谐振功率变换器的备用运行的制作方法

专利名称：谐振功率变换器的备用运行的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电源。特别是，本发明涉及一种谐振型电源的备用模式的运行。
而且，本发明涉及几乎没有附加成本的谐振型电源的备用电源，其具有低功率损耗。
本发明特别涉及需要正常电源以及低功率备用模式的设备，例如消费电子设备。
背景技术：
在使用谐振电源的诸如消费或者办公电子设备之类的大量应用中，低功率备用(LPS)功能是相当新的。在现有技术中对于谐振型电源(典型为LLC型变换器)的备用运行已经考察了几种构思。
在第一构思中，电源接近它的空载点运行。因此，对于谐振型电源在最大电源电压的最大切换频率的情况中，将仍然存在引起半桥和变压器中损耗的相当大的无功电流(尤其是在针对全球电源的设计中)。这种损耗将是由于在这种电源的驱动器和变压器中损耗的频率相关性。在这种模式中的损耗可能是所需备用功率的几倍。
在第二构思中，谐振型电源以突发模式运行来运行。在这种情况中，周期性地完全切断谐振型电源。在接通过程中，不能避免硬切换。另外，在突发模式运行中的控制环仅在不能变换功率的时隙之后不久才锁定。这进一步降低了功率变换的效率，并且它需要更大的输出滤波器。设计突发模式运行将花费相当大的努力。
最后一个构思需要附加变换器，该附加变换器仅在备用模式中是可运行的。显然，这带来了附加的部件和成本。

发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种包括备用电源和/或轻载运行模式的谐振电源。
本发明的另一个目的是提供一种包括具有很少功率损耗的备用电源的谐振电源，其几乎没有任何附加成本并且易于设计。
本发明的另一个目的是提供一种可以以低负载驱动并且显示出大大降低的功率损耗的谐振电源。
本发明的还一个目的是提供一种用于谐振电源的电源驱动器集成电路，该谐振电源包括备用电源和/或轻载运行模式。
本发明的又一个目的是提供一种具有谐振电源的系统，该谐振电源包括备用电源。
本发明的又一个目的是提供一种控制谐振电源的方法，该谐振电源包括备用电源和/或轻载运行模式。
为了实现这些和其它的目的，本发明人在一个优选实施例中提出一种谐振电源，该谐振电源以亚临界模式(即远远低于谐振频率(f0))运行，但是保持零电压切换，因此切换实际上是无损耗的。避免了启动损耗，这在任何突发模式运行中由于硬切换事件而将永久出现。
在另一优选实施例中，本发明人提出切断一个或者多个输出，同时保持备用模式的一个或者多个输出(在具有至少两个输出的变换器的情况中)。这将节省谐振电源二次侧的电源开关。在相关专利申请中已经描述了具有双输出控制的谐振电源(参见代理人案卷PHDE010138和PHDE010249)。
常规谐振电源设计主要是由在最大输入电压时空载或者轻载运行来确定的。由于在所提出的亚临界运行模式中可输送的功率同样可以包含这样的轻载运行，所以变换器设计仍旧只是处理额定和峰值功率。这又导致简化的变压器并最终导致逆变器电流降低。
根据下文所述的实施例，本发明的这些和其它方面将是显而易见的，并将参考所述实施例对其进行阐明。


参考附图，现在将借助于实例来更详细地描述本发明，其中图1a示出具有不接地(左)和接地谐振电容器(右)的谐振电源的典型图；图1b示出在远远高于谐振时运行的谐振电源的(现有技术)典型低负载(或者备用)波形；图2a示出根据本发明的谐振电源的组成块；
图2b示出根据本发明的优选方式以低于谐振频率几倍的亚临界低负载(备用或者低负载)运行的谐振电源的波形；图3示出根据本发明在谐振电源的t0和t1之间图2的波形细节；图4示出根据本发明具有两个半波整流输出的谐振电源，其具有在备用模式中不需要输出电源开关的备用模式；图5示出根据本发明的谐振电源的正常和备用模式运行的流程图；图6示出根据本发明的谐振电源的备用模式运行的流程图；以及图7示出根据本发明的谐振电源的备用模式运行切换的流程图。
在所有附图中，相同的附图标记是指相同的元件，或者是执行基本上相同功能的元件。
具体实施例方式
