CN103107708B - 谐振式转换电路及谐振控制器 - Google Patents

谐振式转换电路及谐振控制器 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种谐振式转换电路。谐振电路于一初级侧接收一电力并于一次级侧提供一输出电压。电流检测电路检测流经谐振电路的初级侧的一谐振电流并产生一电流检测信号。输出检测电路根据输出电压产生一反馈信号。谐振控制器产生一时脉信号并根据反馈信号调整时脉信号的一操作频率以调整谐振电路的输出电压。谐振控制器包含一谐振脱离保护单元，根据时脉信号的相位检测电流检测信号，以判断谐振电路是否进入一谐振脱离状态。谐振控制器操作于一启动模式或一正常工作模式，于谐振电路进入谐振脱离状态时，对应操作于启动模式或正常工作模式进行对应的一保护程序。

Description

谐振式转换电路及谐振控制器
技术领域
本发明涉及一种谐振式转换电路及谐振控制器，尤其涉及一种具有谐振脱离防止功能的谐振式转换电路及谐振控制器。
背景技术
谐振转换电路由于可以达到零电压切换(Zero Voltage Switching)或零电流切换(Zero Current Switching)，故有高转换效率的优点，尤其是半桥式LLC转换电路，被越来越广泛地关注和应用。
请参见图1，为半桥式LLC转换电路的增益(Gain)对工作频率(Frequency)的关系示意图，其中频率f1对应额定满载下的频率，而频率f2为谐振曲线的峰值对应的频率，同时也是划分零电压切换工作区域ZVS和零电流切换工作区域ZCS的边界。在零电压切换工作区域，增益随工作频率的升高而降低，而在零电流切换工作区域，增益随工作频率的升高而升高。半桥式LLC转换电路通常被设计工作在零电压切换区域，以降低开关损耗。如果半桥式LLC转换电路进入零电流切换工作区域，则会产生严重后果。首先，半桥式LLC转换电路失去对输出电压的控制能力，负反馈变为正反馈。其次，半桥式LLC转换电路的切换损耗变大。
以往的零电流切换保护方法有采用提升工作频率的方法或采用限制最小工作频率的方法来避免LLC转换电路进入零电流切换工作区域。然而，无论哪种方法均不能保证系统无论任何情况下都不进入零电流切换工作区域，例如在系统异常或参数设计错误的时候。
发明内容
鉴于现有技术中，零电流切换保护方法无法确保谐振转换电路于任何情况都不进入零电流切换工作区域。本发明的谐振式转换电路及谐振控制器则根据操作模式的不同，于检测到谐振脱离状态时，提供不同的保护功能。如此，于不同的情况均可提供适当的保护，使得谐振式转换电路可确保不操作于零电流切换工作区域。
为达上述目的，本发明提供了一种谐振式转换电路，包含一谐振电路、一电流检测电路、一输出检测电路以及一谐振控制器。谐振电路具有一初级侧及一次级侧，谐振电路于初级侧接收一电力并于次级侧提供一输出电压。电流检测电路耦接谐振电路的初级侧，以检测流经谐振电路的初级侧的一谐振电流并产生一电流检测信号。输出检测电路耦接谐振电路的次级侧以根据输出电压产生一反馈信号。谐振控制器产生一时脉信号并根据反馈信号调整时脉信号的一操作频率以调整谐振电路的输出电压，谐振控制器包含一谐振脱离保护单元，根据时脉信号的相位检测电流检测信号，以判断谐振电路是否进入一谐振脱离状态。其中，谐振控制器操作于一启动模式或一正常工作模式，谐振控制器于谐振电路进入谐振脱离状态时，对应操作于启动模式或正常工作模式，进行对应的一保护程序。
