CN102783005A

CN102783005A - 同步整流器禁用装置

Info

Publication number: CN102783005A
Application number: CN2009801634815A
Authority: CN
Inventors: W.V.菲茨杰拉德; W.J.泰斯丁
Original assignee: THOMSON LICENSING CORP
Current assignee: THOMSON LICENSING CORP
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2012-11-14
Also published as: JP2013516157A; EP2520013A1; US20120287689A1; KR20120099077A; WO2011081614A1

Abstract

电源（200）接收整流器（230）整流的交流电输入（102）。在运行模式操作和待机模式操作两者期间，将整流输出电压（132）耦合到负载（500）和微处理器（400）。整流器（230）在运行模式操作期间，通过包括的MOSFET（234）提供同步整流，而在待机模式操作期间，通过包括的肖特基二极管（232）提供非同步整流。整流器（230）中的肖特基二极管（232）与MOSFET（234）并联，在待机模式操作期间提供整流。将来自微处理器（400）的接通/断开控制信号（203）的源（400）施加给负载以便改变操作模式，以及并行地施加给整流器（230），以便在待机模式操作期间，在整流器（230）中禁用同步整流。在待机模式操作中，通过消除对同步整流器控制器（236）供能所消耗的功率，提高了电源（200）的效率。在待机模式操作中，通过使用来自微处理器（400）的接通/断开控制信号（203）禁用同步操作，也提高了电源（200）的效率。

Description

同步整流器禁用装置

技术领域

本发明涉及利用同步整流的电源。

背景技术

如现有技术的图1所示，电子设备111的电源100包括输入侧组件110和次级侧组件120。也称为“热侧”组件的输入侧包含整流交流（AC）输入电源102的输入桥112、和驱动和调节初级绕组114的电压的开关模式电路。电源初级以也称为热侧或非隔离地的电位116为基准。

例示性电源100的次级侧120包括电源变压器次级绕组124，电源100的初级110和次级120被绕组114和124之间的隔离屏障122分开。绕组124在第一端上与整流器230连接，整流器230在它的其它端子上以“冷侧”或隔离地128为基准。整流器230包含同步整流器233，同步整流器233包含与整流器二极管232并联的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）234。整流器二极管232具有与MOSFET 234的漏极连接的阴极和与地128连接的阳极。MOSFET 234包括与二极管234相对应极化的体二极管235。在绕组124的第二端上产生在此处通过电解电容器130对其滤波的电源输出电压132，并且将输出负载电流134供应给电源负载295。插在电源100与负载295之间的是负载传感器290。负载传感器290具有依照负载有选择地禁用同步整流的信号作为输出202。

在许多电源中，可能将整流器230放置成在绕组124的第二端上具有相反极性，而绕组124的第一端直接与地128连接。如图1所示配置整流器的优点是有助于整流器230散热。电源初级可以配置成任何数量的众所周知电源类型，例如，箝位模式正激转换器(clamped mode forward converter)或反激式转换器(flyback converter)。尽管电源是开关模式配置并不是必需的，但对效率的需要通常使那种模式受到青睐。

在这个示范性开关模式电源中所述的整流器类型中，由于往往是效率低下的主要源：二极管232往往是肖特基（Schottly）二极管；电压降跨越传统整流器二极管。在更大功率电源中，跨越二极管的电压降引起的效率低下可能相当严重，因此需要像强制风冷那样的散热和可能积极措施（activemeatures）。为了满足数字设备的高速和小型化的日益增加需求，微电子电路的电压水平一直在下降。尽管5V和12V电源仍然占主导地位，但3.3V，2.5V，1.8V和1.5V等越来越普遍地作为许多电子设备中的标准电压。使用传统整流器二极管将次级AC电压整流成DC电压的以往设计使次级侧的输出电流在初级侧的电源开关断开的时间内变得“随心所欲（freewheel）”。随着使电子设备消耗的功率最小化的要求越来越严格，以及随着用在现代设备中的工作电压越来越低，在整流器二极管中造成的功率损失与输出功率相比变得非常大。例如，在1V输出电源中使用0.5V肖特基二极管导致整流器电路中的输出功率的约33%的功率损失。

