CN207968329U - 一种llc控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种LLC控制器。所述LLC控制器包括依次连接的主控制器MCU、驱动电路以及LLC谐振电路。其中，所述主控制器MCU首先控制LLC谐振电路的工作模式为脉冲频率调制模式，其次，当检测到LLC谐振电路的工作频率大于或等于预设阈值时，将所述LLC谐振电路的工作模式切换为脉冲宽度调制模式，再次，根据预设的初始占空比计算策略，确定所述脉冲宽度调制模式的初始占空比，最后，根据所述初始占空比向所述LLC谐振电路提供所述脉冲宽度调制模式的驱动信号。本实用新型实施例有利于提高控制器的控制性能和可靠性。

Description

一种LLC控制器

技术领域

本实用新型涉及电路控制装置，具体涉及一种LLC控制器。

背景技术

目前，LLC电路因开关特性而得到关注，相较于其他的电路，LLC电路需要脉冲频率调制(pulse width modulation，简称PFM)的控制方式，通过调节电路工作的开关频率，得到需要的输出电压，当工作频率大于谐振频率时，频率越高增益越低。在输出低电平或轻载时，工作频率非常高，调整频率过高对闭环控制、驱动电路、损耗和干扰都将产生影响。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种LLC控制器，提高控制器的控制性能和可靠性。

本实用新型实施例提供一种LLC控制器，包括依次连接的主控制器MCU、驱动电路以及LLC谐振电路；

所述主控制器MCU用于控制所述LLC谐振电路的工作模式为脉冲频率调制模式；以及用于当检测到所述LLC谐振电路的工作频率大于或等于预设阈值时，将所述LLC谐振电路的工作模式切换为脉冲宽度调制模式；以及用于根据预设的初始占空比计算策略，确定所述脉冲宽度调制模式的初始占空比，所述初始占空比小于0.5；以及用于根据所述初始占空比向所述LLC谐振电路提供所述脉冲宽度调制模式的驱动信号。

在一个可能的示例中，所述LLC谐振电路包括依次连接的输入整流电路、变压器及输出整流电路；所述驱动电路连接所述输入整流电路，用于向所述LLC谐振电路提供所述脉冲宽度调制模式的驱动信号。

在一个可能的示例中，所述变压器包括原边绕组和副边绕组，所述原边绕组为交流电输入侧，所述副边绕组交流电为输出侧；所述原边绕组与所述输入整流电路连接，所述副边绕组与所述输出整流电路连接。

在一个可能的示例中，所述输入整流电路包括谐振电容Cr、谐振电感Lr和第一全桥串联谐振整流电路；所述原边绕组、所述谐振电容Cr和所述谐振电感Lr串联；所述第一全桥串联谐振整流电路与所述原边绕组、所述谐振电容Cr以及所述谐振电感Lr并联。

在一个可能的示例中，所述第一全桥串联谐振整流电路包括共源极结构的晶体管Q1、晶体管Q2、晶体管Q3及晶体管Q4，所述原边绕组、所述谐振电容Cr和所述谐振电感Lr组成的串联电路跨接到所述第一全桥串联谐振整流电路上。

在一个可能的示例中，所述晶体管Q1、所述晶体管Q2、所述晶体管Q3及所述晶体管Q4均为N型原边MOSFET管。

在一个可能的示例中，所述输出整流电路包括输出电容C1和第二全桥串联谐振整流电路；所述副边绕组和所述第二全桥串联谐振整流电路并联，所述第二全桥串联谐振整流电路和所述输出电容C1并联。

在一个可能的示例中，所述第二全桥串联谐振整流电路包括副边整流二极管D1、副边整流二极管D2、副边整流二极管D3及副边整流二极管D4。

在一个可能的示例中，所述LLC控制器处于闭合状态；当所述LLC控制器的工作频率小于所述预设阈值时，所述主控制器MCU分别采样输出电压值和输出电流值，按照所述脉冲频率调制模式的调节方式控制所述晶体管Q1、所述晶体管Q2、所述晶体管Q3、所述晶体管Q4，同时控制所述副边整流二极管D1、所述副边整流二极管D2、所述副边整流二极管D3、所述副边整流二极管D4与所述晶体管Q1、所述晶体管Q2、所述晶体管Q3、所述晶体管Q4按照后开先关的工作方式实现同步整流。

