用于同步整流器的自供電的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本公開(kāi)涉及用于同步整流器的自供電。其中具有隔離拓?fù)涞碾娫崔D(zhuǎn)換器可包括初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)。次級(jí)側(cè)包括自供電同步整流器。同步整流器包括至少具有漏極和柵極的同步整流器晶體管、至少具有耦合至同步整流器晶體管的漏極的輸入端的電壓調(diào)節(jié)器、以及至少具有耦合至同步整流器晶體管的漏極的漏極的輔助晶體管。輔助晶體管與同步整流器晶體管位于相同裸片上。同步整流器還包括至少具有耦合至輔助晶體管的柵極的輸出端的鉗位器件以及柵極驅(qū)動(dòng)器電路，柵極驅(qū)動(dòng)器電路至少具有耦合至電壓調(diào)節(jié)器的輸出的電源輸入端和耦合至同步整流器晶體管的柵極的輸出端。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
用于同步整流器的自供電
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電源轉(zhuǎn)換器，更具體地，涉及具有隔離拓?fù)涞碾娫崔D(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0002]具有隔離拓?fù)涞碾娫崔D(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)上的整流通常利用一個(gè)(或多個(gè))二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，具有隔離拓?fù)涞碾娫崔D(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)上的二極管整流器可以用同步整流器來(lái)代替，其可以是代替標(biāo)準(zhǔn)二極管使用的任何適當(dāng)類(lèi)型的功率晶體管。同步整流器通常是硅功率MOSFET。由于電源轉(zhuǎn)換器中的切換的特性，同步整流器的控制會(huì)非常困難并且會(huì)要求額外的硬件。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]—般來(lái)說(shuō)，本公開(kāi)的目的在于提供具有隔離拓?fù)涞碾娫崔D(zhuǎn)換器可包括初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的方法和設(shè)備。次級(jí)側(cè)包括自供電同步整流器。自供電同步整流器包括至少具有漏極和柵極的同步整流器晶體管。自供電同步整流器還包括電壓調(diào)節(jié)器，其中電壓調(diào)節(jié)器至少具有輸入端以及輸出端，輸入端耦合至同步整流器晶體管的漏極。電壓調(diào)節(jié)器包括輔助晶體管，其中輔助晶體管至少具有耦合至同步整流器晶體管的漏極的漏極。輔助晶體管與同步整流器晶體管位于相同裸片上。自供電同步整流器還包括鉗位器件，其中鉗位器件至少具有耦合至輔助晶體管的柵極的輸出。自供電同步整流器還包括柵極驅(qū)動(dòng)器電路，其中柵極驅(qū)動(dòng)器電路至少具有耦合至電壓調(diào)節(jié)器的輸出的電源輸入端以及耦合至同步整流器晶體管的柵極的輸出端。
[0004]在一些示例中，一種設(shè)備包括具有隔離拓?fù)涞碾娫崔D(zhuǎn)換器。電源轉(zhuǎn)換器包括初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)。次級(jí)側(cè)包括自供電同步整流器。自供電同步整流器包括:同步整流器晶體管，至少具有漏極和柵極；電壓調(diào)節(jié)器，至少輸入端以及輸出端，輸入端具有耦合至同步整流器晶體管的漏極，其中電壓調(diào)節(jié)器包括輔助晶體管，輔助晶體管至少具有漏極以及柵極，輔助晶體管的漏極耦合至同步整流器晶體管的漏極，其中輔助晶體管與同步整流器晶體管位于相同的裸片上;鉗位器件，至少具有耦合至輔助晶體管的柵極的輸出端；以及柵極驅(qū)動(dòng)器電路，至少具有耦合至電壓調(diào)節(jié)器的輸出的電源輸入端以及耦合至同步整流器晶體管的柵極的輸出端。
[0005]在一些示例中，一種方法包括:使用柵極驅(qū)動(dòng)器電路來(lái)驅(qū)動(dòng)同步整流器晶體管的柵極，其中同步整流器晶體管是具有隔離拓?fù)涞碾娫崔D(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)的一部分;使用電壓調(diào)節(jié)器來(lái)將同步整流器晶體管的漏極處的電壓轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)電壓，其中電壓調(diào)節(jié)器包括輔助晶體管，輔助晶體管的漏極耦合至同步整流器晶體管的漏極，并且其中輔助晶體管與同步整流器晶體管位于相同的裸片上;鉗位輔助晶體管的柵極處的電壓；以及將調(diào)節(jié)電壓提供給柵極驅(qū)動(dòng)器電路作為柵極驅(qū)動(dòng)器電路的電源。
[0006]在以下附圖和說(shuō)明書(shū)中詳細(xì)闡述本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)示例的細(xì)節(jié)。本公開(kāi)的其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將根據(jù)說(shuō)明書(shū)、附圖和權(quán)利要求而明確。
【附圖說(shuō)明】
[0007]參照以下附圖描述本公開(kāi)的非限制性和非詳盡示例。
[0008]圖1是示出包括同步整流器的電源轉(zhuǎn)換器的示例的框圖。
[0009]圖2是示出圖1的電源轉(zhuǎn)換器的示例可采用的處理的示例的流程圖。
