專(zhuān)利名稱(chēng)：用于諧振變換器的充電模式控制設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于諧振變換器的充電模式控制設(shè)備。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中已知強(qiáng)制開(kāi)關(guān)變換器(開(kāi)關(guān)變換器)，具有用于對(duì)其進(jìn)行控制的設(shè)備。諧振變換器是強(qiáng)迫開(kāi)關(guān)變換器其中的一大類(lèi)，其特征在于存在諧振電路，該諧振電路在確定輸入-輸出功率流方面起著積極的作用。在這些變換器中，由直流電壓供電的包括 4(2)個(gè)功率開(kāi)關(guān)(典型地為功率M0SFET)的橋(半橋)產(chǎn)生電壓方波，該電壓方波施加到被調(diào)諧至接近所述方波基頻的頻率的諧振電路。由此，由于其選擇的特性，諧振電路主要響應(yīng)于基頻分量而忽略方波的更高次諧波。結(jié)果是，傳遞的功率可通過(guò)改變其占空比保持恒定在50%的方波的頻率來(lái)調(diào)制。而且，根據(jù)諧振電路的配置，相關(guān)于功率流的電流和/或電壓具有正弦或分段正弦的形狀。這些電壓被整流以及濾波，從而向負(fù)載提供dc功率。在離線應(yīng)用中，為了遵照安全性規(guī)定，通過(guò)變壓器將供電至負(fù)載的整流和濾波系統(tǒng)耦合至諧振電路，該變壓器提供電源與負(fù)載之間的隔離，這是上述提及的規(guī)定所要求的。如在所有隔離網(wǎng)絡(luò)變換器中那樣，在這種情況中，也對(duì)連接至輸入電源的初級(jí)側(cè)(涉及變壓器的初級(jí)繞組)以及通過(guò)整流和濾波系統(tǒng)向負(fù)載提供功率的次級(jí)側(cè)(涉及變壓器的次級(jí)繞組)之間進(jìn)行區(qū)分。目前，在很多類(lèi)型的諧振變換器中，所謂的LLC諧振變換器被廣泛應(yīng)用，特別是以其半橋形式被應(yīng)用。其稱(chēng)謂LLC源自采用兩個(gè)電感(L)和一個(gè)電容(C)的諧振電路；圖1 示出了 LLC諧振變換器的原理示意圖。諧振變換器1包括由驅(qū)動(dòng)電路3驅(qū)動(dòng)的位于輸入電壓Vin和地GND之間的晶體管Ql和Q2的半橋。在晶體管Ql和Q2之間的公共端子HB連接至電路塊2，該電路塊2包括串聯(lián)的電容Cr、電感Ls以及與具有中間抽頭次級(jí)的變壓器 10并聯(lián)連接的另一電感Lp。變壓器10的中間抽頭次級(jí)的兩個(gè)繞組連接至兩個(gè)二極管Dl 和D2的正極，兩個(gè)二極管Dl和D2的負(fù)極都連接至并聯(lián)的電容Cout和電阻Rout ；跨越并聯(lián)的Cout和Rout兩端的電壓是諧振變換器的輸出電壓Vout，同時(shí)dc輸出電流Iout流經(jīng) Rout。諧振變換器相較于傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)變換器(非諧振變換器，典型的為PWM-脈寬調(diào)制-控制)而言具有顯著的優(yōu)勢(shì)波形無(wú)陡峭邊緣，由于其“軟”開(kāi)關(guān)，功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗低，轉(zhuǎn)換效率高(可容易地達(dá)到95%以上)，能夠運(yùn)行在高頻，產(chǎn)生的EMI (電磁干擾)低， 以及最后，功率密度高(即，能夠建立具有在相對(duì)小的空間處理很大的功率水平的能力的變換系統(tǒng))。在大多數(shù)dc-dc變換器中，閉環(huán)、負(fù)反饋控制系統(tǒng)使得變換器的輸出電壓在改變運(yùn)行條件的情況下保持恒定，運(yùn)行條件即其輸入電壓Vin和/或輸出電流lout。這是通過(guò)將輸出電壓的一部分與參考電壓Vref進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由輸出電壓感測(cè)系統(tǒng)(通常為電阻分壓器)提供的值與參考值之間的差或誤差信號(hào)Er通過(guò)誤差放大器放大。其輸出Vc 調(diào)制變換器中的量X，其中在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期期間該變換器承載的能量基本上依賴于該量X。如上所述，在諧振變換器中這樣的一個(gè)重要的量是激勵(lì)諧振電路的方波的開(kāi)關(guān)頻率。在所有的dc-dc變換器的控制系統(tǒng)中，誤差放大器的頻率響應(yīng)應(yīng)當(dāng)被恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)以確保-穩(wěn)定的控制環(huán)路(即，在變換器的運(yùn)行條件擾動(dòng)的情況下，一旦由該擾動(dòng)導(dǎo)致的瞬態(tài)結(jié)束，輸出電壓傾向于恢復(fù)到接近于擾動(dòng)之前的穩(wěn)定狀態(tài)值)；-高的穩(wěn)壓性(即，輸出電壓在擾動(dòng)之后恢復(fù)到的新的恒定值極為接近擾動(dòng)之前的值)；-好的動(dòng)態(tài)性能(即，在擾動(dòng)隨后的瞬態(tài)期間，輸出電壓不會(huì)很大地偏離期望值并且瞬態(tài)本身很短)。上述提及的控制目標(biāo)可被表述為控制環(huán)路的傳遞函數(shù)的一些特征量，例如，帶寬、 相位裕度、dc增益。在dc-dc變換器中，這些目標(biāo)可通過(guò)作用于誤差放大器的頻率響應(yīng)、修改其增益以及適當(dāng)?shù)匕才牌鋫鬟f函數(shù)的極點(diǎn)和零點(diǎn)(頻率補(bǔ)償)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這通常通過(guò)采用包括電阻和連接至電阻的具有合適值的電容器的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，為了確定獲得控制環(huán)路的傳遞函數(shù)的期望特征所需的頻率補(bǔ)償，必須要知曉調(diào)節(jié)器增益，即將控制電壓Vc轉(zhuǎn)換到控制量χ的系統(tǒng)增益，以及變換器本身相對(duì)于量χ 的變動(dòng)的頻率響應(yīng)。