CN113517816B - Llc谐振转换器的控制方法与电源控制器 - Google Patents

Llc谐振转换器的控制方法与电源控制器 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一电源控制器，用以控制上臂开关以及下臂开关，包含有开启时间产生器以及丛集模式控制器。该开启时间产生器依据回馈电压，控制该上臂开关之一上臂开启时间，以及该下臂开关之一下臂开启时间。该回馈电压是依据输出电压而产生。该丛集模式控制器包含有三角波产生器与第一比较器。该三角波产生器依据丛集电压，以预定丛集周期，周期性地产生三角波信号。该第一比较器比较该三角波信号以及该回馈电压。当该回馈电压低于该三角波信号时，该丛集模式控制器使该上臂开关与该下臂开关保持关闭。

Description

LLC谐振转换器的控制方法与电源控制器
技术领域
本发明大致关于LLC谐振转换器的控制方法与电源控制器，尤指可以提高轻载或无载的转换效率的LLC谐振转换器的控制方法与电源控制器。
背景技术
LLC谐振转换器为一种转换效率相当优异的开关式电源供应器。开关式电源供应器中，功率开关往往是消耗功率的主要组件之一。理论上，LLC谐振转换器的每个开关周期，都可以使两个最主要的功率开关，也就是上臂开关与下臂开关，进行零电压切换(zerovoltage switching，ZVS)。因此，上臂开关与下臂开关的导通损失(conduction loss)就可以控制在非常低的程度。LLC谐振转换器大多适用于大功率的电源供应器。
只是，LLC谐振转换器的开关频率(开关周期的倒数)，理论上会随着负载的降低而增高。在轻载与无载状态时，尽管导通损失可以抑制在非常低的程度，但是上臂开关与下臂开关的开关损失(switching loss)，也就是对上臂开关与下臂开关的控制端充放电所产生的电能损失，会随着开关频率增加而增加。轻载或是无载时，开关损失的增加，会大幅降低转换效率。因此，有必要对于轻载与无载状态时的LLC谐振转换器，进行特别的控制，来增进LLC谐振转换器的转换效率。
发明内容
本发明实施例提供电源控制器，用以控制上臂开关以及下臂开关，包含有开启时间产生器以及丛集模式控制器。该开启时间产生器依据回馈电压，控制该上臂开关之一上臂开启时间，以及该下臂开关之一下臂开启时间。该回馈电压系依据输出电压而产生。该丛集模式控制器包含有三角波产生器与第一比较器。该三角波产生器依据丛集电压，以预定丛集周期，周期性地产生三角波信号。该第一比较器比较该三角波信号以及该回馈电压。当该回馈电压低于该三角波信号时，该丛集模式控制器使该上臂开关与该下臂开关保持关闭。
本发明实施例提供一种LLC谐振转换器的控制方法。该LLC谐振转换器包含有上臂开关以及下臂开关。该控制方法包含有：依据输出电压，提供回馈电压；依据该回馈电压，控制该上臂开关之一上臂开启时间，以及该下臂驱动器之一下臂开启时间；依据丛集电压(burst voltage)，以预定丛集周期，周期性地产生三角波信号；比较该三角波信号以及该回馈电压；以及，当该回馈电压低于该三角波信号时，使该上臂开关与该下臂开关保持关闭。
附图说明
图1显示一种依据本发明所实施的LLC谐振转换器。
图2显示图1中的电源控制器。
图3显示回馈电压VFB低于丛集电压VBST时，三角波信号VTRI、回馈电压VFB-0.2V、停止信号GATE-STOP、控制上臂开关HS的信号SH、与控制下臂开关LS的信号SL的信号波形。
图4A显示回馈电压VFB与上臂开启时间TH-ON或是下臂开启时间TL-ON的关系。
图4B显示回馈电压VFB与工作比例DWK的关系。
具体实施方式
在本说明书中，有一些相同的符号，其表示具有相同或是类似的结构、功能、原理的组件，且为本领域普通技术人员可以依据本说明书的教导而推知。为说明书的简洁度考虑，相同的符号的组件将不再重述。
