LLC谐振转换器的控制方法与电源控制器

摘要

本发明实施例提供一电源控制器，用以控制上臂开关以及下臂开关，包含有开启时间产生器以及丛集模式控制器。该开启时间产生器依据回馈电压，控制该上臂开关之一上臂开启时间，以及该下臂开关之一下臂开启时间。该回馈电压是依据输出电压而产生。该丛集模式控制器包含有三角波产生器与第一比较器。该三角波产生器依据丛集电压，以预定丛集周期，周期性地产生三角波信号。该第一比较器比较该三角波信号以及该回馈电压。当该回馈电压低于该三角波信号时，该丛集模式控制器使该上臂开关与该下臂开关保持关闭。

权利要求

1.一种电源控制器，用以控制上臂开关以及下臂开关，包含有：开启时间产生器，依据回馈电压，控制该上臂开关之一上臂开启时间，以及该下臂开关之一下臂开启时间，其中，该回馈电压是依据输出电压而产生；以及丛集模式控制器，包含有：

三角波产生器，依据丛集电压(burst voltage)，以预定丛集周期，周期性地产生三角波信号；以及第一比较器，用以比较该三角波信号以及该回馈电压；

其中，当该回馈电压低于该三角波信号时，该丛集模式控制器使该上臂开关与该下臂开关保持关闭，其中，该电源控制器为集成电路，具有设定接脚，该电源控制器还包含有丛集电压设定电路，通过该设定接脚，可电性连接至外部电阻，该丛集电压设定电路依据该外部电阻，产生该丛集电压。

2.如权利要求1所述的电源控制器，还包含有第二比较器，用以比较该丛集电压与该回馈电压，其中，当该回馈电压低于该丛集电压时，该第二比较器使得该开启时间产生器，依据该丛集电压，控制该上臂开启时间以及该下臂开启时间。

3.如权利要求1所述的电源控制器，其中，该三角波信号变化于默认电压与该丛集电压之间。

4.如权利要求3所述的电源控制器，其中，该三角波产生器包含有：计数器，依据频率信号，产生数字值，其具有最高有效位；以及数字逻辑转换器，依据该数字值以及该丛集电压，产生该三角波信号。

5.如权利要求4所述的电源控制器，其中，该丛集模式控制器是设计来使得在该最高有效位变化时，该上臂开关与该下臂开关都至少开启一次。

6.如权利要求1所述的电源控制器，其中，该丛集模式控制器是设计来使得在该预定丛集周期内，该上臂开关与该下臂开关都至少开启一次。

7.一种LLC谐振转换器的控制方法，该LLC谐振转换器包含有上臂开关以及下臂开关，该控制方法包含有：依据输出电压，提供回馈电压；

依据该回馈电压，控制该上臂开关之一上臂开启时间，以及该下臂开关之一下臂开启时间；

依据丛集电压(burst voltage)，以预定丛集周期，周期性地产生三角波信号；

比较该三角波信号以及该回馈电压；以及

当该回馈电压低于该三角波信号时，使该上臂开关与该下臂开关保持关闭，其中，该LLC谐振转换器还包含有如权利要求1至6中任一项所述的电源控制器以及外部电阻，该控制方法包含有：依据该外部电阻，提供该丛集电压。

8.如权利要求7所述的控制方法，其中，该三角波信号周期性的变化于默认电压与该丛集电压之间。

说明书

LLC谐振转换器的控制方法与电源控制器

技术领域

[0001] 本发明大致关于LLC谐振转换器的控制方法与电源控制器，尤指可以提高轻载或无载的转换效率的LLC谐振转换器的控制方法与电源控制器。

背景技术

[0002] LLC谐振转换器为一种转换效率相当优异的开关式电源供应器。开关式电源供应器中，功率开关往往是消耗功率的主要组件之一。理论上，LLC谐振转换器的每个开关周期，都可以使两个最主要的功率开关，也就是上臂开关与下臂开关，进行零电压切换(zero voltage switching，ZVS)。因此，上臂开关与下臂开关的导通损失(conduction loss)就可以控制在非常低的程度。LLC谐振转换器大多适用于大功率的电源供应器。

[0003] 只是，LLC谐振转换器的开关频率(开关周期的倒数)，理论上会随着负载的降低而增高。在轻载与无载状态时，尽管导通损失可以抑制在非常低的程度，但是上臂开关与下臂开关的开关损失(switching loss)，也就是对上臂开关与下臂开关的控制端充放电所产生的电能损失，会随着开关频率增加而增加。轻载或是无载时，开关损失的增加，会大幅降低转换效率。因此，有必要对于轻载与无载状态时的LLC谐振转换器，进行特别的控制，来增进LLC谐振转换器的转换效率。

