TW202137682A - Ｌｌｃ諧振轉換器的控制方法與電源控制器 - Google Patents

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Abstract

本發明實施例提供一電源控制器，用以控制一上臂開關以及一下臂開關，包含有一開啟時間產生器以及一叢集模式控制器。該開啟時間產生器依據一回饋電壓，控制該上臂開關之一上臂開啟時間，以及該下臂開關之一下臂開啟時間。該回饋電壓係依據一輸出電壓而產生。該叢集模式控制器包含有一三角波產生器與一第一比較器。該三角波產生器依據一叢集電壓，以一預定叢集週期，週期性地產生一三角波信號。該第一比較器比較該三角波信號以及該回饋電壓。當該回饋電壓低於該三角波信號時，該叢集模式控制器使該上臂開關與該下臂開關保持關閉。

Description

LLC諧振轉換器的控制方法與電源控制器
本發明大致係關於LLC諧振轉換器的控制方法與電源控制器，尤指可以提高輕載或無載之轉換效率的LLC諧振轉換器之控制方法與電源控制器。
LLC諧振轉換器為一種轉換效率相當優異的開關式電源供應器。開關式電源供應器中，功率開關往往是消耗功率的主要元件之一。理論上，LLC諧振轉換器的每個開關週期，都可以使兩個最主要的功率開關，也就是上臂開關與下臂開關，進行零電壓切換(zero voltage switching，ZVS)。因此，上臂開關與下臂開關的導通損失(conduction loss)就可以控制在非常低的程度。LLC諧振轉換器大多適用於大功率的電源供應器。
只是，LLC諧振轉換器的開關頻率(開關週期的倒數)，理論上會隨著負載的降低而增高。在輕載與無載狀態時，儘管導通損失可以抑制在非常低的程度，但是上臂開關與下臂開關的開關損失(switching loss)，也就是對上臂開關與下臂開關的控制端充放電所產生的電能損失，會隨著開關頻率增加而增加。輕載或是無載時，開關損失的增加，會大幅降低轉換效率。因此，有必要對於輕載與無載狀態時的LLC諧振轉換器，進 行特別的控制，來增進LLC諧振轉換器的轉換效率。
本發明實施例提供一電源控制器，用以控制一上臂開關以及一下臂開關，包含有一開啟時間產生器以及一叢集模式控制器。該開啟時間產生器依據一回饋電壓，控制該上臂開關之一上臂開啟時間，以及該下臂開關之一下臂開啟時間。該回饋電壓係依據一輸出電壓而產生。該叢集模式控制器包含有一三角波產生器與一第一比較器。該三角波產生器依據一叢集電壓，以一預定叢集週期，週期性地產生一三角波信號。該第一比較器比較該三角波信號以及該回饋電壓。當該回饋電壓低於該三角波信號時，該叢集模式控制器使該上臂開關與該下臂開關保持關閉。
本發明實施例提供一種LLC諧振轉換器之控制方法。該LLC諧振轉換器包含有一上臂開關以及一下臂開關。該控制方法包含有：依據一輸出電壓，提供一回饋電壓；依據該回饋電壓，控制該上臂開關之一上臂開啟時間，以及該下臂驅動器之一下臂開啟時間；依據一叢集電壓(burst voltage)，以一預定叢集週期，週期性地產生一三角波信號；比較該三角波信號以及該回饋電壓；以及，當該回饋電壓低於該三角波信號時，使該上臂開關與該下臂開關保持關閉。
100:LLC諧振轉換器
102:電源控制器
104:負載
110:開啟時間產生器
112:叢集模式控制器
113:叢集電壓設定電路
114:比較器
116:控制邏輯
118、120:閘驅動器
122:多工器
124、126:比較器
128:斜坡產生器
130:SR正反器
132:SR正反器
136:脈衝產生器
140:計數器
