CN110620513B - 谐振电源转换器以及用于控制谐振电源转换器的方法和集成电路控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“谐振电源转换器以及用于控制谐振电源转换器的方法和集成电路控制器”。本公开提供了谐振电源转换器、以及用于控制所述谐振电源转换器的方法和集成电路控制器。示例性实施方案是用于谐振电源转换器的集成电路控制器，所述控制器包括：频率控制器，所述频率控制器被配置为控制被驱动到高边栅极端子和低边栅极端子的信号的频率；故障检测器，所述故障检测器被配置为感测所述谐振电源转换器的初级绕组的过流状况，并且响应于所述过流状况而使过流信号生效；反馈控制器，在所述过流信号解除生效的时间段期间，所述反馈控制器被配置为通过反馈端子感测表示输出电压的信号，并产生中间信号；并且所述反馈控制器被进一步配置为在过流信号生效的时间段期间，修改所述中间信号以增大被驱动到所述高边栅极端子和所述低边栅极端子的所述信号的所述频率。

Description

谐振电源转换器以及用于控制谐振电源转换器的方法和集成 电路控制器
技术领域
背景技术
谐振电源转换器利用电源转换器的初级侧上的谐振电路来产生施加到变压器的初级绕组的交流电(AC)信号。谐振电源转换器的初级侧上的电控开关用于产生AC信号并由初级侧控制器控制。施加到初级绕组的AC信号在变压器上传递以在次级绕组上产生AC信号。在一些情况下，然后对次级绕组上的AC信号进行整流(例如，全波整流、半波整流)以向负载提供直流电(DC)电压。
相关技术初级侧控制器实现过流保护。也就是说，当在次级侧(例如，在负载处)发生持续过载或短路时，初级侧控制器关闭谐振电源转换器的操作以保护谐振电源转换器的部件。然而，感测过载或短路状况、以及关闭谐振电源转换器需要AC信号的有限数量的周期。因此，在发生过载或短路时、以及当初级侧控制器感测到状况并关闭电源转换器时之间，谐振电源转换器的初级电路和次级电路都会发生显著的过流状况。因此，谐振电源转换器设计者过度设计电源转换器的部件以考虑到可能的过流状况，该过度设计增加了谐振电源转换器的成本、尺寸和重量。
发明内容
示例性实施方案中的至少一些是操作电源转换器的方法，包括：感测表示提供给负载的输出电压的信号；使用表示输出电压的信号产生中间信号；感测表示变压器的初级绕组中的电流的信号；通过高边场效应晶体管(FET)和低边FET来控制施加到初级绕组的交流电(AC)信号的频率，高边FET选择性地将输入电压耦接到初级绕组，并且低边FET选择性地将初级耦接到地；基于中间信号和表示初级绕组中的电流的信号来控制AC信号的每个周期中的高边FET的关闭；感测变压器的初级绕组中的过流状况；以及响应于过流状况而修改中间信号以增大AC信号的频率。
在示例性方法中产生中间信号还可以包括将增益施加到表示输出电压的信号，并且修改中间信号还可以包括改变用于产生中间信号的增益，该修改是从原始增益到不同于原始增益的修改增益。示例性方法还可以包括：在改变增益之后，在改变之后的预先确定的时间量返回到原始增益。预先确定的时间量可以是从包括以下项的组中选择的至少一个：施加到初级绕组的AC信号的预先确定的数量的周期；以及定时器的预定义的持续时间。
在示例性方法中产生中间信号还可以包括将偏置施加到表示输出电压的信号，并且修改中间信号还可以包括改变用于产生中间信号的偏置。改变偏置还可以包括减少偏置。
在示例性方法中产生中间信号还可以包括将增益和偏置施加到表示输出电压的信号，并且修改中间信号还可以包括改变从由以下项构成的组中选择的至少一个：增益；和偏置。
在示例性方法中控制频率还可以包括基于通过初级侧控制器的电流感测端子感测表示初级绕组中的电流的信号进行控制，并且感测过流状况还可以包括通过初级侧控制器的电流感测端子进行感测。
示例性方法还可以包括：在修改中间信号之后，在改变之后的预先确定的时间量返回到原始中间信号。预先确定的时间量可以是从包括以下项的组中选择的至少一个：施加到初级绕组的AC信号的预先确定的数量的周期；定时器的预定义的持续时间。
在示例性方法中感测过流状况还可以包括感测初级绕组中的峰值电流超过预先确定的阈值(该感测是在施加到初级绕组的AC信号的频率的单个周期内进行)，并且修改中间信号还可以包括基于在单个周期中峰值电流超过预先确定的阈值而修改中间信号。
示例性方法还可以包括：在施加到初级绕组的AC信号的频率的预先确定的数量的周期中感测过流状况；以及然后停止电源转换器的操作。在预先确定的数量的周期中感测过流状况还可以包括在AC信号的频率的多于30个周期的连续集合中感测在5个与10个之间并包括5个和10个的过流状况。
在示例性实施方案中感测表示输出电压的信号还可以包括：将输出电压施加到光耦合器的二极管；通过光耦合器的晶体管产生表示输出电压的信号。
另一个示例性实施方案是用于谐振电源转换器的集成电路控制器，该控制器包括：频率控制器，该频率控制器耦接到驱动器电路，该频率控制器被配置为控制被驱动到高边栅极端子和低边栅极端子的信号的频率；故障检测器，该故障检测器耦接到电流感测端子，该故障检测器被配置为感测谐振电源转换器的初级绕组的过流状况，并且响应于过流状况而使过流信号生效；反馈控制器，该反馈控制器耦接到反馈端子、电流感测端子、频率控制器和过流信号，在过流信号解除生效的时间段期间，该反馈控制器被配置为通过反馈端子感测表示输出电压的信号，并产生中间信号。在过流信号生效的时间段期间，反馈控制器还可以被配置为修改中间信号以增大被驱动到高边栅极端子和低边栅极端子的信号的频率。
