在开关功率转换器中的同步整流的系统和方法技术方案

公开了在反激式功率转换器中的同步整流的系统和方法。根据实施方式，开关电源包括功率转换器和控制器。功率转换器具有电感器、电容器和开关元件。开关元件配置成将在电感器中的电流整流用于给电容器充电以形成用于给负载供电的电压。开关元件包括开关和二极管。控制器配置成控制开关元件并检测负载条件。当负载条件被检测到时，控制器控制开关元件以主动地将在电感器中的电流整流用于给电容器充电。当负载条件未被检测到时，控制器保持开关元件断开，使得电流被动地由二极管整流。

System and method of synchronous rectification in switching power converter

【技术实现步骤摘要】
在开关功率转换器中的同步整流的系统和方法
本专利技术涉及开关电源的领域。更特别地，本专利技术涉及执行在开关功率转换器中的同步整流的系统和方法。
技术介绍
离线开关电源从交流(AC)电源接收功率并提供可用于给负载供电的电压调节的直流(DC)输出。示例性离线电源包括功率因数校正(PFC)级和DC到DC转换器级。PFC级接收AC输入信号，对AC信号执行整流并维持从AC源引出的电流与AC电压实质上同相，使得电源对AC源表现为电阻性负载。DC到DC转换器级接收PFC级的输出并产生电压调节的DC输出，其可以用于给负载供电。PFC级的输出一般处于较高的电压且比DC到DC级的输出更宽松地被调节。反激式功率转换器(或更简单地，反激式转换器)可在DC到DC功率转换器中被使用。反激式转换器使用变压器，其将能量从反激式转换器的输入转移到它的输出并提供在反激式转换器的输入和输出之间的电隔离以及电压倍增。通过使开关闭合来将输入电压(例如PFC级的整流输出电压)施加在变压器初级绕组两端；作为结果，初级绕组电流流动且在变压器中的磁通量增加，将能量存储在变压器中。当开关断开时，电压被移除且初级绕组电流下降，同时磁通量下降。作为结果，电流在变压器的次级绕组中被感生出。这个感生电流被整流并用于给输出电容器充电。在输出电容器两端形成的输出电压可用于给负载供电。二极管可用于将在变压器的次级绕组中感生出的电流整流。然而，由于二极管在被正向加偏压时的非零接通电阻，二极管的这样的使用引起低效。所需要的是提高效率的开关电源的技术。进一步需要的是在各种负荷条件下提高效率的开关电源。
技术实现思路
公开了在反激式功率转换器中的同步整流的系统和方法。根据实施方式，开关电源包括功率转换器和控制器。功率转换器具有电感器、电容器和开关元件。开关元件被配置成将在电感器中的电流整流用于给电容器充电以形成用于给负载供电的电压。开关元件包括开关和二极管。控制器配置成控制开关元件并检测负载条件。当负载条件被检测到时，控制器控制开关元件以主动地将在电感器中的电流整流用于给电容器充电。当负载条件被检测到时，控制器保持开关元件断开，使得电流被动地由二极管整流。附图说明本专利技术关于其特定的示例性实施方式被描述，且相应地参考附图，其中：图1示出根据本专利技术的实施方式的二级离线电源的方框示意图；图2示出根据本专利技术的实施方式的适合于在DC到DC转换器中使用的反激式转换器；图3示出根据本专利技术的实施方式的具有同步整流器的反激式转换器的次级绕组部分；图4示出根据本专利技术的实施方式的同步整流器；图5示出根据本专利技术的实施方式的具有同步整流器的反激式转换器的次级绕组部分；图6示出根据本专利技术的实施方式的用于执行同步整流的控制器电路；以及图7示出根据本专利技术的实施方式的负载检测电路。具体实施方式本专利技术的目的在于执行在开关功率转换器中的同步整流的系统和方法。根据实施方式，场效应晶体管用于执行电感器电流的同步整流，以便给电容器充电。在电容器两端形成的电压可用于给负载供电。可在反馈回路中调节在电容器两端形成的电压(也被称为“输出电压”)。例如，表示在输出电压和输出电压的期望电平之间的差异的误差信号可用于调制开关频率，以便调节到输出电压。在反激式转换器的情况下，例如电感器电流可以是在变压器的次级绕组中感生的电流。可结合包括串联谐振转换器(SRC)、两个电感器、一个电容器转换器(LLC)等的各种开关转换器拓扑来利用本专利技术。在第一负荷条件下，电感器电流的整流由二极管被动地执行。二极管优选地是场效应晶体管的体二极管。可选地或此外，二极管可以是分立二极管。在任一情况下，通过将场效应晶体管维持在断开(非导电状态)中使得二极管执行整流来实现被动整流。在第二负荷条件下，通过控制场效应晶体管使得它的切换与功率转换器的切换同步来主动地执行电感器电流的整流。这可通过监测在电感器处或附近的电压并比较所监测的电压与一个或多个阈值电压电平以控制在每个开关周期期间的适当时间接通和关掉晶体管以便执行同步整流来实现。第一和第二负荷条件指当负载耦合成接收输出电压并消耗来自功率转换器的功率时由负载消耗的功率的量。更特别地，第一负荷条件优选地指示轻负载，而第二负荷条件优选地指示重负载。因此，根据实施方式，在轻负荷条件下，整流由二极管被动地执行，而在重负荷条件下，整流通过同步地控制场效应晶体管而主动地被执行。当使用频率调制来调节输出电压时，可通过监测开关频率来确定转换器是在轻负载条件下还是重负载条件下操作。例如，可通过监测开关周期来确定开关频率。可选地，可通过监测开关周期的一部分的持续时间(例如开关转换器的主功率开关的断开时间或接通时间)来确定开关频率。在实施方式中，负荷条件确定是二进制的，意味着负载要么是“轻的”要么是“重的”。例如，低于80kHz的开关频率可被指定为指示“轻”负载，而在80kHz处或之上的开关频率可被指定为指示“重”负载。可选地，可检测负荷的额外水平(例如“轻”、“中等”和“重”)。此外，不是使用开关频率来确定负荷条件，另一参数(例如误差信号)可被监测。在实施方式中，当确定负荷从轻转变到重时，从被动整流到同步(即主动)整流的转变被延迟(例如预定的时间周期或预定数量的开关循环)。这个延迟确保负荷转变到稳态重负载而不是瞬间转变，且被预期防止在被动整流和同步整流之间的过度或不必要的转变，否则其可能干扰调节在反馈环中的开关转换器输出。可例如通过对功率转换器的开关循环的数量计数或通过确定时间延迟的某种其它方法(例如通过使用延迟定时器)来确定延迟。例如，一旦从轻到重负荷的转变被检测到，则从被动到主动整流的转变就可被延迟一个时间周期，其可被测量为例如65个开关循环。在实施方式中，当确定为负荷从重转变到轻时，从同步整流到被动整流的转变可立即出现。图1示出根据本专利技术的实施方式的两级离线电源100的方框示意图。如图1所示，功率因数校正(PFC)级102具有耦合到交流(AC)源的输入。PFC级102对AC输入信号执行整流并维持从AC源引出的电流与AC电压实质上同相，使得电源100对AC源表现为电阻性负载。PFC级102产生宽松地调节的电压VDC，其作为输入被提供到DC到DC转换器104。使用输入VDC，DC到DC转换器级104产生电压调节的DC输出VO，其可用于给负载供电。VDC的电平优选地处于较高的电压，且比DC到DC转换器级104的输出VO更宽松地被调节。PFC级102的输出VDC的标称电平可以例如是大约380伏DC，而DC到DC转换器级104的电压调节的输出VO可以例如是大约12.0伏DC。图2示出根据本专利技术的实施方式的反激式转换器150。反激式转换器适合于在开关电源的DC到DC转换器(例如图1的DC到DC转换器104)中被使用。反激式转换器150接收来自源VIN的输入电压，其可以是PFC级输出VDC或可从其它源(例如整流器和/或电磁干扰(EMI)滤波器)被接收。如图2所示，输入电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关电源，包括：/n功率转换器，其具有电感器、电容器和开关元件，所述开关元件配置成将在所述电感器中的电流整流用于给所述电容器充电以形成用于给负载供电的电压，其中所述开关元件包括开关和二极管；以及/n控制器，其配置成控制所述开关元件并检测负载条件，其中当所述负载条件被检测到时，所述控制器控制所述开关元件以主动地将在所述电感器中的所述电流整流用于给所述电容器充电，以及其中当所述负载条件未被检测到时，所述控制器保持所述开关元件断开，使得所述电流被动地由所述二极管整流。/n

