專利名稱：一種數(shù)字式同步整流控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子系統(tǒng)中的電源管理技術(shù)領(lǐng)域，它特別涉及開關(guān)電源二次側(cè)同步整 流控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
近年來隨著數(shù)字處理電路電壓的不斷降低，電源功率密度的不斷提高，對于電源次級 整流的要求越來越高。整流器件已從最初的肖特基二極管整流，發(fā)展到用同步整流開關(guān)管 替代二極管，以降低功耗。我們可以簡單比較一個6A輸出的變換器中，采用不同的二次 側(cè)整流技術(shù)所帶來的不同功耗采用二極管時，功耗將大于2W;采用導(dǎo)通電阻為10毫歐 的MOSFET時，功耗小于0.5W。可見，在同樣的輸出電流條件下，相對于二極管整流， 開關(guān)管具有較小的導(dǎo)通壓降，使得功耗明顯減小。同時由于器件發(fā)熱減少，對散熱要求降 低，器件體積也明顯減小，這就極大地提高了功率密度。對于越大的電流輸出，利用開關(guān) 管作為輸出次級整流器件就越有優(yōu)勢。然而，目前驅(qū)動同步整流開關(guān)管需要相對復(fù)雜的線 路。最常見的方法有分立式自驅(qū)動和單芯片鎖相環(huán)兩種。
第一種方法的性能往往不是很好，原因在于同步整流開關(guān)管的寄生二極管導(dǎo)通時間很 長，另一個原因是柵極驅(qū)動電壓是變化的。為了控制柵極驅(qū)動信號以防止它們在切換過程 中出現(xiàn)同時導(dǎo)通的現(xiàn)象，必須采用特殊的電路，例如在副邊使用PWM控制器，或者使用 耦合器件把切換信息從原邊傳送到副邊。這增加了電源轉(zhuǎn)換器的復(fù)雜程度。通常利用兩個 電流傳感器，兩個高速比較器和兩個大電流、低延時的驅(qū)動器，響應(yīng)慢，可靠性低。
單芯片鎖相環(huán)驅(qū)動方法利用初級關(guān)斷時在次級產(chǎn)生的電壓信號開啟同步整流開關(guān)管。 這種方法需要較多的外圍元器件。當(dāng)電路進(jìn)入間隔模式，次級整流實(shí)際上并不與初級信號 同步，這樣芯片只能采用邏輯方法禁止輸出，從而無法控制同步整流開關(guān)管，仍然依靠開 關(guān)管寄生二極管整流。
這兩種同步整流控制技術(shù)，從本質(zhì)上看都是基于模擬開環(huán)控制的，在穩(wěn)定性及抗干擾 等反面都存在缺陷。如僅針對二次側(cè)整流控制的IR1167 (國際整流公司IRF) 、 STSR2/3
(ST公司)等，包含了原邊和二次側(cè)全部控制功能的LTC3722/LTC3723 (凌特公司 Linear) 、 ISL6752 (INTERSIL公司)等，對高頻干擾極為敏感，對器件放置、布線有嚴(yán) 格要求。
數(shù)字化控制無疑在抗干擾和穩(wěn)定性方面相比模擬回路具有更大的優(yōu)勢，但在整個電源 系統(tǒng)中全部由數(shù)字閉環(huán)實(shí)現(xiàn)，至少在目前還存在控制精度與響應(yīng)速度等問題。同時，現(xiàn)有 的大量設(shè)計(jì)完善的原邊控制集成電路，在電源系統(tǒng)的性能與實(shí)現(xiàn)代價間已經(jīng)達(dá)到了很好的 平衡。為此，單獨(dú)在二次側(cè)同步整流控制部分實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字控制，是結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)來提 高電源性能，特別是低壓/大電流輸出電源性能的一種有效技術(shù)手段。本發(fā)明的重點(diǎn)在于，如何在不影響原邊控制效果的前提下，通過二次側(cè)的數(shù)字化同步 整流控制，以盡可能小的代價、極高的工作可靠性來提高電源系統(tǒng)的整體變換效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)字式同步整流控制器，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有使用靈 活、適用范圍廣、控制精度高、對原有控制功能影響小等技術(shù)特點(diǎn)，同時它具有結(jié)構(gòu)簡 單、易于集成或二次集成等應(yīng)用特點(diǎn)。
