本公開總體涉及電源電路并且更具體涉及同步整流器驅(qū)動(dòng)和軟開關(guān)電路。

背景技術(shù)：

同步整流是用于通過用主動(dòng)受控開關(guān)(諸如晶體管(例如，功率mosfet))代替二極管來改善電源中的整流效率的技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)p-n結(jié)二極管(通常用于電源整流)的恒定電壓降通常在0.7v到1.7v之間，導(dǎo)致在二極管中的顯著功率損失。在該問題的一個(gè)解決方案中，標(biāo)準(zhǔn)硅二極管由表現(xiàn)出非常低的電壓降(例如，低至0.3伏特)的肖特基二極管代替。然而，在高電流值和低電壓下，即使是肖特基整流器也可能比同步類型具有顯著更多的損失。

當(dāng)處理非常低電壓的轉(zhuǎn)換器時(shí)，諸如用于計(jì)算機(jī)的降壓轉(zhuǎn)換器電源(具有五伏特或更小的電壓輸出和許多安培的輸出電流)，肖特基整流沒有提供足夠的效率。在這些應(yīng)用中，同步整流變得必要。同步整流的主導(dǎo)因素是用主動(dòng)受控開關(guān)元件(諸如mosfet)代替二極管。當(dāng)導(dǎo)通時(shí)，mosfet具有恒定的非常低的電阻，被稱為導(dǎo)通電阻(rds(on))。它們可以被制作成具有低至10mω或更低的導(dǎo)通電阻。然后，晶體管兩端的電壓降比二極管整流器低得多，這意味著降低功率損失并增加效率。

用于同步整流的控制電路系統(tǒng)通常使用比較器來感測輸入ac的電壓并且在正確的時(shí)間激活晶體管以允許電流在期望的方向上流動(dòng)來產(chǎn)生dc電壓。因?yàn)楸仨毐苊廨斎腚娫磧啥说亩搪凡⑶以摱搪房梢匀菀椎赝ㄟ^在一個(gè)晶體管關(guān)閉之前接通另一個(gè)晶體管引起，所以時(shí)機(jī)是重要的。在具有這種類型的控制電路的一些應(yīng)用的問題中，電流可能需要在電源電路的輸出處直接被感測，以便在正確的時(shí)間關(guān)斷整流器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在所描述的示例中，一種電路包括同步整流器，該同步整流器接收來自變壓器次級的交流(ac)電壓并且響應(yīng)于施加到同步整流器的控制輸入信號提供整流直流(dc)輸出電壓。次級整流器開關(guān)電路產(chǎn)生施加到同步整流器的控制輸入信號。電流復(fù)制電路產(chǎn)生復(fù)制變壓器次級中的電流的控制電壓?？刂齐妷罕徊捎靡员慊谧儔浩鞔渭壷械碾娏骺刂拼渭壵髌鏖_關(guān)電路的開關(guān)。偏移電路在預(yù)定方向上推動(dòng)控制電壓以便減緩電流復(fù)制電路中的電壓誤差累積。箝位電路將控制電壓限制到預(yù)定電壓值。

在另一個(gè)示例中，一種電路包括同步整流器，該同步整流器接收來自變壓器次級的交流(ac)電壓并且響應(yīng)于施加到同步整流器的控制輸入信號提供整流直流(dc)輸出電壓。次級整流器開關(guān)電路產(chǎn)生施加到同步整流器的控制輸入信號。電流復(fù)制電路產(chǎn)生復(fù)制變壓器次級中的電流的控制電壓。控制電壓被采用以便基于變壓器次級中的電流控制次級整流器開關(guān)電路的開關(guān)。電流復(fù)制電路包括電壓-電流轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生與變壓器次級的ac電壓成比例的復(fù)制電流。電流復(fù)制電路包括積分電容器，以通過對來自電壓-電流轉(zhuǎn)換器的復(fù)制電流求積分來產(chǎn)生控制電壓。偏移電路采用電流源以在預(yù)定方向上推動(dòng)控制電壓，以便減緩電流復(fù)制電路中的積分電容器上的電壓誤差累積。箝位電路采用二極管來將控制電壓箝制到由電壓源設(shè)置的預(yù)定電壓值。