本发明也提供了一种谐振控制器，用以控制一谐振电路进行电力转换，谐振控制器包含一扫频单元、一谐振脱离保护单元以及一逻辑控制单元。扫频单元产生一时脉信号，并于谐振控制器启动后执行一扫频程序，使时脉信号的一操作频率随时间降低，于扫频程序之后，根据代表谐振电路的一谐振电流的一电流检测信号，调整时脉信号的操作频率。逻辑控制单元根据时脉信号控制谐振电路进行电力转换。谐振脱离保护单元根据时脉信号的相位检测代表谐振电路的一谐振电流的一电流检测信号，以判断谐振电路是否进入一谐振脱离状态，其中，谐振脱离保护单元于谐振电路进入谐振脱离状态时，根据代表谐振控制器的操作模式的一指示信号，产生对应的一保护信号，使逻辑控制单元进行对应的一保护程序，操作模式包含一启动模式及一正常工作模式。
以上的概述与接下来的详细说明皆为示范性质，是为了进一步说明本发明的申请专利范围。而有关本发明的其他目的与优点，将在后续的说明与图示加以阐述。
附图说明
图1为半桥式LLC转换电路的增益对工作频率的关系示意图。
图2为于零电压切换工作区域和零电流切换工作区域切换时谐振电路的谐振电流的波形图。
图3为根据本发明的一第一较佳实施例的谐振式转换电路的电路示意图。
图4为根据本发明的一第二较佳实施例的谐振式转换电路的电路示意图。
附图标记：
现有技术：
f1、f2：谐振频率
ZVS：零电压切换工作区域
ZCS：零电流切换工作区域
本发明：
100、200：谐振控制器
102、202：下降沿触发器
104、204：D型触发器
106、108、206、208：与门
110：计数器
112：或门
114：重启保护器
116、216：计数锁住保护器
120、220：谐振脱离保护单元
140、240：扫频单元
150、250：逻辑控制单元
160：输出检测电路
170：电流检测电路
210：计数重启保护器
230：软启动单元
232：软启动电路
234：重启开关
236：反向器
t1、t2：时间点
Vzvs：谐振脱离判断准位
180：谐振电路
M1、M2：晶体管开关
T：变压器
Cr：谐振电容
Lr：谐振电感
Do：整流二极管
Co：输出电容
Vin：输入电源
Vout：输出电压
Cs：检测电容
R1：信号电阻
C1：信号电容
FB：反馈信号
S1、S2：控制信号
CLK：时脉信号
Ise：电流检测信号
SSFP：指示信号
SSFN：反指示信号
D：输入端
CLR：触发端
Q：输出端
Ar：重启保护信号
Latch：锁住保护信号
RE：重启信号
ZVS：零电压切换工作区域
ZCS：零电流切换工作区域
RT：频率电阻
f+：增频信号
SS：软启动信号
Css：软启动电容
具体实施方式
请参见图2，为于零电压切换工作区域ZVS和零电流切换工作区域ZCS切换时，谐振电路的谐振电流的波形图。图2左侧为于零电压切换工作区域ZVS的谐振电流波形图，谐振电流在时间点t1进行切换前还维持在零轴之上。图2右侧为于零电流切换工作区域ZCS的谐振电流波形图，谐振电流在时间点t2进行切换前已降至零轴的上下。本发明以一谐振脱离判断准位Vzvs作为判断谐振电路是否进入一谐振脱离状态的依据。
请参见图3，为根据本发明的一第一较佳实施例的谐振式转换电路的电路示意图。谐振式转换电路包含一谐振控制器100、一输出检测电路160、一电流检测电路170以及一谐振电路180。谐振电路180具有一初级侧及一次级侧，初级侧包含晶体管开关M1、M2、一变压器T的初级侧线圈、一谐振电容Cr及一谐振电感Lr，其次级侧包含变压器T的次级侧线圈、一整流二极管Do以及一输出电容Co。谐振电路180的初级侧耦接一输入电源Vin，以接收来自输入电源Vin的一电力并经整流滤后于次级侧提供一输出电压Vout。电流检测电路包含一检测电容Cs、一信号电阻R1以及一信号电容C1，耦接谐振电路180的初级侧，以检测流经谐振电路180的初级侧的一谐振电流并产生一电流检测信号Ise。输出检测电路160耦接谐振电路180的次级侧以根据输出电压Vout产生一反馈信号FB。