為了便于后續(xù)描述，我們定義
* 同步整流控制電路整體電路端口中，0-l和0-2端口是變壓器次級電壓接入端口， 變壓器次級電壓記為Vsec;
* 時鐘提取電路1的輸出1-2端口信號頻率為開關(guān)管工作頻率fs;
* 高速K倍頻開關(guān)頻率恢復(fù)電路3的輸出3-2端口信號頻率為K倍開關(guān)管工作頻率
* 定義常數(shù)Tad,表示當(dāng)次級繞組電壓脈沖上升沿到達(dá)前整流開關(guān)提前進(jìn)入導(dǎo)通狀 態(tài)的時間；定義常數(shù)Tdl，表示次級繞組電壓脈沖下降沿到達(dá)后整流開關(guān)延遲進(jìn)入 斷開狀態(tài)的時間；定義變量Toff，表示上一次開關(guān)周期主功率開關(guān)的關(guān)斷時間。
* 定義復(fù)位信號，為同步于開關(guān)管工作頻率fs下降沿的窄脈沖信號；定義預(yù)選擇信 號，為同步于Vsec信號的邏輯電平信號；定義預(yù)置觸發(fā)信號，為同步于fs下降沿 的窄脈沖信號。定義整流控制信號為ZVS同步整流控制運(yùn)算電路4的輸出信號。
一種數(shù)字式同步整流控制器，如附圖一所示，其特征包括時鐘提取電路l、自給供電 電路2、高速K倍頻開關(guān)頻率恢復(fù)電路3、零電壓開關(guān)ZVS同步整流控制運(yùn)算電路4及驅(qū) 動輸出電路5、變壓器11。
所述的數(shù)字式同步整流控制器有3個整體電路端口 0-l和0-2端口是變壓器次級電壓 接入端口； 0-3端口是同步整流控制輸出端口。所述的數(shù)字式同步整流控制器以0-2端口的 電位為公共參考電位。
時鐘提取電路1有2個端口 l-l端口是時鐘提取電路l輸入端口； l-2端口是時鐘提 取電路l輸出端口。
自給供電電路2有2個端口 2-1和2-2端口是自給供電電路2的輸入端口；自給供電 電路2穩(wěn)壓輸出為同步整流控制器供電，定義為Vcc。
高速K倍頻開關(guān)頻率恢復(fù)電路3有2個端口 3-1端口是高速K倍頻開關(guān)頻率恢復(fù)電 路3的輸入端口 ， 3-2端口是高速K倍頻開關(guān)頻率恢復(fù)電路3的輸出端口 。
零電壓開關(guān)ZVS同步整流控制運(yùn)算電路4有3個端口 4-1端口是從時鐘提取電路1 到ZVS同步整流控制運(yùn)算電路4的輸入端口 ； 4-2端口是從高速K倍頻開關(guān)頻率恢復(fù)電路3 到ZVS同步整流控制運(yùn)算電路4輸入端口； 4-3端口是零電壓開關(guān)ZVS同步整流控制運(yùn)算 電路4的輸出端口驅(qū)動輸出電路5有2個端口 5-l端口是驅(qū)動輸出電路的輸入端口； 5-2端口是驅(qū)動輸 出電路5的輸出端口。
電路連接關(guān)系是
0-1端口、 1-1端口、 2-l端口連接；0-2端口、 2-2端口連接；l-2端口、 3-1端口、 4-1 端口連接；3-2端口、 4-2端口連接；4-3端口、 5-1端口連接；5-2端口、 0-3端口連接。
所述的時鐘提取電路l是一個過零檢測電路。如圖5所示由R1、 R2、 R3、 R4、 R5, 運(yùn)放U1、 U2和變壓器次級電壓Vsec，供電電壓Vcc，開關(guān)管工作頻率fs組成。
所述的自給供電電路2，如圖4所示由C1、 C2、 C3、 C4、 Dl、 D2、 D3，和變壓器次 級電壓Vsec,小功率三端穩(wěn)壓器78L05，輸出電壓Va組成
所述的高速K倍頻開關(guān)頻率恢復(fù)電路3是一個鎖相倍頻器。如圖6所示由74HC4046 和K倍分頻器+K ，開關(guān)管工作頻率fs， K倍開關(guān)管工作頻率fr組成組成。74HC4046是鎖 相環(huán)電路又由鑒相器，低通濾波器LPF,壓控振蕩器VCO組成。