[0010]圖3是示出圖1的電源轉(zhuǎn)換器的示例的框圖，其中電源轉(zhuǎn)換器是在電源轉(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)處具有中心抽頭整流器的LLC轉(zhuǎn)換器，其中自供電同步整流器表示為次級(jí)側(cè)處的地。
[0011]圖4是示出圖1的電源轉(zhuǎn)換器的示例的框圖，其中該電源轉(zhuǎn)化器是在電源轉(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)處具有中心抽頭整流器的LLC轉(zhuǎn)換器，其中自供電同步整流器用作浮置二極管。
[0012]圖5是示出圖1的電源轉(zhuǎn)換器的示例的框圖，其中該電源轉(zhuǎn)化器是具有次級(jí)全橋整流的LLC轉(zhuǎn)換器。
[0013]圖6是示出圖1的同步整流器的示例的框圖。
[0014]圖7是示出圖6的同步整流器的示例的框圖。
[0015]圖8是示出圖6的電壓調(diào)節(jié)器和鉗位器件的另一示例的框圖。
[0016]圖9是示出圖6的電壓調(diào)節(jié)器和鉗位器件的又一示例的框圖。
[0017]圖10是示出圖7的同步整流器的示例的框圖。
[0018]圖11是示出根據(jù)本公開(kāi)的一些方面的圖7的同步整流器的另一示例的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]將參照附圖詳細(xì)描述本公開(kāi)的各個(gè)示例，其中類(lèi)似的參考標(biāo)號(hào)在多幅圖中表示類(lèi)似的部件和組件。參照各個(gè)示例不用于限制本公開(kāi)的范圍，僅通過(guò)所附權(quán)利要求的范圍來(lái)限定本公開(kāi)的范圍。此外，說(shuō)明書(shū)中闡述的任何示例不用于限制，并且僅闡述本公開(kāi)的許多可能示例中的一些。
[0020]在說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中，以下術(shù)語(yǔ)至少采用與本文明確相關(guān)聯(lián)的含義，除非另有指定。以下表示的含義不是必須限制該術(shù)語(yǔ)，而是僅提供用于術(shù)語(yǔ)的示例?！耙粋€(gè)”和“該”的含義包括多個(gè)，并且“中”的含義包括“中”和“上”。本文使用的表述“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在一個(gè)示例中”不是必須表示相同的示例或示例，盡管可以表示相同的示例或示例。類(lèi)似地，當(dāng)多次使用時(shí)，本文使用的表述“在一些實(shí)施例中”或“在一些示例中”不是必須表示相同的示例或示例，盡管可以表示相同的示例或示例。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)“或”是包含性的“或”運(yùn)算符，并且等效于術(shù)語(yǔ)“和/或”，除非另有明確指定。術(shù)語(yǔ)“部分地基于”、“至少部分地基于”或“基于”不是排除性的，并且允許基于沒(méi)有描述的附加因素，除非另有明確指定。在適當(dāng)?shù)那闆r下，術(shù)語(yǔ)“柵極”是覆蓋“柵極”和“基極”的一般性術(shù)語(yǔ);術(shù)語(yǔ)“源極”是覆蓋“源極”和“發(fā)射極”的一般性術(shù)語(yǔ)；以及術(shù)語(yǔ)“漏極”是覆蓋“漏極”和“集電極”的一般性術(shù)語(yǔ)。術(shù)語(yǔ)“耦合”至少表示所連接項(xiàng)之間的直接電連接或者通過(guò)一個(gè)或多個(gè)無(wú)源或有源中間器件的間接連接。術(shù)語(yǔ)“信號(hào)”至少表示一種電流、電壓、電荷、溫度、數(shù)據(jù)或其他信號(hào)。
[0021]圖1是示出電源轉(zhuǎn)換器100的示例的框圖，其包括初級(jí)側(cè)101和次級(jí)側(cè)102，其中次級(jí)側(cè)102包括同步整流器110。在一些示例中，同步整流器110是自供電同步整流器，其包括同步整流器晶體管M1、電壓調(diào)節(jié)器120、鉗位器件130和柵極驅(qū)動(dòng)器電路140。電壓調(diào)節(jié)器120包括輔助晶體管M2。輔助晶體管M2與同步整流器晶體管Ml位于相同的裸片上。
[0022]在圖1的示例中，晶體管Ml至少具有耦合至節(jié)點(diǎn)NI的源極、耦合至節(jié)點(diǎn)N2的漏極以及耦合至節(jié)點(diǎn)N4的柵極。晶體管M2至少具有耦合至節(jié)點(diǎn)N2的漏極和耦合至節(jié)點(diǎn)N5的柵極。柵極驅(qū)動(dòng)器140至少具有耦合至節(jié)點(diǎn)N3的電源輸入端和耦合至節(jié)點(diǎn)N4的輸出端。鉗位器件130至少具有耦合至節(jié)點(diǎn)N5的輸出端。電壓調(diào)節(jié)器120具有耦合至節(jié)點(diǎn)N2的輸入端和耦合至節(jié)點(diǎn)N3的輸出端。電壓調(diào)節(jié)器120被布置為在電壓調(diào)節(jié)器120的輸出端處提供調(diào)節(jié)電壓VCC。
[0023]圖1表示電源轉(zhuǎn)換器100的各個(gè)開(kāi)放性示例，其不是必須示出電源轉(zhuǎn)換器100中存在的所有部件或連接。不具有圖1中的連接的節(jié)點(diǎn)不是必須是浮置節(jié)點(diǎn)，并且圖1中沒(méi)有示出的器件不用于表示完整的功能必須在不具有這些器件的情況下實(shí)現(xiàn)。此外，圖1是用于包括許多不同示例的開(kāi)放性示圖，以下詳細(xì)討論所示和所討論的多個(gè)這樣的示例。
[0024]圖2是示出圖1的電源轉(zhuǎn)換器100的示例所采用的處理250的示例的流程圖。在開(kāi)始?jí)K之后，柵極驅(qū)動(dòng)器電路(例如，圖1的柵極驅(qū)動(dòng)器電路140)驅(qū)動(dòng)同步整流器晶體管(例如，圖1的晶體管Ml)的柵極(251)。同步整流器晶體管(例如，晶體管Ml)位于具有隔離拓?fù)涞碾娫崔D(zhuǎn)換器(例如，圖1的電源轉(zhuǎn)換器100)的次級(jí)側(cè)(例如，圖1的次級(jí)側(cè)102)。
