CN104782033B - 谐振转换器的软启动 - Google Patents

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Abstract

一种谐振转换器的启动电路，其被布置为，使得：在谐振转换器启动期间，启动电路提供驱动信号，该驱动信号要被应用至谐振转换器的开关晶体管，并且该驱动信号具有可变占空比和可变频率。一种转换器，包括：电压源；与电压源相连的电容器；与电压源相连的第一开关晶体管；与电容器相连的变压器；以及根据本发明的另一优选实施例的布置为在转换器的启动期间用驱动信号来驱动第一开关晶体管的启动电路。一种用于包括第一开关晶体管的谐振转换器的启动方法，包括：以可变占空比和可变频率来驱动第一开关晶体管。

Description

谐振转换器的软启动
技术领域
本发明涉及直流到直流转换器。更具体地，本发明涉及谐振型直流到直流转换器。
背景技术
Sun等人(U.S.8,018,740)教导了在LLC谐振转换器的启动期间用固定频率和可变占空比的操作模式来操作LLC谐振转换器。Sun等人的LLC谐振转换器一完成启动(例如，当在与LLC谐振转换器的输出相连的负载处达到预定电压时)就切换至可变频率和固定占空比的操作模式。也就是说，在启动期间，Sun等人的LLC谐振转换器以脉冲宽度调制(PWM)模式来操作，使得仅占空比是受控制的而谐振转换器的频率保持固定，然后在启动之后切换至脉冲频率调制(PFM)模式。因此，在Sun等人的方案中需要精确的控制来确定从PWM模式向PFM模式切换的阈值，这需要由(例如)数字控制器提供的复杂的控制方案。此外，常规PFM控制器不支持Sun等人的方案所需的对LLC谐振转换器的控制。
在谐振转换器(例如具有PFM控制的LLC转换器)的启动期间，会发生以下问题。
谐振转换器的输出电压会在启动谐振转换器的数百微秒内突然达到它的最大值。由于谐振转换器的负载通常是电容性的，如果谐振转换器的电压突然达到它的最大值，则在谐振转换器的输出处会发生大的涌入(inrush))电流。此外，谐振转换器的电压突然达到它的最大值会导致谐振转换器的输出处的电压过冲。大的涌入电流和电压过冲会损坏谐振转换器和负载二者。
谐振转换器的输出电压过冲会超过期望的规定值。
输出电容器中的大的涌入电流会降低组件(例如输出电容器、谐振转换器的开关单元、谐振转换器的电流变压器、和用于检测谐振电流的电容器)的寿命。此外，大的涌入电流还会损坏与转换器的输出相连的负载。
过流保护(OCP)可以由启动瞬态(transient)来激活。
除非谐振转换器的切换频率会变得非常高，在轻负载处由于突发模式(即，对于特定的时间段，谐振转换器快速开启和关闭)在谐振转换器的输出端会出现大的纹波(ripple)电压。例如，如果正常操作频率是约200kHz，则在轻负载处操作频率会达到约800kHz。
发明内容
考虑到上述问题，本发明的优选实施例提供一种启动电路，所述启动电路提供驱动信号，所述驱动信号要被应用于谐振转换器的开关晶体管，并且所述驱动信号具有可变占空比和可变频率。
根据本发明的优选实施例的一种谐振转换器的启动电路被布置为，使得：在谐振转换器启动期间，所述启动电路提供驱动信号，所述驱动信号要被应用至谐振转换器的开关晶体管，并且所述驱动信号具有可变占空比和可变频率。
在谐振转换器的启动期间，优选地增加占空比并且优选地降低频率。初始地，频率优选地被设置为谐振转换器的最大频率并且占空比优选地被设置为谐振转换器的最小占空比。优选地，利用压控振荡器来确定驱动信号的频率，所述压控振荡器输出具有依赖于输入电压的频率的信号。
优选地，通过比较来自谐振转换器的反馈信号和锯齿信号来确定驱动信号的占空比。优选地，所述锯齿信号包括线性或指数上升的斜坡。优选地，所述启动电路还包括：被布置为提供锯齿信号的电流源、电容器和晶体管。优选地，反馈信号和锯齿信号的比较包括滞后(hysteresis)。
优选地，通过比较斜坡信号和锯齿信号来确定驱动信号的占空比。优选地，所述斜坡信号是下斜坡信号或上斜坡信号。
根据本发明的优选实施例的转换器，包括：电压源；与电压源相连的电容器；与电压源相连的第一开关晶体管；与电容器相连的变压器；以及根据本发明的另一优选实施例的布置为在转换器的启动期间用驱动信号来驱动第一开关晶体管的启动电路。
