CN109428491A - 降低llc谐振转换器的轻载与空载损耗的控制电路 - Google Patents

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Abstract

现有技术无法有效率地解决LLC串联谐振转换器操作于轻载及空载时的切换损失；有鉴于此，本发明提出了能够有效降低LLC谐振转换器的轻载与空载损耗的一种控制电路，其仅由信号检出单元与控制器单元组成。其中，信号检出单元用以自LLC谐振转换器的变压器单元检出一次侧电流，而后将该一次侧电流转换成参考电压信号。如此，根据所述参考电压信号的准位变化，控制器单元便可基于占空比调降比例而适当地调降用以输入至LLC谐振转换器的功率开关单元的至少一个控制信号的占空比，由此减轻LLC谐振转换器操作于轻载与空载操作下的功率损耗并同时降低所述功率开关单元的工作温度。

Description

降低LLC谐振转换器的轻载与空载损耗的控制电路
技术领域
本发明是关于电子电路的技术领域，尤指能够有效降低操作于轻载或空载的LLC谐振转换器的切换损失的一种控制电路。
背景技术
切换式电源转换器(Switching-mode power supply,SMPS)的技术已被广泛地应用于制作各式电机与电子产品的电源供应器。并且，随着电子产品朝向轻薄短小的趋势发展，必须通过提升切换频率的方式来增加切换式电源转换器的功率密度，才能够有效地缩小切换式电源转换器的机构体积。可惜的是，在实际应用上发现，提升切换频率虽然可以令切换式电源转换器搭载体积小的磁性组件与电容器，但是却反而增加功率开关组件的切换损失并导致切换式电源转换器易受电磁干扰。
有鉴于此，具零电压切换(Zero voltage switching,ZVS)与零电流切换(Zerocurrent switching,ZCS)特色的LLC谐振转换器(LLC resonant converter)被提出。请参阅图1，显示现有的一种LLC串联谐振转换器的电路架构图。如图1所示，现有的LLC串联谐振转换器2’包括：耦接直流电源VDC’的功率开关单元23’、谐振单元24’、变压器单元25’、输出整流单元26’、以及低通滤波单元27’。值得注意的是，死循环控制模块1’连接于该LLC串联谐振转换器2’的输出端与该功率开关单元23’之间。并且，由图1可以得知所述死循环控制模块1’主要包括信号检出单元11’、控制器单元12’、与驱动单元13’。
为了控制LLC串联谐振转换器2’提供稳定输出至负载3’，死循环控制模块1’根据输出电流和/或输出电压而交替且对应地输入第一控制信号与第二控制信号至功率开关单元23’内部的第一功率开关与第二功率开关。值得说明的是，两个控制信号之间具有间隔时间，称为死区时间(dead time)。并且，当LLC串联谐振转换器2’操作于轻载时，死循环控制模块1’通常通过提升功率开关单元23’的切换频率来稳定LLC串联谐振转换器2’的输出电流/电压；然而，当功率开关单元23’进行高频切换时，LLC串联谐振转换器2’的输出电压会受到杂散电容效应的影响而升高。因此，为了解决LLC串联谐振转换器2’操作于轻载或空载所衍生的切换损失的问题，一些学者及电源转换器制造商提出了几种改善方法。
第一种方法是当LLC串联谐振转换器2’操作在轻载或空载时，增加一个假负载(dummy load)以减缓杂散电容效应。可惜的是，额外增加的负载不仅降低了LLC串联谐振转换器2’的转换效率，同时也导致LLC串联谐振转换器2’的整体体积的增加。另一方面，第二种方法是在变压器单元25’一次侧加装一个丛发模式控制器(burst mode controller)，用以控制处于轻载状态下的LLC串联谐振转换器2’操作于丛发模式。值得说明的是，通过特殊设计使得一个周期性的控制信号同时包括长的闲置区间(long idle periods)与高频切换区间，使得功率开关于所述长的空闲时间内进入关闭状态(OFF state)，并在所述高频切换区间执行接近定频的高频切换。通过这样的特殊设计，使得功率开关的“平均切换频率”被合理地降低，进而能够有效地减少切换损失(switching loss)。
