CN104935157B - 谐振功率转换器控制器和包含其的半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于谐振转换器中的专用启动序列的方法和半导体器件。用于谐振功率转换器的方法和半导体器件包含当最初向谐振转换器提供功率时执行专用启动序列的逻辑电路装置。该逻辑电路装置可将谐振电容器放电，然后迭代地在启动序列的一部分期间仅使上开关通脉冲，并测量半桥信号开始下降与下次其完成上升之间的死时间。如果死时间大于基于最近的上开关接通时间的启动退出值，那么上开关接通时间被增加，并且处理被重复，直到死时间小于启动退出值，于是启动逻辑过渡到常规的对称切换。

Description

谐振功率转换器控制器和包含其的半导体器件
技术领域
本公开一般涉及切换谐振功率转换器，更特别地，涉及控制LLC谐振功率转换器中的切换以及它们在启动期间的操作的半导体器件。
背景技术
切换模式电源被用于需要调节直流(DC)电压用于它们的操作的各种各样的家庭和工业器具中。存在使用PWM(脉冲宽度调制)或PFM(脉冲频率调制)控制来调节输出电压的各种各样的已知的DC-DC转换器布局。
一种类型的DC-DC转换器布局是谐振切换模式功率转换器。具有PFM的谐振切换模式功率转换器控制器中所包含的谐振转换器利用谐振性能以在闭合环(closed loop)中提供自然软切换(natural soft switching)从而调节输出。使用PFM的谐振转换器感测电源输出并且通过变动切换频率来控制它。具有PFM的谐振转换器的优点在于：通过正常操作期间的自然软切换，与非谐振功率转换器布局相比，减小切换损失。另一优点在于：一般而言，与PWM转换器相比，具有PFM的谐振转换器可被设计为在较高的频率且以较小的封装尺寸操作。
在各种谐振切换模式功率转换器之中，存在近年来已变得日益流行的高频率(HF)变压器隔离LLC转换器。LLC谐振转换器利用两个电感器与电容器之间的谐振来提供自然软切换。LLC谐振转换器通过利用HF变压器的磁化和泄漏电感作为它们的谐振组件的一部分来节省成本和尺寸。一些谐振转换器的一个缺点在于：需要的宽范围的频率控制导致更复杂的电磁干扰(EMI)滤波设计。但是，通过LLC谐振转换器的增益特性，可通过频率控制的窄带实现输出调节。
虽然软切换在正常操作期间提供优点，但是，在启动期间、当谐振转换器最初被启动并且在LLC电路中不存在能量时，不是这种情况。但是，常规的谐振转换器简单地在启动时启动对称切换，并且响应于反馈信号而安定下来。对称切换指的是用相等的接通时间交替切换上开关和下开关。但是，不是在正常操作期间、在谐振元件中存在能量的情况下伴随对称切换出现的软切换，而是，在启动期间，可存在必须应对以防止对切换器件和其它电路装置的损伤的硬、高电流切换。因此，切换组件必须足够稳固(robust)以应对启动期间的硬切换事件，这典型地需要比正常操作所需大的组件。对于经历大量启动事件的谐振转换器，诸如在常常被接通和关断的器件中，尤其如此。
因此，需要用于减少避免谐振转换器中启动时硬切换条件的方法和装置。
发明内容
本公开提供一种操作包含谐振转换器控制器的半导体器件的方法，包括：使下开关驱动信号初始地通脉冲(pulse)达预先选择的初始下开关接通时间；响应于使下开关驱动信号初始地通脉冲，使上开关驱动信号通脉冲达预先选择的初始上开关接通时间；迭代地响应于使上开关驱动信号通脉冲而测量半桥信号的下降边缘和随后的上升边缘之间的死时间(dead time)，比较当前迭代的当前死时间与基于当前迭代的当前上开关接通时间的当前迭代的当前启动退出值，并且，当当前迭代的当前死时间在当前启动退出值之上时，以预先选择的因子增加(increment)上开关接通时间，并响应于半桥信号的上升边缘的结束使上开关驱动信号通脉冲达增加后的上开关接通时间；当迭代的当前死时间在当前启动退出值之下时，以当前上开关接通时间再次使上开关驱动信号通脉冲，并且将下开关接通时间设定成当前上开关接通时间；以及响应于当前死时间在当前启动退出值之下，开始上开关接通时间和下开关接通时间相等的对称切换。
根据一些实施例，比较当前迭代的当前死时间与当前迭代的当前启动退出值包括比较当前死时间与作为当前上开关接通时间的两倍的值。
根据一些实施例，以预先选择的因子增加上开关接通时间包括以50％增加上开关接通时间。
根据一些实施例，使下开关驱动信号初始地通脉冲达预先选择的初始下开关接通时间包括使下开关驱动信号通脉冲达从半导体器件外部的源所设置的下开关接通时间。
根据一些实施例，所述方法还包括：检测启动条件并禁用半导体器件的对称切换能力，直到迭代的当前死时间在当前启动退出值之下。
根据一些实施例，检测启动条件包括检测超过启动阈值的输入电压。
根据一些实施例，测量半桥信号的下降边缘和随后的上升边缘之间的死时间包括测量由接收半桥信号的负微分(differential)检测器产生的脉冲的上升边缘与由接收半桥信号的正微分检测器产生的脉冲的下降边缘之间的时间。
根据一些实施例，所述方法还包括：在使下开关驱动信号初始地通脉冲之前，激活在电气上处于半导体器件的半桥节点与输入地之间的放电路径达一放电时间，并在放电时间结束时禁用放电路径。
根据一些实施例，激活放电路径包括向下开关提供足以导致下开关在线性区域中操作的信号。
根据一些实施例，激活放电路径包括激活从用于驱动上开关的引导电压线驱动的放电电路。
