CN105375768A - 一种谐振变换器的容性模式保护方法和容性模式控制电路 - Google Patents

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Abstract

公开了一种谐振变换器的容性模式保护方法和容性模式控制电路。该容性模式保护方法包括：判断谐振变换器是否进入容性工作模式；一旦进入容性模式，控制电路工作在容性保护控制模式，同时将高侧开关和低侧开关关断N个周期；N个周期后，判断电流检测信号在上升过程中是否到达过零阈值，当电流检测信号在上升过程中到达过零阈值，导通高侧开关；N个周期后，判断电流检测信号在下降过程中是否到达过零阈值，当电流检测信号在下降过程中到达过零阈值，导通低侧开关。该容性模式保护方法可避免高侧开关和低侧开关在容性模式下损坏。

Description

一种谐振变换器的容性模式保护方法和容性模式控制电路
技术领域
本发明涉及电子电路，具体但不仅限于涉及谐振变换器的容性模式保护方法和容性模式控制电路。
背景技术
半桥LLC谐振变换器100因其软开关特性以及元器件数量少、效率高等特性广泛地运用于现代开关电源中。
图1为现有的半桥LLC谐振变换器50的简化示意图。如图1所示，谐振变换器50包括逆变电路51、谐振网络52、隔离变压器T、整流电路以及负载。逆变电路51采用半桥结构，包括串联连接在直流电压源VIN两端的高侧开关管M1和低侧开关管M2，这两个开关管由一对互补并且占空比恒定为0.5的控制信号VG1和VG2来控制。通过交替驱动高侧开关管M1和低侧开关管M2，逆变电路51将直流电压VIN转换为方波电压VSW。
谐振网络52被示意为一个LLC谐振变换器，包括由电感器Lr、电感器Lm以及谐振电容Cr，其中电感器Lm与隔离变压器T的原边绕组并联。通常电感器Lm为隔离变压器T的励磁电感。谐振网络52将方波电压VSW转换为交流信号。
整流电路耦接在隔离变压器T的副边绕组与负载之间，通过变压器接收谐振网络52输出的交流信号，并将交流信号整流为半波直流信号并为负载提供直流输出电压VOUT。
谐振变换器50还包括控制电路。控制电路包括电压检测电路、电流检测电路、容性模式判断电路以及频率控制电路。
电压检测电路检测输出电压VOUT，并产生一个代表输出电压VOUT的反馈信号VFB。电流检测电路检测流过电感器Lr的电感电流Ir的值，并产生一个代表电感电流Ir的电流检测信号VCS。容性模式判断电路接收电流检测信号VCS并，并根据电流检测信号VCS产生一个容性模式判断信号MC，用于判定谐振变换器50工作在容性模式还是感性模式。频率控制电路接收反馈信号VFB和容性模式判断信号MC，并根据反馈信号VFB和容性模式判断信号MC产生高侧开关控制信号VG1和低侧开关控制信号VG2控制高侧开关管M1和低侧开关管M2的导通和关断的频率。当容性模式判断信号MC指示谐振变换器50工作在容性工作模式下，频率控制电路将增大高侧开关控制信号VG1和低侧开关控制信号VG2的导通和关断频率，以使得谐振变换器50快速从容性工作模式恢复到感性工作模式。
但是，一旦谐振变换器50进入到容性工作模式，高侧开关M1和低侧开关M2极有可能因不能实现软开关而被高电压击穿损坏，因此，需要在容性模式下对高侧开关M1和低侧开关M2进行保护。
发明内容
为了解决前面描述的一个问题或者多个问题，本发明提出与现有技术不同的用于谐振变换器的容性模式控制电路、方法和相应的谐振变换器。
本发明一方面提供了一种谐振变换器的容性模式保护方法，其中，谐振变换器包括至少具有一对分别以相同占空比互补导通和关断的高侧开关和低侧开关的逆变电路，改变高侧开关和低侧开关的导通和关断频率，将一输入电压转换为输出电压；谐振变换器还包括具有至少一个谐振电感和至少一个谐振电容的谐振网络；谐振变换器还包括控制电路具有正常控制模式和容性保护控制模式。所述容性模式保护方法，包括：检测流过谐振电感的电感电流，并产生一个代表电感电流的电流检测信号；根据电流检测信号判断谐振变换器工作在容性工作模式或感性工作模式；当谐振变换器进入容性工作模式，控制电路工作在容性保护控制模式，同时将高侧开关和低侧开关关断N个周期，对谐振变换器进行容性保护,其中，N为大于等于1的正整数；N个周期后，判断电流检测信号在上升过程中是否到达过零阈值，当电流检测信号在上升过程中到达过零阈值，导通高侧开关；N个周期后，判断电流检测信号在下降过程中是否到达过零阈值，当电流检测信号在下降过程中到达过零阈值，导通低侧开关；其中，当高侧开关开关和低侧开关任意一个再次导通后，控制电路跳出容性保护控制模式返回正常控制模式。
本发明另一方面提供了一种用于谐振变换器容性模式的控制电路。其中，谐振变换器包括至少具有一对分别以相同占空比互补导通和关断的高侧开关和低侧开关的逆变电路；谐振变换器通过改变高侧开关和低侧开关的导通和关断频率，将一输入电压转换为输出电压；谐振变换器还包括具有至少一个谐振电感和至少一个谐振电容的谐振网络；所述容性模式控制电路包括第一控制模式和第二控制模式。