谐振转换器系统、控制其操作的方法及谐振转换器控制器与流程

谐振转换器系统、控制其操作的方法及谐振转换器控制器优先权本美国非临时性专利申请要求于2013年11月12日提交的名称为“Dual-EdgeTrackingSynchronousRectifierControlTechniquesforaResonantConverter”(用于谐振转换器的双边缘跟踪同步整流器控制技术)的美国临时专利申请No.61/902,961的优先权。上述美国临时专利申请的全部内容以引用方式并入本文。技术领域本发明涉及直流/直流转换器系统，并且更具体地讲，涉及用于谐振转换器的同步整流器控制技术。

技术实现要素：
根据一个方面，提供了一种谐振转换器系统。该谐振转换器系统可包括：变压器电路，所述变压器电路包括初级侧和次级侧；耦合至所述初级侧的第一级电路，所述第一级电路包括具有第一逆变器开关、第二逆变器开关和谐振储能电路的逆变器电路；脉冲频率调制(PFM)控制器电路，其被配置成生成分别控制所述第一和第二逆变器开关的打开和关闭时间的第一驱动信号和第二驱动信号；耦合至所述次级侧的第二级电路，所述第二级电路包括具有分别对应所述第一和第二逆变器开关的第一同步整流器(SR)开关和第二SR开关的SR电路；以及SR控制器电路，其被配置成基于至少所述第一和第二驱动信号以及所述第一和第二SR开关上的电压降生成分别控制所述第一和第二SR开关的所述打开和关闭时间的控制信号。根据另一个方面，提供了一种谐振转换器控制器。该谐振转换器控制器可包括：第一跟踪电路，其被配置成生成第一跟踪信号，所述第一跟踪信号指示从用于控制谐振转换器系统的第一逆变器开关的传导状态的第一驱动信号的上升沿至所述谐振转换器系统的第一同步整流器(SR)开关的SR电流过零瞬间的持续时间，其中所述第一跟踪信号基于至少所述第一驱动信号和所述第一SR开关上的电压降；以及第二跟踪电路，其被配置成生成第二跟踪信号，所述第二跟踪信号指示从所述第一驱动信号的下降沿至所述第一SR开关的所述SR电流过零瞬间的持续时间，其中所述第二跟踪信号基于至少所述第一驱动信号和所述第一SR开关上的所述电压降。根据再另一个方面，提供了一种用于控制谐振转换器系统的操作的方法。该方法可包括：在谐振转换器系统的第一级中生成分别控制第一和第二逆变器开关的打开和关闭时间的第一和第二驱动信号；在所述谐振转换器系统的第二级中确定第一和第二同步整流器(SR)开关中的每个上的电压降，所述第一和第二SR开关分别对应所述第一和第二逆变器开关；以及基于至少所述第一和第二驱动信号以及所述第一和第二SR开关上的电压降生成分别控制所述第一和第二SR开关的打开和关闭时间的控制信号。附图说明从下面对与要求保护的主题相符的实施例的详细描述中，要求保护的主题的特征和优点将变得清楚，应该参照附图来理解这些详细描述，其中：图1示出了符合本发明各个实施例的谐振转换器系统；图2示出了符合本发明的一个实施例的示例性基于谐振的控制电路；图3示出了符合本发明的一个实施例的用于低于谐振操作的各种信号的示例性时序图；图4示出了符合本发明的一个实施例的用于高于谐振操作的各种信号的示例性时序图；并且图5示出了符合本发明的一个实施例的用于低于和高于谐振操作的各种信号的示例性仿真波形。虽然下面的具体实施方式将参照实例性实施例进行，但是这些实施例的多个替代形式、修改形式和变型对于本领域技术人员来说将是清楚的。具体实施方式一般来讲，本发明提供了用于谐振转换器的控制技术。在一种控制技术中，对于低于转换器的第一级的谐振频率的开关速度而言，基于对应的初级侧开关的上升沿和对应的SRa开关的关闭时间来控制谐振转换器的同步整流器(SR)部分的开关(SR开关)。一般来讲，对于低于谐振操作而言，每个对应的SR开关将在每个对应的初级侧开关的下降沿之前关闭，而每个对应的SR开关将在每个对应的初级侧开关的上升沿处打开。对于低于谐振操作而言，相应SR开关的传导时间通常是恒定的。