CN110557023A - 用于在多级开关电源中延长保持时间和/或减少大容量电容器的方法 - Google Patents

用于在多级开关电源中延长保持时间和/或减少大容量电容器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于在多级开关电源中延长保持时间和/或减少大容量电容器的方法。一种多级开关电源包括第一DC‑DC电源转换器、第二DC‑DC电源转换器和控制电路。所述控制电路联接到所述DC‑DC电源转换器，用以将第一控制信号提供给所述第一DC‑DC电源转换器且将第二控制信号提供给所述第二DC‑DC电源转换器。所述控制电路被配置成改变所述第一控制信号的占空比以调节所述电源的输出电压、使所述第二控制信号的频率保持处于固定频率、以及响应于所述第一控制信号的所述占空比达到占空比阈值或所述第一DC‑DC电源转换器的输入电压达到电压阈值而改变所述第二控制信号的频率，以调节所述电源的所述输出电压。还公开了其它示例性电源、控制电路等。

Description

用于在多级开关电源中延长保持时间和/或减少大容量电容 器的方法
技术领域
本发明涉及用于在电源中延长保持时间的方法。
背景技术
本部分提供与本发明相关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。
开关模式电源常用于分布式电源系统中的电源管理。电源均可以包括多个功率级，所述多个功率级具有在具有单位增益的固定谐振频率下操作的谐振功率级。例如，两级电源可以包括AC-DC功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)功率级和谐振功率级，该谐振功率级联接到AC-DC PFC功率级的输出端，用于输出电压调节，以及三级电源可以包括AC-DC PFC功率级、谐振功率级和DC-DC功率级，该DC-DC功率级联接在AC-DC PFC功率级与用于输出电压调节的谐振功率级之间。
发明内容
本部分提供对本发明的概括性总结，且不是本发明的全部范围或本发明的所有特征的全面公开。
根据本发明的一个方面，一种多级开关电源包括输入端、用于向负载提供输出电压的输出端、联接在所述输入端和所述输出端之间的至少两个电源转换器、以及控制电路。所述至少两个电源转换器包括具有至少一个电源开关的第一DC-DC电源转换器和具有至少一个电源开关的第二DC-DC电源转换器。所述第二DC-DC电源转换器为谐振电源转换器。所述控制电路联接到所述至少两个DC-DC电源转换器，用以将第一控制信号提供给所述第一DC-DC电源转换器的电源开关且将第二控制信号提供给所述第二DC-DC谐振电源转换器的电源开关。所述控制电路被配置成改变所述第一控制信号的占空比以调节所述电源的所述输出电压、使所述第二控制信号的频率保持处于固定频率、以及响应于所述第一控制信号的所述占空比达到限定的占空比阈值或所述第一DC-DC电源转换器的输入电压达到限定的电压阈值而改变所述第二控制信号的所述频率以调节所述电源的所述输出电压。
根据本发明的另一个方面，公开了一种用于调节多级开关电源的输出电压的方法。所述多级开关电源包括具有第一DC-DC电源转换器和第二DC-DC电源转换器的至少两个电源转换器。所述第二DC-DC电源转换器为谐振电源转换器。所述方法包括：改变提供给所述第一DC-DC电源转换器的至少一个电源开关的第一控制信号的占空比，且保持提供给所述第二DC-DC电源转换器的至少一个电源开关的第二控制信号的固定频率，以调节所述多级开关电源的输出电压；以及响应于所述第一控制信号的所述占空比达到限定的占空比阈值或所述第一DC-DC电源转换器的输入电压达到限定的电压阈值，改变提供给所述第二DC-DC谐振电源转换器的至少一个电源开关的第二控制信号的频率以调节所述多级开关电源的所述输出电压。
根据本发明的另一个方面，公开了一种用于调节多级开关电源的输出电压的控制电路。所述多级开关电源包括输入端、用于向负载提供输出电压的输出端、以及联接在所述输入端和所述输出端之间的至少两个电源转换器。所述至少两个电源转换器包括具有至少一个电源开关的第一DC-DC电源转换器和具有至少一个电源开关的第二DC-DC电源转换器。所述第二DC-DC电源转换器为谐振电源转换器。所述控制电路被配置成：联接到所述至少两个DC-DC电源转换器，用以将第一控制信号提供给所述第一DC-DC电源转换器的电源开关且将第二控制信号提供给所述第二DC-DC谐振电源转换器的电源开关；改变所述第一控制信号的占空比以调节所述电源的所述输出电压；使所述第二控制信号的频率保持处于固定频率、以及响应于所述第一控制信号的所述占空比达到限定的占空比阈值或由所述第一DC-DC电源转换器接收的电压达到限定的电压阈值而改变所述第二控制信号的所述频率以调节所述输出电压。