本公开还提供一种谐振功率转换器控制器半导体器件，包括：启动序列电路，响应于启动条件而禁用对称切换控制块并使下开关驱动信号通脉冲达初始时间；启动序列电路在其使下开关驱动信号通脉冲达初始时间之后，进一步开始用于使上开关驱动信号通脉冲达当前上开关接通时间、测量上开关驱动信号的脉冲的结束与半桥节点处的半桥信号的随后上升边缘的结束之间的死时间、并在比较电路中比较死时间与启动退出值的启动序列迭代；启动序列电路在死时间大于启动退出值时，进一步增加当前上开关接通时间，并且使用增加后的上开关接通时间进行另一启动序列迭代；以及启动序列电路在死时间小于启动退出值时，进一步使上开关驱动信号通脉冲达最近迭代的当前上开关接通时间，并将下开关接通时间设定成当前上开关接通时间，并然后启用对称切换控制块。
根据一些实施例，启动序列电路在使下开关驱动信号初始地通脉冲之前启用半桥节点与地之间的放电路径。
根据一些实施例，启动序列电路启用放电路径达预先选择的时间段。
根据一些实施例，启动序列电路启用放电路径，直到半桥节点的电压下降到放电阈值。
根据一些实施例，启动序列电路将下开关驱动信号启用至线性电平。
根据一些实施例，放电路径包含：N沟道启用晶体管，响应于N沟道启用晶体管的栅极处的放电信号，通过与用于驱动上开关信号的引导电压线耦接的上拉源来驱动反相器；P沟道驱动晶体管，具有与引导电压线连接的源极、以及与具有与半桥节点连接的源极的N沟道驱动晶体管的漏极连接的漏极，所述P沟道驱动晶体管和N沟道驱动晶体管各自具有与反相器的输出耦接的栅极；N沟道放电晶体管，具有利用N沟道启用晶体管的栅极驱动的栅极、耦接于P沟道驱动晶体管和N沟道驱动晶体管之间的漏极、以及通过放电电阻器与地耦接的源极；以及放电比较器，与放电电阻器耦接，用于感测跨着放电电阻器的半桥节点处的半桥电压，并且当半桥电压降低到放电阈值之下时提供输出。
根据一些实施例，放电路径包含：N沟道启用晶体管，响应于N沟道启用晶体管的栅极处的放电信号，通过与用于驱动上开关信号的引导电压线耦接的上拉电阻器来驱动反相器；P沟道驱动晶体管，具有与引导电压线连接的源极、与反相器的输出耦接的栅极、以及与N沟道驱动晶体管的漏极连接的漏极，所述N沟道驱动晶体管具有通过放电电阻器与地连接的源极、以及利用N沟道启用晶体管的栅极驱动的栅极；PNP放电晶体管，具有与P沟道驱动晶体管的漏极和N沟道驱动晶体管的漏极耦接的基极、与半桥节点耦接的发射极、以及与地耦接的集电极；以及放电比较器，与放电电阻器耦接，用于感测跨着放电电阻器的半桥节点处的半桥电压，并且当半桥电压降低到放电阈值之下时提供输出。
本公开还提供一种谐振功率转换器，包括：上开关，耦接于输入电压线和半桥节点之间；下开关，耦接于半桥节点与输入地之间；储能电路(tank circuit)，包含串联耦接于半桥节点与输入地之间的电感和谐振电容器；启动序列电路，使下开关初始地通脉冲达初始时间，然后开始用于使上开关通脉冲达当前上开关接通时间、测量上开关的脉冲的结束与半桥节点处的半桥信号的随后上升边缘的结束之间的死时间、并在比较电路中比较死时间与启动退出值的启动序列迭代；在死时间大于启动退出值时，启动序列电路增加当前上开关接通时间，并且使用增加后的上开关接通时间进行另一启动序列迭代；以及在死时间小于启动退出值时，启动序列电路使上开关驱动信号通脉冲达最近迭代的当前上开关接通时间，并将下开关接通时间设定成当前上开关接通时间，并然后启用对称切换控制块。
根据一些实施例，启动序列电路在使下开关驱动信号初始地通脉冲之前启用半桥节点与地之间的放电路径。
根据一些实施例，启动序列电路启用放电路径，直到半桥节点的电压下降到放电阈值。
附图说明
在附图中，类似的附图标记遍及各单独的视图以及与以下详细描述一起指的是同样或者在功能上相似的要素，并且被并入说明书中且形成说明书的一部分，以进一步示出包含所要求权利的本发明的概念的实施例并解释那些实施例的各种原理和优点。
图1是根据一些实施例的包含具有专用启动序列控制的半导体器件的LLC谐振转换器的框图。
图2是根据一些实施例的通过具有用于谐振转换器的专用启动序列控制的半导体器件产生并且在其处接收的信号的定时图。
图3是根据一些实施例的用于具有用于谐振转换器的专用启动序列控制的半导体器件的调整脉冲时间的迭代方法的高级流程图。
图4是根据一些实施例的具有用于谐振转换器的专用启动序列控制的半导体器件内部的逻辑功能的框图。
图5是根据一些实施例的用于谐振转换器的启动序列的方法的详细流程图。
图6是根据一些实施例的放电电路的电路示意图。
图7是根据一些实施例的放电电路的电路示意图。
本公开的领域中的技术人员将理解，图中的要素是出于简明的目的被示出的，并且未必按比例绘制。例如，图中的一些要素的尺度可相对于其它的要素被夸大，以帮助加深对本发明的实施例的理解。
装置和方法组件在适当的情况下在附图中由常规的符号表示，仅示出与理解本发明实施例有关的那些具体细节，从而不用对受益于这里描述的本领域普通技术人员将很显然的细节来模糊本公开。除非另外指示，否则，实施本发明所必需且对本领域技术人员来说公知的公知要素、结构或处理未必被示出并且应被假定为存在。
具体实施方式
本公开的各种实施例包括具有用于谐振转换器的包含专用启动序列电路的控制电路的半导体器件。实施例还包括执行用于在对称切换操作开始之前启动谐振转换器的专用启动序列的方法。在一些实施例中，操作包含谐振转换器控制器的半导体器件的方法包括：使下开关驱动信号初始地通脉冲达预先选择的初始下开关接通时间，并然后在使下开关驱动信号初始地通脉冲之后使上开关驱动信号通脉冲达预先选择的初始上开关接通时间。在使上开关驱动信号通脉冲达预先选择的初始上开关接通时间之后，该方法包括：迭代地测量半桥信号的下降边缘和随后的上升边缘之间的死时间，以及比较当前迭代的当前死时间与基于当前迭代的当前上开关接通时间的当前迭代的当前启动退出值。当当前迭代的当前死时间在启动退出值之上时，该方法进一步包括以预先选择的因子增加上开关接通时间，并响应于半桥信号的上升边缘的结束使上驱动信号通脉冲达增加后的上开关接通时间。当迭代的当前死时间在当前启动退出值之下时，该方法进一步包括以当前上开关接通时间使上开关驱动信号再次通脉冲，并将下开关接通时间设定成当前上开关接通时间。该方法进一步包括：响应于在启动退出值之下的当前死时间，开始上开关信号接通时间和下开关信号接通时间相等的对称切换。
