隔离谐振变换器及其控制方法

技术领域

本发明主要涉及一种电子电路，尤其但不排他地涉及具有固定输出纹波的隔离谐振变换器和相关的控制方法。

背景技术

隔离谐振变换器已经成为近几年研究的热门，以满足提高功率密度、减小甚至消除功率损耗、最小化EMI的需求。此外，随着高速复合半导体开关晶体管的引入，隔离谐振变换器可以极大地提高其开关频率，例如，10MHz以上。

图1是现有的隔离谐振变换器100的电路原理图。隔离谐振变换器100包输入直流转交流(DC/AC)级101、耦接至隔离变压器的谐振腔102、交流转直流(AC/DC)级103以及控制器104。直流转交流级101位于变压器原边侧，交流转直流级103位于变压器副边侧，控制器104位于变压器原边侧。在工作中，控制器104通过控制直流转交流级101中的开关管，将隔离变压器原边侧的能量传递至副边。为了调节交流转直流级103输出端的输出信号(输出电压或输出电流)，常常需要反馈运行。该反馈运行通过将来自副边的输出信号通讯至原边侧的控制器104，以产生控制信号来控制直流转交流级101中的一个或多个开关管。如图1所示，分压电路105用于检测隔离谐振变换器100的输出电压Vout。在原副边之间输出电压的隔离反馈通常包括误差环路106。误差环路106包括具有补偿网路的误差放大器、光耦和检测器，如图1所示。然而，采用这种隔离实现方式的问题是，光耦传送信号的速度比较慢，例如，会有1～10ms的延时。此外，温度波动也会影响被用作原边侧反馈信号的电压误差信号VE的值。

图2示出了用于原副边之间输出电压隔离检测的另一种实现方式。如图2所示，误差环路106A包括具有补偿网络的误差放大器、模数转换器、数字隔离器以及数模转换器。如图2所示，误差放大器输出端的第一误差信号VE0被施加到模数转换器的输入端，然后再经数字隔离器和数模转换器，将第二误差信号VE传递给原边侧的控制器104。在这种隔离检测方式下，数模转换器和模数转换器的传输速度和分辨率受误差环路带宽和输出误差需求的影响。此外，大多数环路的带宽都很小，位于副边侧的模数转换器的速度也会慢一点，整体传送速度还是会受影响。

发明内容

针对现有技术中的一个或多个问题，本发明的目的是提供一种具有固定输出纹波的隔离谐振变换器。在保证输出电压具有固定纹波的基础上，在作为反馈信号的方波信号的高电平时段，传送时钟脉冲信号作为控制信号来驱动原边开关管，以控制谐振变换器的切换运行，而在方波信号的低电平时段，禁止时钟脉冲信号的传送，原边开关管关断，停止谐振变换器的切换运行。

在本发明的一个方面，提供一种隔离谐振变换器，包括：迟滞比较器，控制隔离谐振变换器的输出电压在一预设范围内，并在输出端产生第一方波信号，其中第一方波信号具有第一电平和第二电平；数字隔离电路，耦接至迟滞比较器的输出端以接收第一方波信号，产生与第一方波信号电气隔离的第二方波信号，其中第二方波信号具有第一电平和第二电平；振荡器，产生具有一频率的时钟脉冲信号；以及原边脉宽调制电路，接收时钟脉冲信号和第二方波信号，其中原边脉宽调制电路在第二方波信号为第一电平时，基于时钟脉冲信号控制谐振变换器的切换运行，在第二方波信号为第二电平时停止谐振变换器的切换运行。

在本发明的又一个方面，提供一种具有LLC谐振腔的LLC谐振变换器，其中LLC谐振腔耦接至变压器，该LLC谐振变换器包括：直流转交流级，耦接至变压器的原边绕组；交流转直流级，耦接至变压器的副边绕组，其中交流转直流级具有提供输出电压的输出端；迟滞比较器，控制输出电压在一预设范围内，在输出端产生第一方波信号；数字隔离电路，耦接至迟滞比较器的输出端以接收第一方波信号，产生与第一方波信号电隔离的第二方波信号；振荡器，用于产生具有一频率的时钟脉冲信号；以及原边脉宽调制电路，接收时钟脉冲信号和第二方波信号，其中响应于第二方波信号高电平期间的时钟脉冲信号，原边脉宽调制电路控制LLC谐振变换器的切换运行，当第二方波信号具有低电平时，原边脉宽调制电路停止LLC谐振变换器的切换运行。

