输出瞬态响应增强的LLC谐振控制器电路的制作方法

本发明涉及一种输出瞬态响应增强的llc谐振控制器电路，属于集成电路。

背景技术：

1、开关电源便凭借其重量轻、体积小、能效高等显著的优点，在锂电池充电器领域占有着相当的市场份额，而其中，具有软开关特性的谐振变换器有利于进一步推动电源设备的高频化和小型化。在诸多谐振软开关变换器类型中，llc谐振变换器同时兼具空载工作能力强和谐振电流反映负载轻重的能力，因而得到了广泛的应用。llc半桥谐振变换器电源系统输出的电流信号cs

2、图1为一种典型的llc半桥谐振变换器系统的拓扑结构图。谐振变换器系统中s1～s2主开关mosfet的控制信号为hg和lg，由llc半桥谐振控制器芯片200根据llc半桥谐振变换器电源系统输出反馈电压信号fb、检测电流信号cs和频率控制信号fset的状态产生；谐振控制器芯片200的电流输出sw节点连接驱动llc谐振腔。

3、图1电路中，llc半桥谐振控制器200输出控制信号hg和lg直接驱动功率开关s1和s2的栅极，hg和lg通常需要串接保护电阻rgh和rgl进行限流，然后再连接到功率开关s1和s2的栅极，起到安全保护作用。保护电阻rgh和rgl为外部分立器件，其电阻精度通常存在5％的误差，导致不同的llc半桥谐振系统中功率开关s1和s2的栅极驱动电流存在特性不一致问题。除此之外，s1和s2的栅极特性会随着时间和工作环境变化发生偏移，进而产生一定的误差。若此时llc半桥谐振控制器200的输出控制信号hg和lg特性保持不变，则整体llc谐振控制器系统中功率开关s1和s2的栅极驱动信号的上升和下降时间会发生变化，从而引起整体llc谐振控制器系统的性能偏移。

4、因此，提供一种输出瞬态特性可精确增强调整的llc谐振控制器电路，对于保持整体llc谐振功率系统的长期稳定性，有着重要的使用价值和经济效益。

技术实现思路

1、本发明在现有技术基础上，针对驱动芯片外部特性由于器件误差和时间偏移带来的误差，提供了一种输出瞬态响应增强的llc谐振控制器电路，可以对llc谐振功率系统的输出瞬态特性进行精确调整，提升控制器的整体效率和稳定性。

2、所述的输出瞬态响应增强的llc谐振控制器电路包括依次连接的输入缓冲电路、振荡时钟产生电路、控制逻辑电路、死区时间产生电路，控制逻辑电路的输入端还连接反馈电压检测电路和过温保护电路，所述输入缓冲电路根据外部频率控制信号fset产生输入频率控制信号ifset，振荡时钟产生电路依据输入频率控制信号ifset产生基准时钟osc，反馈电压检测电路检测llc半桥谐振变换器电源系统输出的电压信号fb并输出电压检测信号dfb，过温保护电路实时监控芯片温度并产生过温保护信号otp；除此之外，所述控制逻辑电路的输入端还连接谐振电流跟随检测电路输出的过流保护信号ocp、电流损耗量化信号dcs，谐振电流跟随检测电路的输入端连接基准时钟osc和控制逻辑电路输出的工作模式控制信号mod；所述谐振电流跟随检测电路用于检测llc半桥谐振变换器电源系统输出的电流信号cs，并在基准时钟osc和工作模式控制信号mod的控制下产生电流损耗量化信号dcs、过流保护信号ocp；

3、所述控制逻辑电路依据基准时钟osc、电流损耗量化信号dcs、电压检测信号dfb、过流保护信号ocp和过温保护信号otp的状态产生功率开关控制信号din和工作模式控制信号mod；

