专利名称：扫描频率llc谐振功率调节器的制作方法
技术领域：
本发明涉及 电子电路，并且更具体地涉及扫描频率LLC谐振功率调节器。
背景技术：
日益需要功率转换和调节电路以增加的效率和减小的功耗来工作，以适应电子装 置的尺寸持续减小。开关调节器已经被实现为高效的机构，用于在电源中提供稳定的输出。 一种此类调节器被称为开关调节器或者开关电源，其通过控制耦合于负载的一个或多个开 关的占空比来控制流入负载的功率。目前存在多种不同类别的开关调节器。作为进一步的示例，谐振功率调节器可以被配置成带有谐振回路，该谐振回路基 于电容与电感(例如变压器的初级电感)之间的功率存储相互作用传导振荡的谐振电流。 振荡的谐振电流可以基于开关的动作而产生，并可以因此在变压器的次级电感上感应电 流。因此，可以基于输出电流产生输出电压。谐振功率调节器可以被实现为达到很低的开 关损耗，并且因此可以在相当高的开关频率上工作。
发明内容
本发明的一个实施例包括LLC谐振功率调节器系统。所述系统包括变压器，所述 变压器包括初级电感、次级电感以及输入谐振回路，所述输入谐振回路包括串联连接的输 入谐振电容、输入漏电感和初级电感。所述系统还包括包含多个开关的输入级，响应于相应 的多个开关信号扫描频率控制所述多个开关，以向输入谐振回路提供输入谐振电流。相应 的多个开关信号中的每一个具有固定的占空比和扫描频率。所述系统还包括输出谐振回 路，该输出谐振回路包括串联连接的输出谐振电容、输出漏电感和次级电感。输出谐振回路 可以被配置成在输出端产生振荡输出谐振电流。本发明另一实施例包括一种经由LLC谐振功率调节器提供AC功率的方法。所述 方法包括产生具有基本固定的50%占空比和扫描频率的多个开关信号。所述方法还包括响 应于相应的多个开关信号控制多个开关以向输入谐振回路提供输入谐振电流，所述输入谐 振回路包括输入谐振电容、输入漏电感和变压器初级电感。所述方法还包括响应于输入谐 振电流，感应流过变压器的次级电感的输出谐振电流，所述输出谐振电流振荡流过包括变 压器次级电感的输出谐振回路。所述方法还包括传导输出谐振电流作为流过负载的AC电 流。负载与输出谐振回路串联耦合。本发明另一实施例包括LLC谐振功率调节器系统。所述系统包括用于产生多 个开关信号的装置，所述开关信号具有基本固定的占空比和具有预定范围的扫描频率；以 及响应于多个开关信号，用于将控制节点交替地耦合在输入电压和参考电压轨道之间的装 置。所述系统还包括响应于控制节点电压变化，用于谐振输入谐振电流的装置。用于谐振 的装置具有由用于谐振的装置的电路元件特性所定义的第一谐振频率和第二谐振频率。所 述系统还包括用于感测输出谐振电流幅度的装置以及基于输出谐振电流相对于预定参考 幅度的幅度，用于将多个开关信号的频率调节至扫描频率的预定范围内的装置。
图1图示说明了根据本发明一方面的LLC谐振功率调节器系统的示例。图2图示说明了根据本发明一方面的LLC谐振功率调节器系统的另一示例。图3图示说明了根据本发明一方面的输出电压和相位差作为开关频率的函数的 图示。图4图示说明了根据本发明一方面的LLC谐振功率调节器系统的又一示例。图5图示说明了根据本发明一方面的LLC谐振功率调节器系统的输出级的示例。图6图示说明了根据本发明的一方面的、一种用于经由LLC谐振功率调节器提供 AC功率的方法的示例。
具体实施例方式本发明涉及电子电路，并具体地涉及固定占空比LLC谐振功率调节器。LLC谐振功 率调节器可以包括具有初级电感和次级电感的变压器。包括初级电感的输入谐振回路根据 其电路元件可以具有第一谐振频率和第二谐振频率。因此，在输入谐振回路中产生谐振电 流，其在次级电感中感生出到输出级的输出电流。输出级还可以包括至少部分地由变压器 的次级电感形成的输出谐振回路。因此输出谐振电流可以振荡经过串联耦合于输出谐振回 路的负载。输入谐振功率调节器还可以包括具有半桥布置的开关的输入级，例如晶体管(例 如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))。