损害的不只是效率，更可能有电源供应器爆炸的危险。


技术实现要素：

7.本发明的实施例公开一种同步整流控制器，用以控制一整流开关。该同步整流控制器包含有一全开控制器、一稳压器以及一关闭控制器。该全开控制器可被该整流开关的一通道电压所触发，依据一预设条件，用以将该整流开关完全开启一全开时间，该全开控制器并依据该预设条件调整该全开时间的长度，该预设条件关联于一参考电压,当该通道电压高于该参考电压时，该全开控制器结束该全开时间。该稳压器于该全开时间内被禁能，于该全开时间后被致能，用以使该整流开关开启，且维持该通道电压于一预设电压范围内。当该通道电压大于一预设关闭电压时，该关闭控制器关闭该整流开关。该全开控制器依据该稳压器被致能时的一表现记录而调整该预设条件。该稳压器于该全开时间后被致能一稳压时间，该预设电压范围是介于两个边界电压之间，该两个边界电压均小于该预设关闭电压，该两个边界电压均小于该参考电压，该全开控制器纪录于该稳压时间内，该通道电压触及该两个边界电压其中之一的一交叉次数，并依据该交叉次数而调整该预设条件。
8.本发明的实施例还公开一种控制方法，适用于一同步整流控制器，用以控制一整流开关。该控制方法包含有：将该整流开关完全开启一全开时间，其中该全开时间依据该整流开关的一通道电压高于一参考电压的一预设条件而决定，当该通道电压高于该参考电压时，结束该全开时间；于该全开时间之后的一稳压时间，维持一通道电压于一预设电压范围
内，并具以产生一表现记录，该预设电压范围是介于两个边界电压之间，该两个边界电压均小于该预设关闭电压，该两个边界电压均小于该参考电压；当该通道电压符合一关闭条件时，维持该整流开关关闭，且该关闭条件为当该通道电压大于一预设关闭电压；于维持该通道电压于该预设电压范围内时，记录该通道电压触及该两个边界电压其中之一的一交叉次数；以及，依据该表现记录，调整该预设条件，以使该表现记录趋近一预设目标。
9.以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
10.图1显示依据本发明所实施的一返驰式开关电源供应器。
11.图2显示图1中的同步整流控制器。
12.图3举例显示三个开关周期中，控制信号s
np
、流经整流开关ns的通道电流id、通道电压vd、以及栅极信号vg的信号波型。
13.图4显示使用于同步整流控制器10的控制方法200。
14.图5显示使用于全开控制器104的控制方法300。
15.其中，附图标记
16.10：同步整流控制器
17.14：电源控制器
18.16：负载
19.20：返驰式开关电源供应器
20.26：输入地
21.28：输出地
22.102：状态检测器
23.104：全开控制器
24.106：稳压器
25.108：比较器
26.110：关闭控制器
27.112、114：开关
28.116、118：电流源
29.120、122：开关
30.200、300：控制方法
31.in：输入电源线
32.lp：主绕组
33.ls：次级绕组
34.nc：交叉次数
35.np：功率开关
36.ns：整流开关
37.nset：预设次数
38.out：输出电源线
39.s10、s12、s14、s16、s18、s20、s22、s24、s26、s28：步骤
40.sf：脉冲
41.s
np
：控制信号
42.t0、t1、t2、t3、t4、t5、ta、tb、tc：时间点
43.tf：变压器
44.tfo：全开时间
45.tr：稳压时间
46.va、vb：边界电压
47.vc：预设电压
[0048]vd
：通道电压
[0049]vg
：栅极信号
[0050]
vmax：最高电压
[0051]vout
：输出电压
[0052]
vth
ns
：临界电压
具体实施方式
[0053]
在本说明书中，有一些相同的符号，其表示具有相同或是类似的结构、功能、原理的元件，且为业界具有一般知识能力者可以依据本说明书的教导而推知。为说明书的简洁度考量，相同的符号的元件将不再重述。
[0054]
