CN113162425A - 用于控制有源钳位反激开关电源的死区时间的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于控制有源钳位反激开关电源的死区时间的装置和方法。一种用于控制有源钳位反激开关电源中的死区时间的装置，包括：电压信号生成模块，用于：获取当前脉冲宽度调制PWM周期的死区时间；以及基于所述死区时间来生成电压信号；参考电压信号生成模块，用于基于预设的参考死区时间来生成参考电压信号；以及控制信号生成模块，用于基于所述电压信号和所述参考电压信号来生成控制信号，其中，所述控制信号用于控制所述有源钳位反激开关电源中的有源钳位开关管的导通时间。

Description

用于控制有源钳位反激开关电源的死区时间的装置和方法
技术领域
本公开涉及集成电路，更具体地，涉及用于控制有源钳位反激(Active ClampingFlyback，ACF)开关电源中的死区时间的装置和方法。
背景技术
有源钳位反激开关电源可以在较高的开关频率下工作。在有源钳位反激开关电源的系统层面上，可以通过减小变压器的尺寸来提升功率密度，实现零电压开关(ZVS)，提高系统效率。传统的有源钳位反激开关电源具有固定的开关频率，整个系统只能设计在连续导通模式(CCM)或者非连续导通模式(DCM)下，有源钳位反激开关电源中的死区时间会随输入电压、输出电压以及输出负载而变化，导致系统效率无法达到最佳。
发明内容
鉴于以上所述的问题，本公开提供了一种新颖的用于控制有源钳位反激开关电源中的死区时间的装置和方法。
根据本公开的实施例的一方面，提供了一种用于控制有源钳位反激开关电源中的死区时间的方法，包括：获取当前脉冲宽度调制PWM周期的死区时间；基于所述死区时间来生成电压信号；基于预设的参考死区时间来生成参考电压信号；以及基于所述电压信号和所述参考电压信号来生成控制信号，其中，所述控制信号用于控制所述有源钳位反激开关电源中的有源钳位开关管的导通时间。
根据本公开的实施例的另一方面，提供了一种用于控制有源钳位反激开关电源中的死区时间的装置，包括：电压信号生成模块，用于：获取当前脉冲宽度调制PWM周期的死区时间；以及基于所述死区时间来生成电压信号；参考电压信号生成模块，用于基于预设的参考死区时间来生成参考电压信号；以及控制信号生成模块，用于基于所述电压信号和所述参考电压信号来生成控制信号，其中，所述控制信号用于控制所述有源钳位反激开关电源中的有源钳位开关管的导通时间。
根据本公开的实施例的又一方面，提供了一种有源钳位反激开关电源，包括如上所述的用于控制有源钳位反激开关电源中的死区时间的装置。
根据本公开的实施例的用于控制有源钳位反激开关电源中的死区时间的装置和方法能够通过控制有源钳位反激开关电源中的有源钳位开关管的导通时间，来实现对有源钳位反激开关电源中的死区时间的精确控制，使得有源钳位反激开关电源中的死区时间不会随输入电压、输出电压以及输出负载而变化，从而实现ZVS，同时避免由于变压器的主电感的过大负向电流而引起的能耗，提高系统效率。
附图说明
从下面结合附图对本公开的具体实施方式的描述中，可以更好地理解本公开，其中：
图1示出了传统的有源钳位反激开关电源的结构示意图；
图2示出了图1的有源钳位反激开关电源的ACF控制器的结构示意图；
图3示出了图1的有源钳位反激开关电源的部分信号的波形示意图；
图4示出了根据本公开的一个实施例的有源钳位反激开关电源的ACF控制器中的自适应死区时间控制环路模块的结构示意图；
图5示出了根据本公开的一个实施例的有源钳位反激开关电源的ACF控制器中的自适应死区时间控制环路模块中的误差放大器的输出电流和输入电压的示意图；
图6-7示出了根据本公开的一个实施例的有源钳位反激开关电源中的死区时间从偏大到稳态的调节过程中的部分信号的波形示意图；
图8示出了根据本公开的一个实施例的有源钳位反激开关电源的ACF控制器中的自适应死区时间控制环路模块的结构示意图；
图9示出了根据本公开的一个实施例的用于控制有源钳位反激开关电源中的死区时间的装置的结构示意图；以及
图10示出了根据本公开的一个实施例的用于控制有源钳位反激开关电源中的死区时间的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本公开的各个方面的特征和示例性实施例。示例实现方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于本文阐述的实现方式；相反，提供这些实现方式以使得本公开更全面和完整，并将示例实现方式的构思全面地传达给本领域技术人员。在附图中，为了清晰，可能夸大了区域和组件的尺寸。此外，在附图中，相同的附图标记表示相同或相似的结构，因而将省略它们的详细描述。
