CN115811231A - 具有谐振拓扑的电源及其操作方法以及装置 - Google Patents

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Abstract

一种装置包括开关电路、耦合到开关电路的输出端的谐振电路、耦合在谐振电路与装置的输出端之间的整流电路以及耦合到开关电路的控制器。在电源的软启动操作期间，控制器被配置为以最小频率切换具有可变受限最大占空比的多个开关，以及在可变受限最大占空比在最小频率下达到受限最大占空比后，同时将频率切换到最大频率，并将占空比切换到最大频率下的最小占空比，导通时间与最小频率下的受限最大占空比相同。

Description

具有谐振拓扑的电源及其操作方法以及装置
技术领域
本公开总体上涉及包含谐振拓扑的电源，尤其涉及一种改进的包含谐振拓扑的电源的软启动操作，以消除具有反向恢复电流的体二极管的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)硬切换，同时实现输出电压的可控单调上升斜率。
背景技术
电源可以具有各种电源转换器配置。电源转换器用于各种应用以转换和/或调节来自输入源的功率以提供所需的输出电压和输出电流。虽然电源转换器的种类很多，但目前广泛使用的是开关电源转换器。开关电源转换器包括至少一个开关，其用于选择性地从输入源向其中的一个或多个附加部件输送电力以提供期望的输出电压和输出电流。开关电源转换器的控制电路向一个或多个开关提供控制信号以改变输出电压、输出电流或两者。
谐振电源转换器为电源设计提供高效的功率解决方案。谐振电源转换器是一种电源转换器，它基于特定频率的谐振电流振荡提供直流到直流(DC-DC)转换以及直流到交流(AC)转换。开关谐振电源转换器包含一个或多个开关元件(例如，一个或多个MOSFET)和电抗元件(例如，电容器和电感器)，它们与开关元件的周期性开关相关，产生正弦电压或电流。然后可以对该电压进行整流以产生稳定的输出电压。开关谐振电源转换器的类型包括串联谐振电源转换器、并联谐振电源转换器和串并联谐振电源转换器。
开关谐振电源转换器在软启动操作期间存在缺点。在使用脉宽调制(PWM)模式的软启动操作期间，某些PWM占空比范围会导致MOSFET在具有体二极管反向恢复电流的硬切换模式下运行。当在软启动操作期间使用传统的频率调制控制时，由于使用高频而产生功率损耗。此外，由于需要昂贵的控制器，软启动操作期间的频率调制控制也不容易实现。当在软启动操作期间使用传统的占空比调制控制时，来自MOSFET的固有体二极管的反向恢复电流会干扰软启动操作和/或对开关谐振电源转换器的部件造成损坏。因此，MOSFET的固有体二极管在将MOSFET从低电平切换到高电平(反之亦然)时必须具有非常低的反向电流恢复时间，以避免出现硬切换情况。然而，具有快速反向电流恢复的MOSFET体二极管非常昂贵。
因此，需要一种有效实现电源软启动操作的系统和方法，同时避免调频控制和占空比调制控制的弊端，不会增加相当大的功率损耗、部件损坏、成本和复杂性。
发明内容
至少一个示例性实施例涉及一种具有谐振拓扑的电源。电源包括开关电路、谐振电路、整流电路和控制器。开关电路包括多个开关、输入端和输出端。输入端耦合到输入电压源。谐振电路耦合在开关电路的输出端之间。整流电路耦合在谐振电路与电源的输出端之间。控制器耦合到开关电路，用以在电源软启动时，在脉冲频率调制(PWM)模式中以最小频率的频率以可变受限最大占空比的占空比切换多个开关。在可变受限最大占空比在最小频率下达到受限最大占空比后，控制器还被配置为同时将频率切换到最大频率，并将占空比切换到最大频率下的最小占空比，导通时间与最小频率下的受限最大占空比相同。最大频率下的最小占空比大于最小频率下的受限最大占空比。控制器还被配置为最大频率下的占空比达到0.5后，进入脉冲频率调制(PFM)模式。
至少一个示例性实施例涉及一种操作具有谐振拓扑的电源的方法。该方法包括确定频率的最小频率和可变占空比的受限最大占空比，在脉宽调制(PWM)模式中响应于反馈信号提供驱动信号。该方法还包括，在最小频率处已达到受限最大占空比后，同时将频率切换到最大频率，并将占空比切换到最大频率下的最小占空比，导通时间与最小频率下的受限最大占空比相同。最大频率下的最小占空比大于最小频率下的受限最大占空比。该方法还包括在最大频率处的占空比达到0.5后，进入脉冲频率调制(PFM)模式。
至少一个示例性实施例涉及一种装置。该装置包括开关电路、耦合到开关电路的输出端的谐振电路、耦合在谐振电路和装置的输出端之间的整流电路以及控制器。控制器耦合到开关电路，并被配置为在电源软启动操作期间，在脉冲频率调制(PWM)模式中以最小频率的频率以可变受限最大占空比的占空比切换开关电路的多个开关。控制器还被配置为，在可变受限最大占空比在最小频率下达到受限最大占空比之后，同时将频率切换到最大频率，并将占空比切换到最大频率下的最小占空比，导通时间与最小频率下的受限最大占空比相同。最大频率下的最小占空比大于最小频率下的受限最大占空比。控制器还被配置为在最大频率处的占空比达到0.5后，进入脉冲频率调制(PFM)模式。
附图说明
图1是根据本公开的一个实施例的电路图，其表示包含电感器-电感器-电容器(LLC)拓扑的电源的示意配置，需要输出电压的可控单调上升斜率，同时防止具有反向恢复电流的体二极管的MOSFET硬切换。