在本发明的一实施例中，次级侧的整流开关的开启，分成两个时间：全开时间以及稳压时间。在全开时间内，整流开关完全地开启。稳压时间紧接于全开时间后。在稳压时间内，整流开关部分地开启，用来维持该整流开关的一通道电压于一预设电压范围内。全开时间可以依据稳压时间内的一表现记录而适应性的调整，使得表现记录，随着开关周期的进展，可以逼近一个预设目标。
[0055]
该全开时间在该稳压时间之前，可以降低该整流开关在整流时的能量损耗，增加转换效率。
[0056]
该稳压时间可以预先将该整流开关的一栅极信号预先拉低，可以在之后判别一定要关闭该整流开关时，即时且迅速地关闭该整流开关。该稳压时间提供一个较高的开启电阻，可以预防该整流开关过晚关闭时，所可能发生的过高逆电流的风险。
[0057]
依据稳压时间内的该表现记录而适应性的调整该全开时间，可以尽可能的延长该全开时间，享受较高的转换效率。
[0058]
图1显示依据本发明所实施的一返驰式开关电源供应器20。在初级侧，返驰式开关电源供应器20具有输入电源线in、输入地26、电源控制器14、主绕组lp、以及功率开关np，彼此的电性连接关系如同图1所示。在次级侧，返驰式开关电源供应器20具有输出电源线out、输出地28、同步整流控制器10、次级绕组ls、以及整流开关ns，彼此的电性连接关系如同图1所示。变压器tf具有，但不限于，主绕组lp以及次级绕组ls，分别位于初级侧与次级侧，彼此电感性相耦合。
[0059]
电源控制器14以控制信号s
np
控制功率开关np，使得主绕组lp上的跨压与流经主绕组lp的电流产生变化。由于电感耦合，次级绕组ls产生了交流电压或是电流。整流开关ns提供整流的功能，希望产生适当的输出电压v
out
，来对负载16供电。整流开关ns可以提供导电
通道，电性连接输出地28到次级绕组ls。举例来说，整流开关ns是一个nmos电晶体，其源极端连接到输出地28，其漏极端连接到次级绕组ls，其栅极端受控于同步整流控制器10。整流开关ns与次级绕组ls之间的连接点上有通道电压vd，可以表示整流开关ns的导电通道上的跨压。依据通道电压vd，同步整流控制器10产生栅极信号vg，用以控制整流开关ns。简单的说，同步整流控制器10依据通道电压vd，来判断当下整流开关ns是否应该开启，且决定开启的状态如何。
[0060]
图2显示图1中的同步整流控制器10，包含有状态检测器102、全开控制器104、稳压器106、关闭控制器110、以及开关112与114。
[0061]
依据通道电压vd，状态检测器102来判断功率开关np是否刚刚关闭，据以来触发全开控制器104。举例来说，状态检测器102检测通道电压vd的下降缘斜率。当通道电压vd的下降缘斜率大于一定程度时，且通道电压vd为负值时，状态检测器102就认定初级侧的功率开关np刚刚关闭，因而触发全开控制器104。
[0062]
全开控制器104被触发后，会产生脉冲sf，用以开启开关112。开启的开关112会将栅极信号vg的电压值拉到一个固定的最高电压vmax，也就是将整流开关ns完全开启。脉冲sf的脉冲宽度为全开时间tfo。因此，全开控制器104在全开时间tfo内，将整流开关ns保持完全开启。
[0063]
稳压器106包含有比较器108、数个逻辑门、电流源116与118、以及开关120与122，彼此的连接关系如同图2所示。稳压器106在全开时间tfo内被禁能，稳压器106并没有驱动栅极信号vg，因为脉冲sf同时使得稳压器106内的开关120与122为关闭。在全开时间tfo之后，稳压器106被致能，不但是维持整流开关ns部分开启，而且也维持通道电压vd大约为一预设负电压v
ref
，或是使得通道电压vd大约维持在边界电压va与vb之间。在一实施例中，预设负电压v
ref
、边界电压va与vb分别可以为，但不限制为-0.3v、-0.25与-0.35v。当通道电压vd高过边界电压va时，比较器108输出”0”，开关120开路而开关122短路，电流源118拉低栅极信号vg，使得通道电压vd趋于下降。当通道电压vd低于边界电压vb时，比较器108输出”1”，开关122开路而开关120短路，电流源116拉高栅极信号vg，使得通道电压vd趋于上升。
