CN112087138B - 一种多模态软开关变换器及其控制方法 - Google Patents

一种多模态软开关变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多模态软开关变换器及其控制方法，开关变换器包括同步整流电路和控制器，控制器根据负载和开关频率的大小使同步整流电路工作在变频模式，准谐振限频模式和降频模式，控制器根据输入电压与输出电压的关系判断变频模式和准谐振限频模式是否要包含反向阶段，最终获得同步整流电路在全负载范围和全输入电压范围内实现软开关的效果，从而提高开关变换器的工作频率，功率密度和效率，减小体积，降低EMI和成本。

Description

一种多模态软开关变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及开关电源，特别涉及一种多模态软开关变换器及其控制方法。
背景技术
随着电源技术的发展，高效率、高功率密度的同步整流电路已经成为一种趋势，硬开关技术在高频开关时开关损耗较大，降低了同步整流电路的效率，电磁干扰问题也较为严重，为解决该问题，软开关技术被发展并逐渐应用在变换器中以降低开关损耗和EMI噪声，具体地，主要是指零电压开关(ZVS)技术以实现MOS管的零电压开通。
请参考图1a，图1b，图1a和图1b分别为现有常用的同步整流电路，其中，图1a为降压同步整流电路，图1b为升压同步整流电路，这两种同步整流电路一般重载时工作在连续导通模式，且其开关管Q1只能工作在硬开关状态。
请参考图2和图3，申请号13/027,830，发明名称为《具有开关损耗自适应控制的功率变换器》的美国专利公开了一种降压同步整流电路和升压同步整流电路，这两种同步整流电路理论上可实现所有开关管的软开关。但是由于在电感器L两端并联一个开关管和二极管串联的电路，使驱动控制复杂，导致实现软开关的电感器L负向电流被衰减，软开关的实现效果变差，特别是在轻载时，开关管和二极管组成的串联电路导通时间变长，衰减变严重，软开关实现的效果变差。
请参考图4，申请号100137357，发明名称为《提高同步降压转换器轻载效率之控制方法装置》的中国台湾专利申请中公开了一种同步降压转换器，该同步降压转换器只能在轻载实现开关管的软开关。
因此，无论像图2在图1a同步整流电路上增加器件来实现软开关，还是像图3在图1b同步整流电路上增加器件来实现软开关，均会使得电路变复杂；而像图4不增加器件，只能在轻载实现软开关。
发明内容
鉴于现有同步整流电路及改进电路的技术缺陷，本发明要解决的技术问题是提出一种多模态软开关变换器及其控制方法，在同步整流电路上不增加额外器件，解决同步整流电路硬开关或者软开关实现效果差的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种多模态软开关变换器，其包括：降压同步整流电路和控制器；
降压同步整流电路具有用于接收输入电压Vin的输入端、用于提供调整后输出电压Vo的输出端、主开关管、同步开关管以及电感；
控制器内设有定时器和阈值电压Vth，控制器用于控制主开关管和同步开关管，使得降压同步整流电路在电感的去磁结束时刻等于或晚于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2<＝Vo时工作在第一变频模式；
用于控制主开关管和同步开关管，使得降压同步整流电路在电感的去磁结束时刻等于或晚于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2>Vo时工作在第二变频模式；
用于控制主开关管和同步开关管，使得降压同步整流电路在电感的去磁结束时刻早于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2<＝Vo时工作在第一准谐振限频模式；以及
用于控制主开关管和同步开关管，使得降压同步整流电路在电感的去磁结束时刻早于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2>Vo时工作在第二准谐振限频模式。
在一个实施例中，第二变频模式包括励磁阶段、去磁阶段和反向阶段，在反向阶段，电感的电流以斜率为
Figure GDA0003479145220000021
从零下降为负电流，其中，L为电感的感量。
在一个实施例中，反向阶段的时间长度与电感的感量大小成正比，与输入电压Vin的大小成正比，与输出电压Vo的大小成反比。
在一个实施例中，第一准谐振限频模式包括励磁阶段、去磁阶段和自由谐振阶段，在自由谐振阶段中，电感一端的电压产生谐振。
在一个实施例中，控制器内还设有波峰检测电路，波峰检测电路在定时器定时结束后检测电感一端的谐振波峰电压并在检测到谐振波峰电压时产生一触发信号控制主开关管导通。
在一个实施例中，第二准谐振限频模式包括励磁阶段、去磁阶段、自由谐振阶段以及反向阶段；在反向阶段中，电感的电流以斜率为
Figure GDA0003479145220000022
从零下降为负电流，其中，L为电感的感量；在自由谐振阶段中，电感一端的电压产生谐振。