4、所述死区时间产生电路根据功率开关控制信号din产生具有死区时间保护的高侧输出开关控制信号dho和低侧输出开关控制信号dlo；高侧输出开关控制信号dho进入电平移位电路，输出高侧输出信号dhho，连接到高侧瞬态响应增强输出驱动电路，经过高侧瞬态响应增强输出驱动电路产生高侧栅驱动信号hg以及浮动的电源bst和浮动地sw；低侧输出开关控制信号dlo进入延迟补偿电路，输出低侧输出信号dllo，连接到低侧瞬态响应增强输出驱动电路，经过低侧瞬态响应增强输出驱动电路产生低侧栅驱动信号lg。

5、进一步的，所述谐振电流跟随检测电路包括：电流信号cs分别连接电阻rc3左端、二选一数据选择器mux的第一输入端和比较器c2的正输入端；电阻rc3右端和电阻rc4右端连接运算放大器a1的正输入端，电阻rc4的左端连接参考共模电压vcm；运算放大器a1的负输入端连接电阻rc1左端和电阻rc2右端，运算放大器a1的输出端连接比较器c1的正输入端和电阻rc1的右端，电阻rc2的左端连接地gnd；比较器c1的负输入端连接参考共模电压vcm，比较器c1的输出端为电流损耗量化信号dcs；电阻rc1、电阻rc2、电阻rc3、电阻rc4和运算放大器a1构成一个信号比较放大电路，将llc半桥谐振变换器电源系统输出的电流信号cs和参考共模电压vcm信号的差值进行放大，并通过比较器c1与参考共模电压vcm信号进行比较；用于判断电流信号cs的大小和方向，并得到得到电流损耗量化信号dcs；

6、比较器c2的负输入端连接参考电压vr1，实时将电流信号cs与参考电压vr1进行比较，比较器c2的输出端为过流保护信号ocp1；

7、二选一数据选择器mux的第二输入端接地gnd，二选一数据选择器mux的控制端连接高侧输出开关控制信号dho，二选一数据选择器mux的输出端连接加权滤波电路的输入端，仅在高侧输出开关控制信号dho有效时，二选一数据选择器mux的输出信号才进入加权滤波电路；加权滤波电路的输出端同时连接到比较器c3的正输入端和比较器c4的正输入端；比较器c3的负输入端连接参考电压vr2，比较器c3的输出端为过流保护信号ocp2；比较器c4的负输入端连接参考电压vr3，比较器c4的输出端为过流保护信号ocp3；过流保护信号ocp1、ocp2和ocp3分别连接到过流信号滤波选择电路的3个保护信号输入端口，过流信号滤波选择电路的控制时钟为基准时钟osc和时钟ck3，过流信号滤波选择电路的输出为过流保护信号ocp；

8、基准时钟osc和工作模式控制信号mod连接跟随控制时钟电路的输入端，跟随控制时钟电路根据工作模式控制信号mod和基准时钟osc信号产生时钟ck1、时钟ck2和时钟ck3，时钟ck1用于控制比较器c3的工作状态，时钟ck2用于控制比较器c4的工作状态；

9、由于高侧输出开关控制信号dho和低侧输出开关控制信号dlo之间具有死区时间保护，因此加权滤波电路的输入端在低侧输出开关控制信号dlo有效时没有输入信号，因此比较器c3和比较器c4仅在高侧输出开关控制信号dho有效时才对电流信号cs的大小进行比较，分别输出有效的过流保护信号ocp2和过流保护信号ocp3；而在低侧输出开关控制信号dlo有效时，比较器c3和比较器c4输出的过流保护信号ocp2和ocp3为无效信号。

10、所述谐振电流跟随检测电路通过不同的工作状态下采用不同的比较器对llc半桥谐振变换器电源系统输出的电流信号cs进行比较和检测，比较器使用的参考电压vr1、参考电压vr2和参考电压vr3设置成不同的大小，能够起到不同的保护临界值监测作用。