[0064]
关闭控制器110以一比较器为例，检测通道电压vd是否符合一关闭条件。在图2中，这个关闭条件为通道电压vd大于预设电压vc。在一实施例中，预设电压vc举例为，但不限制为0v。如果通道电压vd大于预设电压vc，关闭控制器110开启开关114，使栅极信号vg为0v，强迫且维持整流开关ns完全关闭。
[0065]
图3举例显示三个开关周期中，控制信号s
np
、流经整流开关ns的通道电流id、通道电压vd、以及栅极信号vg的信号波型。
[0066]
在图3中，第1开关周期内的时间点t0时，功率开关np刚刚关闭，因此通道电流id感应地出现，开始随着放电而线性减少。此时，整流开关ns为关闭。通道电流id瞬间流经寄生于整流开关ns中的二极管。在时间点t0，通道电压vd会由一个正值，迅速地掉到-0.7v或是更低的电压，如同图3所示。
[0067]
在时间点t0时，状态检测器102发现下降缘斜率已经足够大，认定功率开关np刚刚关闭，因此触发全开控制器104。所以，经过一段信号延迟，全开控制器104在时间点t1开始完全开启整流开关ns。全开控制器104在时间点t2，结束了全开时间tfo。在全开时间tfo内，栅极信号vg的电压电平为同步整流控制器10可以提供的最高电压vmax，来将整流开关ns完
全开启。
[0068]
时间点t2后，全开控制器104停止控制整流开关ns，换稳压器106接手，使得通道电压vd大约维持在边界电压va到vb之间。因此，从时间点t2开始，通道电压vd开始变化于边界电压va到vb之间，而栅极信号vg也上下地变化，直到时间点t3。稳压器106接手的这一段时间，在第1开关周期中为时间点t2到时间点t3，称为稳压时间tr。请注意，如同图3所示，在稳压时间tr内，栅极信号vg的电压值依然高于整流开关ns的临界电压vth
ns
，所以整流开关ns维持开启，但不是完全地开启，因为栅极信号vg的电压值低于全开时间tfo内的最高电压vmax。
[0069]
在时间点t3，控制信号s
np
开始开启了功率开关np，来结束第1开关周期，开始第2开关周期。此时，通道电流id因为电感感应，快速地往负值变化，也造成了通道电压vd快速地变成正值。图2中的关闭控制器110发现了通道电压v
d-变为正值，因此开始完全关闭整流开关ns。
[0070]
请参阅图2。图2中的全开控制器104依据稳压器106被致能时的表现记录而调整其中的一预设条件，据以调整下一个开关周期内，全开时间tfo的长度。如此，使得表现记录朝一预设目标趋近。在图2的实施例中，这个表现记录是通道电压vd触及边界电压vb的交叉次数nc，预设目标是预设次数nset。全开控制器104接收比较器108的输出，用以记录通道电压vd触及-0.35v的交叉次数nc，并据以调整下一个开关周期内的全开时间tfo的长度，使得之后的交叉次数nc可以往预设次数nset逼近。举例来说，这个预设次数为2。在另一个实施例中，表现记录可以是通道电压vd触及边界电压va的交叉次数，也可以是通道电压vd触及边界电压va与vb的交叉次数，或是其他任何稳压器106被致能时所产生的结果。
[0071]
请参阅图3，在稳压时间tr内，全开控制器104计算通道电压vd在稳压时间tr内触及边界电压vb的次数，据以调整下一开关周期的全开时间tfo。在时间点t3时，全开控制器104中所记录的交叉次数nc为3，也就是通道电压vd在稳压时间tr内触及边界电压vb三次，分别发生于时间点ta、tb、tc。因为此时交叉次数nc大于预设次数nset(假设等于2)。所以，全开控制器104调整控制全开时间tfo的预设条件，造成了第2开关周期中的全开时间tfo变长，而稳压时间tr变短。在时间点t4时，全开控制器104中所记录的交叉次数nc还是为3，所以全开控制器104再调整控制全开时间tfo的预设条件，使得第3开关周期中的全开时间tfo变更长，而稳压时间tr变更短。在时间点t5时，全开控制器104中所记录的交叉次数nc为2，所以全开控制器104保持控制全开时间tfo的预设条件不变，期望使得下一开关周期中的全开时间tfo大致不变。
