LLC谐振电路的轻载控制方法和轻载控制电路与流程

llc谐振电路的轻载控制方法和轻载控制电路
技术领域
1.本发明涉及电子领域，具体但不限于涉及一种llc谐振电路的轻载控制方法和轻载控制电路。


背景技术：

2.提升电源系统功率密度和效率一直是电源系统的重要研究方向。采用开关电源并提升开关频率是其中的方法之一，但是频率的提升也会影响开关损耗。因此，软开关技术被采用于高频开关电源系统。llc谐振电路利用谐振特性使开关工作于软开关状态，同时具有高频的特性，因此具有较高的电源系统功率密度和效率。
3.图1示出了llc谐振电路。llc谐振电路的原边电路包括两个功率开关包括上管q1和下管q2、谐振电感lr、励磁电感lm和谐振电容cr，其中谐振电感lr、励磁电感lm和谐振电容cr构成谐振网络。llc谐振电路的副边电路包括整流管d1和d2，以及输出电容co用于提供输出电压vo。为了提高系统的效率，在负载较低时可通过降低开关频率降低功耗。图2示出了llc谐振电路的常规轻载控制方式。在这种轻载控制方式中，当检测到负载反馈信号低于阈值，则进入轻载模式(burst in)，控制上管q1和下管q2同时关断，当检测到负载反馈信号高于阈值，则进入正常模式(burst out)。其中在正常模式下，当负载较低时，开关周期变短，开关频率增高。所以在这种控制方式中，无法将开关频率降到足够低，依然会有较大的待机损耗，而且轻载模式的关断时长往往会产生较大的输出纹波和音频噪音。
4.有鉴于此，需要提供一种新的结构或控制方法，以期解决上述至少部分问题。


技术实现要素：

5.至少针对现有技术中的一个或多个问题，本发明提出了一种llc谐振电路的轻载控制方法和轻载控制电路。
6.根据本发明的一个方面，一种llc谐振电路的轻载控制方法，在进入轻载模式后，轻载控制包括第一时间阶段和第二时间阶段，其中：在第一时间阶段，交替导通llc谐振电路的上管和下管至少各一次；在第二时间阶段，同时关断上管和下管，当经过预设的等待周期或时长后，在开关电压谷底位置由第二时间阶段切换至第一时间阶段，其中开关电压为上管和下管耦接点的电压；交替重复第一时间阶段和第二时间阶段，直至退出轻载模式。
7.在一个实施例中，第一时间阶段包括：第一控制阶段，导通下管，关断上管；第二控制阶段，导通上管，关断下管；以及第三控制阶段，导通下管，关断上管。
8.在一个实施例中，第一控制阶段、第二控制阶段和第三控制阶段构成一个完整的谐振周期。
9.在一个实施例中，当进入第一控制阶段时，谐振电流从零值开始反向增大；在第二控制阶段，当满足环路控制条件时，由第二控制阶段进入第三控制阶段；在第三控制阶段，当谐振电流由正值下降至零值时，退出第三控制阶段进入第二时间阶段用于同时关断上管和下管。
10.在一个实施例中，第一控制阶段时间长度为第二控制阶段时间长度与第三控制阶段时间长度之差。
11.在一个实施例中，在第一控制阶段，谐振电流从零值开始反向增大；在第二控制阶段，当满足环路控制条件时，由第二控制阶段进入第三控制阶段；在第三控制阶段，在谐振电流由正向值下降至零值后继续保持，直至经过预设时间长度或谐振电容电压下降至预设范围时进入第二时间阶段，同时关断上管和下管。在一个实施例中，预设时间长度为第二控制阶段时长的40％至60％。在一个实施例中，预设范围为谐振电容电压峰值的40％至60％。
12.在一个实施例中，第一控制阶段下管关断的条件和第二控制阶段上管关断的环路控制条件对称。第一控制阶段下管关断的条件可包括如下之一：谐振电流达到上管关断时电流阈值的反向值；电压反馈信号达到上管关断时电压阈值的反向值；或下管导通持续时长为第二控制阶段时长与第三控制阶段时长之差。