所述的ZVS同步整流控制運(yùn)算電路4，它包括一個與門6、加計(jì)數(shù)器7、寄存器8、加 法器9、緩沖器a、緩沖器b、減計(jì)數(shù)器IO。開關(guān)管工作頻率fs經(jīng)過非門反相后和K倍開 關(guān)管工作頻率fr經(jīng)過與門進(jìn)行"與"運(yùn)算，與門的輸出連接到加計(jì)數(shù)器，作為其時鐘信 號；同時加計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位，每個開關(guān)周期進(jìn)行一次復(fù)位；加計(jì)數(shù)器輸出連接到寄存器； 寄存器的輸出和常數(shù)Tad做為加法器的輸入，加法器進(jìn)行低位對齊的加法運(yùn)算；加法器的 輸出連接到緩沖器a的輸入；常數(shù)Tdl連接到緩沖器b的輸入；緩沖器a的輸入控制端通 過非門連接預(yù)選擇信號，緩沖器b的輸入控制端連接預(yù)選擇信號；緩沖器a和緩沖器b的 輸出連接到減計(jì)數(shù)器的輸入端；減計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時鐘連接K倍開關(guān)管工作頻率fr;減計(jì)數(shù) 器的預(yù)置端連接預(yù)置觸發(fā)信號；減計(jì)數(shù)器的借位輸出端即為整流控制信號連接TPS2813 (TI公司出品)給出同步整流MOSFET的控制信號。
所述的驅(qū)動輸出電路5，是一個驅(qū)動電路。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是
1、 高頻功率變壓器次級繞組的電壓信號進(jìn)入數(shù)字式同步整流控制電路的時鐘提取 回路，可以通過一個電壓比較器得到開關(guān)管工作頻率fs，即主功率開關(guān)的工作 頻率。
2、 當(dāng)繞組輸出電壓小于5V時，該電壓同時進(jìn)入倍壓整流回路，通過倍壓整流的 方式，得到供給同步整流控制電路所需的供電；而當(dāng)繞組輸出電壓大于5V 時，可以簡單得通過半波整流得到相應(yīng)的供電。即倍壓整流回路在我們的發(fā)明 中將依據(jù)次級繞組輸出電壓的大小而自動選擇是否加入。3、 開關(guān)管工作頻率fs進(jìn)入一個高速鎖相環(huán)，恢復(fù)出fr,其中fr二KXfs。由于該 頻率fr僅作為移相運(yùn)算的基本單位，對頻率精度和相位沒有嚴(yán)格要求，因此 對其精度與穩(wěn)定性沒有嚴(yán)格要求，實(shí)現(xiàn)代價很低。
4、 fs和fr同時進(jìn)入ZVS同步整流控制運(yùn)算回路，給出符合時序要求的整流控制 信號，控制精度達(dá)1/K開關(guān)周期。在運(yùn)算回路設(shè)計(jì)中，我們可以用一個可預(yù)置 減計(jì)數(shù)器、 一個加計(jì)數(shù)器和一組寄存器代替復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算單元，達(dá)到我們的 設(shè)計(jì)目的，具體工作如下
a) 引入常數(shù)Tad、常數(shù)Tdl和變量Toff,單位為1/K開關(guān)周期。
b) 在fs下降沿，可預(yù)置減計(jì)數(shù)器裝載預(yù)置數(shù)值；清零并啟動加計(jì)數(shù)器；
C)當(dāng)減計(jì)數(shù)器減為0時，關(guān)閉輸出，即整流開關(guān)斷開；此時將寄存器中的值 Toff讀出，并將Toff-Tad置入減計(jì)數(shù)器；
d) 當(dāng)減i十?dāng)?shù)器再次減為0時，輸出有效，即整流開關(guān)閉合，計(jì)數(shù)器進(jìn)入保持狀 態(tài)，直到下一個fs下降沿到達(dá)；
e) 當(dāng)fs上升沿到達(dá)時，停止加計(jì)數(shù)器，將其值保存在寄存器中。
5、 控制輸出回路，將來自同步整流控制運(yùn)算回路的控制信號做電平變換和功率放 大，驅(qū)動外部VMOS整流開關(guān)管的正確動作。
本發(fā)明的工作原理為
對于具體的主功率回路結(jié)構(gòu)，我們可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求設(shè)定整流導(dǎo)通提前量常數(shù)
Tad和斷開延遲量常數(shù)Tdl, —般原則是在滿足零電壓開關(guān)的條件下，盡可能逼近最大占空 比。