[0025]接下來(lái)，電壓調(diào)節(jié)器(例如，圖1的電壓調(diào)節(jié)器120)將同步整流器晶體管(例如，晶體管Ml)的漏極處的電壓轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)電壓(例如，圖1的電壓VCC)(252)。電壓調(diào)節(jié)器(例如，120)包括輔助晶體管(例如，圖1的晶體管M2)，其漏極耦合至同步整流器晶體管(例如，Ml)的漏極。此外，輔助晶體管(例如，M2)與同步整流器晶體管(例如，Ml)位于相同的裸片上。
[0026]然后，鉗位器件(例如，圖1的鉗位器件130)鉗位輔助晶體管(例如，晶體管M2)的柵極處的電壓(253)。接下來(lái)，電壓調(diào)節(jié)器(例如，圖1的電壓調(diào)節(jié)器120)提供調(diào)節(jié)電壓(例如，VCC)給柵極驅(qū)動(dòng)器電路(例如，140)作為柵極驅(qū)動(dòng)器電路的電源(254)。該處理然后前進(jìn)到返回塊，在該處重新開(kāi)始其他處理。
[0027]圖3是示出負(fù)載Loadl和電源轉(zhuǎn)換器300的示例的框圖，其中電源轉(zhuǎn)換器300可用作圖1的電源轉(zhuǎn)換器100的示例，電源轉(zhuǎn)換器(300)是在電源轉(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)處具有中心抽頭整流器的LLC整流器，其中自供電同步整流器(Dr Synkl和Dr Synk2)表示為次級(jí)側(cè)(302)處的地。電源轉(zhuǎn)換器300還包括變壓器Tr。初級(jí)側(cè)301的示例包括輸入電壓源Vin、初級(jí)側(cè)控制器303、電容器Cin、電容器Cr、電感器Lr和Lm、開(kāi)關(guān)IlsSw和開(kāi)關(guān)LsSw。次級(jí)側(cè)302的示例包括輸出電容器Cout、自供電同步整流器DrSynkl和自供電同步整流器DrSynk2。自供電同步整流器DrSynkl和DrSynk2是圖1的自供電同步整流器110的示例。圖3示出了使用在次級(jí)側(cè)(302)處具有中心抽頭整流器的諧振LLC轉(zhuǎn)換器(300)的示例，其中自供電同步整流器DrSynkl和DrSynk2被稱(chēng)為次級(jí)側(cè)(302)處的地。在一些示例中，初級(jí)側(cè)控制器303被布置為將HVM信號(hào)PffMSignall提供給開(kāi)關(guān)HsSw的柵極以及將PffM信號(hào)PWMSignal2提供給開(kāi)關(guān)LsSw的柵極。
[0028]圖4是示出負(fù)載Loadl和電源轉(zhuǎn)換器400的示例的框圖，其中電源轉(zhuǎn)換器400可用作圖1的電源轉(zhuǎn)換器100的示例，其中該電源轉(zhuǎn)換器是在電源轉(zhuǎn)換器(400)的次級(jí)側(cè)(402)處具有中心抽頭整流器的LLC轉(zhuǎn)換器，具有用作浮置二極管的自供電同步整流器(DrSynkl和DrSynk2)。在電源轉(zhuǎn)換器400中，如圖4所示，自供電同步整流器(DrSynkI和DrSynk2)可用作浮置二極管。在一些示例中，類(lèi)似于圖3的電源轉(zhuǎn)換器300，電源轉(zhuǎn)換器400是具有次級(jí)中心抽頭整流器(DrSynkl和DrSynk2)的LLC開(kāi)關(guān)模式電源(SWPS)。
[0029]圖5是示出負(fù)載Loadl和電源轉(zhuǎn)換器500的示例的框圖，其中電源轉(zhuǎn)換器500可用作圖1的電源轉(zhuǎn)換器100的示例，其中電源轉(zhuǎn)換器(500)是具有次級(jí)全橋整流的LLC轉(zhuǎn)換器。在一些示例中，次級(jí)側(cè)502還包括自供電整流器DrSynk3和DrSynk4。類(lèi)似于電源轉(zhuǎn)換器400，在一些示例中，電源轉(zhuǎn)換器500將同步整流器(DrSynkl、DrSynk2、DrSynk 3和DrSynk4)用作浮置二極管。在一些示例中，電源轉(zhuǎn)換器500的次級(jí)側(cè)502采用全橋同步整流拓?fù)洹?br>[0030]在一個(gè)示例中，電源轉(zhuǎn)換器500包括兩個(gè)低側(cè)自供電同步整流器510和兩個(gè)高側(cè)自供電同步整流器510。在一些示例中，低側(cè)自供電同步整流器共享公共的槽路電容器Ctank。
[0031]圖3至圖5示出了電源轉(zhuǎn)換器100的示例的拓?fù)?，其中可采用一個(gè)或多個(gè)自供電同步整流器110的示例。然而，這些示例不是限制性的，并且可以采用任何其他適當(dāng)?shù)母綦x電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌绨ǚ雕Y(flyback)拓?fù)洹?br>[0032]圖6是示出同步整流器600的示例的框圖，其可用作圖1的自供電同步整流器100的示例。同步整流器600可進(jìn)一步包括槽路電容器CTank。同步整流器晶體管Ml可以包括體二極管Dl。柵極驅(qū)動(dòng)器640可以包括控制和驅(qū)動(dòng)電路641。
[0033]同步整流器600還能夠?qū)崿F(xiàn)用于基于集成在主同步整流器中的一些輔助部件獲取用于同步整流器控制器和/或驅(qū)動(dòng)器的電源的方式。在一些示例中，同步整流器晶體管Ml的漏極和源極之間的截止?fàn)顟B(tài)反相電壓可用作電位差，從中獲取當(dāng)晶體管Ml處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)用于控制器和驅(qū)動(dòng)電路641的能量以及對(duì)電容器Ctank進(jìn)行充電。在一些示例中，控制和驅(qū)動(dòng)電路641被布置為導(dǎo)通和截止晶體管Ml的柵極并且在晶體管Ml導(dǎo)通時(shí)驅(qū)動(dòng)晶體管Ml的柵極。在一些示例中，利用50%占空比的信號(hào)控制晶體管Ml的柵極，但本公開(kāi)不限于此，可以采用信號(hào)的其他示例。在一些示例中，利用近似50%的占空比的脈寬調(diào)制(PffM)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)晶體管Ml的柵極。
