CN109906548A - 用于llc转换器的初级侧突发模式控制器 - Google Patents

用于llc转换器的初级侧突发模式控制器 Download PDF

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Abstract

所描述的实例包含用于在LLC转换器(100)中控制突发模式期间的断开时间的系统、方法和设备。在一个实例中，所述LLC转换器(100)具有初级侧(102)和突发模式控制器(108)。所述突发模式控制器(108)被配置成监测所述初级侧(102)的电流。响应于确定所述电流低于第一阈值，所述突发模式控制器(108)增大所述LLC转换器(100)中的开关(104)的断开时间。响应于确定所述电流高于比所述第一阈值高的第二阈值，所述突发模式控制器(108)减小所述开关(104)的所述断开时间。

Description

用于LLC转换器的初级侧突发模式控制器
技术领域
本申请总体上涉及LLC转换器，并且更具体地说，涉及使LLC转换器在突发模式(burst mode)下运行。
背景技术
LLC转换器的效率取决于对LLC转换器施加的负载。当LLC转换器在中等负载与满负载之间运行时，效率最大化。LLC转换器在轻负载下运行时效率最低，部分原因是负载减小时损耗保持不变。为了提高LLC转换器在轻负载下的效率，已经设计了减小切换损耗的系统。例如，可以使LLC转换器在栅极切换信号被阻断的突发模式下运行，从而使半桥开关保持断开一段时间。然而，这些策略监测LLC转换器的次级侧的负载状况。然后，在次级侧处收集到的信息被提供到LLC转换器的驱动机构。驱动机构定位在LLC转换器的初级侧。因此，从次级侧监测LLC转换器会引入另外的复杂性(例如，部件数量增大)和成本，从而降低使LLC转换器在突发模式下运行的益处。
发明内容
所描述的实例包含用于在LLC转换器中控制突发模式期间的断开时间的系统、方法和设备。在一个实例中，所述LLC转换器具有初级侧和突发模式控制器。所述突发模式控制器被配置成监测所述初级侧的电流。响应于确定所述电流低于第一阈值，所述突发模式控制器增大所述LLC转换器中的开关的断开时间。响应于确定所述电流高于比所述第一阈值高的第二阈值，所述突发模式控制器减小所述开关的所述断开时间。
附图说明
图1描绘了根据一些实施例的LLC转换器100，所述LLC转换器包含在LLC转换器100的初级侧102运行的突发模式控制器108。
图2A和2B描绘了根据一些实施例的与LLC转换器的半桥开关相关联的波形。
图3描绘了根据一些实施例的包含LLC转换器302和实例突发模式控制器304的电路300。
图4是根据一些实施例的包含与LLC转换器相关联的波形的图表400。
图5是根据一些实施例的描绘了用于通过LLC转换器的初级侧的突发模式控制器实施突发模式的实例操作的流程图。
具体实施方式
如之前所讨论的，LLC转换器的效率取决于向LLC转换器供应的负载。更具体地说，LLC转换器在轻负载下效率较低。可以通过利用突发模式来增加LLC转换器的轻负载效率。在突发模式下，半桥开关的切换操作在“断开时间”期间被阻止，并且然后在“突发时间”期间被恢复。LLC转换器的初级侧的电流通过操纵突发模式期间的断开时间来控制。例如，当负载下降到低于阈值时，可以增大半桥开关的断开时间以增大LLC转换器中的电流，并且因此增加LLC转换器在轻负载下的效率。当前的方法在LLC转换器的次级侧执行测量以确定施加到LLC转换器的负载。在LLC转换器的次级侧进行测量会引入另外的成本和复杂性，因为必须通过隔离屏障将信息传输回LLC转换器的初级侧。促进这种传输所需的另外部件会增加电路的复杂性并且因此增加电路的成本。