由于主回路可能采用PWM控制方式或PFM控制方式，因此Toff值無法給定，因此我 們的發(fā)明中采用了自學(xué)習(xí)的方法初始值可任意，如半工作周期(K/2)，然后在一個工作 周期后，即可得到準(zhǔn)確的實(shí)際工作Toff參數(shù)，同時當(dāng)出、入線條件發(fā)生變化而導(dǎo)致主功率 開關(guān)On/Off發(fā)生變化時，二次側(cè)可自動感知Toff的變化并跟蹤記錄。
通過對本次主功率開關(guān)關(guān)閉時間的檢測和Toff，事實(shí)上可以預(yù)知其下一個On的時 刻，再結(jié)合常數(shù)Tad,我們可以準(zhǔn)確控制滿足ZVS條件下的同步整流開關(guān)的導(dǎo)通時間。
為避免主功率開關(guān)和同步整流開關(guān)、對稱輸出結(jié)構(gòu)中兩個同步整流開關(guān)等的同時導(dǎo) 通，對同步整流開關(guān)的關(guān)閉操作時間也必須嚴(yán)格控制。本發(fā)明中是通過對主功率開關(guān)關(guān)閉 時刻的準(zhǔn)確延遲來實(shí)現(xiàn)的，即常數(shù)Tdl。
需要說明的是
時鐘提取電路l是一個過零檢測電路，用來獲取變壓器次級電壓的過零點(diǎn) 一方面該 過零信號反映了開關(guān)信號的頻率，另一方面它給出了次級電壓波形的過零時刻，便于實(shí)現(xiàn) 整流管的零電壓開關(guān)控制。自給供電電路2可以根據(jù)開關(guān)電源所設(shè)計(jì)要求的次級電壓，選取不同的形式。若次級 輸出電壓大于5V，則可以通過簡單的半波整流、濾波、穩(wěn)壓等直接獲得用于驅(qū)動整個同步 整流控制電路工作的工作電壓；若次級輸出電壓小于5V，而這也正是同步整流應(yīng)用中最能 體現(xiàn)對電源變換效率貢獻(xiàn)的情況，此時可以選用倍壓整流的形式，通過這種結(jié)構(gòu)獲得足夠 高的電壓，以供同步整流控制電路的正常工作。
高速K倍頻開關(guān)頻率恢復(fù)電路3是一個鎖相倍頻器，由鎖相環(huán)構(gòu)成，用以得到K倍于 開關(guān)管工作頻率的一個高頻信號。其參考信號為來自時鐘提取電路l的輸出信號，因此可 以自動跟蹤開關(guān)管工作頻率的變化。若鎖相環(huán)回路中的壓控振蕩器線性范圍足夠?qū)挘覀?甚至可以不調(diào)整鎖相環(huán)參數(shù)，而將整個同步整流控制器用于不同工作頻率的開關(guān)電源中。 ZVS同步整流控制運(yùn)算電路4是本發(fā)明的關(guān)鍵，它由一個與門、加計(jì)數(shù)器、寄存器、 加法器、緩沖器a、緩沖器b、減計(jì)數(shù)器和其它一些輔助邏輯構(gòu)成，基本思想是通過對計(jì)數(shù) 器的操作完成需要復(fù)雜算術(shù)運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)同步控制運(yùn)算功能。Fs反相后和fr進(jìn)行"與"運(yùn) 算，與門的輸出連接到加計(jì)數(shù)器，作為其時鐘信號；同時有一復(fù)位信號對加計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù) 位，每個開關(guān)周期進(jìn)行一次；加計(jì)數(shù)器的輸出連接到寄存器；寄存器的輸出和常數(shù)Tad設(shè) 定值做為加法器的輸入，進(jìn)行低位對齊的加法運(yùn)算；加法器的輸出連接到緩沖器a的輸 入；常數(shù)Tdl設(shè)定值連接到緩沖器b的輸入；緩沖器a和緩沖器b的輸出控制端連接預(yù)選 擇信號，為反相關(guān)系，即預(yù)選擇信號分別直接和通過一個"非門"后連接到兩個緩沖器的 輸出使能端，它們在任何時間只有一個處于有效輸出狀態(tài)；兩個緩沖器合并后的輸出連接 到可預(yù)置減計(jì)數(shù)器的預(yù)置輸入端；減計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時鐘連接fr;減計(jì)數(shù)器的預(yù)置端連接預(yù) 置觸發(fā)信號；減計(jì)數(shù)器的借位輸出端為整流控制信號輸出端，可連接到驅(qū)動輸出電路5的 5陽1端口。
