同步整流器控制方法以及驱动同步整流器的电路

摘要

本发明提供一种控制同步整流器(包括多个晶体管)的方法以及驱动同步整流器的电路。其中所述方法包括：侦测同步整流器的至少一个操作条件；以及根据至少一个操作条件修正用以导通晶体管的至少一个的电压电平。实施本发明，可提高同步整流器的效率。

说明书

【技术领域】

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及同步整流器控制方法及驱动同步整流器的电路。

【背景技术】

同步整流器为由晶体管而非二极管所构成的整流器。控制电路根据接收到的交流波形以控制切换晶体管的时间，以模拟传统整流器中二极管的导通(switching on)以及关闭(switching off)。由于导通期间其跨压较低，使得同步整流器的效率高于由二极管所构成的整流器。

以无线或者无连接器的方式传递功率的无线功率传输系统(Wireless Power Transfer System,WPTS)日益普及。无线功率传输系统于工业中的发展主要可分为两个类别：磁感应(magnetic induction)系统以及磁共振(magnetic resonance)系统。两种类型的系统皆包括无线功率传输器以及无线功率接收器。所述的系统可对移动式电池供电设备进行供电或者充电，例如智能型手机、或者平板计算机，或者包括其它的应用。

磁感应式无线功率传输系统的功率控制机制通常操作于数百千赫的频率范围中。而磁共振式无线功率传输系统通常利用以输入电压进行调节的单一频率进行操作以控制输出功率。于典型的应用中，磁共振式无线功率传输系统的操作频率为6.78MHz。

而多个工业委员会，例如Wireless Power Consortium(WPC)、Power Matters Alliance(PMA)、以及Alliance for Wireless Power(A4WP)致力于制定基于无 线功率传输的消费产品的国际标准。

【发明内容】

本发明一些实施例提供一种控制同步整流器(包括多个晶体管)的方法以及驱动同步整流器的电路，以提高同步整流器的效率。

本发明提供的一种同步整流器控制方法，包括：侦测所述同步整流器的至少一个操作条件；以及根据所述至少一个个操作条件修正用以导通所述晶体管的至少一个的电压电平。

本发明提供的一种用以驱动同步整流器的电路，包括：控制器，用以侦测所述同步整流器的至少一个操作条件；以及驱动电路，用以根据所述至少一个操作条件修正用以导通所述晶体管的至少一个的一电压电平。

通过实施上述方法及电路本发明实施例可提高同步整流器的效率。

前述的说明仅为本发明的实施例，但并不以此为限。

【附图说明】

图1显示晶体管的导通电阻(on-resistance)对应于V_gs的函数；

图2显示同步整流器的切换损耗(switching loss)对应于V_gs的函数；

图3显示根据本发明一些实施例所述的同步整流器电路的示例；

图4显示根据本发明一些实施例所述的同步整流器电路的详细示例；

图5显示根据本发明一些实施例所述的同步整流器的示例，其中晶体管T2以及T4为PMOS晶体管；

图6显示根据本发明一些实施例所述通过映射一个或者多个侦测到的操作条件与驱动电压以控制同步整流器的驱动电压的方法的流程图；

图7显示根据本发明一些实施例所述的同步整流器的驱动电压控制方法的流程图，所述方法系根据映射一个或者多个侦测到的操作条件以选择初始驱动 电压并透过最优化算法以收敛到可最大化或者可提高效率的驱动电压；

图8显示无线电力系统的电力链，其中无线功率接收器具有同步整流器。

【具体实施方式】

如前所述，相较于具有二极管的整流器，同步整流器可提供更好的效率。然而，主要由于两种不同的机制，使得同步整流器仍具有功率损耗。第一种损耗机制为因晶体管的导通电阻所造成的导通损耗。晶体管中的电阻功率损耗等于I²R，其中I为通过晶体管的电流以及R为晶体管的导通电阻。第二种损耗机制为切换损耗。切换损耗发生于当晶体管的寄生电容(例如金属氧化物半导体场效应管的栅极-源极电容)充电或者放电时。切换损耗系与切换频率、电容值以及电压的平方(例如栅极-源极电压)成正比，并等于fCV²+(产生电压的供应损耗)，其中f为频率、C为电容值、以及V为导通/关断晶体管的电压(例如栅极-源极电压V_gs)。同步整流器中的总功率损耗为导通损耗以及切换损耗的总和。

如图1所示，通过增加金属氧化物半导体场效应管的栅极-源极电压V_gs可降低其导通电阻。然而，通过增加V_gs以改善导通电阻仍有其限制，使得即使后续将V_gs提高仍无法对导通电阻R_on有显著的影响。于图1所示的示例中，晶体管的导通电阻R_on于V_gs为5V时仅略低于V_gs为3V时。图2显示增加V_gs时切换损耗的增加。如前所述，切换损耗系与V_gs的平方成正比。由于当V_gs增加时导通损耗会降低但切换损耗会增加，因此V_gs的选择必须折衷于导通损耗以及切换损耗之间。