調(diào)節(jié)器增益通常不依賴于頻率，并且在控制集成電路中固定。雖然dc-dc變換器由于開(kāi)關(guān)動(dòng)作為強(qiáng)非線性系統(tǒng)，但在合適的近似以及某種假定下，其頻率響應(yīng)可由與用于線性網(wǎng)絡(luò)的方式相同的方式來(lái)描述以及表示，由此，可由以增益、零點(diǎn)和極點(diǎn)為特征的傳遞函數(shù)來(lái)描述以及表示。該傳遞函數(shù)基本上取決于變換器的拓?fù)?，即，處理功率的元件的共同配置，取決于其運(yùn)行模式，即，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期，在磁性部件中存在連續(xù)電流流動(dòng)(連續(xù)電流模式，CCM)還是不存在連續(xù)電流流動(dòng)(不連續(xù)電流模式， DCM)，以及取決于由控制環(huán)路控制的量χ。雖然在PWM變換器中，通常采用不同的控制方法-但傳統(tǒng)地，在諧振變換器中，被用于控制變換器的量直接為施加至諧振電路的方波的開(kāi)關(guān)頻率。在所有的用于市場(chǎng)上可獲得的dc-dc諧振變換器的集成控制電路中，其控制直接作用于半橋的諧振頻率(直接頻率控制，DFC)上。圖2示出了用于該類(lèi)型的諧振變換器的控制系統(tǒng)。次級(jí)側(cè)的誤差放大器4，在其反相輸入端具有輸出電壓Vout的一部分，在非反相輸入端具有參考電壓Vref，其輸出通過(guò)光耦合器5傳輸至初級(jí)側(cè)以確保由安全規(guī)定要求的初級(jí)-次級(jí)隔離，并且該輸出作用于控制集成電路30中的電壓控制振蕩器(VC0)6或者電流控制振蕩器(ICO)。這種類(lèi)型的控制帶來(lái)兩類(lèi)問(wèn)題。第一類(lèi)涉及以下事實(shí)不同于PWM變換器，由增益、極點(diǎn)和零點(diǎn)表述的用于諧振變換器的動(dòng)態(tài)小信號(hào)模型并不已知(僅具有不可靠的實(shí)際應(yīng)用的一些近似形式)。換句話說(shuō)，不知曉功率級(jí)的傳遞函數(shù)。第二類(lèi)問(wèn)題涉及以下事實(shí) 根據(jù)基于仿真的研究結(jié)果，所述功率級(jí)的傳遞函數(shù)顯示出強(qiáng)可變dc增益，極點(diǎn)的數(shù)量依賴于運(yùn)行點(diǎn)而從一個(gè)至三個(gè)變化并且具有非常易變的位置。最后，由于輸出電容，存在一個(gè)零點(diǎn)O大增益變化以及高可變性極點(diǎn)配置導(dǎo)致反饋控制環(huán)路的頻率補(bǔ)償極為困難。這導(dǎo)致，實(shí)際上不可能獲得在所有運(yùn)行條件下的最優(yōu)瞬態(tài)響應(yīng)，并且需要在穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能之間的極大的權(quán)衡。另外，能量傳遞極為依賴于輸入電壓(音頻-敏感性)，這使得控制環(huán)路不得不顯著改變運(yùn)行頻率以補(bǔ)償所述變動(dòng)。由于變換器的輸入電壓中總是具有頻率兩倍于主電壓的頻率的交流分量，在該頻率處的環(huán)路增益需要足夠高以有效地抵制所述交流分量并且顯著地減弱在輸出電壓中可見(jiàn)的剩余紋波。所有的這些因素導(dǎo)致了問(wèn)題不能被全部解決的危險(xiǎn)，尤其是當(dāng)由變換器供電的負(fù)載具有高的動(dòng)態(tài)變化以及/或?qū)τ趧?dòng)態(tài)精確性或者響應(yīng)速度或者輸入紋波抵制存在嚴(yán)格的要求時(shí)。最后，涉及DFC控制方法的另一個(gè)難題是開(kāi)關(guān)頻率對(duì)于諧振電路中的元件(Cr， Ls以及Lp)的值的敏感性。這些值由于其制造公差而具有統(tǒng)計(jì)學(xué)分布，并且這對(duì)保護(hù)電路的有效性產(chǎn)生不利影響。事實(shí)上，通常來(lái)說(shuō)，為了避免變換器運(yùn)行異常，應(yīng)當(dāng)限制控制量X。 在諧振變換器的情況下，實(shí)施DFC的諧振控制器允許對(duì)半橋的操作頻率進(jìn)行上限和下限限制。設(shè)置這些限制應(yīng)當(dāng)考慮，由于上述提及的值的分布，變換器的操作頻率范圍將相應(yīng)地改變。由此，對(duì)頻率設(shè)定的最小限制應(yīng)當(dāng)小于作為所述范圍的低端的最小值，并且最大限制應(yīng)當(dāng)大于作為所述范圍的高端的最大值。這極大地減小了作為防止異常操作情況的手段的頻率限制的有效性。所述難題的解決包括，采用基于充電模式控制(CMC)的變換器控制，所述方法 ^t W. Tang, F. C. Lee, R. B. Ridley VX R I. Cohen 的 ^； "Charge Control =Analysis, Modeling and Design”中第一次論述，其發(fā)表在電力電子專(zhuān)家會(huì)議(Power Electronics SpecialistConference)，1992. PESC，92 記錄，IEEE 年報(bào)第 23 期，1992 年 6 月 29 日-7 月3日，頁(yè)碼503-511，第1卷上。而將之應(yīng)用至諧振變換器的想法則可以追溯到 W. Tang, C. S. Leu 以及 F. C. Lee 的論文"Charge control for zero-voltage-switching multi-resonant converter，，中，其發(fā)表在電力電子專(zhuān)家會(huì)議(Power Electronics SpecialistConference)，1993. PESC'93 記錄，IEEE 年報(bào)第 24 期，1993 年 6 月 20 日-24 日， 頁(yè)碼:229-233。