具有减小的控制器电源充电损耗和减小的电磁干扰的高侧同步整流器驱动器制造技术

本发明专利技术提供了一种反激式变换器，该反激式变换器包括高侧同步整流器开关晶体管。由电源电压供电的次级侧同步整流控制器控制该高侧同步整流器开关晶体管的接通和关断。在该电源晶体管开关处于第一开关状态时，次级侧同步整流控制器主动联通次级侧回路对辅助电容器充电。当该电源晶体管开关处于作为第一开关状态的补充的第二开关状态时，该次级侧同步整流控制器使该辅助电容器连接到存储电源电压的电源电容器，并对电源电容器进行充电。并对电源电容器进行充电。并对电源电容器进行充电。

【技术实现步骤摘要】
具有减小的控制器电源充电损耗和减小的电磁干扰的高侧同步整流器驱动器


[0001]本申请涉及开关电源变换器，并且更具体地讲，涉及具有高侧同步整流器驱动器的隔离型开关电源变换器，该高侧同步整流器驱动器具有主动控制的控制器电源电压充电方式以用于减少充电损耗和减少电磁干扰(EMI)。

技术介绍

[0002]隔离型开关电源变换器诸如反激式开关电源变换器通常用于为移动设备充电，因为该变换器的变压器提供与交流(AC)家用电流的安全隔离。用于反激式变换器的电源开关位于变压器的初级绕组侧上，而在变压器的次级绕组侧产生用于驱动负载的输出电压和输出电流。当电源开关接通以传导初级绕组电流时，次级绕组电流被整流以不被传导。
[0003]二极管可用于对次级绕组电流进行整流，但二极管的使用会降低效率。为了提高效率，可使用同步整流器(SR)开关晶体管对次级绕组电流进行整流。与使用二极管所产生的被动同步整流相比，所得的同步整流可被称为主动同步整流。图1A中示出了具有主动同步整流的示例性常规反激式变换器100。初级侧控制器U1控制连接在地和变压器T的初级绕组W1的下端子之间的电源开关晶体管M1的循环开关。初级绕组W1的上端子连接到输入电压端。输入电容器连接到输入电压端以平滑输入电压Vin。变压器T的次级绕组W2连接到输出电压端以用于向负载(未示出)提供输出电压Vout。在通过返回或接地端连接到次级绕组W2的返回(RTN)端子处接收来自负载的返回电流。
[0004]对于设计者而言，在反激式变换器中实现或定位SR开关晶体管有两个主要选择：在输出电压端上还是在返回端上。在反激式变换器100中，SR开关晶体管位于输出电压端上。SR开关晶体管因此也可被表示为反激式变换器100中的高侧SR开关晶体管。SR控制器(U2)检测电源开关晶体管M1何时已关断并且相应地接通SR开关晶体管。然后次级绕组电流流过次级绕组W2，以利用输出电压Vout对输出电容器Cout充电。
[0005]如果当电源开关晶体管M1再次接通时，则SR开关晶体管将SR开关晶体管关断。当电源开关晶体管M1导通时，在SR开关晶体管的漏极和源极上施加相对大的电压，因为SR开关晶体管的漏极相对于SR开关晶体管的源极的电压差被抬高到Vin/Nps与Vout之和，其中Nps是变压器的匝数比。输入电压Vin来源于AC干线电压的整流，因此可具有相对高的电平。例如，输入电压Vin可高达320V。在这种情况下，如果Vout为20V并且匝数为5，则可在电源开关晶体管导通时，相对于源极电压将SR开关晶体管的漏极电压抬高到84V。对于这种情况，返回端电压比漏极电压低该输出电压，因此RTN端子电压(它是次级侧接地的)将相对于源极电压为64V。
[0006]当电源开关晶体管导通时，这些相对于SR开关晶体管的源极电压相对高的漏极或RTN电压将会降低了给SR控制器的电源电压VCC充电的效率。电源电压VCC存储在Cvcc电容器上，该Cvcc电容器连接在SR开关晶体管的源极端子与SR控制器的VCC端子之间。Cvcc电容器可通过两条路径利用电源电压VCC充电。在第一路径105中，Cvcc电容器从SR控制器的VD
端子所接收的SR开关晶体管的漏极电压充电。在第二路径110中，Cvcc电容器从SR控制器的HV端子接收的RTN端子电压充电。
[0007]无论是路径105还是110用于电源电压VCC的充电，都会产生相对低的效率。例如，在图1B中更详细地示出控制器U2和路径105。路径105从SR开关晶体管的漏极经过SR控制器U2的VD端子延伸，并且经过VCC电压调制器延伸到VCC端子，然后延伸到Cvcc电容器。导电路径诸如路径105的功率损耗可被示出为与Cvcc充电的功率的平方成比例。如果假定Vin为345V，Nps为5，并且Vout为20V，如前所述，则功率为740mW。在相同的条件下，图1A的充电路径110的功率损耗为540mW。由于这些显著功率损耗中的大多数将发生在内部VCC电压调制器上，因此所得的集成电路(IC)热耗散将高得难以承受。
[0008]鉴于Cvcc电容器的充电中的这些功率损耗，常规上改为将SR开关定位在返回端上，如图2中针对反激式变换器200所示。然后可将所得SR开关晶体管表示为低侧SR开关晶体管。但是，与高侧SR开关晶体管相比，低侧SR开关晶体管配置产生更大的EMI。因此，反激式变换器设计人员被迫在效率较差但EMI低的高侧SR开关晶体管具体实施与效率改善而EMI增大的低侧SR开关晶体管具体实施之间进行选择。

