控制设备和集成在硅芯片中的电路制造技术

本实用新型专利技术涉及控制设备和集成在硅芯片中的电路。描述了一种用于控制具有输出直流电流的谐振转换器的开关电路的控制设备；开关电路至少包括至少第一晶体管和第二晶体管的半桥，第一晶体管和第二晶体管连接于输入电压和参考电压之间。半桥适于产生用于驱动谐振转换器的谐振电路的周期方波电压，周期方波电压在对应于输入电压的高电压和对应于参考电压的低电压之间振荡。控制设备包括发生装置，适于产生用于驱动半桥的方波信号。控制设备包括测量装置，适于测量由发生装置产生的周期方波信号和流过谐振电路的电流之间的相移，并且适于当相移超过第一相移值时控制半桥的截止。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及用于谐振转换器的控制设备。
技术介绍
现有技术中已知具有用于其控制的设备的开关转换器。谐振转换器代表以存在谐振电路为特征的范围广泛的开关转换器，谐振电路在确定输入输出功率流的过程中起到积极的作用。在这些转换器中，由四个(或两个)电源开关(典型地为功率M0SFET)组成的通过直流电压供电的桥(或半桥)产生方波电压，该方波电压应用于调谐到与所述方波的基本频率接近的频率的谐振电路。因此，由于其选择性特征，谐振电路主要对该基本分量做出响应，并且忽略对方波的较高阶谐波的响应。结果是，可能通过改变方波频率来调制循环功率，保持占空比恒定为50%。而且，依赖于谐振电路的配置，与功率流相关联的电流和/或电压具有正弦形状或分段正弦形状。 要对这些电压进行整流和滤波，从而将DC电源提供给负载。在离线应用中，为了符合安全规范，向负载供电的整流和滤波系统通过上述规范要求的方式与谐振电路耦合，该方式使用变压器提供源和负载之间的隔离。正如在所有隔离的网络转换器中，也是在这种情况下，连接到输入源的初级侧(有关于变压器的初级绕组)与通过整流和滤波系统向负载供电的次级侧(有关于变压器的次级绕组)被区分开。在许多类型的谐振转换器中，所谓的LLC谐振转换器被广泛使用，特别是其半桥版本。名称LLC来源于采用两个电感器(L)和ー个电容器(C)的谐振电路；图I显示了 LLC谐振转换器的原理图。谐振转换器I包括晶体管Ql和Q2在输入电压Vin和接地电压GND之间组成的半桥，该半桥由驱动电路3驱动。晶体管Ql和Q2之间的公共端子HB连接到电路块2，电路块2包括串联的电容器Cr、电感Ls和另ー电感Lp，另ー电感Lp与次级具有中心抽头的变压器10并联连接。变压器10的具有中心抽头的次级的两个绕组连接到两个ニ极管Dl和D2的阳极，这两个ニ极管的阴极都连接到电容器Cout和电阻Rout的并联上；谐振转换器的输出电压Vout施加于所述并联两端,而DC输出电流Iout流过Rout。与传统的开关转换器(非谐振控制的，典型地为PWM-脉宽调制)相比，谐振转换器提供相当大的优势波形没有陡峭边缘，在电源开关中由其“软”切换带来的低开关损耗，高转换效率(95%以上是容易达到的)，高频下操作的能力，产生低EMI (电磁干扰)，以及最终的高功率密度(即能够构建有能力在相对小的空间内处理相当大的功率电平的转换系统)。如在大多数DC-DC转换器中那样，当操作条件(即其输入电压Vin和/或输出电流lout)改变时，闭环负反馈控制系统保持转换器的输出电压恒定。这通过将部分输出电压和參考电压进行比较来实现；输出电压感测系统(通常为电阻分压器)提供的值与參考值之间的差值信号或误差信号由误差放大器放大，该误差放大器的输出修正转换器内部的量X，并且转换器在每个开关循环期间传送的能量实质上依赖于该误差放大器。在谐振转换器中，这种重要的量是激励谐振电路的方波的开关频率。对于开关转换器的许多应用、因此也对于使用谐振转换器的应用来说，其共同要求是也在低负载时优化转换效率(即输出功率和输入功率之间的比率)和/或当负载为零时最小化从源提取出的功率，以便符合节能规范(例如，EnergyStar、CEC、Eu CoC等)。为了优化低负载时的效率并且最小化零负载时吸收的功率，在所有开关转换器(谐振或非谐振的)中广泛实施的技术是其中开关转换器在所谓“突发模式”中操作。