在一个实施例中，控制器内还设有波谷检测电路，波谷检测电路在定时器定时结束后检测所述电感一端的谐振波谷电压并在检测到谐振波谷电压时产生一触发信号控制同步开关管再次导通进入反向阶段。
在一个实施例中，在自由谐振阶段，主开关管和同步开关管关断，电感与降压同步整流电路中的寄生电容产生谐振。
在一个实施例中，在励磁阶段，主开关管导通，同步开关管关断，电感的电流正向增加；在去磁阶段，主开关管关断，同步开关管导通，电感的电流正向减少至零，去磁结束。
在一个实施例中，定时器从主开关管开始导通时刻开始计时、从同步开关管开始导通时刻开始计时或从主开关管开始导通时刻到同步开关管开始导通时刻之间的某一时刻开始计时。
在一个实施例中，当负载电流小于预定负载电流时，控制器控制降压同步整流电路工作在降频模式，降频模式包括跳周期模式和突发模式。
本发明还提供一种多模态软开关变换器，其包括：升压同步整流电路和控制器；
升压同步整流电路具有用于接收输入电压Vin的输入端、用于提供调整后输出电压Vo的输出端、主开关管、同步开关管以及电感；
控制器内设有定时器和阈值电压Vth，控制器用于控制主开关管和同步开关管，使得升压同步整流电路在电感的去磁结束时刻等于或晚于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth<＝Vo时工作在第一变频模式；
用于控制主开关管和同步开关管，使得升压同步整流电路在电感的去磁结束时刻等于或晚于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth>Vo时工作在第二变频模式；
用于控制主开关管和同步开关管，使得升压同步整流电路在电感的去磁结束时刻早于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth<＝Vo时工作在第一准谐振限频模式；以及
用于控制主开关管和同步开关管，使得升压同步整流电路在电感的去磁结束时刻早于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth>Vo时工作在第二准谐振限频模式。
本发明还提供一种多模态软开关变换器控制方法，其包括：
采集同步整流电路的输入电压Vin和输出电压Vo，以及采集同步整流电路的电感的去磁结束时刻与定时器的定时结束时刻；
根据输入电压Vin和输出电压Vo的大小关系以及根据定时器的定时结束时刻和电感的去磁结束时刻的前后关系对同步整流电路的工作模式进行控制，使得同步整流电路能工作在不同的工作模式。
在一个实施例中，当电感的去磁结束时刻等于或晚于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2<＝Vo时，控制同步整流电路工作在第一变频模式；
当电感的去磁结束时刻等于或晚于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2>Vo时，控制同步整流电路工作在第二变频模式；
当电感的去磁结束时刻早于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2<＝Vo时，控制同步整流电路工作在第一准谐振限频模式；以及
当电感的去磁结束时刻早于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2>Vo时，控制同步整流电路工作在第二准谐振限频模式。
在一个实施例中，当电感的去磁结束时刻等于或晚于定时器的定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth<＝Vo时，控制同步整流电路工作在第一变频模式；
当电感的去磁结束时刻等于或晚于定时器的定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth>Vo时，控制同步整流电路工作在第二变频模式；
当电感的去磁结束时刻早于定时器的定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth<＝Vo时，控制同步整流电路工作在第一准谐振限频模式；
当电感的去磁结束时刻早于定时器的定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth>Vo时，控制同步整流电路工作在第二准谐振限频模式。
本发明还提供一种多模态软开关变换器，其包括：同步整流电路以及控制器；
同步整流电路具有用于接收输入电压Vin的输入端、用于提供输出电压Vo的输出端、主开关管、同步开关管以及电感；
控制器内设有定时器，控制器用于接收输入电压Vin和输出电压Vo，并根据输入电压Vin和输出电压Vo的大小关系以及根据电感的去磁结束时刻和定时器定时结束时刻的前后关系对主开关管和同步开关管进行控制，使得同步整流电路能工作在不同的工作模式。
本发明还提供一种多模态软开关变换器，其包括：
同步整流电路，同步整流电路具有用于接收输入电压Vin的输入端、用于提供调整后输出电压Vo的输出端、主开关管、同步开关管以及电感；