本发明主题的实施例试图通过在LLC转换器的初级侧执行测量以确定LLC转换器的负载状况来避免当前突发模式实施方式的缺点。具体地说，对LLC转换器的初级侧电流(即，LLC转换器的初级侧的电流)进行测量。在一些实施例中，可以像美国专利申请号15/395,971中所述那样执行这种测量，所述专利申请通过引用结合到本文中。当电流下降到低于阈值时，进入突发模式并且可以操纵半桥开关的断开时间以减小等效切换频率并增大LLC转换器的初级侧电流。因为负载状况是基于来自LLC转换器的初级侧的测量结果来确定的，所以本发明主题的实施例消除了对与基于从LLC转换器的次级侧得到的测量结果来确定负载状况和将信息传输到LLC转换器的初级侧相关联的另外的元件部分和成本的需要。
在一些实施例中，半桥开关在突发模式期间的断开时间被操纵以在LLC转换器的初级侧维持期望电流。一旦进入突发模式，如果初级侧电流下降到低于第一阈值，则半桥开关的断开时间增大，从而增大初级侧电流。另外，如果初级侧电流超过第二阈值，则半桥开关的断开时间减小，从而减小初级侧电流。以此方式，可以使初级侧电流保持处于第一阈值和第二阈值内。在一些实施例中，可以在逐循环的基础上(即，在半桥开关的每个切换循环)调整半桥开关的断开时间以使电流保持处于阈值内。最后，如果电流超过第三阈值，则可以退出突发模式。图1描绘了包含突发模式控制器的实例电路，所述突发模式控制器能够操纵半桥开关的断开时间以使电流保持处于阈值内。
图1描绘了根据一些实施例的LLC转换器100，所述LLC转换器包含在LLC转换器100的初级侧102运行的突发模式控制器108。除了其它部件之外，LLC转换器还包含半桥开关104和控制器106。控制器106包含驱动半桥开关104所需的硬件和逻辑。尽管图1将控制器106和突发模式控制器108描绘为不同的部件，但是在一些实施例中，控制器106和突发模式控制器108可以是包含测量初级侧电流、确定半桥开关104的断开时间以及驱动半桥开关104所需的硬件和逻辑的单个部件。
突发模式控制器108监测LLC转换器的初级侧102(例如，通过传感器110)。基于所述监测，突发模式控制器108确定控制器106应当在突发模式下还是在正常模式下驱动半桥开关104。如果将在突发模式下驱动半桥开关104，则突发模式控制器108确定半桥开关104的将在突发模式下使用的断开时间。另外，如果合适的话，突发模式控制器108可以确定应当退出突发模式并且应当恢复正常模式。
在一些实施例中，突发模式控制器108监测LLC转换器100的初级侧102的电流(即，初级侧电流)。初级侧102的电流基于施加到LLC转换器100的负载而发生变化。突发模式控制器108试图使初级侧电流保持处于将允许LLC转换器100高效运行的水平(即，介于满负载的百分之五十与百分之七十五之间)。具体地说，如果初级侧电流太低，则突发模式控制器108将指示控制器106以突发模式驱动半桥开关104。在突发模式下，半桥开关104不连续运行。相反，将存在半桥开关104都不接通的时段(即，断开时间)。初级侧电流取决于断开时间，使得随着断开时间增大，初级侧电流增大，并且随着断开时间减小，初级侧电流减小。突发模式控制器108监测初级侧电流并确定断开时间是应当增大、减小还是保持不变。在一些实施例中，突发模式控制器108在逐循环的基础上进行此确定。
在一种形式中，突发模式控制器108将初级侧电流与一或多个阈值进行比较，并且基于所述比较确定断开时间以及进入还是退出突发模式。例如，突发模式控制器108可以将初级侧电流与两个阈值进行比较：第一阈值和第二阈值。在此实例中，第一阈值是较低的电流阈值，使得突发模式控制器108将试图使初级侧电流保持高于第一阈值，并且第二阈值是较高的电流阈值，使得突发模式控制器108将试图使初级侧电流保持低于第二阈值。如果在LLC转换器100在突发模式下运行时初级侧电流下降到低于第一阈值，则突发模式控制器108将增大半桥开关104的断开时间以增大初级侧电流。如果在LLC转换器100在突发模式下运行时初级侧电流超过第二阈值，则突发模式控制器108将减小半桥开关104的断开时间以减小初级侧电流。简而言之，突发模式控制器108将在LLC转换器100在突发模式下运行时操纵半桥开关104的断开时间以使初级侧电流保持处于第一阈值与第二阈值之间。