集成电路控制器的反馈控制器(在过流信号解除生效的时间段期间)可以被配置为将增益施加到表示输出电压的信号以产生中间信号，并且反馈控制器(在过流信号生效的时间段期间)还可以被配置为将用于产生中间信号的增益从原始增益改变为不同于原始增益的修改增益。反馈控制器还可以被配置为响应于过流信号的解除生效而返回到原始增益。
集成电路控制器的反馈控制器(在过流信号解除生效的时间段期间)可以被配置为将偏置施加到表示输出电压的信号以产生中间信号，并且反馈控制器(在过流信号生效的时间段期间)可以被配置为将偏置从原始偏置改变为不同于原始偏置的修改偏置。
集成电路控制器的反馈控制器(在过流信号解除生效的时间段期间)可以被配置为将增益和偏置施加到表示输出电压的信号以产生中间信号，并且反馈控制器(在过流信号生效的时间段期间)可以被配置为改变从由以下项构成的组中选择的至少一个：增益；和偏置。
包括谐振电源转换器的其他示例性实施方案包括：变压器，该变压器包括初级绕组和次级绕组，该变压器的次级绕组被配置为向次级侧上的负载提供功率；高边场效应晶体管(FET)，该高边FET选择性地将输入电压耦接到变压器的初级绕组；低边FET，该低边FET选择性地将变压器的初级绕组耦接到地；FET控制器，该FET控制器限定耦接到高边FET的栅极的高边栅极端子、耦接到低边FET的栅极的低边栅极端子、耦接到分压器的电流感测端子、以及耦接到谐振电源转换器的次级侧上的感测电压的反馈端子。FET控制器可以包括：频率控制器，该频率控制器耦接到驱动器电路，频率控制器被配置为控制被驱动到高边栅极端子和低边栅极端子的信号的频率；故障检测器，该故障检测器耦接到电流感测端子，故障检测器被配置为感测初级绕组的过流状况，并且响应于过流状况而使过流信号生效；反馈控制器，该反馈控制器耦接到反馈端子、电流感测端子、频率控制器和过流信号，在过流信号解除生效的时间段期间，反馈控制器被配置为通过反馈端子感测表示输出电压的信号并产生中间信号；并且在过流信号生效的时间段期间，反馈控制器被进一步配置为修改中间信号以增大被驱动到高边栅极端子和低边栅极端子的信号的频率。
附图说明
为了详细描述示例性实施方案，现在将参照附图，在附图中：
图1示出了根据至少一些实施方案的谐振电源转换器；
图2示出了根据至少一些实施方案的初级侧控制器的框图；
图3示出了根据至少一些实施方案的时序图；
图4示出了根据至少一些实施方案的时序图；
图5示出了根据至少一些实施方案的斜坡补偿电路的框图；并且
图6示出了根据至少一些实施方案的方法。
定义
各种术语用于表示特定系统部件。不同公司可用不同名称表示一种部件-本文献并非意于在名称不同而功能相同的部件之间作出区分。在下面的讨论中以及在权利要求书中，术语“包括”和“包含”以开放形式使用，并且因此，这些术语应被解释成意指“包括但不限于…”。另外，术语“耦合”或“耦接”意指间接或直接的连接。因此，如果第一设备耦接到第二设备，则该连接可通过直接连接或通过经由其他设备和连接的间接连接进行。
就电气设备(无论是独立式还是作为集成电路的一部分)而言，术语“输入”和“输出”是指到电气设备的电连接，并且不应被视为需要操作的动词。例如，差分放大器(诸如运算放大器)可具有第一差分输入和第二差分输入，并且这些“输入”限定到运算放大器的电连接，并且不应被理解为需要运算放大器的信号输入。
“控制器”应意指被配置为读取信号并响应于此类信号而采取动作的衬底上的单独电路部件、衬底上构造的专用集成电路(ASIC)、衬底上构造的微控制器(其中控制软件存储在衬底之上或之外)或它们的组合。
具体实施方式
以下讨论涉及本发明的各种实施方案。虽然这些实施方案中的一个或多个可能是优选的，但所公开的实施方案不应解释为或以其他方式用来限制包括权利要求书在内的本公开的范围。另外，本领域技术人员应当理解，以下描述具有广泛应用，并且对任何实施方案的讨论仅意指该实施方案的示例，而并非旨在表示包括权利要求书在内的本公开的范围限于该实施方案。
示例性实施方案涉及谐振电源转换器。更具体地，各种示例性实施方案涉及具有初级侧控制器的谐振电源转换器，其在过载和短路状况期间限制输入电流和输出电流。电流限制是在严重的过流状况下关闭谐振电源转换器的过流保护的附加措施。因为在关闭之前的过载和短路状况期间电流受限，所以可以针对标称功率状况而不是针对过流状况设计各种电路部件(例如，电感器、变压器、桥式整流器)。还更具体地，根据各种实施方案的初级侧控制器感测变压器的初级绕组中的电流，并且当感测到过流状况时，初级侧控制器通过增大施加到初级绕组的交流电(AC)信号的频率来限制电流。说明书现在向读者描述了谐振电源转换器。
图1示出了根据至少一些实施方案的谐振电源转换器。特别地，图1的谐振电源转换器100包括通过变压器106耦接的初级侧102和次级侧104。在图1中从左到右来看，谐振电源转换器100包括高边场效应晶体管(FET)108和低边FET 110。高边FET 108具有耦接到输入直流电(DC)电压(下面称为输入电压VDC)的漏极112，以及耦接到开关节点116的源极114。高边FET 108的栅极118通过高边栅极端子122耦接到初级侧控制器120。当初级侧控制器120通过栅极118的生效发出命令时，高边FET 108将开关节点116(以及因此变压器106)耦接到输入电压VDC。低边FET 110具有耦接到开关节点116的漏极124，以及耦接到初级侧102上的地的源极126。低边FET 110的栅极128通过低边栅极端子130耦接到初级侧控制器120。当初级侧控制器120通过栅极128的生效发出命令时，低边FET 110将开关节点116耦接到初级侧上的地。在操作中，初级侧控制器120交替地将开关节点116耦接到输入电压VDC并然后分别通过高边FET 108和低边FET 110耦接到地，从而在开关节点116处产生交流电(AC)信号(并因此将AC信号施加到变压器106)。为了不将输入电压VDC短接到地，初级侧控制器120被设计和构造成使得高边FET 108和低边FET 110不被同时地命令导通(即，在各个栅极的生效之间存在死区或死区时间)。
