CN111884517B - 控制芯片及开关电源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种控制芯片及开关电源，该控制芯片包括电压控制型振荡器、桥臂开关控制信号产生电路、整流开关控制信号产生电路；电压控制型振荡器，用于根据第一电流和第二电流生成第三电流，根据第三电流生成时钟信号；桥臂开关控制信号产生电路用于根据时钟信号，输出第一控制信号以及第二控制信号，第一控制信号和第二控制信号形成固定死区；整流开关控制信号产生电路，用于根据第一变压器副边的电压采样信号，生成用于控制第二整流开关的控制信号，和用于根据第二变压器副边的电压采样信号，生成用于控制第一整流开关的控制信号。本发明可以使利用变压器作为谐振电感的LLC谐振变换电路工作在可变的高频率下，同时具有较好的可靠性。

Description

控制芯片及开关电源
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种控制芯片及开关电源。
背景技术
目前，开关电源正向着高功率密度和高效率的方向发展，LLC谐振变换器因其优异的软开关特性及升压能力，得到了越来越广泛的应用。
为了减少开关损耗，目前还出现了多变压器结构的谐振变换器，如在专利公布号CN109995242A公开的技术方案中，其将传统的LLC谐振变换器中的谐振电感Lr替换为变压器，利用变压器作为谐振电感，即包括两个原边串联的变压器，在死区时间里可以使谐振腔内的能量输出到副边，进而有利于减少原边的开关损耗，使得谐振变换器可以工作在可变的高频率下。
目前谐振变换器的控制方式是侦测半桥开关的零电压时刻，并根据侦测的情况实时调整死区时间，当谐振变换器的工作频率升高时，周期时间缩短，死区时间太短容易导致谐振变换器的半桥上下开关直通短路，进而影响可靠性。
发明内容
基于上述现状，本发明的主要目的在于提供一种控制芯片及开关电源，可以使现有的利用变压器作为谐振电感的LLC谐振变换电路工作在可变的高频率下，同时具有较好的可靠性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案提供了一种控制芯片，用于在LLC谐振变换电路中进行开关控制，所述LLC谐振变换电路包括第一桥臂开关、第二桥臂开关、第一整流开关、第二整流开关、谐振电容、与所述谐振电容串联的第一变压器和第二变压器，所述第一变压器和所述第二变压器为相同的变压器，所述第一变压器和所述第二变压器的励磁电感交替作为谐振电感，所述控制芯片包括电压控制型振荡器、桥臂开关控制信号产生电路、整流开关控制信号产生电路；
所述电压控制型振荡器，用于根据输出反馈电压产生的第一电流和内部电流源产生的第二电流，生成第三电流，以及根据所述第三电流生成频率可调、且脉宽保持不变的时钟信号；
所述桥臂开关控制信号产生电路，用于根据所述时钟信号，输出用于控制所述第一桥臂开关的第一控制信号，以及输出用于控制所述第二桥臂开关的第二控制信号，所述第一控制信号和所述第二控制信号形成固定死区；
所述整流开关控制信号产生电路，用于根据所述第一变压器副边的电压采样信号，生成用于控制所述第二整流开关的控制信号，和用于根据所述第二变压器副边的电压采样信号，生成用于控制所述第一整流开关的控制信号。
进一步地，所述控制芯片被配置为使所述LLC谐振变换电路的满载工作频率大于(2*f1)，其中，
Figure BDA0002602993980000021
式中，Cr为所述谐振电容的电容值，Lm为所述第一变压器、所述第二变压器的励磁电感。
进一步地，所述控制芯片包括：输出反馈电压引脚、误差电压引脚、频率设置引脚、振荡器电容引脚、死区设定引脚、第一桥臂开关控制信号输出引脚、第二桥臂开关控制信号输出引脚、第一变压器副边的电压采样引脚、第二变压器副边的电压采样引脚、第一整流开关控制信号输出引脚、第二整流开关控制信号输出引脚；
其中，所述电压控制型振荡器对应：所述输出反馈电压引脚、所述误差电压引脚、所述频率设置引脚、所述振荡器电容引脚、所述死区设定引脚；
所述桥臂开关控制信号产生电路对应：所述第一桥臂开关控制信号输出引脚、所述第二桥臂开关控制信号输出引脚；
所述整流开关控制信号产生电路对应：第一变压器副边的电压采样引脚、第二变压器副边的电压采样引脚、第一整流开关控制信号输出引脚、第二整流开关控制信号输出引脚。
进一步地，所述电压控制型振荡器包括：第一电压控制型电流源、第二电压控制型电流源、电流控制型电流源、电流控制型振荡电路；
所述第一电压控制型电流源，用于根据所述输出反馈电压与参考电压之间的误差电压，产生所述第一电流；
所述第二电压控制型电流源，用于根据第一基准电压，产生所述第二电流；
所述电流控制型电流源，用于根据所述第一电流和所述第二电流，产生所述第三电流；
所述电流控制型振荡电路，用于根据所述第三电流，产生所述时钟信号。
进一步地，所述第一电压控制型电流源，包括：第一运放，所述第一运放的正输入端接所述参考电压，负输入端接所述输出反馈电压引脚，输出接所述误差电压引脚，以通过所述误差电压引脚外接至一第一二极管的阴极；
所述第二电压控制型电流源，包括：第二运放，所述第二运放的正输入端接第一基准电压，负输入端接所述频率设置引脚，所述第二运放的输出端接第一三极管的基极；所述第一三极管的发射极接所述频率设置引脚；