控制器，控制器内设有定时器，控制器用于控制主开关管和同步开关管，使得同步整流电路在电感的去磁结束时刻等于或晚于定时器定时结束时刻时工作在变频模式；以及用于控制主开关管和同步开关管，使得同步整流电路在电感的去磁结束时刻将早于定时器定时结束时刻时工作在准谐振限频模式。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)没有在同步整流电路上增加器件，可在整个负载范围和输入电压范围实现所有开关管的软开关，降低了电路复杂度，开关损耗和EMI噪声；
(2)软开关有利于产品高频化，高频化使电感感值和输入输出滤波电容容值降低，可减小电源体积，提高功率密度，同时降低成本。
附图说明
图1a为现有降压同步整流电路原理图；
图1b为现有升压同步整流电路原理图；
图2为申请号13/027,830的发明专利的降压同步整流电路图；
图3为申请号13/027,830的发明专利的升压同步整流电路图；
图4为申请号100137357的发明专利的降压同步整流电路图；
图5为本发明第一实施例电路原理图；
图6为本发明第一实施例工作在第一变频模式的时序图；
图7为本发明第一实施例工作在第二变频模式的时序图；
图8为本发明第一实施例工作在第一准谐振限频模式的时序图；
图9为本发明第一实施例工作在第二准谐振限频模式的时序图；
图10为本发明第二实施例电路原理图；
图11为本发明第二实施例工作在第一变频模式的时序图；
图12为本发明第二实施例工作在第二变频模式的时序图；
图13为本发明第二实施例工作在第一准谐振限频模式的时序图；
图14为本发明第二实施例工作在第二准谐振限频模式的时序图；
上述附图并不限制本发明构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
第一实施例
图5为本发明的第一实施例多模态软开关变换器的电路原理图，多模态软开关变换器包括降压同步整流电路和控制器。其包括用于接收输入电压Vin的输入端、用于产生输出电压Vo的输出端、电源公共地GND、主主开关管Q1、同步开关管Q2、电感L1和电容C1。
主开关管Q1的漏极和控制器连接到输入电压Vin的正极端；主开关管Q1的源极、同步开关管Q2的漏极和控制器连接到电感L1的第一端Vs；电感L1的第二端、控制器和电容C1的一端连接到输出电压Vo的正极端，同步开关管Q2的源极和电容C1的另一端连接到电源公共地GND。
图5中的Coss1和Coss2分别为主开关管Q1和同步开关管Q2的寄生输出电容，为了方便描述单独绘制出来。
控制器分别与降压同步整流电路的输入端、输出端和电感L1的第一端Vs连接，用于检测输入电压Vin、输出电压Vo和电感L1的第一端Vs的电压。控制器内设有波峰检测电路、波谷检测电路、去磁结束时刻检测电路以及定时器timer。
波峰检测电路在定时器定时结束后检测电感第一端Vs的谐振波峰电压并在检测到谐振波峰电压时产生一触发信号控制主开关管Q1导通。
波谷检测电路在定时器定时结束后检测电感第一端Vs的谐振波谷电压并在检测到谐振波谷电压时产生一触发信号控制同步开关管Q2再次导通从而进入反向阶段；去磁结束时刻检测电路用于检测电感L1的去磁电流降为零时刻并触发相应信号至控制器；定时器timer用于定时，定时器timer从主开关管Q1开始导通时刻到同步开关管Q2开始导通时刻之间的某一时刻开始定时，定时结束时刻t`触发一个单稳态的脉冲上升沿或下降沿，定时器timer定时的时长可以调节。
控制器用于判断一个开关周期T内定时器的定时结束时刻t`与电感L1的去磁结束时刻t3的前后关系，如果电感L1的去磁结束时刻t3等于或晚于定时器定时结束时刻t`，降压同步整流电路工作在变频模式，变频模式的周期基本等于励磁阶段与去磁阶段之和或基本等于励磁阶段、去磁阶段和反向阶段三者之和，负载的大小与励磁阶段和去磁阶段的时长正相关，因此负载越大变频模式的周期越长，电感L1的去磁结束时刻t3越晚于定时器的定时结束时刻t`，同时输入电压Vin与输出电压Vo的差值越小，电感L1的去磁结束时刻t3越晚于定时器的定时结束时刻t`，即：开关频率随着负载和输入电压Vin和输出电压Vo的变化而变化；当负载逐渐减小或输入电压Vin与输出电压Vo的差值逐渐变大，电感L1的去磁结束时刻t3将早于定时器定时结束时刻t`，降压同步整流电路工作在准谐振限频模式，即：在电感L1的去磁结束时刻t3关断同步开关管Q2，在定时器定时结束时刻t`，波峰检测电路或波谷检测电路开始工作。
本实施例中，变频模式分成第一变频模式和第二变频模式。当电感L1的去磁结束时刻等于或晚于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：Vin-Vth<＝2*Vo时，控制器控制降压同步整流电路工作在第一变频模式；当电感L1的去磁结束时刻等于或晚于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：Vin-Vth>2*Vo时，控制器控制降压同步整流电路工作在第二变频模式。
