專利名稱：同步整流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及電源領(lǐng)域，尤其涉及在開關(guān)電源中使用同步整流。
背景技術(shù)：
如圖I所示，典型的開關(guān)電源(SMPS)包括初級側(cè)部件150和次級側(cè)部件。初級側(cè)(又稱作“熱側(cè)”)部件包括開關(guān)控制器106、開關(guān)金屬氧化物半導(dǎo)體(MOSFET) 108、MOSFET散熱器110、電流感測電阻器112、涌流抑制電容器114、具有初級 繞組120和次級繞組118的變壓器116、整流ニ極管102、濾波電容器104以及光隔離器126。次級或“冷側(cè)”部件包括次級變壓器繞組122和124、整流ニ極管128、136和各自的散熱器130、138，以及濾波電容器132和134。整個(gè)開關(guān)電源由未穩(wěn)壓電壓源100供電?？刂破?06向MOSFET 108提供驅(qū)動(dòng)信號VD，以在變壓器116的初級繞組120中產(chǎn)生電流。變壓器116的次級繞組118提供電壓源，當(dāng)分別被ニ極管102和電容器104整流并濾波吋，向控制器106提供電源電壓VDD。反饋信號Vfb由經(jīng)過整流并濾波的次級電源+12V產(chǎn)生，并通過光隔離器126反饋到控制器106，從而建立起反饋回路，以控制MOSFET 108的導(dǎo)通和截止。通過在控制器106中對反饋信號Vfb和參考值進(jìn)行比較，并且響應(yīng)于反饋信號與參考電平之間的差而進(jìn)行MOSFET 108的導(dǎo)通周期的變化，可實(shí)現(xiàn)對SMPS中操作電平的調(diào)節(jié)。電阻器112感測在MOSFET 108中流動(dòng)的作為電流模式控制器106的電流反饋信號的初級電流。使用電流模式控制，防止了在過載條件下過量電流從開關(guān)電源中流出。通過ニ極管128和136分別對來自變壓器116的次級繞組122和124的信號進(jìn)行整流，并且經(jīng)電容器132和134分別濾波后得到了調(diào)節(jié)后的輸出電壓+6. 5V和+12V。對跨過繞組122和124的所獲得的信號的整流可通過在地與電源輸出之間與各自的繞組串聯(lián)的ニ極管來完成。在所述的典型SMPS中，其中一個(gè)ニ極管，128，被設(shè)置為其陰極連接其特定電源的正輸出，從而使得ニ極管128的陽極和陰極都遠(yuǎn)離地。在示例性的+12V供電中，ニ極管136被設(shè)置為其陽極接地。在這種示例性開關(guān)電源中所述的這種整流器中，通常，低效的主要原因是跨過整流ニ極管的電壓降。在更高的電源中，由于跨過整流ニ極管的電壓降造成的低效可能很嚴(yán)重，因此需要散熱器和可能的積極措施，例如強(qiáng)制空氣冷卻。為了提高整流器的效率，晶體管(通常是M0SFET)可用作低電壓降開關(guān)，以代替ニ極管。這種技術(shù)被稱作同步整流。同步整流要求對同步整流器的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制，以在被整流的信號的適當(dāng)部分使MOSFET導(dǎo)通或截止。通常使用集成電路控制器來控制MOSFET的導(dǎo)通。這些集成電路，例如ST微電子STS-R3或者Anachip AP436，價(jià)格有些貴，并且需要附加的4到8個(gè)外部部件。這些IC通常包括時(shí)鐘產(chǎn)生電路以及其它復(fù)雜的方法來確定同步整流器MOSFET的導(dǎo)通/截止控制。本發(fā)明包括更簡單的控制電路，可使用分立的部件低成本地實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源中的同步整流。

發(fā)明內(nèi)容