当切换损耗等于导通损耗时，可达到最小总功率损耗。然而，发明人理解的是尽管同步整流器被设计在切换损耗以及导通损耗间取得平衡，若操作条件改变则又会破坏此平衡。举例来说，当同步整流器的输出电流增加时，导通损耗增加，使得导通损耗大于切换损耗，而总功率损耗增加。相反地，当输出电流减少时，导通损耗减少，使得导通损耗小于切换损耗，而总功率损耗增加。

本发明所提出的同步整流器在操作条件改变时可通过重新平衡电阻损耗以及切换损耗来管理功率损耗。所述操作条件可包括同步整流器的负载条件，例如输出电流、输出电压、输出功率、负载阻抗、或者电阻以及其它操作条件(例如同步整流器的温度)。于一些实施例中，同步整流器可根据侦测到的操作条件平衡电阻损耗以及切换损耗以将效率最大化。

于一些实施例中，当侦测到同步整流器的一操作条件时，用以驱动同步整流器的晶体管的控制终端(例如栅极)的电压电平根据侦测到的操作条件进行修正。举例来说，可透过侦测到的负载条件(例如输出电流)修正用以导通同步整流器的一个或者多个晶体管的栅极-源极电压V_gs。因此，因同步整流器的操作条件的改变，可动态地重新平衡导通损耗以及切换损耗，并可降低总功率损耗。所述的技术可于大范围的操作条件下改善同步整流器的效率。

于一示例中，若同步整流器的负载电流增加，将使得导通损耗大于切换损耗，控制器将控制驱动电路产生增加的栅极-源极电压V_gs以驱动同步整流器的晶体管。增加栅极-源极电压V_gs将减少导通电阻并降低导通损耗，但会增加切换损耗。相反地，若负载电流减少，将使得切换损耗大于导通损耗，控制同步整流器的控制器将控制驱动电路产生降低的栅极-源极电压V_gs。降低栅极-源极电压Vgs将增加导通电阻以及导通损耗，但会降低切换损耗。因此，可动态地根据负载电流减少或者最小化总功率损耗。

图3显示根据本发明一些实施例所述的同步整流器电路1的示例。同步整流器电路1包括同步整流器2、控制器4以及驱动电路6。于操作时，同步整流器2接收以及调整交流输入讯号10以产生提供至负载的调整过后的直流电压12。控制器4接收有关于同步整流器的至少一个操作条件8的信息。控制器4根据操作条件8控制驱动电路6以产生被选择的电压电平以驱动同步整流器2的至少一个晶体 管T的控制终端。驱动电路6可包括多个驱动电路。于一些实施例中，驱动电路6可包括多个驱动电路，每一驱动电路分别用以驱动每个晶体管。控制电路4可为单一的控制器用以控制所有的驱动电路，或者多个控制电路(例如多个控制电路中的每一个分别用以控制每个驱动电路)。

图4显示根据本发明一些实施例所述的同步整流器电路的详细示例。图4的同步整流器2A为全桥同步整流器，包括晶体管T1～T4以及输出电容C。然而，本发明所使用的技术并不限制于全桥电路，在一些实施例中，同部整流器可以是一半桥电路。于图4的实施例中，晶体管T1～T4为n通道金属氧化物半导体场效应管。然而，本发明所使用的技术并非仅限于n通道金属氧化物半导体场效应管。于一些实施例中，可使用p通道金属氧化物半导体场效应管，或者n通道金属氧化物半导体场效应管以及p通道金属氧化物半导体场效应管的组合。此外，于一些实施例中，晶体管亦可为除了金属氧化物半导体场效应管以外的晶体管，例如双极性晶体管(bipolar transistor)，本发明所使用的技术并不以此为限。

晶体管T1～T4的栅极可分别透过驱动电路24A～24D驱动。于一些实施例中，驱动电路24A～24D可为反向器(inverter)。然而，亦可使用任何合适的驱动电路。驱动电路24A～24D可透过控制器4进行控制以于合适的时间导通或关闭晶体管T1～T4。举例来说，当交流输入电压(AC1～AC2)为正时，晶体管T2以及T3为导通状态以及晶体管T1以及T4为关闭状态(不导通)。当交流输入电压(AC1～AC2)为负时，晶体管T2以及T3为关闭状态(不导通)以及晶体管T1以及T4为导通状态。透过控制n通道金属氧化物半导体场效应管的驱动电路提供供应电压V_gate至晶体管的栅极可将其导通，以及可透过其驱动电路提供接地电压(或其它共模电压)至其栅极以将其关闭。于其它实施例中，不同类型的晶体管利用其它极作为控制终端(例如双极性晶体管的基极)，以及可透过提供供应 电压至其控制终端作为驱动电压以对晶体管进行控制。