准谐振限频模式分成第一准谐振限频模式和第二准谐振限频模式。当电感L1的去磁结束时刻早于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：Vin-Vth<＝2*Vo时，控制器控制降压同步整流电路工作在第一准谐振限频模式；当电感L1的去磁结束时刻早于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：Vin-Vth>2*Vo时，控制器控制降压同步整流电路工作在第二准谐振限频模式。
请参考图6，图6所示为降压同步整流电路工作在第一变频模式时一个工作周期T的工作时序。
图6中Timer为定时器的输出波形，Vgs1为主开关管Q1的栅极的控制信号波形，Vgs2为同步开关管Q2的栅极的控制信号波形，IL1为流经电感L1的电流波形，VS为电感L1的第一端Vs的电压波形。
取Vin电压为30V，Vo电压为12V，阈值电压Vth为10V，电感L1在t3时刻去磁结束时关断同步开关管Q2，电感L1与寄生电容Coss1和寄生电容Coss2以输出电压Vo为中心谐振，理论上谐振的最低电压为0V，最高电压为2*Vo，由于该工况下Vin-Vth<2*Vo，所以电感L1的第一端Vs的谐振最高电压2*Vo大于Vin-Vth，从软开关实现的广义定义：当电感L1的第一端Vs的谐振最高电压达到Vin或比Vin低一个较小的阈值电压Vth(大于等于0V)时开通主开关管Q1，可认为主开关管Q1软开关实现，同时去磁结束时刻t3晚于定时器timer结束时刻t`,进入第一变频模式。
降压同步整流电路工作在第一变频模式时一个工作周期T的的具体工作过程如下：
t0～t1阶段：也称为励磁阶段，在励磁阶段，t0时刻主开关管Q1导通，控制器内的定时器开始定时，电感L1两端的电压等于输入电压Vin-输出电压Vo，对电感L1励磁，电感L1的电流iL1以斜率
Figure GDA0003479145220000071
上升。
t1～t2阶段：t1时刻关断主开关管Q1，电感L1的电流iL1给主开关管Q1的寄生电容Coss1充电，给同步开关管Q2的寄生电容Coss2放电，电感L1的第一端Vs的电压从等于输入电压Vin下降为0V，在t2时刻同步开关管Q2实现ZVS开通。
t2～t3阶段：也称为去磁阶段，在去磁阶段，电感L1的电流iL1以斜率
Figure GDA0003479145220000081
下降，电感L1的电流iL1降为零时为t3时刻，去磁结束，此刻关断同步开关管Q2，去磁结束时刻t3晚于定时定时器timer结束时刻t`。
t3～t0+T阶段：输出电压Vo通过电感L1给主开关管Q1的寄生电容Coss1放电，给同步开关管Q2的寄生电容Coss2充电，电感L1的第一端Vs的电压在t0+T时刻最高可以达到2*Vo，由于(Vin-Vth)<＝2*Vo，所以可以实现主开关管Q1的ZVS开通，T为一个开关周期的时间长度。
本周期结束，下一个工作周期开始，重复上面的阶段。
请参考图7，图7为降压同步整流电路工作在第二变频模式时一个工作周期T的工作时序。当只改变输入电压Vin至50V时，由于(Vin-Vth)/2>Vo，所以电感L1的第一端Vs的谐振最高电压无法达到Vin-Vth，可认为主开关管Q1无法实现软开关，为了使得主开关管Q1实现ZVS开通，在第二变频模式中增加一个反向阶段，同时去磁结束时刻t3晚于定时器timer结束时刻t`。
降压同步整流电路工作在第二变频模式时一个工作周期T的具体工作过程如下：
t0～t1阶段：也称为励磁阶段，在励磁阶段，t0时刻主开关管Q1导通，控制器内的定时器开始定时，电感L1两端的电压为Vin-Vo，对电感L1励磁，电感L1的电流iL1以斜率
Figure GDA0003479145220000082
上升。
t1～t2阶段：t1时刻关断主开关管Q1，电感L1的电流iL1给主开关管Q1的寄生电容Coss1充电，给同步开关管Q2的寄生电容Coss放电，在t2时刻电感L1的第一端Vs的电压由从等于输入电压Vin降为0V，同步开关管Q2实现ZVS开通。
t2～t3阶段：也称为去磁阶段，在去磁阶段，电感L1的电流iL1以斜率
Figure GDA0003479145220000083
下降，电感L1的电流iL1降为零时为t3时刻，去磁结束，去磁结束时刻t3晚于定时器timer结束时刻t`。
t3～t4阶段：也称为反向阶段，在反向阶段，电感L1的电流iL1以斜率
Figure GDA0003479145220000084
从零下降为负电流，控制器根据输入电压Vin、输出电压Vo、电感L1的感量、主开关管Q1的寄生电容Coss1和同步开关管Q2的寄生电容Coss的大小调节反向阶段的时间长度，反向阶段的时间长度与输入电压Vin的大小成正比，与电感器L1的感量大小成正比，与输出电压Vo的大小成反比，与主开关管Q1的寄生电容Coss1和同步开关管Q2的寄生电容Coss的大小成正比。在t4时刻关断同步开关管Q2。
t4～t0+T阶段：输出电压Vo通过电感L1给主开关管Q1的寄生电容Coss1放电，给同步开关管Q2的寄生电容Coss充电，电感L1的第一端Vs的电压在t0+T时刻大于Vin-Vth，实现主开关管Q1的ZVS开通，T为一个开关周期的时间长度。
本周期结束，下一个工作周期开始，重复上面的阶段。
请参考图8，图8为降压同步整流电路工作在第一准谐振限频模式时一个工作周期T的工作时序。