除了在LLC转换器100在突发模式下运行时确定半桥开关104的断开时间之外，在一些实施例中，突发模式控制器108还可以确定是进入还是退出突发模式。例如，突发模式控制器108可以将初级侧电流与第三阈值进行比较。如果LLC转换器100在正常模式下运行(即，不在突发模式下)并且初级侧电流下降到低于第三阈值，则突发模式控制器108可以使LLC转换器100进入突发模式。另外，在突发模式下，如果初级侧电流超过第三阈值，则突发模式控制器108可以使LLC转换器100退出突发模式。
虽然对图1的讨论描绘了包含控制突发模式操作并操纵半桥开关在突发模式操作期间的断开时间的突发模式控制器的实例LLC转换器，但是对图2A和2B的讨论提供了关于半桥开关和使半桥开关在突发模式下运行的更多细节。
图2A描绘了当LLC转换器在“正常模式”下(即，不在“突发模式”下)运行时的与LLC转换器的半桥开关相关联的波形。图2A包含两个波形：与LLC转换器的高侧开关相关联的高侧波形202和与LLC转换器的低侧开关相关联的低侧波形204。高侧波形202的波峰表示高侧开关接通，并且高侧波形202的波谷表示高侧开关断开。作为一个实例，高侧波形202表示高侧开关在波峰206处(在时间段t1期间)接通并且在波谷210处(在时间段t2期间)断开。类似地，低侧波形204的波峰表示低侧开关接通，并且低侧波形204的波谷表示低侧开关断开。作为一个实例，低侧波形204表示低侧开关在波峰212处(在时间段t2期间)接通并且低侧开关在波谷214处(在时间段t1期间)断开。如高侧波形和低侧波形204所示，当高侧开关接通时，低侧开关断开，并且反之亦然。高侧开关和低侧开关在每个循环时分别在接通到断开状态和断开到接通状态之间交替。因为图2A描绘了在正常模式下运行的LLC转换器，所以高侧开关和低侧开关在接通与断开之间交替，而在高侧开关接通与低侧开关接通之间没有任何显著的时间段流逝。
图2B描绘了当LLC转换器在突发模式下运行时的与LLC转换器的半桥开关相关联的波形。图2B包含两个波形：与LLC转换器的高侧开关相关联的高侧波形220和与LLC转换器的低侧开关相关联的低侧波形222。与图2A一样，高侧波形220和低侧波形222的波峰和波谷表示每个开关何时接通和断开。当LLC转换器在突发模式下运行时，当高侧开关接通时，低侧开关断开，并且反之亦然。
和在一个开关断开与另一个开关接通之间没有任何显著的时间段的正常模式期间的操作相反，在突发模式下运行时，存在高侧开关和低侧开关两者均断开的时间。在断开时间232期间，高侧开关和低侧开关两者都是断开的。高侧开关和低侧开关在突发时间230期间在接通状态与断开状态之间交替。
当LLC转换器处于轻负载状况时，在突发模式下引入断开时间会增大LLC转换器的初级侧电流。如图2B所示，突发时间在高侧开关接通的点224处开始，并且在低侧开关断开的点226处结束。因此，突发时间在点224与点226之间出现，也在高侧开关和低侧开关在接通状态与断开状态之间交替的其它时间段期间出现。在突发时间230之后，LLC转换器进入高侧开关和低侧开关两者都断开的断开时间。在突发模式下，断开时间使初级侧电流增大，从而可能减轻轻负载状况的效率损失。
虽然对图2A和2B的讨论关于示范性波形更详细地描述了LLC转换器的正常模式和突发模式，但是对图3的讨论描述了包括实例突发模式控制器的电路系统。
图3描绘了根据一些实施例的包含LLC转换器302和实例突发模式控制器304的电路300。实例突发模式控制器304包含峰值检测器306、电流感测装置308、向上/向下计数器310、计时器312和控制逻辑314。峰值检测器306监测LLC转换器302的半桥开关的切换节点处的电压。电流感测装置监测LLC转换器302中的电流。电流感测装置308可以是适合于监测电流的任何传感器。向上/向下计数器310根据电流感测装置308和/或控制逻辑314的输出使断开时间所基于的步长增量和减量。