在另一种控制技术中，对于高于转换器的第一级阶段的谐振频率的开关速度而言，基于每个对应的SR开关上的电压的下降沿和上升沿来控制SR开关。一般来讲，对于高于谐振操作而言，每个对应的SR开关将在每个对应的初级侧开关的下降沿之后关闭，而每个对应的SR开关将在每个对应的初级侧开关的上升沿之后打开。对于高于谐振操作而言，相应SR开关的传导时间可以是可变的。用这种方式，可以生成预测驱动控制信号以用于SR开关，从而防止在初级侧的开关频率迅速改变时SR开关的关闭时间过早或过晚。因此，这些控制技术减少或消除SR开关处的负电流，所述负电流可引起严重的开关噪声，从而导致控制电路发生故障并显著影响整体输出稳定性。图1示出了符合本发明的各个实施例的谐振转换器系统100。图1的转换器系统100包括转换器电路102，该转换器电路包括初级侧级104和次级侧级106，所述初级侧级包括逆变器电路，所述次级侧级包括同步整流器电路。系统100还包括控制初级侧104的逆变器开关Q1和Q2的操作的脉冲频率调制(PFM)控制器108，以及控制次级侧106的SR开关SR1和SR2的操作的基于谐振的SR控制器110。系统100通常作为接收输入直流电压(VIN)并生成输出直流电压(Vo)的直流/直流谐振转换器电路进行操作。在一个实施例中，初级侧104的逆变器电路包括布置成半桥结构的两个开关Q1和Q2。开关Q1和Q2的传导状态分别由控制器108的驱动信号PROURT1和PROUT2控制。可以熟知的用于半桥电路的PFM操作的方式生成驱动信号PROUT1和PROUT2，并且驱动信号可至少部分地基于来自输出Vo的反馈信息。初级侧104包括谐振储能电路，该谐振储能电路包括变压器112、谐振电容器Cr和谐振电感器Lr。谐振储能电路进行操作以从开关Q1和Q2所产生的方波生成正弦波形。系统100的谐振频率(f0)通常由谐振电容器Cr和谐振电感器Lr控制。一般来讲，直流/直流转换器系统100的增益可由与谐振频率(f0)有关的开关Q1和Q2的开关频率(fs)来控制。在一些实施例中，系统100的增益在fs<f0时较大，而在fs>f0时较小。当然，在其他实施例中，逆变器电路可包括例如全桥逆变器拓扑、推挽式逆变器拓扑、C类逆变器拓扑等和/或其他熟知的或后开发的电源拓扑。在其他实施例中，开关Q1和Q2的控制可包括例如脉冲宽度调制(PWM)技术和/或其他熟知的或后开发的电源控制技术等。次级侧级106的同步整流器电路包括电耦合至变压器112的次级侧并被配置成作为变压器112的次级侧处的正弦信号的全波整流器进行操作的整流器开关SR1和SR2。SR开关可包括MOSFET装置，该MOSFET装置包括在源极中偏压至漏极方向的体二极管(如图所示)。开关SR1的传导状态由门极控制信号SRDRV1控制，而开关SR2的传导状态由门极控制信号SRDRV2控制。SR控制器110被配置成至少部分地基于初级侧开关控制信号PROUT1和PROUT2以及标记为SR1DS和SR2DS的SR开关的漏极-源极电压生成分别控制SR1和SR2的传导的门极控制信号SRDRV1和SRDRV2。控制器110被配置成生成控制信号SRDRV1和SRDRV2，使得体二极管传导时间最短，并且使得穿过SR开关的负电流减少或消除，如下所述。图2示出了符合本发明的一个实施例的示例性SR控制器110’。在该例子中，控制器110’用于基于初级侧门极控制信号PROUT1和SR1开关的漏极-源极电压(SR1DS)生成控制SR1开关的传导状态的SRDRV1控制信号。应当理解，开始时，可以大体复制电路110’，以基于初级侧门极控制信号PROUT2和SR2开关的漏极-源极电压(SR2DS)生成控制SR2开关的传导状态的SRDRV2控制信号。控制器110’通常包括被配置成生成第一跟踪信号TRCK1的第一跟踪电路240。TRCK1信号指示从PROUT1信号的上升沿至对应的SR1开关的关闭时间的持续时间。