所述容性模式控制电路，包括：电压检测电路具有输入端和输出端，输入端耦接至谐振变换器的输出端检测其输出电压，并在输出端产生一个代表输出电压的反馈信号；电流检测电路具有输入端和输出端，其输入端耦接至谐振网络，检测流过谐振电感的电感电流，并在输出端提供一个代表电感电流的电流检测信号；容性模式判断电路具有输入端和输出端，其输入端接收电流检测信号，并将电流检测信号与一个过零阈值比较，在输出端产生一个容性模式判断信号，用于判断谐振变换器工作在容性模式还是感性模式，其中，当容性模式判断信号有效，谐振变换器工作在容性模式，当容性模式判断信号无效，谐振变换器工作在感性模式；频率控制电路具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，第一输入端和第二输入端分别接收容性模式判断信号和反馈信号，并在第一输出端和第二输出端产生第一控制信号和第二控制信号，分别用于谐振变换器在第一控制模式下控制高侧开关和低侧开关的导通和关断，其中，频率控制电路根据容性模式判断信号和反馈信号的变化，改变高侧开关控制信号和低侧开关控制信号的工作频率；容性保护电路具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、第一输出端和第二输出端，其第一输入端和第二输入端分别接收第一控制信号和第二控制信号，第三输入端接收容性模式判断信号，第四输入端接收电流检测信号，容性保护电路根据第一控制信号、第二控制信号、容性模式判断信号和电流检测信号分别在第一输出端和第二输出端输出第一容性保护信号和第二容性保护信号，分别用于谐振变换器在第二控制模式下控制高侧开关和低侧开关的导通和关断；以及逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和第四输入端分别接收第一控制信号、第二控制信号、第一容性保护信号和第二容性保护信号，逻辑电路对第一控制信号、第二控制信号、第一容性保护信号和第二容性保护信号做逻辑运算，并在第一输出端和第二输出端分别输出高侧开关控制信号和低侧开关控制信号。其中，当容性模式判断信号无效时，第一容性保护信号和第二容性保护信号无效，谐振变换器处于第一控制模式；当容性模式判断信号有效，第一容性保护信号和第二容性保护信号有效，谐振变换器处于第二控制模式，高侧开关控制信号和低侧开关控制信号控制高侧开关和低侧开关同时关断N个周期，其中N为大于等于1的正整数；在N个周期后，当电流检测信号在上升过程中到达过零阈值，第一容性保护信号无效，高侧开关控制信号导通高侧开关；N个周期后，当电流检测信号在下降过程中到达过零阈值，第二容性保护信号无效，低侧开关控制信号导通低侧开关；其中，当高侧开关开关和低侧开关任意一个再次导通后，谐振变换器跳出第二控制模式。
根据本发明的实施例所提供的容性模式保护方法和容性模式控制电路可避免高侧开关和低侧开关在容性模式下损坏等优点。
附图说明
为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述：
图1为现有的半桥LLC谐振变换器50A的简化示意图；
图2为根据本发明一实施例的LLC谐振变换器100的原理示意图；
图3为根据本发明一实施例的谐振变换器工作相关参数的波形200的示意图；
图4为根据本发明另一实施例的谐振变换器工作相关参数的波形300的示意图；
图5为根据本发明一实施例的容性保护电路和逻辑电路400的电路原理图；
图6为根据本发明一实施例的谐振变换器500的电路原理图；
图7所示为根据本发明一实施例的谐振变换器的容性模式保护方法600的流程示意图。
下面将参考附图详细说明本发明的具体实施方式。贯穿所有附图相同的附图标记表示相同的或相似的部件或特征。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在下面对本发明的详细描述中，为了更好地理解本发明，描述了大量的细节。然而，本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。为了清晰明了地阐述本发明，本文简化了一些具体结构和功能的详细描述。此外，在一些实施例中已经详细描述过的类似的结构和功能，在其它实施例中不再赘述。尽管本发明的各项术语是结合具体的示范实施例来一一描述的，但这些术语不应理解为局限于这里阐述的示范实施方式。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图2为根据本发明一实施例的LLC谐振变换器100的原理示意图。如图2所示，谐振变换器100包括逆变电路101、谐振网络102、隔离变压器T以及整流滤波电路103。
逆变电路101采用半桥结构，包括串联连接在直流电压源VIN两端的高侧开关管M1和低侧开关管M2，这两个开关管由一对互补并且占空比恒定为0.5的控制信号VG1和VG2来控制。通过交替驱动高侧开关管M1和低侧开关管M2，逆变电路101将直流电压VIN转换为方波电压VSW。在其他示例中，逆变电路101可包括其他结构，比如全桥逆变电路等拓扑结构。
谐振网络102包括由第一电感器Lr、第二电感器Lm以及谐振电容Cr组成的LLC串并联谐振网络，其中第二电感器Lm与隔离变压器T的原边绕组并联。通常第二电感器Lm为隔离变压器T的励磁电感。谐振网络102将方波电压信号VSW转换为交流电压信号。
整流滤波电路103耦接至隔离变压器T的副边绕组和负载之间，包括第一和第二整流二极管D1、D2和输出电容器Co，其中第一整流二极管D1的阳极耦接至副边绕组的第一端，第二整流管D2的阳极耦接至副边绕组的第二端。输出电容器Co具有第一端和第二端，其中第一端耦接至第一整流二极管D1的阴极和第二整流二极管D2的阴极，第二端耦接至副边参考地。在其他实施例中，整流滤波电路103可具有其他结构。整流滤波电路103通过变压器T接收谐振网络102输出的交流信号，并将交流电压信号整流为半波直流电压信号并为负载提供直流输出电压VOUT。