在又一個(gè)示例中，一種電路包括同步整流器，該同步整流器接收來自變壓器次級的交流(ac)電壓并且響應(yīng)于施加到同步整流器的控制輸入信號提供整流直流(dc)輸出電壓。次級整流器開關(guān)電路產(chǎn)生施加到同步整流器的控制輸入信號。電流變壓器產(chǎn)生與變壓器次級中的電流成比例的感測電流。電流復(fù)制電路產(chǎn)生復(fù)制來自變壓器次級的感測電流的控制電壓?？刂齐妷罕徊捎靡员慊趤碜宰儔浩鞔渭壍母袦y電流控制次級整流器開關(guān)電路的開關(guān)。電流偏移電路在預(yù)定方向上推動(dòng)控制電壓以便減緩電流復(fù)制電路中的電壓誤差累積。電壓偏移電路將在變壓器次級中流動(dòng)的電流的振幅限制到預(yù)定負(fù)值。

附圖說明

圖1是使用間接感測整流器電流以控制電路的開關(guān)操作的同步整流器電源電路的示例框圖。

圖2說明使用間接感測整流器電流以控制電路的開關(guān)操作的同步整流器電源電路的示例電路實(shí)施方式。

圖3說明圖2的示例電路實(shí)施方式的啟動(dòng)波形的示例。

圖4說明圖2的示例電路實(shí)施方式的穩(wěn)態(tài)操作波形的示例。

圖5說明使用間接感測整流器電流以控制電路的開關(guān)操作的孤立同步整流器電源電路的示例。

圖6說明圖5的示例孤立電路實(shí)施方式的穩(wěn)態(tài)操作波形的示例。

具體實(shí)施方式

本公開涉及同步整流器驅(qū)動(dòng)和軟開關(guān)電路。為了控制同步整流器，高電流和低電壓控制和驅(qū)動(dòng)電路在不直接感測整流器電流的情況下啟用基本零伏開關(guān)操作。這包括在不直接感測整流器電流的情況下提供高品質(zhì)同步整流器驅(qū)動(dòng)信號以及整流器中的反向電流的精確控制。經(jīng)由重現(xiàn)復(fù)制的整流器電流的電流復(fù)制電路，使用由變壓器的次級驅(qū)動(dòng)的電壓-電流轉(zhuǎn)換器來提供間接電流感測。電流復(fù)制電路產(chǎn)生復(fù)制變壓器次級中的電流的控制電壓，其中控制電壓被采用來控制次級整流器開關(guān)的開關(guān)。電流復(fù)制電路包括積分電容器以通過對來自電壓-電流轉(zhuǎn)換器的復(fù)制電流求積分來產(chǎn)生控制電壓。

隨著時(shí)間的推移，誤差電壓可能在電流復(fù)制電路的積分電容器上累積。因此，偏移電路采用電流源以在預(yù)定方向上推動(dòng)控制電壓以便減緩電流復(fù)制電路中的積分電容器上的電壓誤差累積。箝位電路采用二極管以將控制電壓箝制到由電壓源設(shè)置的預(yù)定電壓值以便控制由偏移電路注入的偏移量。驅(qū)動(dòng)電路為了在大范圍的輸入電壓和輸出負(fù)載條件下進(jìn)行近過渡模式操作而啟用轉(zhuǎn)換器的所有開關(guān)中的基本零伏開關(guān)。電路架構(gòu)提供固有的超負(fù)荷和短路保護(hù)以及有助于備用電源管理的孤立轉(zhuǎn)換器的初級和次級之間的通信。

圖1是使用間接感測整流器電流以控制電路的開關(guān)操作的同步整流器電源電路100的示例框圖。如本文所使用，“電路”一詞可以包括執(zhí)行電路功能的有源和/或無源組件的集合，諸如模擬電路或控制電路?！半娐贰币辉~還可以包括集成電路，諸如全部電路元件都在公共襯底上加工的情況。電路100包括具有初級繞組和次級繞組的變壓器110，其中輸入電壓vin被耦接到初級繞組。次級同步整流器120接收來自變壓器110次級的交流(ac)電壓并且響應(yīng)于施加到同步整流器的控制輸入信號124提供整流直流(dc)輸出電壓vout。電路100可以支持vout小于vin的降壓轉(zhuǎn)換器操作、vout大于vin的升壓轉(zhuǎn)換器操作以及支持降壓操作和升壓操作兩者的反激式(flyback)轉(zhuǎn)換器操作。

