CN101399500A

CN101399500A - 谐振半桥电源控制器

Info

Publication number: CN101399500A
Application number: CNA2007100307486A
Authority: CN
Inventors: 吕珍霞
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-09-30
Filing date: 2007-09-30
Publication date: 2009-04-01

Abstract

本发明涉及一种谐振半桥电源控制器，采用上下控制器分别控制组成半桥的上下开关MOS管(Q1)和(Q2)，控制上下MOS管的控制器采取不共地的方式互相独立并隔离，下控制器以***地为参考地，上控制器以半桥输出端(HB)为参考地。本发明能够限制MOS管的最大电流或停止工作，保证任何情况下MOS管不会出现硬开通和上下MOS管同时导通现象；采用了逐周期控制模式，其反应速度快，启动平缓，而且可以限制最大过冲幅度；制作集成电路工艺简单、成本低廉，除了高压端自主供电用的一个二极管需要500V耐压外，整个控制器无一个高压器件；由于可靠性提高，可限制各种过冲现象的发生，开关MOS的电流规格只需要满足最大输出功率要求即可。

Description

谐振半桥电源控制器

【技术领域】

本发明属于开关电源技术领域，尤其是涉及一种谐振半桥电源控制器。

【背景技术】

谐振半桥(简称LLC)电源具有高频、高效率；开关MOS管、整流二极管电压应力低；整流输出不需电感，成本低；辐射低等优点。

近年来LLC电源越来越流行，使用量迅速上升。但该类电源也有很多的缺点，尤其是可靠性低。具体表现是：一是可靠性低，LLC电源对设计要求严格，即便是最合理的设计，由于传统控制器的工作模式本身对输出功率及MOS管电流无法限制，在一些异常情况下，极易发生严重故障，如开关MOS管炸裂并连同驱动器炸裂，如输出负载出现严重过载甚至短路，其工作频率将迅速降低而MOS管进入硬开关状态，此时开关管很容易炸裂甚至出现上下MOS同时导通现象；二是反应速度慢，如图1所示，目前LLC电源的控制是通过压控振荡器产生控制信号，经电平转换及延时后分别控制半桥的上下管，该控制方式属于电压控制模式，反应速度慢，从而容易造成启动MOS管电流过冲，负载动态变化时，MOS管电流也容易产生过冲，而且过冲幅度不能限制，如果加快反馈环路速度，即可能引起振荡；三是工艺难度高、成本高，电平转换电路需采用高压(600V)半导体器件，工艺难度和成本高；四是对开关MOS管的电流裕量要求高，由于控制器的工作模式本身对输出功率及MOS管电流无法限制，MOS管必须留有较大裕量以防因电流过大而损坏。

为了改善可靠性，目前LLC电源的使用普遍采用***检测MOS管电流，增加保护电路，以控制控制器停止工作。该办法虽然能起到一定的保护作用，但不仅增加了***电路的复杂性，而且对故障的反应速度很慢。

【发明内容】

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供一种可靠性高、反应速度快、电路工艺简单、制作成本低廉、能有效地限制各种过冲现象的谐振半桥电源控制器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种谐振半桥电源控制器，采用上下控制器分别控制组成半桥的上下开关MOS管Q1和Q2，控制上下MOS管的控制器采取不共地的方式互相独立并隔离，下控制器以***地为参考地，上控制器以半桥输出端HB为参考地。

所述上控制器与下控制器采用比较器实现，分别采用两个比较器，其中一个用作振荡器U1-A产生方波信号，另一个用作振荡器高电平输出允许控制电路U1-B，所述下控制器中还采用一个比较器U6-A用于检测并限制下MOS管Q2的电流。

所述上控制器采用控制上MOS管Q1导通时间等于下MOS管Q2导通时间的控制方法，通过电流源将下MOS管Q2的导通时间转换为电压储存在电容C15上，再通过电流源将电容C15上的电压转换为Q1的导通时间；同时，所述时间与电压之间的转换采用两个相同电流值的电流源分别对电容进行充放电来实现，电流源的开关控制与半桥输出HB电压的上升沿和下降沿同步；以HB为参考地时，所述同步控制信号取于半桥的供电电压VB，通过电阻和电容分压取得。