谐振变换器100还包括控制电路。控制电路包括电压检测电路104、电流检测电路105、容性模式判断电路106、频率控制电路107、容性保护电路108和逻辑电路109。控制电路具有第一控制模式(正常控制模式)和第二控制模式(容性保护控制模式)。
电压检测电路104具有输入端和输出端，其输入端耦接至谐振变换器100的输出端，检测输出电压VOUT，并在输出端产生一个代表输出电压VOUT的反馈信号VFB。反馈信号VFB包括电压信号、电流信号等合适的信号形式，用以反映输出电压VOUT的变化。在一个实施例中，电压检测电路104包括一个光耦器件，用于在变压器副边和原边的隔离采样。
电流检测电路105具有输入端和输出端，其输入端耦接至谐振网络102，检测流过电感Lr的电感电流Ir的值，并在输出端产生一个代表电感电流Ir的电流检测信号VCS。在一个实施例中，电流检测电路105包括串联连接的采样电容和采样电阻，其中，采样电容和采样电阻的公共端作为电流检测电路105的输出端提供电流检测信号VCS。
容性模式判断电路106具有输入端和输出端，其输入端接收电流检测信号VCS，并将电流检测信号VCS与一个过零阈值比较，在输出端产生一个容性模式判断信号MC，用于判定谐振变换器100工作在容性工作模式还是感性工作模式。其中容性模式判断信号MC为一个逻辑高低电平信号，具有第一逻辑状态和第二逻辑状态。在一个实施例中，第一逻辑状态(如逻辑高)表示谐振变换器处于容性工作模式，第二逻辑状态(如逻辑低)表示谐振变换器处于感性工作模式。在另一个实施例中，第一逻辑状态(如逻辑高)表示谐振变换器处于感性工作模式，第二逻辑状态(如逻辑低)表示谐振变换器处于容性工作模式。在一个实施例中，在低侧开关管M2关断时刻检测电流检测信号VCS的值，当电流检测信号VCS的值小于过零阈值，代表谐振变换器100工作在感性工作模式；如果电流检测信号VCS的值大于过零阈值，代表谐振变换器100工作在容性工作模式。在另一个实施例中，检测高侧开关管M1关断时刻电流检测信号VCS的值，电流检测信号VCS的值大于过零阈值，代表谐振变换器100工作在感性工作模式；如果电流检测信号VCS的值小于过零阈值，代表谐振变换器100工作在容性工作模式。
频率控制电路107具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端。其第一输入端耦接至电压检测电路104接收反馈信号VFB，其第二输入端耦接至容性模式判断电路106接收容性模式判断信号MC。频率控制电路107根据容性模式判断信号MC和电压反馈信号VFB产生一组频率可变的第一控制信号SW1和第二控制信号SW2。第一控制信号SW1和第二控制信号SW2用于谐振变换器100在第一控制模式下导通和关断高侧开关M1和低侧开关M2，其中第一控制信号SW1和第二控制信号SW2为逻辑互补的高低电平信号，具有第一逻辑状态(如逻辑高)和第二逻辑状态(如逻辑低)。当谐振变换器100进入容性工作模式(即：MC具有第一逻辑状态)，频率控制电路107增大第一控制信号SW1和第二控制信号SW2的工作频率。在一个实施例中，当电压反馈信号VFB低于一预设参考电压值，频率控制电路107减小第一控制信号SW1和第二控制信号SW2的工作频率；当电压反馈信号VFB高于一预设参考电压值，频率控制电路107增大第一控制信号SW1和第二控制信号SW2的工作频率。
容性保护电路108具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、第一输出端和第二输出端。其第一输入端耦接至频率控制电路107的第一输出端接收第一控制信号SW1；第二输入端耦接至频率控制电路107的第二输出端接收第二控制信号SW2；第三输入端耦接至容性模式判断电路106接收容性模式判断信号MC；第四输入端耦接电流检测电路105接收电流检测信号VCS。容性保护电路108分别在第一输出端和第二输出端输出第一容性保护信号CP1和第二容性保护信号CP2。第一容性保护信号CP1和第二容性保护信号CP2用于谐振变换器100在第二控制模式下导通和关断高侧开关M1和低侧开关M2，其中第一容性保护信号CP1和第二容性保护信号CP2为逻辑高低电平信号，具有第一逻辑状态(如逻辑高)和第二逻辑状态(如逻辑低)。
逻辑电路109具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和第四输入端分别接收第一控制信号SW1、第二控制信号SW2、第一容性保护信号CP1和第二容性保护信号CP2。并对第一控制信号SW1、第二控制信号SW2、第一容性保护信号CP1和第二容性保护信号CP2做逻辑运算，并在第一输出端和第二输出端分别输出高侧开关控制信号VG1和低侧开关控制信号VG2用于导通和关断谐振变换器100中的高侧开关M1和低侧开关M2。其中高侧开关控制信号VG1和低侧开关控制信号VG2为逻辑互补的高低电平信号，具有第一逻辑状态(如逻辑高)和第二逻辑状态(如逻辑低)。在一个实施例中，高侧开关控制信号VG1具有第一逻辑状态(如逻辑高)时，高侧开关M1导通；具有第二逻辑状态(如逻辑低)时，高侧开关M1关断。低侧开关控制信号VG2具有第一逻辑状态(如逻辑高)时，低侧开关M2导通；具有第二逻辑状态(如逻辑低)时，低侧开关M2关断。
当容性模式判断信号MC无效时(即谐振变换器100工作在感性模式下)，第一容性保护信号CP1和第二容性保护信号CP2无效，谐振变换器100处于第一控制模式。由第一控制信号SW1和第二控制信号SW2控制高侧开关M1和低侧开关M2的导通和关断。