次級整流器開關(guān)電路130產(chǎn)生施加到次級同步整流器120的控制輸入信號124。電流復(fù)制電路134產(chǎn)生復(fù)制變壓器次級中的電流的控制電壓140。控制電壓140被采用以基于變壓器次級中的電流控制次級整流器開關(guān)電路130的開關(guān)。偏移電路144在預(yù)定方向上推動(dòng)控制電壓140以便減緩電流復(fù)制電路134中的電壓誤差累積。箝位電路150將控制電壓限制到預(yù)定電壓值。

如下面關(guān)于圖2所描述的，電流復(fù)制電路134包括電壓-電流轉(zhuǎn)換器和積分電容器。復(fù)制電路134中的電壓-電流轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生與變壓器次級的ac電壓成比例的復(fù)制電流。復(fù)制電路中的積分電容器通過對來自電壓-電流轉(zhuǎn)換器的復(fù)制電流求積分來產(chǎn)生控制電壓134。通過以這種方式使用電壓-電流轉(zhuǎn)換器和積分電容器，提供了變壓器100次級電流的間接感測。然而，隨著時(shí)間的推移，電壓可能在積分電容器上累積，因此提供偏移電路以減緩電流復(fù)制電路134的積分電容器上的這種累積。

在一個(gè)示例中，偏移電路144在相對于接地的預(yù)定正方向上推動(dòng)控制電壓140。偏移電路144可以包括向電流復(fù)制電路134的積分電容器注射電流的電流源以便在相對于接地的預(yù)定正方向上推動(dòng)控制電壓140。如下面關(guān)于圖2所描述的，箝位電路150可以使用二極管來將控制電壓140箝制到由電壓源設(shè)置的預(yù)定電壓值。

次級整流器開關(guān)電路130可以包括次級零伏開關(guān)比較器，以便相對于添加到整流dc輸出電壓vout的電壓基準(zhǔn)源接通次級同步整流器120。而且，次級整流器開關(guān)電路130可以包括關(guān)斷比較器，以便當(dāng)積分電容器的控制電壓達(dá)到相對于接地的基本零電壓時(shí)關(guān)斷同步整流器120。該關(guān)斷比較器可以用于輸出短路保護(hù)，其中如果整流dc輸出電壓相對于接地短路，則關(guān)斷比較器將關(guān)斷同步整流器120。

如圖所示，電路100還包括切換變壓器110的初級繞組的初級同步整流器160。初級整流器開關(guān)電路170控制初級同步整流器160。初級整流器開關(guān)電路170包括峰值電流檢測器比較器，當(dāng)由電流感測器件180(例如，感測電阻器)感測的初級繞組中的電流達(dá)到預(yù)定電流閾值時(shí)，該峰值電流檢測器比較器關(guān)斷初級同步整流器160。初級整流器開關(guān)電路170可以包括初級零伏開關(guān)檢測器比較器，當(dāng)變壓器110的初級繞組上的電壓達(dá)到預(yù)定電壓閾值時(shí)，該初級零電壓開關(guān)檢測器比較器接通初級同步整流器160。

圖2說明使用間接感測整流器電流以控制電路的開關(guān)操作的同步整流器電源電路200的示例電路實(shí)施方式。電路200包括同步整流器204，該同步整流器204接收來自變壓器206的變壓器次級的交流(ac)電壓并且響應(yīng)于施加到同步整流器的控制輸入信號208提供整流直流(dc)輸出電壓vout。次級整流器開關(guān)電路210產(chǎn)生施加到同步整流器204的控制輸入信號208。電流復(fù)制電路212產(chǎn)生復(fù)制變壓器206的變壓器次級中的電流的控制電壓214。控制電壓214被采用以基于變壓器次級中的電流來控制次級整流器開關(guān)電路210的切換。

電流復(fù)制電路212包括電壓-電流轉(zhuǎn)換器(示出為kvi)以產(chǎn)生與變壓器次級的ac電壓成比例的復(fù)制電流。積分電容器c_v*sec通過對來自電壓-電流變換器kvi的復(fù)制電流求積分來產(chǎn)生控制電壓214。