所述半桥布置可以包括耦合为基于一组开 关信号驱动输入谐振回路的节点。开关信号可以以扫描频率提供并且具有固定的占空比。 如此处所述，扫频频率是可以在第一频率和更高的第二频率间变化的频率，使得所述频率 可以在第一和第二频率间振荡或者在第一和第二频率间被调节。开关信号可以具有约50% 的占空比，并且可以相对彼此移相约180°。因此，可以基于将输入谐振回路交替地耦合于 高电压轨道和低电压轨道来开启或关闭开关以产生输入谐振电流。可以将开关信号的扫描频率范围选择为大于第一谐振频率和第二谐振频率中的 至少一个，使得MOSFET以零电压切换(ZVS)方式被开启。因此，输入级中开关的操作可以 比在典型的谐振功率调节器中更有效率。此外，基于具有大约50%占空比和相对彼此移相 约180°的开关信号，LLC谐振功率调节器系统可以以相当减小的总谐波失真(THD)而工 作。而且，输出谐振电流的幅度可以被监视并与参考幅度相比较。因此，可以基于该比较将 开关信号的频率调节至扫描频率范围内。图1图示说明了根据本发明一方面的LLC谐振功率调节器系统10的示例。LLC谐 振功率调节器系统10被配置为基于输入电压Vin产生振荡经过负载(示为的AC输出 谐振电流IOT。虽然负载被示为阻性负载，但是应理解，依据系统的应用要求，负载还可以包 括其它类型的阻抗。LLC谐振功率调节器系统10可以被实现在多种应用中，例如多种便携 电子装置中的任何一种中。例如，LLC谐振功率调节器系统10可以用作向一个或多个冷阴 极荧光灯(CCFL)提供功率的逆变器，例如用于计算机监视器。LLC谐振功率调节器系统10包括被配置成产生多个开关信号的开关控制级12。在 图1示例中，开关信号被示为一对开关信号SW1和SW2。LLC谐振功率调节器系统10还包括互连在高电压轨道(示为输入电压Vin)和低电压轨道(示为地)之间的输入级14。输入级 14包括由开关信号SW1和SW2控制的多个开关16。作为示例，开关16可以被配置成耦合于 电压轨道之间的半桥布置。例如，开关16可以包括通过控制节点互连于轨道之间的一对开 关。所述控制节点可以是输入级14的输出节点，其根据开关16的开启和关闭向输入谐振 回路18提供电流。输入谐振回路18被配置成响应于开关16的操作传导输入谐振电流IKES。在图1 示例中，输入谐振回路18包括变压器22的初级电感20，使得输入谐振电流Ikes能够流经变 压器22的初级电感20以及例如串联在一起的漏电感和谐振电容。因此，输入谐振回路18 可以具有由与漏电感和谐振电容相关联的特性所定义的第一谐振频率，并且具有由与漏电 感、初级电感和谐振电容相关联的特性所定义的第二谐振频率。第一谐振频率可以高于第 二谐振频率。作为示例，输入谐振回路18可以被互连于输入级14中的互连控制节点和地之间。 开关信号SW1和SW2可以具有固定的占空比。作为示例，固定的占空比可以约为50%。此 外，开关信号SW1和SW2可以相对彼此移相约180°，使得它们可以互斥地为有效(即逻辑 高)和无效(即逻辑低)。因此，开关信号SW1和SW2可以操作开关16以将输入谐振回路 18交替地耦合到输入电压Vin和地。因此，输入谐振电流Ikes可以基于开关16的开启/关 闭序列以第一谐振频率和第二谐振频率谐振经过输入谐振回路18。此外，可以通过提供具 有扫描频率的开关信号SW1和SW2来操作开关16，使得开关16在扫描频率范围内被开启和 关闭。作为示例，扫描频率范围可以被设定为大于输入谐振回路18的第一谐振频率和第二 谐振频率中的一个或两者。以此方式，可以以零电压切换(ZVS)方式开启开关16，以便LLC 谐振功率调节器系统10更高效的工作。LLC谐振功率调节器系统10还包括输出谐振回路M。在图1示例中，输出谐振回 路M可以包括变压器22的次级电感26。响应于经过变压器22的初级电感的输入谐振电 流Ikes的振荡，变压器22的次级电感沈产生输出谐振电流Iot (例如基于通过变压器22的 磁芯的磁通量)。