在一个可能的示例中，所述初始占空比计算策略为按照如下公式计算所述初始占空比：

其中，Vout为输出电压，Vin为输入电压，Iout为输出电流，Lr为谐振电感值，fr为谐振频率，0.5为参考占空比。

实施本实用新型实施例，具有如下有益效果：

本LLC控制器包括依次连接的主控制器MCU、驱动电路以及LLC谐振电路。其中，所述主控制器MCU首先控制LLC谐振电路的工作模式为脉冲频率调制模式，其次，当检测到LLC谐振电路的工作频率大于或等于预设阈值时，将所述LLC谐振电路的工作模式切换为脉冲宽度调制模式，再次，根据预设的初始占空比计算策略，确定所述脉冲宽度调制模式的初始占空比，最后，根据所述初始占空比向所述LLC谐振电路提供所述脉冲宽度调制模式的驱动信号。由于脉冲宽度调制模式的初始占空比小于0.5，这使得控制器由脉冲频率调制模式切换为脉冲宽度调制模式工作后，控制器的增益能够随着占空比的变化而动态变更，避免控制器因脉冲宽度调制模式下的初始占空比过大影响增益曲线不连续而导致控制器失效，有利于提高控制器的控制性能和可靠性。

附图说明

下面将对本实用新型实施例所涉及到的附图作简单地介绍。

图1A是本实用新型实施例提供的一种LLC控制器的结构示意图；

图1B是在图1A中所示的LLC谐振电路的结构示意图；

图1C是在图1B中所示的输入整流电路的结构示意图；

图1D是在图1B中所示的输出整流电路的结构示意图；

图1E是在图1A中所示的LLC谐振电路的电路示意图；

图2是图1A所示LLC控制器工作在50％占空比和40％占空比的波形图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本实用新型的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

常规设计中，在LLC电路中需要脉冲频率调制模式控制，当工作频率大于谐振频率时，频率越高增益越低。在输出低电平或轻载时，工作频率非常高，调整频率过高对闭环控制、驱动电路、损耗和干扰都将产生影响。为此需要设置一个最高频率，在工作频率大于最高频率时进入打嗝模式，由于打嗝模式时输出能量是断断续续的，因此输出电压、电流纹波很大。为了解决纹波问题，可以将脉冲宽度调制模式控制和脉冲频率调制模式控制相结合，当脉冲频率调制模式控制时频率达到最高就切换到脉冲宽度调制模式控制。但实际脉冲宽度调制模式从50％降低至某个值时，增益并没有下降，直到下降至某一个值后增益才开始下降，这将造成控制器失效。

针对上述问题，本实用新型实施例提出一种LLC控制器，该LLC控制器包括依次连接的主控制器MCU、驱动电路以及LLC谐振电路。其中，所述主控制器MCU首先控制LLC谐振电路的工作模式为脉冲频率调制模式，其次，当检测到LLC谐振电路的工作频率大于或等于预设阈值时，将所述LLC谐振电路的工作模式切换为脉冲宽度调制模式，再次，根据预设的初始占空比计算策略，确定所述脉冲宽度调制模式的初始占空比，最后，根据所述初始占空比向所述LLC谐振电路提供所述脉冲宽度调制模式的驱动信号。由于脉冲宽度调制模式的初始占空比小于0.5，这使得控制器由脉冲频率调制模式切换为脉冲宽度调制模式工作后，控制器的增益能够随着占空比的变化而动态变更，避免控制器因脉冲宽度调制模式下的初始占空比过大影响增益曲线不连续而导致控制器失效，有利于提高控制器的控制性能和可靠性。

下面结合附图对本实用新型实施例进行介绍。

请参阅图1A，图1A是本实用新型实施例提供的一种LLC控制器100的结构示意图，如图1A所示，该LLC控制器100包括：主控制器MCU101、驱动电路102以及LLC谐振电路103；所述主控制器MCU101，用于控制所述LLC谐振电路103的工作模式为脉冲频率调制模式；以及用于当检测到所述LLC谐振电路103的工作频率大于或等于预设阈值时，将所述LLC谐振电路103的工作模式切换为脉冲宽度调制模式；以及用于根据预设的初始占空比计算策略，确定所述脉冲宽度调制模式的初始占空比，所述初始占空比小于0.5；以及用于根据所述初始占空比向所述LLC谐振电路103提供所述脉冲宽度调制模式的驱动信号。

在一个可能的示例中，如图1B所示，所述LLC谐振电路103包括输入整流电路104、变压器105、输出整流电路106；所述驱动电路102连接所述输入整流电路104，所述输入整流电路104连接所述变压器105，所述变压器105连接所述输出整流电路106。

在一个可能的示例中，如图1B所示，所述变压器105包括原边绕组107和副边绕组108，所述原边绕组107为交流电输入侧，所述副边绕组108为交流电输出侧；所述原边绕组107与所述输入整流电路104连接，所述副边绕组108与所述输出整流电路106连接。

在一个可能的示例中，如图1C所示，所述输入整流电路104包括谐振电容Cr、谐振电感Lr和第一全桥串联谐振整流电路；所述原边绕组107、所述谐振电容Cr和所述谐振电感Lr串联；所述第一全桥串联谐振整流电路与所述原边绕组107、所述谐振电容Cr和所述谐振电感Lr并联。

