正向转换器及次级侧开关控制器制造技术

本申请案涉及一种正向转换器及一种次级侧开关控制器。正向转换器具有含有用于控制功率开关的切换的PWM控制器的初级侧且具有经由变压器耦合到所述初级侧的次级侧。所述次级侧包含正向晶体管及钳位晶体管。次级侧开关控制器在不与所述初级侧进行通信的情况下控制所述正向晶体管及所述钳位晶体管的切换。所述次级侧开关控制器检测次级绕组的末端处的电压的上升及下降以控制所述正向晶体管及所述钳位晶体管的所述切换。延迟锁定环路DLL提供于所述次级侧开关控制器中，所述DLL在关断所述功率开关时接通所述钳位晶体管且在接通所述功率开关之前的预定时间关断所述钳位晶体管。单独电路在不连续模式期间控制所述钳位晶体管。

【技术实现步骤摘要】
正向转换器及次级侧开关控制器
本专利技术涉及控制经隔离DC/DC正向转换器中的次级侧同步整流器的方法。明确地说，本专利技术涉及在不具有与初级侧的经由隔离边界的显式通信的情况下控制次级侧整流器。
技术介绍
图1图解说明一种类型的现有技术正向转换器。正向转换器是使用变压器来相对于输入电压而增加或减小输出电压(取决于变压器绕组比)且提供负载的隔离的DC/DC转换器。在正向转换器中，与回扫转换器不同，能量在初级侧开关传导阶段期间通过变压器动作而被传递到正向转换器的输出。正向转换器的最大输出电压受隔离变压器T1匝数比Ns/Np约束，其中Ns是次级侧绕组且Np是初级侧绕组。Vout等于PWM工作循环*Ns/Np*Vin。通常，在图1中，脉冲宽度调制(PWM)控制器IC12使用任一类型的经隔离反馈电路13(例如用以实现隔离的光电二极管-光电检测器光学传感器或变压器)来感测Vout。PWM控制器IC12将反馈信号与参考信号进行比较且调整功率MOSFETM1的工作循环以使反馈信号匹配到参考信号。更明确地说，PWM控制器IC12产生具有所需工作循环的固定频率脉冲以用于控制功率MOSFETM1(或其它类型的晶体管)且还用于控制次级侧MOSFETMFG及MCG以便使Vout保持处于预定经调节电压。MFG是指正向栅极晶体管(在本文中还称为正向MOSFET)，且MCG是指钳位栅极晶体管(在本文中还称为钳位MOSFET)。钳位晶体管还称作同步整流器且替代二极管。同步整流器比二极管高效，这是因为存在较低电压降，且输出电压可通过使用同步整流器而为较低的。当PWM控制器IC12经由其初级侧输出引脚OUT而发出脉冲以接通MOSFETM1时，其还经由其次级侧输出引脚SOUT而发出脉冲以控制次级侧MOSFETMFG及MCG。当MOSFETM1接通时，MOSFETMFG接通且MOSFETMCG关断。当MOSFETM1关断时，MOSFETMFG关断且MOSFETMCG接通。对脉冲进行精确计时以确保在MOSFETM1接通时MOSFETMCG关断以避免浪费能量。从PWM控制器IC12到次级侧的控制信号需要经由变压器T2与次级侧隔离。次级侧控制器IC14在其SYNC输入处接收控制信号且与MOSFETM1的切换同步地控制MOSFETMFG及MCG。当正向MOSFETMFG接通时，斜升电流流经输出电感器Lout，且输出电容器Cout使纹波变平稳以形成DC输出Vout。当MOSFETM1及MFG关断且MOSFETMCG接通时，MOSFETMCG致使斜降电流流经电感器Lout。穿过MOSFETMCG的电流由次级侧控制器IC14通过检测跨越其的电压(CSN及CSP)而监视。如果电流将要反向(CSP约等于CSN)，那么控制器IC14将MOSFETMCG关断以便不浪费电力。当MOSFETM1关断时，由PWW控制器IC12控制的复位电路16(例如)通过在MOSFETM1的关断时间期间在初级绕组与接地之间暂时连接一串联电容器而将变压器T1的初级绕组复位到启动状态。图2图解说明由IC12及14接收及产生的用以通过控制MOSFETM1的固定频率工作循环而产生经调节Vout的典型控制信号。图1的现有技术转换器的一个缺点是变压器T2增加转换器的成本及大小。其还增加系统的复杂性。需要一种可在不使用如变压器T2的单独变压器的情况下同步地控制次级侧MOSFET(或其它类型的晶体管)的正向转换器。