图1是根据一些实施例的包含具有专用启动序列控制的半导体器件的LLC谐振转换器100的框图。一般地，谐振转换器100包含相互电隔离的初级侧102和次级侧104。变压器118被用于磁链接初级侧102的初级绕组120与次级侧104的一个或更多个次级绕组124、126。
如公知的那样，可通过正输入线106与负或地线108之间的输入电压供给初级侧102，该输入电压可以是通过对商用交流(AC)服务电压进行整流和滤波产生的直流(DC)电压。谐振转换器100在正输入线106与负线108之间包含与下开关112串联连接的上开关110。上开关110和下开关112典型地是晶体管开关，并且，虽然一般被驱动到接通或关断状态，但当被提供有适当的控制信号电平(即，栅极电压)时，也可以如所有的晶体管那样以线性模式操作。在上开关110和下开关112之间形成半桥节点114。谐振电感116、以初级绕组120的形式的磁化电感、和谐振电容器122与半桥节点114串联连接。这些元件构成谐振储能电路，并且可分别通过上开关110和下开关112的切换频率控制传送到次级侧104的能量的量。能量可通过变压器118以磁的方式被传送到次级绕组124、126中。每个次级绕组124、126分别与整流器128、130耦接，所述整流器128、130将电荷引入到体电容器(bulk capacitor)132中以在输出134处产生输出电压。
通过开关控制器136执行上开关110和下开关112的控制。开关控制器136可以是单一的封装集成电路器件，或者它可以被分立地实施，或被实现为集成和分立组件的组合。除了开关控制器136以外，可存在支持初级侧102的切换操作和其它电路功能的其它电路装置，诸如例如传感器和反馈电路装置、时钟电路装置等，其均是本领域技术人员公知的。开关控制器136在线138上输出可提供给上开关110的控制端子的上开关驱动信号，并且在线142上输出可提供给下开关112的控制端子的下开关驱动信号。上驱动电路140可响应于输入141提供上开关驱动信号，并且下驱动电路144可响应于输入145提供下开关驱动信号。开关控制器136包含与上驱动电路140和下驱动电路144接连(interface)以控制正常切换操作(即，在稳定操作期间)的电路装置，并且还包含在实现稳定操作模式之前控制启动时段的切换的启动序列电路146。开关控制器136在其它输入之中接收来自半桥节点114的输入、以及经由采样电路148的输入电压106。采样电路148可例如是具有滤波的产生与输入电压106成比例的电压的分压器。开关控制器136还可从可处于开关控制器136外部且可被配置为提供供启动序列中使用的希望时间段的指示的定时电路158接收输入。
启动序列电路146包含死时间计数器150、启动退出值寄存器152、比较器154和初始接通时间寄存器156的电路装置，并且提供输出160。输出160指示启动序列是否在进行中或者启动是否完成且普通的对称切换是否可开始。输出160的状态可启用或禁用用于在专用启动序列完成之后控制上开关110和下开关112的切换的常规对称切换电路。开关控制器136在一些实施例中可提供放电功能，所述放电功能允许开关控制器136使谐振电容器122放电，作为启动序列中的初始处理。
在一个示例性启动序列中，启动序列电路146可使用例如采样电路148的输出检测输入电压106上升到预先选择的启动阈值，并且在输出160上指示启动正在开始，由此禁止或者否则防止开关控制器136中的其它电路装置企图驱动上开关110和下开关112。作为另一预备事情，开关控制器136可诸如通过例如将下开关112驱动到线性状态从而使电荷通过下开关112和电感116、120从谐振电容器122驱散到负输入线108而将谐振电容器122放电。
在使谐振电容器122放电之后，启动序列电路146使下开关驱动信号通脉冲达可在初始接通时间寄存器156中设定的预先选择的初始下开关接通时间。如在本公开中使用的那样，术语“脉冲”指的是在低电平处开始、急剧上升到稳定的高电平达一时间段、并然后急剧下降回到该低电平的信号。除非另外指示，否则，脉冲的持续时间或接通时间是其保持在高电平处的时间。在初始下开关接通时间脉冲之后，上开关110然后被驱动为接通达初始接通时间。可例如通过外部或内部可编程定时电路装置158配置和设定下开关和上开关的初始接通时间。当上开关110被接通时，半桥节点114处的电压将上升到输入106的电压，并且当上开关在初始上开关脉冲结束时被关断时，由于储能电路(即，116、120、122)的效果，半桥节点处的电压将下降到低电平。当半桥节点114处的电压开始下降时，死时间计数器150开始计数，直到半桥节点114处的电压上升并然后停止上升。即，死时间计数器在半桥节点114处的电压的上升边缘结束时停止计数。在死时间期间，下开关112如在常规的切换操作期间发生的那样不被接通。由此，在下开关112的初始脉冲之后，只有上开关110被通脉冲，直到完成启动序列。死时间计数器150的死时间计数可在比较器154中与启动退出值152相比较。启动退出值基于上开关信号脉冲的最近接通时间。如果死时间大于启动退出值，那么上开关接通时间增加并且上开关驱动信号再次被通脉冲。应注意，由于死时间计数器150在半桥节点114上的电压完成上升时停止，因此，当上开关110然后接通时，它是零电压切换条件。该处理迭代地重复，直到迭代的死时间小于启动退出值。上开关110然后以最后的接通时间再次被通脉冲，输出160被改变以启用对称切换，然后对称切换可开始。在对称切换期间，上开关和下开关以不重叠的方式被交替接通和关断，每个具有相等的接通时间。