在第一变频模式的输入输出条件下，当负载降低时，励磁阶段和去磁阶段变小，开关频率变大，所以开关管的关断损耗和驱动损耗都随着开关频率的变大而变大，导致效率下降，为了避免效率的过分降低，如果电感L1的去磁结束时刻t3早于定时器定时结束时刻t`就需要限制最大开关频率，在第一变频模式的去磁阶段和励磁阶段之间增加一个自由谐振阶段，称为第一准谐振限频模式。
降压同步整流电路工作在第一准谐振限频模式时一个工作周期T的具体工作过程如下：
t0～t1阶段：也称为励磁阶段，在励磁阶段，在t0时刻主开关管Q1导通，控制器内的定时器开始定时，电感L1两端的电压为输入电压Vin-输出电压Vo，对电感L1励磁，电感L1的电流iL1以斜率
Figure GDA0003479145220000091
上升。
t1～t2阶段：t1时刻关断主开关管Q1，电感L1的电流iL1给主开关管Q1的寄生电容Coss1充电，给同步开关管Q2的寄生电容Coss放电，在t2时刻电感L1的第一端Vs的电压由从等于输入电压Vin降为0V，同步开关管Q2实现ZVS开通。
t2～t3阶段：也称为去磁阶段，在去磁阶段，电感L1的电流iL1以斜率
Figure GDA0003479145220000092
下降，电感L1的电流iL1降为零时为t3时刻，去磁结束，此刻关断同步开关管Q2，去磁结束时刻t3早于定时器timer结束时刻t`。
t3～t0+T阶段：也称为自由谐振阶段，在自由谐振阶段，从t3时刻开始，电感L1的第一端Vs的电压开始谐振，控制器从定时器定时结束时刻t`开始检测电感L1的第一端Vs的峰值电压，并在峰值t0+T时刻实现主开关管Q1的ZVS开通，T为一个开关周期的时间长度。在自由谐振阶段中，电感L1的第一端的电压产生谐振，且主开关在定时器定时结束后且谐振电压到达波峰时导通。
本周期结束，下一个工作周期开始，重复上面的阶段。
请参考图9，图9为降压同步整流电路工作在第二准谐振限频模式时一个工作周期T的工作时序。
在第二变频模式的输入输出条件下，当负载降低时，励磁阶段和去磁阶段变小，开关频率变大，所以开关管的关断损耗和驱动损耗都随着开关频率的变大而变大，导致效率下降，为了避免效率的过分降低，如果电感L1的去磁结束时刻t3早于定时器定时结束时刻t`就需要限制最大开关频率，在第二变频模式的去磁阶段和反向阶段之间增加一个自由谐振阶段，称为第二准谐振限频模式。
降压同步整流电路工作在第一准谐振限频模式时一个工作周期T的具体工作过程如下：
t0～t1阶段：也称为励磁阶段，在励磁阶段，t0时刻主开关管Q1导通，控制器内的定时器开始定时，电感L1两端的电压为Vin-Vo，对电感L1励磁，电感L1的电流iL1以斜率
Figure GDA0003479145220000101
上升。
t1～t2阶段：t1时刻关断主开关管Q1，电感L1的电流iL1给主开关管Q1的寄生电容Coss1充电，给同步开关管Q2的寄生电容Coss放电，在t2时刻电感L1的第一端Vs的电压由从等于输入电压Vin降为0V，同步开关管Q2实现ZVS开通。
t2～t3阶段：也称为去磁阶段，在去磁阶段，电感L1的电流iL1以斜率
Figure GDA0003479145220000102
下降，电感L1的电流iL1降为零时为t3时刻，去磁结束，此刻关断同步开关管Q2，去磁结束时刻t3早于定时器timer结束时刻t`。
t3～t4阶段：也称为自由谐振阶段，在自由谐振阶段，从t3时刻开始，电感L1的第一端Vs的电压开始谐振，控制器从定时器定时结束时刻t`开始通过波谷检测电路检测电感L1的第一端Vs的谷值电压，并在谷值电压产生的时刻t4，控制同步开关管Q2再次ZVS开通。
t4～t5阶段：也称为反向阶段，在反向阶段，电感L1的电流iL1以斜率
Figure GDA0003479145220000103
从零下降为负电流，控制器根据输入电压Vin、输出电压Vo、电感L1的感量、主开关管Q1的寄生电容Coss1和同步开关管Q2的寄生电容Coss的大小调节反向阶段的时间长度大小，反向阶段的时间长度与输入电压Vin的大小成正比，与电感器L1的感量大小成正比，与输出电压Vo的大小成反比，与Q1的寄生电容Coss1和同步开关管Q2的寄生电容Coss的大小成正比。在t5时刻关断同步开关管Q2。
t5～t0+T阶段：输出电压Vo通过电感L1给主开关管Q1的寄生电容Coss1放电，给同步开关管Q2的寄生电容Coss充电，电感L1的第一端Vs的电压在t0+T时刻大于Vin-Vth，实现主开关管Q1的ZVS开通，T为一个开关周期的时间长度。
本周期结束，下一个工作周期开始，重复上面的阶段。
在第一准谐振限频模式或第二准谐振限频模式的基础上，当负载进一步降低并小于预定负载时，为了避免效率的过分降低而进入降频模式，降频模式包括跳周期模式，突发模式(burst mode)等，此预定负载也可用闭环控制的误差放大信号或同步开关管Q2的导通时间来代替。
第二实施例