所述电流控制型电流源，包括：与所述第一三极管串联的第二三极管，与第二三极管构成镜像电流源的第三三极管；
所述电流控制型振荡电路，包括：第一控制开关和第二控制开关，第一比较器，第二比较器，RS触发器；
所述第一控制开关的一端接第三三极管的集电极，另一端接所述振荡器电容引脚；
所述第二控制开关的一端接所述振荡器电容引脚，另一端接所述死区设定引脚；
所述第一比较器的正输入端接第二基准电压，负输入端接所述振荡器电容引脚；
所述第二比较器的负输入端接第三基准电压，正输入端接所述振荡器电容引脚；
所述RS触发器的S端输入接所述第一比较器的输出，R端输入接所述第二比较器的输出；所述RS触发器的NQ端输出信号为所述时钟信号，并作为所述第二控制开关的控制信号，所述RS触发器的Q端输出信号或NQ端输出信号作为所述第一控制开关的控制信号。
进一步地，所述第二控制开关为NPN三极管，所述第二控制开关的基极接所述RS触发器的NQ端；
所述第一控制开关包括：第二二极管，第四三极管；
所述第二二极管的阳极接第三三极管的集电极，阴极接所述振荡器电容引脚；第四三极管的集电极接所述第二二极管的阳极，第四三极管的发射极接地，第四三极管的基极接所述RS触发器的NQ端。
进一步地，所述第一电压控制型电流源包括跨导电路，或所述第一电压控制型电流源包括第三运放；
所述跨导电路的正输入端接所述参考电压，负输入端接所述输出反馈电压引脚，输出接所述误差电压引脚；
所述第三运放的正输入端接所述参考电压，负输入端接所述输出反馈电压引脚，输出接所述误差电压引脚，以通过所述误差电压引脚外接至一PNP型三极管的基极。
进一步地，所述桥臂开关控制信号产生电路，包括分频器和第一与门，第二与门；
所述分频器，用于对所述时钟信号进行1/2分频，得到第一分频信号和第二分频信号，所述第一分频信号、所述第二分频信号为相反的信号；
所述第一与门，输入是第一分频信号和所述RS触发器的Q端输出信号，输出作为所述第一控制信号；
所述第二与门，输入是第二分频信号和所述RS触发器的Q端输出信号，输出作为所述第二控制信号。
进一步地，所述整流开关控制信号产生电路，包括第三比较器和第四比较器，
所述第三比较器，其正输入端用于接所述第一变压器副边，其负输入端接第四基准电压，其输出作为所述第二整流开关的控制信号；
所述第四比较器，其正输入端用于接所述第二变压器副边，其负输入端接第五基准电压，其输出作为所述第一整流开关的控制信号。
为实现上述目的，本发明的技术方案还提供了一种开关电源，包括第一桥臂开关、第二桥臂开关、谐振电容、第一整流开关、第二整流开关、与所述谐振电容串联的第一变压器和第二变压器，所述第一变压器和所述第二变压器为相同的变压器，其特征在于，所述开关电源还包括：如上述的控制芯片、反馈电压采样电路、隔离驱动电路；
其中，所述反馈电压采样电路，其输入端连接所述开关电源的输出电压，其输出端连接所述控制芯片中作为输入引脚的输出反馈电压引脚；
所述控制芯片，其中作为输出引脚的第一桥臂开关控制信号输出引脚、第二桥臂开关控制信号输出引脚分别接所述隔离驱动电路的两个输入端；
所述控制芯片，其中作为输入引脚的第一变压器副边的电压采样引脚接所述第一变压器副边，其中作为输入引脚的第二变压器副边的电压采样引脚接所述第二变压器副边；其中作为输出引脚的第一整流开关控制信号输出引脚接所述第一整流开关的控制端，其中作为输出引脚的第二整流开关控制信号输出引脚接所述第二整流开关的控制端；
所述隔离驱动电路，其两个输入端连接所述控制芯片，其两个输出端分别接所述第一桥臂开关的控制端、第二桥臂开关的控制端。
进一步地，所述控制芯片，其振荡器电容引脚接一振荡电容，死区设定引脚接第二电阻；
所述反馈电压采样电路包括：串联的两个分压电阻；
所述控制芯片，其输出反馈电压引脚连接所述两个分压电阻之间的公共端，其频率设置引脚通过第一电阻接地，其误差电压引脚连接第一二极管的阴极，所述第一二极管的阳极连接所述频率设置引脚。
进一步地，还包括频率补偿电路和电压反馈补偿电路；
所述频率补偿电路，设置在所述第一二极管的阳极与所述频率设置引脚之间；
所述电压反馈补偿电路，一端连接所述输出反馈电压引脚，另一端连接所述误差电压引脚。
本发明提供的控制芯片，通过电压控制型振荡器采用死区时间固定的方式，控制双变压器结构(变压器代替谐振电感)的LLC谐振变换电路中的桥臂开关，这样可以避免当工作频率升高时造成死区时间太短，进而导致半桥上下开关直通短路的问题，从而提高谐振变换电路在高频率下的可靠性，同时，在控制芯片中设置整流开关控制信号产生电路，整流开关控制信号产生电路根据变压器副边的电压控制整流开关，实现同步整流控制，不但有利于提高谐振变换器的效率，还有利于简化谐振变换电路的控制电路，降低设计成本。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种控制芯片的示意图；
图2是本发明实施例提供的一种开关电源的示意图；
图3是本发明实施例提供的一种频率补偿电路的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种电压反馈补偿电路的示意图；
图5是本发明实施例提供的一种控制芯片的部分结构示意图；