图2A是在软启动操作期间采用常规频率调制控制的电源的输出电压的示例性波形图。
图2B是在软启动操作期间采用传统占空比调制控制的电源的输出电压的示例性波形图。
图3是根据本公开实施例的在软启动操作期间采用频率调制和占空比调制控制的包含LLC拓扑的电源的输出电压的示例性波形图，需要输出电压的可控单调上升斜率，同时防止具有反向恢复电流的体二极管的MOSFET硬切换。
图4A-AE示出了根据本公开实施例的包含LLC拓扑的电源中的电流路径，需要输出电压的可控单调上升斜率，同时防止具有图1的反向恢复电流的体二极管的MOSFET硬切换。
图5示出了根据本公开的一个实施例的提供给包含LLC拓扑的电源的开关元件的控制信号的初级电流和时序图，需要输出电压的可控单调上升斜率，同时防止具有图1的反向恢复电流的体二极管的MOSFET硬切换。
图6A和6B示出了根据本公开实施例的用于包含LLC拓扑的电源的软启动操作的方法的流程图，需要输出电压的可控单调上升斜率，同时防止具有图1反向恢复电流的体二极管的MOSFET硬切换。
图7是根据本公开的一个实施例的包含LLC拓扑的电源的示意性配置的电路的框图，需要输出电压的可控单调上升斜率，同时防止具有图1的反向恢复电流的体二极管的MOSFET硬切换。
在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，相同类型的各种部件可以通过在附图标记后面加上区分相似部件的字母来区分。如果说明书中仅使用第一附图标记，则该描述适用于具有相同第一附图标记的任何一个相似部件，而与第二附图标记无关。
具体实施方式
参考附图描述该主题，其中贯穿始终使用相同的附图标记来指代相同的元件。在以下描述中，为了解释的目的，阐述了许多具体细节以提供对本主题创新的透彻理解。然而，很明显，可以在没有这些具体细节的情况下实践该主题。在其他情况下，众所周知的结构和设备以框图形式示出以便于描述本主题创新。
此外，“示例性”一词在本文中用于表示作为示例、实例或说明。本文描述为“示例性”的任何方面或设计不一定被解释为优于其他方面或设计。相反，“示例性”一词的使用旨在以具体的方式呈现概念。如本文中所使用的，术语“或”旨在表示包含性的“或”而不是排他性的“或”。也就是说，除非另有说明或从上下文中清楚地知道，“X采用A或B”旨在表示任何自然包含性排列。也就是说，如果X采用A；X采用B；或X采用A和B，则在上述任何一种情况下都满足“X采用A或B”。此外，除非另有说明或从上下文清楚指向单数形式，否则本申请和所附权利要求中使用的冠词“一”和“一个”通常应被解释为表示“一个或多个”。此外，“耦合”一词在此用于表示直接或间接的电气或机械耦合。
如本文所用，术语“转换器，包括但不限于以下任何一种或任何组合：“稳压器”、“直流稳压器”、“交流稳压器”、“调压器”、“直流调压器”、“DC-DC转换器”、“DC-AC转换器”、“DC转换器”和“转换器”，并且包括但不限于这些术语中任何一个的通常含义。
通常，有两种技术用于电感器-电感器-电容器(LLC)谐振转换器的软启动操作。第一种技术可以被描述为频率调制控制。在频率调制控制中，极高的频率(例如，大于300kHz)用于软启动操作，并且LLC谐振转换器以低输出参考电压运行。频率调制控制实现了输出电压的良好单调上升，但在整个软启动操作期间输出电压的上升斜率变化很大。然而，在软启动操作期间，LLC谐振转换器的频率调制控制需要高性能控制器和复杂的电路设计。图2A是在软启动操作期间采用常规频率调制控制的LLC谐振转换器的输出电压的示例性波形204的图200。图200的横轴表示以毫秒(ms)为单位的时间，图200的纵轴表示以伏特(V)为单位的电压。输出电压的波形204从0V开始并在17ms内增加到54V。输出电压在短时间内的急剧上升会为LLC谐振转换器产生显著的功率损耗。
用于软启动操作的另一种技术可以被描述为占空比调制控制。通过占空比调制控制，可以实现输出电压的整体恒定上升斜率，但需要付出一定的代价。这种技术会导致MOSFET体二极管的硬切换，这将需要高性能MOSFET。在软启动操作期间，脉宽调制(PWM)模式从0％占空比开始到50％占空比，然后进入脉冲频率调制(PFM)模式。根据电路设计，会有特定的PWM占空比范围导致MOSFET的体二极管硬切换。这需要使用更昂贵的MOSFET。图2B是在软启动操作期间采用传统占空比调制控制的LLC谐振转换器的输出电压的示例性波形208的图250。图250的横轴表示以毫秒(ms)为单位的时间，图250的纵轴表示以伏特(V)为单位的电压。输出电压的波形208从0V开始并在40ms内增加到12V。通过传统的占空比调制控制，可以实现输出电压的整体恒定上升斜率，但由于在谐振槽中产生了太多能量，而不是向外产生，因此会发生硬切换。这种在某些占空比范围内的硬切换由212包围的硬切换内部能量说明。
图3是根据本公开实施例的在软启动操作期间采用频率调制和占空比调制控制的包含LLC拓扑的电源的输出电压的示例性波形图，需要输出电压的可控单调上升斜率，同时防止具有反向恢复电流的体二极管的MOSFET硬切换。图300的横轴表示以毫秒(ms)为单位的时间，图300的纵轴表示以伏特(V)为单位的电压。输出电压的波形304从0V开始并在40ms内增加到12V。通过频率调制和占空比调制控制，无需任何硬切换即可实现输出电压的整体恒定上升斜率，在下文会进行更详细讨论。