依据本发明所实施的LLC谐振转换器，在负载为轻载或无载时，可以操作于丛集模式。操作于丛集模式时，上臂开关与下臂开关维持关闭状态一段休息时段BRK之后，才会进入工作时段WK，让上臂开关与下臂开关交替开启，且休息时段BRK与工作时段WK交替出现。休息时段BRK与工作时段WK构成了预定丛集周期TBST。在本发明所实施的LLC谐振转换器中，预定丛集周期TBST不随着负载改变而改变。
图1显示一种依据本发明所实施的LLC谐振转换器100，将在一次侧的输入电压VIN，转换为二次侧的输出电压VOUT。LLC谐振转换器100具有电源控制器102、上臂开关HS、下臂开关LS、变压器TF、电容CIN、CVCC、CL、COUT、二极管D1、D2H、D2L、误差放大器ER、光耦合器OPT。变压器TF中，相电感耦合的有主绕组LP、辅助绕组LA、二次侧绕组LSH、LSL。变压器TF另具有代表漏感的寄生绕组LPP，跟主绕组LP与电容CL串联于连接点N1与输入地之间，形成LLC谐振槽(resonant tank)。
电源控制器102可以是集成电路，具有电源接脚VCC、回馈接脚FB、设定接脚BSTS、上臂控制接脚HGATE、上臂接地接脚HGND、下臂控制接脚LGATE、接地接脚GND。电源控制器102通过上臂控制接脚HGATE与下臂控制接脚LGATE，来控制上臂开关HS的上臂开启时间TH-ON、以及下臂开关LS的下臂开启时间TL-ON，由此控制了LLC谐振槽中所存放的能量。当电压与电流在LLC谐振槽中震荡时，二极管D2H与D2L将二次侧绕组LSH、LSL上的感应电流整流，产生了输出电压VOUT，对负载104供电。同时，二极管D1对辅助绕组LA上的感应电流整流，产生操作电压VCC，供应电源控制器102所需的电能。
输出电压VOUT的稳压控制，由误差放大器ER以及光耦合器OPT，经由回馈接脚FB，回馈给电源控制器102。回馈接脚FB上的回馈电压VFB，依据输出电压VOUT跟目标电压VTRGT的比较结果而产生。整个稳压控制，目标是使得输出电压VOUT大约稳定于默认的目标电压VTRGT。举例来说，当输出电压VOUT大于目标电压VTRGT时，回馈接脚FB上的回馈电压VFB就会被光耦合器OPT拉低，使得之后的上臂开启时间TH-ON与下臂开启时间TL-ON缩短，也降低了之后开关周期中送入LLC谐振槽中的能量，最终可以使得输出电压VOUT下降，往目标电压VTRGT靠近。从另一个角度来看，当输出电压VOUT大约等于目标电压VTRGT时，负载104越轻，回馈电压VFB越低。
电源控制器102的设定接脚BSTS可以连接外部电阻RST。举例来说，依据外部电阻RST的电阻值，电源控制器102可以内部产生丛集电压VBST。丛集电压VBST可以决定负载104为轻载或是无载时的上臂开启时间TH-ON与下臂开启时间TL-ON，稍后将细部解说。
图2显示电源控制器102，包含有开启时间产生器110、丛集模式控制器112、丛集电压设定电路113、比较器114、控制逻辑116、以与门驱动器118与120。
丛集电压设定电路113连接到设定接脚BSTS，可以依据外部电阻RST，产生丛集电压VBST。举例来说，丛集电压设定电路113具有固定电流源IS，提供一定电流流经外部电阻RST，而丛集电压VBST可以是，但不限定于，设定接脚BSTS上的电压加上0.2V。这里的0.2V是因为光耦合器OPT大约只能拉低回馈电压VFB到0.2V，回馈电压VFB的最低值就是0.2V。
比较器114比较回馈电压VFB与丛集电压VBST。在实施例中，当回馈电压VFB大约低于丛集电压VBST时，比较器114所提供的低载信号SLOW为逻辑上的“1”；当回馈电压VFB大约高于丛集电压VBST时，低载信号SLOW为逻辑上的“0”。简单来说，当回馈电压VFB高于丛集电压VBST时，电源控制器102使得LLC谐振转换器100操作于非丛集模式。当回馈电压VFB低于丛集电压VBST时，电源控制器102使得LLC谐振转换器100操作于丛集模式。