此外，所描述的特征、结构、或特性可以以任何合适的方式结合在一个或多个实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节以给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以在没有所述具体细节中的一个或多个的情况下实施本公开的技术方案，或者可以采用其他方法、组件、材料等。在其他情况下，未详细示出或描述公知的结构、材料、或操作，以避免模糊本公开的主要技术创意。
如前所述，为了解决传统有源钳位反激开关电源中的死区时间会随输入电压、输出电压以及输出负载而变化的问题，提出了用于控制有源钳位反激开关电源中的死区时间的装置和方法。
图1示出了传统的有源钳位反激开关电源的结构示意图。如图1所示，传统的有源钳位反激开关电源可以包括变压器T、主脉冲宽度调制(PWM)功率开关管QL、有源钳位开关管QH、有源钳位电容Cclamp、ACF控制器、电阻Rsense、副边整流二极管D1、输出电容C1和副边侧的误差放大器及光耦。
图2示出了图1的有源钳位反激开关电源的ACF控制器的结构示意图。如图2所示，图1的有源钳位反激开关电源的ACF控制器可以包括VD端、DEM端、CS端、FB输入端、主PWM驱动输出端GateL、以及有源钳位驱动输出端GateH。ACF控制器内部可以包括VD下降沿检测模块、峰值电流控制模块、自适应死区时间控制环路模块、主PWM驱动模块、以及有源钳位驱动模块。
图3示出了图1的有源钳位反激开关电源的部分信号的波形示意图。具体地，图3分别示出了主PWM功率开关管QL的栅极驱动信号GateL、有源钳位开关管QH的栅极驱动信号GateH、变压器的电感激磁电流IM、以及主PWM功率开关管QL的漏极电压信号VD的波形示意图。
如图3所示，在T0时刻，主PWM功率开关管QL导通，输入电压Vin加在变压器的电感两端，变压器的电感激磁电流IM线性上升。在T1时刻，主PWM功率开关管QL断开，在经过很短的固定延时之后，有源钳位开关管QH导通。有源钳位开关管QH导通时，变压器的电感激磁电流IM线性下降，副边整流二极管D1导通，变压器的副边对输出电容C1充电。当变压器的电感激磁电流IM下降到零时，变压器的电感存储的能量全部释放完毕，副边整流二极管D1自然断开。此时有源钳位开关管QH处于导通状态，变压器的主电感和有源钳位电容Cclamp谐振，有源钳位电容Cclamp上的电压N*Vout反向加在变压器的电感两端，变压器的电感激磁电流IM降到零后继续反向线性增大。在T2时刻，有源钳位开关管QH断开，变压器的主电感和VD端的寄生电容谐振，寄生电容放电，电压VD下降。当电压VD下降达到设定的阈值电压Vth时，主PWM功率开关管QL导通，其中，电压VD下降达到设定的阈值电压Vth与主PWM功率开关管QL导通之间的延时时间是固定的而且延时时间很小。从有源钳位开关管QH断开到电压VD下降达到设定的阈值电压Vth的时间为死区时间Td，即T3-T2。增大有源钳位开关管QH的导通时间可以减小死区时间，减小有源钳位开关管QH的导通时间可以增大死区时间。
图4示出了根据本公开的一个实施例的有源钳位反激开关电源的ACF控制器中的自适应死区时间控制环路模块的结构示意图。如图4所示，根据本公开的一个实施例的有源钳位反激开关电源的ACF控制器中的自适应死区时间控制环路模块将每个PWM周期检测到的死区时间Td_det、以及内部预设的参考死区时间Td_ref作为输入。每个PWM周期检测到的死区时间Td_det被转换成电压信号Vtd_det，预设的参考死区时间Td_ref被转换成参考电压信号Vth_ref。电阻Rf和电容Cf组成低通滤波器以对电压信号Vtd_det进行滤波。经滤波的电压信号Vtd_det与参考电压信号Vth_ref被输入到GmC结构的误差放大器，所产生的输出信号与由斜坡生成器所生成的具有固定斜率的三角波信号一起被输入到比较器，以生成控制信号GateH off，该控制信号GateH off用于控制关断有源钳位开关管QH。
根据本公开的一个实施例的有源钳位反激开关电源的ACF控制器通过采用如图4所示的自适应死区时间控制环路模块，来构建控制环路调节有源钳位开关管QH的导通时间，从而精确地控制死区时间以使其达到设定的时间。利用如图4所示的自适应死区时间控制环路模块来控制有源钳位反激开关电源中的死区时间，能够实现在稳态下实际的死区时间无限接近设定的阈值，从而可以实现很精确地控制死区时间，不会使死区时间随输入电压、输出电压和输出负载而变化，这可以简化系统设计。由于可以将死区时间精确控制在最理想的值，可以实现ZVS，同时避免由于变压器的主电感的过大负向电流而引起的能耗，从而可以提高系统的效率。