这部分描述用于实现本发明的最佳方式的详细说明。
图1a示出具有不接地(左)和接地谐振电容器(右)的谐振电源100。谐振电源100包括驱动器/控制器102、半桥104、变压器106和输出/负载108。在电源100中，通过半桥104(具有S1，S2)形成逆变器，这是最常见的结构。本领域技术人员将会理解，本发明还可以应用于全桥变换器。全桥变换器对于需要较高输出功率和/或通用电源输入电压的应用可能是有利的。也可以采用其它结构。
图1b示出在谐振电源100的备用运行时现有技术的特征波形。图1b示出电容器(输入)电流IC 152、反射的输出电流Io(x 10)154、电容器电压VC(粗体)156、开关节点电压VS 158、驱动器电压VD1160和驱动器电压VD2 162。因为只有一小部分Io被变换到输出，所以大部分电容器电流IC是无功的。
图2a示出根据本发明的谐振电源的组成块250。组成决250包括控制块252(例如SBM控制备用模式控制)、驱动器254和由半桥256(它包括开关S1和S2、公共结构)形成的逆变器。代替半桥，全桥也是可能的，并且对于较高输出功率和/或通用电源输入电压而言可能是有利的。
关于实施，块的任何组合都可以形成单独的IC(集成电路)。最优选的解决方案将是控制块252和驱动器254的集成或者全部三个块252、254和256的集成。这种IC优选可以包括更多的功能，比如它自己的电源装置、在正常运行中的输出电压控制、过载保护(电压、电流、功率、温度)、电容模式保护等等。为了清楚的原因，仅仅示出了输入和输出信号以及用于控制块252的信号处理块。还可能为了其它功能而已经采集了一些信号。例如，VC可以用于过功率保护。Vo(在谐振电源具有单个输出情况中的输出电压)已经通常用于输出电压控制。检测信号VC和V-out并提供给控制块252的方式是本领域技术人员公知的。
所提出的SBM尤其是指驱动和检测谐振电源，正如用下面的附图所示出和解释的。在典型实施例中，在谐振电源的电路中不需要附加元件。
模式可以指示需要下列运行之一a)备用，b)正常运行。例如，两种附加的可选运行模式c)启动和d)轻载可以从VDC和/或V-out得到，或者还可以由模式信号来确定。
VC被用于监视谐振电源的过渡状态，以便确定切换次数。尽管检测谐振电容器的电压或许是最廉价的方式，但是可选地测量电容器的电流也是可能的。在这种解决方案的情况中，必须调整下述的信号处理VC的最大值转变成IC的负零交叉，以及负值对应于VC到IC的最小值的零交叉。
Vo是在谐振电源具有单个输出的情况下的输出电压。在DOC(双输出控制)的情况中，Vo或者再次是单个输出电压(也就是提供备用的一个)，或者V-out包括两个输出电压Vo1和Vo2，它们是DOC的直接控制输出电压。后一选项用于启动和轻载模式。(控制器实际上需要的值而是控制误差ΔVo＝Voref-Vo；因此通常不反馈Vo，而是反馈ΔVo)。
VDC最可能已经是控制器/驱动器IC的电源输入。然而，它还可能用作用于启动模式的信号。
T-on是开关S1的接通时间信号(由于门延迟和上升次数，所以实际的接通时间通常是不同的)。
T-off是开关S2的接通时间信号。
T-d是所谓的静寂(dead)时间，此时认为没有开关是导通的。这三个参数是电源的控制变量。如果不需要SBM模式，上述的其它功能接管控制，或者在保护功能的情况中，它们可以同时有效。
图2b示出根据本发明的实施例提出的以低于谐振频率几倍的亚临界低负载(例如备用)运行。图2b示出电容器(输入)电流IC 202、反射的输出电流Io 204、电容器电压VC(粗体)206、开关节点电压VS 208、驱动器电压VD1 210和驱动器电压VD2 212。接通时间起到控制变量的作用。(例如)，仅仅在其峰值和零交叉方面参考电容器电压VC，关断时间(Toff)仍然安排用于半桥的零电压切换。在图2b中，对于相同的变换器和从应用所提出的控制方案产生的相同的时间周期显示对应的电流和电压波形。