开启时间产生器110可以依据回馈接脚FB上的回馈电压VFB，控制上臂开关HS的上臂开启时间TH-ON，以及下臂开关LS的下臂开启时间TL-ON。开启时间产生器110有多任务器122、比较器124与126、以及斜坡产生器128。当操作于非丛集模式时，多任务器122提供回馈电压VFB给比较器124与126；当操作于丛集模式时，多任务器122提供丛集电压VBST给比较器124与126。举例来说，当上臂开关HS开启时，斜坡产生器128开始增加斜坡信号VRAMP-H。当斜坡信号VRAMP-H超过比较器124的负输入端上的信号，可能是回馈电压VFB或斜坡信号VRAMP-H，比较器124的输出NH提供信号上升缘，重设了控制逻辑116中的SR正反器130，然后通过闸驱动器118关闭了上臂开关HS。因此，开启时间产生器110可以依据回馈接脚FB上的回馈电压VFB，控制上臂开关HS的上臂开启时间TH-ON。类似的，开启时间产生器110可以依据回馈接脚FB上的回馈电压VFB，控制下臂开关LS的下臂开启时间TL-ON。
控制逻辑116架构来使得上臂开关HS与下臂开关LS不会同时开启，预防输入电压VIN跟输入地短路(short through)。因此，当信号SH从“1”转成“0”，通过闸驱动器118，开始关闭上臂开关HS时，信号SH的下降缘才使得脉冲产生器136产生一脉冲(pulse)，设置SR正反器132，使信号SL从“0”转成“1”，开始通过闸驱动器120开启下臂开关LS。所以，当上臂开关HS关闭后，下臂开关LS才开启。同理，当下臂开关LS关闭后，上臂开关HS才开启。换句话说，控制逻辑116使得上臂开关HS与下臂开关LS交替地开启。
丛集模式控制器112包含有计数器140、数字逻辑转换器142、比较器144、脉冲产生器146与150、与门148、与SR正反器152。计数器140依据频率信号CLK，产生数字值SD，其具有最高有效位MSB。频率信号CLK可以是信号SL或是SH，也可以由一独立的频率产生器所产生。在实施例中，数字值SD由0变化到31，每预定丛集周期TBST，循环一次。举例来说，这预定丛集周期TBST，可以但不限于1/400秒。数字逻辑转换器142依据数字值SD以及丛集电压VBST，产生三角波信号VTRI。三角波信号VTRI可以是一锯齿波，以预定丛集周期TBST，周期性的变化于0V与丛集电压VBST-0.2V之间。举例来说，三角波信号VTRI大约为数字值SD*(丛集电压VBST-0.2)/32。比较器144将三角波信号VTRI对回馈电压VFB扣除0.2V来相比较。如果将三角波信号VTRI加上0.2V视为另一个三角波信号VTRI-M，那比较器144等同比较回馈电压VFB与三角波信号VTRI-M。当回馈电压VFB低于三角波信号VTRI-M时，比较器144可以通过与门148，设置SR正反器152，使得停止信号GATE-STOP为逻辑上的“1”，导致控制逻辑116所输出的信号SH与SL都维持在逻辑上的“0”，因此上臂开关HS与下臂开关LS保持关闭。在图2的实施例中，当回馈电压VFB-0.2V小于三角波信号VTRI时，上臂开关HS与下臂开关LS保持关闭；当回馈电压VFB-0.2V大于三角波信号VTRI时，上臂开关HS与下臂开关LS交替的开启。
脉冲产生器146，由信号SL的下降缘所触发，提供一短脉冲，给与与门148。换句话说，当下臂开关LS关闭后的短暂时间内，停止信号GATE-STOP才允许由逻辑上的“0”转变为“1”。从另一个角度来看，三角波信号VTRI与回馈电压VFB-0.2V的比较结果，只会在下臂开关LS关闭后的短暂时间内，被SR正反器152所记录。再从另一个角度来看，图2中的丛集模式控制器112，只有在下臂开关LS关闭后，才检查三角波信号VTRI是否超过了回馈电压VFB-0.2V。如果在上臂开关HS或下臂开关LS开启的过程中，就算三角波信号VTRI高过了回馈电压VFB-0.2V，开启的上臂开关HS或下臂开关LS也不会突然的关闭。