在本发明的在一个方面，提供一种隔离谐振变换器的控制方法，包括：使用迟滞比较器控制隔离谐振变换器的输出电压在一预设范围内，产生第一方波信号；经数字隔离电路产生与第一方波信号电气隔离的第二方波信号；产生具有一频率的时钟脉冲信号；响应于第二方波信号为第一电平期间的时钟脉冲信号，控制谐振变换器的切换运行；以及在第二方波信号为第二电平期间，停止谐振变换器的切换运行。

根据本发明实施例的隔离谐振变换器及其控制方法，可以提供更快、更加精确的隔离反馈运行。而且，整体系统成本可以降低，系统功率尺寸减小，物料清单降低。

附图说明

为了更好地理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述：

图1是现有的隔离谐振变换器100的电路原理图；

图2示出了用于原副边之间输出电压隔离检测的另一种实现方式；

图3是根据本发明一实施例的具有固定输出纹波的隔离谐振变换器300的电路原理图；

图4是根据本发明一实施例的图3所示隔离谐振变换器300的工作波形图；

图5是根据本发明又一实施例的具有固定输出纹波的隔离谐振变换器400的电路原理图；

图6是根据本发明再一实施例的具有固定输出纹波的隔离谐振变换器500的电路原理图；

图7是根据本发明一实施例的用于隔离谐振变换器的控制方法600的流程图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的隔离谐振变换器及控制方法的具体实施例，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施本发明。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的。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。

在大多数应用中，隔离谐振变换器输出端的纹波电压应当被控制在一定范围内，这需要隔离谐振变换器运行在突发模式，其中，切换的每次突发开始于输出电压达到最小值，结束于输出电压达到最大值。此外，如果在隔离谐振变换器开关没有切换工作的期间出现了正的负载阶跃，由于缺少可用功率，隔离谐振变换器必须快速响应，以防止输出电压突然下降。这需要输出电压调节环路输出的电压误差信号能尽可能早地开始下一次切换的突发。如上所述，输出电压调节环路通常使用误差环路来实现，该误差环路包括具有补偿网络的误差放大器和光耦器件。光耦器件在原边侧输出的电压误差信号被用来控制突发切换的开始和结束。具体而言，切换的每次突发开始于光耦在原边侧输出的电压误差信号增大到预设最大值，结束于该电压误差信号减小至预设最小值，以保证基本恒定的输出电压纹波。然而，采用这种方法的问题是，光耦在原边侧的输出饱和或者运算放大器饱和会导致误差环路在原边侧输出的电压误差信号的交流部分形状不同于隔离谐振变换器实际输出电压的交流部分形状。这意味着输出电压的最大值与最小值与光耦原边侧输出的最大值和最小值并不是一一对应的。

而且，隔离谐振变换器的功率水平与每一个突发运行的开始点和结束点也有关。功率水平由光耦原边侧的电压误差信号来决定。对于谐振变换器，为了获得某一输出功率，光耦在原边侧输出的实际电压误差信号极大地受谐振元器件的数值和公差波动的影响。这意味着，在突发运行时采用固定的最大值和最小值来决定切换突发运行的开始点和结束点，实际上很难达到所需的功率水平，而且采用该技术的隔离谐振变换器的设计也十分复杂。

根据本发明的第一方面，提出一种隔离谐振变换器。隔离谐振变换器包括模拟的迟滞比较器、数字隔离电路、振荡器以及原边脉宽调制电路。迟滞比较器用于控制隔离谐振变换器的输出电压在一预设范围内，并产生第一方波信号。数字隔离电路耦接至迟滞比较器的输出端以接收第一方波信号，并在输出端产生与第一方波信号电气隔离的第二方波信号。振荡器用于产生具有一频率的时钟脉冲信号。原边脉宽调制电路接收第二方波信号和时钟脉冲信号，其中响应于第二方波信号高电平期间的时钟脉冲信号，原边脉宽调制电路使能并控制LLC谐振变换器的切换运行，当第二方波信号具有低电平时，原边脉宽调制电路停止LLC谐振变换器的切换运行。