虽然对图3的讨论描述了包括实例突发模式控制器的电路系统，但是对图4的讨论关于示范性波形描述了操纵LLC转换器的半桥开关在突发模式操作期间的断开时间以控制LLC转换器中的初级侧电流的一个实施例。
图4是根据一些实施例的包含与LLC转换器相关联的波形的图表400。对图3的讨论提出了图表400中的两个波形：断开时间波形402和电流波形410。断开时间波形402描绘了LLC转换器在突发模式下运行时的LLC转换器的半桥开关的断开时间。断开时间波形402的波峰的宽度指示每个循环的断开时间的持续时间。电流波形410描绘了LLC转换器的初级侧电流。上部阈值线406指示电流阈值上限，并且下部阈值线408指示电流阈值下限。负载电流波形418描绘了施加到LLC转换器的负载电流。如从电流波形410和负载电流波形418可见，当负载电流减小时，初级侧电流也将减小。当负载电流减小到LLC转换器无法高效运行的点时，将进入突发模式。
在点416之前，初级侧电流保持处于阈值内，如通过电流波形410的幅度高于下部阈值线408并且低于上部阈值线406所示。然而，在点416处，初级侧电流下降到低于下部阈值线408。如从负载电流波形418和电流波形410可见，负载电流的下降使初级侧电流下降到低于下部阈值线408。此时，LLC转换器进入突发模式并且操纵半桥开关的断开时间，以试图增大初级侧电流并使初级侧电流保持处于所述阈值之间。在一些实施例中，LLC转换器在预定数量的循环之后才进入突发模式。例如，在一种方法中，LLC转换器将在电流在三个循环内保持处于阈值之外之后进入突发模式。在进入突发模式之前等待预定数量的循环会提供缓冲并且可以防止LLC转换器错误地进入突发模式。例如，所述缓冲可以防止LLC转换器基于错误的测量、初级侧电流或负载的短暂变化等进入突发模式。
在第一时间段412期间，初级侧电流低于阈值下限，如电流波形410和下部阈值线408所示。在第一时间段期间，半桥开关的断开时间增大，以试图增大初级侧电流，直到初级侧电流处于阈值内。可见，断开时间波形402的宽度波峰在第一时间段412期间增大，从而指示半桥开关的断开时间在第一时间段412期间增大。第一时间段412在初级侧电流再次处于阈值内时结束(即，初级侧电流高于下部阈值线408并低于上部阈值线406)。一旦初级侧电流处于阈值内，第二时间段414就开始。在第二时间段414期间，半桥开关的断开时间保持不变，因为初级侧电流处于阈值之间。
虽然对图4的讨论描述了操纵LLC转换器的半桥开关在突发模式期间的断开时间，但是对图5的讨论描述了用于基于对LLC转换器的初级侧电流进行监测来操纵LLC的半桥开关的断开时间的实例操作。
图5是根据一些实施例的描绘了用于通过LLC转换器的初级侧的突发模式控制器实施突发模式的实例操作的流程图。图5中描绘的实例操作在LLC转换器在突发模式下运行的时间点处开始。如上文所讨论的，突发模式控制器可以操纵半桥开关在突发模式期间的断开时间并且确定是进入还是退出突发模式。所述流程在框502处开始。
在框502处，监测电流。例如，突发模式控制器可以通过电流传感器监测电流。在一些实施例中，突发模式控制器监测来自LLC转换器的初级侧的电流。在突发模式下，突发模式控制器操纵半桥开关的断开时间以控制初级侧电流。在一个实施例中，突发模式控制器操纵半桥开关的断开时间以使初级侧电流保持处于阈值之间。所述流程在决策菱形504处继续。
在决策菱形504处，确定电流是否小于第一阈值。例如，突发模式控制器可以确定初级侧电流是否低于第一阈值。第一阈值可以是阈值下限，并且可以是预定的或者可以是基于LLC转换器内的或与之相关联的状况动态确定的。在一些实施例中，第一阈值基于目标(例如，目标电流)。例如，第一阈值可以是目标的50％(或者目标的任何合适比例)。如果电流不小于第一阈值，则流程在决策菱形406处继续。如果电流小于第一阈值，则流程在框510处继续。