下面提出與本發(fā)明最初要求的范圍相當(dāng)?shù)囊恍┓桨?；但是本發(fā)明可包含在下面沒有提出的多種方案。所公開的實(shí)施例涉及ー種設(shè)備，該設(shè)備包括第一器件，其可以是晶體管，被配置為當(dāng)該第一器件導(dǎo)通時(shí)，將第一信號連接到參考電平；第二器件，其可以是微分器或者高通濾波器，并響應(yīng)可與第一信號異相的第二信號，所述第二器件被配置為在所述第二信號的周期的一部分內(nèi)控制所述第一器件的導(dǎo)通；以及檢測器，其可以是ニ極管峰值檢測器，并響應(yīng)所述第二信號的幅度，所述檢測器被配置為改變所述第一器件的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間。在這種設(shè)備中，檢測器可響應(yīng)于所述第二信號的幅度的増加，減少所述第一器件的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間。另ー實(shí)施例包括用于當(dāng)該連接元件導(dǎo)通時(shí)將第一信號連接到參考電平的元件；用于在第二信號的周期的一部分持續(xù)時(shí)間內(nèi)將所述連接元件置于導(dǎo)通狀態(tài)的元件；以及用于響應(yīng)所述第二信號的幅度改變所述連接元件的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間的元件。 再一實(shí)施例是ー種方法，該方法包括以下步驟通過器件的導(dǎo)通，使第一信號連接到參考電平；對第二信號進(jìn)行微分；響應(yīng)于所述微分后的第二信號，控制所述器件的導(dǎo)通；并且響應(yīng)于所述第二信號的幅度，改變所述器件的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間。這種方法的變型可包括響應(yīng)所述第二信號的幅度的増加，減少所述器件的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間。


下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，各附圖中相似的元件采用相同的附圖標(biāo)記圖I是典型的開關(guān)電源的方框圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的示意圖；圖3是主開關(guān)MOSFET (108)的漏極電壓的代表性波形；以及圖4示出本發(fā)明實(shí)施例中同步整流器MOSFET的漏極電壓和柵極電壓的代表性波形。
具體實(shí)施例方式圖2所示的分立控制電路的實(shí)施例滿足對低成本、同步整流器控制器的需要。圖
2示出在電子設(shè)備中應(yīng)用的代表性開關(guān)電源。初級側(cè)電路150是ー種典型的開關(guān)電源，為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，并與前述的電源相似。開關(guān)變壓器116具有多個(gè)次級繞組122和124，以獲得不同的電源電壓。ニ極管128在該系統(tǒng)中用作常規(guī)的整流器。對于+6.5V供電使用該高端整流器有雙重目的對來自繞組122的信號S3進(jìn)行整流以產(chǎn)生+6. 5V的供電，并且因此，在ニ極管128陽極的AC信號S3可用于獲得驅(qū)動(dòng)同步整流器MOSFET 214的開關(guān)控制信號。通過控制MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間使導(dǎo)通與脈沖波形的期望部分一致，可將MOSFET晶體管用作整流器(同步整流)。由于MOSFET的電壓降甚至比肖特基ニ極管都要低很多，所以能夠提高電源的效率。大多數(shù)情況下，當(dāng)采用同步整流時(shí)，可去除通常用于冷卻ニ極管的大散熱器。在圖2所示的示例性實(shí)施例中，MOSFET 214被設(shè)置為其源極連接次級側(cè)的接地電勢。這種配置使得向MOSFET 214產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號變簡単。根據(jù)信號S3獲得用于同步整流器214的柵極驅(qū)動(dòng)的控制電壓。脈沖信號S3的極性與出現(xiàn)在MOSFET 214漏極的信號S2的極性相反。