图3更详细地示出图2b的一个切换操作。图3示出电容器(输入)电流IC 302、反射的输出电流Io 304、电容器电压VC(粗体)306、开关节点电压VS 308、驱动器电压VD1 310和驱动器电压VD2 312。接通时间周期确定输送给输出的备用功率。当Ton大于P时，输出较大；反之亦然。因为Toff使得能够通过测量未达到给定阈值VC0th的VC0而只在维持ZVS的VC的负零交叉以及在给定最小所需感应电流IC0时进行切换。通过保持开关S2闭合(VD2为高)和S1断开(VD1为低)来实现备用模式(SBM)，这导致了具有一定阻尼的LC振荡器的波形。在该时间期间监控电容器电压VC。如果其峰值VC0由于阻尼而未达到给定阈值VC0th(在时间Toff0之后)，则一检测到VC的下一负零交叉(在另一时间Toff1之后)就接通桥。以已知的方式调整静寂时间。S1的接通时间Ton被用作控制SBM中的输出电压的变量，因为它确定输送给输出端的能量。阈值VC0th对应于电容器(输入)电流IC的负峰值，并保证零电压切换。它是由为开关S1和S2指定的谐振电容器和输出电容Coss确定的。
IC0可以用于启动所谓的软切换或者更特殊的ZVS。这意味着，当切换上/下开关S1/S2时，在切换事件之前电流立即流过MOSFET的体二极管(或者固有的体二极管)(或者在双极的情况中流过分立的二极管)。因此根据连接到开关节点的串联电容器，电流IC必须显示负/正号。由于开关的寄生电容(所谓的Coss，或者输出电容)，所以在正向偏置二极管之前，需要最小电流以对该电容进行完全充电/放电。极限值是所需的电荷量。因此，最小电流依赖于静寂时间和开关的Coss特性。另一方面，为了限制以最大负载运行时在开关节点的最大dvdt，有时甚至将附加的电容器并联连接到开关(缓冲器电容)。
VC0th控制暗示着，在输出端需要极低功率的情况中(假如说低于10mW)，可能将频率(VC0th)降得太多，以至于在切换事件之前可能没有剩下足够的电流IC0以用于完整的ZVS。然而，这仍然比硬切换好。
在图2b的例子中所提出的亚临界模式中的切换频率是1/(Ton+Toff)，大约为31kHz，这与在图1b的现有技术中的350kHz相对。与图1b中所示的常规(现有技术)低负载运行相比，在同一输出功率的切换频率已经减少到小于9％，以及初级电流的rms值减少到35％。包括LLC变换器的谐振电源具有谐振频率(或者所谓的“空载谐振”)f0＝1/(2 pi sqrt(C*(Ls1+Lm)))，其中C是谐振电容，Lm是互感，以及Ls1是初级串联电感。如果负载电流是零，则谐振频率(f0)是变换器的谐振(特征)频率。正常运行时的切换频率总是大于f0(即超过临界)，但是它取决于设计、规范和运行条件。在高的耦合、增益和输出功率的情况中，它可能接近于f0。在低的耦合、增益和输出功率的情况中，它可能上升到比如说10。在已知的启动控制方式中，启动切换频率甚至可以高于额定最大正常(稳态)切换频率的几倍，这由最小输出功率在最大输入电压时(即最小增益)给出。
SBM运行频率通常在f0之下。
在SBM中，利用小于负载谐振频率的一半周期的脉冲来激励变换器。在该脉冲之后，变换器或者立即以谐振频率振荡(在除了启动之外的所有情况中)，或者以负载谐振振荡另外几个周期，然后以空载谐振继续振荡。
由于SBM方法假定了适度阻尼的系统，所以在SBM切换事件之间的周期的数量可以是2到20(2指的是启动模式，其它的是4到20)。
在SBM中，只有在图1a中变换器的一个输出整流二极管是导通的，因为根据用于激励变换器的极限占空比，在变压器的主电感上的电压变得高度不对称。
图4示出利用了前两段中描述的情况的谐振电源400的另一实施例的相关变换器(相关变换器)。谐振电源400包括驱动器/控制器402、半桥404、变压器406和输出/负载408。谐振电源400(用双输出控制或者DOC示出)在一个输出端(Vo2)经历准关断，同时在另一输出端Vo1保持它的额定电压。图4示出具有两个半波整流输出端(DOC)的谐振电源400。在输出端Vo1的备用运行期间，电压Vo2减少到它的额定值的大约1/10。因此，可以节省电源开关(如果在备用模式中该输出端必须与负载断开，则通常采用电源开关)。在DOC的情况中，输出滤波器已经适用于具有半波整流波形的额定运行。在那种情况中，至少在电解类型的情况中，纹波电流通常确定电容器的尺寸，以使所得到的纹波电压是可以忽略的。在现有技术(PHDE010138，PHDE010249)中已经描述了具有双输出控制的谐振型电源。当在常规谐振电源中的备用模式中输出端必须与负载断开时，通常需要输出开关。