在一个可能的示例中，如图1C所示，所述第一全桥串联谐振整流电路包括共源极结构的晶体管Q1、晶体管Q2、晶体管Q3、晶体管Q4，所述原边绕组107、所述谐振电容Cr和所述谐振电感Lr组成的串联电路跨接到所述第一全桥串联谐振整流电路上。

在一个可能的示例中，所述晶体管Q1、所述晶体管Q2、所述晶体管Q3、所述晶体管Q4均为N型原边MOSFET管。

在一个可能的示例中，如图1D所示，所述输出整流电路106包括输出电容C1和第二全桥串联谐振整流电路；所述副边绕组108和所述第二全桥串联谐振整流电路并联，所述第二全桥串联谐振整流电路和所述输出电容C1并联。

在一个可能的示例中，如图1D所示，所述第二全桥串联谐振整流电路包括副边整流二极管D1、副边整流二极管D2、副边整流二极管D3、副边整流二极管D4。

在一个可能的示例中，如图1E所示，所述LLC控制器100处于闭合状态；当所述LLC控制器100的工作频率小于所述预设阈值时，所述主控制器MCU101分别采样输出电压值和输出电流值，按照所述脉冲频率调制模式的调节方式控制所述晶体管Q1、所述晶体管Q2、所述晶体管Q3及所述晶体管Q4，同时控制所述副边整流二极管D1、所述副边整流二极管D2、所述副边整流二极管D3、所述副边整流二极管D4所述晶体管Q1、所述晶体管Q2、所述晶体管Q3及所述晶体管Q4按照后开先关的工作方式实现同步整流。

在一个可能的示例中，其中，所述初始占空比计算策略为按照如下公式计算所述初始占空比：

其中，Vout为输出电压，Vin为输入电压，Iout为输出电流，Lr为谐振电感值，fr为谐振频率，0.5为参考占空比。

其中，所述LLC电路的初始占空比计算推算如下：所述MCU获取所述驱动电路在工作时的电路数据和电路结构参数，其中所述电路数据为输入电压Vin，输出电压Vout，输出电流Iout，所述电路结构参数为谐振电感值Lr，谐振电容Cr，励磁电感Lm；脉冲宽度调制模式的频率设置为3倍谐振频率。

谐振频率为

当副边电流为准正弦波时，由谐振频率得到所述副边电流为

所述MCU根据所述副边电流且当前所述脉冲宽度调制模式的时刻为时，得到原边电流，所述原边电流为

所述MCU将所述谐振电容Cr短路，根据所述原边电流、所述输入电压Vin和所述输出电压Vout得所述脉冲宽度调制模式的初始占空比，所述初始占空比为

其中，0.5为第一占空比。

当副边电流为准正弦波时，由谐振频率得到所述副边电流为

包括：

所述MCU根据所述谐振电感值Lr，所述谐振电容Cr，可得谐振频率为

根据所述副边电流且当前所述脉冲宽度调制模式的时刻为时，得到原边电流，包括：

在t时刻，所述副边电流等效至所述原边电流，即等效电流为

当前的原边励磁电流为

将所述等效电流与所述原边励磁电流相加即为t时刻的原边电流，即为

将所述谐振电容Cr短路，由所述原边电流、所述输入电压Vin和所述输出电压Vout得所述脉冲宽度调制模式的初始占空比，包括：

在预设时间段内，所述驱动电路处于零状态响应阶段，则参考电流为

Imax·sin(t-t2)；

根据所述Lm>>Lr，所述参考电流近似于原边电流，即

Imax·sin(t-t2)≈Imax·(t-t2)；

确定在预设时间段内，所述脉冲宽度调制模式的初始占空比为

可见，本示例中，所述LLC电路在由脉冲频率调制模式切换至脉冲宽度调制模式时，占空比可以不从50％开始下降，而是从某个值开始下降，有利于稳定的调节输出电压，提高控制器的可靠性和稳定性。

可见，本示例中，由于脉冲宽度调制模式的初始占空比小于0.5，这使得控制器由脉冲频率调制模式切换为脉冲宽度调制模式工作后，控制器的增益能够随着占空比的变化而动态变更，避免控制器因脉冲宽度调制模式下的初始占空比过大影响增益曲线不连续而导致控制器失效，有利于提高控制器的控制性能和可靠性。

与上述图1所示的实施例一致的，请参阅图2，图2是LLC控制器工作在50％占空比和40％占空比的波形图，其中，输出整流电路并联负载R1，I_1、V_1、D1_1、D2_1为50％占空比工作时的波形，其中I_1为原边电流波形，V_1为原边全桥的两桥臂中点压差波形，D1_1为Q1、Q4的驱动波形，D2_1为Q2、Q3的驱动波形。I_2、V_2、D1_2、D2_2为40％占空比工作室的波形，其中I_2为原边电流波形，V_2为原边全桥的两桥臂中点压差波形，D1_2为Q1、Q4的驱动波形，D2_2为Q2、Q3的驱动波形。