图6是本发明实施例提供的另一种控制芯片的部分结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种第一电压控制型电流源的示意图；
图8是本发明实施例提供的另一种第一电压控制型电流源的示意图；
图9是本发明实施例提供的一种整流开关控制信号产生电路的示意图；
图10和图11是本发明实施例提供的控制芯片实现的波形示意图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分，为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明实施例提供了一种控制芯片，用于在LLC谐振变换电路中进行开关控制，所述LLC谐振变换电路包括第一桥臂开关、第二桥臂开关、第一整流开关、第二整流开关、谐振电容、与所述谐振电容串联的第一变压器和第二变压器，所述第一变压器和所述第二变压器为相同的变压器，所述第一变压器和所述第二变压器的励磁电感交替作为谐振电感，所述控制芯片包括电压控制型振荡器、桥臂开关控制信号产生电路、整流开关控制信号产生电路；
所述电压控制型振荡器，用于根据输出反馈电压产生的第一电流和内部电流源产生的第二电流，生成第三电流，以及根据所述第三电流生成频率可调、且脉宽保持不变的时钟信号；
所述桥臂开关控制信号产生电路，用于根据所述时钟信号，输出用于控制所述第一桥臂开关的第一控制信号，以及输出用于控制所述第二桥臂开关的第二控制信号，所述第一控制信号和所述第二控制信号形成固定死区；
所述整流开关控制信号产生电路，用于根据所述第一变压器副边的电压采样信号，生成用于控制所述第二整流开关的控制信号，和用于根据所述第二变压器副边的电压采样信号，生成用于控制所述第一整流开关的控制信号。
本发明实施例提供的控制芯片，通过电压控制型振荡器采用死区时间固定的方式，控制双变压器结构(变压器代替谐振电感)的LLC谐振变换电路中的桥臂开关，这样可以避免当工作频率升高时造成死区时间太短，进而导致半桥上下开关(第一桥臂开关和第二桥臂开关)直通短路的问题，从而提高谐振变换电路在高频率下的可靠性，同时，在控制芯片中设置整流开关控制信号产生电路，整流开关控制信号产生电路根据变压器副边的电压控制整流开关，实现同步整流控制，不但有利于提高谐振变换器的效率，还有利于简化谐振变换电路的控制电路，降低设计成本。
优选地，在一实施例中，所述控制芯片被配置为使所述LLC谐振变换电路的满载工作频率大于(2*f1)，其中，
Figure BDA0002602993980000071
式中，Cr为所述谐振电容的电容值，Lm为所述第一变压器、所述第二变压器的励磁电感，这样更有利于实现LLC谐振变换电路的ZVS(零电压开关)，使LLC谐振变换电路具有优越的过载能力，和较宽的输入电压范围，有利于实现更高的效率和功率密度。
例如，参见图1，在一实施例中，上述的控制芯片包括：输出反馈电压引脚FB、误差电压引脚COM、频率设置引脚RFmin、振荡器电容引脚CF、死区设定引脚DeadT、第一桥臂开关控制信号输出引脚HVG、第二桥臂开关控制信号输出引脚LVG、第一变压器副边的电压采样引脚TXH、第二变压器副边的电压采样引脚TXL、第一整流开关控制信号输出引脚SRHVG、第二整流开关控制信号输出引脚SRLVG；
其中，控制芯片的电压控制型振荡器200对应：所述输出反馈电压引脚FB、所述误差电压引脚COM、所述频率设置引脚RFmin、所述振荡器电容引脚CF、所述死区设定引脚DeadT；
控制芯片的桥臂开关控制信号产生电路200对应：所述第一桥臂开关控制信号输出引脚HVG、所述第二桥臂开关控制信号输出引脚LVG；
控制芯片的整流开关控制信号产生电路300对应：第一变压器副边的电压采样引脚TXH、第二变压器副边的电压采样引脚TXL、第一整流开关控制信号输出引脚SRHVG、第二整流开关控制信号输出引脚SRLVG。
例如，参见图2，所述LLC谐振变换电路包括输入端M1、输出端M2、第一桥臂开关Q1、第二桥臂开关Q2、谐振电容C1、第一整流开关Q3、第二整流开关Q4、与所述谐振电容C1串联的第一变压器TX1和第二变压器TX2，其中，输入端M1连接外部电源V1，输出端M2连接外部负载R1，第一桥臂开关Q1和第二桥臂开关Q2串联在输入端M1和地之间，第一桥臂开关Q1和第二桥臂开关Q2连接的公共端(A节点)与谐振电容C1的一端连接，第一变压器TX1的原边与第二变压器TX2的原边串联，第一变压器TX1的原边的第一端与谐振电容C1的另一端连接，第二变压器TX2的原边的第二端与地连接；第一变压器TX1的副边和第二变压器TX2的副边串联，第一变压器TX1的副边的第一端通过第一整流开关Q3连接到地；第二变压器TX2的副边的第二端通过第二整流开关Q4连接到地；第一变压器TX1的副边和第二变压器TX2的副边连接的公共端连接输出端M2；
第一变压器TX1和第二变压器TX2为相同的变压器，第一变压器TX1和第二变压器TX2的励磁电感相同，均为Lm，且原边和副边的线圈匝数比相同，形成对称的双变压器结构，在谐振变换器运行周期内，谐振电容C1分别能与第一变压器TX1的原边以及第二变压器TX2的原边形成LLC谐振电路，第一变压器TX1和第二变压器TX2的励磁电感交替作为谐振电感；
该LLC谐振变换电路还包括与负载R1并联的输出滤波电容C2；