图3是根据本发明一实施例的具有固定输出纹波的隔离谐振变换器300的电路原理图。

隔离谐振变换器300包括输入的直流转交流级201、耦接至变压器T的谐振腔202、输出的交流转直流级203、模拟的迟滞比较器205、数字隔离电路206、振荡器207以及原边脉宽调制电路208。其中直流转交流级201位于变压器T的原边侧，交流转直流级203位于变压器T的副边侧。如图3所示，直流转交流级201耦接至输入电容器Cin的两端，以接收直流输入电压Vin。直流转交流级201包括可交替导通的开关管对。该开关管对耦接至谐振腔202，并经谐振腔202耦接至变压器T的原边绕组。变压器T的副边绕组与原边绕组交换功率，耦接至交流转直流级203。在一个实施例中，交流转直流级203包括半桥结构或全桥结构的开关管对，在滤波电容器Cout的两端提供输出电压Vout。

输出电压Vout可通过分压电路204来检测。分压电路204接收输出电压Vout，在输出端输出分压电压Vdiv。迟滞比较器205耦接至分压电路204的输出端以接收分压电压Vdiv，将分压电压Vdiv与参考电压进行迟滞比较，以控制对应的输出电压Vout在一预设范围内，并在其输出端产生第一方波信号CMP。在一个实施例中，当输出电压Vout增大至第一阈值电压VTH，迟滞比较器205的输出变为低电平，即第一方波信号CMP由高电平变为低电平。当输出电压Vout减小至第二阈值电压VTL，迟滞比较器205的输出变为高电平，即第一方波信号CMP由低电平变为高电平。

数字隔离电路206具有第一输入端和第一输出端，其中第一输入端耦接至迟滞比较器205的输出端以接收第一方波信号CMP，基于第一方波信号CMP，数字隔离电路206在第一输出端产生第二方波信号SP。第二方波信号SP与第一方波信号同步，但电气隔离。第一方波信号CMP与第二方波信号SP均具有两个电平：高电平和低电平。与现有技术中的光耦相比，数字隔离电路206可以提供更好的可靠性、更快的信号传输以及更佳的参数稳定性能等优点。数字隔离电路206的输出，即第二方波信号SP要么为高电平，要么为低电平，完全不存在像光耦输出的那种模糊不清的输出状态，同时可以提供精确的输出门限设定。

振荡器207用于提供具有一频率fclk的时钟脉冲信号CLK。原边脉宽调制电路208具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至数字隔离电路的输出端以接收第二方波信号SP，第二输入端耦接至振荡器207的输出端以接收时钟脉冲信号CLK。响应于第二方波信号SP高电平期间的时钟脉冲信号CLK，原边脉宽调制电路208在输出端产生原边脉宽调制信号PWM控制LLC谐振变换器300的切换运行。当第二方波信号SP具有低电平时，原边脉宽调制电路208停止隔离谐振变换器200的切换运行。在一个实施例中，原边脉宽调制电路208提供原边脉宽调制信号PWM来驱动直流转交流级201中的开关管对。在其他实施例中，脉宽调制电路208可支持半桥或全桥结构。例如直流转交流级201包括LLC半桥或者LLC全桥。

在一个实施例中，隔离谐振变换器300进一步包括第一和第二驱动电路。响应于第二方波信号SP高电平期间的时钟脉冲信号CLK，第一和第二驱动电路用于驱动直流转交流级201中的开关管对。在一个实施例中，原边脉宽调制电路208输出互补的、具有50％占空比的栅极控制信号，通过第一驱动电路和第二驱动电路来控制LLC半桥电路的切换运行。

图4是根据本发明一实施例的图3所示隔离谐振变换器300的工作波形图。图3所示的隔离谐振变换器300实现了原边控制。在运行中，当输出电压Vout增大至第一阈值电压VTH，第一方波信号CMP从高电平变为低电平。几乎在同时，数字隔离电路206输出的第二方波信号SP也从高电平变为低电平。在第二方波信号SP的高电平期间，原边脉宽调制电路208被配置为传递时钟脉冲信号CLK至驱动电路，以提供互补的不交叠的原边脉宽调制信号PWM，驱动直流转交流级201的开关管对。