然而，第二种方法仍旧具有以下缺点：当功率开关单元23’根据丛发模式控制器的控制而操作于丛发模式时，LLC串联谐振转换器2’会同时产生接近于音频(audiofrequency)的噪音污染。再者，第三种方法是利用死循环控制模块1’对输出至功率开关单元23’的第一控制信号与第二控制信号采取变频(Variable-frequency,VF)与相移(Phase-shift,PS)控制；可想而知，为了达成第三种方法，控制器单元12’必须同时包含多种电路芯片，因此增加了死循环控制模块1’的线路复杂度与电路成本。
由上述说明可以得知，目前并不存在理想的改善方案能够有效率地解决LLC串联谐振转换器操作于轻载及空载时所衍生的问题；有鉴于此，本案发明人经过极力研究发明，而终于研发完成本发明的一种降低LLC谐振转换器的轻载与空载损耗的控制电路。
发明内容
有鉴于前述说明指出现有技术无法有效率地解决LLC串联谐振转换器操作于轻载及空载时所衍生的问题，本发明的主要目的在于提供能够降低LLC谐振转换器的轻载与空载损耗的一种控制电路，其仅由信号检出单元与控制器单元组成。其中，信号检出单元用以自LLC谐振转换器的变压器单元检出一次侧电流，而后将该一次侧电流转换成参考电压信号。如此，根据所述参考电压信号的准位变化，控制器单元便可基于占空比调降比例而适当地调降用以输入至LLC谐振转换器的功率开关单元的至少一个控制信号的占空比，由此减轻LLC谐振转换器操作于轻载与空载操作下的功率损耗并同时降低所述功率开关单元的工作温度。
为了达成上述本发明的主要目的，本案发明人提供所述控制电路的实施例，应用至LLC谐振转换器，其中该LLC谐振转换器至少包括：功率开关单元、谐振单元、变压器单元、输出整流单元、与低通滤波单元；并且，所述控制电路包括：
信号检出单元，电性连接至该变压器单元的一次侧，用以检出电流采样信号，并对应地输出参考电压信号；以及
控制器单元，电性连接至该信号检出单元以接收该参考电压信号；并且，该控制器单元输出至少一个控制信号至该功率开关单元；
其中，根据所述参考电压信号的准位变化，控制器单元基于第一比例而适当地调降所述控制信号的占空比(duty cycle)，且该第一比例为轻载占空比与基础占空比的比值。
附图说明
图1示出了现有的一种LLC串联谐振转换器的电路架构图；
图2示出了包含有本发明的一种控制电路的LLC谐振转换器的电路方块图；
图3示出了本发明的控制电路的第一实施例的电路架构图；
图4示出了参考电压信号的准位相对于占空比的曲线图；
图5示出了参考电压信号的准位相对于占空比的曲线图；
图6示出了本发明的控制电路的第二实施例的电路架构图；
图7示出了本发明的控制电路的第三实施例的电路架构图。
图中主要符号说明：
2 LLC谐振转换器
23 功率开关单元
VDC 直流电源
24 谐振单元
25 变压器单元
26 输出整流单元
27 低通滤波单元
1 控制电路
11 信号检出单元
12 控制器单元
111 比流器
112 全波整流单元
113 电流-电压转换单元
14 参考电压产生单元
VREF 参考电压信号
3 负载
I,II,III,IV 区间
I’,II’,III’, 区间
13 隔离变压器单元
2’ LLC串联谐振转换器
VDC’ 直流电源
23’ 功率开关单元
24’ 谐振单元
25’ 变压器单元
26’ 输出整流单元
27’ 低通滤波单元
1’ 死循环控制模块
11’ 信号检出单元
12’ 控制器单元
13’ 驱动单元
3’ 负载
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明所提出的一种降低LLC谐振转换器的轻载与空载损耗的控制电路(下简称“控制电路”)，以下将配合图式，详尽说明本发明的较佳实施例。
第一实施例