图5示出了根据本公开的一个实施例的有源钳位反激开关电源的ACF控制器中的自适应死区时间控制环路模块中的误差放大器的输出电流和输入电压的示意图。如图4和5所示，GmC结构的误差放大器的反向输入端电压为参考电压信号Vth_ref。在GmC结构的误差放大器的同向输入端电压在Vth_L1到Vth_H1之间线性变化的情况下，对应于较小的Gm值。在GmC结构的误差放大器的同向输入端电压在Vth_L2到Vth_L1之间或者在Vth_H1到Vth_H2之间变化的情况下，对应于更大的Gm值，同时限制输出端的最大电流幅度。Gm被设计成这样的具有分段变化的Gm值，既能够兼顾稳态下的环路带宽，也能够在动态切换时加快环路响应的速度。
图6-7示出了根据本公开的一个实施例的有源钳位反激开关电源中的死区时间从偏大到稳态的调节过程中的部分信号的波形示意图。具体地，图6-7示出了利用根据本公开的一个实施例的有源钳位反激开关电源的ACF控制器中的自适应死区时间控制环路模块来将死区时间从偏大调节到稳态的调节过程中的部分信号的波形示意图。最初，检测到的死区时间大于预设的参考死区时间，因而被输入到GmC结构的误差放大器的同向输入端的电压Vtd_det信号也大于被输入到GmC结构的误差放大器的反向输入端的参考电压信号Vth_ref，使得GmC结构的误差放大器的输出端的输出信号(电压Comp)慢慢增大，进而使得有源钳位开关管QH的导通时间增大，变压器的电感的负向电流的幅值增大，即有源钳位开关管QH断开后对VD端的放电电流幅度增大，因而VD的下降斜率的绝对值增大即下降速度更快，从而使得死区时间减小。
图8示出了根据本公开的一个实施例的有源钳位反激开关电源的ACF控制器中的自适应死区时间控制环路模块的结构示意图。有源钳位反激反激开关电源的输出电压Vout不同时，例如输出电压Vout在3V到20V之间变化时，由于变压器的电感电流的下降斜率和电压N*Vout成反比，因此输出电压越低，有源钳位开关管QH的导通时间越长。由于对于GmC结构的误差放大器的输出端的输出信号(电压Comp)的范围和由斜坡生成器所生成的三角波信号的斜率的参数要求很高，因而很难兼顾输出电压高低变化和不同输出负载的变化，即输出电压对于自适应死区时间控制环路模块的控制环路的带宽的影响很大。如图8所示，根据本公开的一个实施例的有源钳位反激开关电源的ACF控制器中的自适应死区时间控制环路模块通过变压器绕组采样输出电压，基于所采样的输出电压来调节由斜坡生成器所生成的三角波信号的斜率，由斜坡生成器所生成的三角波信号的斜率被设置为与输出电压成正比，由此减小了输出电压对自适应死区时间控制环路模块的控制环路的影响。
图9示出了根据本公开的一个实施例的用于控制有源钳位反激开关电源中的死区时间的装置的结构示意图。如图9所示，根据本公开的一个实施例的用于控制有源钳位反激开关电源中的死区时间的装置900可以包括电压信号生成模块910、参考电压信号生成模块920以及控制信号生成模块930。
电压信号生成模块910可以用于获取当前PWM周期的死区时间，并且基于所获取的死区时间来生成电压信号。参考电压信号生成模块920可以用于基于预设的参考死区时间来生成参考电压信号。控制信号生成模块930可以用于基于由电压信号生成模块910所生成的电压信号和由参考电压信号生成模块920所生成的参考电压信号来生成控制信号，其中，该控制信号可以用于控制有源钳位反激开关电源中的有源钳位开关管的导通时间。
在一个示例实施例中，根据本公开的一个实施例的用于控制有源钳位反激开关电源中的死区时间的装置900还可以包括滤波模块(未示出)。该滤波模块可以用于对由电压信号生成模块910所生成的电压信号进行滤波以生成经滤波的电压信号。控制信号生成模块920可以用于基于经滤波的电压信号和参考电压信号来生成控制信号。
在一个示例实施例中，控制信号生成模块920可以包括输出信号生成子模块、三角波信号生成子模块以及控制信号生成子模块。输出信号生成子模块可以用于基于电压信号和参考电压信号来生成输出信号，三角波信号生成子模块可以用于生成三角波信号，控制信号生成子模块可以用于基于由输出信号生成子模块所生成的输出信号和由三角波信号生成子模块所生成的三角波信号来生成控制信号。在一个示例实施例中，三角波信号生成子模块可以用于基于有源钳位反激开关电源的输出电压来生成三角波信号。在另一示例实施例中，三角波信号可以具有固定的斜率。
图10示出了根据本公开的一个实施例的用于控制有源钳位反激开关电源中的死区时间的方法的流程示意图。如图10所示，在步骤1010中，可以获取当前PWM周期的死区时间。在步骤1020中，可以基于死区时间来生成电压信号。在步骤1030中，可以基于预设的参考死区时间来生成参考电压信号。在步骤1040中，可以基于电压信号和参考电压信号来生成控制信号，其中，控制信号用于控制有源钳位反激开关电源中的有源钳位开关管的导通时间。
在一个示例实施例中，根据本公开的一个实施例的用于控制有源钳位反激开关电源中的死区时间的方法还可以包括：对步骤1010中生成的电压信号进行滤波以生成经滤波的电压信号，其中，步骤1040中的基于电压信号和参考电压信号来生成控制信号可以包括：基于经滤波的电压信号和参考电压信号来生成控制信号。