其中，第一桥臂开关Q1、第二桥臂开关Q2、第一整流开关Q3和第二整流开关Q4可以为MOS管，在其他实施例中，也可以为电子开关器件，例如，第一整流开关Q3和第二整流开关Q4也可以为宽禁带半导体功率场效应晶体管，如可以为氮化镓场效应晶体管；
控制芯片用于对第一桥臂开关Q1、第二桥臂开关Q2和第一整流开关Q3、第二整流开关Q4进行控制，该控制芯片包括电压控制型振荡器、桥臂开关控制信号产生电路200、整流开关控制信号产生电路300，其中，该电压控制型振荡器包括第一电压控制型电流源110、第二电压控制型电流源120、电流控制型电流源130、电流控制型振荡电路140；
第一电压控制型电流源110，用于根据LLC谐振变换电路的输出反馈电压与参考电压V2之间的误差电压，产生第一电流I1，其中，输出反馈电压为输出反馈电压引脚FB的电压，其中，输出反馈电压可以通过一反馈电压采样电路得到，反馈电压采样电路包括第一分压电阻R2和第二分压电阻R3，第一分压电阻R2和第二分压电阻R3串联后连接在LLC谐振变换电路的输出端M2和地之间，第一分压电阻R2和第二分压电阻R3的共接端接控制芯片的输出反馈电压引脚FB，第一电压控制型电流源110的一端接输出反馈电压引脚FB，另一端接误差电压引脚COM，误差电压引脚COM外接至一第一二极管D1的阴极，第一电压控制型产生的第一电流I1可随输出反馈电压的变化而变化；
第二电压控制型电流源120，用于根据第一基准电压V3，产生第二电流I2，第二电压控制型电流源120的一端连接频率设置引脚RFmin，另一端连接电流控制型电流源130，频率设置引脚RFmin通过一频率补偿电路Z1至第一二极管D1的阳极，频率设置引脚RFmin还通过第一电阻R5接地，其中，第二电流I2为流经第一电阻R5的电流，例如，参见图3，频率补偿电路Z1可以包括电阻R7、电阻R8及电容C4，电阻R7的第一端、电阻R8的第一端连接频率控制电路的频率设置引脚RFmin，电阻R7的第二端通过电容C4接地，电阻R8的第二端接第一二极管D1的阳极；
此外，输出反馈电压引脚FB与误差电压引脚COM之间设置有电压反馈补偿电路Z2，例如，参加图4，电压反馈补偿电路Z2可以包括电容C5、电容C6和电阻R9，其中，电容C5的第一端、电容C6的第一端接误差电压引脚COM，电容C5的第二端接电阻R9的第一端，电阻R9的第二端、电容C6的第一端接输出反馈电压引脚FB；
电流控制型电流源130，用于根据第一电流I1和第二电流I2，产生所述第三电流I3；
电流控制型振荡电路140，用于根据第三电流I3，产生时钟信号，电流控制型振荡电路140的第一端连接电流控制型电流源130，电流控制型振荡电路140的第二端连接振荡器电容引脚CF，电流控制型振荡电路140的第三端连接死区设定引脚DeadT，电流控制型振荡电路140的第四端连接桥臂开关控制信号产生电路200，振荡器电容引脚CF外接至一振荡电容C3，死区设定引脚DeadT外接至第二电阻R6的一端，第二电阻R6的另一端接地。
例如，在一实施例中，第三电流I3＝第一电流I1+第二电流I2；
例如，在一实施例中，参见图5，所述第一电压控制型电流源110包括：第一运放U1，所述第一运放U1的正输入端接所述参考电压V2，负输入端接所述输出反馈电压引脚FB，输出接所述误差电压引脚COM，以通过所述误差电压引脚COM外接至一第一二极管D1的阴极；
所述第二电压控制型电流源120包括：第二运放U2，所述第二运放U2的正输入端接第一基准电压V3，负输入端接所述频率设置引脚RFmin，所述第二运放U2的输出端接第一三极管Q5的基极；所述第一三极管Q5的发射极接频率设置引脚RFmin；
所述电流控制型电流源130包括：与所述第一三极管Q5串联的第二三极管Q6，与第二三极管Q6构成镜像电流源的第三三极管Q7；
所述电流控制型振荡电路140包括：第一控制开关和第二控制开关，第一比较器U3，第二比较器U4，RS触发器U5；
所述第一控制开关的一端接第三三极管Q7的集电极，另一端接所述振荡器电容引脚CF，其中，本实施例中，该第一控制开关包括：第二二极管D2，第四三极管Q8，第二二极管D2的阳极接第三三极管Q7的集电极，阴极接所述振荡器电容引脚CF，第四三极管Q8的集电极接第二二极管D2的阳极，第四三极管Q8的发射极接地，第四三极管Q8的基极接RS触发器U5的NQ端；
所述第二控制开关的一端接所述振荡器电容引脚CF，另一端接所述死区设定引脚DeadT，其中，本实施例中，第二控制开关为NPN三极管Q9，第二控制开关Q9的基极接RS触发器U5的NQ端；
所述第一比较器U3的正输入端接第二基准电压V4，负输入端接振荡器电容引脚CF；
所述第二比较器U4的负输入端接第三基准电压V5，正输入端接振荡器电容引脚CF；
RS触发器U5的S端输入接第一比较器U3的输出，R端输入接所述第二比较器U4的输出；所述RS触发器的NQ端输出信号为所述时钟信号，并作为所述第二控制开关的控制信号，RS触发器U5的NQ端输出信号还作为第一控制开关的控制信号。
本实施例中，电流控制型电流源130产生的第三电流I3用于对电容C3充电，并且可以通过改变第三电流I3的大小能够调节对C3充电的充电速度，进而可以实现对电流控制型振荡电路产生的时钟信号进行频率调节，实现LLC谐振变换电路的工作频率的调节；