技术实现思路
本专利技术揭示一种正向转换器，其不使用与初级侧的任何显式通信来控制次级侧上的正向及钳位MOSFET(或其它类型的晶体管)。经检测用于控制次级侧晶体管的所有信号均从所述次级侧获得。因此，不需要用于初级侧到次级侧通信的变压器，从而与现有技术相比显著减小转换器的大小及成本。所述转换器感测隔离变压器的次级绕组与正向MOSFETMFG之间的电压。此电压称为正向开关(FSW)电压。当初级侧MOSFETM1接通时，FSW将下降到低于阈值，且所述所感测下降用于接通所述次级侧中的正向MOSFETMFG。钳位MOSFETMCG从不在MOSFETM1及MFG接通的同时接通是非常重要的以便实现最大效率。由于PWM控制器在固定频率下操作，因此延迟锁定环路(DLL)在所述次级侧中用于预测所述MOSFETM1在每一循环内将接通的时间。所述DLL使用所述隔离变压器与输出电感器之间的电压电平来识别所述MOSFETM1何时接通及关断。所述电压称为钳位开关(CSW)电压，其中所述CSW电压在所述功率MOSFETM1接通时具有上升边缘。通过确保MOSFETMCG在所述CSW信号上升之前的100纳秒关断，所述DLL在所述MOSFETM1接通之前的预定时间(例如100纳秒)自动关断所述钳位MOSFETMCG。所述MOSFETMCG大约在因检测到所述CSW信号的下降而关断所述MOSFETM1时被接通。如可见，所述钳位MOSFETMCG仅由次级侧信号控制以绝不在所述MOSFETM1及MFG接通的同时接通。在所述MOSFETMCG的100纳秒关断状态期间，由所述MOSFETMCG传导的任何电流由其体二极管传导。以上操作称为预测性方案，因为电路预测何时将接通MOSFETM1且在MOSFETM1的所预测接通之前的100纳秒关断钳位MOSFETMCG。使用DLL的以上操作适用于在中等到高负载电流下以连续模式操作的转换器。然而，在极轻负载情况下，PWM控制器可进入到可变频率模式中，其中初级侧MOSFETM1保持关断达若干工作循环，而输出电容器将低电流供应到所述负载，直到输出电压下降到低于阈值电压为止。此外，钳位MOSFETMCG具有最小接通时间，例如250纳秒。此最小接通时间可能太长以致在负载电流足够低的情况下也无法避免传导反向电流，因此期望在此情况的循环期间不接通MOSFETMCG。在任一情形中，至少钳位MOSFETMCG在若干循环内保持关断。此称为不连续模式。在此情景中，正向转换器使用反应式方案来确定何时关断钳位MOSFETMCG。当跨越所述MOSFETMCG的电压低于指示穿过MOSFETMCG的极低电流的下限阈值时，关断MOSFETMCG以防止反向电流从输出电容器流动。在使MOSFETMCG保持关断时，通过MOSFETMCG进行的任何整流动作将由其体二极管执行。接着使MOSFETMCG及MFG两者保持关断达评估周期。如果在所述评估周期(例如，等于三个CSW电压上升循环时间)内检测到负载电流继续将高于阈值电平，那么确定转换器应摆脱其不连续模式，且重新开始上文所描述的预测性方案。描述了各种其它实施例。附图说明图1图解说明使用到次级侧的初级侧通信用于控制次级侧晶体管的现有技术DC/DC正向转换器。图2展示图1的转换器中所产生的信号的实例。图3图解说明根据本专利技术的一个实施例的正向转换器。图4展示图3的转换器中所产生的处于中等到高负载电流的预测性操作模式中所使用的信号的实例。