根据该操作模式，转换器以间歇性的方式在时间间隔隔开的一系列开关循环(突发)中操作，在该时间间隔内转换器不切換。当负载低至使开关转换器操作于突发模式时，转换器不切换的时间间隔在初始时是相当短的；随着负载降低，这些间隔变长突发的持续时间減少，突发的时间距离増大。因此，平均开关频率显著降低，并且相应地，与转换器的寄生元件的开关相关联的损耗降低，而且与变压器的磁化电流的流动相关联的损耗也降低，与变压器的磁化电流的流动相关联的损耗代表低或非常低 负载条件下的功率损耗的主要部分。在所有已知的实施例中，当转移功率下降到预先设立的水平之下时，产生进入这种突发模式的入口。同一反馈控制环路控制连续的突发，以使转换器的输出电压总是保持在控制之下。鉴于使用的控制方法，在脉宽调制控制(PWM)转换器中，存有在转换器中运送的功率水平和控制量之间的直接关系，因此以下文描述的方式通过使用磁滞比较器简单地提供突发模式的操作。当控制变量小于预先设立的阈值时，转换器截止。由于能量流停止，输出电压因为负载低而开始慢慢降低。反馈环路通过提高控制电压对输出电压的这种降低做出反应，并且当控制电压比前述阈值高出等于该磁滞的量时，转换器再次导通。由此，输出电压提高，并且因此也由于反馈环路，控制电压再一次降低。所述电压一返回到预先设立的阈值之下，转换器就再次截止，以此类推。在市场上用于谐振DC-DC转换器的所有控制集成电路中，控制直接操作于半桥的振荡频率(直接频率转换器，DFC)。在用于谐振转换器的控制系统中，以与PWM控制器中使用的方式相同的方式实现突发模式操作，该方式为在磁滞比较器中对控制电压和參考进行比较。图3显示了STMicroelectronics (意法半导体)的集成控制电路L6599的突发模式的实现电路。在这个设备中，开关频率由适于通过信号驱动来驱动晶体管Ql和Q2的电流控制振荡器(CCO)确定，通过使用电阻器Rl(当在光耦合器的光电晶体管中流过的电流为零吋，Rl设置最小操作频率)和R2(R2确定设备进入突发模式时的频率)对该开关频率编程，R1、R2与在管脚处可用的參考电压Vr—起，定义了连接到管脚CF的计时电容器Cl的充/放电电流。当源自光电晶体管TC的电流使得其集电极端子上的电压(即被引到管脚B的电压)小于阈值电压Vh吋，比较器C09的输出变高，因此抑制振荡器CC0，并且因此将开关Ql和Q2都截止，从而截止半桥。当由于控制环路的反作用导致这样的电流降低从而使得在管脚B的电压比阈值Vh高出等于比较器C09的磁滞的量时，其输出变低，这样重新触发了振荡器CC0，而且确定了晶体管Ql和Q2的重新导通、并且因而确定了半桥的重新导通。在市场上的可利用的其他控制器中，以类似的方式提供这样的功能。由于被控制量是频率，而且在谐振转换器中频率随着负载降低而提高，所以利用所述集成控制器的转换器在其操作频率超过预先固定的值(在图3中由电阻R2来编程)时，将进入突发模式操作。不幸的是，谐振转换器中的频率并不仅依赖于负载，而是还(特别地)依赖于输入电压。相反，在反馈控制谐振转换器中，与负载变化相比输入电压的变化更会导致开关频率改变。另ー个问题是，由于谐振电路(图I中的Cr、Ls和Lp)的特征參数的统计离差，而该统计离差是由特征參数的限差导致的，所以用于指定的输入和负载电压条件的操作频率可能具有显著变化。结果是以突发模式操作的频率操作的转换器的功率水平可能具有显著变化，并且具有依赖于输入电压变化和前述的參数离差效应的低生产重复性。所有这些在图4A和图4B的图表中清晰可见，图4A和图4B中显示，当负载按百分比由1%变化到10%时，在參考LLC谐振转换器中，频率f(单位为kHz)依赖于针对输出电压Pout的固定值的输入电压Vin (图4A);而且当负载按百分比由1%变化到12%时，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