此外，第一控制开关、第二控制开关受控于时钟信号，使电容C3充电时停止放电，放电时停止充电，从而便于准确设定死区时间，有利于进一步地确保在高频工作时，半桥上下开关不会直通短路，同时，该死区时间设定了满载低频时时钟信号的最大占空比和轻载高频时时钟信号的最小占空比，时钟信号的占空比D随LLC谐振变换电路的的工作频率fw升高而降低，既占空比D与fw成线性反比；
具体地，当Q8断开且Q9断开时，电流控制型电流源130对震荡电容C3的第一端充电，当Q8闭合且Q9闭合时，电流控制型电流源130停止对震荡电容C3的第一端充电且震荡电容C3的第一端通过第二电阻R6放电，从而可以准确设定死区时间。
此外，在另一实施例中，参见图6，第一控制开关K1的控制信号为RS触发器U5的Q端输出信号，第二控制开关K2的控制信号为RS触发器U5的NQ端输出信号，例如，第一控制开关K1可以采用一晶体管，该晶体管的发射极连接电流控制型电流源，集电极连接电容C3的第一端，当第一控制开关K1导通时，第二控制开关K2断开，当第一控制开关K1断开时，第二控制开关K2导通。
例如，在一实施例中，第二基准电压V4为0.9伏，第三基准电压V5为3.9伏，当电容C3的第一端(引脚CF)大于3.9伏时，RS触发器U5的R端为高电平，U4复位U5，电容C3被放电；当电容C3的第一端(引脚CF)小于0.9伏时，RS触发器U5的S端为高电平，U3触发U5，电容C3被充电；当电容C3的第一端(引脚CF)大于0.9伏且小于3.9伏时，RS触发器的R端和S端均为低电平；
电容C3的充电过程受控于所述电流控制型电流源130，放电过程受控于CF节点的电容C3和第二电阻R6所设定的放电时间(死区时间)，从而在引脚CF形成振荡三角波，RS触发器U5的QN端产生时钟信号CLK，RS触发器U5的Q端产生延时信号Delay；
本实施例中，在设计电路时，可以通过第一电阻R5设定电流控制型振荡电路140产生的时钟信号的范围(即可以通过改变第一电阻R5的大小改变电流控制型振荡电路140产生的时钟信号的范围)，可以通过第二电阻R6设定死区时间(即可以通过改变第二电阻R6的大小改变死区时间的大小)，通过将第一电阻R5、震荡电容C3和第二电阻R6设置在控制芯片之外，不但可以减少芯片面积，还可以方便死区时间、频率范围的设定，能够适应不同的参数要求。
其中，桥臂开关控制信号产生电路200，包括分频器U6和第一与门U7，第二与门U8；
所述分频器U6，用于对所述时钟信号进行1/2分频，得到第一分频信号和第二分频信号，第一分频信号和第二分频信号的频率均为所述时钟信号的频率的1/2，所述第一分频信号、所述第二分频信号为相反的信号，例如，该分频器U6可以采用JK触发器实现，JK触发器的Q端输出第一分频信号，JK触发器的QN端输出第二分频信号；
所述第一与门U7，输入是第一分频信号和所述RS触发器的Q端输出信号，输出作为所述第一控制信号，第一与门U7的输出端连接第一桥臂开关控制信号输出引脚HVG；
所述第二与门U8，输入是第二分频信号和所述RS触发器的Q端输出信号，输出作为所述第二控制信号，第二与门U8的输出端连接第二桥臂开关控制信号输出引脚LVG。
此外，在其他实施例中，第一电压控制型电流源110也可以采用其他方式实现；
例如，在另一实施例中，如图7所示，所述第一电压控制型电流源110包括跨导电路U9，跨导电路U9的正输入端接所述参考电压V2，负输入端接所述输出反馈电压引脚FB，输出接误差电压引脚COM，误差电压引脚COM连接频率设置引脚RFmin；
在另一实施例中，如图8所示，所述第一电压控制型电流源包括第三运放U10，所述第三运放U10的正输入端接所述参考电压V2，负输入端接所述输出反馈电压引脚FB，输出接所述误差电压引脚COM，以通过误差电压引脚COM在控制芯片之外接至一PNP型三极管Q10的基极，PNP型三极管Q10的发射极接频率设置引脚RFmin，集电极接地。
例如，在一实施例中，参见图9，整流开关控制信号产生电路300可以包括第三比较器U11和第四比较器U12，
所述第三比较器U11，其正输入端连接第一变压器副边的电压采样引脚TXH，用于连接第一变压器TX1的副边的第一端，以获取第一变压器TX1的副边的第一端的电压，第三比较器U11的负输入端接第四基准电压V6，第三比较器U11的输出连接第二整流开关控制信号输出引脚SRLVG，用于连接第二整流开关Q4的控制端，以输出所述第二整流开关的控制信号；
所述第四比较器U12，其正输入端连接第二变压器副边的电压采样引脚TXL，用于连接第二变压器TX2的副边的第二端，以获取第二变压器TX2的副边的第二端的电压，第四比较器U12的负输入端接第五基准电压V7，第四比较器U12的输出连接第一整流开关控制信号输出引脚SRHVG，用于连接第一整流开关Q3的控制端，以输出所述第一整流开关的控制信号。
本发明实施例中，控制芯片可以位于LLC谐振变换电路的副边侧，参见图2，控制芯片可以通过隔离驱动电路170控制第一桥臂开关Q1和第二桥臂开关Q2；
控制芯片的第一桥臂开关控制信号输出引脚HVG、第二桥臂开关控制信号输出引脚LVG分别接隔离驱动电路170的两个输入端，隔离驱动电路170的两个输出端分别接所述第一桥臂开关Q1的控制端、第二桥臂开关Q2的控制端；