该信息用于确定后续开关循环中SR1开关的关闭时间。控制器110’还包括被配置成生成第二跟踪信号TRCK2的第二跟踪电路250。TRCK2信号指示从PROUT1信号的下降沿至对应的SR1开关的关闭时间的持续时间。该信息用于确定后续开关循环中SR1开关的关闭时间。TRCK1和TRCK2信号在218处相与，以生成控制SR1开关的传导状态的门极控制信号SRDRV1。第一跟踪电路240包括被配置成将SR1DS与阀值电压VTH进行比较的第一比较器电路202。第一比较器电路202可包括滞后，以防止比较器因SR1DS电压的小波动、噪声影响的减小等而改变状态。阀值电压VTH可被选择为使得第一比较器202在SR1DS电压改变状态时准确生成输出变化。第一跟踪电路240还包括第一边缘触发的触发器电路204，其被配置成基于门极控制信号PROUT1和第一比较器电路202的输出生成第一和第二触发器输出信号Q和Q’(互补输出)。当比较器202的输出低时(例如，当SR1DS低于VTH时)并且PROUT1信号高时，Q信号高，其中Q在PROUT1的上升沿处被触发而变高。当比较器202的输出高时(当SR1DS高于VTH时)，Q’高。第一上行计数器电路206被配置成在Q信号高时生成Q信号的运行时间计数。在图2中表示为Dn的运行计数提供在初级侧开关的当前循环中Q多久为高的持续时间计数。第一上行计数器电路206被配置成在Q信号的上升沿处开始计数，并且在Q’信号(其进行操作以复位上行计数器电路206)的上升沿处停止计数。运行计数信号Dn表示PROUT1信号的当前循环的来自触发器204的Q信号的持续时间。第一跟踪电路240还包括被配置成将运行计数信号Dn存储为Qn的第一寄存器电路208。寄存器208存储比较器202的输出的上升沿处的Qn值。减法器电路212被包括并且被配置成从Qn中减去预定时间段DT。减法器212的输出在图2中被标记为Bn。DT的值可被选择为例如使得SR开关的打开时间不会重叠。第二比较器(数字比较器)电路214被配置成比较Dn(在第二比较器214处标记为An)和Bn。An表示PROUT1信号的当前循环(n+1)，Bn表示PROUT1信号的先前循环(n)。如果An＝Bn，则214的输出变高，否则214的输出保持为低。第一跟踪电路240还包括第二边缘触发的触发器电路216，其被配置成基于第一比较器电路202(经由逆变器电路210)的反相输出和第二比较器电路214的输出生成第一触发器输出信号Q和第二触发器输出信号Q’(互补输出)。216的Q输出在LD信号的上升沿处变高，并在An不等于Bn时保持为高(当An＝Bn时，触发器216被复位，并且Q输出低)。触发器电路的Q输出在图2中被标记为TRCK1。第二跟踪电路250包括被配置成将SR1DS与阀值电压VTH比较的第三比较器电路220。第三比较器电路220可包括滞后，以防止比较器因SR1DS电压的小波动、噪声影响的减小等而改变状态。第二跟踪电路250还包括第三边缘触发的触发器电路222，其被配置成基于门极控制信号PROUT1和第三比较器电路220的输出生成第一触发器输出信号Q和第二触发器输出信号Q’(互补输出)。222的Q信号在PROUT1信号的上升沿处变高并保持为高，直到比较器220的输出为高(当SR1DS高于VTH时)。第二上行计数器电路224被配置成当Q信号高同时ROUT1信号低时生成Q信号的运行时间计数(PROUT1高时，计数器因被复位而不运行)。在图2中表示为Cn的运行计数提供在初级侧开关的当前循环中当PROUT1为低时，电路222的Q多久为高的持续时间计数。第二上行计数器电路224被配置成在PROUT1信号的下降沿处开始计数，并且在Q信号的下降沿处停止计数(其进行操作以禁用上行计数器电路224)。运行计数信号Cn表示PROUT1信号的当前循环中，当PROUT1为低时，来自触发器222的Q信号的持续时间。