在框510处，增大断开时间。例如，突发模式控制器可以增大半桥开关的断开时间。增大半桥开关的断开时间会增大初级侧电流。在一些实施例中，突发模式控制器可以按步长增大半桥开关的断开时间。例如，对于初级侧电流低于第一阈值的每个循环来说，突发模式控制器可以使半桥开关的断开时间增大一个步长。此外或可替代地，突发模式控制器可以以多个步长或由突发模式控制器计算的量增大半桥开关的断开时间。例如，如果初级侧电流明显低于第一阈值(例如，比第一阈值低10％、20％等)，则突发模式控制器可以使断开时间增大多个步长(例如，固定数量的步长或取决于初级侧电流低于第一阈值的量的某个数量的步长)或计算断开时间(例如，基于LLC转换器之内的或与之相关联的状况)。在增大断开时间之后，流程继续到框502，其中监测电流。如上文所讨论的，在一些实施例中，断开时间在逐循环的基础上被持续调整。
如上文所讨论的，在决策菱形504处，电流不小于第一阈值，流程在决策菱形506处继续。在决策菱形506处，确定电流是否小于第二阈值。例如，突发模式控制器可以确定电流是否小于第二阈值。第二阈值可以是阈值上限，并且可以是预定的或动态确定的。第二阈值可以是应当使初级侧电流保持低于的值。在一些实施例中，第二阈值基于目标(例如，目标电流)。例如，第二阈值可以是目标的50％、75％或100％(或者目标的任何合适比例)。如果电流小于第二阈值，则不改变断开时间，并且流程在框402处继续，其中监测电流。如果电流大于第二阈值，则流程在决策菱形508处继续。
在决策菱形508处，确定电流是否小于第三阈值。例如，突发模式控制器可以确定电流是否低于第三阈值。第三阈值可以是突发模式的最大限度。在一些实施例中，第三阈值是目标。第三阈值可以是预定的或动态确定的。在一些实施例中，第三阈值基于目标(例如，目标电流)。如果电流小于第三阈值，则流程在框512处继续。如果电流不小于第三阈值，则流程在框514处继续。
在框514处，退出突发模式。例如，突发模式控制器可以使突发模式退出。如上文所讨论的，第三阈值可以是突发模式的最大限度。例如，如果电流超过突发模式的最大限度，则可能不再有必要使LLC转换器在突发模式下运行，或使LLC转换器在突发模式下运行可能不再高效。在这种情况下，LLC转换器将返回到正常模式。在一些实施例中，突发模式控制器继续在正常模式下监测电流。如果电流再次下降到低于第三阈值(或如正常模式的最小限度等不同阈值)，则LLC转换器可以再次进入突发模式并且重新开始图5所示的实例操作。
如上文所讨论的，在决策菱形506处，如果电流介于第二阈值与第三阈值之间，则流程在框512处继续。在框512处，减小断开时间。例如，突发模式控制器可以减小半桥开关的断开时间。第二阈值可以是阈值上限，并且突发模式控制器可以操纵半桥开关的断开时间以使初级侧电流保持处于第一阈值与第二阈值之间。由于确定了电流处于第二阈值与第三阈值之间(即，高于第二阈值但低于第三阈值)，所以突发模式控制器减小断开时间以减小初级侧电流。在一些实施例中，突发模式控制器可以按步长减小半桥开关的断开时间。例如，对于初级侧电流高于第二阈值的每个循环来说，突发模式控制器可以使半桥开关的断开时间减小一个步长。此外或可替代地，突发模式控制器可以以多个步长或由突发模式控制器计算的量减小半桥开关的断开时间。例如，如果初级侧电流明显高于第二阈值(例如，比第一阈值低10％、20％等)，则突发模式控制器可以使断开时间减小多个步长(例如，固定数量的步长或取决于初级侧电流高于第二阈值的量的某个数量的步长)或计算断开时间(例如，基于LLC转换器之内的或与之相关联的状况)。在减小断开时间之后，流程继续到框502，其中再次监测电流。如上文所讨论的，在一些实施例中，断开时间在逐循环的基础上被持续调整。
本领域的技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以关于上述实施例做出各种各样的修改、变更和组合，并且此些修改、变更和组合将被视为处于本发明概念的范围内。

Claims (19)

1.一种电路，其包括：
LLC转换器，其具有初级侧；以及
突发模式控制器，其被配置成：