图2是根据一些实施例的通过具有用于谐振转换器的专用启动序列控制的半导体器件产生并且在其处接收的信号的定时图200。一般地，垂直轴202代表从底到顶增大的示出的各种信号的信号电平，而水平轴204代表从左到右增大的时间。示出了输入电压206，其可以是由诸如例如通过整流器和体滤波器(bulk filter)将输入AC供给转换成DC电压所产生的DC电压的一部分，如本领域中公知的那样。图200还示出上开关驱动信号208、下开关驱动信号210和半桥信号212。上开关驱动信号208可以是例如由图1的启动序列电路146产生以在线138上产生上驱动信号的信号，并且下开关驱动信号210可以是例如由启动序列电路146产生以在线142上产生下驱动信号的信号。半桥信号212可以是图1的半桥节点114处的电压的例子。还示出分别指示半桥信号212的正行进过渡(positive-going transition)和负行进过渡的正微分信号214和负微分信号216。正行进和负行进微分信号214、216可在一些实施例中被用于分别检测半桥信号212的上升和下降边缘的开始和结束。
在水平轴204的最左侧，输入电压206上升，如向谐振转换器施加电力时出现的那样。在时间218处，输入电压206达到可由启动序列电路检测的启动阈值220，从而发起在时段231上发生的启动序列。在一些实施例中，除了检测输入电压206以外，或者作为其替代，可以使用其它的启动条件。在一些情况下，谐振电容器可变得在一定程度上被充电，诸如在去除输入电压时可出现，并然后在短时间之后被恢复。因此，在时间218之前，作为谐振电容器在其中具有电荷的结果，可在半桥信号212上存在明显的电压。为了确保谐振转换器处于已知的状态，可以进行简短的放电时段222。在放电时段222期间，负载被施加到半桥节点，并且谐振电容器中的电荷被耗尽，如半桥信号212的向下倾斜部分230所示。在一些实施例中，用于将谐振电容器放电的负载可以是开关控制器内部的专用放电电路，并且，在一些实施例中，下开关可被控制成以线性模式操作，如下开关驱动信号210的224中的信号电平所示，该信号电平小于用于完全接通下开关的电平。
放电时段222结束于时间226，并且足够长，以确保谐振电容器的完全放电。作为替代方案，半桥节点的电压212可被监视，以检测电压212降到放电阈值之下。在时间226和时间228之间，可存在放电时段222之后的等待时间。在时间228处开始，下开关驱动信号210被接通脉冲达初始接通时间232，在时间236处结束。在短的保护时间之后，上开关驱动信号208被接通脉冲达初始时间段238，在时间246处结束。在时间238期间，由于在谐振储能器(tank)中不存在能量并因此非零电压切换条件，因此半桥信号212急剧上升，并且当上开关驱动脉冲240结束时，导致半桥信号212的下降边缘242，从而产生负微分信号216的脉冲244。脉冲244的开始可被用于启动死时间时钟，该死时间时钟测量直到半桥信号212再次上升并然后停止上升的时间。由于LLC电路的谐振本性，因此，响应于脉冲240，半桥信号212在时间250处再次开始上升，从而产生上升或正行进边缘254，并且在正微分信号214中产生脉冲252。当脉冲252结束从而产生从高到低的负行进过渡时，半桥电压已停止上升，并且死时间计数器停止。在脉冲252结束时，上开关驱动信号的当前接通时间值仍等于用于脉冲240的初始接通时间。死时间计数器的值或计数立即与得自用于上开关驱动信号208的当前接通时间的启动退出值相比较。在一些实施例中，启动退出值可以是当前上开关驱动接通时间的两倍。如果启动序列的当前迭代的死时间248大于启动退出值，那么当前接通时间以预先选择的因子增加，并且上开关驱动信号208在启动序列的下一迭代中在脉冲256中再次被通脉冲达增加后的接通时间258。脉冲256在时间264处结束，从而导致半桥信号212开始下降边缘260，并且导致负微分信号216的脉冲262。再次地，脉冲262的开始(上升边缘)复位并启动死时间计数器。应注意，如这里使用的那样，死时间指的是启动序列中上开关驱动脉冲之间的时间，并且在其之间不存在下开关驱动信号脉冲。除了初始下开关驱动脉冲234以外，下开关驱动信号210在从启动序列退出之前不被再次通脉冲。
但是，出于例子的目的，假定死时间266小于用于当前迭代的当前启动退出值。不是增加上开关接通时间，而是当前上开关接通时间在随后的脉冲274中被重复。由此，接通时间276将等于接通时间258。在时间272处，响应于先前的脉冲256，半桥信号212开始上升，从而产生正微分信号214的脉冲270。由于在本例子中已满足启动退出准则，因此下开关驱动信号210在脉冲286中被通脉冲达等于上开关驱动信号208的脉冲274的接通时间276的持续时间284。之后，在时间289处开始，在启动后(post-startup)时间288中发生对称切换。在启动时段231之后，在时间288期间，基于用于调整切换频率的反馈和其它准则，可存在脉冲频率被调整到谐振转换器的输出处的负载的软启动序列，如已知的那样。
图3是根据一些实施例的通过具有用于谐振转换器的专用启动序列控制的半导体器件调整脉冲时间的迭代方法300的高级流程图。例如，可通过如图1所示的谐振转换器中的包含启动序列电路146的开关控制器136来实施该方法。在开始302处，已向谐振转换器施加足够的输入电压，并且谐振电路已耗尽电荷。为了开始方法300，可在步骤304中使下开关接通脉冲达初始接通时间。初始下开关接通时间可被预先选择，并且是可配置的。在下开关在步骤304中被通脉冲之后，进行迭代处理305，在迭代处理305中，基本上，当不出现下开关切换时，上开关在死时间之后被通脉冲达越来越长的持续时间。当给定迭代的死时间满足启动退出值或准则时，退出迭代处理305。启动退出值基于当前迭代的用于上开关的接通时间，其基本上是工作循环(duty cycle)确定，并且当上开关驱动信号的死时间工作循环变得足够小时，则对称切换可开始。
