多重輸出直流－直流轉換器的製作方法

2023-10-06 12:43:59

專利名稱：多重輸出直流－直流轉換器的製作方法
技術領域：
本發明關於一種同步整流多重輸出直流-直流轉換器(synchronousrectification multi-output DC-DC converter)，並且更特別的是本發明關於一種具有增進電源效率與電源密度的同步整流多重輸出直流-直流轉換器。
背景技術：
圖1顯示具有次級側後端穩壓(secondary side post regulation)的傳統多重輸出直流-直流轉換器100的典型電路組態。該交換式直流-直流轉換器100包含一電力逆變器(power inverter)101、一電力變壓器(power transformer)102、一輸出電路103以及多個後端穩壓器(post voltage regulator)104與105。電力逆變器101包含一開關電路(switch circuit)111，其一般由一MOSFET開關所完成，用以將由一輸入直流電壓Vin所接收到的能量，經由自身的開/關運作傳送至電力變壓器102。電力逆變器101還包含一主要脈衝寬度調製器(mainpulse width modulator，main PWM)112，用以控制開關電路111的開/關運作。電力變壓器102包含耦接至開關電路111的一初級線圈(primary winding)1021以及耦接至輸出電路103的一次級線圈(secondary winding)1022，用以提供直流-直流轉換器的輸入端與輸出端之間的電性絕緣，其中電力變壓器102設定為用來自初級線圈1021接收一輸入直流電壓Vin並且根據開關電路111的開啟與關閉將能量傳送至次級線圈1022。輸出電路103由整流二極體1031與1032所組成且耦接至次級線圈1022，用以自該次級線圈1022接收能量並提供一預定的輸出電壓Vout，例如12V給一負載(未顯示)。此外，每個個別的後端穩壓器104，105搭線至次級線圈1022以提供一個較低的穩壓直流電壓(regulated DC voltage)，例如5V或3.3V。return圖2(A)顯示圖1的後端穩壓器的典型電路示意圖。圖2(A)的後端穩壓器包含一電流阻流電路(current blocking circuit)141、一同步整流器(synchronous rectifier)142、一輸出濾波器(output filter)143、一反饋電路(feedback circuit)144、一阻流控制器(blocking controller)145以及一柵極驅動器(gate driver)146。電流阻流電路141由一MOS電晶體所完成且耦接至圖1所示的電力變壓器102的次極線圈1022，用以在阻流時間間隔(blocking timeinterval)期間通過自身本有的體二極體(body diode)1411將由次極線圈1022傳送至後端穩壓器的輸出節的電流(能量)轉移給阻擋住。同步整流器142由一電晶體開關所完成且耦接至電流阻流電路141，用以將電力變壓器102的次極線圈1022上所感應生成的一方波交流電壓給整流成一整流的直流電壓(rectified DC voltage)。輸出濾波器143由一抗流線圈(choke coil)以及一平順電容(smoothing capacitor)所組成，用以平順後端穩壓器的整流的直流電壓以便在其輸出端上提供一個固定的直流電壓。反饋電路144耦接至輸出濾波器143的輸出端，用以計算後端穩壓器的部分輸出電壓(fractional output voltage)與一參考電壓(reference voltage)之間的差距，並且依據後端穩壓器的輸出電壓來相應產生一反饋量。阻流控制器(blocking controller)145耦接至電流阻流電路141的柵極端，用以根據反饋量來控制電流阻流電路141的阻流時間間隔，由此對後端穩壓器的輸出電壓進行微調。柵極驅動器146耦接至同步整流器142的柵極端，用以驅動同步整流器142來完成同步整流。再者，後端穩壓器還包含一逆向電流保護二極體(reverse current protectiondiode)D100，用以防止逆向電流流經電流阻流電路141。