在第一篇論文中，小信號(hào)分析顯示由CMC控制的變換器的動(dòng)態(tài)特性與峰值電流模式控制的系統(tǒng)類(lèi)似，即，在半開(kāi)關(guān)頻率時(shí)具有一個(gè)單一的低頻極點(diǎn)和一對(duì)復(fù)共軛極點(diǎn)。在峰值電流模式下，所述一對(duì)極點(diǎn)的阻尼系數(shù)僅依賴于占空比(當(dāng)占空比高于50%時(shí)，其與已知的亞諧波不穩(wěn)定性相關(guān)聯(lián))，而與峰值電流模式不同的是，在CMC控制下，這樣的阻尼系數(shù)還依賴于變換器的儲(chǔ)能電感以及負(fù)載。對(duì)亞諧波不穩(wěn)定性問(wèn)題的分析更困難。作為一種趨勢(shì)，該不穩(wěn)定性傾向于在輸入電流為低值時(shí)產(chǎn)生，由此傾向于在變換器的負(fù)載為低值時(shí)產(chǎn)生。然而，在兩個(gè)方法中，通過(guò)在電流斜坡中(或者在CMC的情況下在積分中)增加補(bǔ)償斜坡，可解決該問(wèn)題。此外，該積分過(guò)程使得CMC方法相較于峰值電流模式而言更具有噪音不敏感性。在第二篇論文中(由Tang等發(fā)表)，公開(kāi)了 CMC類(lèi)型的控制設(shè)備。其適于諧振正激(forward)拓?fù)洳⑶矣煞至⒌男问綄?shí)現(xiàn)流經(jīng)初級(jí)功率電路的電流通過(guò)采用電流變壓器直接積分，該電流變壓器具有兩個(gè)輸出繞組和兩個(gè)分立的用于對(duì)兩個(gè)串聯(lián)連接的積分電容進(jìn)行充電的整流系統(tǒng)。該系統(tǒng)并不完全適合被集成；另外，由于成本原因，具有變壓器的電流感測(cè)系統(tǒng)用于大功率變換系統(tǒng)而不用于低功率系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的是提供一種與已知不同的用于諧振變換器的充電模式控制設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明，所述目的通過(guò)用于諧振變換器的控制設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述變換器包括適于驅(qū)動(dòng)諧振負(fù)載的開(kāi)關(guān)電路，所述諧振負(fù)載包括具有至少一個(gè)初級(jí)繞組和至少一個(gè)次級(jí)繞組的至少一個(gè)變壓器，所述變換器適于將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)，所述開(kāi)關(guān)電路包括第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)構(gòu)成的至少一個(gè)半橋，所述半橋的中點(diǎn)連接到所述諧振負(fù)載，其特征在于其包括適于將表示在初級(jí)繞組中流動(dòng)的電流半波的至少一個(gè)信號(hào)進(jìn)行積分的第一裝置，所述第一裝置適于根據(jù)積分后的信號(hào)產(chǎn)生所述開(kāi)關(guān)電路的至少一個(gè)控制信號(hào)，所述控制設(shè)備包括第二裝置，該第二裝置適于將所述第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間段設(shè)定為彼此相等。根據(jù)本發(fā)明，可提供一種用于諧振變換器的控制設(shè)備，通過(guò)可以將其等效為單極系統(tǒng)(至少在與頻率補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)相關(guān)的頻率范圍內(nèi))，其使得變換器的動(dòng)態(tài)等級(jí)減小，以便改進(jìn)其對(duì)負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)。此外，通過(guò)對(duì)輸入電壓變化減小的敏感度和/或更自由設(shè)定環(huán)路增益的可能性， 所述控制設(shè)備減小了變換器的音頻敏感度，從而改進(jìn)了對(duì)輸入電壓變化的瞬態(tài)響應(yīng)，并且進(jìn)一步抑制了輸入電壓紋波。所述控制設(shè)備還允許對(duì)變換器的運(yùn)行限制進(jìn)行設(shè)定，而不用考慮諧振電路參數(shù)的散布，以便改進(jìn)控制力度。


本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將從下面其特定實(shí)施例的具體描述中更加清楚，其以附圖中的非限定性實(shí)施例的方式示出，其中圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的LLC諧振變換器的電路示意圖；圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有輸出電壓控制的諧振變換器的電路原理圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的具有充電模式控制設(shè)備的諧振變換器的示意框圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的用于諧振變換器的控制設(shè)備的電路示意圖；圖5示出了圖4的設(shè)備中的某些信號(hào)時(shí)序圖；圖6示出了圖4中積分器的某些實(shí)現(xiàn)方式；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的用于諧振變換器的控制設(shè)備的電路示意圖；圖8示出了圖7設(shè)備中的某些信號(hào)的時(shí)序圖；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的用于諧振變換器的控制設(shè)備的電路示意圖；圖10示出了包含在圖9設(shè)備中的某些信號(hào)的時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的具有充電模式控制(CMC)設(shè)備100的諧振變換器的電路示意圖。