根据本公开的实施例，在软启动操作期间为包含LLC拓扑的电源提供频率调制和占空比调制控制，用于输出电压的可控单调上升斜率，同时防止具有反向恢复电流的体二极管的MOSFET硬切换。最初，PWM模式以相对较低的频率使用，占空比从0％增加。最大占空比(Dmax)受限于LLC谐振参数和MOSFET的输出电容Coss。输出电容Coss定义为MOSFET漏极到源极之间的电容与MOSFET栅极到漏极之间的电容之和。选择受限Dmax和PWM频率以确保谐振电源转换器避免MOSFET体二极管的硬切换占空比范围。
当占空比达到受限Dmax时，频率切换到最高目标频率，同时占空比切换到大于受限Dmax的值。然而，开关元件的导通时间在低频处与受限Dmax保持相同，如下所述。
图1是表示根据本公开的一个实施例的包括LLC谐振转换器拓扑的电源100的示意性配置的电路图。图1中所示的LLC谐振转换器可以包括几乎任何拓扑，包括但不限于非隔离和/或隔离拓扑。在一个示例中，非隔离拓扑可以包括但不限于降压、升压、降压-升压、
Figure BDA0003260869530000071
和/或电荷泵转换器，用于升压或电压反转。在另一个示例中，隔离拓扑可以包括两级隔离双向DC-DC转换器，例如但不限于反激、前激、半桥、全桥和/或双全桥拓扑。
电源100包括电源电路104，电源电路104包括两个串联连接的MOSFET开关元件；高侧(Q1)和低侧(Q2)以半桥配置排列。电源电路104还包括向开关元件Q1、Q2提供直流(DC)输入电压VIN的输入电压源108。电源电路104被配置为产生单极方波电压。
电源100还包括用于提供转换后的直流电压作为输出电压VOUT的输出电压112、谐振电路116、变压器TXl、整流电路120、滤波电路124和负载128。
输入电容器C1并联耦合在输入电压源108和MOSFET开关元件Q1、Q2之间。输入电容器C1用作输入电压VIN的滤波器并缓冲能量。此外，输入电容器C1可以充当将功率因数校正(PFC)电路(未示出)连接到LLC谐振转换器的块电容器，其中PFC电路从电流源(未示出)接收交流市电。变压器TX1包括经由磁化电感器Lm耦合到MOSFET开关元件Q1、Q2的初级绕组P1、分离式谐振电容器CR1和CR2以及谐振电感器Lr和耦合到整流电路120的次级绕组S1。谐振电感器Lr、分离式谐振电容器CR1和CR2以及磁化电感器Lm形成LLC谐振电路116。根据本公开的替代实施例，为了电路优势，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，磁化电感器Lm可以与变压器TX1的初级绕组P1集成。分离式谐振电容器CR1和CR2用于中功率和高功率应用，以帮助减少输入电流纹波。滤波器电路124包括电容器C2并且负载128包括与滤波器电路124并联安装的电阻器R。提供电容器C2以平滑到负载128(R)的整流电压。滤波电路124与整流电路120并联安装。
如图1所示，整流电路120包括以全桥配置布置的四个MOSFET开关元件Q3、Q4、Q5、Q6以提供同步整流。或者，整流电路120可以根据需要包括更多或更少的开关器件和/或被配置为没有同步整流。
图1的电源100包括一个或多个控制器，例如隔离驱动器集成电路(IC)150、数字信号处理器(DSP)/微控制器单元(MCU)160和驱动器IC170，用于为MOSFET开关元件Q1、Q2生成控制信号(例如，脉冲宽度调制(PWM)信号和脉冲频率调制(PFM)信号)。如图1所示，控制信号LLC驱动器H控制开关元件Q1，控制信号LLC驱动器L控制开关元件Q2。隔离驱动器IC 150、DSP/MCU 160和驱动器IC 170还为整流电路120的开关元件Q3、Q4、Q5、Q6产生控制信号(例如PWM信号)。控制信号SR驱动器H控制开关元件Q3和Q5，控制信号SR驱动器L控制开关元件Q4和Q6。
图1的控制器可以包括一个或多个栅极驱动电路和/或其他合适的驱动电路以产生控制信号。例如，控制电路可以包括用于产生控制信号的栅极驱动变压器。在这样的示例中，栅极驱动变压器可以为开关元件Q1产生控制信号，栅极驱动变压器可以为开关元件Q2产生控制信号，栅极驱动变压器可为开关元件Q1、Q2产生控制信号和/或一个或多个栅极驱动变压器可为开关元件Q3、Q4、Q5、Q6产生控制信号。
控制器150、160、170适于改变控制信号(例如，LLC驱动器H、LLC驱动器L、SR驱动器H和SR驱动器L)的频率并改变占空比以调节输出电压VOUT。如图1所示，开关元件Q1、Q2分别被它们的固有体二极管D1、D2和分别被它们的固有输出电容Coss1、Coss2分流。例如，并且如下文进一步解释的，提供给开关元件Q1、Q2的控制信号的占空比和频率可以改变。此外，MOSFET开关元件Q1、Q2根据开关周期(例如，以预定开关频率和占空比)彼此互补地导通和断开以驱动谐振电路116。同样如图1所示，开关元件Q3、Q4、Q5、Q6分别被它们的固有体二极管D3、D4、D5、D6以及分别被它们的固有输出电容Coss3、Coss4、Coss5、Coss6分流。具有变化参数的控制信号可以帮助实现MOSFET开关元件Q1、Q2的零电压开关(ZVS)。
