CN108365766B - Llc准谐振开关电源 - Google Patents

Llc准谐振开关电源 Download PDF

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Abstract

提供了一种LLC准谐振开关电源,包括:相互串联的第一功率开关和第二功率开关;变压器;以及控制芯片,该控制芯片可操作以:基于第一功率开关与第二功率开关之间的连接节点处的电压的变化斜率,开通第一功率开关或第二功率开关,通过对变压器的辅助绕组上的电压进行采样,产生表征LLC准谐振开关电源的输出电压的输出电压表征电压,通过对流过第二功率开关的电流进行采样,产生表征LLC准谐振开关电源的输出电流的输出电流表征电压,并且基于输出电压表征电压和输出电流表征电压中的一者,关断第一功率开关或第二功率开关。根据本发明实施例的LLC准谐振开关电源既可以同时实现对输出电流和输出电压的控制,又可以实现功率开关的零电压导通。

Description

LLC准谐振开关电源
技术领域
本发明涉及电路领域,更具体地涉及一种LLC准谐振开关电源。
背景技术
图1示出了传统的LLC准谐振开关电源的电路原理图。在图1所示的LLC准谐振开关电源中,通过功率开关S1、S2的不断开通和关断来实现电感Lp、Ls与谐振电容Cr的谐振;谐振腔电流滞后于谐振腔电压是实现功率开关S1、S2的零电压导通的必要条件;当输入电压太低时,工作频率太低,这会导致其工作于容性区域而无法实现功率开关S1、S2的零电压导通。因此,传统的LLC准谐振开关电源只能在交流输入电压为230V的单电压条件下工作,并且需要前级加入Boost功率因数校正(即,Boost-PFC)电路才能实现宽电压输入和高功率因数。
发明内容
鉴于以上所述的一个或多个问题,本发明提供了一种新颖的LLC准谐振开关电源。
根据本发明实施例的LLC准谐振开关电源包括:相互串联的第一功率开关和第二功率开关;变压器;以及控制芯片,该控制芯片可操作以:基于第一功率开关与第二功率开关之间的连接节点处的电压的变化斜率,开通第一功率开关或第二功率开关,通过对变压器的辅助绕组上的电压进行采样,产生表征LLC准谐振开关电源的输出电压的输出电压表征电压,通过对流过第二功率开关的电流进行采样,产生表征LLC准谐振开关电源的输出电流的输出电流表征电压,并且基于输出电压表征电压和输出电流表征电压中的一者,关断第一功率开关或第二功率开关。
根据本发明实施例的LLC准谐振开关电源既可以同时实现对输出电流和输出电压的控制,又可以实现功率开关的零电压导通以减小开关损耗、提高电源效率以及实现高功率因数。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明,其中:
图1示出了传统的LLC准谐振开关电源的电路原理图;
图2示出了根据本发明实施例的LLC准谐振开关电源的电路原理图;
图3示出了图2所示的LLC准谐振开关电源中的一些信号的时序图;
图4示出了图2所示的LLC准谐振开关电源在图3所示的t0-t1期间的等效电路图;
图5示出了图2所示的LLC准谐振开关电源在图3所示的t1-t2期间的等效电路图;
图6示出了图2所示的LLC准谐振开关电源在图3所示的t2-t3期间的等效电路图;
图7示出了图2所示的LLC准谐振开关电源在图3所示的t3-t4期间的等效电路图;
图8示出了图2所示的LLC准谐振开关电源在图3所示的t4-t5期间的等效电路图;
图9示出了图2所示的LLC准谐振开关电源在图3所示的t5-t6期间的等效电路图;
图10示出了图2所示的LLC准谐振开关电源中的控制芯片的示意框图;以及
图11示出了图10所示的恒流与恒压控制模块的简化电路图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中,提出了许多具体细节,以便提供对本发明的全面理解。但是,对于本领域技术人员来说很明显的是,本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法,而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中,没有示出公知的结构和技术,以便避免对本发明造成不必要的模糊。
图2示出了根据本发明实施例的LLC准谐振开关电源的电路原理图。在图2所示的LLC准谐振开关电源中,通过功率开关S1、S2的不断开通和关断来达到所需的输出电压和/或输出电流。
图3示出了图2所示的LLC准谐振开关电源中的一些信号的时序图。在图3所示的时序图中,GATEH表示图2所示的控制芯片的GATEH端子处的电压(即,功率开关S1的驱动电压),GATEL表示图2所示的控制芯片的GATEL端子处的电压(即,功率开关S2的驱动电压),VHV表示功率开关S1与S2之间的连接节点(即,图2所示的HV点)处的电压,Vcr表示谐振电容Cr上的电压,VCboost表示电容Cboost上的电压,ILS表示流过电感Ls的电感电流,Vcs表示电流采样电阻Rcs上的电压。
如图3所示,功率开关S1和S2的导通时间完全一致,因此流过功率开关S1和S2的电流相等,即流过电流采样电阻Rcs的电流是流过电感Ls的电感电流ILs的一半。
图3所示的t0-t6为图2所示的LLC准谐振开关电源的一个工作周期。下面结合图2至图9,详细说明图2所示的LLC准谐振开关电源的工作过程。
图4示出了图2所示的LLC准谐振开关电源在图3所示的t0-t1期间的等效电路图。如图4所示,在t0-t1期间,功率开关S1导通,输入电容Cin上的电压对电感Lp及Ls充电同时对谐振电容Cr和电容Cboost正向充电,电感电流ILs增大;电感电流ILs从变压器的原边侧传输到变压器的副边侧,然后通过二极管D1流向输出端;当电容Cboost上的电压达到VCin-VAC时,此阶段结束。其中,VCin表示输入电容Cin上的电压,VAC表示LLC准谐振开关电源的交流(AC)输入电压。
图5示出了图2所示的LLC准谐振开关电源在图3所示的t1-t2期间的等效电路图。如图5所示,在t1-t2期间,功率开关S1导通,AC输入电压VAC对电感Lp及Ls充电同时对谐振电容Cr正向充电,电感电流ILs增大;电感电流ILs从变压器的原边侧传输到变压器的副边侧,然后通过二极管D1流向输出端;当功率开关S1关断时,此阶段结束。
图6示出了图2所示的LLC准谐振开关电源在图3所示的t2-t3期间的等效电路图。如图6所示,在t2时刻,功率开关S1关断,功率开关S2的体二极管导通;控制芯片通过HV点处的电压VHV的斜率变化检测到功率开关S2的体二极管导通后,开通功率开关S2从而实现功率开关S2的零电压导通;在t2-t3期间,电感Lp及Ls对谐振电容Cr正向放电;电感电流ILs从变压器的原边侧传输到变压器的副边侧,然后通过二极管D1流向输出端;当电感电流ILs降为零同时谐振电容Cr上的电压VCr达到正向最大时,此阶段结束。
