改善LLC轉換器的待機效率的系統和方法與流程

2023-09-24 01:45:40 2

本發明一般涉及開關電源，並且更具體地涉及在llc轉換器的突發模式操作期間控制功率以平衡轉換器的輕負載效率和聲學性能的系統和方法。

背景技術：

諧振直流-直流(dc-dc)轉換器能夠實現很低的開關損失並因此使諧振電路拓撲能夠以高開關頻率操作。一個具體的拓撲是電感器/電感器/電容器(llc)諧振轉換器，其使用諧振儲能電路，該諧振儲能電路包括後接兩個電感器(用來輸入的一個串聯電感器、一個並聯電感器)的串聯電容器。此類轉換器可以用於多種應用中並且當負載連接時提供高效率。在一些應用中，負載是瞬態的並且是：(a)在某些時間連接；以及(b)在其他時間，保持未連接。例如，為膝上pc供電的壁式轉換器(wallconverter)在pc連接時遞送功率，並在pc未連接時遞送有限的功率。然而，當pc未連接時，轉換器的工作效率可能受損。

技術實現要素：

在描述的示例中，在電感器/電感器/電容器(llc)轉換器的突發模式操作期間，一種系統和方法控制功率以平衡轉換器的輕負載效率和聲學性能。在一個示例中，系統包括llc轉換器以將輸入直流(dc)電壓轉換成輸出dc電壓。突發發生器(burstgenerator)產生具有突發時間和休眠時間的開關信號，以當llc轉換器的輸出負載電流低於預定閾值時操作llc轉換器。突發功率計算器為開關信號調節休眠時間，使得在突發時間期間llc轉換器的輸出功率相對於輸出負載電流中的變化保持基本恆定。

在另一個示例中，一種電路包括llc轉換器以將輸入dc電壓轉換成輸出dc電壓。突發發生器產生具有突發時間和休眠時間的開關信號，以當llc轉換器的輸出負載電流低於預定閾值時操作llc轉換器。當開關信號的突發時間保持恆定時，突發功率計算器為開關信號調節休眠時間，使得突發時間相對於休眠時間的佔空比將llc轉換器的效率調節到最大閾值水平，同時減輕高於最小可聽閾值的由llc轉換器產生的聲學噪聲。

在又一個示例中，一種方法包括確定llc轉換器產生的輸出負載電流何時下降到低於預定閾值。該方法包括產生具有突發時間和休眠時間的開關信號，以當llc轉換器的輸出負載電流低於預定閾值時操作llc轉換器。該方法包括當突發時間保持恆定時為開關信號調節休眠時間，使得在突發時間期間llc轉換器的輸出功率相對於輸出負載電流中的變化保持基本恆定。

附圖說明

圖1示出在llc轉換器的突發模式操作期間控制功率的系統的示例。

圖2示出信號的示例，該信號具有用於llc轉換器的突發模式操作的佔空比。

圖3示出在llc轉換器的突發模式操作期間控制功率的示例電路。

圖4示出在llc轉換器的突發模式操作期間控制功率的示例方法。

具體實施方式

本發明涉及在電感器/電感器/電容器(llc)轉換器的突發模式操作期間控制功率以平衡轉換器的輕負載效率和聲學性能的系統和方法。在一個示例中，llc轉換器將輸入直流(dc)電壓轉換成輸出dc電壓並且能夠包括升壓、降壓或緩衝配置，其中輸入電壓和輸出電壓被調整在基本相同的電平。在llc轉換器的輕負載條件下，突發發生器產生具有突發時間和休眠時間的開關信號以當llc轉換器的輸出負載電流低於預定閾值時操作llc轉換器。突發功率計算器為開關信號調節休眠時間，使得在突發時間期間llc轉換器的輸出功率相對於輸出負載電流中的變化保持基本恆定。這可以通過當調節開關信號的休眠時間時設定突發時間為恆量來實現，使得不管輸出負載電流如何變化，在突發時間期間llc轉換器的輸出功率保持基本恆定。不管負載電流變化如何，通過將突發時間期間的輸出功率控制為基本恆定的電平，可以在輕負載條件下提高轉換器效率，同時減輕當功率電平增大時在轉換器中可能發生的聲學可聽效應。