圖2(B)顯示圖1的後端穩壓器的另一種典型電路示意圖。圖2(B)的後端穩壓器包含一柵極驅動器241、一RC網絡(Rt，Ct)、一壓控電流源(voltage-controlled current source)242、一同步整流開關(synchronous rectifierswitch)243、一輸出濾波器244以及一反饋電路245。輸出濾波器244以及反饋電路245的組成與操作原理與其圖2(A)的對應物的組成與操作原理相似，並且為了簡化說明起見，它們的說明在此間予以省略。在圖2(B)中，柵極驅動器241提供一系列的控制脈衝信號用以將同步整流開關243根據一個受控的任務周期(controlled duty cycle)來導通，使得後端穩壓器的輸出電壓的數值能夠就為了補償輸出電壓的變化來調整。壓控電流源242與RC網絡(Rt，Ct)形成一個斜坡信號產生器(ramp signal generator)250，其中電容Ct根據一個施加的時間常數(imposed time constant)來充電以產生一個隨時間變化的斜坡電壓(time-varying ramp voltage)。壓控電流源242用來微調電容Ct的充電速率(charging rate)。該隨時間變化的斜坡電壓提供至柵極驅動器241以便與反饋電路245中的誤差放大器(error amplifier，未顯示)所得到的一反饋信號來進行計算，以產生用來控制同步整流開關243的開關任務周期(switchingduty cycle)的控制脈衝信號。二極體Dr設定為確保當斜坡信號產生器250作用時，電容Ct兩端的電壓可以迅速放電。此外，二極體Df作用為一飛輪二極體(freewheeling diode)且耦接至輸出濾波器244的抗流線圈，用以在負載電壓衰減至零時，提供一電流傳導路徑給儲存在抗流線圈中的能量作釋放之用。
然而，上文中所討論的已知多重輸出直流-直流轉換器遭受許多必須要立刻解決的不利條件。首先，當一直流-直流轉換器使用絕緣時，輸入電壓通常會以高頻的方式來進行切換且會提供給電力變壓器，而電力變壓器會提供輸入/輸出絕緣與適當的電壓轉換。然而，因為輸入電壓在高頻切換，輸出電壓與電流通常無法以穩定(regulated)的方式直接提供給負載。因此，在能量轉換中通常會需要一個電感來作用為一電流濾波器。為了要符合效能規格，電感的體積與數值通常是相當關鍵的。一個龐大的電容體積通常會降低轉換器的電源密度。再者，因為具有高電感值的電感具有低迴轉率(slew rate)，轉換器對負載電流幹擾的反應時間(response time)便會變慢。因此，較小的電感體積與數值是比較理想的。
其次，絕緣的直流-直流轉換器通常會在一些截止時間(dead time)下工作。截止時間代表為了避免兩個開關組件在同一時間導通的時間延遲(time lag)。在截止時間操作時，一整流電流會設定流經開關組件的體二極體。因此，截止時間損失(dead time loss，意即體二極體傳導損失)會產生大量的電力損失(power loss)並且會惡化直流-直流轉換器的整體電源效率(power efficiency)。
因此有其趨勢發展一種具有增加的電源效率與增強的電源密度的多重輸出直流-直流轉換器。

發明內容
本發明的一目的在於提供一種使用同步整流的多重輸出直流-直流轉換器，其具有較少的電力損失與較佳的電源密度。