为了提高整流器效率，可以将晶体管，通常场效应晶体管（FET）或更具体地说，MOSFET用作取代二极管的低压降开关。这种技术被称为同步整流。同步整流需要控制同步整流器的驱动器，以便在整流电压的最低部分期间接通MOSFET，而在整流电压的最高部分期间断开MOSFET。像ST微电子STS-R3或易亨电子（Anachip）AP436那样的集成电路控制器以及分立电路设计用于控制同步整流器的传导（conduction）。

并且，大功率密度在电源相对于电源输出的空间有限的应用中是至关重要的。因此，开发出使效率得到提高，以便部分使对散热器的需要或散热器的尺寸最小化的电源是不懈的追求。另外，由于能源之星（Energy Star）和欧洲CoC要求，新电源设计即使在低输出功率水平上也必须保持高效率，并且当存在小负载或无负载时必须具有极大降低的输入功率。同步整流器通过降低标准二极管整流器典型的传导损失(conduction loss)可以在正常和大负载水平提高电源的效率。同步整流器FET的优点是电流FET的极小“接通电阻(on resistance)”。尽管同步整流器在当今的较低压水平比二极管整流器有效得多，但它们也不是没有其缺点。存在一定数量的功率开销，最突出的是操作存在于驱动当存在低输出功率水平时可以影响电源的效率的同步整流器中的同步整流器控制器所需的功率。

在图1的装置中，感测输出电流或输出功率以便在低功率或电流操作的情况期间禁用同步整流器234。在小电流或功率操作的情况期间禁用同步整流器使反向电流最小化，因此提高了电源的效率和热管理。但是，负载传感器290消耗非所希望的附加功率。在不使用不利地消耗功率和使电路复杂化的负载传感器290的情况下，禁用同步整流可能是人们所希望的。

发明内容

本发明的公开实施例涉及包括交流电输入电源和与负载耦合的整流输入电源的整流器的电源。在与负载耦合的电流路径中，在运行模式操作和待机模式操作两者期间产生整流输出电源电流。该整流器在运行模式操作期间提供同步整流。接通/断开控制信号的源施加给负载，以便减小整流输出电源电流，以及并行地施加给整流器，以便在整流器中有选择地禁用同步整流。

附图说明

在附图中：

图1是已知电源实践的局部示意、局部方块图；

图2是并入本发明实施例的电子设备的局部方块图形式和局部示意形式的描绘；

图3示出了图2的整流器的端子上的相关波形；

图4是详细描述同步整流器控制器的分立电路的示意图；以及

图5示出了图4的示意图的相关波形。

具体实施方式

图2描绘了一种电子设备，或更具体地说，机顶盒300，其包含电源200、系统控制器或微处理器400和信号处理器500。电源200的一些部分包含在功能上与以前针对电源100所述的组件相似的组件。在这样的情况下，这些组件具有如以前给出的共同标号。电源200接收AC输入102，和包含电源初级110和电源次级220。初级110和次级220电感性地从变压器初级绕组114连接到变压器次级绕组124，并通过隔离屏障122隔离。次级绕组124在第一端子上与整流器230的第一主电流传导端子连接，而在第二端子上产生整流输出132（+V_OUT），在该优选实施例中，12伏。输出132经过滤波电容器130滤波产生整流输出电源电流134，以便对包含电源次级220、微处理器400和信号处理器500中的操作电路的负载加电。