优选地，所述转换器还包括第二开关晶体管。优选地，所述启动电路还被布置为在转换器的启动期间驱动第二开关晶体管。
根据本发明的优选实施例的一种用于包括第一开关晶体管的谐振转换器的启动方法，包括：用可变占空比和可变频率来驱动第一开关晶体管。
优选地，所述方法还包括：初始地，将占空比设置为谐振转换器的最小占空比，以及将频率设置为谐振转换器的最大频率；以及然后在启动期间，增加占空比并降低频率。优选地，所述方法还包括：通过改变压控振荡器的电压输入来确定驱动信号的频率。优选地，所述方法还包括：通过比较来自谐振转换器的反馈信号和锯齿信号，或通过比较斜坡信号和锯齿信号来确定驱动信号的占空比。
优选地，所述谐振转换器还包括第二开关晶体管。优选地，所述方法还包括：用可变占空比和可变频率来驱动第二开关晶体管。
根据以下对本发明的优选实施例的详细说明，并参照所附附图，本发明的以上的和其他的特征、单元、特性、步骤和优点将变得更加明显。
附图说明
图1是半桥LLC谐振转换器的电路图。
图2A示出了上侧开关Q1和下侧开关Q2的可变频率、可变占空比驱动信号。
图2B示出了仅下侧开关Q2的可变频率、可变占空比驱动信号。
图2C示出了仅上侧开关Q1的可变频率、可变占空比驱动信号。
图3是针对上侧和下侧驱动信号二者的可变频率和可变占空比控制电路的电路图。
图4示出了图3的锯齿信号、反馈信号和驱动信号。
图5是针对上侧驱动信号的可变频率和可变占空比控制电路的电路图。
图6是针对下侧驱动信号的可变频率和可变占空比控制电路的电路图。
图7是针对上侧和下侧驱动信号二者的具有滞后的可变频率和可变占空比控制电路的电路图。
图8是仅针对具有高到低斜坡信号的一侧的可变频率和可变占空比控制电路的示例的电路图。
图9示出了图8的锯齿信号、高到低斜坡信号和驱动信号。
图10是仅针对具有低到高斜坡信号的一侧的可变频率和可变占空比控制电路的示例的电路图。
图11示出了图10的锯齿信号、低到高斜坡信号和驱动信号。
具体实施方式
图1-11中示出了本发明的优选实施例。本发明的优选实施例提供用于可变频率谐振转换器的软启动控制方案，以改进在传统谐振转换器的启动期间发生的上述问题。根据本发明的优选实施例的软启动控制方案包括：在谐振转换器的启动期间的可变占空比和可变频率。
在根据本发明的优选实施例的软启动控制方案中，在谐振转换器的启动的开始时，谐振转换器以最大的切换频率和最小占空比来操作。在谐振转换器的启动开始之后，切换频率逐渐降至它的最小值而占空比逐渐增加至它的最大值。由于谐振转换器的输出电压在启动期间用相对较长的时间(与使用软启动控制方案的常规谐振转换器相比)单调递增，将减轻上述在常规谐振转换器的启动期间发生的上述问题。利用来自谐振转换器的变压器的次级的反馈信号以及利用选定用于谐振转换器的特定电路单元，能够确定占空比的最小和最大值。
图1示出了具有利用本发明的优选实施例改进的启动性能的半桥LLC谐振转换器。图1中示出的半桥LLC谐振转换器优选地包括用于切换输入电压Vi的至少一个上侧开关Q1和至少一个下侧开关Q2。优选地，针对上侧开关Q1和/或下侧开关Q2实现可变频率和可变占空比的控制方案。优选地，半桥LLC谐振转换器附加地包括谐振电容器C1、输出电容器Co和同步整流器Q3和Q4。此外，半桥LLC谐振转换器的变压器包括漏电感Lrt和励磁电感Lmt。
图2A-2C示出了用于根据本发明的优选实施例的控制方案的驱动信号。应用至上侧开关Q1的栅极到源极驱动信号Vgs1和应用至下侧开关Q2的栅极到源极驱动信号Vgs2在切换过渡期间在当上侧开关Q1和下侧开关Q2均为关时在高侧和低侧之间具有死区时间Tdeadtime。死区时间Tdeadtime指示这样的时间段，在该时间段期间提供栅极到源极驱动信号Vgs1和Vgs2的控制器不输出任何信号，以防止上侧开关Q1和下侧开关Q2二者同时开启。图2A-2C中所示的驱动信号的占空比从最小值处开始并逐渐增加，而驱动信号的频率从最大值处开始并逐渐降低。图2A示出了上侧开关Q1和下侧开关Q2的可变频率和可变占空比。图2B示出了上侧开关Q1和下侧开关Q2的可变频率和仅对于下侧开关Q2的可变占空比。图2C示出了对于上侧开关Q1和下侧开关Q2的可变频率和仅针对上侧开关Q1的可变占空比。