通過對繞組122和124的相位調(diào)整來確定這種相位反轉(zhuǎn)，相位反轉(zhuǎn)后使得信號S3的極性為信號S2處于最大負(fù)電平時(shí)導(dǎo)通MOSFET的柵極所需的相位。當(dāng)信號S2處于最大負(fù)電平時(shí)MOSFET 214的漏極到源極的導(dǎo)通將信號S2箝位于接地電勢，從而將信號S2整流得到+12V的輸出。控制器106被設(shè)計(jì)為使得信號S2和S3可具有可變的占空因數(shù)(dutycycle);并且信號S3的正部分以更高的線電壓在持續(xù)時(shí)間內(nèi)増加。結(jié)果，必須采取措施縮短MOSFET 214柵極的脈沖的持續(xù)時(shí)間，以向MOSFET提供合適的導(dǎo)通時(shí)間，從而保證MOSFET214僅當(dāng)信號S2處于負(fù)電平時(shí)導(dǎo)通。電容器202和電阻器204構(gòu)成高通濾波器，該高通濾波器對信號S3的波形進(jìn)行微分，以產(chǎn)生MOSFET 214柵極的驅(qū)動(dòng)波形。對波形的微分有助于縮短MOSFET 214的導(dǎo)通時(shí)間，使得MOSFET 214當(dāng)其漏極電壓為負(fù)時(shí)或者之后導(dǎo)通，而當(dāng)其漏極電壓升高時(shí)或者之前截止。低功率(與諸如ニ極管128的傳統(tǒng)整流器ニ極管相比)ニ極管136在信號S2的負(fù)偏移期間導(dǎo)通，在此期間，由于對MOSFET 214的柵極驅(qū)動(dòng)時(shí)間間隔可能短于信號S2的負(fù)偏移的持續(xù)時(shí)間，所以MOSFET可能不導(dǎo)通。以上對于ニ極管136所述的功能也可以通過MOSFET 214的內(nèi)部寄生ニ極管執(zhí)行。ニ極管206和電容器208對信號S3進(jìn)行整流，以獲得與未穩(wěn)壓電壓源100的值成比例(并與AC線輸入電壓成比例)的負(fù)偏 壓。負(fù)偏壓增加時(shí)，MOSFET 214柵極的平均電壓被降低，從而減少M(fèi)OSFET的導(dǎo)通時(shí)間。由電阻器210和204構(gòu)成的分壓器對由ニ極管206和電容器208獲得的負(fù)偏壓進(jìn)行調(diào)整，以建立加在柵極驅(qū)動(dòng)的負(fù)偏壓的期望范圍。MOSFET 214柵極的這個(gè)負(fù)偏壓防止了高線電壓時(shí)的過導(dǎo)通(以及損耗增加)。電阻器200對于ニ極管206形成的負(fù)供電提供電流限制。電阻器212減少M(fèi)OSFET 214柵極的驅(qū)動(dòng)電壓的上升時(shí)間，從而最小化由于快速開關(guān)暫態(tài)而引起的輻射噪聲。圖3中繪出的波形示出開關(guān)MOSFET 110漏極的信號S1，此電壓是變壓器116的繞組120的初級電壓。圖4上方的描記線示出在次級繞組124中感應(yīng)得到的信號電壓S2，此電壓也是同步整流器MOSFET 214漏極的電壓。圖4下方的描記線示出對MOSFET 214的柵極驅(qū)動(dòng)。MOSFET 214的導(dǎo)通閾值為大約2. 5V至3. 0V,如圖4中R1和R2所示。將柵極驅(qū)動(dòng)信號通過導(dǎo)通閾值時(shí)的點(diǎn)投影到圖4上方區(qū)域中漏極電壓波形上表明在信號S2負(fù)偏移的時(shí)間間隔內(nèi)MOSFET 214導(dǎo)通良好。從圖4的柵極驅(qū)動(dòng)波形還可以看出，通過檢測器206增加施加到MOSFET 214柵極的負(fù)偏壓(如同在較高線電壓時(shí)發(fā)生的情況)將會減少柵極驅(qū)動(dòng)電壓高于導(dǎo)通閾值R1或R2的時(shí)間周期。雖然參照優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是顯然，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可以對各個(gè)實(shí)施例作出各種變型。
權(quán)利要求