发明内容

[0004] 本发明实施例提供电源控制器，用以控制上臂开关以及下臂开关，包含有开启时间产生器以及丛集模式控制器。该开启时间产生器依据回馈电压，控制该上臂开关之一上臂开启时间，以及该下臂开关之一下臂开启时间。该回馈电压系依据输出电压而产生。该丛集模式控制器包含有三角波产生器与第一比较器。该三角波产生器依据丛集电压，以预定丛集周期，周期性地产生三角波信号。该第一比较器比较该三角波信号以及该回馈电压。当该回馈电压低于该三角波信号时，该丛集模式控制器使该上臂开关与该下臂开关保持关闭。

[0005] 本发明实施例提供一种LLC谐振转换器的控制方法。该LLC谐振转换器包含有上臂开关以及下臂开关。该控制方法包含有：依据输出电压，提供回馈电压；依据该回馈电压，控制该上臂开关之一上臂开启时间，以及该下臂驱动器之一下臂开启时间；依据丛集电压(burst voltage)，以预定丛集周期，周期性地产生三角波信号；比较该三角波信号以及该回馈电压；以及，当该回馈电压低于该三角波信号时，使该上臂开关与该下臂开关保持关闭。

附图说明

[0006] 图1显示一种依据本发明所实施的LLC谐振转换器。

[0007] 图2显示图1中的电源控制器。

[0008] 图3显示回馈电压VFB低于丛集电压VBST时，三角波信号VTRI、回馈电压VFB‑0.2V、停止信号GATE‑STOP、控制上臂开关HS的信号SH、与控制下臂开关LS的信号SL的信号波形。

[0009] 图4A显示回馈电压VFB与上臂开启时间TH‑ON或是下臂开启时间TL‑ON的关系。

[0010] 图4B显示回馈电压VFB与工作比例DWK的关系。

具体实施方式

[0011] 在本说明书中，有一些相同的符号，其表示具有相同或是类似的结构、功能、原理的组件，且为本领域普通技术人员可以依据本说明书的教导而推知。为说明书的简洁度考虑，相同的符号的组件将不再重述。

[0012] 依据本发明所实施的LLC谐振转换器，在负载为轻载或无载时，可以操作于丛集模式。操作于丛集模式时，上臂开关与下臂开关维持关闭状态一段休息时段BRK之后，才会进入工作时段WK，让上臂开关与下臂开关交替开启，且休息时段BRK与工作时段WK交替出现。休息时段BRK与工作时段WK构成了预定丛集周期TBST。在本发明所实施的LLC谐振转换器中，预定丛集周期TBST不随着负载改变而改变。

[0013] 图1显示一种依据本发明所实施的LLC谐振转换器100，将在一次侧的输入电压VIN，转换为二次侧的输出电压VOUT。LLC谐振转换器100具有电源控制器102、上臂开关HS、下臂开关LS、变压器TF、电容CIN、CVCC、CL、COUT、二极管D1、D2H、D2L、误差放大器ER、光耦合器OPT。变压器TF中，相电感耦合的有主绕组LP、辅助绕组LA、二次侧绕组LSH、LSL。变压器TF另具有代表漏感的寄生绕组LPP，跟主绕组LP与电容CL串联于连接点N1与输入地之间，形成LLC谐振槽(resonant tank)。

[0014] 电源控制器102可以是集成电路，具有电源接脚VCC、回馈接脚FB、设定接脚BSTS、上臂控制接脚HGATE、上臂接地接脚HGND、下臂控制接脚LGATE、接地接脚GND。电源控制器102通过上臂控制接脚HGATE与下臂控制接脚LGATE，来控制上臂开关HS的上臂开启时间TH‑ON、以及下臂开关LS的下臂开启时间TL‑ON，由此控制了LLC谐振槽中所存放的能量。当电压与电流在LLC谐振槽中震荡时，二极管D2H与D2L将二次侧绕组LSH、LSL上的感应电流整流，产生了输出电压VOUT，对负载104供电。同时，二极管D1对辅助绕组LA上的感应电流整流，产生操作电压VCC，供应电源控制器102所需的电能。