如图3所示，由开关Q11、电阻器R10、电阻器R11和电阻器R12提供了用于为电容器C10充电的恒流源。然而，本发明的优选实施例不限于图3中所示的恒流源，任意电流源可被用于替代图3中所示的恒流源。
根据本发明的优选实施例的谐振转换器的控制器(未示出)可以是模拟控制器，该模拟控制器可以包括两个输出通道。控制器的上侧输出通道提供驱动信号Vdrive1，该驱动信号Vdrive1驱动图1中所示的上侧开关Q1，以及下侧输出通道提供驱动信号Vdrive2，该驱动信号Vdrive2驱动图1中所示的下侧开关Q2。优选地，该控制器包括压控振荡器，该压控振荡器可以输出具有依赖于控制器的电压输入的频率的信号。优选地，用于确定信号的频率的控制器的电压输入是反馈信号Vfb。也就是说，控制器提供具有可变频率和固定占空比的驱动信号Vdrive1和Vdrive2。利用由控制器提供的驱动信号Vdrive1和Vdrive2的可变频率来确定驱动信号Vgs1和Vgs2的可变频率。
以下描述用于确定驱动信号Vgs1和Vgs2的可变占空比的方法。能够如图3和5-7中所示使用反馈信号Vfb来确定驱动信号Vgs1和Vgs2的可变占空比，或者如图8和10中所示在不使用反馈信号Vfb的情况下确定驱动信号Vgs1和Vgs2的可变占空比。
在图3中，通过比较反馈信号Vfb与锯齿信号Vramp来确定可变占空比。使用电流源、电容器V10和驱动开关Q10来生成锯齿信号Vramp。因为使用驱动信号Vdrive1或Vdrive2来切换驱动开关Q10，所以锯齿信号与驱动信号Vdrive1和Vdrive2具有相同的频率和相位。可以利用异或门IC14来生成用于驱动开关Q10的信号，如图3中所示的异或门IC14使用从谐振转换器的控制器输出的驱动信号Vdrive1和Vdrive2。作为使用异或门IC14的替代，可以使用控制器的任意一个输出通道来驱动开关Q10。作为示例，优选地将控制器实现为集成电路(例如，控制IC)。
根据本发明的优选实施例，优选地，按如下描述来生成锯齿信号Vramp。锯齿信号Vramp具有与用于驱动开关Q10的信号相同或基本相同的频率和相位。如果使用恒流源，则锯齿信号Vramp的上斜坡是线性的或基本是线性的。然而，如果使用非恒流源，则锯齿信号Vramp的上斜坡是指数型的。稳压二极管D10设置锯齿信号Vramp的最小电压，该最小电压设置最小可变频率；稳压二极管D11设置锯齿信号Vramp的最大电压，该最大电压设置最大可变频率；以及稳压二极管D12如图4中所示设置最小可变频率和可变占空比控制频率。
对于具有PFM和闭环反馈环路的任意谐振转换器(包括根据本发明的优选实施例的谐振转换器)，与谐振转换器的输出电压相对应的反馈信号Vfb(包括反馈信号Vfb1和Vfb2)从变压器的次级提供给控制器，以生成可变频率信号Vgs1和Vgs2。反馈信号Vfb通常是输出电压和参考信号之间的差，使得反馈信号Vfb随着输出电压接近参考电压而降低。随着反馈信号Vfb降低，输出电压因为切换频率降低而增加。图3中的电阻器R13起对反馈信号Vfb2钳位的作用。具体地，光耦合器(未示出)可被用于将变压器的次级与控制器相连。可以利用比较器IC10，将反馈信号Vfb2与上述锯齿信号Vramp进行比较，来生成可变频率、可变占空比信号Vvfvd。由比较器IC10生成的该信号Vvfvd能够被用于驱动图1中所示的上侧开关Q1或下侧开关Q2中的任一个。
该信号Vvfvd与用于驱动图1中所示的上侧开关Q1和下侧开关Q2的驱动信号Vdrive1和Vdrive2的“与(AND)”操作的结果还可被用于驱动图3中所示的上侧开关Q1和下侧开关Q2。逻辑电路IC11是与门，其以由比较器IC10输出的信号Vvfvd和由高侧的控制器输出的可变频率、固定占空比驱动信号Vdrive1为输入。逻辑电路IC12是与门，其以由比较器IC10输出的信号Vvfvd和下侧的控制器输出的可变频率、固定占空比驱动信号Vdrive2为输入。“与”操作确定驱动信号Vgs1和Vgs2的可变占空比。