該變換器包括諧振負(fù)載，該諧振負(fù)載優(yōu)選地包括變壓器20，該變壓器具有初級(jí)繞組 Ll和具有兩個(gè)繞組L2的次級(jí)；初級(jí)繞組Ll連接到半橋的中點(diǎn)HB，通過(guò)電容器Cr共同連接在晶體管Ql和Q2之間，并直接連接到檢測(cè)電阻Rs，該檢測(cè)電阻Rs連接到地GND。次級(jí)的兩個(gè)繞組L2連接在地GND和兩個(gè)分別的二極管Dl和D2之間，二極管Dl和D2具有共同的陰極并且連接到并聯(lián)的電阻Rout和電容器Cout，該并聯(lián)的電阻和電容器接地GND。晶體管 Ql和Q2優(yōu)選的是MOS晶體管，尤其是NMOS晶體管；晶體管Q2的漏極端與晶體管Ql的源極端為共同的并且為半橋的中點(diǎn)HB。電阻器Rs連接到晶體管Q2的源極端和初級(jí)繞組Ll 的端子的共同端和地GND。諧振電流Ir流經(jīng)初級(jí)繞組Li。圖3示出了由電阻器Rs所表示的開(kāi)關(guān)電路Q(chēng)1-Q2中的電流感測(cè)元件，其中電阻器 Rs設(shè)置成與半橋串聯(lián)，尤其是連接在晶體管Q2的源極端和地GND之間，由此在其端子處將存在與通過(guò)其的電流成比例的電壓。這僅僅是非限制性的示例如上所述，也可以現(xiàn)有技術(shù)中能夠提供精確代表瞬時(shí)諧振電流Ir的電壓信號(hào)的其他方式(通過(guò)電容性或者電阻性分壓器，具有電流變壓器，霍爾傳感器，等等)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于電流感測(cè)元件的上述連接，電壓信號(hào)Vs僅代表諧振電流Ir的主要為正的半波。諧振電流僅在晶體管Ql導(dǎo)通(并且晶體管Q2關(guān)斷)的時(shí)候通過(guò)電阻器Rs，由此在其端子上產(chǎn)生主要為正的電壓。當(dāng)晶體管Q2導(dǎo)通(并且Ql關(guān)斷)時(shí)，諧振電流在沒(méi)有電阻器Rs的電路中再流動(dòng)，由此使得Rs端子上的電壓為零。如果檢測(cè)元件實(shí)際上為電阻，那么所述連接的優(yōu)點(diǎn)是減小了所述元件中消耗的功率。明顯的是，假定諧振電流對(duì)稱(chēng)，那么諧振電流Ir的另半波也可用于控制。控制設(shè)備100包括適于對(duì)表示諧振電流Ir的半波的至少一個(gè)信號(hào)Vs進(jìn)行積分的第一裝置110，該半波優(yōu)選為其主要為正的半周期的半波。第一裝置110適于產(chǎn)生作為積分信號(hào)Vint的函數(shù)的所述開(kāi)關(guān)電路的控制信號(hào)HS⑶、LS⑶，優(yōu)選地是用于半橋Q1-Q2的兩個(gè)晶體管Ql和Q2的兩個(gè)不同的控制信號(hào)。設(shè)備100包括適于將所述第一晶體管Ql和第二晶體管Q2的導(dǎo)通時(shí)間段Tonl和Ton2設(shè)置為彼此相等的第二裝置120。設(shè)備100在其輸入處具有電阻器Rs端子處的電壓Vs，以及由表示變換器的輸出電壓Vout的反饋環(huán)路的框 5提供的電壓信號(hào)Vc或電流信號(hào)Ic ；電流Ic或電壓Vc是控制信號(hào)，并且表示控制輸出電壓Vout的反饋環(huán)路，優(yōu)選的是信號(hào)Ic或信號(hào)Vc是變換器的輸出電流Iout和/或輸入電壓Vin的函數(shù)。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的諧振變換器的控制設(shè)備的電路示意圖。電壓 Vs(諧振電流的主要為正的半波的電壓鏡像)被引至可復(fù)位積分器111的輸入。該積分器的輸出電壓Vint通過(guò)比較器COl與變換器的輸出電壓Vout的控制環(huán)路產(chǎn)生的控制電壓Vc 進(jìn)行比較。具體而言，電壓Vint在比較器正輸入端，而電壓Vc在負(fù)輸入端。比較器COl輸出處的電壓被發(fā)送到置位-復(fù)位觸發(fā)器FF的復(fù)位輸入R。觸發(fā)器
FF的輸出Q連接到AND門(mén)ANDl的輸入，而輸出。連接到AND門(mén)AND2的輸入，并用作積分器 111的復(fù)位輸入Res ；AND門(mén)ANDl和AND2的輸出處的信號(hào)HS⑶和LS⑶是圖3中諧振變換器的半橋的晶體管Ql和Q2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并可以具有邏輯高值或邏輯低值。假定觸發(fā)器FF的輸出Q最初為高。信號(hào)HS⑶為高，因此，晶體管Ql導(dǎo)通；信號(hào) LS⑶為低，因此晶體管Q2關(guān)斷。積分器111預(yù)先復(fù)位，因此電壓Vint從零開(kāi)始。諧振電流Ir最初為負(fù)(軟開(kāi)關(guān)的必要條件)，由此Vs也是負(fù)的，而積分器的輸出Vint最初為負(fù)值。諧振電流Ir和Vs然后變?yōu)檎?，因此Vint達(dá)到了其最小值并開(kāi)始增長(zhǎng)為正的。當(dāng) Vint彡Vc,比較器COl的輸出變?yōu)楦卟?fù)位觸發(fā)器FF ；因此，輸出Q與HS⑶一起變低，而輸出々變?yōu)楦?，從而?fù)位積分器并且使得Vint為零。低信號(hào)HS⑶立即將晶體管Ql切換為關(guān)斷，但是由于信號(hào)。為高而應(yīng)導(dǎo)通的晶體
