用于開(kāi)關(guān)模式電源的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開(kāi)大體上涉及電子設(shè)備，并且更特別地涉及一種用于開(kāi)關(guān)模式電源的系統(tǒng)和 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電源系統(tǒng)在從計(jì)算機(jī)到汽車(chē)的很多電子應(yīng)用中非常普及。大體上，在電源系統(tǒng)內(nèi) 的電壓通過(guò)操作負(fù)載有電感器或變壓器的開(kāi)關(guān)以執(zhí)行DC-DC、DC-AC以及/或AC-DC轉(zhuǎn)換來(lái) 生成。這種系統(tǒng)的一個(gè)類(lèi)別包括開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS)。由于功率轉(zhuǎn)換是通過(guò)電感器或變壓 器的受控充電和放電來(lái)執(zhí)行，因此SMPS較之其他類(lèi)型的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)而言通常更為有效 并且減少了由于跨越電阻性電壓降的功耗引起的能量損失。
[0003] SMPS通常包括至少一個(gè)開(kāi)關(guān)和電感器或變壓器。一些特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括降壓轉(zhuǎn) 換器、升壓轉(zhuǎn)換器和反激轉(zhuǎn)換器以及其他?？刂齐娐吠ǔＳ脕?lái)斷開(kāi)和閉合開(kāi)關(guān)從而對(duì)電感 器進(jìn)行充電和放電。在一些應(yīng)用中，提供到負(fù)載的電流以及/或提供到負(fù)載的電壓經(jīng)由反 饋環(huán)路進(jìn)行控制。
[0004] SMPS的一個(gè)應(yīng)用是作為用于諸如這些應(yīng)用在住宅和商業(yè)照明應(yīng)用中從而取代白 熾燈泡和小型熒光燈（CFL)的發(fā)光二極管（LED)的電源。在一些應(yīng)用中，SMPS用來(lái)將AC線 電壓轉(zhuǎn)換為DC電流從而對(duì)LED進(jìn)行供電。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 根據(jù)實(shí)施例，一種用于操作開(kāi)關(guān)模式電源的方法包括通過(guò)向第一開(kāi)關(guān)晶體管的控 制節(jié)點(diǎn)施加第一開(kāi)關(guān)信號(hào)以及向第二開(kāi)關(guān)晶體管的控制節(jié)點(diǎn)施加第二開(kāi)關(guān)信號(hào)，使得第一 開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比小于第二開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比，從而開(kāi)啟開(kāi)關(guān)模式電源。在開(kāi)啟開(kāi)關(guān)模式 電源之后，通過(guò)向第一開(kāi)關(guān)晶體管的控制節(jié)點(diǎn)施加第三開(kāi)關(guān)信號(hào)以及向第二開(kāi)關(guān)晶體管的 控制節(jié)點(diǎn)施加第四開(kāi)關(guān)信號(hào)，使得第三開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比基本上等于第四開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空 比，從而操作開(kāi)關(guān)模式電源。
【附圖說(shuō)明】
[0006] 為了對(duì)本發(fā)明及其優(yōu)勢(shì)有更為全面的理解，現(xiàn)在參照結(jié)合附圖作出的下面的描 述，其中：
[0007] 圖1描述了實(shí)施例的電源系統(tǒng)；
[0008] 圖2描述了實(shí)施例的諧振LLC功率轉(zhuǎn)換器；
[0009] 圖3a和圖3b描述了示例性諧振LLC功率轉(zhuǎn)換器開(kāi)啟序列的波形圖；
[0010] 圖4a-圖4c描述了實(shí)施例的諧振LLC功率轉(zhuǎn)換器開(kāi)啟序列的波形圖；
[0011] 圖5a和圖5b描述了示出諧振LLC功率轉(zhuǎn)換器的開(kāi)啟性能的波形圖；
[0012] 圖6描述了實(shí)施例的方法的流程圖；以及
[0013] 圖7描述了實(shí)施例的集成電路的框圖。