[0034]如下在一些示例中，當(dāng)Ml處于“截止”狀態(tài)時(shí)晶體管Ml兩端的電壓可用于供應(yīng)控制和驅(qū)動(dòng)器電路641并對(duì)電容器Ctank進(jìn)行充電。當(dāng)晶體管Ml處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，晶體管Ml的Vds輕微為負(fù)。當(dāng)晶體管Ml處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)N2處(Ml的漏極處)的電壓非常高。電容器Ctank被布置為存儲(chǔ)能量以在晶體管Ml處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)供應(yīng)控制和驅(qū)動(dòng)電路641。與反向電壓值無(wú)關(guān)，用于控制和驅(qū)動(dòng)電路641的電源電壓(Vcc)可以被調(diào)節(jié)為較低值以允許使用用于控制和驅(qū)動(dòng)電路641的控制器/驅(qū)動(dòng)器實(shí)施的低壓技術(shù)。電壓調(diào)節(jié)器620被布置為減小最大VKA電壓(S卩，節(jié)點(diǎn)NI和節(jié)點(diǎn)NI之間的壓降)，供應(yīng)控制和驅(qū)動(dòng)電路641，對(duì)槽路電容器CTank進(jìn)行充電，并在VKA為負(fù)的半周期中抑制槽路電容器CTank的放電。
[0035]盡管在圖6中未示出，但如其他附圖所示以及上文和下文所討論的，電壓調(diào)節(jié)器620可以包括晶體管M2。此外，晶體管M2和晶體管Ml可以形成在相同的裸片上。然而，控制和驅(qū)動(dòng)器電路641中的驅(qū)動(dòng)和感測(cè)電路仍然可以形成在不同裸片上，但彼此相同和/或與晶體管Ml和M2—樣布置在相同的封裝件上，它們可以完全是單片的(S卩，在相同裸片上)，或者甚至可以如完全分立的解決方案一樣為分離的實(shí)體。
[0036]雖然晶體管Ml和M2在一些示例中可以為MOS器件，但在各個(gè)示例中可以使用其他電源器件代替晶體管Ml和M2。這些示例和其他示例均包括在本公開(kāi)的范圍和精神內(nèi)。
[0037]自供電同步整流器610的示例可以用于為任何種類(lèi)的集成SR及其切換、驅(qū)動(dòng)和控制電路提供電源。在各個(gè)示例中，同步整流器610可以被外部控制或者自驅(qū)動(dòng)并利用不同的電源器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0038]在一些示例中，同步整流器610使用的自供電方法基于作為用于電壓調(diào)節(jié)器(例如，電壓調(diào)節(jié)器620)的通過(guò)元件的同步整流器有源器件的部分的使用并且不要求用于驅(qū)動(dòng)和控制SR電源器件的復(fù)雜外部硬件和高壓技術(shù)。在一些示例中，同步整流器610還提供用于同步整流器的不同電壓等級(jí)的模塊化方法。例如，在一些示例中，如果驅(qū)動(dòng)器電路被設(shè)計(jì)用于特定的電壓電平，則在使用不同電壓電平的情況下驅(qū)動(dòng)器電路不是必須改變的，并且被設(shè)計(jì)用于特定電壓電平的相同驅(qū)動(dòng)器電路可用于另一電壓電平。以這種方式，不論使用的特定高壓如何，相同的驅(qū)動(dòng)器都可用于驅(qū)動(dòng)同步整流器并且驅(qū)動(dòng)器不是必須被重新設(shè)計(jì)。
[0039]在一些示例中，自供電方法使得同步整流器610為真實(shí)的有源二極管，并且系統(tǒng)設(shè)計(jì)者不需要關(guān)注其電源。
[0040]同步整流器610的使用不限于同步整流器的一個(gè)端子連接至地的應(yīng)用。例如，同步整流器610的一些示例還被用于在高側(cè)(HS)環(huán)境下使用同步整流器的應(yīng)用中。
[0041 ] 此外，同步整流器610的示例可用于要求硬件簡(jiǎn)化和減少的應(yīng)用，因?yàn)檫@些應(yīng)用不能夠承擔(dān)實(shí)現(xiàn)對(duì)同步整流器供電所要求的難處理且復(fù)雜的電路。例如，在涉及太陽(yáng)能微型逆變器的應(yīng)用中，同步整流器的自供電可以提供更高的可靠性，并且在涉及焊接的應(yīng)用中，同步整流器的自供電可以提供更輕的設(shè)備來(lái)承載。
[0042]圖7是示出同步整流器710的示例的框圖，其可以用作圖6的同步整流器610的示例。在一些示例中，電壓調(diào)節(jié)器720包括晶體管M2、二極管D2和電阻器R1。在一些示例中，鉗位器件630包括齊納二極管DZl。
[0043]在一些示例中，如圖7所示，電壓調(diào)節(jié)器720被布置為簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)線性調(diào)節(jié)器，其在一些示例中被布置為如下進(jìn)行操作。齊納二極管DZl被布置為為電壓調(diào)節(jié)器720提供參考。電阻器Rl被布置為用于DZl的偏置元件以及用于晶體管M2的柵極的上拉和/或偏置。在一些示例中，電阻器Rl是高歐姆電阻器。晶體管M2是電源器件，其被布置為必須抵抗節(jié)點(diǎn)N2處的電壓與調(diào)節(jié)Vcc電位之間的電壓差的傳輸元件。二極管D2被布置為在晶體管Ml導(dǎo)通且節(jié)點(diǎn)N2處的電位下降到零以下的同時(shí)避免存儲(chǔ)在電容器CTank中的能量的放電。即，二極管D2被布置為在晶體管Ml導(dǎo)通的同時(shí)將電容器Ctank與節(jié)點(diǎn)N2隔離。