[0015] 输出电压VOUT的稳压控制，由误差放大器ER以及光耦合器OPT，经由回馈接脚FB，回馈给电源控制器102。回馈接脚FB上的回馈电压VFB，依据输出电压VOUT跟目标电压VTRGT的比较结果而产生。整个稳压控制，目标是使得输出电压VOUT大约稳定于默认的目标电压VTRGT。举例来说，当输出电压VOUT大于目标电压VTRGT时，回馈接脚FB上的回馈电压VFB就会被光耦合器OPT拉低，使得之后的上臂开启时间TH‑ON与下臂开启时间TL‑ON缩短，也降低了之后开关周期中送入LLC谐振槽中的能量，最终可以使得输出电压VOUT下降，往目标电压VTRGT靠近。从另一个角度来看，当输出电压VOUT大约等于目标电压VTRGT时，负载104越轻，回馈电压VFB越低。

[0016] 电源控制器102的设定接脚BSTS可以连接外部电阻RST。举例来说，依据外部电阻RST的电阻值，电源控制器102可以内部产生丛集电压VBST。丛集电压VBST可以决定负载104为轻载或是无载时的上臂开启时间TH‑ON与下臂开启时间TL‑ON，稍后将细部解说。

[0017] 图2显示电源控制器102，包含有开启时间产生器110、丛集模式控制器112、丛集电压设定电路113、比较器114、控制逻辑116、以与门驱动器118与120。

[0018] 丛集电压设定电路113连接到设定接脚BSTS，可以依据外部电阻RST，产生丛集电压VBST。举例来说，丛集电压设定电路113具有固定电流源IS，提供一定电流流经外部电阻RST，而丛集电压VBST可以是，但不限定于，设定接脚BSTS上的电压加上0.2V。这里的0.2V是因为光耦合器OPT大约只能拉低回馈电压VFB到0.2V，回馈电压VFB的最低值就是0.2V。

[0019] 比较器114比较回馈电压VFB与丛集电压VBST。在实施例中，当回馈电压VFB大约低于丛集电压VBST时，比较器114所提供的低载信号SLOW为逻辑上的“1”；当回馈电压VFB大约高于丛集电压VBST时，低载信号SLOW为逻辑上的“0”。简单来说，当回馈电压VFB高于丛集电压VBST时，电源控制器102使得LLC谐振转换器100操作于非丛集模式。当回馈电压VFB低于丛集电压VBST时，电源控制器102使得LLC谐振转换器100操作于丛集模式。

[0020] 开启时间产生器110可以依据回馈接脚FB上的回馈电压VFB，控制上臂开关HS的上臂开启时间TH‑ON，以及下臂开关LS的下臂开启时间TL‑ON。开启时间产生器110有多任务器122、比较器124与126、以及斜坡产生器128。当操作于非丛集模式时，多任务器122提供回馈电压VFB给比较器124与126；当操作于丛集模式时，多任务器122提供丛集电压VBST给比较器
124与126。举例来说，当上臂开关HS开启时，斜坡产生器128开始增加斜坡信号VRAMP‑H。当斜坡信号VRAMP‑H超过比较器124的负输入端上的信号，可能是回馈电压VFB或斜坡信号VRAMP‑H，比较器124的输出NH提供信号上升缘，重设了控制逻辑116中的SR正反器130，然后通过闸驱动器118关闭了上臂开关HS。因此，开启时间产生器110可以依据回馈接脚FB上的回馈电压VFB，控制上臂开关HS的上臂开启时间TH‑ON。类似的，开启时间产生器110可以依据回馈接脚FB上的回馈电压VFB，控制下臂开关LS的下臂开启时间TL‑ON。

[0021] 控制逻辑116架构来使得上臂开关HS与下臂开关LS不会同时开启，预防输入电压VIN跟输入地短路(short through)。因此，当信号SH从“1”转成“0”，通过闸驱动器118，开始关闭上臂开关HS时，信号SH的下降缘才使得脉冲产生器136产生一脉冲(pulse)，设置SR正反器132，使信号SL从“0”转成“1”，开始通过闸驱动器120开启下臂开关LS。所以，当上臂开关HS关闭后，下臂开关LS才开启。同理，当下臂开关LS关闭后，上臂开关HS才开启。换句话说，控制逻辑116使得上臂开关HS与下臂开关LS交替地开启。