图10为本发明的第二实施例多模态软开关变换器的电路原理图，多模态软开关变换器包括升压同步整流电路和控制器。升压同步整流电路包括用于接收输入Vin的输入端、用于产生输出电压Vo的输出端、电源公共地GND、主开关管Q1、同步开关管Q2、电感L1、电容C1和控制器；电感L1的第一端和控制器连接到输入电压Vin；主开关管Q1的漏极、同步开关管Q2的源极和控制器连接到电感L1的第二端Vs；同步开关管Q2的漏极、控制器和电容C1的一端连接到输出电压Vo，主开关管Q1的源极和电容C1的另一端连接到电源公共地GND，是功率电路一个升压同步整流电路。
图10中的Coss1和Coss2分别为主开关管Q1和同步开关管Q2的寄生输出电容，为了方便描述单独绘制出来。
控制器包括自由谐振阶段的波峰检测电路，自由谐振阶段的波谷检测电路，定时器timer，电感L1的去磁结束时刻检测电路。至少需要检测输入电压Vin，输出电压Vo和电感L1第二端Vs的电压。
定时器从主开关管Q1开始导通时刻到同步开关管Q2开始导通时刻之间的某一时刻开始定时，定时结束时刻t`触发一个单稳态的脉冲上升沿或下降沿，定时的时长可以调节。
控制器判断一个开关周期T内定时器的定时结束时刻t`与电感L1的去磁结束时刻t3的前后关系，如果电感L1的去磁结束时刻t3等于或晚于定时器定时结束时刻t`，升压同步整流电路工作在变频模式，变频模式的周期基本等于励磁阶段与去磁阶段之和或基本等于励磁阶段，去磁阶段和反向阶段三者之和，负载的大小与励磁阶段和去磁阶段的时长正相关，因此负载越大变频模式的周期越长，电感L1的去磁结束时刻t3越晚于定时器的定时结束时刻t`，同时输入电压Vin与输出电压Vo做差的绝对值越小，电感L1的去磁结束时刻t3越晚于定时器的定时结束时刻t`，即：开关频率随着负载和输入输出电压的变化而变化；当负载逐渐减小或输入电压Vin与输出电压Vo做差的绝对值逐渐变大，电感L1的去磁结束时刻t3将早于定时器定时结束时刻t`，升压同步整流电路工作在准谐振限频模式，即：在电感L1的去磁结束时刻t3关断同步开关管Q2，在定时器定时结束时刻t`，自由谐振阶段的波峰检测电路或自由谐振阶段的波谷检测电路开始工作。
本实施例中，变频模式分成第一变频模式和第二变频模式。当电感L1的去磁结束时刻等于或晚于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth<＝Vo时，控制器控制升压同步整流电路工作在第一变频模式；当电感L1的去磁结束时刻等于或晚于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth>Vo时，控制器控制升压同步整流电路工作在第二变频模式。
准谐振限频模式分成第一准谐振限频模式和第二准谐振限频模式。当电感L1的去磁结束时刻早于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth<＝Vo时，控制器控制升压同步整流电路工作在第一准谐振限频模式；当电感L1的去磁结束时刻早于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth>Vo时，控制器控制升压同步整流电路工作在第二准谐振限频模式。
与第一实施例的工作相似，同样包含第一变频模式、第二变频模式、第一准谐振限频模式、第二准谐振限频模式和降频模式，控制器根据一个周期内电感L1的去磁结束时刻t3与定时器定时结束时刻t`的先后关系，输入电压Vin、输出电压Vo和负载大小在上述5种工作模式之间切换。
图11为：当2*Vin-Vth<＝Vo且电感L1的去磁结束时刻t3等于或晚于定时器timer结束时刻t`时，升压同步整流电路工作在第一变频模式，包括励磁阶段：t0～t1，去磁阶段：t2～t3。
图12为：当2*Vin-Vth>Vo且电感L1的去磁结束时刻t3等于或晚于定时器timer结束时刻t`时，升压同步整流电路工作在第二变频模式，包括励磁阶段：t0～t1，去磁阶段：t2～t3，反向阶段：t3～t4。反向阶段的时间长度与电感器L1的感量大小成正比，与输出电压Vo-Vin的大小成反比，与主开关Q1的寄生电容Coss1和同步开关管Q2的寄生电容Coss的大小成正比。
图13为：当2*Vin-Vth<＝Vo且电感L1的去磁结束时刻t3早于定时器timer结束时刻t`时，升压同步整流电路工作在第一准谐振限频模式，包括励磁阶段：t0～t1，去磁阶段：t2～t3，自由谐振阶段：t3～t0+T。
图14为：当2*Vin-Vth>Vo且电感L1的去磁结束时刻t3早于定时器timer结束时刻t`时，升压同步整流电路工作在第二准谐振限频模式，包括励磁阶段：t0～t1，去磁阶段：t2～t3，自由谐振阶段：t3～t4，反向阶段：t4～t5。反向阶段的时间长度与电感器L1的感量大小成正比，与输出电压Vo-Vin的大小成反比，与Q1的寄生电容Coss1和同步开关管Q2的寄生电容Coss的大小成正比。
在第一准谐振限频模式或第二准谐振限频模式的基础上，当负载进一步降低并小于预定负载时，为了避免效率的过分降低需要根据负载的大小进入降频模式，降频模式包括跳周期模式，突发模式(burst mode)等，此预定负载也可用闭环控制的误差放大信号或同步开关管Q2的导通时间来代替。