开关节点116耦接到变压器106的初级绕组132。图1中的初级绕组132被示出为分离的电感，其中初级绕组132的漏电感由漏电感134表示，而初级绕组132的初级电感由初级电感136(与金属芯138相关联的初级电感)表示。与初级绕组132串联的是电容器140。也就是说，电容器140耦接在初级绕组132的第二端子或连接与初级侧102上的地之间。漏电感134、初级电感136和电容器140因此在初级侧102上产生电感器-电感器-电容器(LLC)槽或谐振电路。被驱动到开关节点116的AC信号具有可处于LLC谐振电路的谐振频率处或其附近的频率。关于操作LLC谐振电源转换器，注意共同拥有的美国专利9,520,795，其以引用方式并入本文，如同在下面完全再现。
仍然参考图1，变压器106还包括耦接到桥式整流器144的次级绕组142。在图1所示的示例性次级侧104中，次级绕组142具有中心抽头146，该中心抽头联接到次级侧104上的公共端。次级绕组142的其他端子耦接到具有两个二极管的示例性桥式整流器144。在其他情况下，中心抽头146可以是电浮置的，并且剩余的两个端子耦接到具有四个二极管的另一个示例性桥式整流器。桥式整流器144耦接到平滑电容器148，该平滑电容器对由桥式整流器144产生的整流信号进行滤波以产生输出电压VOUT。在示例性系统中，负载被示例性地示出为耦接在输出电压VOUT两端的电阻器RL。
仍然参考次级侧104，参考电阻器150耦接到VOUT的正极端子，并且参考电阻器150然后耦接到二极管152的阳极。二极管152的阴极耦接到次级侧104上的公共端。二极管152是光耦合器156的一部分，其感测输出电压VOUT，并将输出电压的指示光学地传递到晶体管154的基极，晶体管154也是光耦合器156的一部分。光耦合器156的晶体管154示例性地使其集电极耦接到初级侧控制器120的反馈端子158，并使其发射极耦接到初级侧102上的地。因此，初级侧控制器120通过光耦合器156和反馈端子158感测表示提供给负载的输出电压的信号。
在操作中，高边FET 108和低边FET 110交替地将开关节点116耦接到输入电压VDC和地，从而产生施加到初级绕组132的AC信号。施加到初级绕组132的AC信号在变压器106上传递，以在次级绕组142上产生AC信号(初级绕组上的AC信号与次级绕组上的AC信号之间的电压关系由变压器的匝数比决定)。然后，在次级绕组142上产生的AC信号由桥式整流器144整流并平滑以产生施加到负载RL的输出电压VOUT。
初级侧控制器120控制开关节点116处的AC信号的频率(即，控制到高边FET 108和低边FET 110的栅极信号的生效的频率)。根据示例性实施方案，基于若干信号而管理或控制施加到高边FET 108和低边FET 110的栅极信号的频率，以及因此开关节点116处的AC信号的基频。一个示例性信号是表示在反馈端子158处感测到的输出电压的信号。另一个示例性信号是表示在开关节点端子160处感测到的开关节点116处的AC信号的信号。也就是说，初级侧控制器120的开关节点端子160耦接到开关节点116。又一个示例性信号是表示在电流感测端子162处感测到的初级绕组132中的电流的信号。特别地，电流感测端子162耦接到AC分压器电路，AC分压器电路被示例性地示出为电容器164和166。电容器164和166串联耦接，并且两个串联电容器164/166并联耦接到电容器140。因此，初级绕组132和电容器140之间的节点168处的AC信号被电容器164和166分压。在一些情况下，电流感测端子162可以直接地耦接到电容器164和166之间的节点170。在又其他情况下，实现另一个分压器电路(被示例性地示出为两个电阻器172和174)。因此，在示例性系统中，电流感测端子162耦接到电阻器172和174之间的节点176。
仍考虑到产生和施加到开关节点116的AC信号的频率，主要地是AC信号的频率基于提供给负载的功率，其中较高频率用于较高负载且较低频率用于较低负载(但是频率仍然是在接近初级侧102上的LLC电路的谐振频率或在其附近的受控范围内)。由初级侧控制器120进行的频率调整可以基于表示在反馈端子158上感测到的输出电压的信号，其中较低输出电压VOUT指示增大的负载(从而产生较低频率)，而较高输出电压VOUT指示减小的负载(从而产生更高频率)。其次，初级侧控制器120还可以通过在开关节点端子160处感测到的开关节点116处的AC信号的频率(可能结合占空比的变化)调整频率以减少在初级侧102上产生的谐波。在非故障状况下(即，次级侧104上没有过载或短路状况)，并且尽管频率改变以减少谐波，初级侧控制器120随着提供给负载的功率的增大而减小开关节点116处的AC信号的频率，并同样地，初级侧控制器120随着提供给负载的功率的减小而增大开关节点116处的AC信号的频率。说明书现在转向示例性初级侧控制器120。