图7示出了图2所示的LLC准谐振开关电源在图3所示的t3-t4期间的等效电路图。如图7所示,在t3-t4期间,电容Cboost和谐振电容Cr对电感Lp及Ls放电;电容Cboost上的电压VCboost和谐振电容Cr上的电压Vcr减小,电感电流ILs负向增大;电感电流ILs从变压器的原边侧传输到变压器的副边侧,然后通过二极管D2流向输出端;当电容Cboost上的电压VCboost减小至0V时,此阶段结束。
图8示出了图2所示的LLC准谐振开关电源在图3所示的t4-t5期间的等效电路图。如图8所示,在t4-t5期间,谐振电容Cr对电感Lp及Ls放电;谐振电容Cr上的电压Vcr减小,电感电流ILS负向增大;电感电流ILs从变压器的原边侧传输到变压器的副边侧,然后通过二极管D2流向输出端;当功率开关S2关断时,此阶段结束。
图9示出了图2所示的LLC准谐振开关电源在图3所示的t5-t6期间的等效电路图。如图9所示,在t5时刻,功率开关S2关断,功率开关S1的体二极管导通;控制芯片通过HV点处的电压VHV的斜率变化检测到功率开关S1的体二极管导通后,开通功率开关S1从而实现功率开关S1的零电压导通;在t5-t6期间,电感Lp及Ls对谐振电容Cr反向放电;电感电流ILs从变压器的原边侧传输到变压器的副边侧,然后通过二极管D2流向输出端;当电感电流ILS降为零同时谐振电容Cr上的电压VCr达到反向最大时,此阶段结束。
图10示出了图2所示的LLC准谐振开关电源中的控制芯片的示意框图。在图10所示的控制芯片中,经由VFB端子对变压器的辅助绕组上的电压进行采样,得到表征输出电压Vout的输出电压表征电压;经由CS端子对流过功率开关S2的电流进行采样,得到表征输出电流(即,LLC准谐振开关电源的输出电流)的输出电流表征电压;恒流与恒压控制模块基于输出电流表征电压和输出电压表征电压,产生恒流控制电压CC_comp和恒压控制电压CV_comp;当恒流控制电压CC_comp高于恒压控制电压CV_comp时,比较器通过对恒压控制电压CV_comp与振荡器产生的参考电压ramp进行比较来决定功率开关S1或S2的关断时刻;当恒压控制电压CV_comp高于恒流控制电压CC_comp时,比较器通过对恒流控制电压CC_comp与振荡器产生的参考电压ramp进行比较来决定功率开关S1或S2的关断时刻;当功率开关S1关断时,经由RV端子检测HV点处的电压VHV的下降沿来决定功率开关S2的体二极管的导通时刻,然后在GATEL端子输出高电平以开通功率开关S2,实现功率开关S2的零电压导通;当功率开关S2关断时,经由RV端子检测HV点处的电压VHV的上升沿来决定功率开关S1的体二极管的导通时刻,然后在GATEH端子输出高电平以开通功率开关S1,实现功率开关S1的零电压导通。
由于经由CS端子对流过功率开关S2的电流进行采样,而流过功率开关S2的电流是电感电流ILs的一半,所以可以如下计算输出电流:
其中,Io表示输出电流,Vref_cc表示用于控制输出电流的参考电压,N表示变压器的原边侧与副边侧的匝数比。
图11示出了图10所示的恒流与恒压控制模块的简化电路图。如图11所示,VFB端子处的输出电压表征电压与参考电压Vref_cv一起送入运算放大器通过电容补偿产生恒压控制电压CV_comp,CS端子处的输出电流表征电压经过整流取绝对值后与参考电压Vref_cc一起送入运算放大器通过电容补偿产生恒流控制电压CC_comp。
当图2所示的LLC准谐振电源接入交流(AC)输入电压时,在图10所示的控制芯片中:VDD端子处的电压增大;当VDD端子处的电压达到第一阈值时,欠压锁定(UVLO)模块控制其他各模块开始工作;恒流与恒压控制模块基于VFB端子和CS端子处的输出电压表征电压和输出电流表征电压,产生恒流控制电压CC_comp和恒压控制电压CV_comp;模拟与软启动模块基于恒流控制电压CC_comp和恒压控制电压CV_comp,产生最终控制LLC准谐振电源的工作频率的控制电压comp(当恒流控制电压CC_comp高于恒压控制电压CV_comp时,利用恒压控制电压CV_comp控制LLC准谐振电源的工作频率;当恒压控制电压CV_comp高于恒流控制电压CC_comp时,利用恒流控制电压CC_comp控制LLC准谐振电源的工作频率);同时,模拟与软启动模块对控制电压comp由0V慢慢升高至恒流控制电压CC_comp或恒压控制电压CV_comp的过程进行控制,并且在输出电流表征电压指示输出电流过小时产生电流故障指示信号;模拟与软启动模块产生的控制电压comp被送入脉宽调制(PWM)比较器的反向输入端;振荡器模块产生的固定速率上升的参考电压ramp被送入PWM比较器的正向输入端;当参考电压ramp上升至控制电压comp时,PWM比较器产生用于关断功率开关S1或S2的关断信号;零电压开关(ZVS)检测模块经由RV端子检测HV点处的电压VHV的斜率;当HV点处的电压VHV的斜率减小至第二阈值时,ZVS检测模块产生用于开通功率开关S1或S2的开通信号;内部过温保护模块判断控制芯片内部是否发生过温,并产生过温表征信号(例如,在控制芯片内部发生过温时产生高电平的过温表征电压);故障模块基于来自模拟控制与软启动模块的电流故障指示信号和来自内部过温模块的过温表征信号,产生故障指示信号;逻辑模块基于来自ZVS检测模块的开通信号、来自PWM比较器的关断信号、以及来自故障模块的故障指示信号,产生用于控制功率开关S1和S2的开关信号;第一驱动器和第二驱动器模块基于来自逻辑模块的开关信号产生用于驱动功率开关S1和S2的驱动信号,使得功率开关S1和S2交替导通。
根据本发明实施例的LLC准谐振开关电源既可以同时实现对输出电流和输出电压的控制,又可以实现功率开关的零电压导通以减小开关损耗、提高电源效率以及实现高功率因数。
本发明可以以其他的具体形式实现,而不脱离其精神和本质特征。例如,特定实施例中所描述的算法可以被修改,而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此,当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的,本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义,并且,落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