偏移電路ioffset采用電流源來在預(yù)定方向上推動(dòng)控制電壓以便減緩電流復(fù)制電路212中的積分電容器c_v*sec上的電壓誤差累積。在一些情況下，電路200中的電路組件可以被調(diào)整以便從ioffset提供偏移電流。在其他示例中，可以為ioffset提供專用電流源。箝位電路220采用二極管d1來將控制電壓214箝制到由電壓源vx設(shè)置的預(yù)定電壓值。在一個(gè)示例中，偏移電路ioffset在相對于接地的預(yù)定正方向上推動(dòng)控制電壓214。

次級整流器開關(guān)電路210包括次級零伏開關(guān)比較器224，以便相對于添加到整流dc輸出電壓vout的電壓基準(zhǔn)源234經(jīng)由觸發(fā)器228和延遲件230來接通同步整流器204。次級整流器開關(guān)電路210還包括關(guān)斷比較器238，以便當(dāng)積分電容器c_v*sec的控制電壓214達(dá)到相對于接地的基本零電壓時(shí)關(guān)斷同步整流器204。

如圖所示，初級同步整流器240切換可操作地耦接到變壓器次級的初級繞組。變壓器206的初級繞組還可以包括磁化電感l(wèi)并且由輸入電壓vin驅(qū)動(dòng)。初級整流器開關(guān)電路244控制初級同步整流器240。初級整流器開關(guān)電路244包括峰值電流檢測器比較器248，當(dāng)初級繞組中的電流達(dá)到由電壓源250設(shè)置的預(yù)定電流閾值時(shí)，該峰值電流檢測器比較器248關(guān)斷初級同步整流器240。初級整流器開關(guān)電路244包括初級零伏開關(guān)檢測器比較器254，當(dāng)初級繞組上的電壓達(dá)到由基準(zhǔn)270設(shè)置的預(yù)定電壓閾值時(shí)，該初級零伏開關(guān)檢測器比較器254經(jīng)由觸發(fā)器260和延遲件264接通初級同步整流器240。

變壓器206的次級繞組的電壓被施加到具有轉(zhuǎn)換常數(shù)的電壓-電流變換器kvi。電壓-電流變換器的輸出電流對c_v*sec電容器進(jìn)行充電。結(jié)果，在電容器c_v*sec兩端創(chuàng)建電壓，該電壓是磁化電感l(wèi)中的電流的模擬?？梢赃x擇電容c_v*sec和kvi，使得電壓的數(shù)值等于電流的數(shù)值，然而，其他選擇是可能的(例如，電壓是電流的兩倍)。由于泄漏和偏移，c_v*sec上的dc電流信息可能逐漸惡化，并且電容器上的電壓波形可能向上或向下漂移。因此，適當(dāng)數(shù)值的電流偏移ioffset被注入到c_v*sec電容器中，使得電壓波形被推動(dòng)以便在正方向上漂移，其中由c_v*sec代表的電流可以與轉(zhuǎn)換器的輸出電壓成比例。

c_v*sec上的漂移可以通過經(jīng)由二極管d1將電壓箝制到電壓vx與250處的基準(zhǔn)電壓ipk_ref的總和而被限制。當(dāng)初級同步整流器240和次級同步整流器204中的每一個(gè)兩端的電壓(分別)下降到大約為零時(shí)，這兩個(gè)整流器接通。當(dāng)其中的電流達(dá)到等于在250處設(shè)置的基準(zhǔn)ipk_ref的峰值時(shí)，初級同步整流器240關(guān)斷。當(dāng)c_v*sec兩端的電壓放電到近似為零時(shí)，次級同步整流器204關(guān)斷。結(jié)果，電路20可以自振蕩，當(dāng)由初級整流器240中的分流電阻rshunt檢測到的電流等于經(jīng)由源250設(shè)置的ipk_ref時(shí)或者次級同步整流器204中的電流達(dá)到負(fù)值-vx時(shí)改變狀態(tài)。

圖3說明圖2的示例電路實(shí)施方式的啟動(dòng)波形的示例。圖3的水平軸表示以毫秒為單位的時(shí)間，并且豎直軸表示伏特。波形310表示圖2的磁化電感l(wèi)中的啟動(dòng)電壓波形。波形320說明在圖2的積分電容器c_v*sec兩端形成的電壓波形。如圖所示，引入了小的正偏移，其中c_v*sec上的電壓的量值稍微大于磁化電感l(wèi)兩端的電壓的量值。該波形的電壓最大值經(jīng)由本文描述的箝位電路被箝制到最大值。圖4說明圖2的示例電路實(shí)施方式的穩(wěn)態(tài)操作波形的示例。波形510表示流過初級整流器240的電流。波形520表示流過次級整流器204的電流。電壓波形530和540分別表示初級整流器240和次級整流器204的各自的電壓波形。