图5图解说明用于预测初级侧功率MOSFETM1的接通及在接通MOSFETM1之前的预定时间关断钳位MOSFETMCG的延迟锁定环路(DLL)电路。图6展示图5的DLL中所产生的信号的实例。图7图解说明用于依据次级侧绕组上的所检测模拟CSW信号而产生供在图5的电路中使用的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种正向转换器，其包括：初级侧，其含有用于以工作循环控制功率开关的切换以实现所述转换器的经调节输出电压的脉冲宽度调制PWM控制器；变压器，其具有连接到所述功率开关的初级绕组，及次级绕组；次级侧，其经由所述变压器耦合到所述初级侧，所述次级侧包含正向晶体管及钳位晶体管；所述次级侧包含在不与所述初级侧进行通信的情况下控制所述正向晶体管及所述钳位晶体管的切换的次级侧开关控制器，所述次级侧开关控制器包括：第一电路，其耦合到所述次级绕组的第一端且检测所述次级绕组的所述第一端处的第一电压的上升边缘及下降边缘，所述上升边缘及所述下降边缘对应于所述功率开关的接通及关断，所述第一电路在所述第一电压的上升边缘后即刻产生第一数字信号且在所述第一电压的下降边缘后即刻产生第二数字信号；以及第二电路，其接收所述第一数字信号及所述第二数字信号，所述第二电路在检测到所述第二数字信号后即刻接通所述钳位晶体管，所述第二电路在针对每一循环检测到所述第一数字信号之前的预定时间周期关断所述钳位晶体管，使得所述钳位晶体管在接通所述功率开关之前被关断。

【技术特征摘要】
2014.01.22 US 14/160,8311.一种正向转换器，其包括：初级侧，其含有用于以工作循环控制功率开关的切换以实现所述转换器的经调节输出电压的脉冲宽度调制PWM控制器；变压器，其具有连接到所述功率开关的初级绕组，及次级绕组；次级侧，其经由所述变压器耦合到所述初级侧，所述次级侧包含正向晶体管及钳位晶体管；所述次级侧包含在不与所述初级侧进行通信的情况下控制所述正向晶体管及所述钳位晶体管的切换的次级侧开关控制器，所述次级侧开关控制器包括：第一电路，其耦合到所述次级绕组的第一端且检测所述次级绕组的所述第一端处的第一电压的上升边缘及下降边缘，所述上升边缘及所述下降边缘对应于所述功率开关的接通及关断，所述第一电路在所述第一电压的上升边缘后即刻产生第一数字信号且在所述第一电压的下降边缘后即刻产生第二数字信号；第二电路，其接收所述第一数字信号及所述第二数字信号，所述第二电路在检测到所述第二数字信号后即刻接通所述钳位晶体管，所述第二电路在针对每一循环检测到所述第一数字信号之前的预定时间周期关断所述钳位晶体管，使得所述钳位晶体管在接通所述功率开关之前被关断；以及第三电路，其耦合到所述次级绕组的第二端且检测所述次级绕组的所述第二端处的第二电压的至少一下降边缘，所述第三电路的输出耦合到所述正向晶体管以用于在检测到所述第二电压的所述下降边缘后即刻接通所述正向晶体管。2.根据权利要求1所述的转换器，其中所述第二电路包括接收所述第一数字信号及所述第二数字信号的延迟锁定环路DLL，所述DLL具有等于所述功率开关的切换频率的频率且提供等于所述钳位晶体管在所述功率开关接通之前关断的所要时间的延迟时间，所述DLL具有经耦合以控制所述钳位晶体管接通及关断的输出。3.根据权利要求2所述的转换器，其中所述DLL包括：复位置位触发器，其具有控制所述钳位晶体管的接通及关断的输出，所述触发器的置位端子接收所述第二数字信号；比较器，其具有耦合到所述触发器的复位端子的输出；斜坡产生器，其产生斜坡电压、连接到所述比较器的一个输入，所述比较器的第二输入连接到阈值电压，其中当所述斜坡产生器的电压电平超过所述阈值电压时，所述触发器经触发以将其输出复位以关断所述钳位晶体管；复位电路，其连接到所述斜坡产生器以用于在每一切换循环的开始以初始电平重新启动所述斜坡产生器；以及可控制电流产生器，其耦合到所述斜坡产生器以用于基于所述延迟时间而改变所述斜坡电压的上升速率，其中用以关断所述钳位晶体管的对所述比较器的触发发生于在产生所述第一数字信号的时间之前的等于所述延迟时间的时间。