输出谐振回路M被配置成响应于输入谐振电流Ikes传导输出谐振电流 I0UT'使得输出谐振电流Iot可以流经变压器22的次级电感沈以及例如与负载&串联在一 起的漏电感和谐振电容。因此，输出谐振电流Iot被提供为振荡经过负载&的AC电流。LLC谐振功率调节器系统10还包括被配置成监测输出谐振电流Iqut的幅度的反馈 控制器观。例如，反馈控制器观监测从串联耦合于负载&的传感器30产生的电压VSENSE。 作为示例，传感器30可以被实现为感测电阻器或者其它电流感测装置(例如霍尔效应传感 器)，其提供指示(例如正比于)输出谐振电流Iot的幅度的传感器信号VSENSE。反馈控制 器观可以被配置成将电压Vsense与预定的参考电压Vkef相比较并提供反馈信号FDBCK至开 关控制级12。例如，反馈控制器可以被实现为误差放大器，其提供对应于电压Vsense和预定 的参考电压Vkef之间的幅度的差的反馈信号FDBCK。因此，开关控制级12可以响应于反馈 信号FDBCK调节开关信号SW1和SW2的频率。例如，开关控制级12可以基于输出谐振电流 I0UT的振荡幅度沿着扫描频率范围扫描开关信号SW1和SW2的频率。基于对开关信号SW1和SW2的频率的调节，LLC谐振功率调节器系统10可以以改 进的效率工作。如上所述，由于开关信号SW1和SW2的扫描频率范围以及因此开关16的操 作大于第一谐振频率和第二谐振频率中的一个或两者，所以开关16可以以ZVS方式工作。因此，开关16可被软切换(soft-switched)，导致比典型的LLC功率调节器更高的功率效率 操作并且具有相当少的电磁干扰(EMI)。此外，将开关信号SW1和SW2的频率调节至扫描频 率的窄的范围内可以导致开关信号SW1和SW2的50%的固定的占空比，用于开关16的互斥 的开启和关闭。因此，相对于许多现有的LLC功率调节器，开关16响应于开关信号SW1和 Sff2的操作可以导致总谐波失真(THD)大幅减小。图2图示说明了根据本发明一方面的LLC谐振功率调节器系统50的另一示例。与 上述在图1示例中所描述的类似，LLC谐振功率调节器系统50被配置为基于输入电压Vin 产生振荡经过负载&的输出谐振(AC)电流I·。作为示例，在LLC谐振功率调节器系统50 的典型工作期间，输入电压Vin可以约为350到450VDC以得到跨过负载&的输出电压Vqut 的范围大约在1000到2000VDC之间。LLC谐振功率调节器系统50包括输入级52，其被互连在高电压轨道(示为输入电 压Vin)和低电压轨道(示为地)之间。输入级52包括在图2示例中示为MOSFET Q1和％ 的多个开关，所述A和A分别由开关信号SW1和SW2经由驱动器M控制。在图2示例中， MOSFET Gl1耦合于输入电压Vin，MOSFET %耦合于地，并且MOSFET Gl1和Gl2通过具有电压Vint 的控制节点56串联互连。因此，MOSFET Q1和％被布置成半桥。在图2示例中，LLC谐振功率调节器系统50还包括输入谐振回路58，其被配置成 响应于MOSFET仏和仏的开启和关闭传导输入谐振电流IKES。在图2示例中，输入谐振回路 58包括与变压器60关联的磁化电感LM、漏电感Lki和谐振电容Cki，它们被串联耦合于控制 节点56和地之间。应理解，在图2示例中，根据理想晶体管模型，磁化电感Lm表示变压器 60的初级电感Lp的电抗。因此输入谐振电流Ikes可以响应于MOSFET Gl1和Gl2的开启和关 闭流过输入谐振回路58并且谐振。输入谐振回路58具有第一谐振频率frl，其由与漏电感 Lki和谐振电容Csi相关联的特性定义如下剛介、丄式ι
权利要求
1.一种LLC谐振功率调节器系统，包括变压器，其包括初级电感和次级电感；输入谐振回路，其包括串联连接的输入谐振电容、输入漏电感和所述初级电感；输入级，其包括多个开关，响应于相应的多个开关信号扫描频率控制所述多个开关，以 将输入谐振电流提供到所述输入谐振回路，所述相应的多个开关信号中的每一个具有固定 的占空比和扫描频率；以及输出谐振回路，其包括串联连接的输出谐振电容、输出漏电感和所述次级电感的，所述 输出谐振回路被配置成在输出端产生振荡输出谐振电流。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括反馈控制器，所述反馈控制器被配置成依据所 述输出谐振电流和预定参考值之间的差来提供反馈信号。