第二跟踪电路250还包括被配置成将运行计数信号Ln存储为Zn的第二寄存器电路226。寄存器226存储比较器222的输出的上升沿处的Zn。第二减法器电路228被包括并被配置成从Zn中减去预定时间段DT。减法器228的输出在图2中被标记为IN。考虑到来自减法器228的负输出，包括了确定IN为正还是为负的逻辑电路230。当谐振转换器运行低于谐振时，224的RST为高，同时224的EN为高。这导致Cn、Ln和Zn信号的零输出，这最终导致来自减法器228的负输出。如果IN为正，逻辑电路230输出IN，但如果IN为负，逻辑电路230输出零值。第四比较器(数字比较器)电路232被配置成比较Cn(在第四比较器232处标记为Gn)和逻辑电路230的输出(标记为Hn)。Gn表示从PROUT1信号的下降沿起的当前循环(n+1)持续时间，并且Hn表示从PROUT1信号的下降沿至SR1DS信号的上升沿的先前循环(n)持续时间减去死时间DT。如果Gn＝Hn，232的输出变高，否则232的输出保持为低。第二跟踪电路250还包括第四电平触发的触发器电路234，其被配置成基于第三比较器电路220的输出和第四比较器电路232的输出生成第一和第二触发器输出信号Q和Q’(互补输出)。234的Q输出在PROUT1的上升沿处变高并保持为高。当施加高R(复位)时，Q变低，同时S为低。当Gn＝Hn时，触发器234被复位，Q输出为低。应当指出的是，电平触发的触发器234是置位为主的。因此，只要S为高，Q便保持为高，而不管来自比较器232的复位信号为何。触发器电路234的Q输出在图2中被标记为TRCK2。控制电路110’还包括与门电路218，其被配置成相与TRCK1和TRCK2信号，以生成用于SR1开关的门极驱动信号SRDRV1。控制器电路110’的操作在下文中详述。低于谐振操作图3示出了符合本发明的一个实施例的用于低于谐振操作的各种信号的示例性时序图300。继续参照图1和图2，时序图300示出了通过PROUT1信号的第一循环周期302(第n个循环)和后续循环周期304(第n+1个循环)的各种信号波形。虽然时序图300表示与Q1和SR1开关的操作相关联的各种信号的信号状态，但应当了解，开始时，时序图300可同样适用于Q2和SR2开关的操作。波形306示出了SR1开关的漏极-源极电压(VSR1DS)和参考阀值信号VTH。波形308示出了通过SR1开关的电流。波形310示出了用于初级侧的Q1开关的PROUT1门极驱动信号。波形312示出了第一触发器电路204的Q信号。波形314和316分别示出了TRACK2和TRCK1信号。在操作中，当PROUT1信号从低向高(上升沿)转变从而打开Q1时，SR1开关的体二极管导通，并且SR1开关上的电压降接近零伏特，如时间间隔318处的VSR1DS波形306中所示。在时间间隔318处，Q信号312、TRCK2信号314和TRCK1信号316也从低向高转变。一旦TRCK1和TRCK2信号均为高，则SRDRV1信号为高，从而打开SR1开关。存储Q信号的打开时间并将其用于后续循环周期304中。如果SR门极被适当地控制，使得它在SR电流达到零之前片刻(差不多SR门极驱动的死时间)关闭，则SRMOSFET体二极管在死时间期间导通。然后，当通过SR1开关的电流接近零(过零)并且VSR1DS电压变高时，SR体二极管自然关闭，如时间间隔320处以及波形306和308所示。在低于谐振操作中，Q信号在过零间隔320处从高向低转变，并且使用DT时序调节值来调节TRCK1信号。PROUT信号310和TRCK2信号在时间间隔322处从高向低转变，所述时间间隔322在时间间隔320之后。因此，并且由于与门电路218的操作，SR1门极驱动控制信号、SRDRV1在某个时间段较高(并且因此，SR1开关被打开)，其小于先前开关循环的Q信号312并且小于先前开关周期的门极驱动信号PROUT1。