13.在一个实施例中，在第一控制阶段，谐振电流从零值反向增大，当谐振电流达到第一阈值时，进入第二控制阶段；在第二控制阶段，谐振电流先反向减小至零值，再正向增大到最高值再减小，当谐振电流减小到第二阈值时，由第二控制阶段进入第三控制阶段，其中第一阈值为第二阈值的相反数；在第三控制阶段，谐振电流先下降至零值再反向增大，当谐振电流反向增大至预设峰值时，进入第二时间阶段，同时关断上管和下管。
14.在一个实施例中，当由第二时间阶段切换至第一时间阶段时，谐振电流为零值。
15.在一个实施例中，第一时间阶段包括一至多个完整的谐振周期。
16.根据本发明的另一个方面，一种llc谐振电路的轻载控制方法包括：在第一时间阶段，将一个llc控制周期拆分成三个控制阶段，其中在第一个控制阶段中导通下管、关断上管，在第二个控制阶段导通上管、关断下管，在第三个控制阶段再次导通下管、关断上管；以及在第二时间阶段，同时关断上管和下管，当经过预设的等待周期或时长后重新进入第一时间阶段。
17.在一个实施例中，在第二时间阶段，当经过预设的等待周期或时长后，当检测到电压谷底位置时重新进入第一时间阶段。
18.根据本发明的又一个方面，一种用于llc谐振电路的轻载控制电路在进入轻载模式后，控制在第一时间阶段llc谐振电路的上管和下管交替导通，当满足预定条件时，控制进入第二时间阶段；在第二时间阶段，同时关断上管和下管，在经过预设的振荡周期或时长后在开关电压谷底位置再次进入第一时间阶段，交替重复第一时间阶段和第二时间阶段。
19.在一个实施例中，轻载控制电路，包括：逻辑电路，包括或门，或门具有两个输入端和一个输出端，或门输出端的信号用于控制下管的关断；第一触发电路，耦接或门，用于控制下管的导通和关断；以及第二触发电路，用于控制上管的导通和关断。
20.本发明提出的用于llc谐振电路的轻载控制方法和轻载控制电路，具有稳定的系统控制，降低了开关损耗，提升了效率，同时能用于消除音频噪声和降低输出纹波。
附图说明
21.附图用来提供对本发明的进一步理解，与说明描述一起用于解释本发明的实施例，并不构成对本发明的限制。
22.图1示出了llc谐振电路；
23.图2示出了llc谐振电路的常规轻载控制方式；
24.图3示出了根据本发明一实施例的llc谐振电路示意图；
25.图4示出了根据本发明一实施例的用于llc谐振电路的轻载控制方法波形示意图；
26.图5示出了根据本发明一实施例的用于llc谐振电路的轻载控制方法示意图；
27.图6示出了根据本发明另一实施例的用于llc谐振电路的轻载控制方法示意图；
28.图7示出了根据本发明一实施例的对应图6所示轻载控制方法的轻载控制电路中的部分电路示意图；
29.图8示出了根据本发明一实施例的对应图6所示轻载控制方法的控制波形示意图。
具体实施方式
30.为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
31.该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。不同实施例的组合、不同实施例中的一些技术特征进行相互替换，相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。
32.说明书中的“耦接”或“连接”既包含直接连接，也包含间接连接。间接连接为通过中间媒介进行的连接，如通过电传导媒介如导体的连接，其中电传导媒介可含有寄生电感或寄生电容，也可通过说明书中实施例所描述的中间电路或部件的连接；间接连接还可包括可实现相同或相似功能的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、信号放大电路、跟随电路等电路或部件的连接。“多个”或“多”表示两个或两个以上。
