CN108923657B - 谐振变换器及其控制电路和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了谐振变换器及其控制器和控制方法。该控制器包括：比较电路，将与谐振变换器输出信号相关的输出反馈信号与代表谐振电容器两端电压的电压采样信号进行比较，产生上侧关断信号；以及控制电路，耦接至比较电路，根据上侧关断信号产生上侧控制信号与下侧控制信号以分别控制上侧开关管与下侧开关管，其中控制电路根据上侧关断信号决定何时将上侧开关管关断，检测上侧开关管的导通时长，并在下侧开关管的导通时长到达与检测到的上侧开关管的导通时长相等时将下侧开关管关断。

Description

谐振变换器及其控制电路和控制方法
技术领域
本发明涉及电子电路，特别地，涉及谐振变换器及其控制电路和控制方法。
背景技术
谐振变换器中，开关电路将直流电压转换为方波电压并提供至谐振电路。如图1所示，传统的谐振变换器一般采用脉冲频率调制，通过振荡器产生占空比为50％的时钟信号CLK以控制开关电路，并基于反馈信号ISET改变该时钟信号CLK的频率。时钟信号CLK频率的改变将导致前述方波电压的频率改变，从而使得谐振电路的增益发生变化，最终实现对谐振变换器输出的调节。
然而，这种现有的脉冲频率调制方法带宽较窄，在负载突变时无法提供及时有效的响应，从而导致输出上出现较大过冲或者下冲。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提出一种基于谐振电容器端电压的控制方法以及采用该方法的谐振变换器和控制器。
依据本发明实施例的一种用于谐振变换器的控制器，该谐振变换器包括开关电路以及谐振电路，其中开关电路具有耦接在输入电压与开关节点之间的上侧开关管以及耦接在开关节点与参考地之间的下侧开关管，谐振电路具有耦接至开关节点的谐振电容器与谐振电感器。该控制器包括：比较电路，将与谐振变换器输出信号相关的输出反馈信号与代表谐振电容器两端电压的电压采样信号进行比较，产生上侧关断信号；以及控制电路，耦接至比较电路，根据上侧关断信号产生上侧控制信号与下侧控制信号以分别控制上侧开关管与下侧开关管，其中控制电路根据上侧关断信号决定何时将上侧开关管关断，检测上侧开关管的导通时长，并在下侧开关管的导通时长到达与检测到的上侧开关管的导通时长相等时将下侧开关管关断。
依据本发明实施例的一种谐振变换器，包括：如前所述的控制器；电压采样电路，采样谐振电容器两端的电压，产生电压采样信号；以及输出反馈电路，根据谐振变换器的输出信号产生输出反馈信号。
依据本发明实施例的一种用于谐振变换器的控制方法，该谐振变换器包括开关电路以及谐振电路，其中开关电路具有耦接在输入电压与开关节点之间的上侧开关管以及耦接在开关节点与参考地之间的下侧开关管，谐振电路具有耦接至开关节点的谐振电容器与谐振电感器，该控制方法包括：根据谐振变换器的输出信号产生输出反馈信号；采样谐振电容器两端的电压，产生电压采样信号；将输出反馈信号与电压采样信号进行比较，以产生上侧关断信号；根据上侧关断信号决定何时将上侧开关管关断以及何时将下侧开关管导通；检测上侧开关管的导通时长；以及基于检测到的上侧开关管的导通时长，决定何时将下侧开关管关断以及何时将上侧开关管导通。
在本发明的实施例中，代表谐振电容器两端电压的电压采样信号被用作与输出反馈信号进行比较，以决定何时将上侧开关管关断，同时下侧开关管的导通时长被控制为等于上侧开关管的导通时长。这样的控制方式使得谐振变换器在负载突变时可以提供及时的响应，有效地改善了谐振变换器的动态性能。
附图说明
图1示出了传统的采用脉冲频率调制的谐振变换器；
图2为根据本发明实施例的谐振变换器100的原理性框图；
图3示出根据本发明实施例的谐振变换器100的原理性工作波形图；
图4为根据本发明实施例的谐振变换器200的原理性框图；
图5为根据本发明实施例的谐振变换器200A的电路结构示意图；