从本文提供的描述中，其它方面和应用的领域将变得明显。应当理解，本发明的各个方面可以单独实施或者与一个或多个其它方面组合实施。还应当理解，本文的描述和具体示例仅仅用于说明性目的，并不意图限制本发明的范围。
附图说明
本文中所描述的附图仅用于所选实施方式而非所有可能的实现方式的说明性目的，且不意图限制本发明的范围。
图1为根据本发明的一个示例性实施方式的开关模式电源的框图，该开关模式电源包括谐振电源转换器以及用于使谐振电源转换器的控制在固定频率控制与可变频率控制之间改变的控制电路。
图2为根据另一个示例性实施方式的包括降压型电源转换器和图1的谐振电源转换器的多级开关电源的框图。
图3为根据又一示例性实施方式的包括AC-DC升压型PFC电源转换器、图2的降压型电源转换器和LLC谐振电源转换器的多级开关电源的框图。
图4为示出根据另一示例性实施方式的图3的LLC谐振电源转换器的频率响应的曲线图。
图5为示出根据又一示例性实施方式的图3的电源的输出DC电压和DC体电压的曲线图。
图6为示出根据另一示例性实施方式的用于图3的降压型电源转换器的控制信号的占空比和用于图3的谐振电源转换器的频率基准电压在谐振电源转换器在固定频率控制与可变频率控制之间切换时的曲线图。
图7为示出根据又一示例性实施方式的图3的电源的输出DC电压和体DC电压在谐振电源转换器保持在固定频率控制下时的曲线图。
图8为示出根据另一示例性实施方式的用于图3的降压型电源转换器的控制信号的占空比和用于图3的LLC谐振电源转换器的频率基准电压在谐振电源转换器保持在固定频率控制下时的曲线图。
图9为根据又一示例性实施方式的开关模式电源的框图，该开关模式电源包括谐振电源转换器和联接到该谐振电源转换器的输出端的DC-DC电源转换器。
图10为根据另一示例性实施方式的包括降压型电源转换器和LLC半桥式谐振电源转换器的多级开关电源的电路示意图。
图11为根据又一示例性实施方式的用于控制图10的降压型电源转换器中的电源开关的控制电路的电路示意图。
图12为根据另一示例性实施方式的包括体电压(bulk voltage)检测电路的控制电路的电路示意图，该控制电路用于启用用于控制图10的LLC半桥式谐振电源转换器中的电源开关的可变频率控制器或固定频率控制器。
图13为根据又一示例性实施方式的用于控制图10的LLC半桥式谐振电源转换器中的电源开关的控制电路的电路示意图。
贯穿附图中的多个视图，对应的附图标记指示对应的部分和/或特征。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述示例性实施方式。
提供示例性实施方式，使得本发明将是透彻的且将向本领域的技术人员全面传达范围。提出多个具体细节，诸如具体部件、设备、和方法的示例，以提供对本发明的实施方式的透彻理解。对于本领域的技术人员来说将显而易见的是，不需要采用具体细节，示例性实施方式可以以许多不同形式来体现，并且具体细节和示例性实施方式二者均不应当被理解为限制本发明的范围。在一些示例性实施方式中，没有详细地描述公知的过程、公知的设备结构、和公知的技术。
本文中所使用的术语仅出于描述特定示例性实施方式的目的且不意图进行限制。如本文中所使用，单数形式“一”和“该”也可以意图包括复数形式，除非上下文另有明确指示。术语“包括”、“包含”和“具有”是包含性的且因此指所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件、和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或附加。本文中所描述的方法步骤、过程和操作不应被理解为必须要求它们以所讨论或所示出的特定次序来执行，除非具体被认定为执行次序。也将理解，可以采用附加或替选步骤。
尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等可以在本文中用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应当受这些术语限制。这些术语可以仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分区分。诸如“第一”、“第二”的术语和其它数字术语在本文中使用时不暗示顺序或次序，除非上下文有明确指示。因此，下文讨论的第一元件、第一部件、第一区域、第一层或第一部分可以被称为第二元件、第二部件、第二区域、第二层或第二部分，而不脱离示例性实施方式的教导。
为了便于描述，在本文中可以使用空间相对术语，诸如“内部”、“外部”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等来描述如图中所示的一个元件或特征与其它的一个或多个元件或特征的关系。除了图中示出的取向之外，空间相对术语可以意图涵盖设备在使用或操作中的不同取向。例如，如果图中的设备被翻转，则描述为在其它元件或特征的“下方”或“下面”的元件将被取向为在该其它元件或特征的“上方”。因而，示例性术语“下方”可以涵盖上方和下方两种取向。该设备可以被另外地取向(旋转90度或以其它取向旋转)且本文中所使用的空间相对描述符被相应地理解。