上下控制器在同步反相状态时的工作过程是：当半桥输出HB高电平时禁止下控制器输出高电平，即禁止下MOS管导通；当半桥输出HB低电平时禁止上控制器输出高电平，即禁止上MOS管导通。

上下控制器工作在同步反相状态时，下控制器的同步信号取于半桥输出HB信号，使用该同步信号控制允许或禁止下控制器的高电平输出；上控制器的同步信号取于半桥的供电电压VB，使用该同步信号控制允许或禁止上控制器的高电平输出；同步信号的产生或通过增加变压器辅助绕组从辅助绕组取样。所述同步信号通过分压从半桥输出点HB取样时，由于在控制器没有启动工作前半桥输出点HB电压约为半桥电路供电电压VB的一半，而禁止下MOS管导通的门限电压设置较低，在该状态下，下控制器无法输出高电平启动，采用单稳态触发装置以启动下控制器工作，单稳态触发器U7-A输出端连接在下振荡器高电平输出允许控制器U1-B的输入端，U7-A的输入端由振荡器U1-A的输出信号触发。U7-A在触发前输出低电平强制提供低电平的同步信号以允许振荡器U1-A输出高电平，当触发后输出高阻态不影响其它电路工作。

通过检测下MOS管电流，采样电阻R4电压超过设定值VREF3后，控制关闭下MOS管，当***输出功率加大，下MOS管在导通期间电流加大，MOS管电流经电压转换后超过设定电压值时关断下MOS输出，整个控制过程在下控制器输出高电平(下MOS管导通)期间完成，并且每个工作周期进行，即逐周期控制。

采用三极管Q4、稳压管ZD1、电阻R6、R7、R9、电容C3组成电流源及缓启动电路，利用电源电压VCC_L与稳压管ZD1的稳压值(设为Vz)的压差(设为Vd)加在电阻R6上而产生固定的电流(流过R6电流，即Q4发射极电流)；在三极管Q4b极与三极管e极电阻R6间并接一个电容C3，在电源电压上电时通过电容C3的充电，三极管e极电阻R6与三极管b极间压降缓慢上升，则Q4c极电流缓慢上升，从而达到缓启动目的。

所述下控制器或由允许控制器、电流检测控制器、启动触发器、下电流源及缓启动控制器组成，而省略下振荡器。

本发明的有益效果是：在不需任何额外保护电路的条件下，从工作方式上可以保证在输出负载出现各种情况下，能够限制MOS管的最大电流或停止工作；其工作原理上可以保证任何情况下MOS管不会出现硬开通和上下MOS管同时导通现象；由于采用了逐周期控制模式，其反应速度快，启动平缓，各种条件下过冲情况较现有技术大为改善，而且可以限制最大过冲幅度；制作集成电路工艺简单、成本低廉，除了高压端自主供电用的一个二极管需要500V耐压外，整个控制器无一个高压器件，整个控制器的成本仅接近于现有控制器的***元件成本的两倍；由于可靠性提高，可限制各种过冲现象的发生，开关MOS的电流规格只需要满足最大输出功率要求即可，而现有LLC电源要留有较大裕量。