本发明的另一优选实施例包括控制方法的变化。保持脉冲长度恒定并改变切换频率也可以控制SBM的输出电压。该方法的优点是可以将脉冲长度设置为实际的最小值。上述反馈的优点是总是保证最小电流运行。
可以利用S1和S2的反向信号来应用类似的控制方案。这意味着，按照默认，S1导通和S2闭合仅仅一个脉冲。然后，VC以相同振幅振荡，但是偏移不是大约为零，而是等于稍微低于半桥的dc输入电压。
图5示出根据本发明的谐振电源的正常和备用模式运行的流程图。SBM控制(驱动顺序)。
SBM运行具有亚临界Ton控制的零电压切换。图5描述了表示优选SBM运行的三个层次等级的三个流程图的第一个。图5描绘了运行的最高层次等级。假定系统运行在正常运行模式(例如系统提供典型输出功率)，状态NOM 502，它可能是控制器的默认状态，它可以通过三个条件切换到状态SBM(备用模式)510。第一个条件是启动条件SUC 504。SUC 504或者从外部设置，或者还通过评估控制误差(Δvo＝voref-vomes)和/或逆变器的中间dc链路电压Vdc从内部得到。进一步的条件是备用情况，它或者从外部设置并在条件ExtSBMC 506中检查，或者再次从内部得到，例如通过监控在正常运行模式中的切换频率fs。当fs超过某个极限(例如在全负载时额定fs的1.2到2倍)时，满足条件intSBM1 508。没有必要进一步在额定备用模式运行和轻载运行之间进行区别。一旦已经启动了SBM，在其中检查进一步的条件以返回到状态NOM 502。
图6示出根据本发明的谐振电源的备用模式运行的流程图。在图6的流程中在等级上下降地示出了图5的状态SBM 510。SBM中的输出环包括条件intNOMC2的检查600、状态SBMS 602、状态T0n＝Lim604、条件Ton＜＝Tonmin的检查606、状态dec(VC0th)612、条件Ton＞＝Tonmax的检查608和状态inc(VC0th)614。在图6中，稳定地评价条件intNOMC2 600，其决定返回到状态NOM 502。例如，条件intNOMC2 600可以是VC0th-max＜VC0th-min，或者fs＞fsSBM-max，或者参考控制误差。这将在下面进行解释。极限即VC0th-max和fsSBM-max定义了SBM中可输送的最大功率，同时仍然能够保持控制误差实际上为零。然而，在返回到状态NOM 502之前，另一个条件可能不为真，这是条件SUC(启动条件)610的情况。根据预定的时间间隔(脉冲，长得足以用该最大SBM功率对输出电容器充电)，可以通过状态NOM 502设置条件SUC 610。只要它持续，就认为系统以预定功率极限运行在SBM中，而不管瞬时控制误差如何。
图7示出根据本发明的谐振电源的备用模式运行切换的流程图。如果实际状态SBMS 602(SBM切换程序)是有效的(在图7中下降的)，那么具有两个控制变量的递归正在运行。在内环中，在状态Ton＝Lim 604中，例如借助于P、PI或者PID控制器，Ton在控制输出电压。在外环中，监控Ton是否在其预定极限(Ton＜＝Tonmin 606，Ton＞＝Tonmax 608)之一运行。可替换地，可评价对应于Ton的值或者象Δvo之类的相关值。无论如何，Ton在其极限之一的运行指示变换了太多的或者太少的功率(并因此在状态dec(VC0th)612和状态inc(VC0th)614中进行调整)。然而，Ton的限制是不可避免的(在切断时的ZVS条件，在逆变器可获得的最小脉冲长度)。因此，使用第二控制变量。这是SBM切换频率或者两个切换事件之间的振荡周期的数量。在该例子中，使用VO0th作为处理变量。因为可以假设阻尼系统，所以VC0th对应于周期的所述数量。