此外，在PROUT1信号310从高向低转变之前，SRDRV1门极控制信号从高向低转变(从而关闭SR1)。在低于谐振操作过程中，TRCK1信号的时间段通常保持恒定。从时间间隔324处开始，将这些操作重复后续的时间段304。高于谐振操作图4示出了符合本发明的一个实施例的用于高于谐振操作的各种信号的示例性时序图400。继续参照图1和图2，时序图400示出了通过PROUT1信号的第一循环周期402(第n个循环)和后续循环周期404(第n+1个循环)的各种信号波形。虽然时序图400表示与Q1和SR1开关的操作相关联的各种信号的信号状态，但应当了解，开始时，时序图400可同样适用于Q2和SR2开关的操作。波形406示出了SR1开关的漏极-源极电压(VSR1DS)和参考阀值信号VTH。波形408示出了通过SR1开关的电流。波形410示出了用于初级侧的Q1开关的PROUT1门极驱动信号。波形412示出了第一触发器电路204的Q信号。波形414和416分别示出了TRACK2和TRCK1信号。在操作中，当PROUT1信号从低向高(上升沿)转变从而打开Q1时，由于高于谐振操作中谐振电流滞后于驱动电压，所以SR1开关的体二极管在一定量的延迟时间(从时间间隔418至时间间隔420)之后导通，如时间间隔418处的VSR1DS波形406所示。在时间间隔418处，Q信号412和TRCK2信号414也从低向高转变。然而，由于Q1开关的切换高于谐振频率，并且SR1开关上的电压降在时间间隔420处接近零伏特，所以通过SR1开关408的电流开始升高。在时间间隔420处，TRCK1信号416从低向高转变。一旦TRCK1和TRCK2信号均为高，则SRDRV1信号为高，从而打开SR1开关。存储Q信号的打开时间并将其用于后续循环周期404。当PROUT1信号在时间间隔422处从高向低转变时，由于在PROUT1信号变低迫使PROUT2变高之后在谐振网络上施加反向输入电压，所以通过SR1开关408的电流通过时间间隔424被迫快速降至零。如果SR门极被适当地控制，使得它略微在SR电流达到零之前(差不多SR门极驱动的死时间)关闭，则SRMOSFET体二极管在死时间期间导通。然后，当SR电流接近零(过零)并且VSR1DS电压变高时，SR体二极管自然关闭，如时间间隔424处以及波形406和408所示。Q信号在PROUT1变低之后仍高，这是因为第一触发器204是边缘触发的(但信号电平(高/低)在这种情况下无关紧要)。第四触发器234是置位为主的一般电平触发的触发器。因此，只要PROUT1为高，TRACK2信号便始终高。所有电路操作的基本假设是SR电流过零被准确预测，并且SR门极略微在SR电流过零之前(差不多死时间)关闭。然后，SRMOSFET体二极管在死时间器件导通，并且在电流达到零时自然关闭。此处，必须理解SR传导时间与SR门极打开时间之间的差值。由于电流从源极流向漏极，所以SR门极驱动信号不会中断电流。它恰好降低了SRMOSFET的电压降。对于高于谐振而言，在PROUT1从高向低转变之后，SR1DS从低向高转变。在高于谐振操作中，Q信号412在过零间隔424处从高向低转变，并且使用DT时序调节值来调节TRCK2信号。只要谐振转换器以稳定状态进行操作并且开关频率固定，TRCK1信号和TRCK2信号便同时结束。然而，TRCK1信号通过测量从PROUT1信号的上升沿至SR电流过零的时间来预期SR电流过零瞬间。因此，它不会对电流开关循环的开关频率变化做出响应。然而，TRCK2信号通过测量从PROUT1信号的下降沿至SR电流过零的时间来预期SR电流过零瞬间。因此，它会对电流开关循环的开关频率变化做出响应(应当注意，对于TRACK1而言，时间基准为具有开关频率信息的PROUT1的下降沿)。高于谐振操作的TRCK2信号的时间段通常小于地域谐振操作的TRCK2信号的时间段。从时间间隔426处开始，这些操作在后续时间段404进行重复。