脉冲产生器150，由最高有效位MSB的下降缘所触发，提供一短脉冲，来重置SR正反器152，使得停止信号GATE-STOP为逻辑上的“0”，让上臂开关HS与下臂开关LS开始交替的开启。因此，在最高有效位MSB变化时，不论回馈电压VFB是多少，上臂开关HS与下臂开关LS都至少开启一次。从丛集模式控制器112的架构也可知，因为最高有效位MSB在预定丛集周期TBST内至少变化一次，所以不论回馈电压VFB是多少，上臂开关HS与下臂开关LS在预定丛集周期TBST内都至少开启一次。在另一个实施例中，脉冲产生器150是由最高有效位MSB的上降缘所触发，提供一短脉冲，来重置SR正反器152。
图3显示回馈电压VFB低于丛集电压VBST时，三角波信号VTRI、回馈电压VFB-0.2V、停止信号GATE-STOP、控制上臂开关HS的信号SH、与控制下臂开关LS的信号SL的信号波形。
如同图3所示，三角波信号VTRI每预定丛集周期TBST，循环一次。当三角波信号VTRI的波形跟回馈电压VFB-0.2V的波形相交叉时，停止信号GATE-STOP转变为逻辑上的“1”或是“0”。在时间t0时，最高有效位MSB有一下降缘，所以上臂开关HS与下臂开关LS开始交替的开启，预定丛集周期TBST开始，如同图3所示。
在时间t0到时间t1之间，回馈电压VFB-0.2V高于三角波信号VTRI，停止信号GATE-STOP为“0”，上臂开关HS与下臂开关LS交替的开启。时间t0到时间t1之间的时段称为工作时段WK。此时，上臂开启时间TH-ON与下臂开启时间TL-ON都是固定的，跟回馈电压VFB无关，因为此时开启时间产生器110中的多任务器122提供丛集电压VBST给比较器124与126。
在时间t1到时间t2之间的休息时段BRK，回馈电压VFB-0.2V低于三角波信号VTRI，停止信号GATE-STOP为“1”，上臂开关HS与下臂开关LS保持关闭。在时间t2时，一个预定丛集周期TBST结束，下一个预定丛集周期TBST开始。
工作时段WK跟预定丛集周期TBST的比例(WK/TBST)称为工作比例DWK。从图3可知，如果回馈电压VFB变大，因为预定丛集周期TBST固定不变，所以工作时段WK与工作比例DWK都增加。
图4A显示回馈电压VFB与上臂开启时间TH-ON或是下臂开启时间TL-ON的关系。图4B显示回馈电压VFB与工作比例DWK的关系。
图4A显示当回馈电压VFB大于丛集电压VBST时，上臂开启时间TH-ON或是下臂开启时间TL-ON大致跟回馈电压VFB为正相关。但是当回馈电压VFB小于丛集电压VBST时，上臂开启时间TH-ON与下臂开启时间TL-ON都会变成固定值，由丛集电压VBST所决定，不再跟回馈电压VFB相关。
图4B显示了，当回馈电压VFB大于丛集电压VBST时，工作比例DWK将会一直维持在100％，也就是上臂开关HS与下臂开关LS不断地交替开启。在回馈电压VFB小于丛集电压VBST时，工作比例DWK小于100％，且工作比例DWK会随着回馈电压VFB缩减而减少。
依据本发明所实施的实施例中，在轻载或是无载时，可以让LLC谐振转换器100进入丛集模式，能减少上下臂开关的开关损失，增加转换效能。
本发明所实施的实施例中，只要适当地设定预定丛集周期TBST，就可能可以使得LLC谐振转换器100避免在轻载或无载时，产生令人困扰的音频噪音。
简单的选定外部电阻RST，就可以设定LLC谐振转换器100在进入丛集模式时的负载程度，以及在丛集模式时固定的上臂开启时间TH-ON与下臂开启时间TL-ON。这非常方便系统设计工程师来调整LLC谐振转换器100的效能以及避免音频噪音。
在实施例中，上臂开关HS与下臂开关LS在丛集模式控制器112所设定的预定丛集周期TBST内都一定至少开启一次，可以用来限定操作在丛集模式时的预定丛集周期TBST。如果预定丛集周期TBST内没有设定上臂开关HS与下臂开关LS至少开启一次，那真实的预定丛集周期TBST可能会增长变成丛集模式控制器112所设定的预定丛集周期TBST的整数倍，可能容易产生音频噪音。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【符号说明】
100 LLC谐振转换器
102 电源控制器