1.一種同步整流裝置，該裝置包括 變壓器； 輸入電源電壓的源； 第一開關(guān)晶體管，用于將所述輸入電源電壓周期性地耦合到所述變壓器，以在所述變壓器的第一繞組中產(chǎn)生交流電源電壓； 第二開關(guān)晶體管，該第二開關(guān)晶體管形成一同步整流器，該同步整流器耦合到所述第ー繞組以用于對所述交流電源電壓進(jìn)行整流以產(chǎn)生耦合到負(fù)載的經(jīng)整流輸出，所述第二開關(guān)晶體管在所述交流電源電壓的周期的一部分期間導(dǎo)通；以及 檢測器，所述檢測器在所述周期的一部分期間，當(dāng)所述第一開關(guān)晶體管將所述輸入電源電壓耦合到所述變壓器吋，對所述輸入電源電壓進(jìn)行響應(yīng)，以用于產(chǎn)生耦合到所述第二開關(guān)晶體管的第一控制信號，所述檢測器被配置為檢測所述輸入電源電壓的大小，并根據(jù)所述大小，以改變所述第二開關(guān)晶體管的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間的方式來改變所述周期期間所述第ニ開關(guān)晶體管的導(dǎo)通結(jié)束的時(shí)刻。
2.如權(quán)利要求I所述的同步整流裝置，其中，所述檢測器響應(yīng)于所述輸入電源電壓大小的増加，減少所述第二開關(guān)晶體管的所述導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間。
3.如權(quán)利要求I所述的同步整流裝置，其中，所述第二開關(guān)晶體管耦合在所述第一繞組與參考電平之間。
4.如權(quán)利要求I所述的同步整流裝置，其中，所述第二開關(guān)晶體管包括金屬氧化物半導(dǎo)體。
5.如權(quán)利要求I所述的同步整流裝置，其中，所述變壓器產(chǎn)生第二控制信號，該第二控制信號包含定時(shí)信息，所述第二控制信號從所述變壓器經(jīng)由ー微分器件耦合到所述第二開關(guān)晶體管，并且其中，所述第二控制信號根據(jù)所述輸入電源電壓大小改變所述第二開關(guān)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間。
6.如權(quán)利要求5所述的同步整流裝置，其中，所述微分器件包括高通濾波器。
7.如權(quán)利要求6所述的同步整流裝置，其中，所述高通濾波器包括電容器和電阻器。
8.如權(quán)利要求I所述的同步整流裝置，其中，所述第二開關(guān)晶體管響應(yīng)于在所述變壓器的繞組中產(chǎn)生的信號來控制所述周期期間所述第二開關(guān)晶體管開始導(dǎo)通的時(shí)刻。
9.如權(quán)利要求I所述的同步整流裝置，其中，在所述第二開關(guān)晶體管兩端產(chǎn)生的電壓所具有的相位與所述交流電源電壓的相位相反。
10.如權(quán)利要求I所述的同步整流裝置，其中，所述檢測器對在所述變壓器的繞組中產(chǎn)生的信號的峰值進(jìn)行響應(yīng)。
11.如權(quán)利要求10所述的同步整流裝置，其中，所述檢測器包括ニ極管。
12.—種同步整流裝置，包括 變壓器； 輸入電源電壓的源； 第一開關(guān)晶體管，用于將所述輸入電源電壓的源周期性地耦合到所述變壓器，以在所述變壓器的第一繞組中產(chǎn)生周期性電源電壓； 第二開關(guān)晶體管，該第二開關(guān)晶體管耦合到所述第一繞組以形成一同步整流器，該同步整流器用于對所述周期性電源電壓進(jìn)行整流以產(chǎn)生耦合到負(fù)載的經(jīng)整流輸出；脈沖發(fā)生器，該脈沖發(fā)生器對在所述變壓器的繞組中產(chǎn)生的信號進(jìn)行響應(yīng)，以用于生成第一開關(guān)控制信號和經(jīng)過了時(shí)移的第二開關(guān)控制信號，所述第一開關(guān)控制信號和第二開關(guān)控制信號都耦合到所述第二開關(guān)晶體管，以分別周期性地控制所述第二開關(guān)晶體管中導(dǎo)通開始的時(shí)刻和導(dǎo)通結(jié)束的時(shí)刻以用于提供同步整流；以及 檢測器，用于檢測在耦合到所述第二開關(guān)晶體管的所述變壓器的繞組中產(chǎn)生的信號，以用于根據(jù)所述檢測到的信號改變所述第二開關(guān)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間。