根据本发明的一个示例性实施方式的多级开关电源在图1中示出，且总体上用附图标记100来表示。如图1所示，电源100包括输入端102、用于向负载(未示出)提供输出电压的输出端104、联接在输入端102和输出端104之间的两个电源转换器、以及控制电路106。该电源转换器包括具有至少一个电源开关110的DC-DC电源转换器108和具有至少一个电源开关114的DC-DC谐振电源转换器112。控制电路106联接到DC-DC电源转换器108、DC-DC谐振电源转换器112，用以将控制信号116提供给DC-DC电源转换器108的电源开关110以及将控制信号118提供给DC-DC谐振电源转换器112的电源开关114。控制电路106被配置为改变控制信号116的占空比以调节电源100的输出电压、使控制信号118的频率保持处于固定频率、以及响应于控制信号116的占空比达到限定的占空比阈值或由DC-DC电源转换器108接收的电压达到限定的电压阈值而改变控制信号118的频率以调节电源100的输出电压。
与具有使用固定频率控制的谐振电源转换器的传统电源相比，通过改变DC-DC电源转换器108的电源开关110的占空比且然后改变DC-DC谐振电源转换器112的电源开关114的开关频率，可以延长电源100(和本文中所公开的其它开关模式电源)的保持时间。例如，可以移除提供给电源的输入端102、DC-DC电源转换器108的输入端等的电力。在这类示例中，在输出端104处的电压开始减小。如果输出电压下降到期望的输出调节范围之下，则电源100可以关闭以保护负载。电源100在输入电力被移除之后保持在输出调节范围内的这段时间被称为保持时间。
控制电路106可以在多种模式下操作，以用于调节开关模式电源100的输出电压。例如，控制电路106可以在常规模式下操作，在该常规模式下，DC-DC电源转换器108为电源100提供电压调节。在失去提供给电源100、DC-DC电源转换器108等的输入电力之后(例如在保持时段期间)，该操作模式可以继续。当控制电路106确定电源100的输出电压不足时，控制电路106可以在延长保持时间模式下操作，在该延长保持时间模式下，DC-DC电源转换器112为电源100提供电压调节。
控制电路106可以监控一个或多个电源参数以确定控制电路106是否应当在其常规模式或延长保持时间模式下操作。例如，控制电路106可以基于控制信号116的饱和度确定其是否应当在常规模式或延长保持时间模式下操作。例如，控制电路106可以监控控制信号116的变化的占空比。当该占空比达到占空比阈值时，控制电路106可以将操作从其常规模式切换到其延长保持时间模式。
在其它示例中，控制电路106可以监控DC-DC电源转换器108的输入电压以确定控制电路106是否应当在其常规模式或延长保持时间模式下操作。例如，控制电路106可以将DC-DC电源转换器108的输入电压与限定的电压阈值相比较。如果输入电压达到(例如减小到)该电压阈值，则控制电路106可以将操作从其常规模式切换到其延长保持时间模式。在一些示例中，限定的电压阈值可以为基于DC-DC谐振电源转换器112的传输增益和DC-DC电源转换器108的最大占空比的值。
在常规操作模式期间，DC-DC电源转换器108被控制在电压控制模式下，并且DC-DC电源转换器112被控制在使用固定频率操作的开环模式下。在这类示例中，控制电路106通过改变提供给电源开关110的控制信号116的占空比来调节电源转换器108的输出电压。例如，控制电路106可以在最小占空比和最大占空比(例如占空比阈值)之间改变控制信号116的占空比。在一些示例中，最小占空比可以为50％、75％等，且最大占空比可以为90％、95％、97％等。
如图1所示，DC-DC谐振电源转换器112被联接以接收电源转换器108的经调节的输出电压。因此，谐振电源转换器112可以被设计成接收固定输入电压。在这类示例中，谐振电源转换器112可以在固定开关频率下操作，该固定开关频率等于该转换器在常规操作模式期间的谐振频率。因此，当DC-DC电源转换器108的输入电压小于限定的电压阈值时、当控制信号116的占空比小于限定的占空比阈值时，等等，谐振电源转换器112可以在固定开关频率下操作。
当谐振电源转换器112在其谐振频率下操作时，转换器112的传输增益为1。在这种情况下，由于传输增益值为1，因此电源转换器112的输出电压保持基本等于其输入电压(例如电源转换器108的经调节的输出电压)。因此，在常规模式操作期间，电源100的输出电压基本等于电源转换器108的经调节的输出电压。