管Q2因?yàn)樗罆r(shí)間發(fā)生器塊112的動(dòng)作而保持關(guān)斷持續(xù)時(shí)間Td，其中死時(shí)間發(fā)生器塊112包括單穩(wěn)態(tài)電路MF以及兩個(gè)門(mén)ANDl和AND2。這個(gè)塊將信號(hào)LS⑶保持為低持續(xù)時(shí)間Td。這個(gè)延遲是必須的，通過(guò)關(guān)斷Q1，使得節(jié)點(diǎn)HB(半橋中點(diǎn))的電壓變?yōu)榱?。這樣，當(dāng)晶體管Q2 導(dǎo)通時(shí)，其漏源電壓基本為零(具體地說(shuō)略微為負(fù)，由晶體管Q2的體二極管箝位)。在關(guān)斷晶體管Q2和導(dǎo)通晶體管Ql之間的正向瞬變過(guò)程中這顯然也同樣出現(xiàn)。這是消除導(dǎo)通時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗的軟開(kāi)關(guān)機(jī)制。時(shí)間Td由單穩(wěn)態(tài)輸出的低電平持續(xù)時(shí)間所固定，其通過(guò)AND門(mén)在這個(gè)時(shí)間將信號(hào)HSGD和LSGD兩者設(shè)定為低。時(shí)間Td可以內(nèi)部固定或者由合適的控制系統(tǒng)適配于中點(diǎn)電壓的瞬變速度。因此，在過(guò)去了時(shí)間Td之后，晶體管Q2將導(dǎo)通，諧振電流的演進(jìn)將與晶體管Ql導(dǎo)通的前半周期完全相同，但是具有相反的符號(hào)。然而，這種電流部分不是能看見(jiàn)的，需要其他的機(jī)制來(lái)確定何時(shí)應(yīng)再次關(guān)斷晶體管Q2并導(dǎo)通晶體管Ql (在死時(shí)間Td之后)。在本發(fā)明的諧振變換器目標(biāo)中，在穩(wěn)態(tài)情形下，兩個(gè)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間段是相等的，以便得到對(duì)稱(chēng)的電流和電壓。根據(jù)本發(fā)明，提供裝置120，裝置120適于測(cè)量晶體管Ql 的導(dǎo)通時(shí)間段持續(xù)時(shí)間同時(shí)將晶體管Q2的導(dǎo)通時(shí)間段持續(xù)時(shí)間設(shè)定為與晶體管Ql的導(dǎo)通時(shí)間段持續(xù)時(shí)間相等。裝置120優(yōu)選地包括串聯(lián)連接在電源電壓Vdd和地GND之間的兩個(gè)恒定電流發(fā)生器+IM和-IM，連接在兩個(gè)電流發(fā)生器的共同點(diǎn)和地GND之間的電容器Ct，以及比較器C02， 該比較器C02具有連接到電容器Ct的端子處的電壓Vt的反向輸入端以及連接到參考電壓 Vl的非反向輸入端。當(dāng)晶體管Ql導(dǎo)通時(shí)，由信號(hào)HS⑶驅(qū)動(dòng)的發(fā)生器+IM也導(dǎo)通，并以恒定電流給電容器Ct充電。Ct上的電壓為從值Vl開(kāi)始的線性斜坡。當(dāng)晶體管Ql關(guān)斷時(shí)這個(gè)斜坡達(dá)到峰值，這是因?yàn)椋?dāng)HS⑶變?yōu)榈蜁r(shí)，發(fā)生器+IM關(guān)斷。兩個(gè)發(fā)生器均不工作，這樣這個(gè)值在時(shí)間段Td維持。一旦信號(hào)LS⑶在延遲Td之后變?yōu)楦撸敲淳w管Q2導(dǎo)通，連接到信號(hào)LSGD的發(fā)生器-IM也導(dǎo)通，并以與對(duì)電容器Ct進(jìn)行充電相同的電流對(duì)其進(jìn)行放電。因此，電容器Ct兩端的電壓以與斜坡上升相同的斜率斜坡下降。它一經(jīng)達(dá)到觸發(fā)比較器C02的值VI，就經(jīng)過(guò)了與晶體管Ql導(dǎo)通時(shí)間相等的時(shí)間。觸發(fā)比較器C02停止Ct (其電壓在死時(shí)間Td保持為值VI)的放電，并且使觸發(fā)器FF置位。這將使得晶體管Q2立即關(guān)斷，并且晶體管Ql在死時(shí)間Td之后導(dǎo)通。新的開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始。圖5示出了與圖4的控制設(shè)備相關(guān)的信號(hào)Vs，Res, Vint, Vt, HS⑶和LS⑶的時(shí)序圖。在剛剛描述的電路中，與晶體管Ql的導(dǎo)通時(shí)間段的持續(xù)時(shí)間有關(guān)的信息存儲(chǔ)在電壓Vt的峰值中。明顯的是電壓峰值Vt將是固定的，而其谷值用于存儲(chǔ)晶體管Ql的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間。圖4示出的積分器可以以不同的方式實(shí)現(xiàn)。在圖6中示出一些示例。電路a)包括由電壓Vs驅(qū)動(dòng)的根據(jù)因子α以與Vs成比例的電流對(duì)電容器Ci充電的電流發(fā)生器Is。 發(fā)生器Isc是運(yùn)行補(bǔ)償以避免次諧波不穩(wěn)定性的發(fā)生器。Isc值可以是固定的，或者可取決于控制的一個(gè)參數(shù)，或者更多地取決于整個(gè)變換器的一個(gè)參數(shù)(例如，輸入電壓)?？紤]到電容器的本構(gòu)方程，當(dāng)Ql導(dǎo)通期間，其兩端的電壓Vint將與Vs的積分成比例
Vi{t) = — \[aVs(t) + Iscjit
Qu與電容器Ci并聯(lián)連接并由信號(hào)Res控制的開(kāi)關(guān)SW導(dǎo)通，以使得電容器Ci本身放電并使其電壓Vint為零(復(fù)位功能)。電路a)中示出的受控電流發(fā)生器可以如電路b)所示的運(yùn)算跨導(dǎo)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 其跨導(dǎo)gm對(duì)應(yīng)于電路a)的受控發(fā)生器的增益α。在兩種情況下，電容器Ci將優(yōu)選的是集成設(shè)備Ul外部的元件，其中該集成設(shè)備Ul包括根據(jù)本發(fā)明的控制設(shè)備，并因此電容器Ci 連接到專(zhuān)用管腳從而為用戶提供積分塊的時(shí)間常數(shù)的校準(zhǔn)裝置。在電路C)中，存在運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器具有通過(guò)電阻R連接到電壓Vs的反向輸入以及連接到固定電壓Vr的非反向輸入，該固定電壓可以方便地假定為零。電容器Ci 設(shè)置在其反向輸入和輸出之間，以便形成具有時(shí)間常數(shù)R · Ci的積分器電路。放電開(kāi)關(guān)SW 與在電路a)和b)中的操作完全相同?？缭紺i兩端的電壓Vint給出為