13.如權(quán)利要求12所述的同步整流裝置，其中，所述檢測器被配置為檢測所述輸入電源電壓的大小，井根據(jù)所述輸入電源電壓大小中相應(yīng)的改變，來改變所述第二開關(guān)晶體管的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間。
14.如權(quán)利要求13所述的同步整流裝置，其中，所述檢測器被耦合以接收在用于在所述脈沖發(fā)生器中生成所述第一開關(guān)控制信號和所述經(jīng)過了時(shí)移的第二開關(guān)控制信號的所述變壓器相同繞組中產(chǎn)生的相同信號。
15.如權(quán)利要求12所述的同步整流裝置，其中，所述脈沖發(fā)生器包括微分器。
16.如權(quán)利要求12所述的同步整流裝置，其中，所述第一開關(guān)控制信號和所述經(jīng)過了時(shí)移的第二開關(guān)控制信號形成施加到所述第二開關(guān)晶體管的控制端的組合控制信號的分別在相反方向上變化的跳變沿。
17.一種同步整流電源裝置，包括 變壓器； 輸入電源電壓的源； 第一開關(guān)晶體管，用于將所述輸入電源電壓的源周期性地耦合到所述變壓器，以在所述變壓器的第一繞組中產(chǎn)生周期性電源電壓； 第二開關(guān)晶體管，該第二開關(guān)晶體管耦合到所述第一繞組以形成一同步整流器，用于對所述周期性電源電壓進(jìn)行整流以產(chǎn)生耦合到負(fù)載的經(jīng)整流輸出； 微分器，該微分器對在所述變壓器的繞組中產(chǎn)生的信號進(jìn)行響應(yīng)，以用于生成ー開關(guān)控制信號，該開關(guān)控制信號耦合到所述第二開關(guān)晶體管的控制端以控制所述第二開關(guān)晶體管中的開關(guān)操作，以用于提供同步整流；以及 峰值整流器，用于對在所述變壓器的繞組中產(chǎn)生的信號進(jìn)行峰值整流，以生成第二控制信號，該第二控制信號耦合到所述第二開關(guān)晶體管的所述控制端，以用于根據(jù)該第二控制信號改變所述第二開關(guān)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間。
18.一種開關(guān)模式電源裝置，該裝置包括 變壓器； 輸入電源電壓的源； 第一開關(guān)晶體管，用于將所述輸入電源電壓周期性地耦合到所述變壓器，以在所述變壓器的第一次級繞組中產(chǎn)生周期性電源電壓； 第二開關(guān)晶體管(214)，該第二開關(guān)晶體管形成一同步整流器，該同步整流器耦合到所述第一次級繞組以用于對所述周期性電源電壓進(jìn)行整流以產(chǎn)生耦合到負(fù)載的經(jīng)整流輸出，當(dāng)所述第二開關(guān)晶體管(214)導(dǎo)通時(shí)，將由所述變壓器的所述第一次級繞組提供的第一信號(S2)連接到參考電平； 響應(yīng)由所述變壓器的第二次級繞組提供的第二信號(S3)的微分器件(202，204)，所述微分器件(202，204)用于生成一開關(guān)控制信號，該開關(guān)控制信號耦合到所述第二開關(guān)晶體管的控制端以控制所述第二開關(guān)晶體管中的開關(guān)操作，以用于提供同步整流；以及 檢測器(206)，所述檢測器配置為檢測所述輸入電源電壓的大小，并響應(yīng)于所述大小的増加，以減少所述第二開關(guān)晶體管的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間的方式來改變所述周期期間所述第二開關(guān)晶體管的導(dǎo)通結(jié)束的時(shí)刻。
19.如權(quán)利要求18所述的開關(guān)模式電源裝置，其中，所述第二開關(guān)晶體管(214)為金屬氧化物半導(dǎo)體。
20.如權(quán)利要求18所述的開關(guān)模式電源裝置，其中，所述微分器件包括高通濾波器(202,204)。