圖1示出在llc轉換器110的突發模式操作期間控制功率的系統100的示例。系統100包括電感器/電感器/電容器(llc)轉換器110以將輸入直流(dc)電壓(vin)轉換成輸出dc電壓(vout)。突發發生器120產生具有突發時間(tbst)和休眠時間(tslp)的開關信號130，以當llc轉換器的輸出負載電流(iout)低於預定閾值時操作llc轉換器110。突發功率計算器140為開關信號130調節休眠時間，使得llc轉換器110的輸出功率在突發時間期間相對於輸出負載電流中的變化保持基本恆定。

電流反饋電路150對來自llc轉換器110的輸出負載電流iout採樣。來自電流反饋電路150的採樣電流被饋送給輕負載檢測器160(例如，比較器)以確定輸出電流何時低於指示輕電流負載的預定閾值。如果輸出電流低於預定閾值，輕負載檢測器160向突發發生器120發出啟用信號以啟用如本文所述的突發模式操作。此外，電流反饋電路150向突發模式發生器140提供輸出負載電流(一個或多個iout)的採樣值(例如，模擬的或數字的)。該值由突發功率計算器140採用，以為開關信號130計算休眠時間。如果輸出負載電流高於預定閾值，輕負載檢測器160禁用突發發生器120，其然後允許電壓反饋電路170通過反饋vout的樣本來調節vout以控制llc轉換器110的切換(switching)(例如，正常負載條件下用於切換llc轉換器的控制頻率)。

llc轉換器110的電壓增益(輸出電壓/輸入電壓)通常是驅動llc轉換器中的諧振網絡的半橋的標準化開關頻率(開關頻率/諧振頻率)的函數。llc轉換器110的該電壓增益對標準化開關頻率特性也可受到從輸入端流動到輸出端的功率(例如，從輸出端汲取的負載功率)的影響。在正常操作期間控制llc轉換器的標準方式是根據需要調節其開關頻率以維持恆定的輸出電壓。電壓反饋電路170執行該功能。電壓反饋電路將感測的輸出電壓與需要的電平進行比較並且將電平發送到初級電路以調節llc開關頻率，以遞送所需的輸出電壓。llc初級控制器(例如，圖3)可以包括壓控振蕩器(vco)以改變llc操作頻率以反映控制信號(例如，圖3中的vdem)的電平。

突發功率計算器140為開關信號130調節休眠時間，使得在突發時間期間llc轉換器110的輸出功率相對於輸出負載電流中的變化保持基本恆定。這可通過當調節開關信號130的休眠時間時設定突發時間為恆量來實現，使得不管輸出負載電流中的變化如何，在突發時間期間llc轉換器110的輸出功率保持基本恆定。不管負載電流變化如何，通過將突發時間期間的輸出功率控制為基本恆定的電平，可以在輕負載條件下提高轉換器效率，同時減輕當功率電平增大時在轉換器中可能發生的聲學可聽效應。

在一個具體的示例中，可採用系統100作為適配器來為電子設備提供功率。例如，膝上計算機適配器通常花費大量時間連接到處於斷電模式的膝上pc，或甚至從膝上計算機完全拔出。優選地，此類適配器提供高的輕負載效率，使得當以這種方式使用時它們不浪費能量。由於轉換器的效率，系統100在每個開關周期中耗散少量的能量。在高負載電流下，當llc轉換器110以最小開關頻率操作時，與每個周期傳遞到負載的能量相比，該耗散能量是小的。在常規系統中，在llc轉換器在最大開關頻率下操作時的低負載電流下，耗散能量可以是在每個開關周期中傳遞到負載的能量的顯著部分。因此，常規電路在滿載下提供非常好的效率，但遺憾的是在輕負載條件下效率低。

可以通過在輕負載條件下以突發模式操作llc轉換器110來提高其效率。在突發期間，llc轉換器110以高功率操作並且提供適當的效率。在突發期間，傳遞到輸出端的過多能量被存儲在輸出電容器(例如，圖3)中。在突發時期(例如，圖2)期間，llc開關頻率一般基於來自電壓反饋電路170的反饋開始。在突發之間，llc轉換器110在休眠模式期間停止切換並且因此不耗散能量。在該休眠時期期間，負載從輸出電容器中汲取能量。