在状态VC0th＝VCOth0 706中以预定值初始化VC0th，根据在Coss方面的逆变器特性，这仍然能使ZVS在SBM中。如果Ton运行在Tonmax/Tonmin，则VC0th(以及由此切换频率)增加/减少。在图7中解释了该过程，其延伸出状态SBMS 602。条件SBMC 702(＝SBM条件之一)一为真，状态SBMS602就开始运行。由于前述状态可以是非运行的或者切断的变换器，所以条件SBMCon 704检测SBMC的上升沿。触发状态Pulse(Ton)712中的初始Ton脉冲，并在状态VC0tb＝VC0th0 706中初始化VC0th。通过状态AND 714中的条件VC0＜VC0th 718来启动状态Pulse(Ton)712。然后可以由驱动器装置将脉冲一直馈送到逆变器，使得变换器将根据VC和如在状态VC，Δvo(system)中所示的更新控制误差进行反应。箭头NOM仅仅指示在额定运行的情况中NOM块控制驱动器电压。在状态VC0＝F(VC)710中对VC进行滤波(例如，如由710中的二极管-R-C所示)，其表示它的峰值，然而，该峰值从振荡周期到振荡周期而减小，这取决于当前阻尼和谐振频率(f0)。根据状态NZC708中的负零交叉检测进一步评价VC。在这种零交叉的情况中，并且如果VC0足够低(如图6的外环所控制)，那么再一次将具有长度Ton(还如那里所控制)的脉冲提供给驱动器(它然后可以进一步引入例如预置的静寂时间)。
前面仅仅说明了本发明的原理。因此将会理解，本领域技术人员将能够设计各种布置，这些布置尽管在这里没有明确描述或者示出，但是体现了本发明的原理并因此在其精神和范围之内。例如，本领域普通技术人员将认识到，在附图中示出的特定结构是为了易于理解而给出的，并且所述各种块的功能可以通过其它块来执行。
考虑到本公开，这些和其它实施例对于本领域普通技术人员而言将是显而易见的，并且被包括在下列权利要求的范围内。
权利要求
1.一种运行谐振电源(100，250，400)的方法，该方法包括-以低于谐振电源的谐振频率的频率(208)切换谐振电源；以及-采用零电压切换(310)，其中该方法适用于下述中的至少一个-谐振电源的轻载运行模式；以及-谐振电源的低功率备用模式。
2.权利要求1所述的运行谐振电源的方法，其中谐振电源包括双输出控制，以及其中谐振电源的输出包括准切断电路。
3.一种用于驱动谐振电源(100，250，400)的集成电路，包括下述中的至少一个-控制块(252)；-驱动器(254)；以及-逆变器(256)，其中该集成电路使得能够-以低于谐振电源的谐振频率的频率(208)切换谐振电源；以及-采用零电压切换(310)，以及其中该集成电路实现下述中的至少一个-谐振电源的轻载运行模式；以及-谐振电源的低功率备用模式。
4.权利要求3所述的集成电路，其中该集成电路使得能够控制包括双输出控制的谐振电源，以及其中谐振电源的输出包括准切断电路。
5.一种谐振电源(100，250，400)，包括-以低于谐振电源的谐振频率的频率(208)切换谐振电源的装置；以及-采用零电压切换(310)的装置，其中该谐振电源使得能够运行在下述的至少一个中-轻载运行模式；以及-低功率备用模式。
6.权利要求5所述的谐振电源，其中谐振电源还包括双输出控制，以及其中谐振电源的输出包括准切断电路。
全文摘要
提出一种使得能够在低负载时以大大减少的功率损耗驱动谐振(LLC)功率变换器来实现备用电源的控制方法。通过低于谐振频率几倍的亚临界运行来实现这种减少，同时仍然保持零电压切换。一个半桥开关(s1)被导通一个短脉冲，在亚临界切换周期的剩余时间中，谐振电流通过另一开关(s2)振荡。通过评价谐振电容器电压来获得零电压切换。脉冲长度确定了备用功率，并被用作控制变量。该电源适用于需要低功率备用电源的消费电子产品。
文档编号H02M3/337GK1954481SQ200580015823
公开日2007年4月25日 申请日期2005年5月11日 优先权日2004年5月18日
发明者R·厄尔弗利希 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司