上述实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干等同替换、改进和润饰，再如根据应用场合的不同，通过器件的简单串并联等手段对电路微调，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种多模态软开关变换器，其特征在于，包括：降压同步整流电路和控制器；
所述降压同步整流电路具有用于接收输入电压Vin的输入端、用于提供调整后输出电压Vo的输出端、主开关管、同步开关管以及电感；
所述控制器内设有定时器和阈值电压Vth，所述定时器从所述主开关管开始导通时刻到所述同步开关管开始导通时刻之间的某一时刻开始定时，定时结束时刻触发一个单稳态的脉冲上升沿或下降沿，所述定时器定时的时长可调节；所述控制器用于控制所述主开关管和所述同步开关管，使得所述降压同步整流电路在所述电感的去磁结束时刻等于或晚于所述定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和所述阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2<＝Vo时工作在第一变频模式；
用于控制所述主开关管和所述同步开关管，使得所述降压同步整流电路在所述电感的去磁结束时刻等于或晚于所述定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和所述阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2>Vo时工作在第二变频模式；
用于控制所述主开关管和所述同步开关管，使得所述降压同步整流电路在所述电感的去磁结束时刻早于所述定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和所述阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2<＝Vo时工作在第一准谐振限频模式；以及
用于控制所述主开关管和所述同步开关管，使得所述降压同步整流电路在所述电感的去磁结束时刻早于所述定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和所述阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2>Vo时工作在第二准谐振限频模式。
2.如权利要求1所述的多模态软开关变换器，其特征在于：所述第二变频模式包括励磁阶段、去磁阶段和反向阶段，在所述反向阶段，所述电感的电流以斜率为
Figure FDA0003465782920000011
从零下降为负电流，其中，L为所述电感的感量。
3.如权利要求2所述的多模态软开关变换器，其特征在于：所述反向阶段的时间长度与所述电感的感量大小成正比，与所述输入电压Vin的大小成正比，与所述输出电压Vo的大小成反比。
4.如权利要求1所述的多模态软开关变换器，其特征在于：所述第一准谐振限频模式包括励磁阶段、去磁阶段和自由谐振阶段，在自由谐振阶段中，所述电感一端的电压产生谐振。
5.如权利要求4所述的多模态软开关变换器，其特征在于：所述控制器内还设有波峰检测电路，所述波峰检测电路在所述定时器定时结束后检测所述电感一端的谐振波峰电压并在检测到所述谐振波峰电压时产生一触发信号控制所述主开关管导通。
6.如权利要求1所述的多模态软开关变换器，其特征在于：所述第二准谐振限频模式包括励磁阶段、去磁阶段、自由谐振阶段以及反向阶段；在反向阶段中，所述电感的电流以斜率为
Figure FDA0003465782920000021
从零下降为负电流，其中，L为所述电感的感量；在自由谐振阶段中，所述电感一端的电压产生谐振。
7.如权利要求6所述的多模态软开关变换器，其特征在于：所述控制器内还设有波谷检测电路，所述波谷检测电路在定时器定时结束后检测所述电感一端的谐振波谷电压并在检测到所述谐振波谷电压时产生一触发信号控制所述同步开关管再次导通进入所述反向阶段。
8.如权利要求4或6所述的多模态软开关变换器，其特征在于：在自由谐振阶段，所述主开关管和所述同步开关管关断，所述电感与所述降压同步整流电路中的寄生电容产生谐振。
9.如权利要求2所述的多模态软开关变换器，其特征在于：在励磁阶段，所述主开关管导通，所述同步开关管关断，所述电感的电流正向增加；在去磁阶段，所述主开关管关断，所述同步开关管导通，所述电感的电流正向减少至零，去磁结束。
10.如权利要求1所述的多模态软开关变换器，其特征在于：所述定时器从所述主开关管开始导通时刻开始计时、从所述同步开关管开始导通时刻开始计时或从所述主开关管开始导通时刻到所述同步开关管开始导通时刻之间的某一时刻开始计时。
11.如权利要求1所述的多模态软开关变换器，其特征在于：当负载电流小于预定负载电流时，所述控制器控制所述降压同步整流电路工作在降频模式，所述降频模式包括跳周期模式和突发模式。
12.一种多模态软开关变换器，其特征在于，包括：升压同步整流电路和控制器；
所述升压同步整流电路具有用于接收输入电压Vin的输入端、用于提供调整后输出电压Vo的输出端、主开关管、同步开关管以及电感；