整流器230的第二主电流传导端子与“冷”或隔离地128连接。小值电容器245并联地跨越整流器230连接，以便消除来自整流器230的开关瞬态引起的线路传导辐射。整流器230还包含控制端子，用于确定整流器230的像来自新科电子（ST Electronics）公司的STF60N55F3那样的组件，同步整流器233中的传导。整流器230还包含二极管232，在图2的实施例中，二极管公司（Diode Inc）的肖特基二极管PDS835L。同步整流器233包含MOSFET 234和整体二极管235。按照本发明的一个实施例，通过来自同步整流器控制器236的控制信号，将同步整流器233控制成当同步整流器234的漏极在电源200的也称为“运行模式”的大功率操作时期处在其最小偏移下时是传导的。在一个优选实施例中，如随后参考图4所述，控制器236是分立电路设计。在图3中示出了控制同步整流器233的波形。波形302示出了MOSFET 234漏极上的电压，而波形304作为控制MOSFET 234传导的电压。当MOSFET 234的漏极处在其最低电位上时，MOSFET 234被正的栅极波形304接通。相反，当MOSFET 234的漏极电位处在其最高电位上时，将栅极电位降低到阈值以下以便禁止MOSFET 234的传导。从MOSFET 234栅极连接到地128的电阻240将控制器236的电流输出转换成电压驱动波形304，并且还提供到地的电流路径，以保证MOSFET在其漏极变成正时断开。

在图2的实施例中，在正常输出功率，即，像机顶盒300的“运行模式”那样，在大约0.8到1.8A之间的条件下，同步整流器控制器236通过安森美（On Semi）公司制造的型号MMBT589LTG的PNP开关晶体管244在V_DD端子242上接收工作电压。晶体管244具有与输出电压132连接的发射极、和与控制器236的V_DD端子242连接的集电极。晶体管244又受2N2222NPN开关晶体管252控制，开关晶体管252具有与地128连接的发射极。晶体管252的集电极通过由电阻248和电阻250形成的分压器与晶体管244的基极连接。晶体管252的基极通过由电阻254和电阻256形成的分压器从同步整流器禁用信号202中接收其输入。当禁用信号202处在高状态，通常大约5V下时，分压器254，256对晶体管252加电。当晶体管252被接通时，它的集电极接近地电位，这又通过分压器248，250使晶体管244变成它的接通状态。随着晶体管244被接通，它的集电极电压接近+V_OUT电压，因此将工作电流提供给控制器236。控制器236含有从V_DD端子242到地的旁路电容器243，以保证当晶体管244传导时，到控制器236的低阻抗工作电源(low impedanceoperating supply)。控制器236的输出端304在这种情况下，产生将同步整流器233切换到它的接通状态的波形。

微处理器400用于控制机顶盒300的操作。通过微处理器用户接口420以及往往借助于遥控器430的方便性，微处理器400指示信号处理器500的操作以便，例如，选择信道，播放/记录和接通/断开。在现代机顶盒中，断开的命令向处理器500用信号发出，以停止处理可视活动和进入低功率或“待机模式”的信号。这种小于100mA的部分加电状态允许下载常规软件，并且使微处理器用户接口和遥控器接口仍然有效，以便接收和处理随后接通命令。由于许多原因，使设备处在这样的待机状态下时消耗的功率尽可能低是重要的。当微处理器400通过待机信号202向处理器500发出进入待机或小电流模式的信号时，微处理器并行地将同步整流器禁用信号202设置成低电压状态以便断开控制器236。当禁用信号202处在低电压状态下时，晶体管252被断开，对此的反应是断开晶体管244。当晶体管244处在其断开模式下时，中断来自同步整流器栅极的波形304，因此断开MOSFET 234的操作。当使MOSFET 234不起作用时，整流器230的二极管232提供输出电压132的整流，因此仍然提供输出电压+V_OUT。在电源200输出的低功率上，二极管232在其传导时可能具有比MOSFET 234在其传导时稍大的压降。但是，电源效率的降低是最小的。通过禁用信号202中断到控制器236的电源电流，显著提高了电源200的效率。可以从整流器230中除去二极管232，待机模式整流由MOSFET体二极管235提供。