隔离驱动电路170用于对所述第一控制信号和第二控制信号进行隔离驱动，以控制位于原边侧的第一桥臂开关Q1和第二桥臂开关Q2；其中，引脚HVG输出的信号和引脚LVG输出的信号经隔离驱动电路170放大后分别驱动第一桥臂开关Q1和第二桥臂开关Q2，例如，该隔离驱动电路170可以是隔离驱动器(Isolated Drive)。
在本发明实施例中，控制芯片被配置为使LLC谐振变换电路的满载工作频率大于(2*f1)，其中，f1是谐振频率，
Figure BDA0002602993980000131
式中，Cr为LLC谐振变换电路的谐振电容的电容值，Lm为LLC谐振变换电路的第一变压器、第二变压器的励磁电感；
例如，当LLC谐振变换电路的工作频率fw大于(2*f1)时，控制芯片实现的波形图如图10所示；
其中，从T0至T4为一个控制周期，“U-CF”为引脚CF的电压波形(三角波形)，其上升沿对应Q1或Q2的开通时间，其下降沿对应死区时间，“U-Q1”为第一控制信号的电压波形，“U-Q2”为第二控制信号的电压波形，“CLK”为电流控制型振荡电路产生的时钟信号的波形(高电平对应死区时间)，“IP”为图2中IP处的电流波形，“IQ3”为第一整流开关Q3处的电流波形，“IQ4”为第二整流开关Q4处的电流波形，“U-SRHVG/U-SRLVG”为引脚SRHVG(即用于控制第一整流开关Q3的控制信号)和引脚SRLVG(即用于控制第二整流开关Q4的控制信号)的电压波形，“U-TXH/U-TXL”为引脚TXH(即第一变压器TX1的副边的第一端)和引脚TXL(即第二变压器TX2的副边的第二端)的电压波形；
从T0至T1是死区(Td)，在T0时刻以前，TX2工作在电感模式，既反激变压器，其储能经过Q4输出到负载，节点A的电压从零开始上升，并在T1时刻前升至V1的电压，Q1在零电压状态(ZVS)，于T1时刻开通，变压器的原边电流IP由负转正，在T1时刻前穿过零点；
从T1至T2时刻是Q1开通时间，TX2工作在正激变压器模式，能量经过Q4输出到负载，时钟三角波U-CF从零上升至顶点，变压器的原边电流IP由零上升至最大值，Q1在T2时刻关断，变压器的原边电流IP从峰值开始下降，在T2至T3的死区(Td)时间里降至零,在T3时刻穿过零点；
从T2至T4时刻为下半周期，从T2至T3是死区Td，在T2时刻以前，TX1工作在电感模式，既反激变压器，其储能经过Q3输出到负载，节点A点的电压从V1的电压开始下降，并在T3时刻前降至零，Q2在零电压状态(ZVS)，于T3时刻开通，变压器原边的电流IP由正转负，在T3时刻前穿过零点；
从T3至T4时刻是Q2开通时间，TX1工作在正激变压器模式，能量经过Q3输出到负载，时钟三角波U-CF从零上升至顶点，变压器的原边电流IP由零下降至最小值，Q2在T4时刻关断，变压器的原边电流IP从峰值开始归零，在T4至T5的死区Td时间里回归至零,在T5时刻穿过零点。
当LLC谐振变换电路的工作频率fw大于(3*f1)时，控制芯片实现的波形图如图11所示；
本实施例的控制芯片采用固定死区的控制方式，死区(Td)时间不随工作频率的变化而变化，对比图10和图11，可以看出，引脚CF的电压上升沿既导通(TON)时间，下降沿既死区(Td)时间，半周期的时间为Td与Ton之和，当fw趋近谐振频率f1时，占空比D达到最大值；当fw>>f1时，占空比D达到最小值，频率变化的控制逻辑与占空比反向变化的控制逻辑是一致的，若频率随负载变化，占空比亦随频率成线性反比例变化，因此，本发明可以实现谐振变频与脉宽调制(PWM)的混合控制，连续的输出电流，可以扩大输入电压的范围，并提高开关电源的动态相应和功率密度。
本发明实施例中，控制芯片使LLC谐振变换电路的满载工作频率位于(2*f1)之上，而不是f1谐振频率附近，LLC谐振变换电路原边的电流不再是正玄波，而是三角波；副边的电流也不再是正玄波，而是近似的连续方波，可以通过优化死区时间，优选原边电流的穿过零点的时刻，设定死区(Td)时间，原边的三角波可实现零电压开关，降低开关损耗；并且，副边的连续方波经同步整流可大副降低导通损耗，减少纹波和输出滤波电容，本实施例中控制芯片的控制逻辑是控制满载工作频率大于(2*f1)谐振频率，只有在过载和输入电压降低时，工作频率才低于(2*f1)。
此外，现有的基于体二极管的侦测型同步整流技术只可用于低频谐振变换器，且效率低，可靠性差。本申请中基于双变压器结构的谐振变换器的控制型同步整流技术，可以可靠地、精确地同步控制原边和副边的每一开关器件，同一时钟控制每一个开关器件的工作时序，满足高频、高效、可靠的技术要求；通过采用基于反激(死区时间工作)和正激(非死区时间工作)交替的工作模式，实现连续的输出电流，输出纹波能够大幅度降低，输出滤波电容可大幅度减少，有利于大幅度缩小电源的体积，提高功率密度。
本发明实施例还提供了一种开关电源，包括第一桥臂开关、第二桥臂开关、谐振电容、第一整流开关、第二整流开关、与所述谐振电容串联的第一变压器和第二变压器，所述第一变压器和所述第二变压器为相同的变压器，其特征在于，所述开关电源还包括：上述的控制芯片、反馈电压采样电路、隔离驱动电路；
其中，所述反馈电压采样电路，其输入端连接所述开关电源的输出电压，其输出端连接所述控制芯片中作为输入引脚的输出反馈电压引脚FB；
所述控制芯片，其中作为输出引脚的第一桥臂开关控制信号输出引脚HVG、第二桥臂开关控制信号输出引脚LVG分别接所述隔离驱动电路的两个输入端；