142:數位邏輯轉換器
144:比較器
146、150:脈衝產生器
148:及閘
152:SR正反器
BRK:休息時段
BSTS:設定接腳
CIN、CVCC、CL、COUT:電容
CLK:時脈信號
D1、D2H、D2L:二極體
DWK:工作比例
ER:誤差放大器
FB:回饋接腳
GATE-STOP:停止信號
GND:接地接腳
HGATE:上臂控制接腳
HGND:上臂接地接腳
HS:上臂開關
IS:固定電流源
LA:輔助繞組
LGATE:下臂控制接腳
LP:主繞組
LPP:寄生繞組
LS:下臂開關
LSH、LSL:二次側繞組
MSB:最高有效位元
N1:連接點
NH、NL:輸出
OPT:光耦合器
RST:外部電阻
SD:數位值
SH、SL:信號
SLOW:低載信號
t0、t1、t2:時間
TBST:預定叢集週期
TF:變壓器
TH-ON:上臂開啟時間
TL-ON:下臂開啟時間
VBST:叢集電壓
VCC:電源接腳
VFB:回饋電壓
VIN:輸入電壓
VOUT:輸出電壓
VRAMP-H、VRAMP-L:斜坡信號
VTRGT:目標電壓
VTRI:三角波信號
WK:工作時段
第1圖顯示一種依據本發明所實施的LLC諧振轉換器。
第2圖顯示第1圖中的電源控制器。
第3圖顯示回饋電壓VFB低於叢集電壓VBST時，三角波信號VTRI、回 饋電壓VFB-0.2V、停止信號GATE-STOP、控制上臂開關HS的信號 SH、與控制下臂開關LS的信號SL的信號波形。
第4A圖顯示回饋電壓VFB與上臂開啟時間TH-ON或是下臂開啟時間TL-ON的關係。
第4B圖顯示回饋電壓VFB與工作比例DWK的關係。
在本說明書中，有一些相同的符號，其表示具有相同或是類似之結構、功能、原理的元件，且為業界具有一般知識能力者可以依據本說明書之教導而推知。為說明書之簡潔度考量，相同之符號的元件將不再重述。
依據本發明所實施的一LLC諧振轉換器，在負載為輕載或無載時，可以操作於叢集模式。操作於叢集模式時，上臂開關與下臂開關維持關閉狀態一段休息時段BRK之後，才會進入工作時段WK，讓上臂開關與下臂開關交替開啟，且休息時段BRK與工作時段WK交替出現。一休息時段BRK與一工作時段WK構成了一預定叢集週期TBST。在本發明所實施的一LLC諧振轉換器中，預定叢集週期TBST不隨著負載改變而改變。
第1圖顯示一種依據本發明所實施的LLC諧振轉換器100，將在一次側的輸入電壓VIN，轉換為二次側的輸出電壓VOUT。LLC諧振轉換器100具有電源控制器102、上臂開關HS、下臂開關LS、變壓器TF、電容CIN、CVCC、CL、COUT、二極體D1、D2H、D2L、誤差放大器ER、光耦合器OPT。變壓器TF中，相電感耦合的有主繞組LP、輔助繞組LA、二次側繞組LSH、LSL。變壓器TF另具有代表漏感的寄生繞組LPP，跟主繞組LP與電容 CL串聯於連接點N1與輸入地之間，形成LLC諧振槽(resonant tank)。
電源控制器102可以是一積體電路，具有電源接腳VCC、回饋接腳FB、設定接腳BSTS、上臂控制接腳HGATE、上臂接地接腳HGND、下臂控制接腳LGATE、接地接腳GND。電源控制器102透過上臂控制接腳HGATE與下臂控制接腳LGATE，來控制上臂開關HS的上臂開啟時間TH-ON、以及下臂開關LS的下臂開啟時間TL-ON，藉此控制了LLC諧振槽中所存放的能量。當電壓與電流在LLC諧振槽中震盪時，二極體D2H與D2L將二次側繞組LSH、LSL上的感應電流整流，產生了輸出電壓VOUT，對負載104供電。同時，二極體D1對輔助繞組LA上的感應電流整流，產生操作電壓VCC，供應電源控制器102所需的電能。
