使用受調(diào)制次級(jí)側(cè)同步整流的功率轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利說(shuō)明】
【背景技術(shù)】
[0001]隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)模式電源(SMPS)由于體積小、重量輕、效率高而被廣泛應(yīng)用于多種電子設(shè)備。DC/DC功率轉(zhuǎn)換器是在通信、設(shè)備控制和其它應(yīng)用領(lǐng)域中使用的一種SMPS。
[0002]對(duì)于世界各國(guó)政府來(lái)講，節(jié)能變得越來(lái)越重要。諸如SMPS的電子設(shè)備根據(jù)它們的能效而被定級(jí)。
[0003]以往對(duì)SMPS的能耗的關(guān)注主要在于它們?cè)跐M載或者重載時(shí)的效率，而對(duì)輕載和空載時(shí)的功率損耗關(guān)注較少。然而，現(xiàn)在存在一些針對(duì)較低負(fù)載時(shí)(例如，在待機(jī)操作期間)的功率損耗的標(biāo)準(zhǔn)。因此，SMPS面臨降低在輕載或空載時(shí)的損耗并優(yōu)化在重載或滿載時(shí)的效率的雙重問(wèn)題。
[0004]SMPS的另一方面是將并聯(lián)SMPS用于較高功率的應(yīng)用。在并聯(lián)系統(tǒng)中，每個(gè)轉(zhuǎn)換器僅提供總輸出功率的一部分，所以SMPS的應(yīng)力(stress)減少。此外，轉(zhuǎn)換器集合可以提供N+M冗余，使得即使一個(gè)或更多個(gè)并聯(lián)轉(zhuǎn)換器失效，整個(gè)集合仍可以輸出100%的額定功率。其它優(yōu)點(diǎn)包括能夠熱更換轉(zhuǎn)換器，以及能夠用較低設(shè)計(jì)成本針對(duì)不同功率電平進(jìn)行設(shè)計(jì)。然而，并聯(lián)SMPS的集合還存在一些問(wèn)題。如果并聯(lián)SMPS具有不同設(shè)置點(diǎn)，則一個(gè)SMPS可能倒灌(sink)電流，如果灌電流過(guò)大，則SMPS可能受損或過(guò)應(yīng)力(overstress)，因此壽命縮短。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)低功耗、高效率且并聯(lián)的應(yīng)用的需要，功率轉(zhuǎn)換器面臨一些問(wèn)題。本公開針對(duì)的是一種用于解決這些問(wèn)題的技術(shù)。具體地，本公開針對(duì)的是功率轉(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)整流電路，所述功率轉(zhuǎn)換器提供改善的效率(尤其在輕載和空載時(shí))，并最小化不需要的電流倒灌和/或操作的低效整流模式。
[0006]所公開的功率轉(zhuǎn)換器采用同步整流模式，其當(dāng)在重載或滿載下操作時(shí)提供高效率。在輕載或空載的情況下，對(duì)同步整流進(jìn)行調(diào)制，以限制或避免負(fù)的輸出電流，并從而改善這些情況中的效率。當(dāng)輸出電感器中的電流的感應(yīng)電平小于為零的或在零附近的預(yù)定電流閾值時(shí)，調(diào)制發(fā)生。在不同應(yīng)用中，可以將具體閾值設(shè)置為略高于或低于零伏，以便實(shí)現(xiàn)所期望的特性。通過(guò)使用略正的閾值，可以避免負(fù)的輸出電流。如果可以承受少量負(fù)的輸出電流，則可以使用略負(fù)的閾值來(lái)限制或避免可由于次級(jí)側(cè)功率晶體管的寄生體二極管的動(dòng)作產(chǎn)生的低效二極管整流模式?？梢蕴嵘p載和空載情況下的整體效率。
[0007]更具體地，公開了一種功率轉(zhuǎn)換器，包括:功率變壓器、在電源和初級(jí)繞組之間連接的初級(jí)側(cè)電路；以及在次級(jí)繞組和負(fù)載之間連接的次級(jí)側(cè)電路，用來(lái)產(chǎn)生輸出電壓和針對(duì)負(fù)載的負(fù)載電流。次級(jí)側(cè)電路包括⑴輸出電感器；(ii) 一個(gè)或更多個(gè)功率晶體管；以及(iii)控制電路，產(chǎn)生用于將功率晶體管操作為同步整流器的開關(guān)信號(hào)?？刂齐娐?a)感測(cè)輸出電感器內(nèi)的電感器電流；(b)當(dāng)電感器電流小于范圍在最小負(fù)值和最小正值之間的閾值電流值時(shí)，選擇性地禁用功率晶體管的開關(guān)信號(hào)，所述最小負(fù)值剛好防止功率晶體管的操作的二極管整流模式，最小正值剛好防止輸出電感器中的負(fù)電感器電流。以限制或避免負(fù)電流和/或二極管整流模式的方式，來(lái)有效地調(diào)制開關(guān)信號(hào)，從而增加輕載和空載時(shí)的效率。
【附圖說(shuō)明】
[0008]根據(jù)以下對(duì)附圖所示的本發(fā)明的特定實(shí)施例的描述，將清楚上述和其它目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)，貫穿附圖，相同的附圖標(biāo)記用于表示相同的部件。