逻辑电路IC11和IC12的输出被输入给MOSFET驱动IC13，MOSFET驱动IC13输出被应用至上侧开关Q1的栅极到源极驱动信号Vgs1和被应用至下侧开关Q2的栅极到源极驱动信号Vgs2。除了基于逻辑电路IC11和IC12的输出来驱动上侧开关Q1和下侧开关Q2以外，MOSFET驱动IC13还能够提供自举(bootstrapping)功能。此外，向异或逻辑电路IC14输入可变频率、固定占空比的驱动信号Vdrive1和可变频率、固定占空比的驱动信号Vdrive2，该异或逻辑电路IC14输出用于驱动开关Q10的信号。
图4示出了图3中所示的锯齿信号Vramp和驱动信号。可以通过以上电路来生成用于驱动上侧开关Q1和/或下侧开关Q2的可变频率、可变占空比驱动信号Vgs1和Vgs2f。反馈信号Vfb2逐渐下降，并且一旦反馈信号Vfb2变得低于锯齿信号Vramp的最小值，则占空比达到它的最大值(通常约50％)，并且占空比变为恒定。一旦占空比变为恒定，则完成了谐振转换器的软启动，并且谐振转换器进入仅具有PFM的正常操作模式。
图5示出了仅针对图2C所示的上侧开关Q1生成可变频率、可变占空比驱动信号的电路。图6示出了仅针对图2B所示的下侧开关Q2生成可变频率、可变占空比驱动信号的电路。仅针对上侧开关Q1或下侧开关Q2提供可变频率、可变占空比驱动信号的益处之一是：需要较少的配置。
图7示出了具有滞后比较器的电路，该滞后比较器具有生成滞后的附加电阻器R13，由此向谐振转换器提供针对在反馈信号Vfb或锯齿信号Vramp中可能出现的噪声的更好的噪声免疫力。
如上述，反馈信号Vfb1可以与锯齿信号Vramp进行比较，该锯齿信号Vramp生成可变频率、可变占空比信号Vvfvd。然而，本发明的优选实施例不限于使用反馈信号Vfb。具体地，可以使用具有线性或指数斜坡的任意信号来生成可变频率、可变占空比信号Vvfvd。如上述，通过使用非恒流源，能够生成具有与由控制器生成的驱动信号相同的频率和相位的锯齿信号Vramp。例如，可以使用简单的RC电路来生成锯齿信号Vramp。
图8和10示出了在无反馈信号Vfb的情况下确定驱动信号Vgs1和Vgs2的可变占空比的电路。
图8示出了本发明的优选实施例，其生成可变频率、可变占空比信号EN-D，可变频率、可变占空比信号EN-D与上述可变频率、可变占空比信号Vvfvd相对应。图9示出了由图8中所示的电路生成的电压信号。
如图8中所示，电阻器R15、R16和R17，电容器C13和二极管D13提供生成锯齿信号RAMP-1的电路。如图9中所示，电阻器R11、R12、R13和R14、电容器C11和C12、二极管D11和稳压二极管D12提供生成下斜坡信号RAMP-2的电路。向比较器IC11输入信号RAMP-1和RAMP-2。电阻器R18、电容器C14和二极管D14对比较器IC11的Vcc输入电压进行钳位，以限制电流和调节电压。从比较器IC11输出的信号EN-D与驱动IC IC12的Vcc输入相连，其开启和关闭驱动IC IC2并控制栅极到源极驱动信号Vgs2。开启和关闭驱动IC IC12确定了驱动信号Vgs2的可变占空比。
图10示出了本发明的另一个优选实施例，其生成可变频率、可变占空比信号EN-D，可变频率、可变占空比信号EN-D与上述可变频率、可变占空比信号Vvfvd相对应。图11示出了由图10中所示的电路生成的电压信号。使用图8和10中所示的电路的优点之一是可以使用较廉价的IC。
如图10中所示，电阻器R15、R16和R17，电容器C13和二极管D13提供生成锯齿信号RAMP-1的电路。如图11中所示，电阻器R11、R12、R13和R14、电容器C11和C12、二极管D11和稳压二极管D12提供生成上斜坡信号RAMP-2的电路。向比较器IC11输入信号RAMP-1和RAMP-。电阻器R18、电容器C14和二极管D14对比较器IC11的Vcc输入电压进行钳位，以限制电流和调节电压。从比较器IC11输出的信号EN-D与驱动IC IC12的Vcc输入相连，来开启和关闭驱动IC IC2并控制栅极到源极驱动信号Vgs2。开启和关闭驱动IC IC12确定了驱动信号Vgs2的可变占空比。
上述参照模拟电路描述了本发明的优选实施例。然而，本发明的优选实施例还能够用数字电路来实现。具体地，可以利用微处理器、数字信号处理器(DSP)或任何其他数字设备来生成在谐振转换器的启动期间使用的可变频率、可变占空比驱动信号。