[0022] 丛集模式控制器112包含有计数器140、数字逻辑转换器142、比较器144、脉冲产生器146与150、与门148、与SR正反器152。计数器140依据频率信号CLK，产生数字值SD，其具有最高有效位MSB。频率信号CLK可以是信号SL或是SH，也可以由一独立的频率产生器所产生。在实施例中，数字值SD由0变化到31，每预定丛集周期TBST，循环一次。举例来说，这预定丛集周期TBST，可以但不限于1/400秒。数字逻辑转换器142依据数字值SD以及丛集电压VBST，产生三角波信号VTRI。三角波信号VTRI可以是一锯齿波，以预定丛集周期TBST，周期性的变化于0V与丛集电压VBST‑0.2V之间。举例来说，三角波信号VTRI大约为数字值SD*(丛集电压VBST‑
0.2)/32。比较器144将三角波信号VTRI对回馈电压VFB扣除0.2V来相比较。如果将三角波信号VTRI加上0.2V视为另一个三角波信号VTRI‑M，那比较器144等同比较回馈电压VFB与三角波信号VTRI‑M。当回馈电压VFB低于三角波信号VTRI‑M时，比较器144可以通过与门148，设置SR正反器152，使得停止信号GATE‑STOP为逻辑上的“1”，导致控制逻辑116所输出的信号SH与SL都维持在逻辑上的“0”，因此上臂开关HS与下臂开关LS保持关闭。在图2的实施例中，当回馈电压VFB‑0.2V小于三角波信号VTRI时，上臂开关HS与下臂开关LS保持关闭；当回馈电压VFB‑0.2V大于三角波信号VTRI时，上臂开关HS与下臂开关LS交替的开启。

[0023] 脉冲产生器146，由信号SL的下降缘所触发，提供一短脉冲，给与与门148。换句话说，当下臂开关LS关闭后的短暂时间内，停止信号GATE‑STOP才允许由逻辑上的“0”转变为“1”。从另一个角度来看，三角波信号VTRI与回馈电压VFB‑0.2V的比较结果，只会在下臂开关LS关闭后的短暂时间内，被SR正反器152所记录。再从另一个角度来看，图2中的丛集模式控制器112，只有在下臂开关LS关闭后，才检查三角波信号VTRI是否超过了回馈电压VFB‑0.2V。如果在上臂开关HS或下臂开关LS开启的过程中，就算三角波信号VTRI高过了回馈电压VFB‑
0.2V，开启的上臂开关HS或下臂开关LS也不会突然的关闭。

[0024] 脉冲产生器150，由最高有效位MSB的下降缘所触发，提供一短脉冲，来重置SR正反器152，使得停止信号GATE‑STOP为逻辑上的“0”，让上臂开关HS与下臂开关LS开始交替的开启。因此，在最高有效位MSB变化时，不论回馈电压VFB是多少，上臂开关HS与下臂开关LS都至少开启一次。从丛集模式控制器112的架构也可知，因为最高有效位MSB在预定丛集周期TBST内至少变化一次，所以不论回馈电压VFB是多少，上臂开关HS与下臂开关LS在预定丛集周期TBST内都至少开启一次。在另一个实施例中，脉冲产生器150是由最高有效位MSB的上降缘所触发，提供一短脉冲，来重置SR正反器152。

[0025] 图3显示回馈电压VFB低于丛集电压VBST时，三角波信号VTRI、回馈电压VFB‑0.2V、停止信号GATE‑STOP、控制上臂开关HS的信号SH、与控制下臂开关LS的信号SL的信号波形。

[0026] 如同图3所示，三角波信号VTRI每预定丛集周期TBST，循环一次。当三角波信号VTRI的波形跟回馈电压VFB‑0.2V的波形相交叉时，停止信号GATE‑STOP转变为逻辑上的“1”或是“0”。在时间t0时，最高有效位MSB有一下降缘，所以上臂开关HS与下臂开关LS开始交替的开启，预定丛集周期TBST开始，如同图3所示。

[0027] 在时间t0到时间t1之间，回馈电压VFB‑0.2V高于三角波信号VTRI，停止信号GATE‑STOP为“0”，上臂开关HS与下臂开关LS交替的开启。时间t0到时间t1之间的时段称为工作时段WK。此时，上臂开启时间TH‑ON与下臂开启时间TL‑ON都是固定的，跟回馈电压VFB无关，因为此时开启时间产生器110中的多任务器122提供丛集电压VBST给比较器124与126。

[0028] 在时间t1到时间t2之间的休息时段BRK，回馈电压VFB‑0.2V低于三角波信号VTRI，停止信号GATE‑STOP为“1”，上臂开关HS与下臂开关LS保持关闭。在时间t2时，一个预定丛集周期TBST结束，下一个预定丛集周期TBST开始。

[0029] 工作时段WK跟预定丛集周期TBST的比例(WK/TBST)称为工作比例DWK。从图3可知，如果回馈电压VFB变大，因为预定丛集周期TBST固定不变，所以工作时段WK与工作比例DWK都增加。

