TWI669893B - LLC quasi-resonant switching power supply - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種LLC准諧振開關電源，包括：相互串聯的第一功率開關和第二功率開關；變壓器；以及控制晶片，該控制晶片可操作以：基於第一功率開關與第二功率開關之間的連接節點處的電壓的變化斜率，開通第一功率開關或第二功率開關，通過對變壓器的輔助繞組上的電壓進行採樣，產生表徵LLC准諧振開關電源的輸出電壓的輸出電壓表徵電壓，通過對流過第二功率開關的電流進行採樣，產生表徵LLC准諧振開關電源的輸出電流的輸出電流錶征電壓，並且基於輸出電壓表徵電壓和輸出電流錶征電壓中的一者，關斷第一功率開關或第二功率開關。根據本發明實施例的LLC准諧振開關電源既可以同時實現對輸出電流和輸出電壓的控制，又可以實現功率開關的零電壓導通。

Description

LLC准諧振開關電源
本發明涉及電路領域，更具體地涉及一種LLC准諧振開關電源。
第1圖示出了傳統的LLC准諧振開關電源的電路原理圖。在第1圖所示的LLC准諧振開關電源中，通過功率開關S1、S2的不斷開通和關斷來實現電感Lp、Ls與諧振電容Cr的諧振；諧振腔電流滯後於諧振腔電壓是實現功率開關S1、S2的零電壓導通的必要條件；當輸入電壓太低時，工作頻率太低，這會導致其工作於容性區域而無法實現功率開關S1、S2的零電壓導通。因此，傳統的LLC准諧振開關電源只能在交流輸入電壓為230V的單電壓條件下工作，並且需要前級加入Boost功率因數校正(即，Boost-PFC)電路才能實現寬電壓輸入和高功率因數。
鑒於以上所述的一個或多個問題，本發明提供了一種新穎的LLC准諧振開關電源。
根據本發明實施例的LLC准諧振開關電源包括：相互串聯的第一功率開關和第二功率開關；變壓器；以及控制晶片，該控制晶片可操作以：基於第一功率開關與第二功率開關之間的連接節點處的電壓的變化斜率，開通第一功率開關或第二功率開關，通過對變壓器的輔助繞組上的電壓進行採樣，產生表徵LLC准諧振開關電源的輸出電壓的輸出電壓表徵電壓，通過對流過第二功率開關的電流進行採樣，產生表徵LLC准諧振開關電源的輸出電流的輸出電流錶征電壓，並且基於輸出電壓表徵電壓和輸出電流錶征電壓中的一者，關斷第一功率開關或第二功率開關。
根據本發明實施例的LLC准諧振開關電源既可以同時實現對輸出電流和輸出電壓的控制，又可以實現功率開關的零電壓導通以減 小開關損耗、提高電源效率以及實現高功率因數。
S1、S2‧‧‧功率開關
Vout‧‧‧輸出電壓
Lp、Ls‧‧‧電感
CC_comp‧‧‧恒流控制電壓
Cr‧‧‧諧振電容
CV_comp‧‧‧恒壓控制電壓
ILS‧‧‧電感電流
Io‧‧‧輸出電流
Rcs‧‧‧電流採樣電阻
Vref_cc‧‧‧控制輸出電流的參考電壓
Cboost‧‧‧電容
comp‧‧‧控制電壓
t0-t6‧‧‧工作週期
VCin‧‧‧輸入電容Cin上的電壓
Cin‧‧‧輸入電容
D1‧‧‧二極體
VAC‧‧‧LLC准諧振開關電源的交流(AC)輸入電壓
N‧‧‧變壓器的原邊側與副邊側的匝數比
GATEH、VHV、Vcr、VCboost、Vcs‧‧‧電壓
VFB、CS、RV、VDD‧‧‧端子
ramp、Vref_cv、Vref_cc‧‧‧參考電壓
t0-t1、t1-t2、t2-t3、t4-t5、t5-t6‧‧‧期間
HV‧‧‧半橋中間節點
T1a‧‧‧變壓器第一次級繞組
T1b‧‧‧變壓器第二次級繞組
T1c‧‧‧變壓器主繞組
GND‧‧‧參考地
Cout‧‧‧輸出電容
Rfb1‧‧‧第一取樣分壓電阻
Rfb2‧‧‧第二取樣分壓電阻
NC‧‧‧無連接