4.根据权利要求3所述的转换器，其中所述可控制电流产生器包括：跨导放大器，其具有耦合到所述斜坡产生器以用于基于所述延迟时间而改变所述斜坡电压的上升速率的输出；高侧第一电流源，其产生第一电流、耦合到所述跨导放大器的第一输入；低侧第二电流源，其也产生所述第一电流、耦合到所述跨导放大器的所述第一输入；低侧第三电流源，其也产生所述第一电流、耦合到所述跨导放大器的所述第一输入；第一开关，其在检测到所述第一数字信号后即刻将所述第二电流源选择性地耦合到接地达所述延迟时间；第二开关，其将所述第三电流源选择性地耦合到接地达约等于所述切换循环减去所述延迟时间所得的时间的周期；以及电容器，其耦合到所述跨导放大器的所述第一输入，其中所述第二开关的切换持续时间由所述DLL控制，使得施加到所述跨导放大器的所述第一输入的电压基于所述延迟时间而控制所述斜坡电压的所述上升速率以致使所述钳位晶体管在产生所述第一数字信号的时间之前的等于所述延迟时间的时间关断。5.根据权利要求1所述的转换器，其中所述正向晶体管及所述钳位晶体管为MOSFET。6.一种正向转换器，其包括：初级侧，其含有用于以工作循环控制功率开关的切换以实现所述转换器的经调节输出电压的脉冲宽度调制PWM控制器；变压器，其具有连接到所述功率开关的初级绕组，及次级绕组；次级侧，其经由所述变压器耦合到所述初级侧，所述次级侧包含正向晶体管及钳位晶体管；所述次级侧包含在不与所述初级侧进行通信的情况下控制所述正向晶体管及所述钳位晶体管的切换的次级侧开关控制器，所述次级侧开关控制器包括：第一电路，其耦合到所述次级绕组的第一端且检测所述次级绕组的所述第一端处的第一电压的上升边缘及下降边缘，所述上升边缘及所述下降边缘对应于所述功率开关的接通及关断，所述第一电路在所述第一电压的上升边缘后即刻产生第一数字信号且在所述第一电压的下降边缘后即刻产生第二数字信号；第二电路，其接收所述第一数字信号及所述第二数字信号，所述第二电路在检测到所述第二数字信号后即刻接通所述钳位晶体管，所述第二电路在针对每一循环检测到所述第一数字信号之前的预定时间周期关断所述钳位晶体管，使得所述钳位晶体管在接通所述功率开关之前被关断，其中所述第二电路起作用以在所述转换器的连续传导模式期间接通及关断所述钳位晶体管；以及用于在不连续传导模式期间控制所述钳位晶体管的第三电路，所述第三电路包括：比较器，其用于检测跨越所述钳位晶体管的电压以识别低负载电流条件，其中所述比较器在所述低负载条件期间在所述第二数字信号的上升边缘之后的第一周期内触发；计数器，其经配置以在评估周期期间对所述第一数字信号的上升边缘的特定数目进行计数；以及逻辑电路，其耦合到所述比较器及所述计数器，所述逻辑电路经配置以用于在确定于所述第一周期内触发所述比较器从而证明所述低负载电流条件的情况下使所述钳位晶体管保持关断达一或多个循环，且其中所述逻辑电路经进一步配置以在所述评估周期期间在所述第一数字信号的预定数目个上升边缘内在所述比较器于所述第一周期内并未触发的情况下允许所述钳位晶体管被接通。7.根据权利要求6所述的转换器，其中所述第一周期是由单触发电路置位。8.根据权利要求6所述的转换器，其中上升边缘的所述特定数目为两个以上。9.一种次级侧开关控制器，其用于在不与正...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·K·尼兰詹，
申请(专利权)人：凌力尔特公司，
类型：发明
国别省市：美国;US