当容性模式判断信号MC有效时(即谐振变换器100工作在容性模式下)，第一容性保护信号CP1和第二容性保护信号CP2有效，谐振变换器100处于第二控制模式。高侧开关控制信号VG1和低侧开关控制信号VG2控制高侧开关M1和低侧开关M2同时关断N个周期，其中N为大于等于1的正整数。
在N个周期后，容性保护电路108判断电流检测信号VCS(代表电感电流Ir)在上升过程中是否到达过零阈值VTH，如果达到，第一容性保护信号CP1无效，谐振变换器100跳出第二控制模式返回第一控制模式，高侧开关控制信号VG1控制高侧开关M1导通；同时，容性保护电路108还判断电流检测信号VCS(代表电感电流Ir)在下降过程中是否到达过零阈值VTH，如果达到，第二容性保护信号CP2无效，谐振变换器100跳出第二控制模式返回第一控制模式，低侧开关控制信号VG2控制低侧开关M2导通。
在一个实施例中，过零阈值VTH包括第一过零阈值VTH1和第二过零阈值VTH2。第一过零阈值VTH1为略大于零的一个电压信号，如80mV；第二过零阈值VTH2为略小于零的一个电压信号，如-80mV。在一个实施例中，当电流检测信号VCS在上升过程中到达第二过零阈值VTH2(如-80mV)，第一容性保护信号CP1无效，谐振变换器100跳出第二控制模式，第一控制信号SW1控制高侧开关M1导通；当电流检测信号VCS在下降过程中到达第一过零阈值VTH1(如80mV)，第二容性保护信号CP2无效，谐振变换器100跳出第二控制模式，第二控制信号SW2控制低侧开关M2导通。
图3为根据本发明一实施例的谐振变换器100的工作相关参数的波形200的示意图。图中示意出高侧开关控制信号VG1、低侧开关控制信号VG2、方波电压信号VSW、电流检测信号VCS以及第一比较信号CH(将在图5中详细说明)的波形图。在图3所示实施例中，高侧开关控制信号VG1和低侧开关控制信号VG2为逻辑高时表示高侧开关M1和低侧开关M2导通，逻辑低时表示高侧开关M1和低侧开关M2关断。方波电压信号VSW在一个高电平和低电平之间变化，高电平约为VIN+0.7V，低电平约为0.7V，其中，0.7V为高侧开关M1和低侧开关M2的体二极管DM1和DM2的导通压降。
由于在高侧开关M1关断的t1时刻，电流检测信号VCS的值A1小于第一容性模式判断阈值VTH1(80mV)，因此谐振变换器100进入容性工作模式，谐振变换器100的控制电路进入第二控制模式(容性保护控制模式)，此时高侧开关控制信号VG1和低侧开关控制信号VG2均为逻辑低，高侧开关M1和低侧开关M2同时关断一个空白时间blank1。在图3所示实施例中，空白时间blank1被示意为一个工作周期，如图中所示的t1-t2时刻，但是本领域一般技术人员应该明白，空白时间blank1可以根据负载需要选择任意的N个周期，其中N为大于等于1的正整数。
在N个周期后，当电流检测信号VCS(代表电感电流Ir)在下降过程中到达第一过零阈值VTH1，低侧开关控制信号VG2由逻辑低变为逻辑高，低侧开关M2导通，谐振变换器100跳出第二控制模式。由图3所示实施例可以看出，低侧开关M2导通时，方波电压信号VSW为0.7V，低侧开关M2为零电压导通，实现了软开关。这就避免了在电流检测信号VCS大于第一容性模式判断阈值VTH1时，导通低侧开关M2可能存在的硬开关风险。例如，当电流检测信号VCS的值为A2时导通低侧开关M2，此时，高侧开关M1的体二极管DM1依然打开，因此方波电压信号VSW依然等于输入电压VIN+0.7V，低侧开关M2不能实现软开关。即使在电流检测信号VCS的值大于第一容性模式判断阈值VTH1后，继续保持低侧开关M2关断一段时间后再导通，由于不同体二极管DM1具有不同的反向恢复时间，因此依然不能保证低侧开关M2完全实现零电压导通。
图4为根据本发明一实施例的谐振变换器100的工作相关参数的波形300的示意图。图中示意出高侧开关控制信号VG1、低侧开关控制信号VG2、高侧开关M1和低侧开关M2的公共节点的电压VSW、方波电压信号VSW、电流检测信号VCS以及第二比较信号CL(将在图5中详细说明)的波形图。在图3所示实施例中，高侧开关控制信号VG1和低侧开关控制信号VG2为逻辑高时表示高侧开关M1和低侧开关M2导通，逻辑低时表示高侧开关M1和低侧开关M2关断。方波电压信号VSW在0.7V和VIN+0.7V两者间变化，其中，0.7V为高侧开关M1和低侧开关M2的体二极管DM1和DM2的导通压降。
由于在低侧开关M2关断的t1时刻电流检测信号VCS的值B1大于第二容性模式判断阈值VTH2(-80mV)，因此谐振变换器100进入容性工作模式，谐振变换器100的控制电路进入第二控制模式(容性保护控制模式)，此时高侧开关控制信号VG1和低侧开关控制信号VG2均为逻辑低，高侧开关M1和低侧开关M2同时关断一个空白时间blank2，此时高侧开关控制信号VG1和低侧开关控制信号VG2均为逻辑低。在图3所示实施例中，空白时间blank2被示意为一个工作周期，如图中所示的t1-t2时刻，但是本领域一般技术人员应该明白，空白时间blank2可以根据负载需要选择任意的N个周期，其中N为大于等于1的正整数。