[0044]當(dāng)晶體管Ml截止時(shí)，節(jié)點(diǎn)N2處的電壓增加，電阻器Rl被上拉，并且電流開(kāi)始流過(guò)齊納二極管DZ1。因此，晶體管M2的柵極的節(jié)點(diǎn)N5處的電壓增加。節(jié)點(diǎn)N5處的電壓增加，直到節(jié)點(diǎn)N5處的電壓達(dá)到Vcc加上二極管D2兩端的二極管壓降。此時(shí)，晶體管M2開(kāi)始導(dǎo)通并將電流從節(jié)點(diǎn)N2傳送至電容器Ctank或者傳輸至控制和驅(qū)動(dòng)電路741。
[0045]當(dāng)晶體管Ml導(dǎo)通時(shí)，節(jié)點(diǎn)N2處的電壓下降，晶體管M2的漏極處的電壓也下降，并且使晶體管M2的柵極也下降，直到二極管D2處于反向偏置條件為止。當(dāng)二極管D2為反向偏置時(shí)，沒(méi)有電流流入槽路電容器Ctank，并且晶體管M2完全截止，使得沒(méi)有電流可從電容器Ctank流回到節(jié)點(diǎn)NI或節(jié)點(diǎn)N2。因此，節(jié)點(diǎn)N2動(dòng)態(tài)增加或下降，并且動(dòng)態(tài)地導(dǎo)通和截止晶體管M2以將電流傳導(dǎo)至槽路電容器Ctank，但是不從槽路電容器Ctank傳導(dǎo)至節(jié)點(diǎn)NI或節(jié)點(diǎn)N2o
[0046]晶體管M2與晶體管Ml集成到相同的裸片上。在一些示例中，上拉電阻器Rl(以及可能的其他部件)也集成到與晶體管Ml和M2相同的裸片上。晶體管Ml和M2具有相同的電壓等級(jí)。晶體管M2可抵抗的電壓與晶體管Ml可抵抗的電壓相同。
[0047]在各個(gè)示例中，鉗位電路730可以包括齊納二極管(如圖所示)，或者可以是與齊納二極管不同的電路或者包括附加部件。例如，鉗位電路730可以是比齊納二極管更復(fù)雜的參考/鉗位結(jié)構(gòu)。
[0048]在各個(gè)示例中，電阻器Rl可以被不同的部件(諸如電容器或者用于偏置晶體管M2的柵極的其他適當(dāng)元件)代替。在各個(gè)示例中，二極管D2可以被操作為二極管的不同元件(諸如被配置為二極管的晶體管)代替。
[0049]盡管圖7示出了電壓調(diào)節(jié)器720的一個(gè)具體示例，但可以使用任何適當(dāng)?shù)碾妷赫{(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，其中晶體管Ml和M2位于相同裸片上。
[0050]控制和驅(qū)動(dòng)電路740被布置為確定何時(shí)導(dǎo)通晶體管Ml，確定何時(shí)截止晶體管Ml，以及當(dāng)晶體管Ml導(dǎo)通時(shí)驅(qū)動(dòng)晶體管Ml。包括同步整流器710的電源轉(zhuǎn)換器的一些示例可以?xún)H包括一個(gè)同步整流器710。包括同步整流器710的電源轉(zhuǎn)換器的其他示例可以包括兩個(gè)或更多個(gè)同步整流器710。一些示例包括兩個(gè)同步整流器，這兩個(gè)同步整流器近似180度異相。
[0051]在包括近似180度異相的兩個(gè)同步整流器的這些示例中的一些示例中，控制和驅(qū)動(dòng)電路871可以如下確定導(dǎo)通時(shí)間。當(dāng)晶體管Ml截止以及另一個(gè)180度異相同步整流器截止時(shí)，晶體管Ml的漏極處的電壓將開(kāi)始非?？焖俚叵陆怠＞w管Ml的漏極處的電壓下降直到二極管Dl被正向偏置，此時(shí)二極管Dl開(kāi)始利用晶體管Ml的漏極處的電壓使其電壓增加。以這種方式，晶體管M2的柵極處的電壓跟隨一個(gè)二極管壓降內(nèi)的節(jié)點(diǎn)N2處的電壓。因此，在這些示例中，晶體管M2的柵極處的電壓可以被監(jiān)控以確定何時(shí)導(dǎo)通Ml。只要晶體管M2的柵極在VCC下方下降一個(gè)二極管壓降，晶體管Ml就可以導(dǎo)通?？蛇x地，在一些示例中，M2的源極可以以類(lèi)似方式進(jìn)行監(jiān)控。在一些示例中，當(dāng)晶體管M2的源極電壓小于預(yù)定的電壓電平時(shí)，晶體管Ml導(dǎo)通。
[0052]圖8是示出電壓調(diào)節(jié)器820和鉗位器件830的另一示例的框圖，它們可以用作圖6的電壓調(diào)節(jié)器620和鉗位器件630的示例。鉗位器件830可以包括齊納二極管DZl。電壓調(diào)節(jié)器820可以包括晶體管Maux、二極管D1、晶體管Tl以及電阻器Rl和R2。晶體管Maux是圖6的晶體管M2的示例。
[0053]在一些示例中，電壓Vin(節(jié)點(diǎn)NI和N2之間的電壓)是方波。在一些示例中，電壓調(diào)節(jié)器820被布置為低壓降線性調(diào)節(jié)器，其將η溝道器件(例如，晶體管Tl)用作傳輸元件。
[0054]在圖8中示出了一個(gè)這樣的示例，其中二極管Dl和D2、電容器Cl和Maux的電容Cdg被布置為一起操作為給晶體管Maux的柵極供電的電荷栗，其中晶體管Maux被布置為傳輸元件。在一些示例中，包括二極管Dl和D2、電容器C2以及Maux的電容Cdg的電荷栗通過(guò)節(jié)點(diǎn)NI和Ν2兩端的方波(電壓Vin)來(lái)驅(qū)動(dòng)。
[0055]圖9是示出電壓調(diào)節(jié)器920和鉗位器件930的示例的框圖，它們可用作圖6的電壓調(diào)節(jié)器620和鉗位器件630的示例。鉗位器件930可以包括齊納二極管DZ2。電壓調(diào)節(jié)器820可以包括晶體管Maux、二極管Dl和D2和D3、晶體管Tl、齊納二極管Dl、電容器Cl和C2以及電阻器RI和R2。晶體管Maux是圖6的晶體管的M2的示例。