尽管没有在附图中示出，但是通过本发明的优选实施例可以改进谐振转换器(包括全桥LLC谐振转换器)的启动性能。作为具有两个开关的谐振转换器的替代，还可以使用具有单个开关或多于两个开关的转换器，包括在全桥拓扑中的四个开关。在具有多于一个开关的转换器中，有可能向开关中的任意一个提供可变频率、可变占空比的启动信号。
尽管图1示出了使用同步的整流器Q3和Q4，但是还可以使用包括二极管整流器的任意合适的整流器电路。作为仅依赖寄生漏电感Lrt的替代，使用附加电感器是可能的。
应该理解的是，上述说明仅是对本发明的示意说明。本领域技术人员可以在不离开本发明的情况下推导出各种备选和修改。因此，本发明旨在包括落入所附权利要求范围内的所有这种备选、修改和变型。

Claims (21)

1.一种LLC谐振转换器的启动电路，被布置为，使得：在所述LLC谐振转换器的启动期间，所述启动电路通过提供驱动信号来操作所述LLC谐振转换器，所述驱动信号要被应用至所述LLC谐振转换器的开关晶体管，并且所述驱动信号具有在所述LLC谐振转换器的启动期间可变的脉冲宽度和可变的频率。
2.根据权利要求1所述的启动电路，其中，在所述LLC谐振转换器的启动期间，脉冲宽度被增大并且频率被降低。
3.根据权利要求1所述的启动电路，其中，初始时，频率被设置为所述LLC谐振转换器的最大频率，而脉冲宽度被设置为所述LLC谐振转换器的最小脉冲宽度。
4.根据权利要求1所述的启动电路，其中，利用压控振荡器来确定所述驱动信号的频率，所述压控振荡器输出具有依赖于输入电压的频率的信号。
5.根据权利要求1所述的启动电路，其中，通过比较来自所述LLC谐振转换器的反馈信号和锯齿信号来确定所述驱动信号的脉冲宽度。
6.根据权利要求5所述的启动电路，其中，所述锯齿信号包括线性或指数上升的斜坡。
7.根据权利要求5所述的启动电路，还包括：被布置为提供所述锯齿信号的电流源、电容器和晶体管。
8.根据权利要求5所述的启动电路，其中：所述反馈信号和所述锯齿信号的比较包括滞后。
9.根据权利要求1所述的启动电路，其中：通过比较斜坡信号和锯齿信号来确定所述驱动信号的脉冲宽度。
10.根据权利要求9所述的启动电路，其中：所述斜坡信号是下斜坡信号。
11.根据权利要求9所述的启动电路，其中：所述斜坡信号是上斜坡信号。
12.一种LLC谐振转换器，包括：
电压源；
与所述电压源相连的电容器；
与所述电压源相连的第一开关晶体管；
与所述电容器相连的变压器；以及
根据权利要求1所述的启动电路，所述启动电路布置为在所述LLC谐振转换器的启动期间用驱动信号来驱动所述第一开关晶体管。
13.根据权利要求12所述的LLC谐振转换器，还包括第二开关晶体管。
14.根据权利要求13所述的LLC谐振转换器，其中，所述启动电路还被布置为：在所述LLC谐振转换器的启动期间驱动所述第二开关晶体管。
15.一种用于包括第一开关晶体管的LLC谐振转换器的启动方法，所述启动方法包括：通过用在所述LLC谐振转换器的启动期间可变的脉冲宽度和可变的频率驱动所述第一开关晶体管来操作所述LLC谐振转换器。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
初始时，将脉冲宽度设置为所述LLC谐振转换器的最小脉冲宽度，而将频率设置为所述LLC谐振转换器的最大频率；以及
然后在启动期间，增大脉冲宽度并降低频率。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括：通过改变压控振荡器的电压输入来确定驱动信号的频率。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括：通过比较来自所述LLC谐振转换器的反馈信号和锯齿信号来确定驱动信号的脉冲宽度。
19.根据权利要求15所述的方法，还包括：通过比较斜坡信号和锯齿信号来确定驱动信号的脉冲宽度。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，所述LLC谐振转换器包括第二开关晶体管。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括：用可变脉冲宽度和可变频率来驱动第二开关晶体管。
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