根據本發明的主要實施方式，其提供一多重輸出直流-直流轉換器且包含一電力逆變器，具有一主要脈衝寬度調製器以及一開關電路以便傳送自一輸入直流電壓所接收的能量；一電力變壓器，具有一初級線圈與一次級線圈，其中該初級線圈耦接至該電力逆變器以便從該處接收能量，並且根據該開關電路的開啟與關閉將該能量傳送至該次級線圈；一整流電晶體電路，耦接至該次級線圈，用以將由次級線圈所傳送過來的能量予以整流成一整流的直流電壓；一輸出濾波器，耦接至該整流電晶體電路，用以平順該整流的直流電壓來產生一穩壓的直流電壓；以及多個後端穩壓器，其搭線至該次級線圈，用以提供多個穩壓的直流電壓。
其中，該電力逆變器包含一主要脈衝寬度調製器，其連接至該開關電路，用以產生控制脈衝電路來驅動該開關電路；該整流電晶體電路還包含一第一整流電晶體以及一第二整流電晶體，並且其中該多重輸出直流-直流轉換器還包含一對串聯電容，其耦接於該次級線圈兩側與該第一整流電晶體的柵極端，用以提供控制脈衝信號來驅動該第一整流電晶體；該第二整流電晶體的柵極端通過一反相器連接至該主要脈衝寬度調製器。
根據本發明的一第一實施例，該後端穩壓器包含一電流阻流裝置，耦接至該次級線圈，用以阻擋來自該次級線圈的電流傳送；一同步整流器，耦接至該電流阻流裝置，用以將在次級線圈上所感應生成的一交流電壓整流成一整流的直流電壓；一輸出濾波器，耦接至該電流阻流裝置與該該同步整流器，用以平順該整流的直流電壓來產生一穩壓的直流電壓；一反饋電路，耦接至該輸出濾波器的一輸出端，用以將該穩壓的直流電壓與一參考電壓作比較並且相應產生一反饋信號；以及一阻流控制器，耦接至該反饋電路以及該主要脈衝寬度調製器，用以根據該反饋信號產生控制脈衝信號來驅動該電流阻流裝置與該同步整流器。
根據本發明的一第二實施例，該後端穩壓器包含一第一電晶體開關，用以整流在次級線圈上所感應生成的一交流電壓；一第二電晶體開關，用以阻擋電流自該次級線圈傳送過來；一斜坡信號產生器，耦接至該次級線圈，用以產生一原始斜坡電壓；一第一柵極驅動器，耦接於該斜坡信號產生器與該第一電晶體開關之間，用以接收該原始斜坡電壓並且根據該原始斜坡電壓產生控制脈衝信號來驅動該第一電晶體開關；一電壓電位位移器電路，耦接至該斜坡信號產生器，用以將該原始斜坡電壓減去一電壓電位來產生一相位移位的斜坡電壓；以及一第二柵極驅動器，耦接於該電壓電位位移器電路與該第二電晶體開關之間，用以接收該相位移位的斜坡電壓並且根據該相位移位的斜坡電壓產生控制脈衝信號來驅動該第二電晶體開關。
其中，該斜坡信號產生器包含一恆定電流源，耦接至該次級線圈，用以提供一固定電流；一電容，耦接至該恆定電流源，用以由該恆定電流源所充電並且產生該原始斜坡電壓；以及一壓控電流源，耦接於該電容兩端，用以改變該電容的充電速率。此外，該後端穩壓器還包含一自舉驅動器，耦接於該第二電晶體開關與該第二柵極驅動器之間，用以提升由該第二柵極驅動器提供給該第二電晶體開關的控制脈衝信號的電壓電位。
前述與本發明的其它特徵及優點將可由底下的描述並參照所附的圖標而得到最佳的了解，其中


圖1顯示具有次級側後端穩壓的傳統多重輸出直流-直流轉換器的典型電路組態；以及圖2(A)顯示圖1的後端穩壓器的典型電路示意圖；圖2(B)顯示圖1的後端穩壓器的另一種典型電路示意圖；圖3顯示根據本發明的具有次級側後端穩壓的多重輸出直流-直流轉換器的典型電路組態；圖4(A)根據本發明的一第一實施例的後端穩壓器的典型電路示意圖；以及圖4(B)根據本發明的一第二實施例的後端穩壓器的典型電路示意圖。
其中，附圖標記說明如下多重輸出直流-直流轉換器100電力逆變器101 電力變壓器102輸出電路103 後端穩壓器104，105初級線圈1021次級線圈1022整流二極體1031，1032開關電路111主要脈衝寬度調製器112電流阻流電路141 同步整流器142
輸出濾波器143反饋電路144阻流控制器145柵極驅動器146體二極體1411 柵極驅動器241壓控電流源242同步整流開關243輸出濾波器244反饋電路245斜坡信號產生器250直流-直流轉換器300電力逆變器301電力變壓器302同步整流器電路303輸出電路304多個後端穩壓器305，306 開關電路311主要脈衝寬度調製器312初級線圈3021次級線圈3022 反相器307整流電晶體Q3031，Q3032逆向電流保護二極體D100串聯電容C3031，C3032電晶體開關Q400與Q401第一柵極驅動器401第二柵極驅動器402電壓電位位移器電路403斜坡信號產生器450具體實施方式