從下面結合附圖對本發明的具體實施方式的描述中可以更好地理解本發明，其中：第1圖示出了傳統的LLC准諧振開關電源的電路原理圖；第2圖示出了根據本發明實施例的LLC准諧振開關電源的電路原理圖；第3圖示出了第2圖所示的LLC准諧振開關電源中的一些信號的時序圖；第4圖示出了第2圖所示的LLC准諧振開關電源在第3圖所示的t0-t1期間的等效電路圖；第5圖示出了第2圖所示的LLC准諧振開關電源在第3圖所示的t1-t2期間的等效電路圖；第6圖示出了第2圖所示的LLC准諧振開關電源在第3圖所示的t2-t3期間的等效電路圖；第7圖示出了第2圖所示的LLC准諧振開關電源在第3圖所示的t3-t4期間的等效電路圖；第8圖示出了第2圖所示的LLC准諧振開關電源在第3圖所示的t4-t5期間的等效電路圖；第9圖示出了第2圖所示的LLC准諧振開關電源在第3圖所示的t5-t6期間的等效電路圖；第10圖示出了第2圖所示的LLC准諧振開關電源中的控制晶片的示意框圖；以及第11圖示出了第10圖所示的恒流與恒壓控制模組的簡化電路圖。
下面將詳細描述本發明的各個方面的特徵和示例性實例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理解。但是，對於本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需 要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明決不限於下面所提出的任何具體配置和演算法，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和演算法的任何修改、替換和改進。在附圖和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。
第2圖示出了根據本發明實施例的LLC准諧振開關電源的電路原理圖。在第2圖所示的LLC准諧振開關電源中，通過功率開關S1、S2的不斷開通和關斷來達到所需的輸出電壓和/或輸出電流。
第3圖示出了第2圖所示的LLC准諧振開關電源中的一些信號的時序圖。在第3圖所示的時序圖中，GATEH表示第2圖所示的控制晶片的GATEH端子處的電壓(即，功率開關S1的驅動電壓)，GATEL表示第2圖所示的控制晶片的GATEL端子處的電壓(即，功率開關S2的驅動電壓)，VHV表示功率開關S1與S2之間的連接節點(即，第2圖所示的HV點)處的電壓，Vcr表示諧振電容Cr上的電壓，VCboost表示電容Cboost上的電壓，ILS表示流過電感Ls的電感電流，Vcs表示電流採樣電阻Rcs上的電壓。
如第3圖所示，功率開關S1和S2的導通時間完全一致，因此流過功率開關S1和S2的電流相等，即流過電流採樣電阻Rcs的電流是流過電感Ls的電感電流ILs的一半。
第3圖所示的t0-t6為第2圖所示的LLC准諧振開關電源的一個工作週期。下面結合第2圖至第9圖，詳細說明第2圖所示的LLC准諧振開關電源的工作過程。
第4圖示出了第2圖所示的LLC准諧振開關電源在第3圖所示的t0-t1期間的等效電路圖。如第4圖所示，在t0-t1期間，功率開關S1導通，輸入電容Cin上的電壓對電感Lp及Ls充電同時對諧振電容Cr和電容Cboost正向充電，電感電流ILs增大；電感電流ILs從變壓器的原邊側傳輸到變壓器的副邊側，然後通過二極體D1流向輸出端；當電容Cboost上的電壓達到VCin-VAC時，此階段結束。其中，VCin表示輸入電容 Cin上的電壓，VAC表示LLC准諧振開關電源的交流(AC)輸入電壓。
第5圖示出了第2圖所示的LLC准諧振開關電源在第3圖所示的t1-t2期間的等效電路圖。如第5圖所示，在t1-t2期間，功率開關S1導通，AC輸入電壓VAC對電感Lp及Ls充電同時對諧振電容Cr正向充電，電感電流ILs增大；電感電流ILs從變壓器的原邊側傳輸到變壓器的副邊側，然後通過二極體D1流向輸出端；當功率開關S1關斷時，此階段結束。
第6圖示出了第2圖所示的LLC准諧振開關電源在第3圖所示的t2-t3期間的等效電路圖。如第6圖所示，在t2時刻，功率開關S1關斷，功率開關S2的體二極體導通；控制晶片通過HV點處的電壓VHV的斜率變化檢測到功率開關S2的體二極體導通後，開通功率開關S2從而實現功率開關S2的零電壓導通；在t2-t3期間，電感Lp及Ls對諧振電容Cr正向放電；電感電流ILs從變壓器的原邊側傳輸到變壓器的副邊側，然後通過二極體D1流向輸出端；當電感電流ILs降為零同時諧振電容Cr上的電壓VCr達到正向最大時，此階段結束。