[0056]電壓調(diào)節(jié)器920類(lèi)似于圖8的電壓調(diào)節(jié)器820，但是包括電荷栗的另一示例。圖9示出了不同的方式來(lái)引導(dǎo)(bootstrap)傳輸元件的柵極并在其上存儲(chǔ)電荷以實(shí)現(xiàn)具有η溝道器件的低壓降調(diào)節(jié)器。在各個(gè)其他示例中，可以采用引導(dǎo)傳輸元件的柵極并在其上存儲(chǔ)電荷以實(shí)現(xiàn)具有η溝道器件的任何其他適當(dāng)?shù)姆绞?。這些示例和其他示例均包括在本公開(kāi)的范圍和精神內(nèi)。
[0057]在各附圖中示出并在上面討論了作為圖1的電壓調(diào)節(jié)器120和/或圖6的電壓調(diào)節(jié)器620的示例的電壓調(diào)節(jié)器的各種類(lèi)型。然而，本公開(kāi)不限于此，并且可以使用電壓調(diào)節(jié)器的其他適當(dāng)類(lèi)型，諸如線性電壓調(diào)節(jié)器、電荷栗、切換調(diào)節(jié)器等。
[0058]圖10是示出同步整流器1010的示例的框圖，其可以用作圖7的同步整流器710的示例O在一些示例中，同步整流器1010還包括晶體管Ms O晶體管Maux還包括體二極管Dla，并且晶體管Ms還包括體二極管DlS。在一些示例中，晶體管Ml、Ms、Maux和Rl集成到集成電路ICl上，并且齊納二極管DZl、二極管D2、電容器控制和驅(qū)動(dòng)電路1041集成到集成電路IC2上。在一些示例中，控制和驅(qū)動(dòng)器電路1041包括比較器onCmp、比較器OffCmp、感測(cè)放大器CsenseAmp、電阻器Rf、柵極驅(qū)動(dòng)器G_Drv和晶體管M3。
[0059]在一些示例中，ICl是以用于分立垂直功率MOS的技術(shù)實(shí)施的高壓芯片。在一些示例中，晶體管Ml被布置為操作為主同步整流器(SR)電源器件，晶體管Ms被布置為操作為電流感測(cè)元件，晶體管Maux被布置為操作為線性調(diào)節(jié)器傳輸元件，以及電阻器Rl被布置為操作為用于晶體管Maux的偏置電阻器。
[0060]在一些示例中，IC2是用于控制和驅(qū)動(dòng)晶體管Ml的低壓芯片。在一些示例中，放大器CsenseAmp被布置為測(cè)量晶體管Ml的源極電流。在一些示例中，比較器OnCmp被布置為檢測(cè)導(dǎo)通示例。在一些示例中，比較器OffCmp被布置為檢測(cè)截止示例。在示例中，導(dǎo)通/截止控制塊1060包括管理導(dǎo)通和截止命令和安全信號(hào)的邏輯。在一些示例中，柵極驅(qū)動(dòng)器電路G_Drv被布置為操作為用于晶體管Ml的柵極的驅(qū)動(dòng)電路。
[0061]通過(guò)在兩個(gè)IC之間劃分用于控制/驅(qū)動(dòng)的低壓和用于電源的高壓，同步整流器1010可以提供非常良好的靈活性以及高性能和控制。同步整流器1010可以布置為低損失二極管。此外，可以容易地通過(guò)僅替代ICl來(lái)改變電壓等級(jí)。IC2可以使用低壓技術(shù)。在一些示例中，IC2不需要利用不同的電壓等級(jí)來(lái)改變，并且可以利用任何適當(dāng)?shù)碾妷旱燃?jí)來(lái)使用，因?yàn)镮Cl為IC2在適當(dāng)?shù)碾妷弘娖教幪峁￢cc而不論ICl接收的電壓電平如何。此外，用于IC2的具有高邏輯密度的低壓技術(shù)可以允許實(shí)施復(fù)雜和高性能控制、監(jiān)控和通信功能。
[0062]在一些示例中，槽路電容器CTank被集成到系統(tǒng)封裝件中。在這些示例的一些示例中，同步整流器1010是兩端子器件，其可以用作傳統(tǒng)二極管的一對(duì)一替換。
[0063]在一些示例中，具有集成的電源使得可能根據(jù)操作條件調(diào)制同步整流器1010的驅(qū)動(dòng)電壓并使系統(tǒng)效率最大化。多個(gè)信息源可用于該目的，包括電流、溫度、來(lái)自外部控制器的邏輯信號(hào)等。
[0064]在電流感測(cè)可用于控制和驅(qū)動(dòng)電路1041的同步整流器1010的示例中，柵極驅(qū)動(dòng)器G_Drv可在節(jié)點(diǎn)N4處輸出驅(qū)動(dòng)電壓，使得驅(qū)動(dòng)電壓與負(fù)載電流成比例。在該示例中，如果電源轉(zhuǎn)換器(例如，圖1的電源轉(zhuǎn)換器I)以非常低的負(fù)載工作，則柵極驅(qū)動(dòng)器G_Drv可使驅(qū)動(dòng)電壓降低來(lái)以稍微增加傳導(dǎo)損失為代價(jià)減小切換損失。相反，對(duì)于非常高的負(fù)載，傳導(dǎo)損失是主要的，并且在這種情況下，柵極驅(qū)動(dòng)器G_Drv可以增加驅(qū)動(dòng)電壓。
[0065]在一些示例中，柵極驅(qū)動(dòng)器G_Drv可以被布置為根據(jù)集成傳感器提供的芯片溫度調(diào)制驅(qū)動(dòng)電壓。以這種方式和其他方式，柵極驅(qū)動(dòng)器G_Drv可以被布置為根據(jù)可用信息調(diào)制SR驅(qū)動(dòng)電壓，以?xún)?yōu)化系統(tǒng)效率。
[0066]在一些示例中，比較器OnCmp檢測(cè)在采用輔助MOSFET Maux、體二極管Dla和二極管Dl的組合動(dòng)作的低壓域中檢測(cè)用于同步整流器1010的導(dǎo)通時(shí)間，其中二極管Dl被布置為操作為用于電容器Ctank的抗放電二極管。通過(guò)感測(cè)輔助晶體管Maux的源極電壓的下降沿來(lái)執(zhí)行導(dǎo)通時(shí)間檢測(cè)。
[0067]在一些示例中，用于電壓調(diào)節(jié)器1020的線性調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)可如下用于檢測(cè)晶體管Ml的導(dǎo)通時(shí)間。當(dāng)VKA下降到節(jié)點(diǎn)NI處的電位之下時(shí)，晶體管Ml導(dǎo)通，因?yàn)轶w二極管Dl開(kāi)始傳導(dǎo)。如圖10所示，由于體二極管Dla和D2的動(dòng)作，在晶體管Maux的源極處同時(shí)存在類(lèi)似的下降，即在電壓VKA_c I amp上。信號(hào)VKA和VKA_c I amp之間的關(guān)鍵差異在于，VKA是高壓信號(hào)而VKA_clamp是VKA的鉗位低壓副本，同時(shí)對(duì)于二者來(lái)說(shuō)，邊緣在近似相同的時(shí)間處發(fā)生。