I ι _Vi{t) = —\
Cl HR因此其決定了與其他電路類(lèi)似的操作。圖6中電路的晶體管級(jí)的實(shí)現(xiàn)方式可能是復(fù)雜的，這是由于Ql的初始導(dǎo)通階段， 積分器的輸出Vint選取了負(fù)值的事實(shí)。所采用的電路拓?fù)鋺?yīng)該考慮到這一點(diǎn)。應(yīng)該注意到，在信號(hào)Res為高的所有時(shí)段期間，開(kāi)關(guān)SW仍然導(dǎo)通，使得電流發(fā)生器短路。即使其未在圖6的電路中專(zhuān)門(mén)示出，但是在開(kāi)關(guān)SW閉合的時(shí)段期間禁止所述發(fā)生器的裝置可可選地設(shè)置，以便減小能耗。在電路a)和b)中，連接到電壓Vs的管腳的輸入阻抗還可以非常高(如果輸入級(jí)由MOSFET形成，其實(shí)質(zhì)上為無(wú)窮大)。相反，在電路c)中，Ci的充電電流從所述管腳輸出并且在電阻器Rs上流動(dòng)。正常的是，由于充電電流典型地為十到百微安，其遠(yuǎn)小于諧振電流，因此這不是問(wèn)題?？傊坏┻@成為一個(gè)問(wèn)題，則當(dāng)在特定設(shè)備中選擇所采用的方案時(shí)這點(diǎn)是需要辨別的要素。當(dāng)Is << Isc時(shí)，即當(dāng)諧振電流并因此電壓Vs較低時(shí)(這發(fā)生在變換器負(fù)載為低的時(shí)候，或者變換器由于使得電流逐漸增加以限制功率元件上的壓力的所謂的“軟啟動(dòng)” 電路而啟動(dòng)的時(shí)候)，Ci的充電由于Isc而基本完成。因此，該控制趨于喪失了 CMC特性， 而采用了導(dǎo)通時(shí)間段持續(xù)時(shí)間的那些直接控制的特性，如由直接頻率控制DFC完成的，其中動(dòng)態(tài)性能隨之降低，并且對(duì)諧振電路參數(shù)變化的控制魯棒性也隨之降低。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的控制設(shè)備。所述設(shè)備與第一實(shí)施例所示的設(shè)備不同之處在于出現(xiàn)了作用于可復(fù)位積分器111的信號(hào)Res的比較器C03和OR門(mén)113。 對(duì)此，圖6的一個(gè)示意性結(jié)構(gòu)仍然可以考慮。比較器C03將電壓Vs與GND進(jìn)行比較；其輸出ZC與信號(hào)◎一起去往OR門(mén)113。113的輸出Res在積分器111的輸入處。信號(hào)ZC在晶體管Ql的初始導(dǎo)通階段上保持為高，而諧振電流(因此，還有電壓Vs)為負(fù)。因此，即使信號(hào)。為低，只要信號(hào)ZC變低，S卩，當(dāng)電壓Vs (或者諧振電流)變?yōu)檎龝r(shí)，OR門(mén)的輸出處的信號(hào)Res仍然保持為高。結(jié)果是，當(dāng)Vs為正，而不是晶體管Ql導(dǎo)通時(shí)，信號(hào)Vs和斜坡Vint 的積分開(kāi)始，如圖4中的電路中出現(xiàn)的那樣。
圖8示出了與圖7中的控制設(shè)備相關(guān)的信號(hào)Vs，Res, Vint, Vt, HS⑶和LS⑶的時(shí)序圖。由于電壓Vint現(xiàn)在僅采用了正值，因此關(guān)于圖7中的控制設(shè)備可以簡(jiǎn)化積分器的晶體管級(jí)結(jié)構(gòu)。圖9示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的控制設(shè)備。所述設(shè)備與第二實(shí)施例中示出的設(shè)備的不同之處在于出現(xiàn)了不同的積分電路，該積分電路在輸入除了具有電壓Vs以外，還具有表示控制諧振變換器的輸出電壓Vout的反饋環(huán)路的電流Ic。事實(shí)上，由圖2和圖3的變換器中的塊5所提供的信號(hào)通常是電流。當(dāng)變換器從輸入源汲取最大電流(即具有最大負(fù)載和最小輸入電壓)時(shí)，該電流為其范圍內(nèi)的最小值，而當(dāng)輸入電流最小(即，具有最小負(fù)載和最大輸入電壓)時(shí)其達(dá)到最大值。在該實(shí)施例中，直接使用電流Ic，在其他可能的等效實(shí)施例中，可在之前將其轉(zhuǎn)換為電壓。在圖9中，可復(fù)位的積分器114在輸入除了具有復(fù)位信號(hào)Res之外，還具有電壓Vs 和電流Ic。積分器114包括積分電容器Ci，其由與電壓Vs成比例的電流Ifl和與根據(jù)常數(shù)β與控制電流Ic成比例的電流If2之和充電，其中電流Ifl為圖6中的電路a)那樣的根據(jù)常數(shù)α的諧振電流的鏡像。因此積分器114包括由電壓Vs控制的電流發(fā)生器Ifl和由電流Ic控制的電流發(fā)生器If2。然后通過(guò)比較器COl將電容器Ci上產(chǎn)生的電壓斜坡與電壓V2進(jìn)行比較，用于確定半橋的開(kāi)關(guān)。積分器114包括開(kāi)關(guān)SW，該開(kāi)關(guān)設(shè)置成與電容器 Ci并聯(lián)，并由信號(hào)Res控制。圖9中的控制設(shè)備的操作與圖7中的設(shè)備相同。電壓V2不受控制環(huán)路影響，這并不暗示它必須是固定電壓。其可能是某些其他電量，例如變換器輸入電壓的函數(shù)?？?14中實(shí)現(xiàn)的積分器/反饋組合與變換器的操作一致當(dāng)變換器的輸入電流最大(根據(jù)上面的描述，Ic在這些情形下最小)時(shí)，Ci上對(duì)電壓斜坡的大多數(shù)貢獻(xiàn)應(yīng)由Ifl 提供；因此將存在高信號(hào)Vs，而高電流通過(guò)諧振電路。