在一些情况下，可能失去提供给电源100、DC-DC电源转换器108等的输入电力。因此，电源转换器108(和电源100)的输出电压在该保持时段期间开始减小。一旦感测到该电压的减小，则控制电路106开始增大控制信号116的占空比以将电源转换器108(和电源100)的输出电压保持在输出调节范围内。若需要，则可以将控制信号116的占空比增大到(且有时候保持处于)最大占空比。如果未恢复输入电力，则一旦占空比达到其最大值，DC-DC电源转换器108可能无法调节其输出电压，并且因此，电源100的输出电压会继续减小。
此时，控制电路106将操作从常规模式切换到延长保持时间模式。在该延长保持时间模式期间，DC-DC电源转换器108可以被控制在使用固定占空比控制的开环模式(例如电流控制模式)下，且DC-DC电源转换器112通过改变开关频率为电源100提供电压调节。例如，一旦占空比达到占空比阈值(例如最大占空比)或电源转换器108的输入电压达到电压阈值，如上所述，则控制电路106开始改变提供给谐振电源转换器112的控制信号118的频率以调节其输出电压(和电源100的输出电压)。
在一些示例中，可以在限定范围内改变控制信号118的频率。例如，变化频率可以从电源转换器的谐振频率减小到更低频率。在这类示例中，当控制信号118的频率从谐振频率减小时，电源转换器112的传输增益增大到大于1的值。由于增大的传输增益，因此电源转换器112能够调节其输出电压并将其输出电压(且因此，电源100的输出电压)保持在输出调节范围内达一段时间，即使电源转换器112的输入电压可能正在减小。因此，与仅固定频率控制的传统方法相比，通过将电源转换器112的控制从固定频率控制改变为可变频率控制，电源100的输出电压可以保持在输出调节范围内达更长的时间段。
在一些示例中，若需要，则可以恢复输入电力且控制电路106可以切换回到在其常规模式下操作。在其它示例中，电源100的输出电压可以继续减小到输出调节范围之外的值。在这种情况下，电源100被停用以保护负载。
如图1所示，DC-DC电源转换器108联接在电源100的输入端102和DC-DC谐振电源转换器112之间，且DC-DC谐振电源转换器112联接在DC-DC电源转换器108和输出端104之间。因此，如上所述，DC-DC电源转换器108将输出(例如有时候为经调节的输出电压)提供给DC-DC谐振电源转换器112，以及DC-DC谐振电源转换器112将输出(例如有时候为经调节的输出电压)提供给电源输出端104。
可替选地，在一些实施方式中，图1的谐振电源转换器112可以联接在输入端102和电源转换器108之间，且电源转换器108可以联接在谐振电源转换器112和输出端104之间。例如，图9示出了多级开关电源900，该多级开关电源900包括图1的DC-DC谐振电源转换器112、DC-DC电源转换器108和控制电路106，其中，电源转换器108联接到谐振电源转换器112的输出端。电源转换器108、谐振电源转换器112可以按如上文参照图1所阐述的类似方式操作。
返回参照图1，DC-DC电源转换器108可以包括任何合适的拓扑(诸如降压型、升压型、升降压型等拓扑)。在一些实施方式中，可以基于DC-DC谐振电源转换器112的拓扑、谐振转换器的操作点等选择DC-DC电源转换器108的拓扑。例如，图2示出多级开关电源200，该多级开关电源200包括降压型电源转换器208、以及图1的DC-DC谐振电源转换器112和控制电路106。如图2所示，谐振电源转换器112联接到负载(用电阻器表示)。
在图2的示例中，控制电路106包括可变频率控制器220、电压/电流模式控制器222和驱动器224。电压/电流模式控制器222确定降压型电源转换器208是否在其电压控制模式(例如电压调节)或其电流控制模式下操作。例如，降压型电源转换器208在电压控制模式下操作以调节其在链接电容器C_link上的输出电压，该链接电容器C_link联接在降压型电源转换器208和谐振电源转换器112之间。这通过改变由驱动器224生成的控制信号116的占空比来实现，如上所述。例如，可以基于如图2所示的电源200的感测输出电压Vout与基准电压Vref2之间的比较、流经降压型转换器的电感器(未示出)的感测电流226等来改变控制信号116的占空比。如果该占空比达到降压型电源转换器208的最大占空比，则该降压型电源转换器208可以在其电流控制模式下操作以将未经调节的输出提供给谐振电源转换器112。
响应于控制信号116的占空比达到占空比阈值或DC-DC电源转换器208的输入电压(例如电压V_Bulk)达到电压阈值而启动可变频率控制器220。可变频率控制器220改变控制信号118的频率，如上所述。例如，可以基于如图2所示的电源200的感测输出电压Vout与基准电压Vref1之间的比较来改变控制信号118的频率，以调节电源200的输出电压Vout。