第7圖示出了第2圖所示的LLC准諧振開關電源在第3圖所示的t3-t4期間的等效電路圖。如第7圖所示，在t3-t4期間，電容Cboost和諧振電容Cr對電感Lp及Ls放電；電容Cboost上的電壓VCboost和諧振電容Cr上的電壓Vcr減小，電感電流ILs負向增大；電感電流ILs從變壓器的原邊側傳輸到變壓器的副邊側，然後通過二極體D2流向輸出端；當電容Cboost上的電壓VCboost減小至0V時，此階段結束。
第8圖示出了第2圖所示的LLC准諧振開關電源在第3圖所示的t4-t5期間的等效電路圖。如第8圖所示，在t4-t5期間，諧振電容Cr對電感Lp及Ls放電；諧振電容Cr上的電壓Vcr減小，電感電流ILS負向增大；電感電流ILs從變壓器的原邊側傳輸到變壓器的副邊側，然後通過二極體D2流向輸出端；當功率開關S2關斷時，此階段結束。
第9圖示出了第2圖所示的LLC准諧振開關電源在第3圖所示的t5-t6期間的等效電路圖。如第9圖所示，在t5時刻，功率開關S2關斷，功率開關S1的體二極體導通；控制晶片通過HV點處的電壓 VHV的斜率變化檢測到功率開關S1的體二極體導通後，開通功率開關S1從而實現功率開關S1的零電壓導通；在t5-t6期間，電感Lp及Ls對諧振電容Cr反向放電；電感電流ILs從變壓器的原邊側傳輸到變壓器的副邊側，然後通過二極體D2流向輸出端；當電感電流ILS降為零同時諧振電容Cr上的電壓VCr達到反向最大時，此階段結束。
第10圖示出了第2圖所示的LLC准諧振開關電源中的控制晶片的示意框圖。在第10圖所示的控制晶片中，經由VFB端子對變壓器的輔助繞組上的電壓進行採樣，得到表徵輸出電壓Vout的輸出電壓表徵電壓；經由CS端子對流過功率開關S2的電流進行採樣，得到表徵輸出電流(即，LLC准諧振開關電源的輸出電流)的輸出電流錶征電壓；恒流與恒壓控制模組基於輸出電流錶征電壓和輸出電壓表徵電壓，產生恒流控制電壓CC_comp和恒壓控制電壓CV_comp；當恒流控制電壓CC_comp高於恒壓控制電壓CV_comp時，比較器通過對恒壓控制電壓CV_comp與振盪器產生的參考電壓ramp進行比較來決定功率開關S1或S2的關斷時刻；當恒壓控制電壓CV_comp高於恒流控制電壓CC_comp時，比較器通過對恒流控制電壓CC_comp與振盪器產生的參考電壓ramp進行比較來決定功率開關S1或S2的關斷時刻；當功率開關S1關斷時，經由RV端子檢測HV點處的電壓VHV的下降沿來決定功率開關S2的體二極體的導通時刻，然後在GATEL端子輸出高電平以開通功率開關S2，實現功率開關S2的零電壓導通；當功率開關S2關斷時，經由RV端子檢測HV點處的電壓VHV的上升沿來決定功率開關S1的體二極體的導通時刻，然後在GATEH端子輸出高電平以開通功率開關S1，實現功率開關S1的零電壓導通。
由於經由CS端子對流過功率開關S2的電流進行採樣，而流過功率開關S2的電流是電感電流ILs的一半，所以可以如下計算輸出電流：
其中，Io表示輸出電流，Vref_cc表示用於控制輸出電流的參考電壓，N表示變壓器的原邊側與副邊側的匝數比。
第11圖示出了第10圖所示的恒流與恒壓控制模組的簡 化電路圖。如第11圖所示，VFB端子處的輸出電壓表徵電壓與參考電壓Vref_cv一起送入運算放大器通過電容補償產生恒壓控制電壓CV_comp，CS端子處的輸出電流錶征電壓經過整流取絕對值後與參考電壓Vref_cc一起送入運算放大器通過電容補償產生恒流控制電壓CC_comp。
當第2圖所示的LLC准諧振電源接入交流(AC)輸入電壓時，在第10圖所示的控制晶片中：VDD端子處的電壓增大；當VDD端子處的電壓達到第一閾值時，欠壓保護(Under Voltage Lock