如下文所解释的，每个控制信号(LLC驱动器H、LLC驱动器L)的占空比可以改变一组占空比值。例如，如下文进一步解释，控制信号LLC驱动器H的占空比可根据输出电压VOUT、输出电流、输入电压VIN、开关频率等而变化。根据本发明的一个实施例，电源的启动过程有三种状态。在第一种状态期间，使用PWM模式。PWM模式提供相对较低的频率，并且第一和第二信号(LLC驱动器H、LLC驱动器L)的占空比从0占空比增加到受限最大占空比(Dmax)值。这个受限Dmax值基于LLC谐振参数和MOSFET开关元件Q1、Q2的输出电容Coss。通过选择正确的受限Dmax值和PWM频率，LLC谐振转换器避免了MOSFET开关元件Q1、Q2的硬切换占空比范围。
当占空比在第二种状态达到受限Dmax值时，PWM频率增加到最大目标频率。根据本公开的实施例，PWM频率和占空比同时改变，但开关元件的导通时间保持不变。导通时间与较低频率下的受限Dmax相同。因此，产生了线性增益。
例如，在第一种状态下，假设PWM频率为120kHz。占空比从0％增加到12％的受限Dmax占空比。在频率为120kHz，受限Dmax占空比为12％下，开关元件的导通时间为1微秒。在第二种状态下，PWM频率增加到300KHz的最大目标频率，而占空比从Dmax增加到30％的占空比。在最大目标频率为300kHz，占空比为30％下，开关元件的导通时间仍为1微秒。
在第三种状态下，基于反馈控制回路(例如，输出电压VOUT)，开关元件的导通时间可以增加或减少，但可以通过来回振荡频率(例如，120kHz和300kHz)来避免某些占空比范围。一旦导通时间增加到1/2周期(在最高目标频率下)，脉冲频率调制(PFM)模式就会启动。在PFM模式期间，脉冲的幅度和宽度保持恒定而频率变化。
图4A-AE示出了根据本公开实施例的包含LLC拓扑的电源中的电流路径，需要输出电压的可控单调上升斜率，同时防止具有图1的反向恢复电流的体二极管的MOSFET硬切换。在图4A-4E中，示出了连接在初级绕组P1和磁化电感器Lm以及开关元件Q1、Q2的体二极管D1和D2之间的谐振电感器Lr。谐振电容器CR1设置在开关元件Q1的漏极和源极之间，谐振电容器CR2设置在开关元件Q2的漏极和源极之间。提供输出电容Coss1、Coss2。例如，此处的输入电压VIN为400V。
如图4A所示，在第一阶段400，当开关元件Q1、Q2分别导通和断开时，谐振电流Ir依次流过开关元件Q1、连接节点N、谐振电感Lr和磁化电感Lm。该电流还为初级绕组P1供电，其中功率被传送到变压器TX1，然后传送到电源的输出。这里的开关电压是400V。
如图4B所示，在第二阶段410，当开关元件Q1、Q2都刚断开时，谐振电流Ir不会立即变为零。换句话说，谐振电流Ir不会立即消失，正电流流过谐振槽的下半部分(例如，正电流将从谐振电容器CR1流过开关元件Q2的体二极管D2流向连接节点N)。此时输出电容器Coos2开始放电，开关电压开始下降。此外，Q2两端的电压变为零。此时，如果Q2导通，并且开关电压达0V，则将实现ZVS(软开关)。然而，占空比很小，此时Q2不能导通，因为Q1的周期尚未结束。
如图4C所示，在第三阶段420，当开关元件Q1、Q2都仍然断开时，正向的谐振电流Ir结束，电流向负向流动(例如，由于占空比很小，LLC槽中没有足够的能量)。负电流将对输出电容Coos2充电。如果此时Q2导通，则对输出电容Coos2充电将防止ZVS。此外，如果有足够的能量，负电流将对开关元件Q1的体二极管D1充电。换言之，当连接节点N的电压大于400V时，体二极管D1导通，Q1导电。如果Q2在第三阶段导通，则很危险，会导致硬切换。D1断开，有恢复电流。D1和Q2短路。Q2的电压相对于时间来说太大，这会损坏Q2。如果Q2在第三阶段未导通，则过程移至第四阶段。
如图4D所示，在第四阶段430，当开关元件Q1、Q2都仍然断开时，正向的谐振电流Ir流经LLC槽。同样地，如图4E所示，在第五阶段440，当开关元件Q1、Q2都仍然断开时，负方向的谐振电流Ir流经LLC槽。
图5示出了根据本公开实施例提供给包含LLC拓扑的电源的开关元件的控制信号的初级电流和时序图，需要输出电压的单调上升斜率，同时防止具有图1的反向恢复电流的体二极管的MOSFET硬切换。图510是初级电流504在阶段1-6的图。在阶段1，如时序图520和530所示，开关元件Q1导通而开关元件Q2断开。在阶段2，开关元件Q1和开关元件Q2都断开，如时序图520和530所示。初级电流504是正的。在阶段3，开关元件Q1和开关元件Q2都断开，如时序图520和530所示。初级电流504为负。在阶段4，开关元件Q1和开关元件Q2都断开，如时序图520和530所示。初级电流504为负。在阶段5，开关元件Q1和开关元件Q2都断开，如时序图520和530所示。初级电流504为负。在阶段6，开关元件Q1和开关元件Q2都断开，如时序图520和530所示。初级电流504为正。根据上述内容，在阶段2、4、5和6导通开关元件Q2是安全的，但在阶段3则不安全。
根据本公开的实施例，在PWM模式期间，如果占空比很小，例如小于12％，那么谐振电流就会消失，谐振能量只会给输出电容(寄生电容)Coss充电，但谐振电流不足以导通MOSFET的反向体二极管。因此，导通Q2是安全的。但是，当占空比变大时，硬切换的风险会增加。因此，根据本公开的实施例，频率跳跃到更高的频率以避免在某些占空比范围内硬切换的风险。