【附图说明】

图1是现有LLC电源控制器的电路方框原理图；

图2是本发明电路方框原理图；

图3是本发明所述上控制器及驱动和下控制器及驱动的电路图；

图4是是本发明所述上控制器和下控制器的电路图；

图5是本发明所述上控制器和下控制器另一种实施方式的电路图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参见图2，一种谐振半桥电源控制器，采用上下控制器分别控制组成半桥的上下开关MOS管Q1和Q2，控制上下MOS管的控制器采取不共地的方式互相独立并隔离，下控制器以***地为参考地，上控制器以半桥输出端HB为参考地。如图3，谐振半桥电源的上开关MOS管Q1与下MOS管Q2分别由独立的控制器控制，控制Q1的称为上控制器，控制Q2的称为下控制器。上下控制器分别经驱动放大器U5-A、U3-A放大后分别驱动上下MOS管Q1、Q2。上控制器以半桥输出HB为参考地，下控制器以***地为参考地。U4-A、U4-B、U1-A、U1-B、U6-A为比较器；U5-A、U3-A为驱动放大器；U8为反相器；U7-A为单稳态触发器；U9-A为积分器；I1、I2为电流源；K1、K2为模拟开关。所用比较器均为三极管开集电极输出，则输出端连接在一起的比较器输出之间存在“与”的关系。

如图4，U1-A与R5、C2、R2、D1、R32组成下控制器的振荡器(简称下振荡器)。U1-B、C9、C10、R1、R24组成下振荡器高电平输出允许控制器。U6-A、U9-A、R4组成电流检测控制器。单稳态触发器U7-A为整个控制器的启动触发器。Q4、ZD1、R6、R7、R9、C3、R3组成下电流源和缓启动控制电路。U4-B、C12、C13、R12、R15功能及原理与下控制器的U1-B、C9、C10、R1、R24功能及原理相同，为允许控制器。U4-A、C15、I1、I2、K1、K2、U8、R8、D2组成上控制器的振荡器(简称上振荡器)。下振荡器、下允许控制器、电流检测控制器、启动触发器、下电流源(缓启动)组成下控制器。上振荡器、上允许控制器组成上控制器。

下振荡器：下振荡器由比较器U1-A与R5、C2、R2、D1、R32组成，比较器U1-A的输出作为下振荡器的输出，经驱动放大器放大后驱动下MOS管Q2，R2与D1串联接在U1-A“-”端与输出端之间，R5接于VCC_L与U1-A“-”端之间，C2接于U1-A“-”端与地之间，R32接于U1-A输出与VCC_L之间作为比较器开集电极输出的上拉电阻，U1-A“+”端作为***反馈信号(FB)的输入。当控制器上电，VCC_L开始加电，VCC_L通过R5向C2充电，C2电压由0V开始上升。***启动前光耦U2处于截止状态，在U1-A“+”输入端电平高于“-”输入端，U1-A输出高电平。当C2电压(即U1-A“-”电压)上升到高于U1-A“+”电压时，U1-A输出低电平，此时C2通过R2、D1放电。当C2电压放电到低于U1-A“+”电压时，U1-A输出高电平，D1截止，完成一个周期的振荡。C2电压再由VCC_L通过R5充电而开始上升，进入下一个振荡周期。

允许控制器：下控制器的允许控制器由比较器U1-B、C9、C10、R1、R24组成。半桥输出端HB电压经C9、C10、R1、R24分压后作为U1-B的“-”端输入，U1-B的“+”输入端接参考电压VREF1。当U1-A输出高电平时，Q2导通，半桥输出(HB)为低电平，U1-B“-”端电压低于U1-B“+”端(VREF1)电压，U1-B输出高阻态，允许U1-A输出高电平；当U1-A输出低电平时，Q2截止，HB为高电平，U1-B“-”端电压高于U1-B“+”端(VREF1)电压，U1-B输出低电平，由于输出并联的比较器输出为“与”关系，因此禁止下振荡器输出高电平，维持Q2截止，直到HB翻转为低电平进入下一个周期。

上控制器的允许控制器由U4-B、C12、C13、R12、R15组成。半桥供电电压VB经C12、C13、R12、R15分压后作为U4-B的“-”端输入，U4-B的“+”输入端接参考电压VREF2。其工作原理与上控制器的允许控制器相同，其参考地为HB点。电流检测控制器：电流检测控制器由积分器U9-A、比较器U6-A与R4组成。当Q2导通，流过R4的电流上升，(R4上电流为非线性电流，为了更好的性能，电流经R4转换为电压后需经U9-A积分后使用)R4电压经积分后输出到U6-A“-”端的电压上升。当U6-A“-”端电压上升超过U6-A“+”端电压(VREF3)时，U6-A输出低电平，强制Q2截止，***被强制提前结束上半周期而进入下半周期。