在N个周期后，当电流检测信号VCS(代表电感电流Ir)在上升过程中到达第二过零阈值VTH2，高侧开关控制信号VG1由逻辑低变为逻辑高，高侧开关M1导通，谐振变换器100跳出第二控制模式。由图3所示实施例可以看出，高侧开关M1导通时，方波电压信号VSW为VIN+0.7V，高侧开关M1为零电压导通，实现了软开关。这就避免了在电流检测信号VCS小于第二容性模式判断阈值VTH2时，导通高侧开关M1可能存在的硬开关风险。例如，当电流检测信号VCS的值为B2时导通高侧开关M1，此时，低侧开关M2的体二极管DM2依然打开，因此方波电压信号VSW依然等于0.7V，高侧开关M1不能实现软开关。即使在电流检测信号VCS的值小于第二容性模式判断阈值VTH2后，继续保持高侧开关M1关断一段时间后再导通，由于不同体二极管DM2具有不同的反向恢复时间，因此依然不能保证高侧开关M1完全实现零电压导通。
图5为根据本发明一实施例的容性保护电路和逻辑电路400的电路原理图。如图所示，容性保护电路108包括高侧开关容性保护电路41和低侧开关容性保护电路42。
高侧开关容性保护电路41包括第一比较电路411、第一计数器412、第一触发器413和第一逻辑门414。
第一比较电路411接收电流检测信号VCS和第二过零阈值信号VTH2，并将电流检测信号VCS和第二过零阈值信号VTH2比较，输出第一比较信号CH。第一比较信号CH为逻辑高低电平信号，具有第一逻辑状态(如逻辑高)和第二逻辑状态(如逻辑低)。在一个实施例中，当电流检测信号VCS大于第二过零阈值信号VTH2时，第一比较信号CH为第一逻辑状态(如逻辑高)；当电流检测信号VCS小于第二过零阈值信号VTH2时，第一比较信号CH为第二逻辑状态(如逻辑低)。
第一计数器412接收容性模式判断信号MC和第一比较信号CH，当容性模式判断信号MC有效时，即谐振变换器100进入容性工作模式，第一计数器412开始对第一比较信号CH计数N个周期，并输出第一计数信号CH-blank。其中，N为大于等于1的正整数，等于同时关断高侧开关M1和低侧开关M2的周期。
第一触发器413接收第一计数信号CH-blank，输出第一触发信号DH，N个周期后，当第一比较信号由第二逻辑状态向第一逻辑状态转变的边沿，第一触发信号DH有效。在一个实施例中，第一触发器413为上升沿触发器，N个周期后，在第一计数信号CH-blank的上升沿第一触发信号DH有效。
第一逻辑门414接收第一触发信号DH和容性模式判断信号MC，并对第一触发信号DH和容性模式判断信号MC做逻辑运算，并输出第一容性保护信号CP1。其中，当容性模式判断信号MC有效时，第一容性保护信号CP1有效；当第一触发信号DH有效时，第一容性保护信号CP1无效。在一个实施例中，第一逻辑门414为一个与非逻辑门。
低侧开关容性保护电路42包括第二比较电路421、第一计数器422、第二触发器423和第二逻辑门424。
第二比较电路421接收电流检测信号VCS和第一过零阈值信号VTH1，并将电流检测信号VCS和第一过零阈值信号VTH1比较，输出第二比较信号CL。第二比较信号CL为逻辑高低电平信号，具有第一逻辑状态(如逻辑高)和第二逻辑状态(如逻辑低)。在一个实施例中，当电流检测信号VCS大于第一过零阈值信号VTH1时，第二比较信号CL为第一逻辑状态(如逻辑高)；当电流检测信号VCS小于第一过零阈值信号VTH1时，第二比较信号CL为第二逻辑状态(如逻辑低)。
第二计数器422接收容性模式判断信号MC和第二比较信号CL，当容性模式判断信号MC有效时，即谐振变换器100进入容性工作模式，第二计数器422开始对第二比较信号CL计数N个周期，并输出第二计数信号CL-blank。其中，N为大于等于1的正整数，等于同时关断高侧开关M1和低侧开关M2的周期。
第二触发器423接收第二计数信号CL-blank，输出第二触发信号DL，N个周期后，当第二比较信号由第一逻辑状态向第二逻辑状态转变的边沿，第二触发信号DL有效。在一个实施例中，第二触发器423为下降沿触发器，N个周期后，在第二计数信号CL-blank的下降沿第二触发信号DL有效。
第二逻辑门424接收第二触发信号DL和容性模式判断信号MC，并对第二触发信号DL和容性模式判断信号MC做逻辑运算，并输出第二容性保护信号CP2。其中，当容性模式判断信号MC有效时，第二容性保护信号CP2有效；当第二触发信号DL有效时，第二容性保护信号CP2无效。在一个实施例中，第二逻辑门424为一个与非逻辑门。
图6所示为根据本发明一实施例的谐振变换器500的电路原理图。如图所示，谐振变换器500包括逆变电路501、谐振网络502、隔离变压器T以及整流滤波电路503。谐振变换器500的控制电路包括电压检测电路504、电流检测电路505、容性模式判断电路506、频率控制电路507、容性保护电路508和逻辑电路509。
在一个实施例中，电压检测电路504包括分压电阻RA、RB和光耦器件OC。分压电阻RA和RB串联连接在输出电压VOUT和地之间，光耦器件一端耦接在分压电阻RA和RB的公共端，另一端藕节至频率控制电路507。光耦器件OC接收分压电阻RA和RB公共端的电压，并产生一个代表输出电压VOUT的反馈信号VFB至变压器T原边的频率控制电路507，同时实现变压器原边和副边的隔离作用。
在一个实施例中，电流检测电路505包括串联连接的采样电容Cs和采样电阻Rs。其中，采样电阻Rs的另一端接逻辑地，采样电容Cs的另一端连接至变压器原边和谐振电容Cr的公共端。采样电容Cs和采样电阻Rs的公共端作为电流检测电路505的输出端提供电流检测信号VCS。