【技术特征摘要】
20180620 US 16/0139241.一种开关电源，包括：
功率转换器，其具有电感器、电容器和开关元件，所述开关元件配置成将在所述电感器中的电流整流用于给所述电容器充电以形成用于给负载供电的电压，其中所述开关元件包括开关和二极管；以及
控制器，其配置成控制所述开关元件并检测负载条件，其中当所述负载条件被检测到时，所述控制器控制所述开关元件以主动地将在所述电感器中的所述电流整流用于给所述电容器充电，以及其中当所述负载条件未被检测到时，所述控制器保持所述开关元件断开，使得所述电流被动地由所述二极管整流。


2.如权利要求1所述的开关电源，其中所述开关元件包括场效应晶体管，以及所述二极管包括所述场效应晶体管的体二极管。


3.如权利要求1所述的开关电源，其中使用开关频率调制来调节在所述电容器上的电压，以及其中通过监测所述开关频率来检测所述负载条件。


4.如权利要求3所述的开关电源，其中当所述开关频率超过阈值时，所述负载条件被检测到。


5.如权利要求4所述的开关电源，其中当所述开关频率超过所述阈值时，所述负载条件是重的。


6.一种用于开关电源的同步整流器，所述同步整流器包括：
负载条件检测器，其配置成检测所述电源的负载条件；以及
同步整流控制器，其配置成基于检测到的负载条件来控制用于执行同步整流的晶体管开关，其中当所述负载条件被检测到时，所述控制器配置成控制所述晶体管开关以主动地将电流整流，以及其中当所述负载条件未被检测到时，所述控制器配置成保持所述整流器断开，使得所述电流由二极管被动地整流。


7.如权利要求6所述的同步整流器，其中所述同步整流器被实现为三端子集成电路并包括所述晶体管开关。


8.如权利要求6所述的同步整流器，其中所述同步整流器被实现为四端子集成电路并包括用于控制所述晶体管开关的端子。


9.如权利要求6所述的同步整流器，其中所述同步整流控制器包括配置成比较电感器电压与第一阈值的第一比较器和配置成比较所述电感器电压与第二阈值的第二比较器，其中所述第一比较器和所述第二比较器的输出用于在执行主动整流时控制所述晶体管开关被断开和闭合时的时刻。


10.如权利要求9所述的同步整流器，其中使用用于产生参考电压的电阻元件的激光修整来调整第一参考电压和第二参考电压中的至少一个。


11.如权利要求9所述的同步整流器，其中所述负载检测器测量开关频率，用于检测所述负载条件。


12.如权利要求11所述的同步整流器，其中所述负载检测器通过测量所述开...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄新年，A·齐，
申请(专利权)人：虹冠电子工业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;TW