图1和图2的DC-DC谐振电源转换器112(和/或本文中所公开的其它谐振电源转换器)可以包括任何合适的拓扑(诸如串联谐振转换器(例如LLC串联谐振转换器等)、强迫型谐振转换器(forced resonant converter)等)。LLC串联谐振转换器可以包括，例如LLC串联谐振半桥式转换器、LLC串联谐振全桥式转换器等。在一些实施方式中，谐振电源转换器可以包括单轨电源转换器。在其它实施方式中，谐振转换器可以包括交错式电源转换器。
另外，尽管图1和图2将电源100、电源200示出为包括两个DC-DC功率级，但是应当清楚，电源100、电源200中的任一者可以包括附加功率级。在这类示例中，电源100、电源200可以包括另一功率级，诸如联接在电源转换器108、电源转换器208的输入侧的AC-DC电源转换器。
例如，图3示出AC-DC多级开关电源300，该AC-DC多级开关电源300包括图2的DC/DC降压型电源转换器208、LLC半桥式谐振电源转换器312、以及联接在电源300的输入端和降压型电源转换器208之间的AC-DC电源转换器326。如图3所示，降压型电源转换器208经由大容量电容器C_bulk联接到AC-DC电源转换器326且经由链接电容器C_link联接到LLC谐振电源转换器312。LLC谐振电源转换器312联接到负载(用电阻器表示)。在图3的示例性实施方式中，AC-DC电源转换器326包括升压型功率因数校正(PFC)拓扑。可替选地，若需要，则AC-DC电源转换器326可以包括另一AC-DC拓扑。
在一些实施方式中，AC-DC电源转换器300可以包括多个电源转换器之一中的电力隔离部件。例如，LLC谐振电源转换器312可以包括变压器。在这类示例中，该变压器的磁化电感可以形成LLC谐振槽路的一部分。
电源300也包括控制电路306，该控制电路306用于控制电源转换器208、电源转换器312、电源转换器326中的一个或多个电源开关(未示出)。如图3所示，控制电路306包括初级侧控制器328、次级侧控制器330、以及联接在初级侧控制器328和次级侧控制器330之间的隔离部件332。隔离部件332可以包括，例如光耦合器、变压器等。
初级侧控制器328控制AC-DC电源转换器326中的一个或多个电源开关。例如，初级侧控制器328可以生成用于控制AC-DC电源转换器326的电源开关的一个或多个控制信号334，以校正功率因数。可以基于AC-DC电源转换器326、电源300等的感测参数336(例如AC输入电流、AC输入电压和/或DC体电压)生成控制信号334。
另外，初级侧控制器328控制降压型电源转换器208中的一个或多个电源开关。例如，初级侧控制器328可以生成具有变化的占空比以调节电源300的输出电压Vout的一个或多个控制信号338，如上所述。该占空比变化可以基于电源300的感测输出电压Vout、流经降压型转换器的电感器(未示出)的感测电流340等。在这类示例中，占空比可以在最小占空比和最大占空比之间变化。
如图3所示，次级侧控制器330控制LLC谐振电源转换器312中的开关。例如，次级侧控制器330可以生成用于控制一个或多个电源开关(例如MOSFET)和/或一个或多个同步整流器(例如MOSFET)的一个或多个控制信号342。在这类示例中，用于控制电源开关的控制信号342可以具有固定或可变频率。例如，电源开关的开关频率可以有时为固定的且响应于控制信号338的占空比达到占空比阈值(例如最大占空比)或大容量电容器C_bulk上的电压达到电压阈值而为可变的。
在一些示例中，LLC谐振电源转换器312可以独立于降压型电源转换器208而被控制。在这类示例中，次级侧控制器300可以采用闭环控制方案来控制谐振电源转换器312中的开关。在其它示例中，在控制信号338的占空比达到占空比阈值之后，次级侧控制器300可以基于在大容量电容器C_bulk上感测的瞬时体电压电平来改变谐振电源转换器的开关频率变化。
通过降压型电源转换器208和通过LLC谐振电源转换器312来调节电源300的输出电压Vout。例如，当降压型电源转换器208能够调节其输出电压(链接电容器C_link上的电压)时，谐振电源转换器312的开关频率固定处于谐振频率。在该时间期间，谐振电源转换器312的传输增益为1。例如，图4示出了谐振电源转换器312的频率响应的曲线图400。如图所示，当电源转换器312的频率(用线402表示)固定处于137kHz的谐振频率(用线404表示)时，转换器312具有等于1的传输增益。因此，谐振电源转换器312不改变降压型电源转换器208的经调节的输出电压。
当降压型电源转换器208的输出电压减小，导致输出电压Vout减小到输出调节范围之外时，将谐振电源转换器312的控制从固定频率控制改变为可变频率控制。例如，电源转换器312的开关频率可以在谐振频率与小于该谐振频率的频率之间改变。在该时间期间，谐振电源转换器312的传输增益增大到大于1的值。