在底下實施例中所揭示的交換式直流-直流轉換器針對通過減少在電力轉換作業期間所發生的截止時間量(dead time amount)來提供增加的電源效率以及通過減少電路中的電感組件數目來提供增強的電力密度。
請參考圖3，其圖例說明根據本發明的具有次級側後端穩壓的多重輸出直流-直流轉換器的典型電路組態。在圖3中，直流-直流轉換器300包含一電力逆變器(power inverter)301、一電力變壓器(power transformer)302、一同步整流器電路(synchronous rectifier circuit)303、一輸出電路(output circuit)304以及多個後端穩壓器(post voltage regulator)305與306。電力逆變器301包含一開關電路(switch circuit)311，其通常由一MOSFET開關所完成，用以根據其開/關運作將能量傳送至電力變壓器302。電力逆變器301還包含一主要脈衝寬度調製器(main pulse width modulator，main PWM)312，用以控制開關電路311的開/關運作。電力變壓器302包含耦接至開關電路311的一初級線圈(primary winding)3021與耦接至同步整流器電路303與輸出電路304的一次級線圈(secondary winding)3022，用以提供轉換器300的輸入端與輸出端之間的電性絕緣，其中電力變壓器302設定為自該初級線圈3021接收一輸入直流電壓Vin並且根據開關電路311的開啟與關閉將能量傳送至次級線圈3022。
同步整流器電路303耦接至該次級線圈3022，用以將由該次級線圈3022所接收到的能量進行整流並且提供一整流的直流電壓(rectified DC voltage)。輸出電路304由一抗流線圈(choke coil)與一平順電容(smoothing capacitor)所組成，用以平順該同步整流器電路303所提供的整流的直流電壓並且提供一穩壓的直流電壓(regulated DC voltage)，例如12V至一負載(未顯示)。另外，每個個別的後端穩壓器305，306搭線至次級線圈3022以提供一個較低的穩壓直流電壓，例如5V或3.3V。
請參考圖1與圖2(A)，圖2(A)所示的逆向電流保護二極體D100連接於次級線圈1022與電流阻流電路141之間，用以防止逆向電流流經該電流阻流電路141。然而，該二極體D100在電力轉換作業期間會引起相當大的電力損失(power loss)。因此，比較理想的做法是將二極體D100給移除並且以一個具有較少電力消耗特性(power consumption characteristic)的電流傳導組件來取代。為達成此目的，整流二極體1031可以重新設置使得整流二極體1031的陰極連接至次級線圈1022的下端且整流二極體1031的陽極連接到地。在這種情形下，便可防止由輸出端流向次級線圈1022的逆向電流。再者，為了要更進一步減少電路所產生的電力損失，整流二極體1031與1032可以整流電晶體(rectifier transistor)Q3031與Q3032來取代，如圖3所示。在圖3中，一對串聯電容(series capacitor)C3031與C3032跨接於次級線圈兩側且連接至整流電晶體Q3031的柵極端。該串聯電容對C3031與C3032作用為柵極驅動器用以提供控制驅動信號來驅動整流電晶體Q3031。此外，整流電晶體Q3032的柵極端通過一反相器(inverter)307連接至主要脈衝寬度調製器312並且由主要脈衝寬度調製器312的脈衝寬度調製信號的反相版本(inverse version)來驅動。