图2示出了根据至少一些实施方案的初级侧控制器的框图。特别地，图2示出了用于谐振电源转换器的初级侧控制器120的框图，其中初级侧控制器120可以是单片构造的集成电路。示例性初级侧控制器120包括高边栅极端子122、低边栅极端子130、开关节点端子160、电流感测端子162和反馈端子158，它们都在相同的相对位置处，如图1所示；然而，初级侧控制器的端子的物理放置是任意的，因此示例性端子的位置不是限制性的。此外，省略将存在的附加端子(例如，电源端子、接地端子)，以免使图过度复杂。
示例性初级侧控制器120包括FET驱动器200。FET驱动器200被设计和构造成用适当的信号驱动高边FET和低边FET的栅极。因此，FET驱动器200包括耦接到高边栅极端子122的高边输出202、以及耦接到低边栅极端子130的低边输出204。FET驱动器200响应于从频率控制器206提供的信号驱动各个栅极端子。在示例性系统中，FET驱动器200因此包括高边输入208和低边输入210，它们各自都耦接到频率控制器206。在大多数的操作情况下，到FET的栅极的栅极信号的生效是互斥的，并且因此来自频率控制器的单个信号可能足以从频率控制器206提供所需信息，但是有两个输入也使频率控制器206能够提供附加的命令和信息，诸如停止操作的命令(例如，当高边输入和低边输入都解除生效时)。
仍然参考图2，示例性初级侧控制器120包括上述频率控制器206。频率控制器206限定分别耦接到FET驱动器200的高边输入208和低边输入210的高边输出212和低边输出214。频率控制器206还限定耦接到开关节点端子160的感测输入216。示例性频率控制器206通过开关节点端子160和感测输入216来感测开关节点116(图1)处的AC信号。示例性频率控制器206还限定定时输入218。通过定时输入218，向频率控制器206提供确定高边栅极端子122的解除生效的定时并扩展到确定低边栅极端子130的生效的定时(下面更详细地讨论)的信息。
示例性初级侧控制器还包括故障检测器220。故障检测器220具有耦接到电流感测端子162的感测输入222。示例性故障检测器具有脉冲计数输入224，其示例性地耦接到FET驱动器200的高边输出202(以及因此高边栅极端子122)。示例性故障检测器还具有耦接到频率控制器206的故障输出226。示例性故障检测器还包括过流输出228，故障检测器在其上驱动指示由故障检测器220检测到的过流状况的信号(例如，布尔、模拟)。根据至少一些实施方案，故障检测器220被设计和构造成感测谐振电源转换器的初级绕组的过流状况(通过感测输入222和电流感测端子162)。示例性故障检测器220还被设计和构造成响应于过流状况而使过流输出228上的过流信号生效。在介绍初级侧控制器120的其他部件之后，下面更详细地讨论故障检测器220的示例性操作模式。
仍然参考图2，示例性初级侧控制器120还包括反馈控制器230。反馈控制器230限定耦接到电流感测端子162的感测输入232。示例性反馈控制器230限定耦接到故障检测器220的过流输出228的过流输入234。反馈控制器230限定耦接到反馈端子158的反馈输入236。反馈控制器230限定耦接到频率控制器206的斜坡输入238。最后，反馈控制器230限定耦接到频率控制器206的定时输入218的定时输出240。根据示例性实施方案，在过流输入234上的过流信号(来自故障检测器220)解除生效的时间段期间，反馈控制器230被设计和构造成通过反馈输入236和反馈端子158感测表示输出电压的信号，并产生中间信号242(最终用于在定时输出240上产生定时信号，如下面更详细地讨论的)。此外，在过流输入234上的过流信号(来自故障检测器220)生效的时间段期间，反馈控制器230被设计和构造成修改中间信号242以增大被驱动到高边栅极端子122和低边栅极端子130的信号的频率。在示例性系统中，中间信号242的产生及其在某些操作状态期间的修改由斜坡补偿电路244执行。下面更详细地讨论斜坡补偿电路244的示例性实施方式。
简要地返回频率控制器206。因此，示例性频率控制器206进一步限定耦接到反馈控制器230的斜坡输入238的斜坡输出246。如下面将更详细地讨论的，被驱动到斜坡输出246的斜坡信号控制斜坡补偿电路244的操作方面。此外，频率控制器206限定耦接到故障检测器220的故障输出226的故障输入248。响应于故障检测器220检测到过流状况以及故障输出226生效，频率控制器206停止谐振电源转换器的操作。下面将更详细地讨论可能导致停止操作的示例性故障状况。说明书现在转向谐振电源转换器和示例性初级侧控制器120的操作的描述。
图3示出了根据至少一些实施方案的时序图。特别地，图3具有以对应的时间轴示出的四个图或曲线300、302、304和306。曲线300示出了与表示初级电流的信号(下面仅为初级电流信号310)共同绘制的示例性中间信号242。初级电流信号310(IP)可以是通过电流感测端子162(图1)感测的信号。曲线302示出了施加到高边FET 108的示例性栅极信号(即，由FET驱动器200驱动到高边栅极端子122的信号)。曲线304示出了施加到低边FET 110的示例性栅极信号(即，由FET驱动器200驱动到低边栅极端子130的信号)。曲线302和304的示例性栅极信号如图所示被生效为高，但是可以基于由高边FET 108和低边FET 110中的每个实现的FET的类型来选择生效状态(并且FET不需要属于同一类型)。最后，曲线306示出了在开关节点116处产生的示例性AC信号，如可以通过开关节点端子160(图1或图2)由频率控制器206(图2)来感测。