Claims (4)

1.一种LLC准谐振开关电源,包括:
相互串联的第一功率开关和第二功率开关;
变压器;以及
控制芯片,该控制芯片可操作以:
基于所述第一功率开关与所述第二功率开关之间的连接节点处的电压的变化斜率,开通所述第一功率开关或所述第二功率开关,
通过对所述变压器的辅助绕组上的电压进行采样,产生表征所述LLC准谐振开关电源的输出电压的输出电压表征电压,
通过对流过所述第二功率开关的电流进行采样,产生表征所述LLC准谐振开关电源的输出电流的输出电流表征电压,并且
基于所述输出电压表征电压和所述输出电流表征电压中的一者,关断所述第一功率开关或所述第二功率开关,
其中,当所述输出电压表征电压高于所述输出电流表征电压时,所述控制芯片基于所述输出电流表征电压决定所述第一功率开关或所述第二功率开关的关断时刻。
2.如权利要求1所述的LLC准谐振开关电源,其中,当所述输出电流表征电压高于所述输出电压表征电压时,所述控制芯片基于所述输出电压表征电压决定所述第一功率开关或所述第二功率开关的关断时刻。
3.如权利要求1所述的LLC准谐振开关电源,其中,当所述第一功率开关关断时,所述控制芯片基于所述第一功率开关与所述第二功率开关之间的连接节点处的电压的下降沿决定所述第二功率开关的导通时刻。
4.如权利要求1所述的LLC准谐振开关电源,其中,当所述第二功率开关关断时,所述控制芯片基于所述第一功率开关与所述第二功率开关之间的连接节点处的电压的上升沿决定所述第一功率开关的导通时刻。
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