在步骤306中，上开关驱动信号被通脉冲达当前接通时间，其最初是可配置的初始接通时间308。在结束步骤306中的脉冲之际，在步骤310中启动死时间计数器。半桥信号在步骤312中被监视以检测半桥信号的上升边缘的结束，由此，死时间计数器在步骤314中被停止，以产生用于迭代处理305的当前迭代的当前死时间。在步骤316中，当前死时间与启动退出值相比较。启动退出值基于处理305的当前迭代中用于使上开关驱动信号通脉冲的接通时间。在一些实施例中，启动退出值是用于使上开关通脉冲的当前接通时间(紧接在死时间之前)的两倍。如果死时间不小于启动退出值，那么方法300前进到步骤318，在步骤318中，当前上开关接通时间以预先选择的量或因子被增加。在一些实施例中，当前上开关接通时间被增加50％。在增加当前接通时间之后，处理305的另一迭代通过返回到步骤306而开始，使用增加后的接通时间作为处理305的当前迭代的当前接通时间。基本上，只要死时间保持高于步骤306中上开关脉冲的接通时间与直到步骤314的后面的死时间所限定的特定工作循环，处理305就被重复。当接通时间伴随每次迭代在步骤318中增加时，工作循环改变。
在步骤316中，当死时间小于启动退出值时，退出迭代处理305，并且方法300开始到步骤320，在该步骤320中，上开关被再次通脉冲，但是具有如在处理305的上次迭代中使用的相同的接通时间。在适当的保护时间之后，在步骤320中的上开关脉冲之后，下开关(即，下开关驱动信号)然后被通脉冲达与步骤320中的上开关相同的接通时间，然后对称切换在步骤322中开始，在该步骤322中，上开关驱动信号和下开关驱动信号以非重叠的方式并且以相等的接通时间被交替通脉冲。方法300在步骤324中结束，在该步骤324中，谐振转换器控制器可进行采用PFM操作的软启动序列。由于在启动序列期间上开关仅在半桥信号完成上升时接通，因此切换为“软”，意味着低或没有电流瞬态在上开关被接通时明显通过它。通过避免下开关接通，在谐振储能电路中积累电荷，从而允许上开关被接通达更长的时段，由此与仅使用对称切换的常规启动相比，减小死时间持续时间并且在较短的时间内使谐振电容器上的电压平衡。由此，通过使用专用启动序列，避免了硬切换，并且较快地达到稳定的对称切换状态。
图4是根据一些实施例的具有用于谐振转换器的专用启动序列控制的半导体器件内部的逻辑功能400的框图。逻辑功能包含对称切换控制块402和启动序列逻辑块404。这些块中的每一个包含用于实施这里描述的功能的电路装置。通过使用诸如与谐振转换器的输出电压对应的反馈信号434和与通过谐振电容器的电流对应的电流感测信号436的输入432，对称切换块402可在专用启动序列完成之后执行普通的PFM切换操作。两个块402、404可分别通过例如OR门410、412给上开关驱动器406和下开关驱动器408提供信号。上驱动器406产生可与上开关的控制端子耦接的上开关驱动信号407，并且下驱动器408产生可与下开关的控制端子耦接的下开关驱动信号409。两个块402、404在线414上被提供有半桥信号。
启动序列逻辑块404包含对输入电压416进行采样并且/或者检测指示谐振转换器正被启动的任何其它启动条件的电路装置。当施加电压时，启动序列逻辑块404中的电路装置可通过禁用信号428禁用对称切换控制块，这防止对称切换控制块402向上驱动器406或下驱动器408中的任一个提供信号，从而允许启动序列逻辑执行专用启动序列并因此驱动开关。当输入电压416上升到启动阈值时，启动序列逻辑404将开始启动序列。在一些实施例中，诸如通过在线413上断言导致下开关在其线性区域中操作的信号，从而提供通过其可在没有高电流切换的情况下驱散谐振电容器中的电荷的基本电阻路径，如在驱动下开关接通之际将发生的那样，启动序列逻辑404中的电路装置可产生导致其它电路元件将LLC谐振电路的谐振电容器放电的一个信号或多个信号。在执行放电操作之后，如果其被执行的话，那么下开关驱动信号可被通脉冲达初始时间段，该初始时间段的持续时间可被提供418或者否则被配置。在初始下开关驱动信号脉冲之后，启动序列逻辑块404开始迭代处理。上开关接通时间寄存器420对于当前迭代保持当前上开关接通时间。启动序列逻辑块可向上OR门410断言信号，这继而又向上开关驱动器406断言信号，从而导致上开关驱动信号接通上开关。上开关驱动信号被断言达上开关接通时间寄存器420中的值或计数时间的持续时间，在该持续时间结束时上开关驱动信号被解除断言，从而形成脉冲的结束。在上开关接通时间脉冲结束时，死时间计数器422开始计数。可通过当半桥信号414正下降时产生脉冲的负微分检测器425所产生的脉冲的上升边缘来触发死时间计数器。死时间计数器420计数，直到半桥信号414上升并然后停止上升。为了检测半桥信号414的上升的结束，正微分检测器423可在半桥信号的正行进或上升边缘期间产生脉冲。在由正微分检测器423产生的脉冲的结束即下降边缘，半桥信号已停止上升。在死时间的结束，数字比较器424比较当前迭代的死时间与基于当前上开关接通时间的启动退出值。如果给定迭代的当前死时间不小于当前启动退出值，那么增加功能426增加当前上开关接通时间，并且增加后的时间对于下一迭代变为上开关接通时间寄存器420中的上开关接通时间，该下一迭代通过使上开关驱动信号通脉冲立即开始，并且重复该处理，直到死时间小于启动退出值，然后上开关被再次通脉冲达上次迭代的上开关接通时间，然后对称切换可通过改变禁用信号428而开始。如箭头430所示，启动序列逻辑块404也可向对称切换控制块402提供当前接通时间值。如本领域技术人员将理解的那样，可使用各种不同组件以各种配置实施这里描述的逻辑功能。