由图2可以看出，在每半个周期在T1-T2这段工作时间内，Q1、Q2、Q3、Q4在40％占空比工作和50％占空比工作相比，40％占空比工作时，Q1、Q2、Q3、Q4全为低。V_1和V_2电压分别由I_1、I_2方向决定。在T1-T2这段工作时间内，I_1、I_2方向不变，所以V_1和V_2波形一致，则I_1、I_2波形一致，所以主回路所有波形一致，增益也减少。

可见，本示例中，随着占空比的减少，输出电压先上升后下降，并且可以下降到很低的水平，因此脉冲宽度调制的控制模式能够极大的增加电路输出电压的调节能力，弥补在脉冲频率调制模式下高频率时的弱控制段。有利于提高控制电路的可靠性，使得增益减少。

上述为本实用新型的基本环路控制原理，通过上述控制能实现由脉冲频率调制模式切换为脉冲宽度调制模式。实现电路增益降低，减少控制器失效频率。

需要说明的是，对于前述的各实用新型实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本实用新型并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本实用新型，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本实用新型所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本实用新型所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如上述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上对本实用新型实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上上述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种LLC控制器，其特征在于，包括依次连接的主控制器MCU、驱动电路以及LLC谐振电路；

所述主控制器MCU用于控制所述LLC谐振电路的工作模式为脉冲频率调制模式；以及用于当检测到所述LLC谐振电路的工作频率大于或等于预设阈值时，将所述LLC谐振电路的工作模式切换为脉冲宽度调制模式；以及用于根据预设的初始占空比计算策略，确定所述脉冲宽度调制模式的初始占空比，所述初始占空比小于0.5；以及用于根据所述初始占空比向所述LLC谐振电路提供所述脉冲宽度调制模式的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的LLC控制器，其特征在于，所述LLC谐振电路包括依次连接的输入整流电路、变压器及输出整流电路；

所述驱动电路连接所述输入整流电路，用于向所述LLC谐振电路提供所述脉冲宽度调制模式的驱动信号。

3.根据权利要求2所述的LLC控制器，其特征在于，所述变压器包括原边绕组和副边绕组，所述原边绕组为交流电输入侧，所述副边绕组为交流电输出侧；

所述原边绕组与所述输入整流电路连接，所述副边绕组与所述输出整流电路连接。

4.根据权利要求3所述的LLC控制器，其特征在于，所述输入整流电路包括谐振电容Cr、谐振电感Lr和第一全桥串联谐振整流电路；

所述原边绕组、所述谐振电容Cr和所述谐振电感Lr串联；

所述第一全桥串联谐振整流电路与所述原边绕组、所述谐振电容Cr以及所述谐振电感Lr并联。

5.根据权利要求4所述的LLC控制器，其特征在于，所述第一全桥串联谐振整流电路包括共源极结构的晶体管Q1、晶体管Q2、晶体管Q3及晶体管Q4，所述原边绕组、所述谐振电容Cr和所述谐振电感Lr组成的串联电路跨接到所述第一全桥串联谐振整流电路上。

6.根据权利要求5所述的LLC控制器，其特征在于，所述晶体管Q1、所述晶体管Q2、所述晶体管Q3及所述晶体管Q4均为N型原边MOSFET管。

7.根据权利要求3所述的LLC控制器，其特征在于，所述输出整流电路包括输出电容C1和第二全桥串联谐振整流电路；

所述副边绕组和所述第二全桥串联谐振整流电路并联，所述第二全桥串联谐振整流电路和所述输出电容C1并联。

8.根据权利要求7所述的LLC控制器，其特征在于，所述第二全桥串联谐振整流电路包括副边整流二极管D1、副边整流二极管D2、副边整流二极管D3及副边整流二极管D4。

9.根据权利要求1-8任一项所述的LLC控制器，其特征在于，所述LLC控制器处于闭合状态；

当所述LLC控制器的工作频率小于所述预设阈值时，所述主控制器MCU分别采样输出电压值和输出电流值，按照所述脉冲频率调制模式的调节方式控制晶体管Q1、晶体管Q2、晶体管Q3、晶体管Q4，同时控制副边整流二极管D1、副边整流二极管D2、副边整流二极管D3、副边整流二极管D4与所述晶体管Q1、所述晶体管Q2、所述晶体管Q3、所述晶体管Q4按照后开先关的工作方式实现同步整流。

10.根据权利要求1所述的LLC控制器，其特征在于，所述初始占空比计算策略为按照如下公式计算所述初始占空比：

其中，Vout为输出电压，Vin为输入电压，Iout为输出电流，Lr为谐振电感值，fr为谐振频率，0.5为参考占空比。