谐振控制器100根据反馈信号FB，产生控制信号S1、S2以控制谐振电路180进行电力转换，使输入电源Vin的电力并于次级侧提供输出电压Vout。谐振控制器包含一谐振脱离保护单元120、一扫频单元140以及一逻辑控制单元150。扫频单元140产生一时脉信号CLK，并根据一频率电阻RT决定进行一扫频程序时时脉信号CLK的工作频率的最大值及最小值。其中，时脉信号CLK可以为具有50％或以下固定占空比的时脉信号，或接收反馈信号FB来调整其占空比。扫频单元140于谐振控制器100启动后，执行扫频程序，使时脉信号CLK的操作频率随时间降低。扫频单元140也接收反馈信号FB，于扫频程序之后根据输出电压Vout调整时脉信号CLK的操作频率，以稳定输出电压Vout。谐振脱离保护单元120根据时脉信号CLK的相位检测电流检测信号Ise，并于电流检测信号Ise的准位低于一谐振脱离判断准位Vzvs时，判断谐振电路180进入谐振脱离状态(即脱离零电压切换区域而进入零电流切换区域)。而且，谐振脱离保护单元120于谐振电路180进入谐振脱离状态时，根据代表谐振控制器的操作模式的一指示信号SSFP产生对应(不同)的一保护信号。指示信号SSFP所指式的操作模式包含一启动模式及一正常工作模式。启动模式为谐振控制器刚启动的一预定时间，此时扫频单元140开始进行扫频程序。启动模式的终点与扫频程序的终点的时序不一定相同，需视不同电路设计而定，但不会影响本发明的谐振控制器100的谐振脱离的功能。逻辑控制单元150，根据时脉信号CLK产生控制信号S1、S2以控制谐振电路180中的晶体管开关M1、M2导通及关断，以控制谐振电路进行电力转换。当逻辑控制单元150接收到谐振脱离保护单元120所产生的保护信号时，对应保护信号执行一保护程序，以避免谐振电路180造操作于零电流切换区域。
谐振脱离保护单元120包含一下降沿触发器102、一D型触发器104、与门106和108、一计数器110、一或门、一重启保护器114以及一计数锁住保护器116。下降沿触发器102接收电流检测信号Ise及谐振脱离判断准位Vzvs。当电流检测信号Ise由高于谐振脱离判断准位Vzvs下降至低于谐振脱离判断准位Vzvs时，下降沿触发器102产生一高准位信号。为避免于晶体管开关切换时的噪声造成误判，可进一步接收控制信号S1，并于晶体管开关M1刚关断的一定时间内，暂停下降沿触发器102。D型触发器104的输入端D耦接下降沿触发器102的输出端，触发端CLR接收时脉信号CLK。当时脉信号CLK为低准位时，D型触发器104停止检测下降沿触发器102所输出的信号，以避免误判。当时脉信号CLK为高准位时，D型触发器104检测下降缘触发器102所输出的信号。在实际电路设计上，也可以使用控制信号S1、S2其中之一来取代时脉信号CLK，一般而言，控制信号S1、S2和时脉信号CLK在相位上会有落差，但不影响判断谐振脱离。当时脉信号CLK为高准位时，下降沿触发器102输出高准位信号，则D型触发器104也于输出端Q产生一高准位信号。与门106、108均耦接D型触发器104的输出端Q，并分别接收指示信号SSFP以及一反指示信号SSFN，其中指示信号SSFP与反指示信号SSFN为彼此反相的信号。当谐振控制器100于启动模式时，指示信号SSFP为高准位，故只要D型触发器104也输出高准位信号，与门106将输出高准位信号。另外，由于此时反指示信号SSFN为低准位，与门108将被屏蔽而不作动。计数器110接收指示信号SSFP，于指示信号SSFP为高准位时(即谐振控制器100处于启动模式)计数与门106产生高准位信号的次数。