33.根据本发明的一个实施例，一种用于llc谐振电路的轻载控制方法，根据与负载相关的反馈信号控制进入轻载模式和退出轻载模式，其中在轻载模式下，轻载控制包括第一时间阶段和第二时间阶段，其中在第一时间阶段，交替导通llc谐振电路的上管q1和下管q2至少各一次，在第二时间阶段，同时关断上管和下管。在优选的实施例中，第一时间阶段包括三个控制阶段，分别在第一控制阶段导通下管，关断上管；在第二控制阶段，导通上管，关断下管；以及在第三控制阶段，导通下管，关断上管。优选地，上述三个控制阶段构成一个完整的谐振周期。第一时间阶段也可包括一或多个上述谐振周期。优选地，在进入第二时间阶段后，当经过预设的等待周期或时长后，在谐振电路的开关电压hb的谷底位置由第二时间阶段切换至第一时间阶段。交替重复第一时间阶段和第二时间阶段，直至退出轻载模式。
34.图3示出了根据本发明一实施例的llc谐振电路示意图。llc谐振电路包括原边电路和副边电路，原边电路和副边电路通过变压器t隔离。在如图所示的实施例中，原边电路包括上管q1、下管q2、谐振电感lr、励磁电感lm和谐振电容cr，其中上管q1具有第一端、第二端和控制端，上管q1的第一端耦接输入电压源vin；下管q2具有第一端、第二端和控制端，下管q2的第一端耦接上管q1的第二端，下管q2的第二端耦接原边地；谐振电感lr具有第一端和第二端，其中谐振电感lr的第一端耦接上管q1和下管q2耦接处的开关节点hb；励磁电感lm具有第一端和第二端，其中励磁电感lm的第一端耦接谐振电感lr的第二端；谐振电容cr具有第一端和第二端，其中谐振电容cr的第一端耦接励磁电感lm的第二端，谐振电容cr的第二端耦接原边地。在一个实施例中，输入电压源vin为市电交流电经整流滤波后的直流母
线电压源。原边电路进一步包括开关控制电路30，用于控制llc谐振电路的上管q1和下管q2，并进一步根据判断llc谐振电路是否处于轻载状态，通过控制上管q1和下管q2的动作降低轻载模式下的开关频率，提高电源效率。在图示的实施例中，控制电路30产生上管控制信号gh和下管控制信号gl分别用于控制上管q1和下管q2。上述开关电路为半桥开关电路，在另一个实施例中，开关电路也可包括全桥电路。副边电路包括和励磁电感lm电耦合的副边电感以及整流管，副边电感上的感应电压经整流管整流和滤波，用于提供输出电压vo。在图示的示意图中，控制电路30基于表征开关节点hb处电压的电压信号vhb、表征谐振电流ip的电流检测信号vcs和与输出端负载相关联的反馈信号vfb对上管q1和下管q2进行控制。在一个实施例中，基于反馈信号vfb与阈值信号的比较，控制电路30控制进入轻载模式或退出轻载模式，同时轻载控制电路基于开关电压vhb和电流检测信号vcs对上管q1和下管q2进行控制，用于实现轻载模式中的控制。当然，控制电路30可以进一步基于其他的信号进行控制，也可以缺乏信号vhb，vcs和vfb中的一种或几种。
35.图4示出了根据本发明一实施例的用于llc谐振电路的轻载控制方法波形示意图。在该轻载控制方法中，在轻载模式下，轻载控制包括第一时间阶段t1和第二时间阶段t2，其中在第一时间阶段t1，控制上管q1的上管控制信号gh和控制下管q2的下管控制信号gl依次出现高电平信号gl1、gh1和gl2用于依次导通llc谐振电路的下管q2和上管q1。在第二时间阶段t2，同时关断上管q1和下管q2。优选地，第一时间阶段t1包括一个谐振周期，分成三个控制阶段c1、c2和c3，分别对应gl1、gh1和gl2高电平信号阶段，使得在第一控制阶段c1中下管q2导通，上管q1关断，在第二控制阶段c2中上管q1导通，下管q2关断，在第三控制阶段c3，下管q2导通，上管q1关断。