可以選擇突發模式參數(諸如突發時間(tbst)和休眠時間(tslp))以提供適配器的最佳整體性能。當選擇這些參數時，應考慮許多因素。為了獲得最佳的輕負載效率，在突發期間傳送的功率(pbst)應當被設置在系統100提供最佳操作效率的水平。通常，這將處於或接近最大輸出功率。系統100中的無源能量存儲部件的機械形變隨著其存儲的能量而增大。在一些負載水平下，突發/休眠頻率可以經過可聽頻帶，從而產生適配器的用戶可聽的危害噪聲。為了最小化聲學噪聲，在突發時期期間，系統100應以低功率操作。然而該要求與最大化輕負載效率的期望相衝突。

因此應選擇pbst和相關聯的參數以在輕負載效率和聲學性能之間提供折衷。為pbst選擇合適的值後，控制方法(用於實施突發模式)應嘗試保持pbst恆定，不考慮負載電流。因此，本文描述了用於實施突發模式的系統和方法，使得不管負載電流如何，pbst維持恆定。以這種方式，系統100的方法為基本上所有負載電流提供效率和聲學噪聲性能之間的合適折衷。

系統100可以在輕負載下遞送低輸出紋波而不需要對輸出電壓的精確測量。休眠持續時間是定時的，因此系統可以確保其不會長到足以導致初級側控制器中的vbias問題。本文描述的靈活方法允許獨立控制輸出電壓紋波、突發功率和其他參數，使得可以在聲學噪聲、輕負載效率和輸出電壓紋波之間選擇最佳折衷。輕負載模式的效率可以使用在pburst下測量的效率來估計，同時調整在休眠期間和當進入/離開休眠時消耗的功率。輸出或負載電流由電流反饋電路150測量。當負載電流下降到低於預定輕負載閾值時，則由輕負載檢測器160啟用突發/休眠操作。

使用由下面結合圖3描述的突發功率計算器140執行的計算可以從負載電流iout中計算休眠時間。計算的休眠時間可以與預定恆定突發時間相結合以啟用和禁用llc轉換器110操作。在tsleep期間經由反饋電路170禁用電壓迴路補償器，使得電壓調整僅在突發時期期間發生可能是有益的。也可能有利但不是必須的是，以半寬度周期開始每個突發時期並且以半寬度周期結束每個突發時期。這有助於llc在突發時期內非常快速地達到穩定的操作條件。這也有助於用來驅動llc電源開關的任何柵極驅動變壓器不飽和。

系統100可以作為模擬控制器、數字控制器或其組合的一部分實施。下面結合圖3示出和描述數字控制示例。系統100可以包括三個模式或操作狀態。例如，這些包括運行模式、休眠模式和突發模式。在運行模式中，llc轉換器110正常切換並在正常負載條件下遞送功率。在運行模式期間，可以定期對輸出(負載)電流進行採樣。如果負載電流高於輕負載閾值，則操作在運行模式下繼續。如果負載電流低於閾值，則系統100交替到休眠狀態。

在休眠狀態中，次級側控制器設定llc反饋輸入為零，使得初級側控制器停止所有pwm開關。然後，它以定時的間隔進入功率模式。可以從採樣的負載電流計算定時的間隔，以實現給定的目標波紋規格。如果輸出電壓超過低電壓閾值(例如，voutlow)，則低功率模式也可以被中斷(終止)。在休眠期間，電壓迴路補償器(例如，圖3)可以以其進入休眠模式時具有的值被凍結。在休眠模式之後，次級側控制器可以在定時的時期tbst進入突發模式。突發模式類似於運行模式，只是固定的突發時期不能被休眠中斷。這使得休眠間隔之間能夠存在最小的開關操作時期。

圖2示出具有用於llc轉換器的突發模式操作的佔空比的信號200的示例。如圖所示，當圖1的系統在如本文所述的突發模式中操作時，在210發生突發時期(tbst)。在該模式中，突發發生器輸出為高，並且這使得在突發時期210期間啟用到llc轉換器的開關脈衝。在220，由本文所述的突發計算器發起休眠時期(tslp)。在休眠時期220期間，突發發生器輸出為低，因此基本上所有llc開關操作都如圖所示被關閉。如下所述，突發功率計算器可以計算休眠時期220，使得轉換器的效率最大化，同時減輕系統中的可聽聲學噪聲。