同时参考图1和图3，对于0与t4之间的时间段，示例性谐振电源转换器100正在稳态状况下操作，如平坦中间信号242所示。根据示例性实施方案，当初级电流信号310与中间信号242交叉时，高边FET 108在每个周期中关闭。具体地考虑从时间t1开始并延长到t2的时间段。当初级电流信号310与中间信号242交叉时(在交叉点312处)，初级侧控制器120使高边栅极端子122以及因此高边FET 108的栅极118解除生效。因此，高边FET 108变为非导通，并且输入电压VDC与开关节点116断开。在预先确定的时间量之后(即，图中所示的死区时间)，初级侧控制器120使低边栅极端子130和低边FET 110的栅极生效。因此，低边FET 110变为导通的，以将开关节点116耦接到地。在示例性情况下，低边FET110的栅极的生效状态的时间长度(以及因此低边FET 110的导通时间)由初级侧控制器120(具体地，频率控制器206(图2))控制为与高边FET 108的紧接先前导通时间的时间长度相同(如图3中的曲线箭头所示)。在预先确定的时间长度之后，初级侧控制器120使低边栅极端子130和因此低边FET 110的栅极解除生效。因此，低边FET 110变为非导通的，以将开关节点116与地断开。在另一个预先确定的死区时间(未针对特定转变具体地示出)之后，初级侧控制器120再次使高边栅极端子122以及因此高边FET 108的栅极118生效。同样，高边FET 108变为导通的，以将输入电压VDC耦接到开关节点116。而且，如前所述，一旦初级电流信号310与中间信号242交叉(在交叉点314处)，初级侧控制器120就使高边栅极端子122以及因此高边FET 108的栅极118解除生效，并且该过程继续。
使高边FET 108导通并然后使低边FET 110导通在开关节点116处产生电压方波信号，如曲线306所示(并且其产生更正弦的初级电流IP)。开关节点116处的方波信号可以被认为是具有通过初级侧控制器120的开关频率设定的基频的AC信号。由于电容器140，在初级绕组132中没有DC电流。
仍然同时参考图1和图3。同样，0与t4之间的时间段表示稳态操作。然而，在时间t4，发生由负载汲取的功率的变化。特别地，在该示例中的时间t4处，由负载汲取的功率增加。由负载汲取的功率的增加可能具有若干影响。首先，由负载汲取的功率的增加导致输出电压的略微下降。输出电压的略微下降在图3中由恰好在时间t4之后中间信号242的幅度的增加示出。当输出电压下降时，中间信号242的幅度的增加可归因于光耦合器156的操作。也就是说，当输出电压较低时，二极管152产生较少光子，并且因此在晶体管154的基极处接收较少光子。随着晶体管154变得较不导通，由于上拉电阻器316，反馈输入236(图2)处的电压变高。其他配置也是可能的。然而，一旦中间信号242改变幅度，用于关闭高边FET 108的触发点相应地改变(例如，交叉点318)。如果频率控制器206(图2)没有做出其他改变，那么中间信号242的示例性增加的幅度因此减小在开关节点116处产生的AC信号的频率，因为高边FET 108保持导通状态更长时间(与图3中的先前时间段相比)。
尽管未在图3中具体地示出，但是当由负载汲取的功率减小时，输出电压略微增大，中间信号242的幅度减小，交叉点改变，并且因此谐振电源转换器100的初级侧102的操作频率增大。因此，示例性系统实现谐振电源转换器100的初级控制，使得操作频率与提供给负载的功率成反比。也就是说，随着提供给负载的功率增加，频率减小。而且，随着提供给负载的功率减少，频率增大。
返回图2，与基于反馈输入236处的反馈信号而通过改变中间信号242的幅度来实现频率变化同时地，频率控制器206也可以进行频率变化。也就是说，为了减少施加到变压器106(图1)的初级绕组132(也是图1)的AC信号的谐波失真，示例性频率控制器206通过开关节点端子160和感测输入216监测AC信号。在一些情况下，频率控制器206被设计和构造成操作以使得总频率处于或略低于初级侧102(图1)上的LLC电路的谐振频率。为了实现频率控制，频率控制器206通过耦接到反馈控制器230的斜坡输入238的斜坡输出246来改变斜坡信号和/或将其发送到斜坡补偿电路244。如下面更详细地讨论的，在一些情况下，斜坡信号是模拟信号，其控制施加到用于产生中间信号242的反馈信号的增益和/或偏置。然而，在其他情况下，斜坡信号可以是布尔信号，或频率控制器206可以通过基于封装的消息与斜坡补偿电路244通信。然而，基于反馈端子158(和反馈输入236)上的反馈信号并还基于由频率控制器提供的斜坡信号来控制中间信号242的幅度(例如，以减少次谐波振荡)。
图2示出了故障检测器220的示例性实施方式。特别地，示例性故障检测器220检测变压器106(图1)的初级绕组132(也是图1)中的过流状况。在所示的实施方案中，感测输入222耦接到比较器250的非反相输入249。反相输入252耦接到预先确定的电压(被示出为电压源254)。由电压源254产生的电压表示初级绕组132中的电流阈值。考虑到在电流感测端子162与节点168(图1)之间实现的各种AC和DC分压器电路来选择由电压源254产生的电压。因此，当初级绕组中的电流超过预先确定的阈值(即，过流状况)时，比较器输出256在电流高于阈值(即，过流信号)的时间段生效。初级电流信号310(图3)是AC信号，并且在示例性故障检测器220中，比较器250仅在初级电流信号310的波形的一半中感测峰值电流(即，正半周期，但另选地，可以被构造成在负半周期或两者中进行感测)。在过载或短路状况下，初级电流信号310可能在连续周期中超过预先确定的阈值，并且因此由比较器250产生的信号可以是多个脉冲。可以通过过流状况触发两个控制动作，第一个是如果过流状况持续预先确定的数量的周期，那么停止电源转换器的操作。