图6为根据本发明实施例的谐振变换器200B的电路结构示意图；
图7为根据本发明实施例的用于谐振变换器的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制。应当理解，当称元件“连接到”或“耦接到”另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
与图1所示的现有技术相比，本发明的实施例采用了一种新颖的控制方式，将代表谐振电容器两端电压的电压采样信号与指示谐振变换器输出信号的输出反馈信号进行比较，以决定何时将上侧开关管关断。同时检测上侧开关管的导通时长，并使下侧开关管的导通时长与上侧开关管的导通时长相等。与图1所示现有技术相比，根据本发明实施例的控制方式带宽更高，具有更为优秀的动态性能。
图2为根据本发明实施例的谐振变换器100的原理性框图，包括开关电路101、谐振电路102、变压器T、整流滤波电路103、电压采样电路104、输出反馈电路105、导通时长跟随电路106、逻辑电路107以及比较电路108。开关电路101包括耦接在输入电压Vin与开关节点SW之间的上侧开关管HS以及耦接在开关节点SW与参考地之间的下侧开关管LS。谐振电路102耦接至开关节点SW，包括由电容器Cr以及电感器Ls、Lm组成的LLC电路，其中电感器Lm一般由变压器T的励磁电感构成，也可以采用独立的电感元件。
变压器T的原边绕组耦接至谐振电路102。整流滤波电路103包括二极管D1、D2和电容器Cout，对变压器T副边绕组两端的电压进行整流和滤波，以提供输出电压Vout至负载。尽管图2示出的实施例中，整流滤波电路103采用了二极管D1和D2构成的全波整流电路以及电容器Cout构成的滤波电路，但本领域技术人员可以理解，具有其它结构的整流电路(例如半波整流、全桥整流)和滤波电路也同样适用。
电压采样电路104采样谐振电容器Cr两端的电压，产生电压采样信号VC。图2中的电压采样电路104包括电容器C1、C2以及电阻器R1。电容器C1具有第一端和第二端，其中第一端耦接至谐振电容器Cr，第二端提供电压采样信号VC。电容器R1和电容器C2并联耦接在电容器C1的第二端与参考地之间。图2所示实施例中，电容器C1作为隔直电容，隔离了直流电信号，而只允许交流电信号通过，因而电压采样信号VC不再具有直流分量，而基本呈纯交流的准正弦波形。
输出反馈电路105根据输出电压Vout产生输出反馈信号VCOMP。在一些实施例中，输出反馈电路105包括耦接至输出电压Vout的分压电路、以及将分压产生的信号与参考电压之间的误差进行比例积分的误差放大电路。在另一些实施例中，输出反馈电路105采用传统的三端稳压器叠加阻抗网络的方式来获取输出反馈信号VCOMP。在变压器原边和副边彼此电隔离而采用不同参考地的应用场合，输出反馈电路105还可能需要包含诸如光电耦合器之类的隔离器件。
比较电路108耦接至电压采样电路104与输出反馈电路105，将电压采样信号VC与输出反馈信号VCOMP进行比较，以产生上侧关断信号HGOFF。在一些实施例中，为了维持***稳定工作，一斜率补偿信号VRAMP被叠加至电压采样信号VC，电压采样信号VC与斜率补偿信号VRAMP之和VCS被用作与输出反馈信号VCOMP进行比较，以产生上侧关断信号HGOFF。
根据上侧关断信号HGOFF，可以通过控制电路产生分别控制上侧开关管HS与下侧开关管LS的上侧控制信号HG与下侧控制信号LG。理想情况下，开关管HS与LS交替互补导通。上侧关断信号HGOFF决定了上侧开关管HS何时关断及下侧开关管LS何时导通。谐振变换器100检测上侧开关管HS的导通时长，并在下侧开关管LS的导通时长到达与检测到的上侧开关管HS的导通时长相等时，关断下侧开关管LS并导通上侧开关管HS。