21.如權(quán)利要求20所述的開關(guān)模式電源裝置，其中，所述高通濾波器包括電容器和電阻器(202,204)。
22.如權(quán)利要求18所述的開關(guān)模式電源裝置，其中，所述第一信號(S2)具有與所述第ニ信號(S3)相反的相位。
23.如權(quán)利要求18所述的開關(guān)模式電源裝置，其中，所述檢測器(206，208)響應(yīng)所述第ニ信號(S3)的負(fù)峰值。
24.如權(quán)利要求23所述的開關(guān)模式電源裝置，其中，所述檢測器包括ニ極管。
25.ー種用于控制同步整流器的導(dǎo)通的裝置，該裝置包括 提供第一信號(S2)的第一源(124)和提供第二信號(S3)的第二源(122),所述第一信號(S2)與所述第二信號(S3)的相位相反； 晶體管(214)，具有第一主電流導(dǎo)通端子和第二主電流導(dǎo)通端子以及導(dǎo)通控制端子，所述第一主電流導(dǎo)通端子連接所述第一信號(S2)，并且所述第二主電流導(dǎo)通端子連接參考電平； 電容器(202)，所述電容器(202)的第一端子連接所述第二信號，并且所述電容器(202)的第二端子連接所述導(dǎo)通控制端子； 電阻器(204)，所述電阻器(204)的第一端子連接所述導(dǎo)通控制端子，并且所述電阻器(204)的第二端子連接所述參考電平；以及 ニ極管(206)，所述ニ極管(206)的陰極連接所述第二信號(S3)，并且所述ニ極管(206)的陽極連接所述導(dǎo)通控制端子， 其中，所述第一源(124)和第二源(122)是開關(guān)變壓器(116)的次級繞組。
26.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中，所述晶體管是金屬氧化物半導(dǎo)體。
27.ー種用于同步整流的裝置，該裝置包括 晶體管(214)，該晶體管形成一同步整流器，該同步整流器耦合到一開關(guān)變壓器的第一次級繞組，以用于對在所述第一次級繞組中產(chǎn)生的周期性電源電壓進(jìn)行整流以產(chǎn)生耦合到負(fù)載的經(jīng)整流輸出；脈沖生成器(202，204)，該脈沖生成器對在所述開關(guān)變壓器的第二次級繞組中產(chǎn)生的信號進(jìn)行響應(yīng)，以用于生成第一開關(guān)控制信號和經(jīng)過時(shí)移的第二開關(guān)控制信號，這兩個(gè)信號都耦合到所述晶體管，以分別周期性地控制所述晶體管中導(dǎo)通開始和導(dǎo)通結(jié)束的時(shí)刻，以用于提供同步整流；以及 檢測器(206)，用于檢測在所述開關(guān)變壓器的第二次級繞組中產(chǎn)生的信號的幅度峰值，并響應(yīng)于所述幅度峰值的增加，減少所述晶體管的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間。
28.如權(quán)利要求27所述的裝置，其中，所述檢測器(206)包括ニ極管。
29.如權(quán)利要求27所述的裝置，其中，所述設(shè)置元件(202，204)是微分器。
30.如權(quán)利要求29所述的裝置，其中，所述微分器包括高通濾波器。
全文摘要
本發(fā)明涉及同步整流器，所公開的實(shí)施例涉及一種減少電源功耗的設(shè)備和方法。提供一種設(shè)備，該設(shè)備包括元件(214)，用于當(dāng)該連接元件導(dǎo)通時(shí)，將第一信號(S2)連接到參考電平(接地電勢)；元件(202，204)，用于在第二信號(S3)的周期的一部分持續(xù)時(shí)間內(nèi)將所述連接元件置于導(dǎo)通狀態(tài)；以及元件(206)，用于響應(yīng)所述第二信號的幅度，改變所述連接元件的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間。
文檔編號H02M3/335GK102868303SQ20121029300
公開日2013年1月9日 申請日期2005年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月28日
發(fā)明者威廉·文森特·菲茨杰拉德 申請人:湯姆遜許可證公司