图6A和6B示出了根据本公开实施例的用于包含LLC拓扑的电源的软启动操作的方法的流程图，需要输出电压的单调上升，同时防止MOSFET硬切换。虽然用于软启动操作的方法600的步骤的一般顺序在图6A和6B中示出，但是方法600可以包括更多或更少的步骤，或者可以与图6A和6B所示的步骤不同来安排步骤的顺序。此外，可以将两个或多个步骤合并为一个步骤。通常，方法600以开始操作604开始并以结束操作636结束。该方法可以在由数据处理系统执行并编码或存储在计算机可读介质上的一组计算机可执行指令上执行。这里，将参考上述系统和部件、模块、软件、数据结构、用户界面等来解释方法600。
方法600可以在开始操作604处开始并且进行到步骤608，在步骤608处，控制器提供控制信号以在PWM模式中设置低频并且将占空比设置为0。在PWM模式中的低频被设置并且占空比在步骤608处被设置为0之后，方法600进行到步骤612，在步骤612处，控制器增加占空比。占空比根据输出电压VOUT的反馈而增加。在步骤612增加占空比之后，方法600进行到判定步骤616，在步骤616处，控制器确定占空比是否已经在低频处达到受限最大占空比(Dmax)。如果在判定步骤616处占空比在低频处未达到(Dmax)，则方法600返回步骤612，在步骤612处，控制器增加占空比。如果在判定步骤616处占空比在低频处达到(Dmax)，方法600进行到步骤620，在步骤620处，控制器将频率切换到PWM模式中的最大频率，同时，将占空比切换到更高的占空比(即高于低频时的Dmax)，导通时间与低频时Dmax的导通时间相同。
在步骤620处，在控制器将频率切换到PWM模式中的最大频率，同时，将占空比切换到更高的占空比后，导通时间与低频时Dmax的导通时间相同，方法600进行到判定步骤624，在步骤624处，控制器基于低频和最大频率之间的振荡频率增加或减少导通时间。然而，在此过程中，会避免某些占空比范围以防止MOSFET硬切换。在步骤628基于在Dmax和最大频率之间振荡频率而增加或减少导通时间之后，方法600进行到判定步骤632，在步骤632处，控制器确定占空比是否已经达到50％。如果在判定步骤632处占空比未达到50％，则方法600返回到步骤628，在步骤628处，基于振荡频率增加或减少导通时间。
如果在判定步骤632处占空比已达到50％，则方法600进行到步骤636，在步骤636处，控制器确定LLC谐振转换器已经进入PFM模式。在LLC谐振转换器在步骤636进入PFM模式之后，方法600进行到结束操作648，在步骤648处，方法600可以结束。
图7是根据本公开的一个实施例的包含LLC拓扑的电源的示意性配置的电路700的框图，需要输出电压的可控单调上升斜率，同时防止具有反向恢复电流的体二极管的MOSFET硬切换及与图1的数字控制器耦合。电源700包括LLC转换器704，其具有耦合在LLC转换器初级侧708和LLC转换器次级侧712之间的变压器TX1。类似于图1的电源100，两个开关元件以半桥配置布置在图7的LLC转换器初级侧708上，并且具有四个开关器件的整流电路位于图7的LLC转换器次级侧712上。
此外，电源700包括具有隔离驱动器IC 150、数字控制器DSP/MCU 160和驱动器IC170的数字控制电路716。如上所述，数字控制电路716可以改变提供给LLC转换器初级侧708上的开关元件的控制信号的占空比和频率。如图7所示，数字控制器DSP/MCU 160感测输出电压VOUT和电流并提供信号以驱动隔离驱动器IC 150和驱动器IC 170。具体地，如图7所示，信号LLC驱动器H和LLC驱动器L被提供给隔离驱动器IC 150，并且信号SR驱动器H和SR驱动器L被提供给驱动器IC 170。隔离驱动器1C 150基于来自数字控制器DSP/MCU 160的信号为LLC转换器初级侧708上的开关元件生成控制信号。类似地，驱动器IC 170基于来自数字控制器DSP/MU 160的信号为LLC转换器次级侧712上的开关元件生成控制信号。
本文讨论的任何步骤、功能和操作都可以连续和自动地执行。
关于LLC谐振转换器已经描述了本公开的示例性设备、系统和方法。然而，为了避免不必要地混淆本公开，前面的描述省略了许多已知的结构和设备。这种省略不应被解释为对要求保护的公开范围的限制。阐述具体细节以提供对本公开的理解。然而，应当理解，可以以超出本文阐述的具体细节的多种方式来实践本公开。
此外，虽然本文所示的示例性实施例示出了系统的各种部件，系统的某些部件可以位于远程、分布式网络(例如LAN和/或Internet)的远处部分，或位于专用系统内。因此，应该理解的是，系统的部件可以组合成一个或多个设备，例如服务器、通信设备，或并置在分布式网络的特定节点上，例如模拟和/或数字电信网络、分组交换网络或电路交换网络。从前面的描述中可以理解，并且出于计算效率的原因，系统的部件可以布置在部件的分布式网络内的任何位置而不影响系统的操作。
此外，应当理解的是，连接元件的各种链路可以是有线或无线链路，或它们的任何组合，或能够向连接的元件提供数据和/或从连接的元件传输数据的任何其他已知或后来开发的元件。这些有线或无线链路也可以是安全链路，并且可能能够传送加密信息。例如，用作链路的传输介质可以是任何合适的电信号载体，包括同轴电缆、铜线和光纤，并且可以采用声波或光波的形式，例如在无线电波和红外数据通信期间产生的那些。