例如，如图4所示，当允许电源转换器312的频率(线402)变化到小于谐振频率的值(例如用线406表示的大约58kHz)时，电源转换器312具有等于约1.04的传输增益。因此，当开关频率下降到大约58kHz时，电源转换器312的输出电压相对于其输入电压(例如，降压型电源转换器208的输出电压)按1.04的因数增大。电源转换器312的开关频率可以继续减小(且因此增大其传输增益)以调节电源转换器312的输出电压(和电源300的输出电压Vout)。该频率减小可以继续，直到开关频率达到最小阈值。在一些示例中，可以使开关频率卡在最小阈值。
仅仅出于示例性目的，电源300可以为3000W/12V的AC-DC电源，其中，LLC半桥式谐振电源转换器312和降压型电源转换器208具有98％的综合效率。在这类示例中，谐振电源转换器312可以设计成具有312V、318.5V等的输入电压，以及LLC谐振槽路可以包括130μH的磁化电感、2.5μH的谐振电感和540nF的谐振电容。降压型电源转换器208可以设计成具有335.3V的输入电压，最大占空比为0.95。
如图5至图8所示，在常规操作期间，将电源300的输出电压Vout(用线602表示)调节为处于12V且大容量电容器C_bulk上的体电压(用线604表示)为420V。当在大约5毫秒的标记(用线606表示)处失去AC输入时，体电压开始线性减小。如图6和图8所示，在失去AC输入之后，降压型电源转换器208的占空比(用线702表示)增大到最大占空比(例如占空比阈值)以保持输出电压Vout处于大约12V。
一旦该占空比在大约25毫秒的标记处达到最大占空比，则控制电路306将谐振电源转换器312的控制从固定频率控制改变为可变频率控制，如上所述。通过频率基准电压(图6的线704)从固定频率控制期间的恒定值切换到可变频率控制期间的增大值(increasing value)(与时间相关)示出了这种改变频率控制。作为该频率控制的结果，输出电压Vout保持处于12V，直到大约28.2毫秒标记(图5和图6的线608)。此时，输出电压Vout在输出调节范围之外。在本示例中，电源300的保持时间为23.2毫秒，如图5所示。
相比之下，传统系统贯穿整个操作都采用固定频率控制，如由恒定频率基准电压(在图8中用线904表示)所示。因此，输出电压Vout保持处于12V，直到降压型电源转换器208的占空比在25毫秒标记(用线906表示)处达到最大占空比，如图7和图8所示。这等同于20毫秒的保持时间。因此，如上所述，在该特定示例中，通过将谐振电源转换器312的频率控制从固定频率控制改变为可变频率控制，保持时间增加大约3.2毫秒。
图10示出多级开关电源1000，该多级开关电源1000包括降压型电源转换器1002、LLC串联谐振半桥式电源转换器1004、以及联接在电源转换器1002和电源转换器1004之间的链接电容器C3。如图10所示，降压型电源转换器1002包括电源开关Q3、电感器L1、以及联接在电源开关Q3和电感器L1之间的二极管D2。
LLC串联谐振半桥式电源转换器1004包括两个电源开关Q1、Q2，两个电容器C2、C6，变压器TX1，联接到变压器TX1的初级侧的电感器L7，联接在电感器L7和电源开关Q1、Q2之间的电阻器R_L1，以及联接到变压器TX1的次级侧的整流电路。电阻器R_L1表示电感器L1的等效串联电阻(Equivalent Series Resistance，ESR)。电容器C2、电容器C6、电感器L7和变压器TX1的磁化电感形成LLC谐振槽。
如图10所示，三个控制信号驱动电源开关Q1、电源开关Q2、电源开关Q3。具体地，具有变化的占空比的脉冲宽度调制(PWM)控制信号Buck_D驱动电源开关Q3、控制信号AA_S驱动电源开关Q1、以及控制信号BB_S驱动电源开关Q2。
图11至图13示出用于控制图10的电源转换器1002、电源转换器1004中的电源开关Q1、电源开关Q2、电源开关Q3的控制电路1100、控制电路1200、控制电路1300。控制电路1100、控制电路1200、控制电路1300可以为用于电源1000的系统控制电路的一部分。
在降压型转换器的电压控制模式期间使用控制电路1100。例如，如图10和图11所示，电源1000包括用于感测电源1000的输出电压(例如，信号V_Sense、信号V_RTN_Sense)的感测电阻器R95、感测电阻器R151。通过各个部件(例如电容器、电阻器、放大器等)传递感测的输出电压，并将其提供给放大器U17。放大器U17将感测的输出电压与基准电压V11相比较，并输出用于调节输出电压的具有合适的占空比的信号。将该信号提供给比较器U18。比较器U18将来自放大器U17的输出信号与锯齿波基准信号V9相比较以生成PWM控制信号Buck_D。