3.根据权利要求2所述的系统，还包括开关控制级，所述开关控制级被配置成提供所 述多个开关信号并且响应于所述反馈信号将所述多个开关信号的扫描频率调节至扫描频 率范围内，所述扫描频率范围在第一频率和高于所述第一频率的第二频率之间。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述输入谐振回路具有根据所述输入谐振电容和 所述输入漏电感设定的第一谐振频率，并且具有根据所述输入谐振电容、所述输入漏电感 和所述初级电感设定的第二谐振频率，以及其中所述开关控制级还被配置成将所述扫描频率范围的所述第一频率设定为高于所 述第一谐振频率和所述第二谐振频率中的至少一个，以保持对所述多个开关的零电压切换 控制。
5.根据权利要求3所述的系统，其中所述开关控制级被配置成将所述多个开关信号中 的每一个的固定占空比设定为约50%。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个开关包括第一开关和第二开关，所述第 一开关和第二开关被布置成在输入电压和第二电压之间的半桥，所述半桥包括耦合于所述 输入谐振回路的互连节点。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述第一开关由第一开关信号控制，所述第二开 关由第二开关信号控制，所述第一和第二开关信号各自具有约50%的占空比和相对彼此移 相约180°。
8.根据权利要求1所述的系统，还包括多个输出级，所述多个输出级中的每一个包括 谐振电路，所述谐振电路包括输出级谐振回路，控制所述扫描频率以调节每个相应的输出 级谐振回路中的所述输出谐振电流。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述变压器被配置成响应于流过其所述初级电感 的所述输入谐振电流，在其所述次级电感上产生中间电流，并且其中所述多个输出级中的 每一个还包括输出级变压器，其包括与输出次级电感电感性耦合的输出初级电感，所述输出初级电 感传导流过其的中间电流，以感应流过所述输出次级电感的对应的输出级谐振电流；以及所述谐振电路包括所述输出级变压器的所述输出次级电感、所述输出级变压器的所述 输出漏电感和与相应的负载串联连接的至少一个输出谐振电容，所述对应的输出谐振电流 振荡流过所述谐振电路到与所述至少一个谐振电容串联连接的相应的负载。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述输入谐振回路还包括与所述输入谐振电容、所述输入漏电感和所述初级电感串联连接的至少一个额外的电感。
11.根据权利要求1所述的系统，还包括连接在所述输出谐振回路的输出端的冷阴极 荧光灯(CCFL)。
12.一种用于经由LLC谐振功率调节器提供AC功率的方法，所述方法包括产生具有基本固定的50%占空比和扫描频率的多个开关信号；响应于相应的多个开关信号控制多个开关，以将输入谐振电流提供给输入谐振回路， 所述输入谐振回路包括输入谐振电容、输入漏电感和变压器的初级电感；响应于所述输入谐振电流感应流过所述变压器的次级电感的输出谐振电流，所述输出 谐振电流谐振流过输出谐振回路，所述输出谐振回路包括所述变压器的所述次级电感；以 及将所述输出谐振电流作为AC电流传导流过负载，所述负载与所述输出谐振回路串联 華禹合。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括感测所述输出谐振电流的幅度以提供指示所述输出谐振电流幅度的传感器信号；将所述传感器信号和预定参考值进行比较以提供反馈信号；以及响应于所述反馈信号，将所述多个开关信号的频率调节至与所述扫描频率相关联的扫 描频率范围内。