图2所示实施例中，上述控制电路主要由导通时长跟随电路106和逻辑电路107来实现。导通时长跟随电路106接收上侧控制信号HG与下侧控制信号LG，基于上侧控制信号HG检测上侧开关管HS的导通时长，并根据下侧控制信号LS与检测到的上侧开关管HS的导通时长产生下侧关断信号LGOFF。逻辑电路107耦接至比较电路108与导通时长跟随电路106，根据上侧关断信号HGOFF与下侧关断信号LGOFF产生上侧控制信号HG与下侧控制信号LG。
图3为根据本发明实施例的图2所示谐振变换器100的原理性工作波形图，其中ton_h代表上侧开关管HS的导通时间，ton_l代表下侧开关管LS的导通时间。如图3所示，当电压采样信号VC与斜率补偿信号VRAMP之和VCS增大至大于输出反馈信号VCOMP时，上侧开关管HS关断，下侧开关管LS导通。而当下侧开关管LS的导通时长ton_l到达与上侧开关管HS的导通时长ton_h相等时，上侧开关管HS导通，下侧开关管LS关断。对导通时长ton_h和ton_l的检测可以通过简单的计数器或者计时器实现，在这里不再赘述。
实际应用中，为了有效避免上下侧开关管直通并帮助实现上下侧开关管的软开关，会在上下侧开关管中一开关管关断至另一开关管导通之间设置一时间间隔，这个时间间隔通常被称为“死区时间”。该死区时间可以恒定，也可以根据电路运行情况进行自适应调节。在图3中，为了简要起见，死区时间并未被示出。
在谐振变换器刚启动或重新启动时，由于谐振电容器Cr两端的电压尚不均衡，流过谐振电路的谐振电流Ir可能无法在下侧开关管HS关断前完成换向，即来不及由正向(由开关电路101经开关节点SW流入谐振电路102)转变为负向(由谐振电路102经开关节点SW流入开关电路101)，这将导致硬开关情况的出现。为了解决该问题，图4所示的谐振变换器200在图2谐振变换器100的基础上，进一步引入电流方向检测电路109。该电流方向检测电路109检测谐振电流Ir的方向，产生电流方向检测信号CDD，并将其提供至逻辑电路107。当下侧开关管LS导通时，逻辑电路107在检测到谐振电流Ir的方向变为负向后，方可将下侧开关管LS关断。这可能会导致下侧开关管LS的导通时长在某些情况下大于上侧开关管HS的导通时长。
在某些实施例中，为了避免谐振变换器进入容性模式(开关节点SW处的电压在相位上滞后于谐振电流Ir)，即使前述关断条件尚未达到，逻辑电路107也会在电流方向检测电路109检测到谐振电流Ir即将由负向进入正向时将下侧开关管LS提前关断，在电流方向检测电路109检测到谐振电流Ir即将由正向进入负向时将上侧开关管HS提前关断。
图5为根据本发明实施例的谐振变换器200A的电路结构示意图，其中电流采样电路110采样谐振电流Ir，并产生电流采样信号CSHB。一般来说，电流采样电路110可以通过采样电阻器、电流互感器或其它合适的结构实现。在图5所示的实施例中，它包括电容器C4、C5以及电阻器R6、R7，具体连接如图所示。其中电容器C4的容值通常较小，例如满足：
Figure BDA0001716233200000061
电流方向检测电路109A包括耦接至电流采样电路110的比较器COM1，将电流采样信号CSHB与阈值电压VTH(例如-80mV)进行比较，以判断谐振电流Ir的方向，产生电流方向检测信号CDD。
输出反馈电路105A包括反馈处理电路151、光电耦合器152、三端稳压器153、电阻器R2-R5以及电容器C3，基于输出电压Vout产生流过光电耦合器152中光敏元件的电流Ifb。该电流Ifb随后通过电阻器R2被转化为电压信号VFBL。反馈处理电路501对电压信号VFBL进行处理，产生输出反馈信号VCOMP。在一些实施例中，输出反馈信号VCOMP可以表示为：
VCOMP＝AX*VFBL+BX＝AX*(VCC-Ifb*R2)+BX
其中AX为反馈处理电路501的比例系数，BX为偏置量。在不同的工作模式下，AX和BX可以采用不同的值。若AX为1，BX为0，输出反馈信号VCOMP将直接与VFBL相等。