启动触发器：为了性能的需要，设定在***启动前，HB点的电压约为供电电压VB的1/2，而输出允许控制器门限电压低于供电电压VB的1/4，即只有当HB电压较低时才允许Q2导通。因此，如果不加处理，下控制器是无法输出高电平启动的。单稳态触发器U7-A实现了***启动的功能。触发器U7-A的稳态输出为高阻态，触发前输出低电平，强制允许控制器处于高电平输出允许状态。当下振荡器输出高电平，Q2导通并触发触发器U7-A进入稳态。***开始启动。

下电流源：下电流源由Q4、ZD1、R6组成。图中稳压管ZD1稳压值(设为Vz)低于VCC_L电压，VCC_L与Vz的压差(设为Vd)加到R6、Q4eb极PN结(结电压以0.6V计算)、R9串联回路中，由于R9上电流很小，忽略R9压降，则Q4c极电流为Ic＝(Vd-0.6)/R6，从而得到一个固定的电流。

缓启动：缓启动控制器电路由下电流源和C3、R9、R3组成。C3并于R6与Q4 b极间。当VCC_L上电时，C3通过VCC_L、R9、ZD1、地充电，C3上电压从0V缓慢上升到Vd，则Ic电流从0缓慢上升到(Vd-0.6)/R6，由于电阻R3接于Q4 c极，下振荡器U1-A“+”端电压从0V开始缓慢上升，从而实现缓启动(祥见下控制器说明)。上振荡器：上振荡器由比较器U4-A和C15、I1、I2、K1、K2、U8、R8、D2组成。比较器U4-A“-”端接参考电压(VREF4)，“+”端接电容C15。电流源I1与模拟开关K1串联接于C15与上控制器的供电电压VCC_H间。电流源I2与模拟开关K2串联接于C15与上控制器参考地HB间。K1、K2由C13电压(以HB为参考地)控制，高电平K1导通、K2截止，低电平K1截止、K2导通。当Q2截止，Q1导通时，HB为高电平，C13为低电平，K1截止、K2导通，电容C15通过电流源I2放电。当C15电压降低，低于参考电压VREF4时(即比较器U4-A“+”端低于“-”端)，U4-A输出低电平，Q1截止，HB翻转为低电平，C13电压(即U4-B“-”端电压)高于VREF4电压，输出低电平，维持上控制器输出低电平(即Q1截止)。此时K1导通、K2截止，电容C15通过电流源I1充电，直到Q2截止，HB翻转为高电平为止，进入下一周期。