驅(qū)動輸出電路5是一個高速功率驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)在幾百KHz的頻率下對容性負(fù)載的驅(qū) 動，使得外部功率VMOS管完成對變壓器次級電壓的同步整流，開關(guān)電源高效輸出穩(wěn)定的 直流電壓。
本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的數(shù)字式二次側(cè)同步整流控制功能，具有以下這些特點(diǎn) 適用范圍廣泛，應(yīng)用靈活。原有的同步整流控制技術(shù)，要么適用于雙端對稱輸出的二 次側(cè)回路，有半橋結(jié)構(gòu)、全橋結(jié)構(gòu)、雙正激結(jié)構(gòu)等；要么適用于單端非對稱輸出的二次側(cè) 回路，有單端正激、單端反激結(jié)構(gòu)等。我們給出的控制電路，可同時適用于這兩種類型的 二次側(cè)回路，應(yīng)用更為靈活。同時，我們在二次側(cè)恢復(fù)開關(guān)工作頻率，無需原邊向二次側(cè) 提供隔離的控制信號，對原邊控制沒有任何依賴，適用于各種原邊控制結(jié)構(gòu)。
控制精度高，同步整流開關(guān)工作于零電壓開關(guān)狀態(tài)，效率高。通過數(shù)字式控制運(yùn)算， 我們的控制電路可以非常方便地實(shí)現(xiàn)整流開關(guān)管的零電壓開關(guān)控制，這極大地降低了高頻 開關(guān)電源中由二次側(cè)整流帶來的開關(guān)損耗。同時，通過對控制參數(shù)的調(diào)整，可以逼近輸出 最大占空比，降低原邊與二次側(cè)開關(guān)管的電流應(yīng)力，降低導(dǎo)通損耗。低功耗結(jié)合自給供電式設(shè)計(jì)，適用于3.3V以下輸出電壓變換器的整流控制。所有控制回路由低功耗CMOS集成電路構(gòu)成，當(dāng)輸出電壓很低時，可以不采用輔助繞組供電的方式，而由倍壓整流得到控制回路的能量供給。在目前大容量VMOS開關(guān)管柵電荷低達(dá)20nC的前提下，這種技術(shù)降低了變壓器設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，簡化了繞組與電路設(shè)計(jì)。


圖l是本發(fā)明的原理示意圖
圖中，l是時鐘提取電路，2是自給供電電路，3是高速K倍頻開關(guān)頻率恢復(fù)電路，4是ZVS同步整流控制運(yùn)算電路與控制輸出電路，5是驅(qū)動輸出電路，ll是變壓器。0-1和0-2端口是變壓器次級電壓接入端口； 0-3端口是同步整流控制輸出端口。 l-l端口是時鐘提取電路l輸入端口； l-2端口是時鐘提取電路l輸出端口。 2-l和2-2端口是自給供電電路2的輸入端口，其輸出連接到電路其他部分的電源端Vcc,不再單獨(dú)給出。3-l端口是高速K倍頻開關(guān)頻率恢復(fù)電路3的輸入端口， 3-2端口是高速K倍頻開關(guān)頻率恢復(fù)電路3的輸出端口。 4-l端口是從時鐘提取電路(1)到ZVS同步整流控制運(yùn)算電路(4)的輸入端口； 4-2端口是從高速K倍頻開關(guān)頻率恢復(fù)電路(3)到ZVS同步整流控制運(yùn)算電路(4)輸入端口； 4-3端口是零電壓開關(guān)ZVS同步整流控制運(yùn)算電路(4)的輸出端口。 5-l端口是驅(qū)動輸出電路的輸入端口； 5-2端口是驅(qū)動輸出電路5輸出端口。連接到外部整流VMOS開關(guān)管。
圖2是本發(fā)明中ZVS同步整流控制運(yùn)算電路的原理示意圖
其中，6是與門、7是加計(jì)數(shù)器、8是寄存器、9是加法器、a和b均為緩沖器、10為減數(shù)器，TPS2813 (TI公司出品)是功率驅(qū)動集成電路控制芯片，開關(guān)管工作頻率fs， K倍開關(guān)管工作頻率fr，常數(shù)Tad,常數(shù)Tdl,還有兩個非門，復(fù)位信號，預(yù)選擇信號，預(yù)置觸發(fā)信號，整流控制信號。.