比较电路108A包括比较器COM2，其同相输入端接收电压采样信号VC、斜率补偿信号VRAMP之和，反相输入端耦接至反馈处理电路151以接收输出反馈信号VCOMP。在某些实施例中，为了抵消光电耦合器152中光敏元件的饱和电压造成的影响，一偏置电压VOFFSET(例如200mV)被进一步叠加至比较器COM2的同相输入端。
逻辑电路107A包括死区时间叠加电路171、触发器FF1以及与门AND1。与门AND1的两个输入端分别耦接以接收下管关断信号LGOFF和电流方向检测信号CDD。触发器FF1具有置位端S、复位端R以及输出端Q和/Q，其中置位端S耦接至与门AND1的输出端，复位端R耦接至比较器COM2的输出端。死区时间叠加电路701耦接至触发器FF1的输出端Q和/Q，并根据触发器FF1的输出信号产生上侧控制信号HG和下侧控制信号LG。在图5所示实施例中，上侧开关管HS和下侧开关管LS均为NMOS晶体管，上侧控制信号HG和下侧控制信号LG分别通过驱动电路DRH和DRL耦接至开关管HS和LS的栅极。
图5所示实施例中，输出反馈电路105A的一部分与导通时长跟随电路106、逻辑电路107A、比较电路108A和电流方向检测电路109A集成在同一控制器IC内。但本领域技术人员可知，这并非用于限制本发明。上述电路可以采用其他方式局部或整体组合在一起，这些变形均未超出本发明要求保护的范围。例如在图6所示的实施例中，图5所示反馈处理电路151、导通时长跟随电路106与逻辑电路107A均通过一数字控制模块来实现。数模转换器DAC和模数转换器ADC被用于实现数字信号与模拟信号之间的转换。
虽然前述实施例中，开关电路均以半桥电路为例，但本领域技术人员可以理解，开关电路也可以采用由四个开关管组成的全桥电路。其内部的开关管除了MOSFET，也可以采用其它可控半导体晶体管。类似地，虽然前述实施例中谐振电路以LLC电路为例，但其它的谐振电路，例如LCC电路等，也同样适用于本发明。
此外，需要注意的是，对于根据本发明的谐振变换器而言，变压器和整流滤波电路均不是必需的，因此可以根据需要部分或者全部被省略。输出反馈电路所反馈调节的谐振变换器的输出信号，除了输出电压外，根据实际应用需求的不同，也可以是输出电流或输出功率。
图7为根据本发明实施例的用于谐振变换器的控制方法的流程图，包括步骤S101-S106。该谐振变换器包括开关电路以及谐振电路，其中开关电路具有耦接在输入电压与开关节点之间的上侧开关管以及耦接在开关节点与参考地之间的下侧开关管，谐振电路具有耦接至开关节点的谐振电容器与谐振电感器。
在步骤S101，根据谐振变换器的输出信号产生输出反馈信号。
在步骤S102，采样谐振电容器两端的电压，产生电压采样信号。
在步骤S103，将输出反馈信号与电压采样信号进行比较，以产生上侧关断信号。
在步骤S104，根据上侧关断信号决定何时将上侧开关管关断以及何时将下侧开关管导通。
在步骤S105，检测上侧开关管的导通时长。
在步骤S106，基于检测到的上侧开关管的导通时长，决定何时将下侧开关管关断以及何时将上侧开关管导通。
在一些实施例中，前述控制方法还包括：检测流过谐振电路的谐振电流的方向。其中当下侧开关管导通时，在检测到谐振电流的方向变为负向(由谐振电路经开关节点流入开关电路)后方可将下侧开关管关断，以避免出现硬开关。
在一些实施例中，斜率补偿信号被叠加至电压采样信号。斜率补偿信号与电压采样信号之和被用作同输出反馈信号进行比较，以产生上侧关断信号。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种用于谐振变换器的控制器，该谐振变换器包括开关电路以及谐振电路，其中开关电路具有耦接在输入电压与开关节点之间的上侧开关管以及耦接在开关节点与参考地之间的下侧开关管，谐振电路具有耦接至开关节点的谐振电容器与谐振电感器，该控制器包括：
比较电路，将与谐振变换器输出信号相关的输出反馈信号与代表谐振电容器两端电压的电压采样信号进行比较，产生上侧关断信号；以及