[0014] 在不同的圖中的相對(duì)應(yīng)的數(shù)字和符號(hào)大體上指代相對(duì)應(yīng)的部分，除非另外指出。 附圖被描繪為清楚地描述優(yōu)選實(shí)施例的相關(guān)方面并且并非必然按照比例描繪。為了更為清 楚地描述特定的實(shí)施例，指示著相同結(jié)構(gòu)、材料或工藝步驟的變形的字母可能跟隨圖號(hào)。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面詳細(xì)地討論目前優(yōu)選的實(shí)施例的制作和使用。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明提 供許多可應(yīng)用的創(chuàng)新性的概念，其可以實(shí)施在多種特定的上下文中。所討論的特定的實(shí)施 例僅僅為描述制作和使用本發(fā)明的特定方式，而并不限制本發(fā)明的范圍。
[0016] 將關(guān)于在特定上下文中的優(yōu)選實(shí)施例來(lái)描述本發(fā)明，一種用于諧振電感器-電感 器-電容器（LLC)開(kāi)關(guān)模式電源的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實(shí)施例還可以應(yīng)用到其他開(kāi)關(guān)模 式電源配置以及其他包括了對(duì)包括但不限于電源系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)的其他 電路的系統(tǒng)和應(yīng)用。
[0017] 在本發(fā)明的實(shí)施例中，諧振LLC開(kāi)關(guān)模式電源通過(guò)對(duì)耦合到電源的初級(jí)側(cè)的h-橋 電路施加不對(duì)稱(chēng)脈沖來(lái)進(jìn)行供電。最初，在開(kāi)啟期間，高側(cè)驅(qū)動(dòng)器接收對(duì)應(yīng)于小占空比的短 脈沖，而低側(cè)驅(qū)動(dòng)器接收對(duì)應(yīng)于大占空比的較長(zhǎng)脈沖。通過(guò)在啟動(dòng)時(shí)使低側(cè)驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)通較 長(zhǎng)時(shí)段，低側(cè)晶體管的體二極管被賦予了變成反向偏置的機(jī)會(huì)，由此避免了由二極管的不 完全反向恢復(fù)性能導(dǎo)致的瞬變。在一些實(shí)施例中，h-橋控制信號(hào)的開(kāi)關(guān)頻率可能在開(kāi)啟期 間比在正常操作期間高。
[0018] 圖1描述了實(shí)施例的開(kāi)關(guān)模式電源系統(tǒng)100,其可以用來(lái)從AC線電壓向電子系統(tǒng) 提供功率。如所示出，開(kāi)關(guān)模式電源系統(tǒng)100包括兩級(jí)：功率因數(shù)校正（PFC)級(jí)102,其后 跟隨有諸如電感器-電感器-電容器LLC電源轉(zhuǎn)換器104的諧振模式的開(kāi)關(guān)模式電源。二 極管橋整流器110對(duì)AC線電壓Vac進(jìn)行整流從而提供整流后的線電壓。PFC級(jí)102被配置 為將整流后的線電壓轉(zhuǎn)換為DC總線電壓VPFC，而LLC級(jí)被配置為將DC總線電壓VPFC轉(zhuǎn) 換為將被耦合到由負(fù)載塊112所代表的負(fù)載的輸出電壓Vo。在操作期間，隔離的反饋電路 106對(duì)輸出電壓Vo進(jìn)行監(jiān)視并且將反饋提供到生成用于PFC塊102和LLC轉(zhuǎn)換器104的 開(kāi)關(guān)信號(hào)的控制器108。在實(shí)施例中，來(lái)自LLC轉(zhuǎn)換器104的輸出的電壓反饋可以用來(lái)改 變LLC轉(zhuǎn)換器104的開(kāi)關(guān)頻率從而對(duì)其輸出電壓Vo進(jìn)行調(diào)節(jié)。結(jié)合控制器108的PFC級(jí) 102包括電流控制環(huán)路，該電流控制環(huán)路使得到PFC102的AC輸入電流與AC線電壓Vac同 相。PFC級(jí)102以及LLC轉(zhuǎn)換器104可以經(jīng)由利用本領(lǐng)域已知的控制方法和算法的控制器 108進(jìn)行控制。在一些實(shí)施例中，AC線電壓Vac可以為具有約為60Hz或者約為50Hz的線 頻率的約llOVrms或者約220Vrms。可代替地，可以使用其他的線電壓以及頻率。
[0019] 圖2描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的諧振半橋LLC轉(zhuǎn)換器200。該半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通 常被稱(chēng)為L(zhǎng)LC傳動(dòng)系（power train)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中每個(gè)初級(jí)側(cè)功率開(kāi)關(guān)的占空比被 設(shè)置為約50%，并且開(kāi)關(guān)頻率fs改變從而控制諸如輸出電壓的輸出特性。由于開(kāi)關(guān)頻率f s 改變，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的有效增益隨著開(kāi)關(guān)頻率fs關(guān)于功率轉(zhuǎn)換器的諧振頻率改變而改變。在 實(shí)踐中，每個(gè)初級(jí)側(cè)功率開(kāi)關(guān)的占空比被設(shè)置為稍微小于50%從而避免在開(kāi)關(guān)瞬變期間的 電流直通。