圖3是本發(fā)明中同步整流控制電路的波形示意圖
圖中橫軸為時間，縱軸為電壓；Vsec為變壓器次級電壓波形，fs為開關(guān)管工作頻率，fr為K倍開關(guān)管工作頻率，VG為同步整流控制信號；常數(shù)Tad為當(dāng)次級繞組電壓脈沖上升沿到達(dá)前整流開關(guān)提前進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)的時間，常數(shù)Tdl為次級繞組電壓脈沖下降沿到達(dá)后整流開關(guān)延遲進(jìn)入斷開狀態(tài)的時間，K倍頻是K乘以開關(guān)管工作頻率。
圖4是自給供電電路的原理示意圖
圖中Vsec為變壓器次級電壓，78L05是小功率三端穩(wěn)壓器，Va是輸出電壓，Cl、C2、 C3、 C4為電容器、Dl、 D2、 D3為二極管；圖5是時鐘提取電路的原理示意圖
圖中Vsec為變壓器次級電壓，Vcc是供電電壓，fs為開關(guān)管工作頻率，Rl、 R2、R3、 R4、 R5為電阻，運(yùn)放U1、 U2;圖6是高速K倍頻開關(guān)頻率恢復(fù)電路的原理示意圖
圖中74HC4046是鎖相環(huán)電路，LPF是低通濾波器，VCO是壓控振蕩器，屮K是K倍分頻器，fs為開關(guān)管工作頻率，fr為K倍開關(guān)管工作頻率，另外還有一鑒相器；
圖7是ZVS同步整流控制運(yùn)算電路與控制輸出電路的原理示意中74HC161 X2是4-bit同步加/減計(jì)數(shù)器，74HC374是8-bit寄存器，74HC 283 X2是8-bit加法器，74HC541是8-bit緩沖器，TPS2813 (TI公司出品)是功率驅(qū)動集成電路控制芯片，fs為開關(guān)管工作頻率，fr為K倍開關(guān)管工作頻率，常數(shù)Tad，常數(shù)Tdl,還有兩個非門，復(fù)位信號，預(yù)選擇信號，預(yù)置觸發(fā)信號，整流控制信號。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明所提出的數(shù)字式同步整流控制技術(shù)可用于不同的原邊控制方式、單/雙端功率變換拓?fù)涞?。我們以一個單端反激結(jié)構(gòu)描述釆用本發(fā)明的二次側(cè)同步整流控制的具體形式。
在一次側(cè)，是一個普通的單端反激變換結(jié)構(gòu)，由UC3842實(shí)現(xiàn)基本的穩(wěn)壓控制。由于我們僅關(guān)注二次側(cè)的工作狀況和整流效率，故此對該部分的工作原理與實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)不再贅述。
在二次側(cè)，我們設(shè)計(jì)的輸出電壓為3.3V，電流10A，毫無疑問，若采用肖特基二極管整流，所帶來的功率損耗是非常大的，因此我們必須采用某種同步整流技術(shù)。
附圖4中，由于功率變壓器次級電壓不足夠高，因此在采用本發(fā)明的同步整流控制電路時，其供電部分采用了倍壓整流的方式，然后通過小功率三端穩(wěn)壓器78L05向整個二次側(cè)控制回路供電。
附圖5中的雙運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)兩個功能第一級為次級電壓信號的限幅放大；第二級為比較器，其中電位器W1用來調(diào)節(jié)比較門限。器件選型一TL062。最終，由TL062向后續(xù)電路提供主開關(guān)開啟與關(guān)閉的觸發(fā)信號，這同時也是K倍頻主功率開關(guān)工作頻率恢復(fù)的參考信號fs。