特别地，图2的示例性故障检测器220实现故障计数器258。故障计数器258具有耦接到比较器输出256的故障输入260。故障计数器258还限定脉冲计数输入224、故障输出226和过流输出228。关于在过流状况下停止操作(例如，在次级侧104(图1)上严重过载或短路)，故障计数器258被配置为感测指示在施加到初级绕组132(图1)的AC信号的频率的每个周期中的过流状况的脉冲或对其进行计数。如果在AC信号的频率的预先确定的数量的周期(通过耦接到高边栅极端子122的脉冲计数输入224感测到的周期)中感测到预先确定的数量的过流状况，那么故障计数器258(以及因此故障检测器220)将故障输出226生效到频率控制器206。频率控制器206继而停止操作谐振电源转换器。预先确定的数量的过流状况、以及AC信号的频率的预先确定的数量的周期可以由谐振电源转换器的设计者选择。在一些情况下，预先确定的数量的过流状况在5个与10个之间并包括5个和10个，并且AC信号的频率的预先确定的数量的周期超过30个周期。一个示例性设置是当在AC信号的频率的50个周期的滚动窗口中检测到六个过流状况时，故障计数器258使故障输出226生效。
可基于过流状况而采取的第二控制动作是通过增大AC信号的频率来限制初级侧102(图1，以及因此次级侧104)中的电流。特别地，示例性故障计数器258还被设计和构造成在检测到预先确定的数量的过流状况时使过流输出228生效。在一个示例性实施方案中，过流输出228在单个过流状况之后生效，但是在其他情况下，可以在使过流输出228生效之前对多于一个(但少于造成停止操作的数量)过流状况进行计数。下面更详细地讨论斜坡补偿电路244的响应动作。然而，考虑到斜坡补偿电路244的响应动作降低初级电流，使得峰值初级电流下降以及自第一过流状况以来的过流状况的数量不增加。在示例性实施方案中，故障计数器258继续使过流输出228生效达AC信号的频率的预先确定的数量的周期(再次，如在脉冲计数输入224处感测到的)。在一个示例性情况下，故障计数器可以在解除生效之前将过流输出228保持在生效状态达AC信号的频率的30个周期，以使得有时间清除过载或短路状况。如果在过流输出解除生效时仍未清除过载或短路，那么频率将再次增大并出现过流状况，这可能会造成停止操作。另一方面，如果在过流输出228生效的时间段期间清除过载或短路状况，那么当过流输出228解除生效时，谐振电源转换器恢复非故障操作。
图4示出了根据至少一些实施方案的时序图。特别地，图4具有以对应的时间轴示出的五个图或曲线400、402、404、406和408。曲线400示出了与示例性初级电流信号310共同绘制的示例性中间信号242，以及示例性未修改的中间信号410(以点划线示出)。类似于图3：曲线402示出了施加到高边FET 108的示例性栅极信号；曲线404示出了施加到低边FET110的示例性栅极信号；并且曲线406示出了在开关节点116处产生的示例性AC信号。图4还包括曲线408，其示出了由比较器输出256(图2)驱动的信号。
考虑到在t1(与图3中的t1不同的时间)周围的时间段，由负载汲取的功率增加，诸如由于耦接到输出电压VOUT(图1)的严重过载或短路状况(以下简称“短路”)导致。短路增加在输出处汲取的电流，并同样地减小电压。输出电压的减小造成中间信号242的幅度增大，如恰好在t1之后所示。如前所述，中间信号242的幅度的增大造成频率的初始减小。然而，还考虑到短路造成初级绕组132(图1)中的电流超过预先确定的阈值(由电压源254(图2)设定)，因此比较器输出256(图2)生效(即，过流状况)，并且在示例性情况下造成三次生效，如曲线408所示。
在非故障操作中，减小输出电压造成中间信号242的幅度增大，并且中间信号242的示例性增加的幅度在曲线400中被示出为未修改的中间信号410。然而，由于过流状况，根据各种实施方案，中间信号被修改以增大频率。例如，在t3与t4之间，中间信号242的幅度减小，这造成如图所示在时间t4和其之后(并与时间t1与t3之间的频率相比)频率增大。因此，初级侧控制器120(图1或图3)在短路状况期间限制输入电流和输出电流。因为在关闭之前的短路状况期间电流受限，所以可以针对标称功率状况而不是针对将要经历但用于限制电流的过流状况设计各种电路部件(例如，变压器106、桥式整流器144)。此外，在AC信号的频率的一定数量的周期(例如，30个周期，50个周期)之后，可以允许中间信号242返回到其未修改的状态或状况。如果已经清除短路状况，那么电源转换器将返回到非故障操作。如果短路仍然存在，那么基于增加的脉冲计数高于预先确定的极限(在AC信号的频率的预先确定的数量的周期内)，故障计数器258可以使故障输出226生效，从而停止电源转换器的操作。
现在返回图2，响应于过流状况而修改中间信号242以增大频率可以采用许多形式。例如，当斜坡补偿电路244在其过流输入234上接收到生效的信号时，斜坡补偿信号可以将中间信号242钳位在某个电压上，该电压确保对于谐振电源转换器100(图1)的特定设计而言，初级绕组132上的过流状况将不发生。在其他情况下，反馈输入236上的反馈信号与中间信号242之间的关系可以由查找表控制。当斜坡补偿电路244在其过流输入234上接收到生效的信号时，斜坡补偿信号可以改变或切换到不同的查找表。在又其他情况下，反馈输入236上的反馈信号与中间信号242之间的关系基于施加到反馈信号的增益和/或偏置。