驱动电路24A～24D的供应电压V_gate透过电压供应电路22根据一输入供应电压所产生。电压供应电路22可为交换式电源转换器，举例来说，DC/DC功率转换器(例如降压转换器(buck>

控制器4将接收代表同步整流器2的负载条件或者其它操作条件的一个或者多个讯号。控制器4将控制电压供应电路22根据所述的讯号产生合适的输出电压V_gate。

根据量测负载条件的实施例，传感器26将感测同步整流器2A的输出电流。传感器26可为用以感测电流的任何合适的传感器，举例来说，可为与电流感测电阻器结合的电流传感器或者电压传感器。传感器26可将感测到的电流提供至控制器4，使得控制器4可控制由电压供应电路22根据感测到的电流所产生的电压V_gate。根据量测负载条件的另一个实施例，可感测同步整流器2A的输出电压并将感测结果提供至控制器4，使得控制器4可控制由电压供应电路22根据感测到的电压所产生的电压V_gate。所述的负载条件仅为负载的操作条件的范例。同步整流器2A的操作条件的另一个范例为温度。温度传感器将感测同步整流器2A的晶粒温度，并将量测到的温度提供至控制器4，使得控制器可控制由电压供应电路22根据感测到的温度所产生的电压V_gate。

于图4的实施例中，图中所示的晶体管T1～T4为NMOS晶体管，当所述的晶体管导通时，提供至所述晶体管的栅极电压V_gate相同。然而，使用NMOS晶体管将需要自举(bootstrapping)驱动电路24B以及24D以控制源极未接地的晶体管 T2以及T4。

图5显示同步整流器2B的晶体管T2以及T4为PMOS晶体管的实施例，其可避免根据交流输入以自举栅极驱动电路的需求。于图5的实施例中，第二电压供应电路22B用以提供第二栅极电压V_gate2以驱动PMOS晶体管T2以及T4。如前所述，电压供应电路22A以及22B可以交换式电源转换器或者低压降稳压器实现。控制器4可控制驱动电路6B的电压供应电路22A以及22B。

图6显示根据本发明一些实施例所述利用开回路控制技术映射一个或者多个侦测到的操作条件与驱动电压以控制同步整流器的驱动电压的方法的流程图。

于步骤S1，监控同步整流器的一个或者多个操作条件。举例来说，监控整流器的输出电流。当输出电流减少时，进入步骤S2，降低同步整流器的晶体管驱动电压(例如栅极-源极电压V_gs)。于一些实施例中，控制器4可根据整流器的一个或者多个操作条件决定晶体管驱动电压，例如感测到的整流器输出电流、输出电压、输出负载阻抗、输出功率、或者整流器温度。而介于操作条件以及晶体管驱动电压之间的任何合适的映像可用以决定输出的晶体管驱动电压。于一些实施例中，所述的映像可储存于一查找表中。查找表可以一个操作条件作为输入(例如整流器的输入电流、输出电压、输出功率、或者温度)，或者以多个操作条件作为输入(例如整流器输出电流、输出电压、输出负载阻抗、以及温度当中两个或以上的组合)，举例来说，两个操作条件、三个操作条件、或者更多操作条件。于一些实施例中，控制器4可储存一查找表，用以纪录一个或者多个操作条件范围内的晶体管驱动电压(栅极-源极电压V_gs)的默认设定。于另一实施例中，控制器4可编程函数(例如方程式)，用以根据一个或者多个操作条件计算合适的晶体管驱动电压。控制器4接着控制电压供应电路22A和/或22B 以产生决定的晶体管驱动电压。接着回到步骤S1，监控同步整流器的操作条件。当输出电流增加时，进入步骤S3，提高晶体管驱动电压。接着如前所述，根据一个或者多个操作条件决定新的晶体管操作电压。接着回到步骤S1。

于回到步骤S1后，将根据操作条件的改变方向决定执行步骤S2或者S3。于其它实施例中，不同类型的晶体管系利用其它极作为控制终端(例如双极性晶体管的基极)，而晶体管驱动电压将以不同于V_gs的用语表示，例如基极电压。

图7显示根据本发明一些实施例所述的同步整流器的驱动电压控制方法的流程图，所述方法用以根据映射一个或者多个侦测到的操作条件以选择初始驱动电压并透过最优化算法以收敛到可最大化或者可提高效率的驱动电压。