104 负载
110 开启时间产生器
112 丛集模式控制器
113 丛集电压设定电路
114 比较器
116 控制逻辑
118、120 闸驱动器
122 多任务器
124、126 比较器
128 斜坡产生器
130 SR正反器
132 SR正反器
136 脉冲产生器
140 计数器
142 数字逻辑转换器
144 比较器
146、150 脉冲产生器
148 与门
152 SR正反器
BRK 休息时段
BSTS 设定接脚
CIN、CVCC、CL、COUT 电容
CLK 频率信号
D1、D2H、D2L 二极管
DWK 工作比例
ER 误差放大器
FB 回馈接脚
GATE-STOP 停止信号
GND 接地接脚
HGATE 上臂控制接脚
HGND 上臂接地接脚
HS 上臂开关
IS 固定电流源
LA 辅助绕组
LGATE 下臂控制接脚
LP 主绕组
LPP 寄生绕组
LS 下臂开关
LSH、LSL 二次侧绕组
MSB 最高有效位
N1 连接点
NH、NL 输出
OPT 光耦合器
RST 外部电阻
SD 数位值
SH、SL 信号
SLOW 低载信号
t0、t1、t2 时间
TBST 预定丛集周期
TF 变压器
TH-ON 上臂开启时间
TL-ON 下臂开启时间
VBST 丛集电压
VCC 电源接脚
VFB 回馈电压
VIN 输入电压
VOUT 输出电压
VRAMP-H、VRAMP-L 斜坡信号
VTRGT 目标电压
VTRI 三角波信号
WK 工作时段

Claims (8)

1.一种电源控制器，用以控制上臂开关以及下臂开关，包含有：
开启时间产生器，依据回馈电压，控制该上臂开关之一上臂开启时间，以及该下臂开关之一下臂开启时间，其中，该回馈电压是依据输出电压而产生；以及
丛集模式控制器，包含有：
三角波产生器，依据丛集电压(burst voltage)，以预定丛集周期，周期性地产生三角波信号；以及
第一比较器，用以比较该三角波信号以及该回馈电压；
其中，当该回馈电压低于该三角波信号时，该丛集模式控制器使该上臂开关与该下臂开关保持关闭，
其中，该电源控制器为集成电路，具有设定接脚，该电源控制器还包含有丛集电压设定电路，通过该设定接脚，可电性连接至外部电阻，该丛集电压设定电路依据该外部电阻，产生该丛集电压。
2.如权利要求1所述的电源控制器，还包含有第二比较器，用以比较该丛集电压与该回馈电压，其中，当该回馈电压低于该丛集电压时，该第二比较器使得该开启时间产生器，依据该丛集电压，控制该上臂开启时间以及该下臂开启时间。
3.如权利要求1所述的电源控制器，其中，该三角波信号变化于默认电压与该丛集电压之间。
4.如权利要求3所述的电源控制器，其中，该三角波产生器包含有：
计数器，依据频率信号，产生数字值，其具有最高有效位；以及
数字逻辑转换器，依据该数字值以及该丛集电压，产生该三角波信号。
5.如权利要求4所述的电源控制器，其中，该丛集模式控制器是设计来使得在该最高有效位变化时，该上臂开关与该下臂开关都至少开启一次。
6.如权利要求1所述的电源控制器，其中，该丛集模式控制器是设计来使得在该预定丛集周期内，该上臂开关与该下臂开关都至少开启一次。
7.一种LLC谐振转换器的控制方法，该LLC谐振转换器包含有上臂开关以及下臂开关，该控制方法包含有：
依据输出电压，提供回馈电压；
依据该回馈电压，控制该上臂开关之一上臂开启时间，以及该下臂开关之一下臂开启时间；
依据丛集电压(burst voltage)，以预定丛集周期，周期性地产生三角波信号；
比较该三角波信号以及该回馈电压；以及
当该回馈电压低于该三角波信号时，使该上臂开关与该下臂开关保持关闭，
其中，该LLC谐振转换器还包含有如权利要求1至6中任一项所述的电源控制器以及外部电阻，该控制方法包含有：
依据该外部电阻，提供该丛集电压。
8.如权利要求7所述的控制方法，其中，该三角波信号周期性的变化于默认电压与该丛集电压之间。
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