图5示出了根据至少一些实施方案的斜坡补偿电路的框图。特别地，示例性斜坡补偿电路244包括可调增益放大器500，其具有耦接到反馈输入236的放大器输入502。此外，示例性斜坡补偿电路244包括被示出为求和块502和受控电流源504的偏置电路。求和块502具有耦接到放大器输出508的求和输入506，并且求和块502具有耦接到斜坡补偿电路244的中间输出512的和输出510。此外，求和块502具有耦接到受控电流源504的另一个求和输入507。因此，在示例性实施方案中，由放大器500产生的电压与由受控电流源504产生的电压相加以产生中间信号242。然而，应当理解，可以省略呈求和块502和受控电流源504形式的偏置电路，仅支持可调增益放大器500，并且相反，可以省略可调增益放大器500，仅支持偏置电路，所有都不脱离本公开的范围和实质。
根据示例性实施方案，由可调增益放大器500提供的增益由频率控制器206(图2)通过斜坡输入238控制，并且增益也由故障计数器258(图2)通过过流输入234控制。在非故障操作中，频率控制器206可以调整增益以控制频率来实现所期望的操作频率(例如，减小谐波失真、或确保在连续导通模式下的操作的频率)。由受控电流源504和求和块502(如果存在)提供的偏置由频率控制器206(图2)通过斜坡输入238控制，并由故障计数器258(图2)通过过流输入234控制。在非故障操作中，频率控制器206可以调整偏置以控制频率来实现所期望的操作频率(例如，减小谐波失真、或确保在连续导通模式下的操作的频率)。
换句话说，反馈控制器230(通过示例性斜坡补偿电路244)被设计和构造成使得在过流输入234上的过流信号解除生效的时间段期间，反馈控制器230可以将增益施加到表示输出电压的信号。除了增益之外或代替增益，反馈控制器230(通过示例性斜坡补偿电路244)被设计和构造成使得在过流输入234上的过流信号解除生效的时间段期间，反馈控制器230可以将偏置施加到表示输出电压的信号。仅施加增益、仅施加偏置或施加增益和偏置的组合产生中间信号242。
然而，在过流输入234上的过流信号生效的时间段期间，反馈控制器230(通过示例性斜坡补偿电路244)被设计和构造成将用于产生中间信号的增益从原始信号改变为不同于原始增益的修改增益。除了增益之外或代替增益，反馈控制器230(通过示例性斜坡补偿电路244)被设计和构造成使得在过流输入234上的过流信号生效的时间段期间，反馈控制器230可以将偏置施加到表示输出电压的信号。然而，在过流信号生效的时间段期间，仅施加增益、仅施加偏置或施加增益和偏置的组合仍然产生中间信号242。
图5在斜坡补偿电路244内嵌入有示出反馈输入(VFB)236上的电压与由斜坡补偿电路244产生的中间信号(VIS)242的电压之间的示例性关系的图。特别地，实线514表示具有1的斜率(即，单位增益)的增益。增益增大(例如，高于使斜率为1的增益的增益增大)增大斜率，诸如点划线516所示。增益减小(例如，低于使斜率为1的增益的增益减小)减小斜率，诸如虚线518所示。用于任何特定非故障操作状况的增益可以任意地选择为高于单位增益、等于单位增益或低于单位增益。然而，当过流信号生效时，响应于过流信号的生效的增益变化减小斜率。相反，当过流信号从生效状态转换到解除生效状态时，响应于解除生效的增益变化增大斜率。尽管未在图5中的嵌入关系中具体地示出，但是类似地，当过流信号生效时，响应于过流信号的生效的偏置(如果使用的话)变化减小偏置。相反，当过流信号从生效状态转换到解除生效状态时，响应于解除生效的偏置变化增大偏置。
图6示出了根据至少一些实施方案的方法。也就是说，在具有选择性地将输入电压耦接到变压器的初级绕组的高边FET、选择性地将变压器的初级绕组耦接到地的低边FET、以及向次级侧上的负载提供功率的变压器的次级绕组的电源转换器中，该方法开始(框600)并包括：感测表示提供给负载的输出电压的信号(框602)；使用表示输出电压的信号产生中间信号(框604)；感测表示初级绕组中的电流的信号(框606)；通过高边FET和低边FET来控制施加到初级绕组的交流电(AC)信号的频率(框608)；基于中间信号和表示初级绕组中的电流的信号来控制AC信号的每个周期中的高边FET的关闭(框610)；感测变压器的初级绕组中的过流状况(框612)；以及响应于过流状况而修改中间信号以增大AC信号的频率(框614)。此后，该方法可以结束(框616)。
上述讨论意在说明本发明的原理和各种实施方案。一旦完全理解了上述公开的内容，对于本领域技术人员来说许多变型形式和修改形式就将变得显而易见。以下权利要求书被解释为旨在包含所有此类变型形式和修改形式。

Claims (9)

1.一种操作电源转换器的方法，包括：
感测表示提供给负载的输出电压的信号；
使用表示所述输出电压的所述信号产生中间信号；
感测表示变压器的初级绕组中的电流的信号；
通过高边场效应晶体管和低边场效应晶体管来控制施加到所述初级绕组的交流电信号的频率，所述高边场效应晶体管选择性地将输入电压耦接到所述初级绕组，并且所述低边场效应晶体管选择性地将所述初级绕组耦接到地；
每次表示所述初级绕组中的所述电流的所述信号超过预先确定的阈值时，将故障输入生效到故障计数器；