2010.10.25 IT MI2010A0019691.ー种控制设备(30)，用于控制具有输出直流电流(Iout)的谐振转换器(I)的开关电路(Ql，Q2)，所述开关电路(Ql，Q2)至少包括至少第一晶体管(Ql)和第二晶体管(Q2)的半桥，所述第一晶体管和所述第二晶体管连接在输入电压(Vin)和參考电压(GND)之间，所述半桥适于产生用于驱动所述谐振转换器的谐振电路(300)的周期方波电压，所述周期方波电压在对应于所述输入电压的高电压和对应于所述參考电压的低电压之间振荡，所述控制设备(30)包括适于产生用于驱动所述半桥的周期方波信号(Vpwm)的发生装置￠)，其特征在干， 所述控制设备包括測量装置，所述测量装置适于测量由所述发生装置(6)产生的所述周期方波信号(Vpwm)和流过所述谐振电路的电流(Is)之间的相移(Φ，Vtc),并且适于当所述相移超过第一相移值(Vth，ΦΛ)时控制所述半桥的截止。2.根据权利要求I所述的设备，其特征在于，所述设备包括适于使所述半桥在其截止后再次工作的另ー装置(102)。3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述另ー装置(102)包括第一装置(S/Η)，具有第一输入信号(Vx)，所述第一输入信号代表来自所述谐振转换器的输出电压(Vout)和另ー參考电压(Vref)之间的差，并且适于通过提供第二信号(Vxc)来对所述第一信号(Vx)进行采样；以及第ニ装置(CO)，适于比较所述第一信号和所述第二信号，并且适于当所述第一信号(Vx)超过所述第二信号(Vxc)预先固定的量时发送所述半桥(Ql，Q2)的激活信号(复位)。4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述第三装置(CO)为磁滞比较器，并且所 >述预先固定的量是所述比较器的磁滞量。5.根据权利要求I所述的设备，其特征在干，适于测量由所述发生装置(6)产生的方波信号(Vpwm)和流过所述谐振电路的电流(Is)之间的相移(Φ)的所述测量装置(200)包括适于提供代表所述相移的电压信号(Vtc)的另ー装置(C01 ,XOKItc,Rtc,Ctc),所述电压信号(Vtc)具有作为时间周期(Tz)的函数的值，所述时间周期在达到所述方波信号(Vpwm)的高电压值和流过所述谐振电路的所述电流过零之间，或者在达到所述方波信号(Vpwm)的低电压值和流过所述谐振电路的所述电流过零之间；所述测量装置包括比较装置，用于比较所述电压信号(νφ)和代表所述第一相移值(Oth)的第一电压值(Vth)。6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述另ー装置(C01，X0R,Ιφ, Rtc, Ctc)包括比较器(CO)，在输入端具有代表流过所述谐振电路(300)的电流(Is)的第一信号(Vs)和接地(GND)，并适于检测所述第一信号(Vs)的过零；异或门(XOR)，在输入端具有所述周期方波信号(Vpwm)和所述比较器的输出信号(ZCD)，并适于发出仅在所述时间周期(Tz)内具有高逻辑电平的输出信号(X)，所述时间周期(Tz)在达到所述方波电压(Vpwm)的高电压值和流过所述谐振电路的所述第一信号(Vs)过零之间或者在达到所述方波信号(Vpwm)的低电压值和所述第一信号(Vs)过零之间，自所述异或门输出的信号(X)适于驱动电压发生器(し，‘，。)，所述电压发生器用于仅当所述异或门的所述输出信号(X)处于高逻辑电平时产生所述电压信号(Vtc)。7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述电压信号(Vtc)在电容器(Ctc)两端产生，所述控制设备(30)包括适于在所述半桥(Q1，Q2)的一个截止和另ー个截止之间的时间间隔期间...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·阿达格纳，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：实用新型
国别省市：