本领域技术人员将理解，可在大量的实施例中实施启动序列控制，包括作为用于谐振功率转换器控制器的集成电路器件的一部分，仅具有硬件电路元件。也可例如使用根据本公开的教导执行指令代码的微处理器的电路装置来实施它。
图5是根据一些实施例的用于谐振转换器的启动序列的方法500的详细流程图。在步骤502中，输入功率已被施加并且足够高以启用启动序列逻辑，但还没有高到足以执行实际的启动序列。启动序列逻辑可禁用谐振转换器控制器中的其它切换控制逻辑。在步骤504中，方法500等待，直到输入电压已上升到启动阈值(Vcc≥Vcc_on)或者出现另一启动条件。一旦输入电压已达到启动阈值，方法500就通过例如将下开关切换到线性操作状态中并且通过半桥(HB)节点向输入地或返回线放电，而在步骤506中开始将谐振电容器放电。放电可在步骤508中继续，直到半桥电压小于最小电压(HB≤HB_min)。在步骤510中，下开关驱动信号被通脉冲达初始或第一持续时间(Mlower＝Mlower_first)。可基于特定的应用，针对希望的持续时间设定或否则配置初始下脉冲接通时间。在步骤512中，可在步骤510的初始下开关脉冲之后观察死时间。
然后，上开关驱动信号在步骤514中被通脉冲达可设定、选择或否则配置的初始时间段。可通过检测由当上开关关断时出现的半桥电压的下降边缘产生的步骤516中负微分脉冲(dV/dt_N)的上升边缘，来在步骤516中检测上开关脉冲的结束。一旦检测到半桥电压的下降边缘，则死时间(Td)计数器在步骤518中启动。死时间计数继续，直到在步骤520中检测到正微分脉冲(dV/dt_P)的下降边缘、指示着半桥信号的上升边缘已结束。一旦半桥信号的上升边缘已停止，死时间计数器就在步骤522中停止。紧接在停止死时间计数器之后，启动序列逻辑在步骤524中比较当前死时间与作为启动退出值的被乘以因子2的当前上开关接通时间(Td＜2＊Mupper_tx)。如果在步骤524中当前死时间不小于启动退出值，那么上开关接通时间在步骤526中以50％的因子增加(Mupperx＝3/2＊Mupperx-1)，使得新的当前上开关接通时间比先前的上开关接通时间长50％，并且上开关驱动信号被通脉冲达与当前(增加后的)上开关接通时间对应的持续时间。步骤524和526非常快速地发生，使得在下一上开关驱动信号脉冲之前不存在明显的时间损失。
当步骤524中的比较结果指示死时间小于启动退出值、从而意味着相对于给定迭代的上开关接通时间的死时间低于上开关驱动信号的给定工作循环时，方法500退出迭代处理。在步骤528中，上开关驱动信号被通脉冲达等于上次上开关接通时间的接通时间(Mupperx＝Mupperx-1)。在步骤528中的上开关脉冲结束之后，半桥信号将开始下降，从而导致负微分检测器产生脉冲。当半桥信号停止下降时，由负微分检测器产生的脉冲将下降。由负微分检测器产生的脉冲的下降边缘在步骤530中被检测，然后，在步骤532中使下开关驱动信号通脉冲达与步骤528中用于上开关驱动信号的持续时间相同的持续时间(Mlower＝Mupper)。在方法500中的该点处，对称切换可然后开始，并且专用启动序列在步骤534中完成。
图6是根据一些实施例的放电电路600的电路示意图。在一些实施例中，设想可通过设置在诸如图1的开关控制器136的开关控制器内部的电路装置来实现谐振电容器通过诸如图1的半桥节点114的半桥节点的放电。特别地，可在用于驱动上开关的浮动(floating)驱动器电路中设置电路装置。为了供给电压以驱动上开关，正常操作期间的引导(boot)电压线602提供半桥节点604之上(overhead above)的引导电压。为了产生引导电压，在一些实施例中，在升压(boost)配置中与引导电容器(bootstrap capacitor)610一起使用二极管608。当半桥节点604低时(例如，当通过下开关切换到地时)，二极管608提供用于将引导电容器610充电直至在外部HV供给与图1的节点106连接之后所产生的内部供给电压VCC的电流。当半桥节点604被切换到输入电压电平时(例如，当上开关被接通时)，二极管608被反向极化，并且从引导电容器610供给引导线(602)。引导电容器610可例如处于图1的控制器电路装置136外部，并且向端子611提供引导电压。
但是，在启动时，在任何切换活动之前，引导电压可以是未知的，并且在一些情况中可基本上为零。但是，如果例如谐振转换器在被关断之后很快被重新启动，那么半桥节点604可具有一些电荷。放电信号612可响应于控制电路装置识别出诸如输入电压上升到启动阈值之上的启动条件而被断言。
放电电路600包含响应于N沟道启用晶体管614的栅极处的放电信号612的N沟道启用晶体管614。N沟道启用晶体管614通过与用于驱动上开关信号656的引导电压线602耦接的上拉电阻器616驱动反相器618。放电电路600还包含具有与引导电压线602连接的源极和与N沟道驱动晶体管624的漏极连接的漏极的P沟道驱动晶体管622。N沟道驱动晶体管624具有与半桥节点604连接的源极。P沟道驱动晶体管622和N沟道驱动晶体管624各自具有与反相器618的输出耦接的栅极。放电电路600还包含具有与N沟道启用晶体管614的栅极耦接的栅极、耦接于P沟道驱动晶体管622与N沟道驱动晶体管624之间的漏极、和与接地的放电电阻器630耦接的源极的N沟道放电晶体管626。放电电路600还包含与放电电阻器630耦接的、用于感测在放电期间明显跨着放电电阻器630的半桥节点604处的半桥电压的放电比较器628。本领域技术人员将理解，例如，N沟道启用晶体管614和N沟道放电晶体管626的栅极不必耦接在一起，但是，为了出现放电，两者都必须被接通。由此，它们可以独立地被驱动，也可以以图6所示的方式等同地被驱动。