在一个实施例中，容性模式判断电路506接收电流检测信号VCS，并根据电流检测信号VCS产生一个容性模式判断信号MC，用于判定谐振变换器500工作在容性工作模式还是感性工作模式。在一个实施例中，检测低侧开关管M2关断时刻电流检测信号VCS的值，当电流检测信号VCS的值小于过零阈值VTH，代表谐振变换器500工作在感性工作模式；如果电流检测信号VCS的值大于过零阈值，代表谐振变换器500工作在容性工作模式。在一个实施例中，检测高侧开关管M1关断时刻电流检测信号VCS的值，当电流检测信号VCS的值大于过零阈值，代表谐振变换器500工作在感性工作模式；如果电流检测信号VCS的值小于过零阈值，代表谐振变换器500工作在容性工作模式。
在一个实施例中，频率控制电路507接收容性模式判断信号MC和反馈电压信号VFB。频率控制电路507根据电压反馈信号VFB产生一个充电电流和一个放电电流分别对一个频率设定电容CT进行充电和放电，以产生一个频率设定电压VCT。电阻Rset和光耦OC串联连接在一内部直流电压VB和逻辑地之间，用于产生第一电流Iset。当谐振变换器的负载变化时，光耦OC的电阻值跟随变化，进而使得第一电流Iset变化。例如，当谐振变换器的负载加重，输出电压VOUT被拉低。此时，光耦OC的电阻值变大，第一电流Iset变小(即频率设定电容CT的充电电流变小)，进而降低谐振变换器500的工作频率，以使输出电压VOUT维持在恒定值。第一镜像电流源IS1为第一电流Iset的镜像，当频率设定电容CT的值低于下限阈值VL时，第一镜像电流源IS1用于给频率设定电容CT充电；第二镜像电流源IS2同样为第一电流Iset的镜像，当频率设定电容CT的值高于上限阈值VH时，第二镜像电流源IS2用于给频率设定电容CT放电，其中，频率设定电容CT的充电速率和放电速率相等，以使得频率设定电容CT的电压VCT为一个等边三角波。频率控制电路507再将频率设定电容CT的电压VCT与上限阈值VH和下限阈值VL比较，产生第一控制信号SW1和第二控制信号SW2。
在图6所示实施例中，容性保护电路508与图5所示实施例400相比稍有不同的是，由于在容性模式判断电路506中已有模块产生第一比较信号CH和第二比较信号CL，因此频率控制电路508直接接收第一比较信号CH和第二比较信号CL，而不再需要额外的引入电流检测信号VCS重新与第一过零阈值VTH1和第二过零阈值VTH2比较。
在一个实施例中，逻辑电路509包括第三逻辑门43和第四逻辑门44。第三逻辑门43接收第一容性保护信号CP1和第一控制信号SW1，并对第一容性保护信号CP1和第一控制信号SW1做逻辑运算，输出高侧开关控制信号VG1。当第一容性保护信号CP1有效，高侧开关控制信号VG1控制高侧开关M1关断，当第一容性保护信号CP1无效，高侧开关控制信号VG1控制高侧开关M1导通。在一个实施例中，第三逻辑门43为一个与逻辑门。第四逻辑门44接收第二容性保护信号CP2和第二控制信号SW2，并对第二容性保护信号CP2和第二控制信号SW2做与逻辑运算，输出低侧开关控制信号VG2。当第二容性保护信号CP2有效，低侧开关控制信号VG2控制低侧开关M2关断，当第二容性保护信号CP2无效，低侧开关控制信号VG2控制高侧开关M2导通。在一个实施例中，第四逻辑门44为一个与逻辑门。
图7所示为根据本发明一实施例的谐振变换器的容性模式保护方法600的流程示意图。图7所涉及的谐振变换器包括至少具有一对分别以相同占空比互补导通和关断的高侧开关M1和低侧开关M2的逆变电路101，通过改变高侧开关M1和低侧开关M2的导通和关断频率，将一输入电压VIN转换为输出电压VOUT。谐振变换器还包括具有至少一个谐振电感Lr和至少一个谐振电容Cr的谐振网络102。图7所示实施例中涉及的谐振变换器包括两种控制模式：容性保护控制模式和正常控制模式。如图7所示，容性模式保护方法600包括步骤610-680。
步骤610，检测流过变压器原边谐振电感Lr的电感电流Ir，并产生一个代表电感电流Ir的电流检测信号VCS。
步骤620，根据电流检测信号VCS判断谐振变换器是否进入容性工作模式。在一个实施例中，步骤820包括将电流检测信号VCS与过零阈值信号VTH比较，判断谐振变换器是否进入容性工作模式。如果谐振变换器未进入容性工作模式，返回步骤610；如果谐振变换器进入容性工作模式，转至步骤630。
步骤630，谐振变换器100进入容性保护控制模式，控制电路同时将高侧开关M1和低侧开关M2关断N个周期。其中，N为大于等于1的正整数。
步骤640，N个周期后，判断电流检测信号VCS在上升过程中是否到达过零阈值VTH，如果未到，继续执行步骤630；如果到达，转至步骤650。
步骤650，当电流检测信号VCS在上升过程中到达过零阈值VTH，导通高侧开关M1，谐振变换器100跳出容性保护控制模式。
步骤660，N个周期后，判断电流检测信号VCS在下降过程中是否到达过零阈值VTH，如果未到，继续执行步骤630；如果到达，转至步骤670。
步骤670，当电流检测信号VCS在下降过程中到达过零阈值VTH，导通低侧开关M2，谐振变换器100跳出容性保护控制模式。
需要说明的是，步骤660和步骤670被示意在步骤640和步骤650之后，实际上，步骤640和步骤660可以同时进行，步骤650和步骤670也可以同时进行。只要高侧开关M1和低侧开关M2中任意一个再次导通，谐振变换器100跳出容性保护控制模式进入正常控制模式。
在一个实施例中，过零阈值VTH包括第一过零阈值VTH1和第二过零阈值VTH2。第一过零阈值VTH1为略大于零的一个电压信号，如80mV；第二过零阈值VTH2为略小于零的一个电压信号，如-80mV。