请同时参阅图2，示出了包含有本发明的一种控制电路的LLC谐振转换器的电路方块图。如图2所示，LLC谐振转换器2通常包括：耦接至直流电源VDC的功率开关单元23、谐振单元24、变压器单元25、至少一个输出整流单元26、与至少一个低通滤波单元27，其中，该功率开关单元23控制该谐振单元24以及该变压器单元25传递能量。本发明所提出的控制电路1即设置在该LLC谐振转换器2中，用以根据LLC谐振转换器2的负载状况而对应地输出第一控制信号与第二控制信号至功率开关单元23。请同时参阅图3，示出了本发明的控制电路的第一实施例的电路架构图。如图2与图3所示，此控制电路1主要包括：信号检出单元11与控制器单元12。
特别地，本发明以比流器111、全波整流单元112与电流-电压转换单元113构成所述信号检出单元11。其中，该比流器111电性连接至变压器单元25的一次侧，用以检出一次侧电流，进而依照缩小比例(例如1:100)将所述一次侧电流缩成电流采样信号。并且，该全波整流单元112电性连接至该比流器111，用以对比流器111所检出的电流采样信号进行全波整流处理。最终，电性连接至全波整流单元112的该电流-电压转换单元113则用以将完成所述全波整流处理的电流采样信号转换成参考电压信号VREF。并且，所述电流-电压转换单元113的最简单的实施状态为电阻组。
继续地参阅图2与图3。在本发明中，控制器单元12电性连接至该信号检出单元11以接收该参考电压信号VREF。如此，根据所接收的参考电压信号VREF的准位变化，控制器单元12便可基于第一比例而适当地调降所述控制信号的占空比(duty cycle)，由此减轻LLC谐振转换器2操作于轻载或空载时所衍生的损耗。相反地，当LLC谐振转换器2操作于正常负载时，控制器单元12则基于第二比例而适当地调升所述控制信号的占空比，由此使得LLC谐振转换器2提供稳定输出。
为了更加清楚地解释本发明的控制电路1如何通过调降所述控制信号的占空比的方式达到减轻轻载/空载损耗的功效，下文将通过实验数据的辅助来详加说明。请参阅图4，示出了参考电压信号的准位相对于占空比的曲线图。值得注意的是，曲线图内包含4个区间(I,II,III,IV)，每一个区间所表示的意义则被整理于下表(1)中。根据表(1)与图4可以得知，当LLC谐振转换器2操作于正常负载时(即，非轻载操作)，参考电压信号VREF的准位会高于或等于180mV。因此，当参考电压信号VREF的准位小于180mV时，表示LLC谐振转换器2进入轻载操作，控制器单元12便会立即地将控制信号的占空比自45％调降至42％，占空比的调降比例为93.3％。
表(1)
区间 参考电压信号的准位 占空比
I V<sub>REF</sub>≧450mV 45％
II 180mV≦V<sub>REF</sub>&lt;450mV 磁滞区，45％
III 40mV≦V<sub>REF</sub>&lt;180mV 45％→42％
IV V<sub>REF</sub>&lt;40mV 0
在此测试实验中，42％被视为轻载占空比。值得注意的是，在理想状态下，控制器单元12输出基础占空比为50％的控制信号至功率开关单元23，以操作于正常负载的LLC谐振转换器2提供稳定输出至后端的负载3。然而，考虑到控制器单元12的精密度与LLC谐振转换器2所搭载的其它电子零件的灵敏度皆有所不同，本发明的实验例是以45％作为基础占空比。简单的说，随着LLC谐振转换器2的电路组成上的差异，基础占空比不会是定值，其可能会介于45％至50％之间；同样地，随着LLC谐振转换器2的电路组成上的差异，轻载占空比也不会是定值，但必须小于基础占空比。因此，本发明特别令所述占空比的调降比例(即，第一比例)介于88％至99％之间。
特别说明的是，通过信号检出单元11提供的该参考电压信号VREF，控制器单元12至少能判断LLC谐振转换器2操作于满载和/或轻载。所谓的轻载可以为满载(Full Load)的70％以下为轻载。另外，值得一提的是，实验过程中LLC谐振转换器2操作在定频模式下；并且，在控制器单元12侦测到LLC谐振转换器2操作轻载的状况时，立即依据第一比例将控制信号的占空比调整至所谓的轻载占空比。