附圖6中選用74HC4046鎖相環(huán)電路其中壓控振蕩器(VCO)利用了 74HC4046內(nèi)部基礎(chǔ)的振蕩器，低通濾波器(LPF)為簡單的二階RC濾波。選用74HC4020分頻器電路來構(gòu)成高速K倍頻開關(guān)頻率恢復(fù)電路。在該用例中K二256，即控制精度可達(dá)到開關(guān)周期的1/256。若主開關(guān)工作頻率為40KHz,則工作周期為25uS,控制精度為156nS。 K的取值越大，控制精度越高，但數(shù)字控制部分的實(shí)現(xiàn)也越復(fù)雜，我們的實(shí)驗(yàn)中K大于64即可獲得良好的效果(即采用6-bit除法器)。VCO輸出信號即為fr。
附圖7是圖2的ZVS同步整流控制運(yùn)算電路的具體實(shí)施方式
之一，其中加計(jì)數(shù)器7是由74HC161X2實(shí)現(xiàn)、寄存器8是由74HC374實(shí)現(xiàn)、加法器9是由74HC283X2實(shí)現(xiàn)、緩沖器a是由74HC541實(shí)現(xiàn)、緩沖器b是由74HC541實(shí)現(xiàn)、減計(jì)數(shù)器10是由74HC161X2實(shí)現(xiàn)。fs經(jīng)非門與fr同時進(jìn)入由74HC161、 74HC541、 74HC374、 74HC283等構(gòu)成的同步整流控制運(yùn)算電路，見附圖7，實(shí)現(xiàn)發(fā)明內(nèi)容ZVS同步整流控制運(yùn)算電路4所描述的功能。最后由功率驅(qū)動集成電路TPS2813 (TI公司出品)給出對同步整流MOSFET的控制信號，由IRF7842完成同步整流功能。
在實(shí)驗(yàn)中，采用肖特基整流帶來的功率損耗接近6W，而采用本發(fā)明的同步整流控制電路配合低導(dǎo)通損耗VMOS管IRF7842，可以將功率損耗降到2W左右，對提高轉(zhuǎn)換效率有極大的幫助。
1權(quán)利要求
1、一種數(shù)字式同步整流控制器，其特征包括時鐘提取電路(1)、自給供電電路(2)、高速K倍頻開關(guān)頻率恢復(fù)電路(3)、零電壓開關(guān)ZVS同步整流控制運(yùn)算電路(4)及驅(qū)動輸出電路(5)、變壓器(11)；所述的數(shù)字式同步整流控制器有(3)個整體電路端口0-1和0-2端口是變壓器次級電壓接入端口；0-3端口是同步整流控制輸出端口；所述的數(shù)字式同步整流控制器以0-2端口的電位為公共參考電位；時鐘提取電路(1)有2個端口1-1端口是時鐘提取電路(1)輸入端口；1-2端口是時鐘提取電路(1)輸出端口；自給供電電路(2)有2個端口2-1和2-2端口是自給供電電路(2)的輸入端口；自給供電電路(2)穩(wěn)壓輸出為同步整流控制器供電，定義為Vcc；高速K倍頻開關(guān)頻率恢復(fù)電路(3)有2個端口3-1端口是高速K倍頻開關(guān)頻率恢復(fù)電路(3)的輸入端口，3-2端口是高速K倍頻開關(guān)頻率恢復(fù)電路(3)的輸出端口；零電壓開關(guān)ZVS同步整流控制運(yùn)算電路(4)有3個端口4-1端口是從時鐘提取電路(1)到ZVS同步整流控制運(yùn)算電路(4)的輸入端口；4-2端口是從高速K倍頻開關(guān)頻率恢復(fù)電路(3)到ZVS同步整流控制運(yùn)算電路(4)輸入端口；4-3端口是零電壓開關(guān)ZVS同步整流控制運(yùn)算電路(4)的輸出端口；驅(qū)動輸出電路(5)有2個端口5-1端口是驅(qū)動輸出電路(5)的輸入端口；5-2端口是驅(qū)動輸出電路(5)輸出端口；電路連接關(guān)系是0-1端口、1-1端口、2-1端口連接；0-2端口、2-2端口連接；1-2端口、3-1端口、4-1