由于在启动模式，谐振控制器100的操作频率主要扫频单元140的控制，无法配合实际负载，此时容易发生电流检测信号Ise低于谐振脱离判断准位Vzvs的情况。为避免上述情况被误判为真正的谐振脱离，计数器110在计数达一预定次数时，才输出高准位信号。在本实施例中，计数器110也可以替换为计时计数器。计时计数器系以一预定时间长度内所计数是否达一预定次数来为判断依据，而有更佳的判断效果。当谐振控制器由启动模式进入正常工作模式后，指示信号SSFP为低准位以屏蔽与门106的作动。此时，反指示信号SSFN为高准位，故只要D型触发器104也输出高准位信号，与门108将输出高准位信号。或门112耦接计数器110及与门108，于接收到计数器110及与门108任一所输出的高准位信号，将输出高准位信号至重启保护器114，使重启保护器114输出重启保护信号Ar。计数锁住保护器116耦接重启保护器114，以计数重启保护器114产生重启保护信号Ar的次数，并于重启保护信号Ar的产生次数达一预定次数值(1或以上)时产生一锁住保护信号Latch。在本实施例，计数锁住保护器116也同时接收指示信号SSFP，以便对应谐振控制器100处于启动模式或正常工作模式提供不同标准的锁住保护判断。例如：于启动模式时，不进行锁住保护(即此时计数锁住保护器116在启动模式不会产生锁住保护信号Latch)；或者于启动模式与于正常工作模式时，以不同的预定次数值来决定是否产生锁住保护信号Latch。
逻辑控制单元150接收到重启保护信号Ar时，开始进行一重启程序：先暂停输出控制信号S1、S2使谐振电路180所储存的能量下降后，产生一重启信号RE以重新进入启动阶段。扫频单元140接收到重启信号RE，将重新进行扫频程序，使时脉信号CLK的操作频率再由较高频率随时间往下降。逻辑控制单元150接收到锁住保护信号Latch时，进入一锁死保护状态，以停止输出控制信号S1、S2，即停止谐振电路180于初级侧接收电力，直至由外部重新启动谐振控制器100为止。在锁死保护状态。
接着，请参见图4，为根据本发明的一第二较佳实施例的谐振式转换电路的电路示意图。谐振式转换电路包含一谐振控制器200、一输出检测电路160、一电流检测电路170以及一谐振电路180。输出检测电路160、电流检测电路170以及谐振电路180的连接关系及电路操作请参见图3对应的说明。谐振控制器200根据反馈信号FB，产生控制信号S1、S2以控制谐振电路180进行电力转换，使一输入电源Vin的电力并于次级侧提供输出电压Vout。谐振控制器200包含一谐振脱离保护单元220、一软启动单元230、一扫频单元240以及一逻辑控制单元250。扫频单元240产生一时脉信号CLK，并根据一频率电阻RT决定进行一扫频程序时时脉信号CLK的工作频率的最大值及最小值。
谐振脱离保护单元220包含一下降缘触发器202、一D型触发器204、与门206和208、一计数重启保护器210以及一计数锁住保护器216。下降沿触发器202接收电流检测信号Ise及谐振脱离判断准位Vzvs。当电流检测信号Ise由高于谐振脱离判断准位Vzvs下降至低于谐振脱离判断准位Vzvs时，下降沿触发器202产生一高准位信号。D型触发器204的输入端D耦接下降沿触发器102的输出端，触发端CLR接收控制信号S1。当控制信号S1为低准位时，D型触发器204停止检测下降沿触发器202所输出的信号，以避免误判。当控制信号S1为高准位时，D型触发器204检测下降沿触发器202所输出的信号。若此时，下降沿触发器202输出高准位信号，则D型触发器204也于输出端Q产生一高准位信号。