这样，在一个谐振周期中，对下管的导通分成了两个阶段，分别位于第一时间阶段t1的第一控制阶段c1和第三控制阶段c3，中间通过第二控制阶段c2隔断，能更好地实现下管导通的零电流开关(zcs)。在经过第一时间阶段t1后，进入第二时间阶段t2，上管q1和下管q2同时关断，经过预设时间或振荡周期数后，再次利用零电压开关(zvs)技术在开关电压vhb的谷底切换进入第一时间阶段t1的第一控制阶段c1，用于使下管q1导通。在轻载模式中，第一时间阶段t1和第二时间阶段t2交替重复，直至退出轻载模式。
36.在另一个实施例中，第一时间阶段t1包括多个谐振周期。在一个实施例中，在由第二时间阶段t2进入第一时间阶段t1时，可先导通上管q1、再导通下管q2。
37.图5示出了根据本发明一实施例的用于llc谐振电路的轻载控制方法示意图。此示意图
38.为谐振电容电压vcr与谐振电流ip的关系图，用于说明轻载控制。当进入第一时间阶段t1
39.时，每个谐振周期从c点开始，在c点到a点之间状态为第一控制阶段c1。在c点位置，谐振电流ip为零值，谐振电容电压vcr处于峰值，此时导通下管q2，关断上管q1，谐振电流ip从零值开始反向增大。当达到第一控制阶段下管关断的条件时，如上管关断时的环路控制条件的反向条件时，达到a点，进入第二控制阶段c2，上管q1导通，下管q2关断。第二控制阶段c2为从a点到b点，谐振电流ip从反向电流减小为零值，再正向增大，在b点，系统达到环路控制条件，由第二控制阶段c2进入第三控制阶段c3。第三控制阶段c3为从b点到c点，在第三控制阶段c3，导通下管q2，关断上管q1，谐振电流ip降低直至降低为零时，退出第一时间阶段t1、进入第二时间阶段t2，同时关断上管q1和下管q2，此时谐振电容电压vcr保持，控
制状态停留在c点位置，开关电压vhb开始振荡。在经过预设振荡周期或预设时长后，在检测到开关电压振荡到谷底位置时，满足zvs条件，用于重新进入第一时间阶段t1，进入第一控制阶段c1，从图5所示c点开始重新进入控制周期。上管q1关断的环路控制条件可包括当谐振电流ip达到电流阈值ith，相对应的反向条件为当谐振电流ip达到电流阈值ith的反相值-ith时满足第一控制阶段c1下管q2的关断条件。在其他的实施例中，上管q1关断的环路控制条件也可以包括当电压反馈信号达到电压阈值vth，相对应的反向条件为当电压反馈信号达到电压阈值vth的反向值-vth时，满足c1阶段下管q2的关断条件。优选地，第一控制阶段时间长度tgl1(即c1阶段下管导通时长)为第二控制阶段时间长度tgh1(即c2阶段上管导通时长)与第三控制阶段时间长度tgl2(即c3阶段下管导通时长)之差，即tgl1＝tgh1-tgl2。其中上管导通时间tgh1由系统自然环路决定。上述控制中，第一控制阶段下管关断条件和第二控制阶段上管关断的环路控制条件是对称的。这样，第一控制阶段、第二控制阶段和第三控制阶段构成一个完整的谐振周期。
40.在另外的实施例中，第一时间阶段t1可包括大于3个的控制阶段，或包括二至多个完整的谐振周期用于轮流导通上管q1和下管q2。轻载模式中多个第一时间阶段中的谐振周期数可以不同。
41.上述轻载控制可以实现系统的稳定控制，实现了零电压开关技术，提升了效率。相比现有技术，输出电压更加平稳，消除了现有技术中轻载模式下持续较长时间关断上下管的控制，消除了音频噪声，降低了输出纹波，也消除了间歇性的持续高频开关动作，降低了工作频率，进一步降低开关损耗，提升了效率。