下控制器：下控制器由下振荡器、允许控制器、电流检测控制器、启动触发器、下电流源及缓启动控制器组成。当VCC_L开始加电，在VCC_L大于Vz之前，Q4禁止，R3上的电压(即比较器U1-A“+”输入)为0V，同时VCC_L通过R5对C2充电，C2电压大于0V，U1-A输出低电平，C2电压为R2、R5对VCC_L减去二极管导通压降的电压的分压值。VCC_L继续上电，当电压大于Vz时，ZD1开始导通，缓启动控制器进入缓启动状态。R3电压开始缓慢上升，当R3电压大于C2电压时，U1-A输出高电平。由于上点时启动触发器输出低电平，则下振荡器处于高电平允许状态。因此下振荡器输出高电平，启动触发器触发进入输出高阻态，Q2导通，HB低电平，下允许控制器进入振荡器高电平输出允许状态。下振荡器输出高电平后，D1截止，C2电压上升，当C2电压大于R3电压时，U1-A输出翻转为低电平，Q2截止，下允许控制器禁止下振荡器输出高电平，D1导通，C2通过R2、D1(从接近R3的压值开始)放电。C2电压很快低于R3电压，但由于高电平输出被禁止，振荡器继续维持低电平输出，C2继续放电。下控制器等待HB电压的翻转，当HB翻转为低电压时，下允许控制器再次进入振荡器高电平输出允许状态，下振荡器输出高电平，完成第一个工作周期进入下一个工作周期。缓启动控制器输出电流逐渐加大，R3电压逐渐升高，促使下振荡器输出翻转为低电平的U1-A“-”端电压(即C2电压)也随R3电压升高，则C2的充电时间逐渐延长，Q2的导通时间也逐渐延长，从而实现缓启动。启动后，变压器次级输出OUT电压上升，上升到设定值后，U2通道，从下电流源输出的电流被U2分流，R3电压稳定在一定的电压值，整个控制器稳定工作。上控制器：上控制器由上振荡器和上允许控制器组成。当Q2导通，HB为低电平时，VCC_L通过D4对C14(VCC_H)充电。同时K1导通、K2截止，电容C15通过电流源I1充电(C15初始电压值为VREF4减去PN结电压)，U4-A“+”端电压高于“-”端电压。当Q2截止，HB上升为高电平，上允许控制器进入允许状态，上控制器输出高电平，Q1导通。同时K1截止、K2导通，电容C15通过电流源I2放电。当C15电压低于VREF4时，上振荡器输出低电平，Q1截止，HB翻转为低电平，上允许控制器进入禁止状态。同时K1导通、K2截止，电容C15通过电流源I1充电(此时C15初始电压值为VREF4电压)，U4-A“+”端电压高于“-”端电压。上控制器等待HB电压的翻转，当HB电压翻转为高电平时，上控制器进入下一个工作周期。从第二个工作周期开始，C15的最低电压Vc15min等于VREF4电压。HB为低电平时，C15从Vc15min开始充电，到HB翻转为高电平时，C15上电压最高(设为Vc15max)；HB为高电平时，Q1导通，从Vc15max开始放电。C15电压降低到Vc15min时，Q1截止。由于C15的充电起始电压与放电结束电压相同，且充电电流I1与放电电流I2相同，因此充电时间与放电时间相同。由于HB低电平时C15充电，C15放电时HB高电平，因此HB的高电平时间与低电平时间相同，从而保证了半桥输出HB的占空比为50％。谐振半桥电源控制器：上控制器、下控制器、上下驱动放大器共同组成了谐振半桥开关电源控制器。下控制器输出高电平时，Q2导通，HB低电平，上控制器处于高电平输出禁止状态，保证了在下MOS管Q2导通时，上MOS管Q1截止。当下控制器由于下振荡器自身的控制输出由高电平翻转为低电平时，Q2截止，HB翻转为高电平，下控制器进入高电平输出禁止状态，上控制器解除禁止状态，输出高电平，Q1导通。再由上控制器自身控制输出由高电平翻转为低电平，Q1截止，HB翻转为低电平，上控制器进入高电平输出禁止状态。综上所述，下控制器必须在HB为低电平时才能使下MOS管开通，上控制器必须在HB为高电平时才能使上MOS管开通，从而保证了MOS管一定工作在零电压开通状态，而且还杜绝了上下MOS管同时开通的现象。

另外，组成下控制器中的下振荡器可以省略不要，而只由允许控制器、电流检测控制器、启动触发器、下电流源及缓启动控制器组成。如在图4中的下振荡器中除保留R32外，其它器件删除，R3原接U1-A的一端改接电流检测控制器的比较器U6-A的“+”输入端而取代原VREF3，其电路图如图5所示，图5所示是一种不同的控制方式，同属于本发明内容。

Claims

1、一种谐振半桥电源控制器，其特征是：采用上下控制器分别控制组成半桥的上下开关MOS管(Q1)和(Q2)，控制上下MOS管的控制器采取不共地的方式互相独立并隔离，下控制器以***地为参考地，上控制器以半桥输出端(HB)为参考地。