11、进一步的，所述跟随控制时钟电路包括：计数器、分频电路、不同占空比时钟产生电路和控制寄存器；

12、基准时钟osc连接计数器的输入端和分频电路的时钟输入端，工作模式控制信号mod连接控制寄存器的输入端；计数器的输出端产生控制时钟ck_ctrl连接到控制寄存器，控制寄存器根据控制时钟ck_ctrl和工作模式控制信号mod产生初始控制信号set，连接到分频电路；分频电路根据初始控制信号set和基准时钟osc产生低频时钟ck0，连接到不同占空比时钟产生电路；不同占空比时钟产生电路根据低频时钟ck0产生时钟ck1、时钟ck2和时钟ck3；时钟ck1、ck2和ck3为采样有效时间不交叠的时钟信号，即在任何时间不能同时出现高电平。

13、进一步的，所述过流信号滤波选择电路包括：1个8位计数器count1、1个具有脉冲吞咽功能的16位计数器count2、一个k：1数据选择器以及脉冲吞咽控制电路、复位信号产生电路、窗口信号发生器和信号对比电路，其中k大于或等于3；基准时钟osc连接8位计数器count1的输入端和具有脉冲吞咽功能的16位计数器count2的输入端，8位计数器count1的输出端连接到复位信号产生电路的数据输入端，复位信号产生电路输出复位信号，分别连接到具有脉冲吞咽功能的16位计数器count2的复位端、脉冲吞咽控制电路的输入控制端和窗口信号发生器的复位端；k：1数据选择器的输入端分别连接过流保护信号ocp1、ocp2和ocp3，k：1数据选择器的输出端连接到具有脉冲吞咽功能的16位计数器count2的数据输入端；具有脉冲吞咽功能的16位计数器count2的控制信号输入端连接脉冲吞咽控制电路输出的吞咽控制脉冲信号，具有脉冲吞咽功能的16位计数器count2的输出端socp连接到信号对比电路的第一数据输入端，信号对比电路的第二数据输入端连接窗口信号发生器的输出端，信号对比电路的输出为过流保护信号ocp；

14、具有脉冲吞咽功能的16位计数器count2要处在计数状态，必须同时满足两个条件：复位端的复位信号为高电平，且吞咽控制脉冲信号处于高电平期间；

15、所述过流信号滤波选择电路工作顺序为：

16、1)基准时钟osc输入8位计数器count1，计数到达之后输出复位启动脉冲信号到复位信号产生电路，使得其输出复位信号由“0”变为“1”；

17、2)脉冲吞咽控制电路也开始工作，输出一个与基准时钟osc16分频，且占空比为0.5的时钟控制信号，并输出给16位计数器count2；

18、3)16位计数器count2开始对基准时钟osc计数，计数的数值是8位计数器count1的1/16；

19、4)16位计数器count2计满后，输出端开始输出处理过的串行过流信号socp；

20、5)时钟ck3有效时，窗口信号发生器产生一个观察窗口信号dth，信号对比电路将信号dth与串行过流信号socp比较，判断16位计数器count2中某一位是否为高电平，若16位计数器count2中被窗口信号选中的那一位为高电平，则输出过流保护信号ocp为高电平，反之为低电平。

21、进一步的，所述反馈电压检测电路包括：nmos管m604的栅极作为一个信号输入端，连接电压信号fb，nmos管m603的栅极作为另一个信号输入端，连接参考电压vref6，nmos管m604源极连接nmos管m606漏极、nmos管m603源极；pmos管m601漏极连接nmos管m603漏极、pmos管m601栅极和pmos管m602栅极，pmos管m602漏极连接nmos管m604漏极、pmos管m605栅极；nmos管606栅极和nmos管607栅极同时连接偏置电压vb；pmos管m605漏极和nmos管607漏极相连，还连接到施密特触发器smt1的输入端，施密特触发器smt1的输出端连接pmos管m609栅极和nmos管m610栅极；pmos管m609漏极连接nmos管m610漏极、pmos管m611栅极和nmos管m612栅极，pmos管m611漏极连接电阻r601的一端，电阻r601另一端同时连接nmos管m612漏极、电容c601的一端以及施密特触发器smt2的输入端，施密特触发器smt2的输出端输出电压检测信号dfb；