下表(2)记载了具有本发明的控制电路1的LLC谐振转换器2于轻载操作下的功率损耗及其功率开关单元23的温度。如表(2)所示，当LLC谐振转换器2进入轻载操作且功率开关单元23的控制信号的占空比为45％(即，实验例所设定的基础占空比)，功率开关单元23的工作温度急遽上升至100℃；此时，LLC谐振转换器2因为功率开关单元23的切换损失(switching loss)所造成的功率损耗(power consumption)为19.8W。值得注意的是，当控制器单元12将控制信号的占空比调降至42％(即，轻载占空比)之后，功率开关单元23的工作温度便自100℃大幅地下降至40℃，同时LLC谐振转换器2的功率损耗也自19.8W下降至9.2W。因此，实验数据证实本发明的控制电路1的确能够有效地降低LLC谐振转换器2的轻载与空载损耗。
表(2)
继续参阅图5，示出了参考电压信号的准位相对于占空比的曲线图。值得注意的是，曲线图内包含4个区间(I’,II’,III’,IV’)，每一个区间所表示的意义则被整理在下表(3)中。根据表(3)与图5可以得知，当LLC谐振转换器2操作于空载时，参考电压信号VREF的准位会低于40mV，此时占空比被设为0。并且，当参考电压信号VREF的准位大于或等于40mV时，表示LLC谐振转换器2进入轻载操作，控制器单元12便会立即地将控制信号的占空比自0调升至42％。值得注意的是，当参考电压信号VREF的准位大于或等于450mV时，表示LLC谐振转换器2进入正常负载操作，控制器单元12便会立即地将控制信号的占空比自42％调升至45％，占空比的调升比例为107％。同样地，随着LLC谐振转换器2的电路组成上的差异，所述占空比的调升比例(即，第二比例)介于102％至112％之间。
表(3)
区间 参考电压信号之准位 占空比
I’ V<sub>REF</sub>&lt;40mV 0
II’ 40mV≦V<sub>REF</sub>&lt;180mV 0→42％
III’ 180mV≦V<sub>REF</sub>&lt;450mV 磁滞区，占空比＝42％
IV’ V<sub>REF</sub>≧450mV 45％
第二实施例
请参阅图6，示出了本发明的控制电路的第二实施例的电路架构图。比较图3与图6可以得知，通过增加隔离变压器单元13至本发明的控制电路1的第一实施例之中，便能够获得该控制电路1的第二实施例。如图6所示，所述隔离变压器单元13电性连接在该控制器单元12与该功率开关单元23之间，以保护控制器单元12，避免控制器单元12因为直流电源VDC而造成损坏。
第三实施例
请继续参阅图7，示出了本发明的控制电路的第三实施例的电路架构图。比较图6与图7可以得知，第三实施例中的LLC谐振转换器2具有多路输出，具体的实现方式是令变压器单元25的绕线组包括主绕线组与多个次(副)绕线组。并且，如图7所示，变压器单元25的每一个次绕线组皆连接有一组输出整流单元26与一组低通滤波单元27。值得说明的是，基于变压器单元25为模块化，该输出整流单元26与该低通滤波单元27也可以与用以连接负载3的电连接器一同被模块化。并且，输出整流单元26、低通滤波单元27与用以连接负载3的电连接器的模块被称为电源输出模块(power module)。特别地，通过电源输出模块(powermodule)的应用有助于提升LLC谐振转换器2在输出通道增/减上的便利性。另外，在低通滤波单元27以及负载3之间，可以增加DC/DC转换器线路，例如Buck、Boost或者Buck/Boost，以求LLC谐振转换器2的稳定输出。负载3可以是LED。
如此，上述已完整且清楚地说明本发明所揭示的一种降低LLC谐振转换器的轻载与空载损耗的控制电路；并且，经由上述，可以得知本发明具有下列的优点：
(1)现有技术无法有效率地解决LLC串联谐振转换器操作于轻载及空载时所衍生的问题；有鉴于此，本发明提出了能够有效降低LLC谐振转换器2的轻载与空载损耗的一种控制电路，其仅由信号检出单元11与控制器单元12组成。其中，信号检出单元11用以自LLC谐振转换器2的变压器单元25检出一次侧电流，而后将该一次侧电流转换成参考电压信号VREF。如此，根据所述参考电压信号VREF的准位变化，控制器单元12便可基于占空比调降比例而适当地调降用以输入至LLC谐振转换器2的功率开关单元23的至少一个控制信号的占空比(duty cycle)，由此减轻LLC谐振转换器2操作于轻载或空载操作下的功率损耗并降低所述功率开关单元23的工作温度。