技术实现思路

[0009]根据本公开的一个方面，提供了一种用于具有高侧同步整流器开关晶体管的反激式变换器的控制器，该控制器包括：辅助电容器；电源电容器，该电源电容器用于存储该控制器的电源电压；和多个开关，该多个开关具有第一开关状态和第二开关状态，在第一开关状态下，该辅助电容器连接到电荷源并且该电源电容器与该辅助电容器隔离，在第二开关状态下，该辅助电容器与该电荷源隔离并且连接该电源电容器以对该电源电容器充电。
[0010]根据本公开的另一方面，提供了一种对次级侧反激式控制器的电源电压充电的方法，该方法包括：当电源开关晶体管处于第一开关状态时，从电荷源对辅助电容器充电，同时将该辅助电容器与存储电源电压的电源电容器隔离；当电源开关晶体管处于作为第一开关状态的补充的第二开关状态时，将辅助电容器连接到电源电容器，以利用辅助电容器存储电能对电源电容器充电，同时将辅助电容器与电荷源隔离；以及使用该电源电压为用于控制高侧同步整流器开关晶体管的接通和关断的控制器供电。
[0011]通过阅读下面的详细描述，将会更全面地理解本公开的这些和其他方面。在结合附图阅读以下对具体示例性实施方案的描述时，其他方面、特征和实施方案对于本领域普通技术人员而言将变得显而易见。尽管可以相对于某些实施方案和以下附图讨论特征，但所有实施方案可以包括本文所讨论的有利特征中的一个或多个。换句话说，尽管可以将一个或多个实施方案讨论为具有某些有利特征，但根据本文所讨论的各种实施方案，也可以使用此类特征中的一个或多个。以类似的方式，尽管下文可以将示例性实施方案讨论为设备、系统或方法实施方案，但应当理解，此类示例性实施方案可以在各种设备、系统和方法中实现。
附图说明
[0012]图1A示出了具有高侧SR开关晶体管的常规反激式变换器。
[0013]图1B更详细地示出了图1A的常规反激式变换器的次级侧。
[0014]图2示出了具有低侧SR开关晶体管的常规反激式变换器。
[0015]图3将用于非连续连接模式(DCM)操作的一些常规操作波形与用于根据本公开的一个方面的主动控制的那些常规操作波形进行比较。
[0016]图4将用于连续导通模式(CCM)操作的一些常规操作波形与用于根据本公开的一个方面的主动控制的那些常规操作波形进行比较。
[0017]图5示出了根据本公开的一个方面的具有主动控制的反激式变换器，该主动控制用于SR控制器电源电压的充电，其中电荷源是输出电容器。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于具有高侧同步整流器开关晶体管的反激式变换器的控制器，所述控制器包括：辅助电容器；电源电容器，所述电源电容器用于存储所述控制器的电源电压；和多个开关，所述多个开关具有第一开关状态和第二开关状态，在所述第一开关状态下，所述辅助电容器连接到电荷源并且所述电源电容器与所述辅助电容器隔离，在所述第二开关状态下，所述辅助电容器与所述电荷源隔离并且连接所述电源电容器以对所述电源电容器充电。2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述控制器是被配置为响应于电源开关晶体管的开关状态来控制所述高侧同步整流器开关晶体管的循环开关的同步整流器控制器，并且其中所述同步整流控制器被进一步配置为控制所述多个开关，使得在所述电源开关晶体管关断时发生所述第一开关状态，并且使得在所述电源开关晶体管接通时发生所述第二开关状态。3.根据权利要求1所述的控制器，其中所述控制器是被配置为响应于电源开关晶体管的开关状态来控制所述高侧同步整流器开关晶体管的循环开关的同步整流器控制器，并且其中所述同步整流器控制器被进一步配置为控制所述多个开关，使得在所述电源开关晶体管接通时发生所述第一开关状态，并且使得在所述电源开关晶体管关断时发生所述第二开关状态。4.根据权利要求1所述的控制器，其中所述电荷源包括输出电容器，所述输出电容器具有连接到所述高侧同步整流器开关晶体管的漏极的正极板，并且其中所述多个开关包括：第一开关，所述第一开关连接在所述输出电容器的正极板与所述辅助电容器的正极板之间；第二开关，所述第二开关连接在所述辅助电容器的负极板与所述输出电容器的负极板之间；第三开关，所述第三开关连接在所述辅助电容器的所述正极板与所述电源电容器的正极板之间；和第四开关，所述第四开关连接在所述辅助电容器的所述负极板与所述电源电容器的负极板之间。5.根据权利要求1所述的控制器，其中所述电荷源包括变压器的次级绕组，所述次级绕组具有连接到所述高侧同步整流器开关晶体管的源极的输出电压端子，并且其中所述多个开关包括：第一开关，所述第一开关连接在所述次级绕组的所述输出电压端子与所述辅助电容器的正极板之间；第二开关，所述第二开关连接在所述辅助电容器的负极板与所述次级绕组的接地返回端子之间；第三开关，所述第三开关连接在所述辅助电容器的所述正极板与所述电源电容器的正极板之间；和第四开关，所述第四开关连接在所述辅助电容器的所述负极板与所述电源电容器的负极板之间。
6.根据权利要求4所述的控制器，其中所述第一开关包括第一开关晶体管，所述第二开关包括二极管，并且所述第四开关包括第二开关晶体管。7.根据权利要求6所述的控制器，其中所述第三开关包括第三开关晶体管，所述第三开关晶体管通过电源电压调制器连接到所述电源电容器的所述正极板。8.根据权利要求7所述的控制器，其中所述控制器被进一步配置为：在电源开关晶体管接通时，关断所述第一开关晶体管，接通所述第二开关晶体管，并且接通所述第三开关晶体管，以及在所述电源...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯光，孔鹏举，刘希元，踪晴晴，
申请(专利权)人：戴洛格半导体公司，
类型：发明
国别省市：