与门206、208均耦接D型触发器204的输出端Q，并分别接收一指示信号SSFP以及一反指示信号SSFN，其中指示信号S SFP与反指示信号SSFN为彼此反相的信号。当谐振控制器200于启动模式时，指示信号SSFP为高准位，故只要D型触发器204也输出高准位信号，与门206将输出高准位信号。另外，由于此时反指示信号SSFN为低准位，与门208将被屏蔽而不作动。计数重启保护器210接收指示信号SSFP，于指示信号SSFP为高准位时(即谐振控制器200处于启动模式)计数与门206产生高准位信号的次数。计数重启保护器210在计数达一预定次数时，输出一重启保护信号Ar。当谐振控制器由启动模式进入正常工作模式后，指示信号SSFP为低准位以屏蔽与门206的作动。此时，反指示信号SSFN为高准位，故只要D型触发器204也输出高准位信号，与门208将输出一增频信号f+。计数锁住保护器216耦接与门208及计数重启保护器210。计数锁住保护器216分别计数重启保护信号Ar及增频信号f+的次数，于上述次数达一预定次数值时产生一锁住保护信号Latch。在本实施例，计数锁住保护器216也同时接收指示信号SSFP，以便对应谐振控制器100处于启动模式或正常工作模式提供不同标准的锁住保护判断。
软启动单元230于谐振控制器100启动后产生一软启动信号SS，以执行一软启动程序。软启动信号SS的准位于一预定时间内(一般而言，此预定时间包含启动模式的时序)随时间上升。软启动单元230进一步根据软启动信号SS的准位产生指示信号SSFP，例如：软启动信号SS的准位在到达3V前，指示信号SSFP为高准位；到达3V后，指示信号SSFP为低准位。软启动单元230包含一软启动电路232、一重启开关234以及一反向器236。软启动单元230耦接一软启动电容Css，以决定软启动程序的时间长度。软启动电路232根据软启动电容Css的电位产生软启动信号SS及指示信号SSFP。反向器236将指示信号SSFP反向以产生反指示信号SSFN。扫频单元240耦接软启动单元230以接收软启动信号SS，以便于谐振控制器200启动后，根据软启动信号SS执行扫频程序，使时脉信号CLK的操作频率随时间降低。扫频单元240也接收反馈信号FB，于扫频程序之后根据输出电压Vout调整时脉信号CLK的操作频率，以稳定输出电压Vout。扫频单元240接收增频信号f+时，将调高时脉信号CLK的操作频率，以避免谐振电路180操作于零电流切换区域。
逻辑控制单元250接收到重启保护信号Ar时，开始进行一重启程序：先暂停输出控制信号S1、S2使谐振电路180所储存的能量下降后，产生一重启信号RE以重新进入启动阶段。软启动单元230中的重启开关234接收到重启信号RE时，将使软启动电容Css被放电，使软启动电容Css上的跨压归零或降至一较低的准位。如此，软启动单元230可重新执行软启动程序，且扫频单元240也同时进行扫频程序，使时脉信号CLK的操作频率再由较高频率随时间往下降。逻辑控制单元250接收到锁住保护信号Latch时，进入一锁死保护状态，以停止输出控制信号S1、S2，即停止谐振电路180于初级侧接收电力，直至由外部重新启动谐振控制器200为止。
如上所述，本发明在上文中已以较佳实施例揭示，然本领域普通技术人员应理解的是，该实施例仅用于描绘本发明，而不应解读为限制本发明的范围。应注意的是，举凡与该实施例等效的变化与置换，均应设为涵盖于本发明的范畴内。因此，本发明的保护范围当以权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种谐振式转换电路，包含：
一谐振电路，具有一初级侧及一次级侧，该谐振电路于该初级侧接收一电力并于该次级侧提供一输出电压；