輸出電壓VOUT的穩壓控制，由誤差放大器ER以及光耦合器OPT，經由回饋接腳FB，回饋給電源控制器102。回饋接腳FB上的回饋電壓VFB，依據輸出電壓VOUT跟目標電壓VTRGT之比較結果而產生。整個穩壓控制，目標是使得輸出電壓VOUT大約穩定於預設的目標電壓VTRGT。舉例來說，當輸出電壓VOUT大於目標電壓VTRGT時，回饋接腳FB上的回饋電壓VFB就會被光耦合器OPT拉低，使得之後的上臂開啟時間TH-ON與下臂開啟時間TL-ON縮短，也降低了之後開關週期中送入LLC諧振槽中的能量，最終可以使得輸出電壓VOUT下降，往目標電壓VTRGT靠近。從另一個角度來看，當輸出電壓VOUT大約等於目標電壓VTRGT時，負載104越輕，回饋電壓VFB越低。
電源控制器102的設定接腳BSTS可以連接外部電阻RST。舉例來說，依據外部電阻RST的電阻值，電源控制器102可以內部產生叢集電壓VBST。叢集電壓VBST可以決定負載104為輕載或是無載時的上臂開啟時間 TH-ON與下臂開啟時間TL-ON，稍後將細部解說。
第2圖顯示電源控制器102，包含有開啟時間產生器110、叢集模式控制器112、叢集電壓設定電路113、比較器114、控制邏輯116、以及閘驅動器118與120。
叢集電壓設定電路113連接到設定接腳BSTS，可以依據外部電阻RST，產生叢集電壓VBST。舉例來說，叢集電壓設定電路113具有一固定電流源IS，提供一定電流流經外部電阻RST，而叢集電壓VBST可以是，但不限定於，設定接腳BSTS上的電壓加上0.2V。這裡的0.2V是因為光耦合器OPT大約只能拉低回饋電壓VFB到0.2V，回饋電壓VFB的最低值就是0.2V。
比較器114比較回饋電壓VFB與叢集電壓VBST。在一實施例中，當回饋電壓VFB大約低於叢集電壓VBST時，比較器114所提供的低載信號SLOW為邏輯上的”1”；當回饋電壓VFB大約高於叢集電壓VBST時，低載信號SLOW為邏輯上的”0”。簡單來說，當回饋電壓VFB高於叢集電壓VBST時，電源控制器102使得LLC諧振轉換器100操作於非叢集模式。當回饋電壓VFB低於叢集電壓VBST時，電源控制器102使得LLC諧振轉換器100操作於叢集模式。
開啟時間產生器110可以依據回饋接腳FB上的回饋電壓VFB，控制上臂開關HS之上臂開啟時間TH-ON，以及下臂開關LS的下臂開啟時間TL-ON。開啟時間產生器110有多工器122、比較器124與126、以及斜坡產生器128。當操作於非叢集模式時，多工器122提供回饋電壓VFB給比較器124與126；當操作於叢集模式時，多工器122提供叢集電壓VBST給比較器124與126。舉例來說，當上臂開關HS開啟時，斜坡產生器128開始增加斜坡信號VRAMP-H。當斜坡信號VRAMP-H超過比較器124的負輸入端上之信號，可能 是回饋電壓VFB或斜坡信號VRAMP-H，比較器124的輸出NH提供一信號上升緣，重設了控制邏輯116中的SR正反器130，然後透過閘驅動器118關閉了上臂開關HS。因此，開啟時間產生器110可以依據回饋接腳FB上的回饋電壓VFB，控制上臂開關HS之上臂開啟時間TH-ON。類似的，開啟時間產生器110可以依據回饋接腳FB上的回饋電壓VFB，控制下臂開關LS的下臂開啟時間TL-ON。