圖4(A)顯示根據本發明的一第一實施例的後端穩壓器的典型電路示意圖。描繪於圖2(A)與圖4(A)的電路圖中的相似電路組件以相同的標號來表示，並且為了簡化說明起見，它們的功能與操作原理在此間予以省略。與圖2(A)的電路相比較，圖2(A)的逆向電流保護二極體D100從後端穩壓器中移除，如圖4(A)所示，並且因此圖4(A)的後端穩壓器的整體電源效率會相應提升。此外，須注意的是阻流控制器(blocking controller)145耦接至電力逆變器301的主要脈衝寬度調製器電路312，使得主要脈衝寬度調製器電路312能夠提供脈衝信號給阻流控制器145來產生用來調節MOSFET開關141與142的任務周期(duty cycle)的脈衝控制信號。
圖4(B)顯示根據本發明的一第二實施例的後端穩壓器的典型電路示意圖。同樣的，描繪於圖2(B)與圖4(B)的電路圖中的相似電路組件以相同的標號來表示，並且為了簡化說明起見它們的功能與操作原理在此間予以省略。與圖2(B)的電路相比較，圖2(B)的電阻Rt由一恆定電流源Is所取代，如圖4(B)所示，該恆定電流源Is可提供一固定電流來對電容Ct充電。如此一來，圖4(B)的後端穩壓器的電源效率便可相應增加。此外，圖4(B)的後端穩壓器包含一第一柵極驅動器401，其耦接於斜坡信號產生器450與一低壓端電晶體開關Q400之間。柵極驅動器401設定為接收由斜坡信號產生器450所產生的一原始斜坡電壓(raw ramp voltage)以便產生控制脈衝信號來將低壓端電晶體開關Q400導通與截止，以完成同步整流。值得注意的是圖4(B)的後端穩壓器更包含一電壓電位位移器電路(voltage levelshifter circuit)403，其耦接於該斜坡信號產生器450與一第二柵極驅動器402之間。該電壓電位位移器電路403在本實施例中以一雙極電晶體(bipolartransistor)來實現，且其用來通過將原始斜坡電壓的電壓電位移位來施加一個少量的相位延遲(phase delay)於原始斜坡電壓上，以便產生一個相位移位的斜坡電壓(phase-shifted ramp voltage)。例如，假設原始斜坡電壓以Vc來代表，而相位移位的斜坡電壓以Vh來代表。Vc與Vh的電壓電位之間的關可根據下面方程式來表示Vh＝Vc-VBE
其中VBE為雙極電晶體的基極-射極電壓(base-emitter voltage)。因此，當電容Ct在充電時，電壓電位位移器電路403會通過原始斜坡電壓而導通，並且提供給第二柵極驅動器402的斜坡電壓Vh的上升緣(rising edge)會稍微向後移動而引起相對於原始斜坡電壓Vc的相位延遲，其起因於約為0.6V到1V的小電壓電位VBE。因此，原始斜坡電壓Vc在相位差的角度上會與移位斜坡電壓Vh有所不同，其接著會在提供給電晶體開關Q400與Q401的控制脈衝信號之間造成一個少量的截止時間(時間延遲)。此外，一自舉驅動器(bootstrap driver)404耦接於第二柵極驅動器402與高壓端電晶體開關(第二電晶體開關)Q401之間，用以提升由該第二柵極驅動器402提供給該第二電晶體開關Q401的控制脈衝信號的電壓電位，使得高壓端電晶體開關Q401可迅速導通來阻擋由該次級線圈3022傳送至後端穩壓器的輸出濾波器244的電流傳送。
因此，一個少量的截止時間會產生於提供給電晶體開關Q400與Q401的控制脈衝信號之間，並且從而後端穩壓器的截止時間長度可以減少至一個小範圍之內。在這種方式下，交換式直流-直流轉換器的整體電源效率將會大幅增加。
縱使本發明已由上述的實施例詳細敘述而可由本領域的技術人員做各種修改，然皆不脫如權利要求書所欲保護的範圍。
權利要求