图12的控制电路1200和图13的控制电路1300用于控制LLC谐振电源转换器1004的电源开关Q1、电源开关Q2。例如，控制电路1200包括：用于控制电源开关Q1、电源开关Q2处于固定频率的固定频率控制器1202；用于控制电源开关Q1、电源开关Q2处于可变频率的LLC控制器1204；以及用于确定启用哪个控制器1202、1204的体电压检测电路1206。例如，体电压检测电路1206包括用于将体电压(例如电源1000的电压V2)与基准电压V14相比较的比较器U20。当体电压大于基准电压V14时，启用固定频率控制器1202且在固定频率下操作LLC谐振电源转换器1004。当体电压小于基准电压V14时，启用LLC控制器1204且在可变频率下操作LLC谐振电源转换器1004。在其它实施方式中，可以使用控制信号Buck_D的占空比确定使用哪个控制器1202、1204来控制电源开关Q1、电源开关Q2。
如图12和图13所示，固定频率控制器1202包括基准电压V6且控制电路1300包括比较器U30。当启用固定频率控制器1202时，比较器U30将基准电压V6与信号(Comp)相比较以生成互补的控制信号AA_S和控制信号BB_S(如图13所示)。
当启用LLC控制器1204时，通过各个部件(例如电容器、电阻器、放大器等)传递感测的输出电压，并将其提供给放大器U2。放大器U2将感测的输出电压与基准电压V1相比较以生成具有变化频率的基准信号。将来自放大器U2的基准信号传递到用于生成信号(Comp)的放大器U4，并提供给图13的控制电路1300中的比较器U30。当启用LLC控制器1204时，比较器U30将基准信号与信号(Comp)相比较以生成互补的控制信号AA_S和控制信号BB_S(如图13所示)。
本文中所公开的控制电路可以包括模拟控制电路、数字控制电路(例如数字信号控制器(Digital Signal Controller，DSC)、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)等)、或混合控制电路(例如数字控制单元和模拟电路)。另外，可以在集成电路上设置整个控制电路、控制电路的一部分、或不设置控制电路。另外，多个控制电路中的任一者可以为另一控制电路的一部分(例如，电源的控制电路的一部分)、或可以为不同的控制电路。
可以在任何合适的应用中采用本文中所公开的电源。例如，可以在服务器应用、通讯应用等中使用多个电源中的任一者。在一些示例中，电源可以被视为分布式电源系统。
与其它传统的系统相比，通过在移除、失去输入等之后将谐振电源转换器的频率控制从固定频率控制改变为可变频率控制，可以延长包括该谐振电源转换器的电源的保持时间。在这类示例中，延长了保持时间而不影响谐振电源转换器的效率。例如，谐振电源转换器中的谐振槽部件可以基于固定的输入电压来设计和优化以实现软切换。
在一些实施方式中，可以进一步提高电源的保持时间。例如，谐振槽部件可以被设计成在谐振电源转换器的开关频率减小时提供更高的传输增益。因此，可以保持电源的输出电压达更长的时间段且可以延长保持时间。
另外，与传统的系统相比，通过改变频率控制，可以减小联接在各电源转换器之间的大容量电容器的规格。例如，测试已表明，相比于传统系统，可以实现大容量电容减小12.5％。因此，相比于传统系统，可以减小与电源相关的成本且可以提高电源的功率密度。
已经出于说明和描述的目的，提供了对实施方式的前述描述。这并不旨在穷举或限制本发明。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是在可适用时，可以互换并且可以在所选定的实施方式中使用，即使没有具体示出或描述。特定实施方式的各个元件或特征也可以以多种方式变化。这些变化不应当视为背离本发明，并且所有这些修改旨在包含在本发明的范围内。

Claims (23)

1.一种多级开关电源，包括：
输入端；
输出端，所述输出端用于向负载提供输出电压；
至少两个电源转换器，所述至少两个电源转换器联接在所述输入端和所述输出端之间，所述至少两个电源转换器包括具有至少一个电源开关的第一DC-DC电源转换器和具有至少一个电源开关的第二DC-DC电源转换器，其中，所述第二DC-DC电源转换器为谐振电源转换器；以及
控制电路，所述控制电路联接到所述至少两个DC-DC电源转换器，用以将第一控制信号提供给所述第一DC-DC电源转换器的电源开关且将第二控制信号提供给所述第二DC-DC电源转换器的电源开关，所述控制电路被配置成改变所述第一控制信号的占空比以调节所述电源的所述输出电压、使所述第二控制信号的频率保持处于固定频率、以及响应于所述第一控制信号的所述占空比达到限定的占空比阈值或所述第一DC-DC电源转换器的输入电压达到限定的电压阈值而改变所述第二控制信号的所述频率以调节所述电源的所述输出电压。
2.如权利要求1所述的多级开关电源，其中，所述第一DC-DC电源转换器联接在所述输入端和所述第二DC-DC电源转换器之间。
3.如权利要求1所述的多级开关电源，其中，所述第一DC-DC电源转换器包括降压型电源转换器。
4.如权利要求3所述的多级开关电源，其中，所述第二DC-DC电源转换器包括LLC谐振电源转换器。
5.如权利要求1所述的多级开关电源，还包括联接在所述输入端和所述第一DC-DC电源转换器之间的AC-DC电源转换器。