一电流检测电路，耦接该谐振电路的该初级侧，以检测流经该谐振电路的该初级侧的一谐振电流并产生一电流检测信号；
一输出检测电路，耦接该谐振电路的该次级侧以根据该输出电压产生一反馈信号；以及
一谐振控制器，产生一时脉信号并根据该反馈信号调整该时脉信号的一操作频率以调整该谐振电路的该输出电压，该谐振控制器包含一谐振脱离保护单元，根据该时脉信号的相位检测该电流检测信号，以判断该谐振电路是否进入一谐振脱离状态；
其中，该谐振控制器操作于一启动模式或一正常工作模式，该谐振控制器于该谐振电路进入该谐振脱离状态时，对应操作于该启动模式或一正常工作模式，进行对应的一保护程序，其中该启动模式为谐振控制器刚启动的一预定时间，此时该谐振控制器开始进行扫频程序，使该时脉信号的该操作频率随时间降低。
2.根据权利要求1所述的谐振式转换电路，其中该谐振控制器于操作于该正常工作模式且该谐振电路进入该谐振脱离状态时，执行由下列其中之一方案的保护程序：
a.提高该时脉信号的该操作频率；
b.该谐振控制器重新进入该启动模式；
c.进入一锁死保护状态，以停止该谐振电路于该初级侧接收电力；
d.计数执行a方案或b方案的次数，并于该次数达一预定次数值后执行c方案；或
e.计数执行a方案或b方案的次数，并当该次数于一预定时间内达一预定次数值后执行c方案。
3.根据权利要求2所述的谐振式转换电路，其中该谐振控制器于操作于该启动模式且该谐振电路进入该谐振脱离状态时，进行重新进入该启动模式。
4.根据权利要求1所述的谐振式转换电路，其中该谐振控制器还包含一扫频单元，于该谐振控制器启动后，执行该扫频程序，使该时脉信号的该操作频率随时间降低。
5.一种谐振控制器，用以控制一谐振电路进行电力转换，该谐振控制器包含：
一扫频单元，产生一时脉信号，并于该谐振控制器启动后执行一扫频程序，使该时脉信号的一操作频率随时间降低，于该扫频程序之后，根据代表该谐振电路的一谐振电流的一电流检测信号，调整该时脉信号的该操作频率；
一逻辑控制单元，根据该时脉信号控制该谐振电路进行电力转换；以及
一谐振脱离保护单元，根据该时脉信号的相位检测代表该谐振电路的该谐振电流的该电流检测信号，以判断该谐振电路是否进入一谐振脱离状态，其中，该谐振脱离保护单元于该谐振电路进入该谐振脱离状态时，根据代表该谐振控制器的操作模式的一指示信号，产生对应的一保护信号，使该逻辑控制单元进行对应的一保护程序，该操作模式包含一启动模式及一正常工作模式。
6.根据权利要求5所述的谐振控制器，其中该时脉信号的占空比为50％或以下。
7.根据权利要求5所述的谐振控制器，其中还包含一软启动单元，该软启动单元于该谐振控制器启动后产生一软启动信号，该软启动信号的准位于一预定时间内随时间上升，其中该软启动单元并根据该软启动信号的准位产生该指示信号。
8.根据权利要求7所述的谐振控制器，其中该扫频单元根据该软启动信号调整该时脉信号的该操作频率。
9.根据权利要求5所述的谐振控制器，其中该谐振控制器于操作于该正常工作模式且该谐振电路进入该谐振脱离状态时，执行由下列其中之一方案的保护程序：
a.提高该时脉信号的该操作频率；
b.该谐振控制器重新进入该启动模式；
c.进入一锁死保护状态，以停止该谐振电路于一初级侧接收电力；
d.计数执行a方案或b方案的次数，并于该次数达一预定次数值后执行c方案；或
e.计数执行a方案或b方案的次数，并当该次数于一预定时间内达一预定次数值后执行c方案。
10.根据权利要求9所述的谐振控制器，其中该谐振控制器于操作于该启动模式且该谐振电路进入该谐振脱离状态时，进行重新进入该启动模式。
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