1.一種多重輸出直流-直流轉換器，其包含一電力逆變器，其包含一開關電路，用以傳送由一輸入直流電壓所接收到的能量；一電力變壓器，具有一初級線圈與一次級線圈，其中該初級線圈耦接至該電力逆變器，以便從該處接收能量並且根據該開關電路的開啟與關閉將能量傳送至該次級線圈；一整流電晶體電路，耦接至該次級線圈，用以將由次級線圈所傳送過來的能量予以整流成一整流的直流電壓；一輸出濾波器，耦接至該整流電晶體電路，用以平順該整流的直流電壓來產生一穩壓的直流電壓；以及多個後端穩壓器，其搭線至該次級線圈，用以提供多個穩壓的直流電壓。
2.如權利要求1所述的多重輸出直流-直流轉換器，其中，該電力逆變器包含一主要脈衝寬度調製器，其連接至該開關電路，用以產生控制脈衝電路來驅動該開關電路。
3.如權利要求2所述的多重輸出直流-直流轉換器，其中，該整流電晶體電路還包含一第一整流電晶體以及一第二整流電晶體，並且其中該多重輸出直流-直流轉換器還包含一對串聯電容，其耦接於該次級線圈兩側與該第一整流電晶體的柵極端，用以提供控制脈衝信號來驅動該第一整流電晶體。
4.如權利要求3所述的多重輸出直流-直流轉換器，其中，該第二整流電晶體的柵極端通過一反相器連接至該主要脈衝寬度調製器。
5.如權利要求4所述的多重輸出直流-直流轉換器，其中，該後端穩壓器包含一電流阻流裝置，耦接至該次級線圈，用以阻擋來自該次級線圈的電流傳送；一同步整流器，耦接至該電流阻流裝置，用以將該次級線圈上所感應生成的一交流電壓整流成一整流的直流電壓；一輸出濾波器，耦接至該電流阻流裝置與該同步整流器，用以平順該整流的直流電壓並且產生一穩壓的直流電壓；一反饋電路，耦接至該輸出濾波器的一輸出端，用以比較該穩壓的直流電壓與一參考電壓並且相應的產生一反饋信號；以及一阻流控制器，耦接至該反饋電路與該主要脈衝寬度調製器，用以根據該反饋信號產生控制脈衝信號來驅動該電流阻流裝置與該同步整流器。
6.如權利要求4所述的多重輸出直流-直流轉換器，其中，該後端穩壓器包含一第一電晶體開關，用以整流該次級線圈上所感應生成的一交流電壓；一第二電晶體開關，用以阻擋來自該次級線圈的電流傳送；一斜坡信號產生器，耦接至該次級線圈，用以產生一原始斜坡電壓；一第一柵極驅動器，耦接於該斜坡信號產生器與該第一電晶體開關之間，用以接收該原始斜坡電壓並且根據該原始斜坡電壓來產生脈衝控制信號以驅動該第一電晶體開關；一電壓電位位移器電路，耦接至該斜坡信號產生器，用以將該原始斜坡電壓減去一電壓電位以產生一相位移位的斜坡電壓；以及一第二柵極驅動器，耦接於該電壓電位位移器電路與該第二電晶體開關之間，用以接收該相位移位的斜坡電壓並且根據該相位移位的斜坡電壓來產生脈衝控制信號以驅動該第二電晶體開關。
7.如權利要求6所述的多重輸出直流-直流轉換器，其中，該斜坡信號產生器包含一恆定電流源，耦接至該次級線圈，用以提供一固定電流；一電容，耦接至該恆定電流源，用以由該恆定電流源所充電並且產生該原始斜坡電壓；以及一壓控電流源，耦接於該電容兩端，用以改變該電容的充電速率。
8.如權利要求6所述的多重輸出直流-直流轉換器，其中，該後端穩壓器還包含一自舉驅動器，耦接於該第二電晶體開關與該第二柵極驅動器之間，用以提升由該第二柵極驅動器提供給該第二電晶體開關的控制脈衝信號的電壓電位。
全文摘要
本發明提出一種在電源效率與電源密度的方面優於傳統多重輸出直流－直流轉換器的多重輸出直流－直流轉換器。本發明的多重輸出直流－直流轉換器的特點在於位於直流－直流轉換器的輸出節上的整流電路由一對自我驅動的同步整流電晶體來實現，其可避免逆向電流流經直流－直流轉換器的開關組件。此外，多個後端穩壓器搭線至直流－直流轉換器的次級線圈，其中每個後端穩壓器包含一電壓電位位移器電路，用以使得柵極驅動器能夠施加一個少量的截止時間於用來驅動內部電晶體開關的控制脈衝信號上，以便將在電力轉換作業期間的截止時間損失給最小化。
文檔編號G05F1/10GK1874130SQ20051007431
公開日2006年12月6日 申請日期2005年6月1日 優先權日2005年6月1日
發明者薩卡達·薩伊尤恩, 許明純, 韓永良 申請人:臺達電子工業股份有限公司, 泰商泰達電子公司