[0030] 图4A显示回馈电压VFB与上臂开启时间TH‑ON或是下臂开启时间TL‑ON的关系。图4B显示回馈电压VFB与工作比例DWK的关系。

[0031] 图4A显示当回馈电压VFB大于丛集电压VBST时，上臂开启时间TH‑ON或是下臂开启时间TL‑ON大致跟回馈电压VFB为正相关。但是当回馈电压VFB小于丛集电压VBST时，上臂开启时间TH‑ON与下臂开启时间TL‑ON都会变成固定值，由丛集电压VBST所决定，不再跟回馈电压VFB相关。

[0032] 图4B显示了，当回馈电压VFB大于丛集电压VBST时，工作比例DWK将会一直维持在100％，也就是上臂开关HS与下臂开关LS不断地交替开启。在回馈电压VFB小于丛集电压VBST时，工作比例DWK小于100％，且工作比例DWK会随着回馈电压VFB缩减而减少。

[0033] 依据本发明所实施的实施例中，在轻载或是无载时，可以让LLC谐振转换器100进入丛集模式，能减少上下臂开关的开关损失，增加转换效能。

[0034] 本发明所实施的实施例中，只要适当地设定预定丛集周期TBST，就可能可以使得LLC谐振转换器100避免在轻载或无载时，产生令人困扰的音频噪音。

[0035] 简单的选定外部电阻RST，就可以设定LLC谐振转换器100在进入丛集模式时的负载程度，以及在丛集模式时固定的上臂开启时间TH‑ON与下臂开启时间TL‑ON。这非常方便系统设计工程师来调整LLC谐振转换器100的效能以及避免音频噪音。

[0036] 在实施例中，上臂开关HS与下臂开关LS在丛集模式控制器112所设定的预定丛集周期TBST内都一定至少开启一次，可以用来限定操作在丛集模式时的预定丛集周期TBST。如果预定丛集周期TBST内没有设定上臂开关HS与下臂开关LS至少开启一次，那真实的预定丛集周期TBST可能会增长变成丛集模式控制器112所设定的预定丛集周期TBST的整数倍，可能容易产生音频噪音。

[0037] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

[0038] 【符号说明】

[0039] 100                         LLC谐振转换器

[0040] 102                         电源控制器

[0041] 104                         负载

[0042] 110                         开启时间产生器

[0043] 112                         丛集模式控制器

[0044] 113                         丛集电压设定电路

[0045] 114                         比较器

[0046] 116                         控制逻辑

[0047] 118、120                     闸驱动器

[0048] 122                         多任务器

[0049] 124、126                     比较器

[0050] 128                         斜坡产生器

[0051] 130                         SR正反器

[0052] 132                         SR正反器

[0053] 136                         脉冲产生器

[0054] 140                         计数器

[0055] 142                         数字逻辑转换器

[0056] 144                         比较器

[0057] 146、150                    脉冲产生器

[0058] 148                         与门

[0059] 152                         SR正反器

[0060] BRK                         休息时段

[0061] BSTS                        设定接脚

[0062] CIN、CVCC、CL、COUT          电容

[0063] CLK                         频率信号

[0064] D1、D2H、D2L                二极管

[0065] DWK                         工作比例

[0066] ER                          误差放大器

[0067] FB                          回馈接脚

[0068] GATE‑STOP                   停止信号

[0069] GND                         接地接脚

[0070] HGATE                       上臂控制接脚

[0071] HGND                        上臂接地接脚

[0072] HS                          上臂开关

[0073] IS                          固定电流源

[0074] LA                          辅助绕组

[0075] LGATE                       下臂控制接脚

[0076] LP                          主绕组

[0077] LPP                         寄生绕组

[0078] LS                          下臂开关

[0079] LSH、LSL                    二次侧绕组

[0080] MSB                         最高有效位

[0081] N1                          连接点

[0082] NH、NL                      输出

[0083] OPT                         光耦合器

[0084] RST                         外部电阻

[0085] SD                          数位值

[0086] SH、SL                      信号

[0087] SLOW                         低载信号

[0088] t0、t1、t2                    时间

[0089] TBST                        预定丛集周期

[0090] TF                          变压器

[0091] TH‑ON                        上臂开启时间

[0092] TL‑ON                        下臂开启时间

[0093] VBST                         丛集电压

[0094] VCC                         电源接脚

[0095] VFB                         回馈电压

[0096] VIN                          输入电压

[0097] VOUT                         输出电压

[0098] VRAMP‑H、VRAMP‑L               斜坡信号

[0099] VTRGT                        目标电压

[0100] VTRI                         三角波信号

[0101] WK                          工作时段