圖3示出在llc轉換器310的突發模式操作期間控制功率的示例電路300。如本文所使用，術語電路可以包括執行電路功能的有源和/或無源元件的集合，諸如控制器或信號發生器。術語電路也可包括集成電路，其中所有電路元件裝配在公共基板上。該電路包括llc轉換器310，以將輸入dc電壓轉換為輸出dc電壓。如圖所示，llc轉換器可以包括通過轉換器310供電的電源開關314和電源開關318，其在轉換器310的輸出端經由電容器cout被濾波。可以提供電容器320以對開關314和開關318進行濾波。分壓器包括電阻器324和電阻器328，其提供經由模數轉換器(adc)330採樣的電壓反饋。

來自adc330的輸出被饋送到具有標記為vref的參考值的求和節點334，以設定vout的值。來自求和節點334的輸出被饋送到電壓補償器340(例如，積分器)，其提供表示調製器344的需求水平操作頻率(vdem)的輸出控制電壓。當突發發生器360輸出為高時，電壓補償器340將被計時，如將是在運行模式或突發模式中的情況。在休眠模式中，採樣振蕩器350被禁用，並且電壓補償器340將被凍結。輸出電壓感測由電阻器324、328和adc330執行。與期望的參考電平的比較由節點334執行，並且電壓補償器340調節vdem信號以最小化感測的輸出電壓和期望的參考電平之間的誤差。壓控振蕩器(vco)(圖3中未示出)將調製器344中的vdem輸入轉換為具有由vdem的電平確定的頻率的一對柵極驅動信號。柵極驅動信號使驅動llc諧振網絡310的半橋中的上開關裝置314和下開關裝置318接通和斷開。由於在該示例中電壓補償器340以數字形式實施(其也可以是模擬的)，它使用周期性樣本信號對輸出電壓誤差進行採樣，並計算llc開關頻率(vdem信號)的新值。在正常操作中或在突發時期期間，採樣振蕩器350產生用於更新vdem輸入的周期性信號。在休眠時期期間，採樣振蕩器350停止，並且vdem信號不被更新。

突發發生器360(例如，突發振蕩器)產生具有突發時間和休眠時間的開關信號364，以當llc轉換器的輸出負載電流低於預定閾值時操作llc轉換器310。突發發生器360產生突發/休眠信號，諸如圖2的示例所示。在該信號的突發部分期間，llc操作如上所述繼續，其中llc開關頻率由vdem確定，並且由電壓反饋電路調節，以維持基本恆定的輸出電壓。該信號的休眠部分迫使llc柵極驅動信號為低，使得llc切換被停止。該突發/休眠信號的頻率遠低於llc的正常開關頻率。因此，每個突發將包含多個正常llc開關周期，如圖2所示。

當開關信號的突發時間保持恆定時，突發功率計算器370為開關信號364調節休眠時間，使得突發時間相對於休眠時間的佔空比將llc轉換器的功率調節到最大閾值水平(例如，輕電流負載下的最大效率)，同時減輕由llc轉換器產生的高於最小可聽閾值的聲學噪聲(例如，平衡功率，使得沒有可聽聲學噪聲被檢測到)。突發計算器370接收來自放大器374的iout的樣本，該放大器374經由電阻器380採樣iout。輕負載比較器384將來自放大器374的採樣的iout相對於顯示為(illth)的輕負載閾值進行比較。如果比較器384檢測到iout低於輕負載閾值，則比較器產生低電平輸出信號(/輕模式)，其使突發發生器360能夠經由柵極390和採樣振蕩器350驅動調製器344的run輸入。如果iout高於輕負載閾值，則來自比較器384的低電平輸出信號走高並且使突發發生器不能經由柵極390驅動調製器344。

突發時間可以維持基本恆定，其中調節休眠時間以便於在突發時期期間在期望範圍內遞送功率。llc的開關頻率仍然由在突發時期期間有效的電壓反饋網絡控制。為了確保在突發時期期間輸出電壓保持恆定，電壓反饋電路調節llc開關頻率以遞送突發功率(pburst)，使得pburst*tburst/(tburst+tsleep)＝pout。因此，可以通過將tsleep控制為iout(對於恆定vout的pout)的函數來有效地設置pburst。

對於穩態操作，在完整的突發/休眠周期中遞送到輸出電容器cout的能量應該為零。因此，在休眠期間從輸出電容器汲取的能量應該等於在突發模式下遞送給它的能量，其中：

pout·tslp＝(pbst-pload)*tbst方程式(1)