6.如权利要求5所述的多级开关电源，其中，所述AC-DC电源转换器包括升压型PFC电源转换器。
7.如权利要求1所述的多级开关电源，其中，所述控制电路被配置成在所述限定的占空比阈值和低于所述限定的占空比阈值的占空比之间改变所述第一控制信号的所述占空比。
8.如权利要求1所述的多级开关电源，其中，所述控制电路被配置成响应于所述第一控制信号的所述占空比达到所述限定的占空比阈值而改变所述第二控制信号的所述频率。
9.如权利要求1所述的多级开关电源，其中，所述控制电路被配置成在改变所述第二控制信号的所述频率时使所述占空比保持处于所述限定的占空比阈值。
10.如权利要求1所述的多级开关电源，其中，所述控制电路被配置成响应于所述第一DC-DC电源转换器的所述输入电压达到所述限定的电压阈值而改变所述第二控制信号的所述频率。
11.如权利要求1至10中任一项所述的多级开关电源，其中，所述控制电路被配置成将所述第二控制信号的所述频率从第一限定频率改变为低于所述第一限定频率的第二限定频率。
12.一种用于调节多级开关电源的输出电压的方法，所述多级开关电源包括具有第一DC-DC电源转换器和第二DC-DC电源转换器的至少两个电源转换器，其中，所述第二DC-DC电源转换器为谐振电源转换器，所述方法包括：
改变提供给所述第一DC-DC电源转换器的至少一个电源开关的第一控制信号的占空比，且保持提供给所述第二DC-DC电源转换器的至少一个电源开关的第二控制信号的固定频率，以调节所述多级开关电源的输出电压；以及
响应于所述第一控制信号的所述占空比达到限定的占空比阈值或所述第一DC-DC电源转换器的输入电压达到限定的电压阈值，改变提供给所述第二DC-DC电源转换器的至少一个电源开关的第二控制信号的频率，以调节所述多级开关电源的所述输出电压。
13.如权利要求12所述的方法，其中，改变所述第二控制信号的所述频率包括：将所述第二控制信号的所述频率从第一限定频率改变为低于所述第一限定频率的第二限定频率。
14.如权利要求12所述的方法，其中，改变所述第二控制信号的所述频率包括：响应于所述第一控制信号的所述占空比达到所述限定的占空比阈值而改变所述第二控制信号的所述频率。
15.如权利要求12所述的方法，其中，改变所述第二控制信号的所述频率包括：响应于所述第一DC-DC电源转换器的所述输入电压达到所述限定的电压阈值而改变所述第二控制信号的所述频率。
16.如权利要求12所述的方法，其中，保持所述第二控制信号的固定频率包括：当所述第一控制信号的所述占空比小于所述限定的占空比阈值或由所述第一DC-DC电源转换器接收的电压小于所述限定的电压阈值时，保持所述第二控制信号的固定频率。
17.如权利要求12至16中任一项所述的方法，其中，改变所述第一控制信号的所述占空比包括：在所述限定的占空比阈值和低于所述限定的占空比阈值的占空比之间改变所述第一控制信号的所述占空比。
18.一种用于调节多级开关电源的输出电压的控制电路，所述多级开关电源包括输入端、用于向负载提供输出电压的输出端、以及联接在所述输入端和所述输出端之间的至少两个电源转换器，所述至少两个电源转换器包括具有至少一个电源开关的第一DC-DC电源转换器和具有至少一个电源开关的第二DC-DC电源转换器，其中，所述第二DC-DC电源转换器为谐振电源转换器，且其中，所述控制电路被配置成：联接到所述至少两个DC-DC电源转换器，用以将第一控制信号提供给所述第一DC-DC电源转换器的电源开关且将第二控制信号提供给所述第二DC-DC电源转换器的电源开关；改变所述第一控制信号的占空比以调节所述电源的所述输出电压；使所述第二控制信号的频率保持处于固定频率；以及响应于所述第一控制信号的所述占空比达到限定的占空比阈值或由所述第一DC-DC电源转换器接收的电压达到限定的电压阈值而改变所述第二控制信号的所述频率，以调节所述输出电压。
19.如权利要求18所述的控制电路，其中，所述控制电路被配置成在所述限定的占空比阈值和低于所述限定的占空比阈值的占空比之间改变所述第一控制信号的所述占空比。
20.如权利要求18所述的控制电路，其中，所述控制电路被配置成将所述第二控制信号的所述频率从第一限定频率改变为低于所述第一限定频率的第二限定频率。
21.如权利要求18所述的控制电路，其中，所述控制电路被配置成响应于所述第一控制信号的所述占空比达到所述限定的占空比阈值而改变所述第二控制信号的所述频率。
22.如权利要求18所述的控制电路，其中，所述控制电路被配置成响应于由所述第一DC-DC电源转换器接收的所述电压达到所述限定的电压阈值而改变所述第二控制信号的所述频率。
23.如权利要求18至22中任一项所述的控制电路，其中，所述控制电路被配置成在改变所述第二控制信号的所述频率时使所述占空比保持处于所述限定的占空比阈值。
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