在一个实施例中，步骤620中判断谐振变换器100是否进入容性工作模式包括步骤621：判定高侧开关M1关断时刻，电流检测信号VCS是否大于过零阈值(在一个实施例中，过零阈值为一个滞环信号，包括第一阈值和第二阈值，例如80mV和-80mV)，如果电流检测信号VCS大于过零阈值(例如80mV)，则谐振变换器工作于感性工作模式；如果电流检测信号VCS小于过零阈值(例如-80mV)，则谐振变换器工作于容性工作模式。在一个实施例中，步骤620中判断谐振变换器是否进入容性工作模式包括步骤622：判定低侧开关M2关断时刻，电流检测信号VCS是否小于过零阈值(在一个实施例中，过零阈值为一个滞环信号，包括第一阈值和第二阈值，例如80mV和-80mV)，如果电流检测信号VCS大于过零阈值(例如80mV)，则谐振变换器工作于容性工作模式；如果电流检测信号VCS小于过零阈值(例如-80mV)，则谐振变换器工作于感性工作模式。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种用于谐振变换器容性模式保护方法，其中，谐振变换器包括至少具有一对分别以相同占空比互补导通和关断的高侧开关和低侧开关的逆变电路，改变高侧开关和低侧开关的导通和关断频率，将一输入电压转换为输出电压；谐振变换器还包括具有至少一个谐振电感和至少一个谐振电容的谐振网络；谐振变换器还包括控制电路具有正常控制模式和容性保护控制模式；所述容性模式保护方法，包括：
检测流过谐振电感的电感电流，并产生一个代表电感电流的电流检测信号；
根据电流检测信号判断谐振变换器工作在容性工作模式或感性工作模式；
当谐振变换器进入容性工作模式，控制电路工作在容性保护控制模式，同时将高侧开关和低侧开关关断N个周期，对谐振变换器进行容性保护,其中，N为大于等于1的正整数；
N个周期后，判断电流检测信号在上升过程中是否到达过零阈值，当电流检测信号在上升过程中到达过零阈值，导通高侧开关；
N个周期后，判断电流检测信号在下降过程中是否到达过零阈值，当电流检测信号在下降过程中到达过零阈值，导通低侧开关；
其中，当高侧开关开关和低侧开关任意一个再次导通后，控制电路跳出容性保护控制模式返回正常控制模式。
2.如权利要求1所述的容性模式保护方法，其中，根据电流检测信号判断谐振变换器是否进入容性工作模式的步骤包括：
判定高侧开关关断时刻，电流检测信号是否大于过零阈值；其中，如果电流检测信号大于过零阈值，则谐振变换器工作于感性工作模式；如果电流检测信号小于过零阈值，则谐振变换器工作于容性工作模式；以及
判定低侧开关关断时刻，电流检测信号是否大于过零阈值；其中，如果电流检测信号大于过零阈值，则谐振变换器工作于容性工作模式；如果电流检测信号小于过零阈值，则谐振变换器工作于感性工作模式。
3.如权利要求1所述的容性模式保护方法，其中，过零阈值为一个滞环信号，包括第一过零阈值和第二过零阈值；其中，第一过零阈值信号大于零，第二过零阈值信号小于零。
4.如权利要求3所述的容性模式保护方法，判定高侧开关关断时刻，电流检测信号是否大于第一过零阈值；其中，如果电流检测信号大于第一过零阈值，则谐振变换器工作于感性工作模式；如果电流检测信号小于第二过零阈值，则谐振变换器工作于容性工作模式；以及
判定低侧开关关断时刻，电流检测信号是否小于第二过零阈值；其中，如果电流检测信号大于第二过零阈值，则谐振变换器工作于容性工作模式；如果电流检测信号小于第二过零阈值，则谐振变换器工作于感性工作模式。
5.如权利要求3所述的容性模式保护方法，其中，N个周期后，判断电流检测信号在上升过程中是否到达过零阈值，包括：判断电流检测信号在上升过程中是否到达第二过零阈值，当电流检测信号在上升过程中到达第二过零阈值，导通高侧开关。
6.如权利要求3所述的容性模式保护方法，其中，N个周期后，判断电流检测信号在下降过程中是否到达过零阈值，包括：判断电流检测信号在下降过程中是否到达第一过零阈值，当电流检测信号在下降过程中到达第一过零阈值，导通低侧开关。
7.一种用于谐振变换器容性模式控制电路，其中，谐振变换器包括至少具有一对分别以相同占空比互补导通和关断的高侧开关和低侧开关的逆变电路；谐振变换器通过改变高侧开关和低侧开关的导通和关断频率，将一输入电压转换为输出电压；谐振变换器还包括具有至少一个谐振电感和至少一个谐振电容的谐振网络；所述容性模式控制电路包括第一控制模式和第二控制模式；所述容性模式控制电路，包括：
电压检测电路具有输入端和输出端，输入端耦接至谐振变换器的输出端检测其输出电压，并在输出端产生一个代表输出电压的反馈信号；
电流检测电路具有输入端和输出端，其输入端耦接至谐振网络，检测流过谐振电感的电感电流，并在输出端提供一个代表电感电流的电流检测信号；
容性模式判断电路具有输入端和输出端，其输入端接收电流检测信号，并将电流检测信号与一个过零阈值比较，在输出端产生一个容性模式判断信号，用于判断谐振变换器工作在容性模式还是感性模式，其中，当容性模式判断信号有效，谐振变换器工作在容性模式，当容性模式判断信号无效，谐振变换器工作在感性模式；
频率控制电路具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，第一输入端和第二输入端分别接收容性模式判断信号和反馈信号，并在第一输出端和第二输出端产生第一控制信号和第二控制信号，分别用于谐振变换器在第一控制模式下控制高侧开关和低侧开关的导通和关断，其中，频率控制电路根据容性模式判断信号和反馈信号的变化，改变高侧开关控制信号和低侧开关控制信号的工作频率；