相反，當(dāng)變換器的電流最小(根據(jù)上面的描述，電流Ic在這些情形下最大)時(shí)，電容器Ci上的電壓斜坡Vint的大多數(shù)貢獻(xiàn)應(yīng)由電流If2提供，因此存在小幅值信號(hào)Vs，而小電流通過(guò)諧振電路。此外，電流Ic還將進(jìn)行與為了防止次諧波不穩(wěn)定性的問(wèn)題所需的一致性的改變。 當(dāng)具有重負(fù)載時(shí)，不存在不穩(wěn)定的問(wèn)題，電流Isc相對(duì)Ifl將為小的，這樣電壓Vint主要取決于后者，操作盡可能接近純CMC設(shè)備；然而，當(dāng)具有輕負(fù)載時(shí)，發(fā)生問(wèn)題，電流Isc應(yīng)與 Ifl相當(dāng)或者更占優(yōu)勢(shì)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，控制電流還將起到補(bǔ)償電流的作用?？蓪?shí)現(xiàn)包括根據(jù)本發(fā)明的開(kāi)關(guān)變換器的控制設(shè)備的集成電路Ul ；該控制設(shè)備可以是圖3，圖4，圖7和圖9中示出的任何一個(gè)。該電路集成在半導(dǎo)體芯片中。
權(quán)利要求
1.一種用于諧振變換器的控制設(shè)備，所述諧振變換器包括適于驅(qū)動(dòng)諧振負(fù)載(Cr，20) 的開(kāi)關(guān)電路tol_Q2)，所述諧振負(fù)載包括至少一個(gè)變壓器(20)，所述至少一個(gè)變壓器具有至少一個(gè)初級(jí)繞組(Li)和至少一個(gè)次級(jí)繞組(L2)，所述諧振變換器適于將輸入信號(hào)(Vin) 變換為輸出信號(hào)(Vout)，所述開(kāi)關(guān)電路包括第一開(kāi)關(guān)Oil)和第二開(kāi)關(guān)0^2)構(gòu)成的至少一個(gè)半橋，所述半橋的中點(diǎn)(HB)連接到所述諧振負(fù)載，其特征在于，所述控制設(shè)備包括適于對(duì)表示在所述初級(jí)繞組(Li)中流動(dòng)的電流(Ir)的半波的至少一個(gè)信號(hào)(Vs)進(jìn)行積分的第一裝置(110)，所述第一裝置適于根據(jù)積分后的信號(hào)(Vint)產(chǎn)生所述開(kāi)關(guān)電路的至少一個(gè)控制信號(hào)(HS⑶，LS⑶)，所述控制設(shè)備包括適于將所述第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間段(ΤοηΙ,ΤοΜ)設(shè)定為彼此相等的第二裝置(120)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括這樣的裝置(COl)，即所述裝置 (COl)適于將所述積分后的信號(hào)(Vint)與第一信號(hào)(Vc，V2)進(jìn)行比較，并且當(dāng)所述積分后的信號(hào)到達(dá)或者超過(guò)所述第一信號(hào)時(shí)產(chǎn)生高電平信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其特征在于，所述第一信號(hào)(Vc)是表示控制所述變換器的輸出信號(hào)(Vout)的反饋環(huán)路的信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其特征在于，所述第一信號(hào)(M)是恒定信號(hào)，所述第一裝置 (111)適于對(duì)表示在所述初級(jí)繞組(Li)中流動(dòng)的電流的半波的所述信號(hào)(Vs)與表示控制所述變換器的輸出信號(hào)(Vout)的反饋環(huán)路的電流信號(hào)(Ic)的和進(jìn)行積分。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括另一裝置(FF，C01)，即所述另一裝置(FF，C01)適于當(dāng)所述積分后的信號(hào)到達(dá)或者超過(guò)所述第一信號(hào)(Vc，V2)時(shí)復(fù)位所述第一裝置(111)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括另一裝置(FF，C01,113,C03)， 即所述另一裝置(FF，C01，113，C03)適于當(dāng)所述積分后的信號(hào)到達(dá)或者超過(guò)所述第一信號(hào) (Vc, V2)或者當(dāng)表示在所述初級(jí)繞組(Li)中流動(dòng)的電流的半波的信號(hào)(Vs)低于零時(shí)，復(fù)位所述第一裝置(111)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于，所述第二裝置(120)適于測(cè)量所述半橋的兩個(gè)開(kāi)關(guān)中的前者Oil)的導(dǎo)通時(shí)間段的持續(xù)時(shí)間(Tonl)，并且適于將第二開(kāi)關(guān)0^2)的導(dǎo)通時(shí)間段的持續(xù)時(shí)間(Ton2)設(shè)置為等于所述半橋的兩個(gè)開(kāi)關(guān)中的第一開(kāi)關(guān)Oil)的導(dǎo)通時(shí)間段的持續(xù)時(shí)間(Tonl)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備產(chǎn)生用于所述半橋的第一開(kāi)關(guān)Oil) 和第二開(kāi)關(guān)的兩個(gè)單獨(dú)的控制信號(hào)(HSGD，LSGD)，所述第二裝置(120)包括由所述兩個(gè)單獨(dú)的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)、并且適于對(duì)電容器(Ct)進(jìn)行充電和放電的第一電流發(fā)生器和第二電流發(fā)生器，適于將跨越所述電容器(Ct)端子的電壓與參考電壓(Vl)進(jìn)行比較并輸出信號(hào)( 的比較器(C02)，其中所述輸出信號(hào)( 適于在跨越所述電容器(Ct)端子的電壓達(dá)到所述參考電壓(Vl)時(shí)關(guān)斷所述開(kāi)關(guān)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括置位-復(fù)位觸發(fā)器(FF)，所述置位-復(fù)位觸發(fā)器(FF)的復(fù)位信號(hào)(R)是在所述比較裝置(COl)的輸出處的信號(hào)，所述置位信號(hào)( 是所述比較器的輸出信號(hào)，兩個(gè)輸出信號(hào)是用于所述半橋的第一開(kāi)關(guān)Oil)和第二開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)(HS⑶，LS⑶)。