虽然已经关于特定事件顺序讨论和说明了流程图，但是应当理解，可以改变、添加和省略该顺序，而不会实质性地影响所公开的实施例、配置和方面的操作。
可以使用本公开的多种变化和修改。提供本公开的某些特征而不提供其他特征将是可能的。
在又一个实施例中，本公开的系统和方法可以结合专用计算机、可编程微处理器或微控制器和外围集成电路元件来实施，ASIC或其他集成电路、数字信号处理器、硬接线电子或逻辑电路，例如分立元件电路，可编程逻辑器件或门阵列，例如PLD、PLA、FPGA、PAL、专用计算机、任何可比较的装置等。一般而言，能够实施本文说明的方法的任何设备或装置可以用于实施本公开的各个方面。可用于本公开的示例性硬件包括计算机、手持设备、电话(例如，蜂窝、互联网启用、数字、模拟、混合等)和本领域已知的其他硬件。这些设备中的一些包括处理器(例如，单个或多个微处理器)、存储器、非易失性存储器、输入设备和输出设备。此外，还可以构造包括但不限于分布式处理或部件/对象分布式处理、并行处理或虚拟机处理的替代软件实现以实现本文描述的方法。
在又一个实施例中，所公开的方法可以容易地结合使用对象或面向对象的软件开发环境的软件来实现，这些环境提供可在各种计算机或工作站平台上使用的便携式源代码。或者，所公开的系统可以使用标准逻辑电路或VLSI设计在硬件中部分或全部实现。是使用软件还是硬件来实现根据本公开的系统取决于系统的速度和/或效率要求、特定功能以及所使用的特定软件或硬件系统或微处理器或微型计算机系统。
在又一个实施例中，所公开的方法可以部分地以可以存储在存储介质上的软件来实现，在控制器和存储器、专用计算机、微处理器等的协作下在编程的通用计算机上执行。在这些情况下，本公开的系统和方法可以实现为嵌入在个人计算机上的程序，例如小程序、
Figure BDA0003260869530000151
或CGI脚本，作为驻留在服务器或计算机工作站上的资源，作为嵌入在专用测量系统、系统部件等中的例程。该系统还可以通过将系统和/或方法物理地结合到软件和/或硬件系统中来实现。
虽然本公开参考特定标准和协议描述了在实施例中实现的部件和功能，但是本公开不限于这样的标准和协议。本文未提及的其他类似标准和协议存在并且被认为包括在本公开中。此外，本文提及的标准和协议以及本文未提及的其他类似标准和协议被具有基本相同功能的更快或更有效的等效物周期性地取代。具有相同功能的此类替换标准和协议被认为是包括在本公开中的等效物。
在各种实施例、配置和方面中，本公开包括基本上如本文所描绘和描述的部件、方法、过程、系统和/或装置，包括其各种实施例、子组合和子集。在理解了本公开之后，本领域技术人员将理解如何制造和使用在此公开的系统和方法。在各种实施例、配置和方面中，本公开包括在不存在本文中或在其各种实施例、配置或方面中未描绘和/或描述的项目的情况下提供设备和过程，包括在以前的设备或过程中可能已使用的此类项目的缺失，例如用于提高性能、实现简易性和/或降低实施成本。
出于说明和描述的目的已经呈现了本公开的前述讨论。前述内容并非旨在将本公开内容限制为本文公开的一种或多种形式。例如，在前述详细描述中，为了简化本公开，本公开的各种特征在一个或多个实施例、配置或方面中组合在一起。本公开的实施例、配置或方面的特征可以在不同于以上讨论的那些的替代实施例、配置或方面中组合。该公开方法不应被解释为反映所要求保护的公开需要比每个权利要求中明确陈述的特征更多的特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，创造性方面在于少于单个前述公开的实施例、配置或方面的所有特征。因此，以下权利要求特此并入本详细说明中，每个权利要求独立作为本公开的单独优选实施例。
此外，虽然本公开的描述包括对一个或多个实施例、配置或方面以及某些变化和修改的描述，在理解本公开之后，其他变化、组合和修改在本公开的范围内，例如，在本领域技术人员的技能和知识范围内。旨在获得权利，在允许的范围内包括替代实施例、配置或方面，包括替代的、可互换的和/或等效的结构、功能、范围或步骤，无论此类替代的、可互换的和/或等效的结构、功能、范围或步骤是否在本文中公开，并且无意公开致力于任何可专利的主题。
实施例包括具有谐振拓扑的电源。电源包括开关电路、谐振电路、整流电路和控制器。开关电路包括多个开关、输入端和输出端。输入端耦合到输入电压源。谐振电路耦合在开关电路的输出端之间。整流电路耦合在谐振电路与电源的输出端之间。控制器耦合到开关电路，用以在电源软启动时，在脉冲频率调制(PWM)模式中以最小频率的频率以可变受限最大占空比的占空比切换多个开关。控制器还被配置为，在可变受限最大占空比在最小频率下达到受限最大占空比之后，同时将频率切换到最大频率，并将占空比切换到最大频率下的最小占空比，导通时间与最小频率下的受限最大占空比相同。最大频率下的最小占空比大于最小频率下的限制最大占空比。控制器还被配置为在最大频率处的占空比达到0.5后，进入脉冲频率调制(PFM)模式。
上述具有谐振拓扑的电源的方面包括控制器被配置为基于电源的输出端在最小频率和最大频率之间切换频率。
上述具有谐振拓扑的电源的方面包括多个开关处于半桥配置。
上述具有谐振拓扑的电源的方面包括谐振电路包括电感器-电感器-电容器拓扑。
上述具有谐振拓扑的电源的方面包括电容器是分离式电容器。
上述具有谐振拓扑的电源的方面包括整流电路包括多个开关。