所述控制芯片，其中作为输入引脚的第一变压器副边的电压采样引脚TXH接所述第一变压器副边，其中作为输入引脚的第二变压器副边的电压采样引脚TXL接所述第二变压器副边；其中作为输出引脚的第一整流开关控制信号输出引脚SRHVG接所述第一整流开关的控制端，其中作为输出引脚的第二整流开关控制信号输出引脚SRLVG接所述第二整流开关的控制端；
所述隔离驱动电路，其两个输入端连接所述控制芯片，其两个输出端分别接所述第一桥臂开关的控制端、第二桥臂开关的控制端。
优选地，在一实施例中，所述控制芯片，其振荡器电容引脚CF接一振荡电容，死区设定引脚DeadT接第二电阻；
所述反馈电压采样电路包括：串联的两个分压电阻；
所述控制芯片，其输出反馈电压引脚FB连接所述两个分压电阻之间的公共端，其频率设置引脚RF通过第一电阻R5接地，其误差电压引脚COM连接第一二极管D1的阴极，所述第一二极管D1的阳极连接所述频率设置引脚RF。
优选地，在一实施例中，开关电源还包括频率补偿电路和电压反馈补偿电路；
所述频率补偿电路，设置在所述第一二极管的阳极与所述频率设置引脚之间；
所述电压反馈补偿电路，一端连接所述输出反馈电压引脚，另一端连接所述误差电压引脚。
本实施例中的开关电源，由于谐振电感是与副边耦合的电感,在每个死区时间里，谐振腔内的能量输出到副边,形成连续的输出电流，无论在上半周期或下半周期，TX1或TX2在Ton和Td时刻里都向副边输出电流，控制芯片可以同时准确地控制原副两边的所有开关，其控制逻辑是采用同一时钟，同步控制原副两边的四个开关的频率和时序。
本实施例中，从输入端到输出端，开关电源可以实现逐级降压，例如半桥变换器可以将输入电压减半，串连的变压器TX1和TX2的绕组匝比可以再次降压，因而可以减少变压器匝比，简化了变压器的设计。
本发明实施例提供的开关电源，第一变压器和第二变压器的励磁电感交替作为谐振电感，在死区时间里，变压器的原边储存的能量可以从变压器的原边输出到变压器的副边，同时采用固定死区的频率控制方式，并使开关电源的满载工作频率大于(2*f1)，不但可以大大提高开关电源的效率，同时还可以具有较宽的工作电压范围和较快的动态响应，并且还可以大幅度拓宽同步整流开关的导通时间，提高同步整流的效率。
本发明实施例中，采用的双变压器结构的谐振变换器具有较高的增益，满载的工作频率大于(2*f1)(f1是谐振频率)，从f1频点至(2*f1)频点是安全过载工作区，可以获得很高的过载能力，并使掉电保持时间延长，同时具有较宽的输入电压工作范围，本发明采用的基于固定死区的脉宽和频率同步调制技术可以大幅度地提高该类型的谐振变换器的增益余量和相角余量，且具有系统稳定，动态响应好，频率波动范围小的优点。
本领域的技术人员能够理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (11)

1.一种控制芯片，用于在LLC谐振变换电路中进行开关控制，所述LLC谐振变换电路包括第一桥臂开关、第二桥臂开关、第一整流开关、第二整流开关、谐振电容、与所述谐振电容串联的第一变压器和第二变压器，所述第一变压器和所述第二变压器为相同的变压器，所述第一变压器和所述第二变压器的励磁电感交替作为谐振电感，其特征在于，所述控制芯片包括电压控制型振荡器、桥臂开关控制信号产生电路、整流开关控制信号产生电路；
所述电压控制型振荡器，用于根据输出反馈电压产生的第一电流和内部电流源产生的第二电流，生成第三电流，以及根据所述第三电流生成频率可调、且脉宽保持不变的时钟信号；
所述桥臂开关控制信号产生电路，用于根据所述时钟信号，输出用于控制所述第一桥臂开关的第一控制信号，以及输出用于控制所述第二桥臂开关的第二控制信号，所述第一控制信号和所述第二控制信号形成固定死区；
所述整流开关控制信号产生电路，用于根据所述第一变压器副边的电压采样信号，生成用于控制所述第二整流开关的控制信号，和用于根据所述第二变压器副边的电压采样信号，生成用于控制所述第一整流开关的控制信号；
所述控制芯片被配置为使所述LLC谐振变换电路的满载工作频率大于(2*f1)，其中，
Figure FDA0003243363490000011
式中，Cr为所述谐振电容的电容值，Lm为所述第一变压器、所述第二变压器的励磁电感。
2.根据权利要求1所述的控制芯片，其特征在于，所述控制芯片包括：输出反馈电压引脚、误差电压引脚、频率设置引脚、振荡器电容引脚、死区设定引脚、第一桥臂开关控制信号输出引脚、第二桥臂开关控制信号输出引脚、第一变压器副边的电压采样引脚、第二变压器副边的电压采样引脚、第一整流开关控制信号输出引脚、第二整流开关控制信号输出引脚；
其中，所述电压控制型振荡器对应：所述输出反馈电压引脚、所述误差电压引脚、所述频率设置引脚、所述振荡器电容引脚、所述死区设定引脚；
所述桥臂开关控制信号产生电路对应：所述第一桥臂开关控制信号输出引脚、所述第二桥臂开关控制信号输出引脚；
所述整流开关控制信号产生电路对应：第一变压器副边的电压采样引脚、第二变压器副边的电压采样引脚、第一整流开关控制信号输出引脚、第二整流开关控制信号输出引脚。
3.根据权利要求2所述的控制芯片，其特征在于，所述电压控制型振荡器包括：第一电压控制型电流源、第二电压控制型电流源、电流控制型电流源、电流控制型振荡电路；
所述第一电压控制型电流源，用于根据所述输出反馈电压与参考电压之间的误差电压，产生所述第一电流；