[0068]因此，在一些示例中，信號(hào)VKA_clamp可以容易地通過(guò)控制電路來(lái)管理以檢測(cè)導(dǎo)通時(shí)間，并且盡管約束在低壓域中，但信號(hào)VKA_clamp仍然是具有若干伏特振幅的信號(hào)，這使得檢測(cè)相對(duì)簡(jiǎn)單和穩(wěn)健。
[0069]在一些示例中，比較器OnCmp被布置為將比較器OnCmp的輸入端處的兩個(gè)電壓相互比較，并且響應(yīng)于比較提供信號(hào)TurnOn。在一些示例中，比較器OffCmp被布置為將比較器OffCmp的輸入端處的兩個(gè)電壓相互比較，并且響應(yīng)于比較提供信號(hào)TurnOff。導(dǎo)通/截止控制塊1xx被布置為接收信號(hào)TurnOn和TurnOff，并且基于信號(hào)TurnOn和TurnOff控制晶體管Ml的導(dǎo)通和截止。在一些示例中，導(dǎo)通/截止塊1060可以簡(jiǎn)單由RS鎖存器組成，使得當(dāng)信號(hào)TurnOn被確認(rèn)時(shí)設(shè)置值，以及當(dāng)信號(hào)TurnOff被確認(rèn)時(shí)復(fù)位值。在其他示例中，導(dǎo)通/截止可以包括附加的邏輯，在一些示例中包括安全邏輯。
[0070]由于晶體管Ml、Maux和Ms共享公共的漏極，所以在一些示例中，晶體管Ml、Maux和Ms可以通過(guò)垂直HEXFET技術(shù)以非常有效的方式來(lái)實(shí)施。此外，在一些示例中，電阻器Rl可以利用ICl的柵極多晶硅層來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這些示例中，用于同步整流器1010和同步整流器1010的電源部分所需的所有高壓器件可以被放置在相同的硅片上。
[0071]在一些示例中，晶體管Ml和Maux(以及其他可能的部件)的集成使得低壓技術(shù)被用于控制和驅(qū)動(dòng)電路。在一些示例中，僅有的外部部件為電容器Ctank，而在一些示例中，電容器Ctank集成在相同的封裝件中并且不存在外部部件。此外，可以通過(guò)選擇用于晶體管Ml和Maux的適當(dāng)電壓等級(jí)而不進(jìn)行IC2的任何改變來(lái)實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的電源器件。此外，自供電同步整流器1010可以操作為具有封裝件中系統(tǒng)解決方案的真實(shí)有源二極管。此外，同步整流器1010的各種示例可用于低側(cè)應(yīng)用，并且同步整流器1010的各個(gè)示例可用于高側(cè)應(yīng)用。
[0072]許多適當(dāng)?shù)淖兓捎糜谕秸髌?010。例如，盡管電容器CTank被示為集成到IC2中，但在其他示例中，電容器Ctank是與IC分離的分立元件。此外，盡管齊納二極管DZl和二極管D2被示為IC2的一部分，但在其他示例中，齊納二極管DZl和二極管D2中的一個(gè)或兩個(gè)可以是外部部件或者可以是ICl的一部分。
[0073]圖11是示出同步整流器1110的示例的框圖，其可以用作圖7的同步整流器710的另一示例。同步整流器1110類(lèi)似于圖10的同步整流器1010，除了在圖11的同步整流器1110的示例中，通過(guò)探測(cè)晶體管Maux的源極處的電壓來(lái)完成導(dǎo)通檢測(cè)。此外，在同步整流器1110中，與圖10所示集成在IC2上相反，電容器Ctank是外部部件。在同步整流器1110和圖10的同步整流器11的各個(gè)示例中，電容器Ctank可以是內(nèi)部或外部的。
[0074]已經(jīng)描述了各個(gè)示例。這些和其他示例均包括在以下權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種設(shè)備，包括: 電源轉(zhuǎn)換器，以隔離拓?fù)溥M(jìn)行布置，其中所述電源轉(zhuǎn)換器包括: 初級(jí)側(cè)；以及 次級(jí)側(cè)，其中所述次級(jí)側(cè)包括自供電同步整流器，并且其中所述自供電同步整流器包括: 同步整流器晶體管，至少具有漏極和柵極； 電壓調(diào)節(jié)器，至少包括輸入端以及輸出端，所述電壓調(diào)節(jié)器的輸入端耦合至所述同步整流器晶體管的漏極，其中所述電壓調(diào)節(jié)器包括輔助晶體管，所述輔助晶體管至少具有漏極以及柵極，所述輔助晶體管的漏極耦合至所述同步整流器晶體管的漏極，所述輔助晶體管與所述同步整流器晶體管位于相同裸片上； 鉗位器件，至少具有耦合至所述輔助晶體管的柵極的輸出端;和柵極驅(qū)動(dòng)器電路，至少具有耦合至所述電壓調(diào)節(jié)器的輸出端的電源輸入端以及耦合至所述同步整流器晶體管的柵極的輸出端。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電壓調(diào)節(jié)器包括線性調(diào)節(jié)器、切換調(diào)節(jié)器或電荷栗中的至少一個(gè)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述同步整流器晶體管包括功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，所述同步整流器晶體管具有電壓等級(jí)，所述輔助晶體管是功率FET，所述輔助晶體管具有電壓等級(jí)，并且所述輔助晶體管的電壓等級(jí)與所述同步整流器晶體管的電壓等級(jí)相同。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電源轉(zhuǎn)換器包括返馳轉(zhuǎn)換器或LLC轉(zhuǎn)換器中的至少一種。