[0020] LLC轉(zhuǎn)換器200耦合到輸入電壓源VPFC，并且包括通過(guò)對(duì)功率轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率 f s進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)諸如輸出電壓的功率轉(zhuǎn)換器輸出特性的控制器206。如所示出，控制器 206感測(cè)功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Vo以及所希望的輸出電壓Vref，并且控制初級(jí)側(cè)功率開(kāi)關(guān) 的開(kāi)關(guān)頻率fs，從而將輸出電壓Vo調(diào)節(jié)在希望的輸出電壓Vref。在所描繪的實(shí)施例中，控 制器206直接感測(cè)輸出電壓Vo,并且經(jīng)由隔離的驅(qū)動(dòng)器202生成初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)LSdrive 和HSdrive，并且經(jīng)由同步整流器驅(qū)動(dòng)器204生成同步整流器開(kāi)關(guān)信號(hào)SR1和SR2。在可代 替的實(shí)施例中，輸出電壓Vo可以利用諸如光隔離器的隔離反饋電路或其他電路來(lái)感測(cè)，并 且初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)LSdrive和HSdrive可以在與控制器206的相同功率域中生成。
[0021] 功率轉(zhuǎn)換器向耦合到輸出Vo的系統(tǒng)或負(fù)載112提供功率。雖然在所描述的實(shí)施 例中，傳動(dòng)系采用了半橋諧振功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，其他 的諸如隔離諧振全橋功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也在本發(fā)明的廣義范圍內(nèi)。
[0022] 在電路的初級(jí)側(cè)，兩個(gè)串聯(lián)耦合的功率開(kāi)關(guān)，M0SFET Q1和Q2耦合到兩個(gè)電感器、 諧振電感器L:、功率變壓器208的初級(jí)繞組210以及電容器(；。電感K代表變壓器208的 磁化電感。應(yīng)當(dāng)理解的是，使用M0SFET特別是n-M0SFET來(lái)實(shí)施開(kāi)關(guān)晶體管Q1和Q2僅僅 是示例。也可以使用任何其他的開(kāi)關(guān)組件，諸如P-M0SFET、IGBT (絕緣柵雙極型晶體管）、 BJT (雙極結(jié)型晶體管）、JFET (結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管）或者GT0(柵極關(guān)斷晶閘管）。這同樣 適用于將在下面進(jìn)行解釋的其他電子開(kāi)關(guān)。
[0023] 在電路的次級(jí)側(cè)，用作同步整流器的M0SFET Q3和Q4耦合到變壓器208的次級(jí)繞 組212。輸出電感器Lo將次級(jí)繞組212的中心抽頭耦合到負(fù)載112以及輸出電容器Co。在 可代替的實(shí)施例中，M0SFET Q3和Q4可以由二極管來(lái)代替。輸出電感器Lo將次級(jí)繞組212 的中心抽頭耦合到負(fù)載112以及輸出電容器Co。
[0024] LLC傳動(dòng)系電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的諧振頻率為fRES。諧振頻率fRES可以從下面等式進(jìn)行估 算：
[0026] 其中k和Q分別為圖2所描述的指示出的初級(jí)側(cè)傳動(dòng)系電路元件的電感和電容。
[0027] 由于其高轉(zhuǎn)換效率，半橋LLC諧振開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器被廣泛地應(yīng)用。實(shí)施例的 半橋LLC諧振功率轉(zhuǎn)換器可以被配置為在不同的負(fù)載條件下在廣泛的輸入電壓范圍下針 對(duì)初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)以及對(duì)于次級(jí)側(cè)整流器實(shí)現(xiàn)