控制电路，耦接至比较电路，根据上侧关断信号产生上侧控制信号与下侧控制信号以分别控制上侧开关管与下侧开关管，其中控制电路根据上侧关断信号决定何时将上侧开关管关断，检测上侧开关管的导通时长，并在下侧开关管的导通时长到达与检测到的上侧开关管的导通时长相等时将下侧开关管关断。
2.如权利要求1所述的控制器，其中该控制电路包括：
导通时长跟随电路，接收上侧控制信号与下侧控制信号，基于上侧控制信号检测上侧开关管的导通时长，并根据下侧控制信号与检测到的上侧开关管的导通时长产生下侧关断信号；以及
逻辑电路，耦接至比较电路与导通时长跟随电路，根据上侧关断信号与下侧关断信号产生上侧控制信号与下侧控制信号以分别控制上侧开关管与下侧开关管。
3.如权利要求2所述的控制器，其中逻辑电路包括：
触发器，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，其中第一输入端耦接至导通时长跟随电路以接收下侧关断信号，第二输入端耦接至比较电路以接收上侧关断信号；以及
死区时间叠加电路，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，其中第一输入端耦接至触发器的第一输出端，第二输入端耦接至触发器的第二输出端，第一输出端提供上侧控制信号，第二输出端提供下侧控制信号。
4.如权利要求1所述的控制器，还包括：
电流方向检测电路，检测流过谐振电路的谐振电流的方向，产生电流方向检测信号，并将其提供至控制电路；
其中在下侧开关管导通时，控制电路在检测到谐振电流的方向变为由谐振电路经开关节点流入开关电路后，才将下侧开关管关断。
5.如权利要求1所述的控制器，其中电压采样信号为通过第一电容器耦接至谐振电容器的交流电压信号。
6.如权利要求1所述的控制器，其中一斜率补偿信号被叠加至电压采样信号，比较电路将斜率补偿信号与电压采样信号之和同输出反馈信号进行比较，以产生上侧关断信号。
7.一种谐振变换器，包括：
如权利要求1至6中任一项所述的控制器；
电压采样电路，采样谐振电容器两端的电压，产生电压采样信号；以及
输出反馈电路，根据谐振变换器的输出信号产生输出反馈信号。
8.如权利要求7所述的谐振变换器，其中电压采样电路包括：
第一电容器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至谐振电容器，第二端提供电压采样信号；
耦接在第一电容器第二端与参考地之间的第一电阻器；以及
耦接在第一电容器第二端与参考地之间的第二电容器。
9.如权利要求7所述的谐振变换器，还包括：
变压器，具有原边绕组和副边绕组，其中原边绕组耦接至谐振电路；以及
整流滤波电路，耦接在变压器的副边绕组与负载之间，对变压器副边绕组两端的电压进行整流和滤波，以提供谐振变换器的输出信号至负载。
10.一种用于谐振变换器的控制方法，该谐振变换器包括开关电路以及谐振电路，其中开关电路具有耦接在输入电压与开关节点之间的上侧开关管以及耦接在开关节点与参考地之间的下侧开关管，谐振电路具有耦接至开关节点的谐振电容器与谐振电感器，该控制方法包括：
根据谐振变换器的输出信号产生输出反馈信号；
采样谐振电容器两端的电压，产生电压采样信号；
将输出反馈信号与电压采样信号进行比较，以产生上侧关断信号；
根据上侧关断信号决定何时将上侧开关管关断以及何时将下侧开关管导通；
检测上侧开关管的导通时长；以及
基于检测到的上侧开关管的导通时长，决定何时将下侧开关管关断以及何时将上侧开关管导通。
11.如权利要求10所述的控制方法，还包括：
检测流过谐振电路的谐振电流的方向；
其中当下侧开关管导通时，在检测到谐振电流的方向变为由谐振电路经开关节点流入开关电路后，才将下侧开关管关断，以避免出现硬开关。
12.如权利要求10所述的控制方法，还包括：
将斜率补偿信号叠加至电压采样信号；
其中斜率补偿信号与电压采样信号之和被用作同输出反馈信号进行比较，以产生上侧关断信号。
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