圖5說明使用間接感測整流器電流來控制電路的開關(guān)操作的孤立同步整流器電源電路500的示例。鑒于本文描述的先前示例電路，為簡潔起見，沒有描述電路500的一些組件。類似于上面所述，電路500包括同步整流器504，該同步整流器接收來自具有次級的變壓器502的交流(ac)電壓，并且響應(yīng)于施加到同步整流器的控制輸入信號510提供整流直流(dc)輸出電壓。包括觸發(fā)器514的次級整流器開關(guān)電路產(chǎn)生施加到同步整流器504的控制輸入信號510。電流變壓器ct產(chǎn)生與變壓器初級中的電流成比例的感測電流。電流復(fù)制電路包括電壓-電流變換器520和c_v*sec電容器。在初級開關(guān)504關(guān)斷之后，電流復(fù)制電路產(chǎn)生復(fù)制同步整流器/變壓器次級中的電流的控制電壓524?？刂齐妷?24被采用以便基于同步整流器/變壓器次級中的復(fù)制電流來控制次級整流器開關(guān)電路的開關(guān)。電流偏移電路530在預(yù)定方向上推動(dòng)控制電壓524以便減緩電流復(fù)制電路中的電壓誤差累積。電壓偏移電路534以確定量提升電流復(fù)制品，使得當(dāng)控制電壓524達(dá)到零并且同步整流器504關(guān)斷時(shí)，同步整流器/變壓器次級中的電流處于負(fù)值，由此導(dǎo)致初級開關(guān)540的消耗充分接近于零。

在初級開關(guān)540的接通時(shí)間期間，電流變壓器ct將電流傳送到r負(fù)載中，該電流與變壓器的磁化電感中的電流成比例。c_v*sec電容器充電到與變壓器的磁化電感電流成比例的電壓加上534處的偏移電壓voffset的電壓。組件值可以被選擇，使得r負(fù)載上的電壓降的數(shù)值等于磁化電感電流的數(shù)值；然而，其他選擇標(biāo)準(zhǔn)是可能的。當(dāng)初級開關(guān)540關(guān)斷時(shí)，同步整流器504接通，并且c_v*sec以與施加在變壓器502的磁化電感電流兩端的電壓成比例的電流放電。因此，c_v*sec上的電壓的斜率近似等于磁化電感中的電流的衰減的斜率。

當(dāng)磁化電流達(dá)到零值時(shí)，c_v*sec仍然被充電到在534處設(shè)置的voffset值。隨著c_v*sec繼續(xù)放電，磁化電感中的電流反轉(zhuǎn)。當(dāng)c_v*sec上的電壓達(dá)到零時(shí)，同步整流器關(guān)斷比較器544關(guān)斷整流器504，并且負(fù)磁化電感電流被轉(zhuǎn)移到變壓器502的初級以啟用晶體管540的零伏開關(guān)(zvs)接通。該負(fù)電流的振幅由534處的voffset值設(shè)置。為了避免c_v*sec上的電壓失控，在530處添加小的負(fù)偏移電流ioffset，該ioffset至少等于可能在電路中存在的正偏移電流。ioffset被示出僅用以圖示說明的目的。在一些實(shí)施方式中，其效果可以通過適當(dāng)調(diào)整(失配)轉(zhuǎn)換器520的充電或放電電壓-電流轉(zhuǎn)換增益來實(shí)現(xiàn)。

圖6說明圖5的示例孤立電流實(shí)施方式的穩(wěn)態(tài)操作波形的示例。波形610表示同步整流器504中的電流。波形620表示在圖5的積分電容器c_v*sec兩端產(chǎn)生的電壓。波形630表示變壓器ct兩端的電壓，相對地，波形640表示在圖5的積分電容器c_v*sec兩端產(chǎn)生的電壓。

在權(quán)利要求的范圍內(nèi)，有可能在所描述的實(shí)施例中做出修改，并且其他實(shí)施例是可能的。