图5示出了符合本发明的一个实施例的用于低于和高于谐振操作的各种信号的示例性仿真波形500。继续参照图1和图2，仿真波形500示出了通过多个循环502-510的各种信号波形。循环502,508和510示出了低于谐振仿真，而循环504和506示出了高于谐振仿真。虽然仿真波形500表示与Q1和SR1开关的操作相关联的各种信号的信号状态，但应当理解，开始时，仿真波形500同样可适用于Q2和SR2开关的操作。波形512示出了用于初级侧的Q1开关的PROUT1门极驱动信号。波形514和516分别示出了TRCK1和TRCK2信号。波形518示出了用于次级侧的SR1开关的SRDRV1门极驱动信号。波形520示出了通过初级侧的Q1开关的电流。波形522示出了变压器112的初级侧的电流。波形524示出了通过SR1开关的电流。波形526示出了SR1开关的漏极-源极电压(VSR1DS)。术语“开关”可体现为本领域中已知的MOSFET开关(例如，单独NMOS和/或PMOS元件)、BJT开关和/或其他开关电路。此外，如本文的任何实施例中所用，“电路系统”或“电路”可包括例如单独的或任意组合的硬连线电路、可编程电路、状态机电路和/或包括在较大系统中的电路，例如可包括在集成电路中的元件。此外，本文所述的示例性实施例按照惯例使用了在门极控制信号为高时打开并且在门极控制信号为低时关闭的某些类型的装置，例如NMOS开关。在其他实施例中，可以使用低电平有效的装置(例如PMOS装置)。在此类实施例中，本文所述的时序和信号图将变为反映低电平有效装置的操作，这在本领域是众所周知的。根据一个方面，提供了谐振转换器系统。谐振转换器系统可包括变压器电路，所述变压器电路包括初级侧和次级侧；耦合至初级侧的第一级电路，所述第一级电路包括具有第一逆变器开关、第二逆变器开关和谐振储能电路的逆变器电路、被配置成生成分别控制第一和第二逆变器开关的打开和关闭时间的第一驱动信号和第二驱动信号的脉冲频率调制(PFM)控制器电路；耦合至次级侧的第二级电路，所述第二级电路包括具有分别对应于第一和第二逆变器开关的第一SR开关和第二SR开关的同步整流器(SR)电路，和被配置成基于至少第一和第二驱动信号以及第一和第二SR开关上的电压降生成分别控制第一和第二SR开关的打开和关闭时间的控制信号的SR控制器电路。根据另一个方面，提供了谐振转换器控制器。谐振转换器控制器可包括被配置成生成第一跟踪信号的第一跟踪电路，第一跟踪信号指示从用于控制谐振转换器系统的第一逆变器开关的传导状态的第一驱动信号的上升沿至谐振转换器系统的第一同步整流器(SR)开关的关闭时间的持续时间，其中第一跟踪信号基于至少第一驱动信号和第一SR开关上的电压降；以及被配置成生成第二跟踪信号的第二跟踪电路，第二跟踪信号指示从第一驱动信号的下降沿至第一SR开关的关闭时间的持续时间，其中第二跟踪信号基于至少第一驱动信号和第一SR开关上的电压降。根据另一个方面，提供了用于控制谐振转换器系统的操作的方法，所述方法可包括在谐振转换器系统的第一级中生成分别控制第一和第二逆变器开关的打开和关闭时间的第一和第二驱动信号；在谐振转换器系统的第二级中确定第一和第二同步整流器(SR)开关中的每个上的电压降，所述第一和第二SR开关分别对应第一和第二逆变器开关；以及基于至少第一和第二驱动信号以及第一和第二SR开关上的电压降生成分别控制第一和第二SR开关的打开和关闭时间的控制信号。本文中采用的术语和表达方式作为描述而非限制的术语使用，并且在使用这种术语和组装设备(该设备至少包括保护集成电路和电源半导体开关)表达方式的过程中，不旨在排除示出和描述的特征(或其一部分)的任何等同物，并且认识到，各种修改形式可落入权利要求书的范围内。因此，权利要求书旨在涵盖所有此类等同物。已在本文中描述了各种特征、方面和实施例。这些特征、方面和实施例容许存在相互组合以及变型形式和修改形式，如本领域技术人员将理解的那样。因此，应该认为本发明涵盖这种组合、变型形式和修改形式。