所述第二电压控制型电流源，用于根据第一基准电压，产生所述第二电流；
所述电流控制型电流源，用于根据所述第一电流和所述第二电流，产生所述第三电流；
所述电流控制型振荡电路，用于根据所述第三电流，产生所述时钟信号。
4.根据权利要求3所述的控制芯片，其特征在于，所述第一电压控制型电流源，包括：第一运放，所述第一运放的正输入端接所述参考电压，负输入端接所述输出反馈电压引脚，输出接所述误差电压引脚，以通过所述误差电压引脚外接至一第一二极管的阴极；
所述第二电压控制型电流源，包括：第二运放，所述第二运放的正输入端接第一基准电压，负输入端接所述频率设置引脚，所述第二运放的输出端接第一三极管的基极；所述第一三极管的发射极接所述频率设置引脚；
所述电流控制型电流源，包括：与所述第一三极管串联的第二三极管，与第二三极管构成镜像电流源的第三三极管；
所述电流控制型振荡电路，包括：第一控制开关和第二控制开关，第一比较器，第二比较器，RS触发器；
所述第一控制开关的一端接第三三极管的集电极，另一端接所述振荡器电容引脚；
所述第二控制开关的一端接所述振荡器电容引脚，另一端接所述死区设定引脚；
所述第一比较器的正输入端接第二基准电压，负输入端接所述振荡器电容引脚；
所述第二比较器的负输入端接第三基准电压，正输入端接所述振荡器电容引脚；
所述RS触发器的S端输入接所述第一比较器的输出，R端输入接所述第二比较器的输出；所述RS触发器的NQ端输出信号为所述时钟信号，并作为所述第二控制开关的控制信号，所述RS触发器的Q端输出信号或NQ端输出信号作为所述第一控制开关的控制信号。
5.根据权利要求4所述的控制芯片，其特征在于，所述第二控制开关为NPN三极管，所述第二控制开关的基极接所述RS触发器的NQ端；
所述第一控制开关包括：第二二极管，第四三极管；
所述第二二极管的阳极接第三三极管的集电极，阴极接所述振荡器电容引脚；第四三极管的集电极接所述第二二极管的阳极，第四三极管的发射极接地，第四三极管的基极接所述RS触发器的NQ端。
6.根据权利要求3所述的控制芯片，其特征在于，所述第一电压控制型电流源包括跨导电路，或所述第一电压控制型电流源包括第三运放；
所述跨导电路的正输入端接所述参考电压，负输入端接所述输出反馈电压引脚，输出接所述误差电压引脚；
所述第三运放的正输入端接所述参考电压，负输入端接所述输出反馈电压引脚，输出接所述误差电压引脚，以通过所述误差电压引脚外接至一PNP型三极管的基极。
7.根据权利要求4所述的控制芯片，其特征在于，所述桥臂开关控制信号产生电路，包括分频器和第一与门，第二与门；
所述分频器，用于对所述时钟信号进行1/2分频，得到第一分频信号和第二分频信号，所述第一分频信号、所述第二分频信号为相反的信号；
所述第一与门，输入是第一分频信号和所述RS触发器的Q端输出信号，输出作为所述第一控制信号；
所述第二与门，输入是第二分频信号和所述RS触发器的Q端输出信号，输出作为所述第二控制信号。
8.根据权利要求1所述的控制芯片，其特征在于，所述整流开关控制信号产生电路，包括第三比较器和第四比较器，
所述第三比较器，其正输入端用于接所述第一变压器副边，其负输入端接第四基准电压，其输出作为所述第二整流开关的控制信号；
所述第四比较器，其正输入端用于接所述第二变压器副边，其负输入端接第五基准电压，其输出作为所述第一整流开关的控制信号。
9.一种开关电源，包括第一桥臂开关、第二桥臂开关、谐振电容、第一整流开关、第二整流开关、与所述谐振电容串联的第一变压器和第二变压器，所述第一变压器和所述第二变压器为相同的变压器，其特征在于，所述开关电源还包括：如权利要求1-8任一项所述的控制芯片、反馈电压采样电路、隔离驱动电路；
其中，所述反馈电压采样电路，其输入端连接所述开关电源的输出电压，其输出端连接所述控制芯片中作为输入引脚的输出反馈电压引脚；
所述控制芯片，其中作为输出引脚的第一桥臂开关控制信号输出引脚、第二桥臂开关控制信号输出引脚分别接所述隔离驱动电路的两个输入端；
所述控制芯片，其中作为输入引脚的第一变压器副边的电压采样引脚接所述第一变压器副边，其中作为输入引脚的第二变压器副边的电压采样引脚接所述第二变压器副边；其中作为输出引脚的第一整流开关控制信号输出引脚接所述第一整流开关的控制端，其中作为输出引脚的第二整流开关控制信号输出引脚接所述第二整流开关的控制端；
所述隔离驱动电路，其两个输入端连接所述控制芯片，其两个输出端分别接所述第一桥臂开关的控制端、第二桥臂开关的控制端。
10.根据权利要求9所述的开关电源，其特征在于，所述控制芯片，其振荡器电容引脚接一振荡电容，死区设定引脚接第二电阻；
所述反馈电压采样电路包括：串联的两个分压电阻；
所述控制芯片，其输出反馈电压引脚连接所述两个分压电阻之间的公共端，其频率设置引脚通过第一电阻接地，其误差电压引脚连接第一二极管的阴极，所述第一二极管的阳极连接所述频率设置引脚。
11.根据权利要求10所述的开关电源，其特征在于，还包括频率补偿电路和电压反馈补偿电路；
所述频率补偿电路，设置在所述第一二极管的阳极与所述频率设置引脚之间；
所述电压反馈补偿电路，一端连接所述输出反馈电压引脚，另一端连接所述误差电压引脚。
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