所述控制器内设有定时器和阈值电压Vth，所述定时器从所述主开关管开始导通时刻到所述同步开关管开始导通时刻之间的某一时刻开始定时，定时结束时刻触发一个单稳态的脉冲上升沿或下降沿，所述定时器定时的时长可调节；所述控制器用于控制所述主开关管和同步开关管，使得升压同步整流电路在所述电感的去磁结束时刻等于或晚于定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和所述阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth<＝Vo时工作在第一变频模式；
用于控制所述主开关管和所述同步开关管，使得所述升压同步整流电路在所述电感的去磁结束时刻等于或晚于定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和所述阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth>Vo时工作在第二变频模式；
用于控制所述主开关管和所述同步开关管，使得所述升压同步整流电路在所述电感的去磁结束时刻早于定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和所述阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth<＝Vo时工作在第一准谐振限频模式；以及
用于控制所述主开关管和同步开关管，使得升压同步整流电路在所述电感的去磁结束时刻早于定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和所述阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth>Vo时工作在第二准谐振限频模式。
13.一种多模态软开关变换器控制方法，其特征在于，包括：
采集同步整流电路的输入电压Vin和输出电压Vo，以及采集同步整流电路的电感的去磁结束时刻与定时器定时结束时刻，所述定时器从主开关管开始导通时刻到同步开关管开始导通时刻之间的某一时刻开始定时，定时结束时刻触发一个单稳态的脉冲上升沿或下降沿，所述定时器定时的时长可调节；
根据所述输入电压Vin和所述输出电压Vo的大小关系以及根据所述定时器定时结束时刻和所述电感的去磁结束时刻的前后关系对所述同步整流电路的工作模式进行控制，使得所述同步整流电路能工作在不同的工作模式；
当所述电感的去磁结束时刻等于或晚于所述定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2<＝Vo时，控制所述同步整流电路工作在第一变频模式；
当所述电感的去磁结束时刻等于或晚于所述定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和所述阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2>Vo时，控制所述同步整流电路工作在第二变频模式；
当所述电感的去磁结束时刻早于所述定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和所述阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2<＝Vo时，控制同步整流电路工作在第一准谐振限频模式；以及
当所述电感的去磁结束时刻早于所述定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和所述阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2>Vo时，控制所述同步整流电路工作在第二准谐振限频模式。
14.一种多模态软开关变换器控制方法，其特征在于，包括：
采集同步整流电路的输入电压Vin和输出电压Vo，以及采集同步整流电路的电感的去磁结束时刻与定时器定时结束时刻，所述定时器从主开关管开始导通时刻到同步开关管开始导通时刻之间的某一时刻开始定时，定时结束时刻触发一个单稳态的脉冲上升沿或下降沿，所述定时器定时的时长可调节；
根据所述输入电压Vin和所述输出电压Vo的大小关系以及根据所述定时器定时结束时刻和所述电感的去磁结束时刻的前后关系对所述同步整流电路的工作模式进行控制，使得所述同步整流电路能工作在不同的工作模式；
当所述电感的去磁结束时刻等于或晚于所述定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth<＝Vo时，控制所述同步整流电路工作在第一变频模式；
当所述电感的去磁结束时刻等于或晚于所述定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和所述阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth>Vo时，控制所述同步整流电路工作在第二变频模式；
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