端口連接；3-2端口、4-2端口連接；4-3端口、5-1端口連接；5-2端口、0-3端口連接；所述的時鐘提取電路(1)是一個過零檢測電路；由電阻R1、R2、R3、R4、R5、運(yùn)放U1、U2和變壓器次級電壓Vsec、供電電壓Vcc、開關(guān)管工作頻率fs組成；所述的自給供電電路(2)，由電容C1、C2、C3、C4、二極管D1、D2、D3，和變壓器次級電壓Vsec，小功率三端穩(wěn)壓器78L05，輸出電壓Va組成；所述的高速K倍頻開關(guān)頻率恢復(fù)電路(3)是一個鎖相倍頻器，由74HC4046和K倍分頻器÷K、開關(guān)管工作頻率fs，K倍開關(guān)管工作頻率fr組成，74HC4046是鎖相環(huán)電路由鑒相器、低通濾波器LPF、壓控振蕩器VCO組成；所述的零電壓開關(guān)ZVS同步整流控制運(yùn)算電路(4)，它包括一個與門(6)、加計(jì)數(shù)器(7)、寄存器(8)、加法器(9)、緩沖器a、緩沖器b、減計(jì)數(shù)器(10)；開關(guān)管工作頻率fs經(jīng)過非門反相后和K倍開關(guān)管工作頻率fr經(jīng)過與門進(jìn)行“與”運(yùn)算，與門的輸出連接到加計(jì)數(shù)器，作為其時鐘信號；同時加計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位，每個開關(guān)周期進(jìn)行一次復(fù)位；加計(jì)數(shù)器輸出連接到寄存器；寄存器的輸出和常數(shù)Tad做為加法器的輸入，加法器進(jìn)行低位對齊的加法運(yùn)算；加法器的輸出連接到緩沖器a的輸入；常數(shù)Td1連接到緩沖器b的輸入；緩沖器a的輸入控制端通過非門連接預(yù)選擇信號，緩沖器b的輸入控制端連接預(yù)選擇信號；緩沖器a和緩沖器b的輸出連接到減計(jì)數(shù)器的輸入端；減計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時鐘連接K倍開關(guān)管工作頻率fr；減計(jì)數(shù)器的預(yù)置端連接預(yù)置觸發(fā)信號；減計(jì)數(shù)器的借位輸出端即為整流控制信號連接TPS2813給出同步整流MOSFET的控制信號。所述的驅(qū)動輸出電路(5)，是一個驅(qū)動電路。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種數(shù)字式同步整流控制器，它包括時鐘提取電路1、自給供電電路2、高速K倍頻開關(guān)頻率恢復(fù)電路3、零電壓開關(guān)ZVS同步整流控制運(yùn)算電路4及驅(qū)動輸出電路5、變壓器11。它是通過在開關(guān)電源二次側(cè)采用可靠的頻率恢復(fù)和快速跟蹤技術(shù)，得到準(zhǔn)確的開關(guān)管工作狀態(tài)參數(shù)；再通過數(shù)字運(yùn)算電路的處理，得到的同步整流控制信號，并滿足零電壓開關(guān)(ZVS)的要求。與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有使用靈活、適用范圍廣、控制精度高、對原有控制功能影響小等技術(shù)特點(diǎn)，同時它具有結(jié)構(gòu)簡單、易于集成或二次集成等應(yīng)用特點(diǎn)。
文檔編號H02M7/10GK101483395SQ200810045150
公開日2009年7月15日 申請日期2008年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月10日
發(fā)明者王京梅 申請人:電子科技大學(xué)