在运行时，如果隔离谐振变换器300的输出电压Vout减小至第二阈值电压VTL，第一方波信号CMP由低电平变为高电平。几乎在同时，数字隔离电路206输出电第二方波信号SP也从低电平变为高电平。在第二方波信号SP的低电平期间，时钟脉冲信号CLK被阻断，直流转交流级201中的开关管对被关断。

与图1或2中的隔离谐振变换器相比，图3所示的隔离谐振变换器300可以提供更快更精确的隔离反馈运行，既不需要图2所示的模数转换器和数模转换器，同时也不需要误差放大器以及补偿网络。因此，整体系统成本可以降低，系统功率尺寸减小，物料清单也减少了。

图5是根据本发明又一实施例的具有固定输出纹波的隔离谐振变换器400的电路原理图。图5所示的隔离谐振变换器400与图3所示的隔离谐振变换器300的不同之处在于数字隔离电路206A进一步具有第二输入端和第二输出端，其中第二输入端耦接至原边脉宽调制电路208的输出端，第二输出端耦接至位于副边侧的交流转直流级203。数字隔离电路206A用于进行原边侧与副边侧之间的信息通讯。从副边侧到原边侧的反馈信息经由第一路径传送，从原边侧到副边侧的控制信息经由不同于第一路径的第二路径传送。在图5所示的实施例中，原边脉宽调制电路208进一步经由数字隔离电路206A提供副边脉宽调制信号以控制交流转直流级203中的开关管。

在一个实施例中，变压器T包括空气磁芯的印制电路板变压器，与数字隔离电路206一起，集成在芯片的内部，因此可以实现一体化的集成的隔离谐振变换器芯片，在低功率应用中表现得特别优秀。

在一个实施例中，为了考虑负载情况或输入电压Vin的情形，第二方波信号SP的高电平时长被检测，并与一时间参考相比较。如果隔离谐振变换器300输出端驱动的负载变轻，或者输入电压Vin增大，输出电压Vout的上升速率会大于期望值，滤波电容器Cout两端的输出电压Vout从第一阈值电压VTH减小到第二阈值电压VTL所需的时间变短，第二方波信号SP高电平的持续时长会小于时间参考。然而，在现有技术中，负载变化情况常常需要输出电压调节环路输出的电压误差信号来反映，而输出电压误差调节环路包括具有补偿网络的误差放大器和光耦(例如图1所示)，因此系统对负载突变情况反应较慢。此外，现有技术中还需要额外的输入电压检测电路来实时获取输入电压的变化情况。而在本发明中，输入电压与负载的变化情形，会快速体现在第二方波信号SP的高电平时长的长度变化上。

图6是根据本发明再一实施例的具有固定输出纹波的隔离谐振变换器500的电路原理图。图6所示的隔离谐振变换器500与图3所示的隔离谐振变换器300的不同之处在于，隔离谐振变换器500进一步包括位于原边侧的计时器209和限频电路210。计时器209具有输入端和输出端，其中输入端耦接至数字隔离电路206的第一输出端以接收第二方波信号SP，计时器209测量第二方波信号高电平的持续时长，并在其输出端产生时长控制信号tctrl。振荡器207耦接至计时器209的输出端以接收时长控制信号tctrl，基于时长控制信号tctrl，振荡器207调节时钟脉冲信号CLK的频率fclk。

在图6所示的实施例中，限频电路210耦接至振荡器207以限制时钟脉冲信号CLK的频率fclk在合适的频率范围内，以减少损耗。在一个实施例中，时钟脉冲信号CLK的频率fclk被限制在最大频率FMAX与最小频率FMIN之间。因此，隔离谐振变换器300的开关频率也随之被限制在该频率范围内。在一个实施例中，对于一个精心设计的LLC谐振电路，其开关频率应当尽量在LLC谐振腔的串联谐振频率附近变化。