[0009]圖1是使用半波二極管整流的轉(zhuǎn)換器的示意圖；
[0010]圖2是圖1的轉(zhuǎn)換器中的信號(hào)的波形圖；
[0011]圖3A和3B是使用同步整流的轉(zhuǎn)換器的示意圖；
[0012]圖4是使用受調(diào)制的次級(jí)側(cè)同步整流的轉(zhuǎn)換器的示意圖；
[0013]圖5是模擬調(diào)制控制電路的示意圖；
[0014]圖6A和6B是脈寬調(diào)制器(PWM)發(fā)生器的示意圖；
[0015]圖7是使用具有模擬調(diào)制控制的受調(diào)制次級(jí)側(cè)同步整流的轉(zhuǎn)換器的示意圖；
[0016]圖8是數(shù)字調(diào)制控制電路的示意圖；
[0017]圖9是數(shù)字調(diào)制控制電路的操作的流程圖；
[0018]圖1OA到13B是在不同操作情況下使用受調(diào)制的次級(jí)側(cè)同步整流的轉(zhuǎn)換器的操作的波形圖；
[0019]圖14A到14C是使用受調(diào)制的次級(jí)側(cè)同步整流的轉(zhuǎn)換器的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]圖1、2、3A和3B示出了在隔離轉(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)使用的兩種寬泛類別或類型的整流一一二極管整流和同步整流。
[0021]圖1示出了提供使用整流二極管Dl以及輸出濾波元件L和C的半波二極管整流的功率轉(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)。當(dāng)主變壓器Tl的輸出是高電平時(shí)，接通整流器二極管D1，并且二極管負(fù)管腳的輸出(電壓VI)是高電平。當(dāng)主變壓器Tl的次級(jí)側(cè)輸出是低電平時(shí)，斷開整流二極管D1，并且二極管負(fù)管腳的輸出是零。圖2示出了變壓器次級(jí)電壓VS和電壓Vl的波形。在這種類型的電路中，整流導(dǎo)電損耗與Dl兩端的前向?qū)щ婋妷汉土鹘?jīng)Dl的前向?qū)щ婋娏鞯某朔e成正比。因此，沒有針對(duì)重載或滿載的轉(zhuǎn)換器效率優(yōu)化二極管整流。
[0022]圖3A和3B示出了被稱作“同步整流”的備選整流技術(shù)。在同步整流中，功率MOSFETQU Q2代替隔離轉(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)的整流二極管，從而提供較高效率(尤其在低輸出電壓和高電流的電源中)。同步整流技術(shù)提升了 DC/DC轉(zhuǎn)換器效率。功率MOSFET是電壓控制組件，當(dāng)接通功率MOSFET時(shí)，其伏特-安培特性是線性的。當(dāng)將功率MOSFET用作整流器時(shí)，AC柵極電壓必須與AC整流電壓是同步的，因此，稱作“同步整流器”。
[0023]圖3A和3B示出了同步整流電路。圖3A是半波整流電路，圖3B是全波整流電路。這兩種電路中，Ql和Q2是功率MOSFET。在圖3A的電路中，當(dāng)主變壓器Tl的次級(jí)側(cè)輸出電壓是高電平時(shí)，接通Ql并斷開Q2。Ql具有整流功能。當(dāng)主變壓器Tl的次級(jí)側(cè)輸出電壓是低電平時(shí)，斷開Ql并接通Q2。Q2具有續(xù)流(free wheeling)的功能。同步整流電路的功耗主要是導(dǎo)電損耗和開關(guān)損耗。當(dāng)開關(guān)頻率較低時(shí)，導(dǎo)電損耗是主要功率損耗；當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗是主要功率損耗。通過(guò)選擇合適的開關(guān)頻率來(lái)優(yōu)化MOSFET的功率損耗是有效的。
[0024]與二極管整流相比較，同步整流具有較低的導(dǎo)電損耗，并且在重載時(shí)具有較高的效率。然而，當(dāng)處于輕載或空載時(shí)，同步整流的導(dǎo)電損耗和開關(guān)損耗相對(duì)較大。因此，同步整流模式可能受限于在輕載或空載時(shí)降低功率損耗的能力。
[0025]圖4示出了在輕載或空載時(shí)使用模擬二極管整流并在重載或滿載時(shí)使用同步整流的轉(zhuǎn)換器電路，其因此降低輕載或空載時(shí)的功率損耗，提升重載或滿載時(shí)的效率。本文將這兩種操作模式稱作“二極管整流模式”和“同步整流模式”。這兩個(gè)模式之間的分界線是基于輸出電流的電平的，即，電感器L內(nèi)的電流k的電平。通常，當(dāng)轉(zhuǎn)換器在輕載或空載下進(jìn)行操作時(shí)，輸出電感器電流I^T以變?yōu)樨?fù)的。當(dāng)轉(zhuǎn)換器在重載或滿載下進(jìn)行操作時(shí)，輸出電感器電流k是正的。因此，可以感測(cè)電感器電流U的電平，并將其用于選擇操作模式。