控制邏輯116架構來使得上臂開關HS與下臂開關LS不會同時開啟，預防輸入電壓VIN跟輸入地短路(short through)。因此，當信號SH從”1”轉成”0”，透過閘驅動器118，開始關閉上臂開關HS時，信號SH的下降緣才使得脈衝產生器136產生一脈衝(pulse)，設置SR正反器132，使信號SL從”0”轉成”1”，開始透過閘驅動器120開啟下臂開關LS。所以，當上臂開關HS關閉後，下臂開關LS才開啟。同理，當下臂開關LS關閉後，上臂開關HS才開啟。換言之，控制邏輯116使得上臂開關HS與下臂開關LS交替地開啟。
叢集模式控制器112包含有計數器140、數位邏輯轉換器142、比較器144、脈衝產生器146與150、及閘148、與SR正反器152。計數器140依據時脈信號CLK，產生數位值SD，其具有最高有效位元MSB。時脈信號CLK可以是信號SL或是SH，也可以由一獨立的時脈產生器所產生。在一實施例中，數位值SD由0變化到31，每預定叢集週期TBST，循環一次。舉例來說，這預定叢集週期TBST，可以但不限於1/400秒。數位邏輯轉換器142依據數位值SD以及叢集電壓VBST，產生三角波信號VTRI。三角波信號VTRI可以是一鋸齒波，以預定叢集週期TBST，週期性的變化於0V與叢集電壓 VBST-0.2V之間。舉例來說，三角波信號VTRI大約為數位值SD*(叢集電壓VBST-0.2)/32。比較器144將三角波信號VTRI對回饋電壓VFB扣除0.2V來相比較。如果將三角波信號VTRI加上0.2V視為另一個三角波信號VTRI-M，那比較器144等同比較回饋電壓VFB與三角波信號VTRI-M。當回饋電壓VFB低於三角波信號VTRI-M時，比較器144可以透過及閘148，設置SR正反器152，使得停止信號GATE-STOP為邏輯上的”1”，導致控制邏輯116所輸出的信號SH與SL都維持在邏輯上的”0”，因此上臂開關HS與下臂開關LS保持關閉。在第2圖的實施例中，當回饋電壓VFB-0.2V小於三角波信號VTRI時，上臂開關HS與下臂開關LS保持關閉；當回饋電壓VFB-0.2V大於三角波信號VTRI時，上臂開關HS與下臂開關LS交替的開啟。
脈衝產生器146，由信號SL的下降緣所觸發，提供一短脈衝，給與及閘148。換言之，當下臂開關LS關閉後的短暫時間內，停止信號GATE-STOP才允許由邏輯上的”0”轉變為”1”。從另一個角度來看，三角波信號VTRI與回饋電壓VFB-0.2V的比較結果，只會在下臂開關LS關閉後的短暫時間內，被SR正反器152所記錄。再從另一個角度來看，第2圖中的叢集模式控制器112，只有在下臂開關LS關閉後，才檢查三角波信號VTRI是否超過了回饋電壓VFB-0.2V。如果在上臂開關HS或下臂開關LS開啟的過程中，就算三角波信號VTRI高過了回饋電壓VFB-0.2V，開啟的上臂開關HS或下臂開關LS也不會突然的關閉。
脈衝產生器150，由最高有效位元MSB的下降緣所觸發，提供一短脈衝，來重置SR正反器152，使得停止信號GATE-STOP為邏輯上的”0”，讓上臂開關HS與下臂開關LS開始交替的開啟。因此，在最高有效位 元MSB變化時，不論回饋電壓VFB是多少，上臂開關HS與下臂開關LS都至少開啟一次。從叢集模式控制器112的架構也可知，因為最高有效位元MSB在預定叢集週期TBST內至少變化一次，所以不論回饋電壓VFB是多少，上臂開關HS與下臂開關LS在預定叢集週期TBST內都至少開啟一次。在另一個實施例中，脈衝產生器150是由最高有效位元MSB的上降緣所觸發，提供一短脈衝，來重置SR正反器152。
第3圖顯示回饋電壓VFB低於叢集電壓VBST時，三角波信號VTRI、回饋電壓VFB-0.2V、停止信號GATE-STOP、控制上臂開關HS的信號SH、與控制下臂開關LS的信號SL的信號波形。