尽管在图2中将禁用信号202和待机信号203显示成直接相互连接，但它们也可以是来自微处理器400的两条分开但并行的信号路径。分开但并行信号路径的一个原因可能是信号202和203需要不同极性的情况。还应该考虑到信号202和203之一或两者可以以位图案（bit pattern）在像IIC总线那样的串行通信总线中传送。

图4描述了当前优选实施例的同步整流器控制器236的示意图。将信号302施加给二极管260的阳极和电阻262的一个端子。二极管260的阴极与电阻262的第二端子连接，它们的公共连接与电容器264的第一端子连接。电容器264的第二端子与控制器236的V_DD端子242连接。二极管260、电阻262和电容器264的组合在电容器262的第一端子上形成快速升高（fastattack）、缓慢衰减滤波信号。当信号302变成正时（go positive），迅速对电容器264充电。当信号302沿着负方向进行时，二极管260被反向偏置，电容器264的第一端子上的信号具有近似电阻262的值乘以电容器264的值的时间常数地通过电阻262沿着负方向衰减。

电容器266从电阻262、二极管260和电容器264的结点连接到安森美公司制造的型号MMBT589LT1G的PNP开关晶体管274的基极。还与晶体管274的基极端子连接的是电阻272，电阻272连接在晶体管274的基极与发射极之间。二极管公司制造的4.7伏齐纳二极管268BZT52C4V7和传统二极管270相互串联，并且也从晶体管274的基极连接到发射极。齐纳二极管268的阴极与晶体管274的基极连接，二极管270的阴极与晶体管274的发射极连接，两个二极管的阳极连接在一起。晶体管274的发射极返回到控制器236的V_DD 242。电容器266和电阻272形成差分器，以便将差分脉冲施加给晶体管274的基极发射极结。当信号302沿着负方向进行时，来自差分器的适度宽脉冲使晶体管274将电流从V_DD 242通过由电阻276与电阻240串联形成的负载电阻传导到地128。因此在跨越电阻240引出的正变电压（positive going voltage）产生信号304施加给MOSFET 234的栅极的正部分。

当电压302沿着正方向进行时，在跨越电容器264引出的电压迅速变正，这个电压又被电容器266和电阻272差分，迅速使晶体管274呈现非传导。当晶体管274停止传导时，在MOSFET 234的栅极上引出的电压下降到低于MOSFET的传导阈值。由二极管268和270形成的限幅器（clipper）使晶体管274的基极发射极电压正偏移近似5.4伏（齐纳电压加一个正向二极管压降），以保证晶体管274的基极发射极不超过它的反向击穿电压。电阻276被放置成串联在晶体管274的集电极与MOSFET 234的栅极之间，与电容器258形成低通滤波器，以便降低由MOSFET 234的开关引起的射频干扰。图5中的波形用图形示出了驱动器晶体管274相对于同步整流器栅极电压304的基极-发射极电压502。

在本发明中，通过避免使用电源电流负载传感器，使电源在所有条件下都更有效。另外，有利的是，在待机条件下，中断对控制器的电流供应。另外，通过省略负载传感器所需的组件和空间，该电源可以比以前的那些应用更小和更划算。

Claims

1.一种电源（200），其包含：

交流电输入电源（102）；

整流器（230），与负载（500）耦合，用于整流所述输入电源，以便在与所述负载耦合的电流路径中，在运行模式操作和待机模式操作两者期间产生整流输出电源电流（134），所述整流器在所述运行模式操作期间提供同步整流；以及

接通/断开控制信号（203）的源，将接通/断开控制信号（203）施加给所述负载，以便减小所述整流输出电源电流，以及并行地施加给所述整流器，以便在所述整流器中有选择地禁用同步整流。