上述具有谐振拓扑的电源的方面包括多个开关处于全桥配置。
上述具有谐振拓扑的电源的方面包括多个开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
上述具有谐振拓扑的电源的方面包括控制器被配置为控制多个开关以实现多个开关的零电压切换(ZVS)。
实施例包括一种操作具有谐振拓扑的电源的方法。该方法包括确定频率的最小频率和可变占空比的受限最大占空比，在脉宽调制(PWM)模式中响应于反馈信号提供驱动信号。该方法还包括，在最小频率处已达到受限最大占空比后，同时将频率切换到最大频率，并将占空比切换到最大频率下的最小占空比，导通时间与最小频率下的受限最大占空比相同。最大频率下的最小占空比大于最小频率下的受限最大占空比。该方法还包括在最大频率处的占空比达到0.5后，进入脉冲频率调制(PFM)模式。
上述操作具有谐振拓扑的电源的方法的方面包括基于反馈信号在最小频率和最大频率之间切换频率。
实施例包括一种装置。该装置包括开关电路、耦合到开关电路的输出端的谐振电路、耦合在谐振电路和装置的输出端之间的整流电路以及控制器。控制器耦合到开关电路，并被配置为在电源软启动操作期间，在脉冲频率调制(PWM)模式中以最小频率的频率以可变受限最大占空比的占空比切换开关电路的多个开关。控制器还被配置为，在可变受限最大占空比在最小频率下达到受限最大占空比之后，同时将频率切换到最大频率，并将占空比切换到最大频率下的最小占空比，导通时间与最小频率下的受限最大占空比相同。最大频率下的最小占空比大于最小频率下的受限最大占空比。控制器还被配置为在最大频率处的占空比达到0.5后，进入脉冲频率调制(PFM)模式。
上述装置的方面包括控制器被配置为基于装置的输出端在最小频率和最大频率之间切换频率。
上述装置的方面包括多个开关处于半桥配置。
上述装置的方面包括谐振电路包括电感器-电感器-电容器拓扑。
上述装置的方面包括电容器是分离式电容器。
上述装置的方面包括整流电路包括多个开关。
上述装置的方面包括多个开关处于全桥配置。
上述装置的方面包括多个开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
上述装置的方面包括控制器被配置为控制多个开关以实现多个开关的零电压切换(ZVS)。
短语“至少一个”、“一个或多个”、“或”和“和/或”是开放式表达，在操作中既是连接的又是分离的。例如，表述“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”、“A、B或C中的一个或多个”、“A、B和/或C”和“A、B或C”均指单独A、单独B、单独C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、或A、B和C一起。
术语“一”或“一个”实体是指该实体中的一个或多个。因此，术语“一”(或“一个”)、“一个或多个”和“至少一个”在本文中可以互换使用。还应注意，术语“包含”、“包括”和“具有”可以互换使用。
如本文所用，术语“自动”及其变体是指任何过程或操作，其通常是连续或半连续的，在执行该过程或操作时无需重要的人工输入即可完成。但是，如果在流程或操作执行之前接收到输入，则流程或操作可以是自动的，即使流程或操作的执行使用重要的或不重要的人工输入。如果人工输入影响了流程或操作的执行方式，则该输入被认为是重要的。同意执行过程或操作的人工输入不被视为“重要的”。
本公开的方面可以采用以下形式，完全是硬件的实施例，完全是软件(包括固件、常驻软件、微代码等)的实施例或结合软件和硬件方面的实施例，这些方面在本文中可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。可以利用一种或多种计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。
计算机可读存储介质可以是例如但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置或设备，或前述的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体示例(非详尽列表)将包括以下内容：具有一根或多根电线的电连接、便携式计算机软盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光存储设备、磁存储设备或前述的任何合适组合。在本文档的上下文中，计算机可读存储介质可以是可以包含或存储由指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的程序的任何有形介质。
计算机可读信号介质可以包括传播的数据信号，其中包含计算机可读程序代码，例如，在基带中或作为载波的一部分。这种传播的信号可以采用多种形式中的任何一种，包括但不限于电磁、光或其任何合适的组合。计算机可读信号介质可以为不是计算机可读存储介质并且可以通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的任何计算机可读介质。包含在计算机可读介质上的程序代码可以使用任何合适的介质传输，包括但不限于无线、有线、光纤电缆、RF等，或前述的任何合适的组合。