Out,UVLO)模組控制其他各模組開始工作；恒流與恒壓控制模組基於VFB端子和CS端子處的輸出電壓表徵電壓和輸出電流錶征電壓，產生恒流控制電壓CC_comp和恒壓控制電壓CV_comp；類比與軟啟動模組基於恒流控制電壓CC_comp和恒壓控制電壓CV_comp，產生最終控制LLC准諧振電源的工作頻率的控制電壓comp(當恒流控制電壓CC_comp高於恒壓控制電壓CV_comp時，利用恒壓控制電壓CV_comp控制LLC准諧振電源的工作頻率；當恒壓控制電壓CV_comp高於恒流控制電壓CC_comp時，利用恒流控制電壓CC_comp控制LLC准諧振電源的工作頻率)；同時，類比與軟啟動模組對控制電壓comp由0V慢慢升高至恒流控制電壓CC_comp或恒壓控制電壓CV_comp的過程進行控制，並且在輸出電流錶征電壓指示輸出電流過小時產生電流故障指示信號；類比與軟啟動模組產生的控制電壓comp被送入脈寬調變(pulse-width modulation，PWM)比較器的反向輸入端；振盪器模組產生的固定速率上升的參考電壓ramp被送入PWM比較器的正向輸入端；當參考電壓ramp上升至控制電壓comp時，PWM比較器產生用於關斷功率開關S1或S2的關斷信號；零電壓開關(zero-voltage switch,ZVS)檢測模組經由RV端子檢測HV點處的電壓VHV的斜率；當HV點處的電壓VHV的斜率減小至第二閾值時，ZVS檢測模組產生用於開通功率開關S1或S2的開通信號；內部過溫保護模組判斷控制晶片內部是否發生過溫，並產生過溫表徵信號(例如，在控制晶片內部發生過溫時產生高電平的過溫表徵電壓)；故障模組基於來自類比控制與軟啟動模組的電流故障指示信號和來自內部過溫模組的過溫表徵信號，產生故障指示信號；邏輯模組基於來自ZVS檢測模組的開通信號、來 自PWM比較器的關斷信號、以及來自故障模組的故障指示信號，產生用於控制功率開關S1和S2的開關信號；第一驅動器和第二驅動器模組基於來自邏輯模組的開關信號產生用於驅動功率開關S1和S2的驅動信號，使得功率開關S1和S2交替導通。
根據本發明實施例的LLC准諧振開關電源既可以同時實現對輸出電流和輸出電壓的控制，又可以實現功率開關的零電壓導通以減小開關損耗、提高電源效率以及實現高功率因數。
本發明可以以其他的具體形式實現，而不脫離其精神和本質特徵。例如，特定實施例中所描述的演算法可以被修改，而系統體系結構並不脫離本發明的基本精神。因此，當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發明的範圍由所附權利要求而非上述描述定義，並且，落入權利要求的含義和等同物的範圍內的全部改變從而都被包括在本發明的範圍之中。

Claims (3)

  1. 一種LLC准諧振開關電源，包括：相互串聯的第一功率開關和第二功率開關；變壓器；以及控制晶片，該控制晶片可操作以：基於所述第一功率開關與所述第二功率開關之間的連接節點處的電壓的變化斜率，開通所述第一功率開關或所述第二功率開關，通過對所述變壓器的輔助繞組上的電壓進行取樣，產生表徵所述LLC准諧振開關電源的輸出電壓的輸出電壓表徵電壓，透過恒壓控制模組基於所述輸出電壓表徵電壓產生恒壓控制電壓；通過對流過所述第二功率開關的電流進行採樣，產生表徵所述LLC准諧振開關電源的輸出電流的輸出電流表徵電壓，透過恒流控制模組基於所述輸出電流表徵電壓產生恒流控制電壓；並且基於所述恒壓控制電壓和所述恒流控制電壓中的一者，關斷所述第一功率開關或所述第二功率開關；其中，當所述恒壓控制電壓高於所述恒流控制電壓時，所述控制晶片基於所述恒流控制電壓決定所述第一功率開關或所述第二功率開關的關斷時刻；當所述恒流控制電壓高於所述恒壓控制電壓時，所述控制晶片基於所述恒壓控制電壓決定所述第一功率開關或所述第二功率開關的關斷時刻。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的LLC准諧振開關電源，其中，當所述第一功率開關關斷時，所述控制晶片基於所述第一功率開關與所述第二功率開關之間的連接節點處的電壓的下降沿決定所述第二功率開關的導通時刻。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的LLC准諧振開關電源，其中，當所述第二功率開關關斷時，所述控制晶片基於所述第一功率開關與所述第二功率開關之間的連接節點處的電壓的上升沿決定所述第一功率開關的導通時刻。
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