42.图6示出了根据本发明另一实施例的用于llc谐振电路的轻载控制方法示意图。该示意图示出了谐振电容电压vcr与谐振电流ip的关系图，用于对照图4说明该实施例的轻载控制。参看图6，当进入第一时间阶段t1时，每个谐振周期从a点状态开始，在a点到b点之间状态为第一控制阶段c1。在a点位置，谐振电流ip为零值，谐振电容电压vcr小于vcr峰值的一半，此时导通下管q2，关断上管q1，谐振电流ip从零值开始反向增大，可以较好的实现zcs导通控制。当达到下管关断条件时，如达到上管关断时的环路控制条件相对应的反向条件时，如检测到谐振电流ip达到上管q1在c点关断时的电流值的负向电流值时，达到b点，进入第二控制阶段c2，上管q1导通，下管q2关断。第二控制阶段c2为从b点到c点，谐振电流ip从反向电流减小为零值，再正向增大，在c点，系统达到环路控制条件，关断上管q1，由第二控制阶段c2进入第三控制阶段c3。第三控制阶段c3为从c点到d点的阶段，在第三控制阶段c3，导通下管q2，关断上管q1，谐振电流ip先降低至零值到达o点，当检测到o点状态时，持续第三阶段控制，谐振电流ip反向增大，谐振电容电压vcr从o点的峰值开始降低，当经过预设时间长度或谐振电容电压vcr降低至预设范围时，到达d点由第一时间阶段t1进入第二时间阶段t2，用于同时关断上管q1和下管q2。上述预设时间长度可以为第二控制阶段时长的40％至60％。在一个实施例中，当检测到谐振电流ip下降至零值的o点状态后开始计时，当经过1/2*tgh1时，到达d点，其中tgh1为第二控制阶段c2即上管q1导通的时长。谐振电容电压vcr的预设范围可以为谐振电容电压峰值的40％至60％。在一个实施例中，在检测到o点状态后，当检测到谐振电容电压vcr为vcr峰值电压的一半时，到达d点，进入第二时间阶段，同时关断q1和q2。此时谐振电容电压vcr保持，谐振电流ip下降至零值。开关电压vhb开始振荡。在经过预设振荡周期或预设时长后，在检测到开关电压vhb振荡到谷底位置时，满足zvs条
件，重新进入第一时间阶段t1，进入第一控制阶段c1，从图6所示的a点开始重新进入控制周期。
43.在图5所示的实施例中，因在c点位置下管q2在谐振电容电压vcr为峰值时关断，当经过第二时间阶段t2重新导通下管q2时，因谐振电容电压vcr较高而在导通的瞬间产生电流，零电流导通(zcs)和开关节点零电压导通(zvs)效果不佳，产生开关损耗。图6提供的实施例则控制下管q2在谐振电容电压vcr在下降至vcr峰值的一半以下时进入第二时间阶段t2、关断上管q1和下管q2或者在达到o点后使下管q2继续开通1/2*tgh1的时间，确保d点谐振电容电压vcr低于谐振电容电压vcr稳态工作中的中点电位，使得在进入第一时间阶段t1时的a点电压低于llc谐振电路的母线电压的一半，可确保下管q2的zcs开通，以降低开关损耗，进一步提升系统效率。优选地，b点的谐振电流ip和c点的谐振电流ip幅值相等方向相反，故可根据此实现系统稳态控制。
44.图7示出了根据本发明一实施例的轻载控制电路中的部分电路示意图。轻载控制电路包括逻辑电路71和触发电路72。其中逻辑电路71包括或门713用于产生信号控制下管q2两次关断的关断时机。触发电路包括控制下管q2的第一触发电路721和控制上管q1的第二触发电路722。图示的轻载控制电路中的与门711和712用于实现图6所示的轻载控制方法。在第一控制阶段c1，当下管q2导通后，谐振电流反向增大，当表征谐振电流的电流检测信号vcs达到阈值电压-vcsh时，与门712输出高电平，或门713输出高电平，触发电路721被复位，输出端的控制信号gl进入下降沿，用于关断下管q2。在一个实施例中，阈值电压-vcsh为控制上管q1关断时阈值电压vcsh的负向值。第二控制阶段c2由第二触发电路722控制，用于控制上管q1的导通和关断。