在一个示例实施例中，步骤1040中的基于电压信号和参考电压信号来生成控制信号可以包括：基于电压信号和参考电压信号来生成输出信号，生成三角波信号，以及基于输出信号和三角波信号来生成控制信号。在一个示例实施例中，生成三角波信号包括：基于有源钳位反激开关电源的输出电压来生成三角波信号。在另一示例实施例中，三角波信号具有固定的斜率。
结合图9和图10所述的根据本公开的实施例的用于控制有源钳位反激开关电源中的死区时间的装置和方法可以参照如上结合其他附图所详细描述的本公开的实施例，为了简洁起见，将不再重复赘述某些细节。可以理解的是，如上所述的结构和流程示意图中所示的功能块和方法步骤可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。
因此，根据本公开的实施例的用于控制有源钳位反激开关电源中的死区时间的装置和方法能够通过控制有源钳位反激开关电源中的有源钳位开关管的导通时间，来实现对有源钳位反激开关电源中的死区时间的精确控制，使得有源钳位反激开关电源中的死区时间不会随输入电压、输出电压以及输出负载而变化，从而实现ZVS，同时避免由于变压器的主电感的过大负向电流而引起的能耗，提高系统效率。
本公开可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本公开的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本公开的范围之中。

Claims (11)

1.一种用于控制有源钳位反激开关电源中的死区时间的方法，包括：
获取当前脉冲宽度调制PWM周期的死区时间；
基于所述死区时间来生成电压信号；
基于预设的参考死区时间来生成参考电压信号；以及
基于所述电压信号和所述参考电压信号来生成控制信号，其中，所述控制信号用于控制所述有源钳位反激开关电源中的有源钳位开关管的导通时间。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
对所述电压信号进行滤波以生成经滤波的电压信号，
其中，基于所述电压信号和所述参考电压信号来生成所述控制信号包括：基于经滤波的电压信号和所述参考电压信号来生成所述控制信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述电压信号和所述参考电压信号来生成所述控制信号包括：
基于所述电压信号和所述参考电压信号来生成输出信号；
生成三角波信号；以及
基于所述输出信号和所述三角波信号来生成所述控制信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述生成三角波信号包括：基于所述有源钳位反激开关电源的输出电压来生成所述三角波信号。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述三角波信号具有固定的斜率。
6.一种用于控制有源钳位反激开关电源中的死区时间的装置，包括：
电压信号生成模块，用于：
获取当前脉冲宽度调制PWM周期的死区时间；以及
基于所述死区时间来生成电压信号；
参考电压信号生成模块，用于基于预设的参考死区时间来生成参考电压信号；以及
控制信号生成模块，用于基于所述电压信号和所述参考电压信号来生成控制信号，其中，所述控制信号用于控制所述有源钳位反激开关电源中的有源钳位开关管的导通时间。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括：
滤波模块，用于对所述电压信号进行滤波以生成经滤波的电压信号，
其中，所述控制信号生成模块用于：基于经滤波的电压信号和所述参考电压信号来生成所述控制信号。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制信号生成模块包括：
输出信号生成子模块，用于基于所述电压信号和所述参考电压信号来生成输出信号；
三角波信号生成子模块，用于生成三角波信号；以及
控制信号生成子模块，用于基于所述输出信号和所述三角波信号来生成所述控制信号。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述三角波信号生成子模块用于：基于所述有源钳位反激开关电源的输出电压来生成所述三角波信号。
10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述三角波信号具有固定的斜率。
11.一种有源钳位反激开关电源，包括如权利要求6-10中任一项所述的用于控制有源钳位反激开关电源中的死区时间的装置。
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