当放电信号612被断言时，N沟道启用晶体管614接通，从而通过诸如上拉电阻器616的上拉源将节点615拉低。节点615上的电压被馈送到反相器618，该反相器618作为结果在其输出620处产生高信号电平。当输出620高时，P沟道驱动晶体管622被关断，并且N沟道驱动晶体管624被接通，这在线625上连接半桥节点604与N沟道放电晶体管626。N沟道放电晶体管626也可通过放电信号612被驱动，并且当放电信号612被断言时，N沟道放电晶体管626将被接通，由此通过N沟道晶体管624、626连接半桥节点604和放电电阻器630。在放电期间，半桥节点604的电压通过放电比较器628跨着放电电阻器630被感测，这产生用于指示(半桥节点的)电压什么时候已下降到放电阈值的放电完成信号632。放电完成信号632当被断言时导致开关控制器(例如，图1的控制器136)的启动逻辑开始启动切换序列，其可包含接通下开关之前的等待时间。当放电信号612不被断言(例如，低)时，P沟道驱动晶体管622将接通并且N沟道驱动晶体管624将关断，从而连接N沟道放电晶体管626的漏极与引导电压线602，这可防止半桥节点604相对于地为负时的基板注入。
上开关驱动电路装置包含具有能够既吸收又产生(both sinking and sourcing)电流的输出的双端缓冲器654，以用上开关驱动信号656克服上开关的栅电容。缓冲器654由设定634和复位638线处的适当脉冲控制，所述脉冲可在内部由开关控制器提供，包含在启动序列期间。
图7是根据一些实施例的放电电路700的电路示意图。放电电路700可使用许多与放电电路600相同的电路元件。放电电路700包含响应于N沟道启用晶体管614的栅极处的放电信号612的N沟道启用晶体管614。N沟道启用晶体管614通过与用于驱动上开关信号656的引导电压线602耦接的上拉电阻器616驱动反相器618。放电电路700还包含具有与引导电压线602连接的源极和与N沟道驱动晶体管704的漏极连接的漏极的P沟道驱动晶体管622。N沟道驱动晶体管704具有与N沟道启用晶体管614的栅极耦接的栅极和与接地的放电电阻器706耦接的源极。放电电路700还包含具有耦接于P沟道驱动晶体管622和N沟道驱动晶体管704之间的基极、与半桥节点604耦接的发射极、和与地耦接的集电极的PNP放电晶体管702。放电电路700还包含放电比较器708，该放电比较器708与放电电阻器706耦接，用于感测跨着放电电阻器706的半桥节点604处的半桥电压(减去PNP放电晶体管702的发射极-基极电压)，并且当半桥电压降低到放电阈值之下时提供输出710。
当放电信号612被断言时，N沟道驱动晶体管704被接通，并且PNP放电晶体管702的基极与放电电阻器706连接，这对PNP放电晶体管702线性施加偏压，从而导致PNP放电晶体管702变为电阻性的，从而允许电流通过PNP放电晶体管702的发射极从半桥节点604流至地。结果，半桥节点604处的电压减去PNP放电晶体管702的发射极-基极电压将跨着放电电阻器706是明显的，并且通过放电比较器708被感测，该放电比较器708将在跨着放电电阻器706的电压已下降到放电阈值时断言放电完成信号710。当放电信号612不被断言(即，低)时，PNP放电晶体管702的基极将通过P沟道驱动晶体管622与引导电压线602连接，这可防止半桥节点604相对于地为负时的基板注入。在一些实施例中，图6的组件626和630以及图7的组件704和706分别可形成恒定电流吸收器(constant current sink)，以便平稳地将半桥节点604放电，从而避免半桥节点604上的寄生振铃(ringing)，并且减少这些放电组件的峰值功率耗散。
在前面的描述中和在附图中公开和教导的实施例提供在启动谐振转换器时避免硬切换的益处。通过避免硬切换，在谐振转换器的设计中使用的开关不必如常规那样被选择为应对在启动期间的这种高电流、硬切换。这意味着，开关晶体管可比在启动之际立即开始对称切换且不使用启动序列的常规设计的谐振转换器中的可靠操作所需要的开关晶体管小。
在前面的说明书中，已描述了具体的实施例。但是，本领域普通技术人员理解的是，在不背离以下权利要求中阐述的本发明范围的情况下，可以作出各种修改和变化。因此，要以说明性的意义而不是限制性的意义来看待说明书和图，并且所有这些修改意在包含于本教导的范围内。
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将理解，一些实施例可包含诸如微处理器、数字信号处理器、定制处理器和场可编程门阵列(FPGA)的一个或更多个通用或专用处理器(或“处理器件”)、以及控制所述一个或更多个处理器以结合某些非处理器电路来实施这里描述的方法和/或装置的功能中的一些、大部分或全部的唯一存储程序指令(包含软件和固件两者)。作为替代方案，可通过没有存储的程序指令的状态机，或者在其中每个功能或某些功能的一些组合被实施为定制逻辑的一个或更多个应用特定集成电路(ASIC)中，实施一些或全部的功能。当然，可以使用两种手段的组合。
并且，实施例可被实施为上面存储有用于将计算机(例如，包含处理器)编程以执行这里描述和要求权利的方法的计算机可读代码的计算机可读存储介质。这样的计算机可读存储介质的例子包括但不限于硬盘、CD-ROM、光学存储设备、磁存储设备、ROM(只读存储器)、PROM(可编程只读存储器)、EPROM(可擦除可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)和闪存。并且，预期普通技术人员当由这里公开的概念和原理引导时将很容易地能够以最少的实验产生这样的软件指令和程序和IC，尽管可能有例如由可用时间、当前技术和经济考虑所促动的许多设计选择和显著的努力。