10.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其特征在于，所述第一信號(hào)(Y2)是所述變換器的輸入信號(hào)(Vin)的函數(shù)。
11.一種集成電路，包括根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一個(gè)所述的用于開(kāi)關(guān)變換器的控制設(shè)備。
12.一種包括適于驅(qū)動(dòng)諧振負(fù)載(Cr，20)的開(kāi)關(guān)電路(Q1-Q2)的諧振變換器，所述諧振負(fù)載包括具有至少一個(gè)初級(jí)繞組(Li)和至少一個(gè)次級(jí)繞組(U)的至少一個(gè)變壓器00)， 所述諧振變換器適于將輸入信號(hào)(Vin)變換為輸出信號(hào)(Vout)，所述開(kāi)關(guān)電路包括第一開(kāi)關(guān)Oil)和第二開(kāi)關(guān)0^2)構(gòu)成的至少一個(gè)半橋，所述半橋的中點(diǎn)(HB)連接到所述諧振負(fù)載，其特征在于，所述諧振變換器包括根據(jù)權(quán)利要求1-10中的任何一個(gè)所述的控制設(shè)備， 并且所述至少一個(gè)半橋具有連接到所述初級(jí)繞組(Li)、并且耦合到參考電壓(GND)的端子，表示在所述初級(jí)繞組(Li)中流動(dòng)的電流(Ir)的半波的所述信號(hào)(Vs)與在所述端子和所述參考電壓之間流動(dòng)的電流成比例。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的變換器，其特征在于，所述半橋的端子通過(guò)電阻(Rs)耦合到所述參考電壓，表示在所述初級(jí)繞組中流動(dòng)的電流的半波的所述信號(hào)為跨越所述電阻的端子的電壓(Vs)。
14.一種用于諧振變換器的控制方法，所述諧振變換器包括適于驅(qū)動(dòng)諧振負(fù)載(Cr， 20)的開(kāi)關(guān)電路tol_Q2)，所述諧振負(fù)載包括具有至少一個(gè)初級(jí)繞組(Li)和至少一個(gè)次級(jí)繞組(U)的至少一個(gè)變壓器(20)，所述諧振變換器適于將輸入信號(hào)(Vin)轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào) (Vout)，所述開(kāi)關(guān)電路包括第一開(kāi)關(guān)Oil)和第二開(kāi)關(guān)0^2)構(gòu)成的至少一個(gè)半橋，所述半橋的中點(diǎn)(HB)連接到所述諧振負(fù)載，其特征在于，所述方法包括對(duì)表示在所述初級(jí)繞組(Li) 中流動(dòng)的電流(Ir)的半波的至少一個(gè)信號(hào)(Vs)進(jìn)行積分，根據(jù)所述積分后的信號(hào)(Vint) 產(chǎn)生所述開(kāi)關(guān)電路的至少一個(gè)控制信號(hào)(HS⑶，LS⑶)，將所述第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間段(Tonl，Ton2)設(shè)置為相等。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于諧振變換器的充電模式控制設(shè)備。描述了一種用于諧振變換器的控制設(shè)備；該諧振變換器包括適于驅(qū)動(dòng)諧振負(fù)載(Cr，20)的開(kāi)關(guān)電路(Q1-Q2)，所述諧振負(fù)載包括具有至少一個(gè)初級(jí)繞組(L1)和至少一個(gè)次級(jí)繞組(L2)的至少一個(gè)變換器(20)。該諧振變換器適于將輸入信號(hào)(Vin)轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)(Vout)，該開(kāi)關(guān)電路包括第一開(kāi)關(guān)(Q1)和第二開(kāi)關(guān)(Q2)的至少一個(gè)半橋；所述半橋的中點(diǎn)(HB)連接到諧振負(fù)載。該控制設(shè)備包括適于將表示在初級(jí)繞組(L1)中流動(dòng)的電流(Ir)的半波的至少一個(gè)信號(hào)(Vs)進(jìn)行積分的第一裝置(110)；所述第一裝置適于根據(jù)被積分的信號(hào)(Vint)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電路的至少一個(gè)控制信號(hào)(HSGD，LSGD)。該控制設(shè)備包括適于將所述第一和第二開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間段(Ton1，Ton2)設(shè)置為相等的第二裝置(120)。
文檔編號(hào)H02M3/338GK102163919SQ20101062525
公開(kāi)日2011年8月24日 申請(qǐng)日期2010年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月28日
發(fā)明者A·V·諾維利, C·L·桑托羅, C·阿德拉格納 申請(qǐng)人:意法半導(dǎo)體股份有限公司