在所述LLC转换器的所述初级侧监测电流；并且
响应于确定所述电流低于第一阈值：
增大所述LLC转换器中的开关的断开时间；并且
响应于确定所述电流高于比所述第一阈值高的第二阈值：
减小所述LLC转换器中的所述开关的所述断开时间。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一阈值和所述第二阈值中的至少一个基于目标电流。
3.根据权利要求2所述的电路，其中所述突发模式控制器被配置成仅在确定所述电流低于所述第二阈值之后增大所述断开时间或减小所述断开时间。
4.根据权利要求2所述的电路，其中所述第一阈值是所述目标电流的百分之五十，并且其中所述第二阈值是所述目标电流的百分之七十五。
5.根据权利要求1所述的电路，其中所述突发模式控制器被配置成在一系列切换循环中重复增大所述断开时间，直到所述电流超过所述第一阈值。
6.根据权利要求1所述的电路，其中所述突发模式控制器被配置成在一系列切换循环中重复减小所述断开时间，直到所述电流下降到低于所述第二阈值。
7.根据权利要求6所述的电路，其中所述断开时间是在所述LLC转换器中不发生切换的时间段。
8.根据权利要求1所述的电路，其中所述突发模式控制器包含峰值检测器、电流感测装置、向上/向下计数器、计时器和控制逻辑。
9.一种通过监测LLC转换器的初级侧的电流来调节所述LLC转换器中的电流的方法，所述方法包括：
在所述LLC转换器的所述初级侧监测电流；以及
响应于确定所述电流低于第一阈值：
增大所述LLC转换器中的开关的断开时间；以及
响应于确定所述电流高于比所述第一阈值高的第二阈值：
减小所述LLC转换器中的所述开关的所述断开时间。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一阈值和所述第二阈值中的至少一个基于目标电流。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述增大所述断开时间和所述减小所述断开时间仅在确定所述电流低于所述第二阈值之后发生。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一阈值是所述目标电流的百分之五十，并且其中所述第二阈值是所述目标电流的百分之七十五。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述增大所述断开时间在每个切换循环内被重复，直到所述电流超过所述第一阈值。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述减小所述断开时间在每个切换循环内被重复，直到所述电流下降到低于所述第二阈值。
15.根据权利要求9所述的方法，其中所述断开时间是在所述LLC转换器中不发生切换的时间段。
16.一种电路，其包括：
LLC转换器，其具有初级侧；以及
突发模式控制器，所述突发模式控制器被配置成：
在所述LLC转换器的所述初级侧监测电流；并且
响应于确定所述电流低于基于目标电流的第一阈值：
在每个切换循环内增大所述LLC转换器中的开关的断开时间，直到所述电流超过所述第一阈值；并且
响应于确定所述电流高于基于所述目标电流并且比所述第一阈值高的第二阈值：
在每个切换循环内减小所述LLC转换器中的所述开关的所述断开时间，直到所述电流下降到低于所述第二阈值。
17.根据权利要求16所述的电路，其中所述增大所述断开时间和所述减小所述断开时间仅在确定所述电流低于所述第二阈值之后发生。
18.根据权利要求16所述的电路，其中所述第一阈值是所述目标电流的百分之五十，并且其中所述第二阈值是所述目标电流的百分之七十五。
19.根据权利要求16所述的电路，其中所述突发模式控制器包含峰值检测器、电流感测装置、向上/向下计数器、计时器和控制逻辑。
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