提供本公开的摘要以允许读者快速地明确本技术公开的本性。所认为的理解是，它将不被用于解释或限制权利要求的范围或含义。另外，在前面的具体实施方式中，可以看出，出于简化本公开的目的，各种特征在各种实施例中被组合在一起。本公开的该方法不要被解释为反映了要求权利的实施例需要比在每个权利要求中明确记载的特征多的特征的意图。而是，如以下权利要求所反映的那样，发明主题在于少于单个公开实施例的所有特征。因此，以下的权利要求由此作为原始公开的一部分被并入到具体实施方式中，并且即使在本申请的审查期间从权利要求书中被删去也保持这样，每个权利要求作为单独要求权利的主题而独立存在。并且，未示出的主题不应被假定是必然存在的，而且，在一些情形下，可能变得必须通过使用否定限制来限定权利要求，其在这里仅通过不示出在这样的否定限制中弃权的主题而得到支持。

Claims (10)

1.一种包含谐振转换器控制器的半导体器件，包括：
所述谐振转换器控制器，被配置为使下开关驱动信号初始地通脉冲达预先选择的初始下开关接通时间；
谐振转换器控制器被配置为在使下开关驱动信号初始地通脉冲达预先选择的初始下开关接通时间之后，使上开关驱动信号通脉冲达预先选择的初始上开关接通时间；
谐振转换器控制器被配置为迭代地响应于使上开关驱动信号通脉冲而测量半桥信号的下降边缘和随后的上升边缘之间的死时间，比较当前迭代的当前死时间与基于当前迭代的当前上开关接通时间的当前迭代的当前启动退出值，并且，当当前迭代的当前死时间在当前启动退出值之上时，以预先选择的因子增加上开关接通时间，并响应于半桥信号的上升边缘的结束使上开关驱动信号通脉冲达增加后的上开关接通时间；
当迭代的当前死时间在当前启动退出值之下时，以当前上开关接通时间再次使上开关驱动信号通脉冲，并且将下开关接通时间设定成当前上开关接通时间；以及
谐振转换器控制器被配置为响应于当前死时间在当前启动退出值之下，开始上开关接通时间和下开关接通时间相等的对称切换。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，比较当前迭代的当前死时间与当前迭代的当前启动退出值包括：比较当前死时间与作为当前上开关接通时间的两倍的值。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，谐振转换器控制器进一步被配置为：检测启动条件，并禁用半导体器件的对称切换能力，直到迭代的当前死时间在当前启动退出值之下。
4.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，谐振转换器控制器进一步被配置为：在使下开关驱动信号初始地通脉冲之前，激活在电气上处于半导体器件的半桥节点与输入地之间的放电路径达一放电时间，并在放电时间结束时禁用放电路径。
5.一种谐振功率转换器控制器半导体器件，包括：
启动序列电路，响应于启动条件而禁用对称切换控制块并使下开关驱动信号通脉冲达初始时间；
启动序列电路在其使下开关驱动信号通脉冲达初始时间之后，进一步开始用于使上开关驱动信号通脉冲达当前上开关接通时间、测量上开关驱动信号的脉冲的结束与半桥节点处的半桥信号的随后上升边缘的结束之间的死时间、并在比较电路中比较死时间与启动退出值的启动序列迭代；
启动序列电路在死时间大于启动退出值时，进一步增加当前上开关接通时间，并且使用增加后的上开关接通时间进行另一启动序列迭代；以及
启动序列电路在死时间小于启动退出值时，进一步使上开关驱动信号通脉冲达最近迭代的当前上开关接通时间，并将下开关接通时间设定成当前上开关接通时间，并然后启用对称切换控制块。
6.根据权利要求5所述的半导体器件，其中，启动序列电路在使下开关驱动信号初始地通脉冲之前启用半桥节点与地之间的放电路径。
7.根据权利要求6所述的半导体器件，其中，启动序列电路启用放电路径，直到半桥节点的电压下降到放电阈值。
8.根据权利要求6所述的半导体器件，其中，放电路径包含：
N沟道启用晶体管，响应于N沟道启用晶体管的栅极处的放电信号，通过与用于驱动上开关信号的引导电压线耦接的上拉源来驱动反相器；
P沟道驱动晶体管，具有与引导电压线连接的源极、以及与具有与半桥节点连接的源极的N沟道驱动晶体管的漏极连接的漏极，所述P沟道驱动晶体管和N沟道驱动晶体管各自具有与反相器的输出耦接的栅极；
N沟道放电晶体管，具有利用N沟道启用晶体管的栅极驱动的栅极、耦接于P沟道驱动晶体管和N沟道驱动晶体管之间的漏极、以及通过放电电阻器与地耦接的源极；以及
放电比较器，与放电电阻器耦接，用于感测跨着放电电阻器的半桥节点处的半桥电压，并且当半桥电压降低到放电阈值之下时提供输出。
9.一种谐振功率转换器控制器，包括：
控制器，被配置为控制耦接于输入电压线和半桥节点之间的上开关，并被配置为控制耦接于半桥节点与输入地之间的下开关，其中，半桥节点被配置用于与储能电路耦接，所述储能电路包含串联耦接于半桥节点与输入地之间的电感和谐振电容器；
启动序列电路，使下开关初始地通脉冲达初始时间，然后开始用于使上开关通脉冲达当前上开关接通时间、测量上开关的脉冲的结束与半桥节点处的半桥信号的随后上升边缘的结束之间的死时间、并在比较电路中比较死时间与启动退出值的启动序列迭代；
在死时间大于启动退出值时，启动序列电路增加当前上开关接通时间，并且使用增加后的上开关接通时间进行另一启动序列迭代；以及
在死时间小于启动退出值时，启动序列电路使上开关驱动信号通脉冲达最近迭代的当前上开关接通时间，并将下开关接通时间设定成当前上开关接通时间，并然后启用对称切换控制块。
10.根据权利要求9所述的谐振功率转换器控制器，其中，启动序列电路启用放电路径，直到半桥节点的电压下降到放电阈值。
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