如本文所用，术语“确定”、“核算”、“计算”及其变体可互换使用并且包括任何类型的方法学、过程、数学运算或技术。
本公开在各个方面、实施例和/或配置中，包括基本上如本文所描绘和描述的部件、方法、过程、系统和/或装置，包括各个方面、实施例、配置实施例、子组合和/或它们的子集。在理解了本公开之后，本领域技术人员将理解如何制作和使用所公开的方面、实施例和/或配置。本公开在各个方面、实施例和/或配置中包括在没有本文中或在其各个方面、实施例和/或配置中未描绘和/或描述的项目的情况下提供装置和过程，包括在以前的设备或过程中可能已使用的此类项目的缺失，例如，用于提高性能、实现简便性和/或降低实施成本。
已经出于说明和描述的目的呈现了前述讨论。前述内容并非旨在将本公开内容限制为在此公开的一种或多种形式。例如，在前述详细描述中，为了简化本公开的目的，本公开的各种特征在一个或多个方面、实施例和/或配置中组合在一起。本公开的方面、实施例和/或配置的特征可以在不同于以上讨论的那些方面、实施例和/或配置的替代方面、实施例和/或配置中组合。该公开方法不应被解释为反映权利要求需要比每个权利要求中明确叙述的特征更多的特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，创造性方面在于少于单个前述公开的方面、实施例和/或配置的所有特征。因此，以下权利要求特此并入本详细说明中，每个权利要求独立作为本公开的单独优选实施例。
此外，尽管描述已经包括对一个或多个方面、实施例和/或配置以及某些变化和修改的描述，在理解本公开之后，其他变化、组合和修改在本公开的范围内，例如，在本领域技术人员的技能和知识范围内。旨在获得包括在允许范围内的替代方面、实施例和/或配置的权利，包括替代的、可互换的和/或等效的结构、功能、范围或步骤，无论此类替代、可互换和/或等效结构、功能、范围或步骤是否在本文中公开，并且无意公开致力于任何可专利主题。

Claims (10)

1.一种具有谐振拓扑的电源，其特征在于，所述电源包括：
开关电路，包括：
多个开关；
输入端；以及
输出端，
其中，输入端耦合到输入电压源；
耦合在开关电路的输出端之间的谐振电路；
耦合在谐振电路与电源的输出端之间的整流电路；以及
耦合到开关电路的控制器，所述控制器被配置为在电源的软启动操作期间：
在脉冲频率调制(PWM)模式下，以最小频率的频率，以可变受限最大占空比的占空比切换多个开关；
在可变受限最大占空比在最小频率下达到受限最大占空比后，同时将频率切换到最大频率，并将占空比切换到最大频率下的最小占空比，导通时间与最小频率下的受限最大占空比相同，
其中，最大频率下的最小占空比大于最小频率下的受限最大占空比；以及
最大频率下的占空比达到0.5后，进入脉冲频率调制(PFM)模式。
2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述控制器被配置为基于电源的输出端在所述最小频率和所述最大频率之间切换频率。
3.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述多个开关处于半桥配置。
4.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述谐振电路包括电感器-电感器-电容器拓扑。
5.根据权利要求4所述的电源，其特征在于，所述电感器-电感器-电容器拓扑中的电容器是分离式电容器。
6.一种操作具有谐振拓扑的电源的方法，其特征在于，所述方法包括：
确定频率的最小频率和可变占空比的受限最大占空比，响应于脉宽调制(PWM)模式中的反馈信号提供驱动信号；
在最小频率处已达到受限最大占空比后，同时将频率切换到最大频率，并将占空比切换到最大频率下的最小占空比，导通时间与最小频率下的受限最大占空比相同，
其中，最大频率下的最小占空比大于最小频率下的受限最大占空比；以及
最大频率下的占空比达到0.5后，进入脉冲频率调制(PFM)模式。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于反馈信号在所述最小频率和所述最大频率之间切换频率。
8.一种具有谐振拓扑的装置，其特征在于，所述装置包括：
开关电路；
耦合到开关电路的输出端的谐振电路；
耦合在谐振电路与装置的输出端之间的整流电路；以及
耦合到开关电路的控制器，所述控制器被配置为在电源的软启动操作期间：
在脉冲频率调制(PWM)模式下，以最小频率的频率，以可变受限最大占空比的占空比切换开关电路的多个开关；
在可变受限最大占空比在最小频率下达到受限最大占空比后，同时将频率切换到最大频率，并将占空比切换到最大频率下的最小占空比，导通时间与最小频率下的受限最大占空比相同，
其中，最大频率下的最小占空比大于最小频率下的受限最大占空比；以及
最大频率下的占空比达到0.5后，进入脉冲频率调制(PFM)模式。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述控制器被配置为基于装置的输出端在所述最小频率和所述最大频率之间切换频率。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述多个开关处于半桥配置。
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