14.根据权利要求13所述的方法，其中调节所述频率包括将所述扫描频率范围设定为在第一频率和高于所述第一频率的第二频率之间；以及将所述第一频率设定为高于第一谐振频率和第二谐振频率中的至少一个，从而以零电 压切换輔方式关闭所述多个开关，所述第一谐振频率基于所述输入谐振电容和所述输 入漏电感，所述第二谐振频率基于所述输入谐振电容、所述输入漏电感和所述初级电感。
15.根据权利要求12所述的方法，其中产生所述多个开关信号包括产生第一开关信号 和第二开关信号，所述第一和第二开关信号相对彼此移相约180°，并且其中控制所述多个 开关包括响应于所述第一开关信号控制第一开关；以及响应于所述第二开关信号控制第二开关；所述第一和第二开关被配置成在输入电压和 第二电压之间的半桥，所述半桥具有互连节点，所述互连节点被耦合以提供所述输入谐振 电流至所述输入谐振回路。
16.根据权利要求12所述的方法，其中感应所述输出谐振电流还包括响应于所述输入 谐振电流而感应输出谐振电流，所述输出谐振电流流过多个输出级变压器中的每一个的输 出次级电感，所述输出谐振电流谐振流过相应的多个输出谐振电路中的每一个，所述输出 谐振电路中的每一个包括相应的所述输出次级电感。
17.根据权利要求16所述的方法，其中传导所述输出谐振电流包括将所述输出谐振电 流作为AC电流传导流过与所述多个输出谐振电路中的每一个相连接的多个负载中的每一 个，所述多个负载中的每一个与相应的谐振电容串联耦合，所述谐振电容与所述多个输出 谐振电路中相应一个的相应的输出次级电感耦合。
18.根据权利要求16所述的方法，其中感应所述输出谐振电流还包括响应于所述输入谐振电流，在所述变压器的次级电感上产生中间电流；将所述中间电流提供到与相应的多个输出级变压器关联的多个输出初级电感中的每 一个；以及响应于所述中间电流而感应所述输出谐振电流，所述输出谐振电流流过所述多个输出 级变压器中的每一个的所述输出次级电感。
19.一种LLC谐振功率调节器系统，包括用于产生多个开关信号的装置，所述多个开关信号具有基本固定的占空比和具有预定 范围的扫描频率；用于响应于所述多个开关信号而将控制节点交替地耦合于输入电压和参考电压之间 的装置；用于响应于所述控制节点处的电压变化而谐振输入谐振电流的装置，用于谐振的所述 装置具有由用于谐振的所述装置的电路部件特性定义的第一谐振频率和第二谐振频率；用于响应于所述输入谐振电流而在输出级感应输出谐振电流的装置，所述输出谐振电 流振荡流过负载；用于感测所述输出谐振电流幅度的装置；以及用于基于所述输出谐振电流相对于预定参考幅度的幅度而将所述多个开关信号的频 率调节至所述扫描频率预定范围内的装置。
20.根据权利要求19所述的系统，其中用于感应输出谐振电流的所述装置包括用于感 应的多个装置，用于感应的所述多个装置中的每一个使得在相应的多个输出级中感应相应 的多个输出谐振电流，所述多个输出谐振电流振荡流过与所述多个输出级中的每一个相连 的至少一个负载。
全文摘要
本发明的一个实施例包括LLC谐振功率调节器系统。所述系统包括变压器，所述变压器包括初级电感、次级电感和输入谐振回路，所述输入谐振回路包括串联连接的输入谐振电容、输入漏电感和初级电感。所述系统还包括包含多个开关的输入级，响应于相应的多个开关信号扫描频率控制所述多个开关，以将输入谐振电流提供到输入谐振回路。相应的多个开关信号中的每一个可以具有固定的占空比和扫描频率。所述系统还包括输出谐振回路，所述输出谐振回路包括串联连接的输出谐振电容、输出漏电感和所述次级电感。输出谐振回路可以被配置成在输出端产生振荡输出谐振电流。
文档编号H02M7/5383GK102047549SQ200980119969
公开日2011年5月4日 申请日期2009年1月7日 优先权日2009年1月7日
发明者T·黄 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司