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。
技術(shù)背景如圖1所示，典型的開關(guān)電源(SMPS)包括初級(jí)側(cè)部件150和次 級(jí)側(cè)部件。初級(jí)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(cè)電阻器 112、涌流抑制電容器114、具有初級(jí)繞組120和次級(jí)繞組118的變壓器 116、整流二極管102、濾波電容器104以及光隔離器126。次級(jí)或"冷 側(cè)"部件包括次級(jí)變壓器繞組122和124、整流二極管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。控制器106向MOSFET 108提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)VD，以在變壓 器116的初級(jí)繞組120中產(chǎn)生電流。變壓器116的次級(jí)繞組118提供電壓 源，當(dāng)分別被二極管102和電容器104整流并濾波時(shí)，向控制器106提供 電源電壓VDD。反饋信號(hào)Vra由經(jīng)過整流并濾波的次級(jí)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(duì)反饋信號(hào)Vfb和參考 值進(jìn)行比較，并且響應(yīng)于反饋信號(hào)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(duì)SMPS中操作電平的調(diào)節(jié)。電阻器112 感測(cè)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(hào)的 初級(jí)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。通過二極管128和136分別對(duì)來自變壓器116的次級(jí)繞組122和 124的信號(hào)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(duì)跨過繞組122和124的所獲得的信號(hào)的整流 可通過在地與電源輸出之間與各自的繞組串聯(lián)的二極管來完成。在所述的典型SMPS中，其中一個(gè)二極管，128，被設(shè)置為其陰極連接其特定電源 的正輸出，從而使得二極管128的陽極和陰極都遠(yuǎn)離地。在示例性的+12V 供電中，二極管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二極管的電壓降。在 更高的電源中，由于跨過整流二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MOSFET)可用作低電壓降 開關(guān)，以代替二極管。這種技術(shù)被稱作同步整流。同步整流要求對(duì)同步整 流器的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制，以在被整流的信號(hào)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AnachipAP436，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(jiǎn)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┓桨福坏潜景l(fā)明可包 含在下面沒有提出的多種方案。所公開的實(shí)施例涉及一種設(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(hào)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(hào)異相的第二 信號(hào)，所述第二器件被配置為在所述第二信號(hào)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(cè)器，其可以是二極管峰值檢測(cè)器，并響應(yīng)所述 第二信號(hào)的幅度，所述檢測(cè)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(cè)器可響應(yīng)于所述第二信號(hào)的幅度的增加，減少所 述第一器件的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間。另一實(shí)施例包括用于當(dāng)該連接元件導(dǎo)通時(shí)將第一信號(hào)連接到參考電 平的元件；用于在第二信號(hào)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(hào)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)施例是一種方法，該方法包括以下步驟通過器件的導(dǎo)通，使第一信號(hào)連接到參考電平；對(duì)第二信號(hào)進(jìn)行微分；響應(yīng)于所述微分后的第 二信號(hào)，控制所述器件的導(dǎo)通；并且響應(yīng)于所述第二信號(hào)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(hào)的幅 度的增加，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1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)施方式
圖2所示的分立控制電路的實(shí)施例滿足對(duì)低成本、同歩整流器控制器 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(jí)側(cè)電路150 是一種典型的開關(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(jí)繞組122和124，以獲得不同的電源電 壓。二極管128在該系統(tǒng)中用作常規(guī)的整流器。對(duì)于+6.5V供電使用該高 端整流器有雙重目的對(duì)來自繞組122的信號(hào)S3進(jìn)行整流以產(chǎn)生+6.5V的 供電，并且因此，在二極管128陽極的AC信號(hào)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(hào)。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二極管都要低很多，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 卻二極管的大散熱器。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(jí)側(cè)的接地電勢(shì)。這種配置使得向MOSFET 214產(chǎn)生驅(qū) 動(dòng)信號(hào)變簡(jiǎn)單。根據(jù)信號(hào)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(hào)S3的極性與出現(xiàn)在MOSFET 214漏極的信號(hào)S2的極性相 反。通過對(duì)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(hào)S3的極性為信號(hào)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(hào)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(hào)S2箝位于接地電勢(shì)，從而將信號(hào)S2整流得到+12V的輸出。控制器 106被設(shè)計(jì)為使得信號(hào)S2和S3可具有可變的占空因數(shù)(duty cycle);并且信號(hào)S3的正部分以更高的線電壓在持續(xù)時(shí)間內(nèi)增加。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MOSFET 214僅當(dāng)信號(hào)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(duì)信號(hào)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(duì)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(與諸如二極管 128的傳統(tǒng)整流器二極管相比)二極管136在信號(hào)S2的負(fù)偏移期間導(dǎo)通， 在此期間，由于對(duì)MOSFET 214的柵極驅(qū)動(dòng)時(shí)間間隔可能短于信號(hào)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(duì)于二極管136所述 的功能也可以通過MOSFET 214的內(nèi)部寄生二極管執(zhí)行。