22、pmos管m601源极、pmos管m602源极、pmos管m605源极、pmos管m609源极、pmos管m611源极同时连接电源电压vcc；nmos管m606源极、nmos管m607源极、nmos管m610源极、nmos管m612源极和电容c601的另一端同时接地gnd。

23、本发明所述高侧瞬态响应增强输出驱动电路和低侧瞬态响应增强输出驱动电路采用结构相同的瞬态响应增强输出驱动电路，其结构包括：k个级联的p端反相器invp1～invpk、k个级联的n端反相器invn1～invnk、输出驱动pmos管mp、输出驱动nmos管mn、p管衬底偏置电压产生电路和n管衬底偏置电压产生电路，k为大于1的整数；

24、所述k个级联的p端反相器中第一个反相器invp1以及k个级联的n端反相器中第一个反相器invn1的输入端共同连接到高侧输出信号dhho或低侧输出信号dllo；所述k个级联的p端反相器中最后一个反相器invpk的输出连接到输出驱动pmos管mp的栅极，所述k个级联的n端反相器中最后一个反相器invnk的输出连接到输出驱动nmos管mn的栅极；输出驱动pmos管mp源极连接电源电压vcc，输出驱动nmos管mn源极连接到地gnd，输出驱动pmos管mp漏极和输出驱动nmos管mn漏极相连，输出高侧栅驱动信号hg或低侧栅驱动信号lg；

25、p管衬底偏置电压产生电路根据外部控制码dr(n)产生输出驱动pmos管衬底电压vbp，连接到输出驱动pmos管mp的衬底；n管衬底偏置电压产生电路根据外部控制码dr(n)产生输出驱动nmos管衬底电压vbn，连接到输出驱动nmos管mn的衬底。

26、进一步的，所述p管衬底偏置电压产生电路包括：电源升压电路、第一偏置参考电压选择电路和p管衬底偏置电路缓冲器；所述电源升压电路用于产生一个大于电源vcc的浮动高压vcch，并对第一偏置参考电压选择电路和p管衬底偏置电路缓冲器提供公用电源电压；所述第一偏置参考电压选择电路的输入端连接控制码dr(n)和p端下限偏置参考电压vrlp，产生p管衬底偏置参考电压vrp，连接到p管衬底偏置电路缓冲器，p管衬底偏置参考电压vrp的电位必须在浮动高压vcch和p端下限偏置参考电压vrlp两个电压之间，并且vcch>vrlp；p管衬底偏置参考电压vrp通过p管衬底偏置电路缓冲器隔离缓冲，得到输出驱动pmos管衬底电压vbp。

27、所述n管衬底偏置电压产生电路包括：负压降压电路、第二偏置参考电压选择电路和n管衬底偏置电路缓冲器；所述负压降压电路用于产生一个低于地gnd的负压电位vssl，并对第二偏置参考电压选择电路和n管衬底偏置电路缓冲器提供公用地电位；所述第二偏置参考电压选择电路的输入端连接控制码dr(n)和n端上限偏置参考电压vrhn，产生n管衬底偏置参考电压vrn，连接到n管衬底偏置电路缓冲器，n管衬底偏置参考电压vrn的电位必须在负压电位vssl和n端上限偏置参考电压vrhn两个电压之间，并且vssl<vrhn；n管衬底偏置参考电压vrn通过n管衬底偏置电路缓冲器隔离缓冲，得到输出驱动nmos管衬底电压vbn。

28、本发明的优点是：

29、1、本发明针对驱动芯片外部特性由于器件误差和时间偏移带来的误差，使用了一种瞬态响应增强输出驱动电路，通过调整输出驱动pmos管mp和输出驱动nmos管mn的阈值电压vth大小，实现对llc谐振功率系统的输出瞬态特性的精确调整，从而提高整体功率系统的长期稳定性。

30、2、为进一步提高可靠性，本发明还通过不同的工作状态下采用多个比较器在不同工作模式下，分别采用不同的参考电压临界值对谐振电流进行比较和检测，起到不同的保护临界值监测作用，从而最终形成更为精确的保护控制效果。