2、如权利要求1所述的谐振半桥电源控制器，其特征是：所述上控制器与下控制器采用比较器实现，分别采用两个比较器，其中一个用作振荡器(U1-A)产生方波信号，另一个用作振荡器高电平输出允许控制电路(U1-B)，所述下控制器中还采用一个比较器(U6-A)用于检测并限制下MOS管(Q2)的电流。

3、如权利要求1或2所述的谐振半桥电源控制器，其特征是：所述上控制器采用控制上MOS管(Q1)导通时间等于下MOS管(Q2)导通时间的控制方法，通过电流源将下MOS管(Q2)的导通时间转换为电压储存在电容(C15)上，再通过电流源将电容(C15)上的电压转换为(Q1)的导通时间；同时，所述时间与电压之间的转换采用两个相同电流值的电流源分别对电容进行充放电来实现，电流源的开关控制与半桥输出(HB)电压的上升沿和下降沿同步；以(HB)为参考地时，所述同步控制信号取于半桥的供电电压(VB)，通过电阻和电容分压取得。

4、如权利要求1或2所述的谐振半桥电源控制器，其特征是：上下控制器在同步反相状态时的工作过程是：当半桥输出(HB)高电平时禁止下控制器输出高电平，即禁止下MOS管导通；当半桥输出(HB)低电平时禁止上控制器输出高电平，即禁止上MOS管导通。

5、如权利要求1或2所述的谐振半桥电源控制器，其特征是：上下控制器工作在同步反相状态时，下控制器的同步信号取于半桥输出(HB)信号，使用该同步信号控制允许或禁止下控制器的高电平输出；上控制器的同步信号取于半桥的供电电压(VB)，使用该同步信号控制允许或禁止上控制器的高电平输出；同步信号的产生或通过增加变压器辅助绕组从辅助绕组取样。

6、如权利要求5所述的谐振半桥电源控制器，其特征是：所述同步信号通过分压从半桥输出点(HB)取样时，由于在控制器没有启动工作前半桥输出点(HB)电压为半桥电路供电电压(VB)的一半，而禁止下MOS管导通的门限电压设置较低，在该状态下，下控制器无法输出高电平启动，采用单稳态触发装置以启动下控制器工作，单稳态触发器(U7-A)输出端连接在下振荡器高电平输出允许控制器(U1-B)的输入端，单稳态触发器(U7-A)的输入端由振荡器(U1-A)的输出信号触发；单稳态触发器(U7-A)在触发前输出低电平强制提供低电平的同步信号以允许振荡器(U1-A)输出高电平，当触发后输出高阻态不影响其它电路工作。

7、如权利要求1或2所述的谐振半桥电源控制器，其特征是：通过检测下MOS管电流，采样电阻(R4)电压超过设定值(VREF3)后，控制关闭下MOS管，当***输出功率加大，下MOS管在导通期间电流加大，MOS管电流经电压转换后超过设定电压值时关断下MOS输出，在下MOS管导通时，整个控制过程在下控制器输出高电平期间完成，并且每个工作周期进行，即逐周期控制。

8、如权利要求1所述的谐振半桥电源控制器，其特征是：采用三极管(Q4)、稳压管(ZD1)、电阻(R6、R7、R9)、电容(C3)组成电流源及缓启动电路，利用电源电压(VCC_L)与稳压管(ZD1)的稳压值(Vz)的压差(Vd)加在电阻(R6)上而产生固定的电流，该电流即流过(R6)电流，即(Q4)发射极电流；在三极管(Q4)(b)极与三极管(e)极电阻(R6)间并接一个电容(C3)，在电源电压上电时通过电容(C3)的充电，三极管(e)极电阻(R6)与三极管(b)极间压降缓慢上升，则(Q4)(c)极电流缓慢上升，从而达到缓启动目的。

9、如权利要求1或2所述的谐振半桥电源控制器，其特征是：所述下控制器或由允许控制器、电流检测控制器、启动触发器、下电流源及缓启动控制器组成。