容性保护电路具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、第一输出端和第二输出端，其第一输入端和第二输入端分别接收第一控制信号和第二控制信号，第三输入端接收容性模式判断信号，第四输入端接收电流检测信号，容性保护电路根据第一控制信号、第二控制信号、容性模式判断信号和电流检测信号分别在第一输出端和第二输出端输出第一容性保护信号和第二容性保护信号，分别用于谐振变换器在第二控制模式下控制高侧开关和低侧开关的导通和关断；以及
逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和第四输入端分别接收第一控制信号、第二控制信号、第一容性保护信号和第二容性保护信号，逻辑电路对第一控制信号、第二控制信号、第一容性保护信号和第二容性保护信号做逻辑运算，并在第一输出端和第二输出端分别输出高侧开关控制信号和低侧开关控制信号；其中，
当容性模式判断信号无效时，第一容性保护信号和第二容性保护信号无效，谐振变换器处于第一控制模式；当容性模式判断信号有效，第一容性保护信号和第二容性保护信号有效，谐振变换器处于第二控制模式，高侧开关控制信号和低侧开关控制信号控制高侧开关和低侧开关同时关断N个周期，其中N为大于等于1的正整数；
在N个周期后，当电流检测信号在上升过程中到达过零阈值，第一容性保护信号无效，高侧开关控制信号导通高侧开关；N个周期后，当电流检测信号在下降过程中到达过零阈值，第二容性保护信号无效，低侧开关控制信号导通低侧开关；其中，当高侧开关开关和低侧开关任意一个再次导通后，谐振变换器跳出第二控制模式。
8.如权利要求7所述的容性模式控制电路，其中，过零阈值为一个滞环信号，包括第一过零阈值和第二过零阈值；其中，第一过零阈值信号大于零，第二过零阈值信号小于零。
9.如权利要求8所述的容性模式控制电路，其中，在高侧开关关断时刻，如果电流检测信号大于第一过零阈值，容性模式检测信号无效，如果电流检测信号小于第二过零阈值，容性模式检测信号有效；以及
在低侧开关关断时刻，如果电流检测信号大于第二过零阈值，容性模式检测信号有效，如果电流检测信号小于第二过零阈值，容性模式检测信号无效。
10.如权利要求8所述的容性模式控制电路，其中，N个周期后，当电流检测信号在上升过程中到达过零阈值，包括当电流检测信号在上升过程中到达第二过零阈值；以及
N个周期后，当电流检测信号在下降过程中到达过零阈值，包括当电流检测信号在下降过程中到达第一过零阈值。
11.如权利要求8所述的容性模式控制电路，其中，容性保护电路包括高侧开关容性保护电路和低侧开关容性保护电路，其中，
高侧开关容性保护电路，包括：
第一比较电路，接收电流检测信号和第二过零阈值信号，并将电流检测信号和第二过零阈值信号比较，输出具有第一逻辑状态和第二逻辑状态第一比较信号；其中，当电流检测信号大于第二过零阈值信号时，第一比较信号为第一逻辑状态，当电流检测信号小于第二过零阈值信号时，第一比较信号为第二逻辑状态；
第一计数器，接收容性模式判断信号和第一比较信号，当容性模式判断信号有效时，第一计数器开始对第一比较信号计数N个周期，并输出第一计数信号；
第一触发器，接收第一计数信号，输出第一触发信号，其中，在N个周期后，当第一比较信号由第二逻辑状态向第一逻辑状态转变的边沿，第一触发信号有效；以及
第一逻辑门，接收第一触发信号和容性模式判断信号，并对第一触发信号和容性模式判断信号做逻辑运算，并输出第一容性保护信号，其中，当容性模式判断信号有效时，第一容性保护信号有效，当第一触发信号有效时，第一容性保护信号无效；以及
低侧开关容性保护电路，包括：
第二比较电路，接收电流检测信号和第一过零阈值信号，并将电流检测信号和第一过零阈值信号比较，输出具有第一逻辑状态和第二逻辑状态第二比较信号；其中，当电流检测信号大于第一过零阈值信号时，第一比较信号为第一逻辑状态，当电流检测信号小于第一过零阈值信号时，第一比较信号为第二逻辑状态；
第二计数器，接收容性模式判断信号和第二比较信号，当容性模式判断信号有效时，第二计数器开始对第二比较信号计数N个周期，并输出第二计数信号；
第二触发器，接收第二计数信号，输出第二触发信号，其中，在N个周期后，当第二比较信号由第一逻辑状态向第二逻辑状态转变的边沿，第二触发信号有效；以及
第二逻辑门，接收第二触发信号和容性模式判断信号，并对第二触发信号和容性模式判断信号做逻辑运算，并输出第二容性保护信号，其中，当容性模式判断信号有效时，第二容性保护信号有效，当第二触发信号有效时，第二容性保护信号无效。
12.如权利要求8所述的容性模式控制电路，其中，逻辑电路包括第三逻辑门和第四逻辑门，其中，
第三逻辑门接收第一容性保护信号和第一控制信号，并对第一容性保护信号和第一控制信号做逻辑运算，输出高侧开关控制信号，当第一容性保护信号有效，高侧开关控制信号控制高侧开关关断，当第一容性保护信号无效，高侧开关控制信号控制高侧开关导通；以及
第四逻辑门接收第二容性保护信号和第二控制信号，并对第二容性保护信号和第二控制信号做逻辑运算，输出低侧开关控制信号，当第二容性保护信号有效，低侧开关控制信号控制低侧开关关断，当第二容性保护信号无效，低侧开关控制信号控制高侧开关导通。
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