由所述故障计数器响应于在所述交流电信号的所述频率的第二预先确定数量的周期内的所述故障输入的第一预先确定数量的生效，使过流输出生效；在所述过流输出解除生效的时间段期间，基于所述中间信号和表示所述初级绕组中的电流的所述信号，在所述交流电信号的每个周期中控制所述高边场效应晶体管的关闭；并且
在所述过流输出生效的时间段期间，通过修改所述中间信号以产生经修改的信号，并通过基于所述经修改的信号和表示所述初级绕组中的电流的所述信号来控制每个周期中所述高边场效应晶体管的关闭，从而增加所述交流电信号的频率。
2.根据权利要求1所述的方法：
其中产生所述中间信号还包括将增益施加到表示所述输出电压的所述信号；并且
其中修改还包括改变用于产生所述中间信号的所述增益，所述修改是从原始增益到不同于所述原始增益的修改增益。
3.根据权利要求1所述的方法：
其中产生所述中间信号还包括将偏置施加到表示所述输出电压的所述信号；并且
其中修改还包括改变用于产生所述中间信号的所述偏置。
4.根据权利要求1所述的方法：
其中控制频率还包括基于通过初级侧控制器的电流感测端子感测表示所述初级绕组中的所述电流的所述信号而进行控制。
5.一种集成电路，所述集成电路包括：
所述集成电路内的驱动器电路；
所述集成电路内的频率控制器，所述频率控制器耦接到所述驱动器电路，所述频率控制器被配置为控制被驱动到高边栅极端子和低边栅极端子的信号的频率；
所述集成电路内的第一比较器，所述第一比较器限定耦接到电流感测端子的第一输入，耦接到参考电压的第二输入，以及比较器输出，所述第一比较器被配置为在每次所述电流感测端子上的信号通过参考电压转换时，使所述比较器输出生效；
所述集成电路内的故障计数器，所述故障计数器限定耦接到所述比较器输出的故障输入，以及过流输出，所述故障计数器被配置为响应于在被驱动到所述高边栅极端子和所述低边栅极端子的所述信号的所述频率的第二预先确定数量的周期内的所述故障输入的第一预先确定数量的生效，使所述过流输出生效；
所述集成电路内的反馈控制器，所述反馈控制器包括：
斜坡补偿电路，其限定中间输出，耦接到所述过流输出的过流输入以及耦接到反馈端子的反馈输入；
第二比较器，其限定耦接到所述电流感测端子的第一输入，耦接到所述中间输出的第二输入，以及耦接到所述频率控制器的比较器输出；
在所述过流输入解除生效的时间段期间，所述斜坡补偿电路被配置为通过所述反馈端子感测表示输出电压的信号，并产生施加到所述中间输出的中间信号；并且
在所述过流输入生效的时间段期间，所述斜坡补偿电路被配置为修改所述中间信号以增大被驱动到所述高边栅极端子和所述低边栅极端子的所述信号的所述频率。
6.根据权利要求5所述的集成电路，还包括：
在所述过流输入解除生效的时间段期间，所述斜坡补偿电路被配置为将增益施加到表示输出电压的所述信号以产生所述中间信号；并且
在所述过流输入生效的时间段期间，所述斜坡补偿电路被进一步配置为将用于产生所述中间信号的所述增益从原始增益改变为不同于所述原始增益的修改增益。
7.根据权利要求5所述的集成电路，还包括：
在所述过流输入解除生效的时间段期间，所述斜坡补偿电路被配置为将偏置施加到表示所述输出电压的所述信号以产生所述中间信号；并且
在所述过流输入生效的时间段期间，所述斜坡补偿电路被配置为将所述偏置从原始偏置改变为不同于所述原始偏置的修改偏置。
8.根据权利要求5所述的集成电路，还包括：
在所述过流输入解除生效的时间段期间，所述斜坡补偿电路被配置为将增益和偏置施加到表示输出电压的所述信号以产生所述中间信号；并且
在所述过流输入生效的时间段期间，所述斜坡补偿电路被配置为改变从由以下项构成的组中选择的至少一个：所述增益；和所述偏置。
9.一种谐振电源转换器，包括：
变压器，所述变压器包括初级绕组和次级绕组，所述变压器的所述次级绕组被配置为向次级侧上的负载提供功率；
高边场效应晶体管，所述高边场效应晶体管选择性地将输入电压耦接到所述变压器的所述初级绕组；
低边场效应晶体管，所述低边场效应晶体管选择性地将所述变压器的所述初级绕组耦接到地；
控制器，所述控制器限定耦接到所述高边场效应晶体管的栅极的高边栅极端子、耦接到所述低边场效应晶体管的栅极的低边栅极端子、耦接到分压器的电流感测端子、以及耦接到所述谐振电源转换器的次级侧上的感测电压的反馈端子，所述控制器包括：
频率控制器，所述频率控制器耦接到驱动器电路，所述频率控制器被配置为控制被驱动到所述高边栅极端子和所述低边栅极端子的信号的频率；
比较器，所述比较器限定耦接到电流感测端子的第一输入，耦接到参考电压的第二输入，以及比较器输出，所述比较器被配置为在每次所述电流感测端子上的信号通过参考电压转换时，使所述比较器输出生效；
故障计数器，所述故障计数器限定耦接到所述比较器输出的故障输入，以及过流输出，所述故障计数器被配置为响应于在被驱动到所述高边栅极端子和所述低边栅极端子的所述信号的所述频率的第二预先确定数量的周期内的所述故障输入的第一预先确定数量的生效，使所述过流输出生效；
斜坡补偿电路，其限定中间输出，耦接到所述过流输出的过流输入以及耦接到反馈端子的反馈输入；
第二比较器，其限定耦接到所述电流感测端子的第一输入，耦接到所述中间输出的第二输入，以及耦接到所述频率控制器的比较器输出；
在所述过流输入解除生效的时间段期间，所述斜坡补偿电路被配置为通过所述反馈端子感测表示输出电压的信号，并产生中间信号；并且
在所述过流输入生效的时间段期间，所述斜坡补偿电路被配置为修改所述中间信号以增大被驱动到所述高边栅极端子和所述低边栅极端子的所述信号的所述频率。
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