其中tbst是突發時期的持續時間，tslp是休眠時期的持續時間，以及pout是由負載汲取的功率。方程式(1)可重新整理以提供：

假設輸出電壓(vout)近似恆定。因此，假設輸出電容器cout上的電壓紋波，則：

其可以由本文所述的突發模式計算器採用以計算tslp。

為了實現恆定pbst而不管pload如何，tbst應當被設置為恆量，並且使用方程式(3)計算休眠時間tslp。在輸出電容器cout上產生的電壓紋波可以計算如下：

其中△v是出現在輸出電容器上的突發/休眠頻率紋波電壓。因此，△v可計算為：

假設pbst>>pout，不管負載如何，輸出電容器cout兩端的紋波電壓應為基本恆定。通過實施一種執行按隨後的方程式(3)從負載電流獲得的突發/休眠佔空比的系統，實現以下兩個高度期望的特性：(a)不管施加的負載電流如何，在突發期間遞送的功率在所選擇的水平維持恆定；以及(b)可以調節所選擇的水平以提供在輕負載效率和聲學噪聲輸出之間的期望折衷。

不管負載電流如何，輸出電容器cout兩端的紋波電壓近似恆定。可以通過選擇tbst和cout的期望比率來選擇輸出紋波電平。儘管電路300示出了佔主導地位的數字方法，但是其也可以使用佔主導地位的模擬方法(或其組合)來實施。

在該示例中，休眠時期(其為負載電流的函數)由次級側控制器施加。給定已知的輸出電容，計算休眠時期以實現期望的vburst_ripple目標。在休眠時期之後，電路300正常地調整提供固定的休眠/突發佔空比的時間段。以這種方式，控制突發期間的功率遞送。降低突發/休眠比率可以增加突發期間的功率，並且以更大的聲學噪聲為代價提供更好的輕負載效率，在輕負載效率的折衷下提高具有減小的聲學噪聲輸出的突發/休眠佔空比。

鑑於上述結構和功能特徵，圖4示出了在llc轉換器的突發模式操作期間控制功率的示例方法400。為簡單起見，該方法被示出和描述為連續地執行，但該方法不受所示順序的限制。例如，一些方面可以以不同的順序發生和/或與本文示出和描述的其他方面同時發生。此外，並非所有示出的特徵都可需要用於實施方法。該方法的各種動作可以諸如經由配置有可執行指令以實行本文所述的各種動作或命令的處理器、計算機、定時發生器和/或控制器自動執行。

方法400包括在410確定由llc轉換器產生的輸出負載電流何時已經下降到低於預定閾值(例如，圖1的電流反饋電路150和輕負載檢測器)。方法400包括在420產生具有突發時間和休眠時間的開關信號，以當llc轉換器的輸出負載電流低於預定閾值時操作llc轉換器(例如，經由圖1的突發發生器120)。方法400包括當突發時間保持恆定時為開關信號調節休眠時間，使得在突發時間期間llc轉換器的輸出功率相對於輸出負載電流中的變化保持基本恆定(例如，經由圖1的突發功率計算器140)。

儘管未示出，方法400也可包括當開關信號的突發時間保持恆定時為開關信號調節休眠時間，使得突發時間相對於休眠時間的佔空比將llc轉換器的效率調節到最大閾值水平，同時減輕由llc轉換器產生的高於最小可聽閾值的聲學噪聲。方法400還可以包括根據以下方程式計算休眠時間：

其中tslp表示休眠時間，pbst表示轉換器在突發時間期間遞送的轉換器功率，iout表示輸出負載電流，vout表示輸出dc電壓，以及tbst表示突發時間，其中tbst保持恆定以計算tslp。

方法400可以作為測量輸出電流的llc次級側控制器的部分實施。如果測量的輸出電流高於輕負載閾值區域，則輕負載模式被清除，並且突發發生器被禁用，並且控制器切換到運行模式。如果測量的輸出電流在輕負載區域中，則次級側控制器可以計算或查找適當的突發頻率。次級側控制器可以設置輕負載標誌以指示輕負載模式正在操作。次級側控制器然後可以在由突發頻率和佔空比指示的時間段內進行休眠。當次級側控制器從休眠中醒來時，其可以正常調整由當前突發頻率和佔空比指示的時期。在此突發時期期間，次級側控制器可以測量輸出電流並重複上述過程。為了處理瞬態步驟(如果有的話)，例如，任何休眠事件可以被下降到低閾值以下的輸出電壓(例如，vout_wake)中斷。

在權利要求的範圍內，在所描述的實施例中修改是可能的，並且其他實施例是可能的。