如同第3圖所示，三角波信號VTRI每預定叢集週期TBST，循環一次。當三角波信號VTRI的波形跟回饋電壓VFB-0.2V的波形相交叉時，停止信號GATE-STOP轉變為邏輯上的”1”或是”0”。在時間t0時，最高有效位元MSB有一下降緣，所以上臂開關HS與下臂開關LS開始交替的開啟，一預定叢集週期TBST開始，如同第3圖所示。
在時間t0到時間t1之間，回饋電壓VFB-0.2V高於三角波信號VTRI，停止信號GATE-STOP為”0”，上臂開關HS與下臂開關LS交替的開啟。時間t0到時間t1之間的時段稱為工作時段WK。此時，上臂開啟時間TH-ON與下臂開啟時間TL-ON都是固定的，跟回饋電壓VFB無關，因為此時開啟時間產生器110中的多工器122提供叢集電壓VBST給比較器124與126。
在時間t1到時間t2之間的休息時段BRK，回饋電壓VFB-0.2V低於三角波信號VTRI，停止信號GATE-STOP為”1”，上臂開關HS與下臂開關LS保持關閉。在時間t2時，一個預定叢集週期TBST結束，下一個預定叢集 週期TBST開始。
工作時段WK跟預定叢集週期TBST的比例(WK/TBST)稱為工作比例DWK。從第3圖可知，如果回饋電壓VFB變大，因為預定叢集週期TBST固定不變，所以工作時段WK與工作比例DWK都增加。
第4A圖顯示回饋電壓VFB與上臂開啟時間TH-ON或是下臂開啟時間TL-ON的關係。第4B圖顯示回饋電壓VFB與工作比例DWK的關係。
第4A圖顯示當回饋電壓VFB大於叢集電壓VBST時，上臂開啟時間TH-ON或是下臂開啟時間TL-ON大致跟回饋電壓VFB為正相關。但是當回饋電壓VFB小於叢集電壓VBST時，上臂開啟時間TH-ON與下臂開啟時間TL-ON都會變成固定值，由叢集電壓VBST所決定，不再跟回饋電壓VFB相關。
第4B圖顯示了，當回饋電壓VFB大於叢集電壓VBST時，工作比例DWK將會一直維持在100%，也就是上臂開關HS與下臂開關LS不斷地交替開啟。在回饋電壓VFB小於叢集電壓VBST時，工作比例DWK小於100%，且工作比例DWK會隨著回饋電壓VFB縮減而減少。
依據本發明所實施的一實施例中，在輕載或是無載時，可以讓LLC諧振轉換器100進入叢集模式，能減少上下臂開關的開關損失，增加轉換效能。
本發明所實施的一實施例中，只要適當地設定預定叢集週期TBST，就可能可以使得LLC諧振轉換器100避免在輕載或無載時，產生令人困擾的音頻噪音。
簡單的選定外部電阻RST，就可以設定LLC諧振轉換器100在進入叢集模式時的負載程度，以及在叢集模式時固定的上臂開啟時間 TH-ON與下臂開啟時間TL-ON。這非常方便系統設計工程師來調整LLC諧振轉換器100的效能以及避免音頻噪音。
在一實施例中，上臂開關HS與下臂開關LS在叢集模式控制器112所設定之預定叢集週期TBST內都一定至少開啟一次，可以用來限定操作在叢集模式時的預定叢集週期TBST。如果預定叢集週期TBST內沒有設定上臂開關HS與下臂開關LS至少開啟一次，那真實的預定叢集週期TBST可能會增長變成叢集模式控制器112所設定之預定叢集週期TBST的整數倍，可能容易產生音頻噪音。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
102:電源控制器
110:開啟時間產生器
112:叢集模式控制器
113:叢集電壓設定電路
114:比較器
116:控制邏輯
118、120:閘驅動器
122:多工器
124、126:比較器