步骤S1～S3与图6的步骤S1～S3相同。如图7所示，于透过步骤S2或S3中的映像以决定晶体管驱动电压后，接着执行对应于侦测到的操作条件的驱动电压优化。于一些实施例中，根据感测到的温度执行优化，以及于步骤S4～S6中修正晶体管驱动电压直到造成最低操作温度的晶体管驱动电压优化收敛为止。

举例来说，于选择通过步骤S2的映像所决定的最低晶体管驱动电压后，于步骤S5中将稍微降低晶体管驱动电压。于步骤S4中，将检查整流器的温度。当整流器的温度降低时，于步骤S5中，将再次降低晶体管驱动电压(例如逐渐地降低)。步骤S4～S5可重复执行直到造成最低操作温度的晶体管驱动电压的优化收敛出现为止。于某些时候，当晶体管驱动电压的减少造成温度增加时，将于步骤S6中增加驱动电压并判断已优化收敛，并回到步骤S1。或者，于步骤S2中决定降低晶体管驱动电压可能会造成从开始温度即上升，使得步骤S6以及S4必须不断重复以提高晶体管驱动电压直到温度收敛至最小值为止，接着回到步骤S1。

同样地，于透过步骤S3的映像选择较高的晶体管驱动电压后，将于步骤S6 中些微提升晶体管驱动电压。当整流器的温度下降时，于步骤S6中晶体管驱动电压将再次提升(例如逐渐地提升)。步骤S4以及S6将不断地重复直到造成最低操作温度的晶体管驱动电压的优化收敛出现为止。于某些时候，当晶体管驱动电压的增加造成温度增加时，驱动电压将降回先前的值，以及判断已优化收敛，并回到步骤S1。或者，于步骤S6中决定提升晶体管驱动电压可能会造成从开始温度即上升，使得步骤S5以及S4必须不断重复以降低晶体管驱动电压直到温度收敛至最小值为止，接着回到步骤S1。

前述的实施例可使用任何合适的优化算法。而前述的范例已描述可略微改变晶体管驱动电压直到其收敛至最佳操作条件(例如最小量测温度)为止的”爬山算法”。然而，本发明并非仅限制于爬山优化算法，亦可使用其它合适的优化算法。

具有根据同步整流器的操作条件所控制的晶体管驱动电压的同步整流器可有效地使用于无线功率传输系统以在各种操作条件的情境下改善效率。举例来说，所述的同步整流器可使用于无线功率接收器以高效率地修正接收到的交流讯号。

图8显示根据本发明一些实施例所述的无线电力系统的电力链，其中无线功率接收器820具有同步整流器2。无线功率发射器810自直流适配器接收电压。适配器电压透过DC/DC转换器811依比例输出，并输出至直流-交流换流器812。换流器812与发射器匹配网络813一同于发射线圈中产生交流电流。发射线圈中的交流电流根据安培定律产生振荡磁场。振荡磁场根据法拉第定律于无线功率接收器820的对应接收线圈中感应出交流电压。同步整流器2将接收线圈中所感应出的交流电压并产生直流电压。直流电压可透过DC/DC转换器822进行调整。过滤DC/DC转换器的输出并将其提供给负载。于此一实施例中，控制器4可为用以 控制无线功率接收器的控制器。

本发明中所述的控制器4可透过使用硬件或者软件与硬件结合的任何合适类型的电路实现。当透过软件实现时，可于任何合适的处理器(例如微处理器)或者处理器的集合执行合适的软件编码。一个或者多个控制器可透过各种方式执行，例如利用微编码或者软件进行编程以执行所述功能的专用硬件、或者通用硬件(例如一个或者多个处理器)。控制器4可储存将操作条件对应至一既定栅极-源极电压V_gs的信息。举例来说，控制器4可储存一查找表。所述的信息可储存于任何合适类型的内存中，例如非挥发性或者挥发性内存、RAM、ROM、EEPROM、或者任何类型的计算机可读取储存装置中。

本发明所述的装置以及技术的各个方面可单独使用、联合使用、或以各种配置使用，并不局限于前述实施例的具体描述，以及其应用亦非限制于前述的实施例或者图式中所示的组件的细节以及配置。举例来说，于一实施例中所描述的各部分可与其它实施例中所描述的各部分以任何方式进行结合。

权利要求中用以修饰权利要求元素的例如“第一”、“第二”、“第三”等序数术语的任何使用自身并不表示一个权利要求元素优于另一权利要求元素的任何优先级、优先或次序，或执行方法的动作的时间次序。相反地，除非另有说明，否则此些序数术语仅仅用作标签，以将具有某一名称的一个权利要求元素与具有相同名称(只是使用了序数术语)的另一元素进行区别。

在此所使用的措辞和术语仅作为说明的目的，不应被视为具有限制性的。在此所使用的“包括”、“由...组成”、“具有”、“含有”或“涉及”及其变体，意于涵盖后文所列项目和其等同物以及附加项目。