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述鉗位器件包括齊納二極管。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述輔助晶體管被布置用于操作為所述電壓調(diào)節(jié)器的傳輸元件。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括耦合在所述同步整流器晶體管的源極與所述柵極驅(qū)動(dòng)器電路的電源輸入端之間的槽路電容器。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電壓調(diào)節(jié)器還包括耦合在所述輔助晶體管的源極與所述柵極驅(qū)動(dòng)器電路的電源輸入端之間的二極管。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電壓調(diào)節(jié)器還包括被配置用于操作為耦合在所述輔助晶體管的源極與所述柵極驅(qū)動(dòng)器電路的電源輸入端之間的二極管的器件。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電壓調(diào)節(jié)器還包括耦合在所述輔助晶體管的漏極與所述輔助晶體管的源極之間的偏置元件。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述偏置元件包括電阻器。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述柵極驅(qū)動(dòng)器電路包括被布置為確定何時(shí)截止所述同步整流器晶體管的截止邏輯、被布置為確定何時(shí)導(dǎo)通所述同步整流器晶體管的導(dǎo)通邏輯、以及被布置為當(dāng)所述導(dǎo)通邏輯確定所述同步整流器晶體管被導(dǎo)通時(shí)驅(qū)動(dòng)所述同步整流器晶體管的柵極的驅(qū)動(dòng)器。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中所述截止邏輯被布置為當(dāng)所述輔助晶體管的源極處的電壓小于預(yù)定的電壓電平時(shí)導(dǎo)通所述同步整流器晶體管。14.一種方法，包括: 使用柵極驅(qū)動(dòng)器電路來(lái)驅(qū)動(dòng)同步整流器晶體管的柵極，其中所述同步整流器晶體管是具有隔離拓?fù)涞碾娫崔D(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)的一部分； 使用電壓調(diào)節(jié)器來(lái)將所述同步整流器晶體管的漏極處的電壓轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)電壓，其中所述電壓調(diào)節(jié)器包括輔助晶體管，所述輔助晶體管具有耦合至所述同步整流器晶體管的漏極的漏極，并且其中所述輔助晶體管與所述同步整流器晶體管位于相同裸片上； 鉗位所述輔助晶體管的柵極處的電壓；以及 將所述調(diào)節(jié)電壓提供給所述柵極驅(qū)動(dòng)器電路作為所述柵極驅(qū)動(dòng)器電路的電源。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中驅(qū)動(dòng)所述同步整流器晶體管的柵極包括:利用具有近似50%的占空比的脈寬調(diào)制(PffM)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)所述同步整流器晶體管的柵極。16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括: 當(dāng)所述同步整流器晶體管截止時(shí)，使用所述輔助晶體管來(lái)對(duì)槽路電容器充電。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括: 當(dāng)所述同步整流器晶體管導(dǎo)通時(shí)，將所述槽路電容器與所述輔助晶體管隔離。18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括: 進(jìn)行關(guān)于何時(shí)導(dǎo)通所述同步整流器晶體管的確定； 基于關(guān)于何時(shí)導(dǎo)通所述同步整流器晶體管的確定，使用所述柵極驅(qū)動(dòng)器電路來(lái)導(dǎo)通所述同步整流器晶體管； 進(jìn)行關(guān)于何時(shí)截止所述同步整流器晶體管的確定；以及 基于關(guān)于何時(shí)截止所述同步整流器晶體管的確定，使用所述柵極驅(qū)動(dòng)器電路來(lái)截止所述同步整流器晶體管。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中進(jìn)行關(guān)于何時(shí)導(dǎo)通所述同步整流器晶體管的確定包括:當(dāng)所述輔助晶體管的源極處的電壓小于預(yù)定的電壓電平時(shí)，確定所述同步整流器晶體管應(yīng)該導(dǎo)通。20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述柵極驅(qū)動(dòng)器電路被布置為當(dāng)所述同步整流器晶體管導(dǎo)通時(shí)通過(guò)將驅(qū)動(dòng)電壓輸出至所述同步整流器晶體管的柵極來(lái)驅(qū)動(dòng)所述同步整流器的柵極，并且其中驅(qū)動(dòng)所述同步整流器的柵極還包括:基于負(fù)載電流、溫度或至少一個(gè)外部邏輯信號(hào)中的至少一個(gè)調(diào)制所述驅(qū)動(dòng)電壓。
【文檔編號(hào)】H02M7/217GK105846695SQ201610056063
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年1月27日
【發(fā)明人】R·剛里諾, G·伯納查雅
【申請(qǐng)人】英飛凌科技奧地利有限公司