用于开关模式电源的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本公开大体上涉及电子设备，并且更特别地涉及一种用于开关模式电源的系统和 方法。
【背景技术】
[0002] 电源系统在从计算机到汽车的很多电子应用中非常普及。大体上，在电源系统内 的电压通过操作负载有电感器或变压器的开关以执行DC-DC、DC-AC以及/或AC-DC转换来 生成。这种系统的一个类别包括开关模式电源（SMPS)。由于功率转换是通过电感器或变压 器的受控充电和放电来执行，因此SMPS较之其他类型的功率转换系统而言通常更为有效 并且减少了由于跨越电阻性电压降的功耗引起的能量损失。
[0003] SMPS通常包括至少一个开关和电感器或变压器。一些特定的拓扑结构包括降压转 换器、升压转换器和反激转换器以及其他。控制电路通常用来断开和闭合开关从而对电感 器进行充电和放电。在一些应用中，提供到负载的电流以及/或提供到负载的电压经由反 馈环路进行控制。
[0004] SMPS的一个应用是作为用于诸如这些应用在住宅和商业照明应用中从而取代白 炽灯泡和小型荧光灯（CFL)的发光二极管（LED)的电源。在一些应用中，SMPS用来将AC线 电压转换为DC电流从而对LED进行供电。
【发明内容】
[0005] 根据实施例，一种用于操作开关模式电源的方法包括通过向第一开关晶体管的控 制节点施加第一开关信号以及向第二开关晶体管的控制节点施加第二开关信号，使得第一 开关信号的占空比小于第二开关信号的占空比，从而开启开关模式电源。在开启开关模式 电源之后，通过向第一开关晶体管的控制节点施加第三开关信号以及向第二开关晶体管的 控制节点施加第四开关信号，使得第三开关信号的占空比基本上等于第四开关信号的占空 比，从而操作开关模式电源。
【附图说明】
[0006] 为了对本发明及其优势有更为全面的理解，现在参照结合附图作出的下面的描 述，其中：
[0007] 图1描述了实施例的电源系统；
[0008] 图2描述了实施例的谐振LLC功率转换器；
[0009] 图3a和图3b描述了示例性谐振LLC功率转换器开启序列的波形图；
[0010] 图4a-图4c描述了实施例的谐振LLC功率转换器开启序列的波形图；
[0011] 图5a和图5b描述了示出谐振LLC功率转换器的开启性能的波形图；
[0012] 图6描述了实施例的方法的流程图；以及
[0013] 图7描述了实施例的集成电路的框图。
[0014] 在不同的图中的相对应的数字和符号大体上指代相对应的部分，除非另外指出。 附图被描绘为清楚地描述优选实施例的相关方面并且并非必然按照比例描绘。为了更为清 楚地描述特定的实施例，指示着相同结构、材料或工艺步骤的变形的字母可能跟随图号。
【具体实施方式】
[0015] 下面详细地讨论目前优选的实施例的制作和使用。然而，应当理解的是，本发明提 供许多可应用的创新性的概念，其可以实施在多种特定的上下文中。所讨论的特定的实施 例仅仅为描述制作和使用本发明的特定方式，而并不限制本发明的范围。
[0016] 将关于在特定上下文中的优选实施例来描述本发明，一种用于谐振电感器-电感 器-电容器（LLC)开关模式电源的系统和方法。本发明的实施例还可以应用到其他开关模 式电源配置以及其他包括了对包括但不限于电源系统和发动机控制系统进行开关的其他 电路的系统和应用。
[0017] 在本发明的实施例中，谐振LLC开关模式电源通过对耦合到电源的初级侧的h-桥 电路施加不对称脉冲来进行供电。最初，在开启期间，高侧驱动器接收对应于小占空比的短 脉冲，而低侧驱动器接收对应于大占空比的较长脉冲。通过在启动时使低侧驱动器导通较 长时段，低侧晶体管的体二极管被赋予了变成反向偏置的机会，由此避免了由二极管的不 完全反向恢复性能导致的瞬变。在一些实施例中，h-桥控制信号的开关频率可能在开启期 间比在正常操作期间高。