在工作中，一方面，如果负载变轻，输出电压Vout增大的速率大于期望值，第二方波信号SP高电平的持续时长会小于最小限定时长Tmin，振荡器209将时钟脉冲信号CLK的频率fclk增大一预设值Δf，因而减少传递至副边侧的功率。在一个进一步的实施例中，如果负载进一步变轻，第二方波信号SP继续小于最小限定时长Tmin，时钟脉冲信号CLK的频率fclk将会持续增大。为了防止超高频的情况发生，根据本发明的实施例，隔离谐振变换器500的谐振电路的开关频率被最大频率FMAX限制。这是因为，如果谐振电路的开关频率，增大到非常高的值，例如远大于串联谐振频率，频率上大的改变对功率传输的影响不大。因此，当时钟脉冲信号CLK的频率fclk增大至最大频率FMAX时，即使负载继续变轻，限频电路210将时钟脉冲信号CLK的频率fclk锁定，不再增大。

另一方面，如果负载变重，输出电压Vout增大的速率小于期望值，第二方波信号SP高电平的持续时长会大于最大限定时长Tmax，振荡器209将时钟脉冲信号CLK的频率fclk减小一预设值Δf，因而增大传递至副边侧的功率。在一个实施例中，当时钟脉冲信号CLK的频率fclk减小到最小频率FMIN，即使负载进一步加重，限频电路210将最小频率限定在最小频率FMIN，不再进一步减小。在一个实施例中，例如，LLC谐振变换器，最小频率FMIN大于LLC谐振电路的并联谐振频率，以保证谐振电路工作在感性区间，不会进入容性模式。

图7是根据本发明一实施例的用于隔离谐振变换器的控制方法600的流程图。该控制方法600包括步骤S601～S605。

在步骤S601，使用迟滞比较器控制隔离谐振变换器的输出电压在一预设范围内，并产生第一方波信号。第一方波信号具有第一电平和第二电平。在一个实施例中，当输出电压增大至第一阈值电压时，第一方波信号为第二电平；当输出电压减小至第二阈值电压时，第一方波信号为第一电平。在一个实施例中，第一电平为低电平，第二电平为高电平。在其他实施例中，第一电平和第二电平也可以根据应用需要有所变化。相应低，其对应的电路逻辑也需要适应性的调整。

在步骤S602，经数字隔离电路产生与第一方波信号电气隔离的第二方波信号。第二方波信号也具有第一电平和第二电平。在一个实施例中，第一方波信号与第二方波信号同步。

在步骤S603，产生具有一频率的时钟脉冲信号。在一个实施例中，当第二方波信号为第一电平的时长超过最大限定时长时，时钟脉冲信号的频率被减小一预设值；当第二方波信号为第一电平的时长小于最小限定时长时，时钟脉冲信号的频率被增大一预设值。

在步骤S604，响应于第二方波信号为第一电平期间的时钟脉冲信号，控制谐振变换器的切换运行。在一个实施例中，例如对于具有LLC谐振腔的LLC谐振变换器，在第二方波信号为第一电平期间，传送时钟脉冲信号到驱动电路，以交替驱动LLC谐振腔半桥结构中的开关管对。

在步骤S605，在第二方波信号为第二电平期间，停止谐振变换器的切换运行。在一个实施例中，耦接至LLC谐振腔的半桥结构中的开关管对被关断。

在一个实施例中，时钟脉冲信号的频率被限制在最小频率与最大频率之间，以减小损耗。

注意，在上文描述的流程图中，框中所标注的功能也可以按照不同于图7中所示的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这取决于所涉及的具体功能。

在说明书中，相关术语例如第一和第二等可以只是用于将一个实体或动作与另一个实体或动作区分开，而不必或不意味着在这些实体或动作之间的任意实体这种关系或者顺序。数字顺序例如“第一”、“第二”、“第三”等仅仅指的是多个中的不同个体，并不意味着任何顺序或序列，除非权利要求语言有具体限定。在任何一个权利要求中的文本的顺序并不意问这处理步骤必须以根据这种顺序的临时或逻辑顺序进行，除非权利要求语言有具体规定。在不脱离本发明范围的情况下，这些处理步骤可以按照任意顺序互换，只要这种互换不会是的权利要求语言矛盾并且不会出现逻辑上荒谬。

上述的一些特定实施例仅仅以示例性的方式对本发明进行说明，这些实施例不是完全详尽的，并不用于限定本发明的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本发明所公开的实施例的其他变化和修改并不超出本发明的精神和保护范围。