[0026]具體地，所述電路對(duì)電感器電流行采樣，并將I ^與預(yù)定的電感器電流切換點(diǎn)Iswitdl進(jìn)行比較。當(dāng)U〉I Switah時(shí)，QI和Q2操作在正常同步整流模式下。當(dāng)U< I Switdl時(shí)，Ql和Q2 二者被禁用(斷開)，所述電路經(jīng)由Ql和Q2的寄生體二極管操作在二極管整流模式下。通過(guò)感測(cè)電感器電流Iy對(duì)次級(jí)側(cè)MOSFET Q1、Q2的開關(guān)的下降沿進(jìn)行調(diào)制，以便減小電感器電流k的均方根(RMS)值，其可以有效地降低在輕載或空載時(shí)的損耗。
[0027]存在兩種用來(lái)實(shí)現(xiàn)次級(jí)側(cè)MOSFET調(diào)制模式的主要方式，即，模擬方式和數(shù)字方式。使用模擬方式，可以通過(guò)(I)基于輸出電感器電流來(lái)啟用和禁用次級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)器或(2)基于輸出電感器電流來(lái)啟用和禁用次級(jí)側(cè)脈寬調(diào)制器(PWM)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制。
[0028]圖5示出了通過(guò)啟用次級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)器12提供次級(jí)側(cè)MOSFET調(diào)制的電路。具體地，比較器10將電感器電流込與閾值電流I Switc;h進(jìn)行比較，當(dāng)u< I Switah時(shí)，比較器輸出信號(hào)EN切換到零值。該比較器輸出EN驅(qū)動(dòng)次級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)器12的使能管腳，其產(chǎn)生針對(duì)次級(jí)側(cè)開關(guān)設(shè)備(例如，圖4的Q1、Q2)的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。次級(jí)側(cè)開關(guān)設(shè)備斷開與輸出電感器電流込的同步。
[0029]圖6A和6B示出了由PWM控制器集成電路(PWM發(fā)生器IC) 20的外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)的次級(jí)側(cè)MOSFET調(diào)制模式，所述PWM控制器集成電路20可以是模擬IC或數(shù)字1C。PWM控制器IC 20的比較器Comp可以重置次級(jí)側(cè)PWM的輸出管腳，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)自驅(qū)動(dòng)器22的次級(jí)側(cè)MOSFET下降沿的調(diào)制。圖6A針對(duì)比較器Comp使用外部參考Iswitdl，而圖6B使用內(nèi)部參考。
[0030]圖7示出了基于電感器電流込的電平來(lái)啟用和禁用次級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)器30。當(dāng)U>Iswiteh時(shí)，比較器32的輸出為高。啟用次級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)器30，從而Ql和Q2(圖4)操作在正常同步整流模式下。當(dāng)込< Iswitdl時(shí)，比較器32的輸出為低。禁用次級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)器30，從而Ql和Q2 二者都被禁用。
[0031]圖8是使用PWM控制器IC 40的以數(shù)字方式進(jìn)行次級(jí)側(cè)同步整流調(diào)制的框圖。圖9示出了操作。比較器Com將電感器電流込與閾值電流I Switc;h進(jìn)行比較，當(dāng)U< I Switc;h時(shí)，產(chǎn)生比較器中斷(圖9的步驟50)。然后進(jìn)入比較器中斷例程Comp Int(步驟52)，與模擬方式類似，該例程在PWM周期的剩余時(shí)段期間禁用次級(jí)側(cè)PWM(步驟54)。然后退出中斷例程(步驟56)。可以通過(guò)外部參考或內(nèi)部參考來(lái)提供閾值ISwitc;h。
[0032]與模擬方式相比較，實(shí)現(xiàn)次級(jí)側(cè)PWM同步斷開的數(shù)字方式可能具有少量延遲。但是它仍可以實(shí)現(xiàn)同步斷開次級(jí)側(cè)PWM的功能。
[0033]圖10A-10C、11A-11C和12A-12C示出了當(dāng)使用閾值電感器電流Iswiteh的不同值時(shí)在不同負(fù)載條件下進(jìn)行的操作。通過(guò)合適地設(shè)置Iswitdl,次級(jí)側(cè)同步整流調(diào)制方法可以滿足不同需要。這些附圖示出了用于控制初級(jí)側(cè)晶體管(QPRI)和次級(jí)側(cè)晶體管(QSEC)的導(dǎo)電的PWM信號(hào)的系列周期。
[0034]圖10AU0B和1C示出了在Iswiteh= O時(shí)的操作。
[0035]圖1OA示出了重載或滿載操作，其中込的最小值大于ISwitc;h。在這種情況下，輸出電感器電流Iswitdl是連續(xù)的，轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)下工作。<