第三控制阶段c3中，当下管q2导通后，轻载控制电路先检测谐振电流ip变为零值的o点，再经过二分之一的tgh时间，与门711输出高电平，或门713输出高电平用于再次复位第一触发电路721用于关断下管q2。其中tgh为检测到的上管q1导通的时长。触发电路72接收的其他信号lon，hon，hoff的信号产生电路可以为任意适用的电路，采用任何适用的环路控制方法等。或门713接收下管的两个不同的关断条件信号，用于将一个谐振周期中的下管分成两次导通。与门711和712可以被其它逻辑电路形式代替，用于实现如图5所示实施例中的轻载控制或其他轻载控制方法。轻载控制电路还可进一步包括周期控制电路，用于控制第一时间阶段的谐振周期数，使得在第一时间阶段包括一至多个完整的谐振周期，也用于控制在第二时间阶段检测振荡周期数或计时，在经过预设的等待周期或时长后在开关电压谷底位置再次触发第一触发电路721，用于进入第一时间阶段，导通下管q2。
45.图8示出了根据本发明一实施例的对应图6所示轻载控制方法的控制波形示意图。从上到下的波形分别对应开关节点电压vhb，谐振电流ip，控制下管q2的下管控制信号gl和控制上管q1的上管控制信号gh。在时间t1之前为第二时间阶段，上管q1和下管q2同时关断，开关节点电压vhb呈现振荡波形，在时间t1，开关节点电压vhb振荡到谷底位置，触发下管控制信号gl为高电平，下管q2导通，进入第一时间阶段的第一控制阶段c1。在时间t2，信号gl变为低电平，下管q2关断。经过短时的死区时间后，gh信号变为高电平，上管q1导通，进入第二控制阶段c2。在满足预设的环路控制条件时，在时间t3，gh信号变为低电平，上管q1关断。紧接着信号gl再次变为高电平，进入第三控制阶段c3。在时间t4，谐振电流ip降为零值，继续保持下管q2导通，直到再经过1/2*tgh后在时间t5将gl信号设置为低电平，关断下管q2，
进入第二时间阶段。其中tgh为第二控制阶段c2时长即上管q1导通的时间长度。第一控制阶段c1、第二控制阶段c2和第三控制阶段c3之间可常规设置短时的死区时间，将上下管同时关断用于防止上下管共通损坏llc谐振电路，但该死区时间较短可忽略不计，不做赘述。进入第二时间阶段后，开关电压vhb开始振荡，在经过预设的振荡周期数或时长后，在时间t6，当检测到开关电压vhb的谷底位置时，再次将gl信号设置为高电平，进入第一时间阶段。重复上述波形，直至退出轻载模式控制。
46.通过上述控制，当检测到轻载条件进入轻载模式后，上下管交替导通数次的第一时间阶段和上下管同时关断的第二时间阶段交替重复，直至退出轻载模式。上述轻载控制中第一时间阶段可包括一或数个完整的谐振周期，可以实现系统的稳定控制。优化了zcs和zvs控制，同时消除了轻载状态下间歇性的持续高频开关动作，降低了开关频率和开关损耗，提升了效率。同时通过对第二时间阶段t2时长的控制，也消除了现有技术中轻载模式下持续长时间关断上下管的控制，可用于消除音频噪声，以及降低输出纹波。
47.本领域技术人员应当知道，说明书或附图所涉逻辑控制中的“高电平”与“低电平”、“置位”与“复位”、“与门”与“或门”、“同相输入端”与“反相输入端”等逻辑控制可相互调换或改变，通过调节后续逻辑控制而实现与上述实施例相同的功能或目的。
48.这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。说明书中所涉及的效果或优点等相关描述可因具体条件参数的不确定或其它因素影响而可能在实际实验例中不能体现，效果或优点等相关描述不用于对发明范围进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。