[0018] 图1描述了实施例的开关模式电源系统100,其可以用来从AC线电压向电子系统 提供功率。如所示出，开关模式电源系统100包括两级：功率因数校正（PFC)级102,其后 跟随有诸如电感器-电感器-电容器LLC电源转换器104的谐振模式的开关模式电源。二 极管桥整流器110对AC线电压Vac进行整流从而提供整流后的线电压。PFC级102被配置 为将整流后的线电压转换为DC总线电压VPFC，而LLC级被配置为将DC总线电压VPFC转 换为将被耦合到由负载块112所代表的负载的输出电压Vo。在操作期间，隔离的反馈电路 106对输出电压Vo进行监视并且将反馈提供到生成用于PFC块102和LLC转换器104的 开关信号的控制器108。在实施例中，来自LLC转换器104的输出的电压反馈可以用来改 变LLC转换器104的开关频率从而对其输出电压Vo进行调节。结合控制器108的PFC级 102包括电流控制环路，该电流控制环路使得到PFC102的AC输入电流与AC线电压Vac同 相。PFC级102以及LLC转换器104可以经由利用本领域已知的控制方法和算法的控制器 108进行控制。在一些实施例中，AC线电压Vac可以为具有约为60Hz或者约为50Hz的线 频率的约llOVrms或者约220Vrms。可代替地，可以使用其他的线电压以及频率。
[0019] 图2描述了根据本发明的实施例的谐振半桥LLC转换器200。该半桥拓扑结构通 常被称为LLC传动系（power train)电路拓扑结构，其中每个初级侧功率开关的占空比被 设置为约50%，并且开关频率fs改变从而控制诸如输出电压的输出特性。由于开关频率f s 改变，开关转换器的有效增益随着开关频率fs关于功率转换器的谐振频率改变而改变。在 实践中，每个初级侧功率开关的占空比被设置为稍微小于50%从而避免在开关瞬变期间的 电流直通。
[0020] LLC转换器200耦合到输入电压源VPFC，并且包括通过对功率转换器的开关频率 f s进行调节来调节诸如输出电压的功率转换器输出特性的控制器206。如所示出，控制器 206感测功率转换器的输出电压Vo以及所希望的输出电压Vref，并且控制初级侧功率开关 的开关频率fs，从而将输出电压Vo调节在希望的输出电压Vref。在所描绘的实施例中，控 制器206直接感测输出电压Vo,并且经由隔离的驱动器202生成初级侧开关信号LSdrive 和HSdrive，并且经由同步整流器驱动器204生成同步整流器开关信号SR1和SR2。在可代 替的实施例中，输出电压Vo可以利用诸如光隔离器的隔离反馈电路或其他电路来感测，并 且初级侧开关信号LSdrive和HSdrive可以在与控制器206的相同功率域中生成。
[0021] 功率转换器向耦合到输出Vo的系统或负载112提供功率。虽然在所描述的实施 例中，传动系采用了半桥谐振功率转换器拓扑结构，但本领域技术人员应当理解的是，其他 的诸如隔离谐振全桥功率转换器拓扑结构的转换器拓扑结构也在本发明的广义范围内。
[0022] 在电路的初级侧，两个串联耦合的功率开关，M0SFET Q1和Q2耦合到两个电感器、 谐振电感器L:、功率变压器208的初级绕组210以及电容器(；。电感K代表变压器208的 磁化电感。应当理解的是，使用M0SFET特别是n-M0SFET来实施开关晶体管Q1和Q2仅仅 是示例。也可以使用任何其他的开关组件，诸如P-M0SFET、IGBT (绝缘栅双极型晶体管）、 BJT (双极结型晶体管）、JFET (结型场效应晶体管）或者GT0(栅极关断晶闸管）。这同样 适用于将在下面进行解释的其他电子开关。
[0023] 在电路的次级侧，用作同步整流器的M0SFET Q3和Q4耦合到变压器208的次级绕 组212。输出电感器Lo将次级绕组212的中心抽头耦合到负载112以及输出电容器Co。在 可代替的实施例中，M0SFET Q3和Q4可以由二极管来代替。输出电感器Lo将次级绕组212 的中心抽头耦合到负载112以及输出电容器Co。
[0024] LLC传动系电路拓扑结构的谐振频率为fRES。谐振频率fRES可以从下面等式进行估 算：
[0026] 其中k和Q分别为图2所描述的指示出的初级侧传动系电路元件的电感和电容。
[0027] 由于其高转换效率，半桥LLC谐振开关模式功率转换器被广泛地应用。实施例的 半桥LLC谐振功率转换器可以被配置为在不同的负载条件下在广泛的输入电压范围下针 对初级侧开关实现零电压开关以及对于次级侧整流器实现