2.按照权利要求1所述的电源，其中施加给所述整流器（230）以便在所述整流器中禁用同步整流的信号（202）基本不受输出电源电流（134）的减小影响。

3.按照权利要求1所述的电源，其中所述接通/断开控制信号源包含微处理器（400）。

4.按照权利要求1所述的电源，其中所述接通/断开控制信号源（400）响应用户断电命令。

5.按照权利要求1所述的电源，其中所述整流器（230）包含在所述待机模式操作期间进行非同步操作的二极管（232）、和在所述运行模式操作期间启用同步操作的与所述整流器耦合的半导体开关（244），其中所述半导体开关响应在所述整流器中有选择地禁用同步整流的所述并行施加接通/断开控制信号，以便将所述操作模式从所述运行模式操作改变成所述待机模式操作。

6.按照权利要求5所述的电源，其中所述二极管（232）包含肖特基器件。

7.按照权利要求1所述的电源，其中所述整流器（230）包含场效应晶体管（234）。

8.一种控制电源的系统，其包含：

接收交流电输入（102）的部件；

与负载（500）耦合、整流所述交流电输入，以便在与所述负载耦合的电流路径中，在运行模式操作和待机模式操作两者期间产生整流输出电源电流（134）的部件，所述整流部件在所述运行模式操作期间提供同步整流；以及

提供施加给所述负载，以便减小所述整流输出电源电流，以及并行地施加给所述整流部件，以便在所述整流部件中有选择地禁用同步整流的接通/断开控制信号（203）的部件（400）。

9.按照权利要求8所述的系统，其中施加给所述整流部件以便在所述整流部件中禁用同步整流的信号（202）基本不受输出电源电流（134）影响。

10.按照权利要求8所述的系统，其中提供所述接通/断开控制信号的所述部件包含微处理器（400）。

11.按照权利要求8所述的系统，其中提供所述接通/断开控制信号的部件响应用户断电命令。

12.按照权利要求8所述的系统，其中所述整流部件（230）包含在所述待机模式操作期间进行非同步操作的二极管（232）、和在所述运行模式操作期间启用同步操作的与所述整流部件耦合的开关部件（244），以及其中所述开关部件响应在所述整流部件中禁用同步整流的所述并行施加接通/断开控制信号，以便将所述操作模式从所述运行模式操作改变成所述待机模式操作。

13.按照权利要求12所述的系统，其中所述二极管（232）包含肖特基器件。

14.按照权利要求8所述的系统，其中所述整流部件包含场效应晶体管（234）。

15.一种提高电源效率的方法，其包含如下步骤：

接收输入交流电；

整流所述输入交流电，以便在与负载耦合的电流路径中，在电子设备的运行模式操作期间，产生同步整流输出电源电流，而在所述电子设备的待机模式操作期间，产生非同步整流输出电源电流；以及

生成接通/断开控制信号，施加给所述负载，以便将所述负载切换到待机模式操作，以及并行地施加给所述电源，以便有选择地将所述电源切换到非同步整流模式。

16.按照权利要求15所述的方法，进一步包含与供应给所述负载的电流无关地将所述电源设置在所述非同步模式下的步骤。

17.按照权利要求15所述的方法，进一步包含通过微处理器生成所述接通/断开控制信号的步骤。

18.按照权利要求15所述的方法，进一步包含响应用户断电命令生成所述接通/断开控制信号的步骤。

19.按照权利要求15所述的方法，进一步包含利用FET器件同步整流所述输入交流电和利用二极管非同步整流所述输入交流电的步骤。

20.按照权利要求19所述的方法，进一步包含利用肖特基二极管非同步整流所述输入交流电的步骤。

21.一种电源（200），其包含：

交流电输入电源（102）；

整流器（230），与负载（500）耦合，用于整流所述输入电源，以便在运行模式操作和第二模式操作两者期间产生耦合到所述负载的整流输出电源（132），所述整流器（230）在所述运行模式操作期间提供同步整流；以及

接通/断开控制信号（203）的源（400），将接通/断开控制信号（203）施加给所述负载，以便改变操作模式，以及并行地施加给所述整流器（230），以便在所述第二模式操作期间，在所述整流器（230）中有选择地禁用同步整流。