(2)另一方面，除了控制器单元12属于微电路芯片以外，本发明仅以基础电子零件组成控制电路1的电路单元；因此，相对于现有技术所使用的死循环控制电路同时包括多个微电路芯片，本发明的控制电路1显示出简单拓朴(simple topology)与低制造成本的优势。
必须加以强调的是，上述的详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，然而该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含在本案的专利范围中。

Claims (10)

1.一种控制电路，应用于LLC谐振转换器，其中该LLC谐振转换器至少包括：功率开关单元、谐振单元、变压器单元，其中，该功率开关单元控制该谐振单元以及该变压器单元传递能量；并且，所述控制电路包括：
信号检出单元，电性连接至该变压器单元的一次侧，用以检出电流采样信号，并对应地输出参考电压信号；以及
控制器单元，电性连接至该信号检出单元以接收该参考电压信号；并且，该控制器单元输出至少一个控制信号至该功率开关单元；
其中，根据所述参考电压信号的准位变化，控制器单元基于第一比例而适当地调降所述控制信号的占空比duty cycle，且该第一比例为轻载占空比与基础占空比的比值。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，根据所述参考电压信号的该准位变化，控制器单元基于第二比例而适当地调升所述控制信号的占空比，由此使得所述LLC谐振转换器操作于正常负载时提供稳定输出；并且，所述第二比例为该基础占空比与该轻载占空比的比值。
3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，该轻载占空比小于该基础占空比。
4.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，该第一比例系介于88％至99％之间，且该第二比例介于102％至112％之间。
5.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，该信号检出单元系包括：
比流器，电性连接至该变压器单元的一次侧，用以检出该电流采样信号；
全波整流单元，电性连接至该比流器，用以对该比流器所检出的该电流采样信号进行全波整流处理；以及
电流-电压转换单元，电性连接至该全波整流单元，用以将完成所述全波整流处理的该电流采样信号转换成所述参考电压信号。
6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括：
隔离变压器单元，电性连接在该控制器单元与该功率开关单元之间。
7.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，该LLC谐振转换器工作在定频模式。
8.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，通过该信号检出单元所提供的该参考电压信号，该控制器单元至少能判断该LLC谐振转换器系操作于满载和/或轻载，所述轻载为所述满载的70％以下。
9.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，LLC谐振转换器可连接多个输出整流单元。
10.根据权利要求9所述的控制电路，其特征在于，该变压器单元具有主绕线组与多个次绕线组，且每一个次绕线组皆连接有一组输出整流单元。
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