二極管206和電 容器208對(duì)信號(hào)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(duì)由二極管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(duì)于二極管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(hào)S,，此電壓是變 壓器116的繞組120的初級(jí)電壓。圖4上方的描記線示出在次級(jí)繞組124中感應(yīng)得到的信號(hào)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(duì)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R!和R2所示。將柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(hào)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(cè)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(huì)減少柵極驅(qū)動(dòng)電壓高于導(dǎo)通閾值R,或&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(duì)各個(gè)實(shí)施例作出各種變型。
權(quán)利要求
1.一種裝置，該裝置包括第一器件(214)，配置為當(dāng)所述第一器件(214)導(dǎo)通時(shí)，將第一信號(hào)(S2)連接到參考電平(接地電勢(shì))；響應(yīng)第二信號(hào)(S3)的第二器件(202，204)，所述第二器件(202，204)配置為在所述第二信號(hào)的周期的一部分內(nèi)控制所述第一器件的導(dǎo)通；以及響應(yīng)所述第二信號(hào)(S3)的幅度的檢測(cè)器(206)，所述檢測(cè)器配置為改變所述第一器件(214)的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間。
2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述檢測(cè)器響應(yīng)于所述第二信號(hào) 的所述幅度的增加，減少所述第一器件的所述導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間。
3. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一器件(214)為晶體管。
4. 如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，所述晶體管(214)為金屬氧化 物半導(dǎo)體。
5. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第二器件(202， 204)是微分器件。
6. 如權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述微分器件包括高通濾波器 (202， 204)。
7. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述高通濾波器包括電容器和電 阻器(202， 204)。
8. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一信號(hào)(S2)具有與所述 第二信號(hào)(S3)不同的相位。
9. 如權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述第一信號(hào)(S2)具有與所述 第二信號(hào)(S3)相反的相位。
10. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述檢測(cè)器(206， 208)響應(yīng) 所述第二信號(hào)(S3)的負(fù)峰值。
11. 如權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述檢測(cè)器包括二極管。
12. —種方法，該方法包括以下步驟通過器件(214)的導(dǎo)通，使第一信號(hào)(S2)連接到參考電平(接地電 勢(shì))；對(duì)第二信號(hào)(S3)進(jìn)行微分；響應(yīng)于所述微分后的第二信號(hào)，控制所述器件(214)的導(dǎo)通；并且響應(yīng)于所述第二信號(hào)(S3)的幅度，改變所述器件(214)的導(dǎo)通持續(xù) 時(shí)間。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中，響應(yīng)于所述第二信號(hào)的所述幅 度的增加，減少所述導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間。
14. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述器件包括晶體管。
15. —種裝置，該裝置包括第一信號(hào)(S2)的第一源(124)和第二信號(hào)(S3)的第二源 (122)，所述第一信號(hào)(S2)與所述第二信號(hào)(S3)的相位不同；晶體管(214)，具有第一主電流導(dǎo)通端子(漏極)和第二主電流導(dǎo) 通端子(源極)以及導(dǎo)通控制端子(柵極)，所述第一主電流導(dǎo)通端子連 接所述第一信號(hào)(S2)，并且所述第二主電流導(dǎo)通端子連接參考電平(接 地電勢(shì))；電容器(202)，所述電容器(202)的第一端子連接所述第二信號(hào)， 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；以及二極管(206)，所述二極管(206)的陰極連接所述第二信號(hào) (S3)，并且所述二極管(206)的陽極連接所述導(dǎo)通控制端子。
16. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，所述第一源(124)和第二源 (122)是開關(guān)變壓器(116)的繞組。
17. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，所述晶體管是金屬氧化物半導(dǎo)體。
18. —種裝置，該裝置包括元件(214)，用于當(dāng)該連接元件導(dǎo)通時(shí)，將第一信號(hào)(S2)連接到參考電平(接地電勢(shì)) ，元件(202， 204)，用于在第二信號(hào)(S3)的周期的一部分持續(xù)時(shí)間 內(nèi)將所述連接元件設(shè)置為導(dǎo)通狀態(tài)；以及元件(206)，用于響應(yīng)于所述第二信號(hào)的幅度，改變所述連接元件 的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間。
19. 如權(quán)利要求18所述的裝置，其中，所述連接元件(214)包括晶 體管。
20. 如權(quán)利要求18所述的裝置，其中，所述設(shè)置元件(202， 204)是 微分器。
21. 如權(quán)利要求20所述的裝置，其中，所述微分器包括高通濾波器。
22. 如權(quán)利要求18所述的裝置，其中，所述改變?cè)憫?yīng)于所述第二 信號(hào)的所述幅度的增加，減少所述連接元件的所述導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間。
全文摘要
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(hào)(S₂)連接到參考電平(接地電勢(shì))；元件(202，204)，用于在第二信號(hào)(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(hào)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(hào)H02M3/24GK101273515SQ200580051717
公開日2008年9月24日 申請(qǐng)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(qǐng)人:湯姆遜許可證公司