128:斜坡產生器
130:SR正反器
132:SR正反器
136:脈衝產生器
140:計數器
142:數位邏輯轉換器
144:比較器
146、150:脈衝產生器
148:及閘
152:SR正反器
BSTS:設定接腳
CLK:時脈信號
GATE-STOP:停止信號
HGATE:上臂控制接腳
HGND:上臂接地接腳
IS:固定電流源
LGATE:下臂控制接腳
MSB:最高有效位元
NH、NL:輸出
SD:數位值
SH、SL:信號
SLOW:低載信號
VBST:叢集電壓
VFB:回饋電壓
VRAMP-H、VRAMP-L:斜坡信號
VTRI:三角波信號

Claims (10)

  1. 一種電源控制器，用以控制一上臂開關以及一下臂開關，包含有：
    一開啟時間產生器，依據一回饋電壓，控制該上臂開關之一上臂開啟時間，以及該下臂開關之一下臂開啟時間，其中，該回饋電壓係依據一輸出電壓而產生；以及
    一叢集模式控制器，包含有：
    一三角波產生器，依據一叢集電壓(burst voltage)，以一預定叢集週期，週期性地產生一三角波信號；以及
    一第一比較器，用以比較該三角波信號以及該回饋電壓；
    其中，當該回饋電壓低於該三角波信號時，該叢集模式控制器使該上臂開關與該下臂開關保持關閉。
  2. 如申請專利範圍第1項之該電源控制器，另包含有一第二比較器，用以比較該叢集電壓與該回饋電壓，其中，當該回饋電壓低於該叢集電壓時，該第二比較器使得該開啟時間產生器，依據該叢集電壓，控制該上臂開啟時間以及該下臂開啟時間。
  3. 如申請專利範圍第1項之該電源控制器，其中，該三角波信號變化於一預設電壓與該叢集電壓之間。
  4. 如申請專利範圍第3項之該電源控制器，其中，該三角波產生器包含有：
    一計數器，依據一時脈信號，產生一數位值，其具有一最高有效位元；以及
    一數位邏輯轉換器，依據該數位值以及該叢集電壓，產生該三角波信號。
  5. 如申請專利範圍第4項之該電源控制器，其中，該叢集模式控制器係設計來使得在該最高有效位元變化時，不論該回饋電壓，該上臂開關與該下臂開關都至少開啟一次。
  6. 如申請專利範圍第1項之該電源控制器，其中，該叢集模式控制器係設計來使得在該預定叢集週期內，不論該回饋電壓，該上臂開關與該下臂開關都至少開啟一次。
  7. 如申請專利範圍第1項之該電源控制器，其中，該電源控制器為一積體電路，具有一設定接腳，該電源控制器另包含有一叢集電壓設定電路，透過該設定接腳，可電性連接至一外部電阻，該叢集電壓設定電路依據該外部電阻，產生該叢集電壓。
  8. 一種LLC諧振轉換器之控制方法，該LLC諧振轉換器包含有一上臂開關以及一下臂開關，該控制方法包含有：
    依據一輸出電壓，提供一回饋電壓；
    依據該回饋電壓，控制該上臂開關之一上臂開啟時間，以及該下臂驅動器之一下臂開啟時間；
    依據一叢集電壓(burst voltage)，以一預定叢集週期，週期性地產生一三角波信號；
    比較該三角波信號以及該回饋電壓；以及
    當該回饋電壓低於該三角波信號時，使該上臂開關與該下臂開關保持關閉。
  9. 如申請專利範圍第8項之該控制方法，其中，該三角波信號週期性的變化於一預設電壓與該叢集電壓之間。
  10. 如申請專利範圍第8項之該控制方法，其中，該LLC諧振轉換器另包含有一電源控制器以及一外部電阻，該控制方法包含有：依據該外部電阻，提供該叢集電壓。
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