[0072]
在一实施例中，全开控制器104用来控制全开时间tfo的预设条件，可以是通道电压vd高于参考电压v
ref2
时，全开控制器104就结束全开时间tfo。可以预期的，参考电压v
ref2
愈高，愈接近0v，全开时间tfo就会越长。在这个实施例中，当全开控制器104中所记录的交叉次数nc大于预设次数nset时，全开控制器104增加参考电压v
ref2
，用以增加下一开关周期中的全开时间tfo。因此，全开时间tfo关联于通道电压vd以及参考电压v
ref2
，全开控制器104依据稳压时间tr中的表现记录而调整参考电压v
ref2
。
[0073]
在另一实施例中，全开控制器104用来控制全开时间tfo的预设条件，可以是当下全开时间tfo大约等于一前开关周期中的放电时间tdis以及一介于0到1之间的比例常数k，两者的乘积。放电时间tdis指的是通道电流id大于0a的时间，如同图3中所标示。在这个实
施例中，当全开控制器104中所记录的交叉次数nc大于预设次数nset，全开控制器104增加比例常数k，用以增加下一开关周期中的全开时间tfo。所以，全开时间tfo关联于放电时间tdis以及比例常数k，全开控制器104依据稳压时间tr中的表现记录而调整比例常数k。
[0074]
图4显示使用于同步整流控制器10的控制方法200。
[0075]
在步骤s10中，状态检测器102依据通道电压vd的下降斜率，认定功率开关np刚刚关闭，因此触发全开控制器104，开始开启整流开关ns。
[0076]
步骤s12中，全开控制器104完全开启整流开关ns，直到一预设条件符合为止，结束全开时间tfo。
[0077]
步骤s14中，稳压器106控制栅极信号vg，使得通道电压vd大约维持在边界电压va与vb之间。同时，全开控制器104产生表现记录。在一实施例中，这表现记录是全开控制器104所计算并提供的交叉次数nc，表示通道电压vd在稳压时间tr内触及边界电压vb的次数。
[0078]
步骤s16中，因为发现通道电压vd大于0v，关闭控制器110使栅极信号vg为0v，强迫且维持整流开关ns完全关闭。
[0079]
步骤s18中，全开控制器104依据表现记录，来调整步骤s12所用的预设条件，使得下个开关周期中的表现记录可以朝一预设目标逼近。
[0080]
图5显示使用于全开控制器104的控制方法300。
[0081]
步骤s20中，全开控制器104提供交叉次数nc。
[0082]
步骤s22与s26中，全开控制器104比较交叉次数nc与预设次数nset。
[0083]
当交叉次数nc大于预设次数nset时，步骤s24调整步骤s12所用的预设条件，来增加下一开关周期中的全开时间tfo。
[0084]
当交叉次数nc小于预设次数nset时，步骤s28调整步骤s12所用的预设条件，来减少下一开关周期中的全开时间tfo。
[0085]
步骤s24与s28都是用来使下一开关周期中的交叉次数nc往预设次数nset逼近。
[0086]
请参阅图3。从先前的教导可以得知，同步整流控制器10大约可以自动调节全开时间tfo的长度，使得稳压时间tr维持在交叉次数nc大约等于预设次数nset。换言之，如果当下开关周期中的稳压时间tr太短，下个全开时间tfo就会增加。反之亦然。
[0087]
全开时间tfo位于通道电流id比较高的时段。因为在全开时间tfo时，整流开关ns是完全开启的，所以具有比较小的导通电阻(r
ds-on
)，可以降低整流开关ns整流时所产生的导通损耗(conduction loss)。
[0088]
稳压时间tr可以预先将整流开关ns的栅极信号vg拉低，如同图3所示。因此，在时间点t3，关闭控制器110发现了通道电压v
d-变为正值时，能够快速地完全关闭整流开关ns，避免通道电流id为过大的逆电流。
[0089]
全开时间tfo适应性的调节长度，可以尽可能的享有降低导通损耗，同时又可以快速地关闭整流开关ns。
[0090]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。