一种多模态软开关变换器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种多模态软开关变换器及其控制方法，开关变换器包括同步整流电路和控制器，控制器根据负载和开关频率的大小使同步整流电路工作在变频模式，准谐振限频模式和降频模式，控制器根据输入电压与输出电压的关系判断变频模式和准谐振限频模式是否要包含反向阶段，最终获得同步整流电路在全负载范围和全输入电压范围内实现软开关的效果，从而提高开关变换器的工作频率，功率密度和效率，减小体积，降低EMI和成本。

【技术实现步骤摘要】
一种多模态软开关变换器及其控制方法
本专利技术涉及开关电源，特别涉及一种多模态软开关变换器及其控制方法。
技术介绍
随着电源技术的发展，高效率、高功率密度的同步整流电路已经成为一种趋势，硬开关技术在高频开关时开关损耗较大，降低了同步整流电路的效率，电磁干扰问题也较为严重，为解决该问题，软开关技术被发展并逐渐应用在变换器中以降低开关损耗和EMI噪声，具体地，主要是指零电压开关(ZVS)技术以实现MOS管的零电压开通。请参考图1a，图1b，图1a和图1b分别为现有常用的同步整流电路，其中，图1为降压同步整流电路，图1b为升压同步整流电路，这两种同步整流电路一般重载时工作在连续导通模式，且其开关管Q1只能工作在硬开关状态。请参考图2和图3，申请号13/027,830，专利技术名称为《具有开关损耗自适应控制的功率变换器》的美国专利公开了一种降压同步整流电路和升压同步整流电路，这两种同步整流电路理论上可实现所有开关管的软开关。但是由于在电感器L两端并联一个开关管和二极管串联的电路，使驱动控制复杂，导致实现软开关的电感器L负向电流被衰减，软开关的实现效果变差，特别是在轻载时，开关管和二极管组成的串联电路导通时间变长，衰减变严重，软开关实现的效果变差。请参考图4，申请号100137357，专利技术名称为《提高同步降压转换器轻载效率之控制方法装置》的中国台湾公开了一种同步降压转换器，该同步降压转换器只能在轻载实现开关管的软开关。因此要么像图2和图3在图1同步整流电路上增加器件实现软开关，使电路变复杂，要么像图4不增加器件，只能在轻载实现软开关。
技术实现思路
鉴于现有同步整流电路及改进电路的技术缺陷，本专利技术要解决的技术问题是提出一种多模态软开关变换器及其控制方法，在同步整流电路上不增加额外器件，解决同步整流电路硬开关或者软开关实现效果差的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种多模态软开关变换器，其包括：降压同步整流电路和控制器；降压同步整流电路具有用于接收输入电压Vin的输入端、用于提供调整后输出电压Vo的输出端、主开关管、同步开关管以及电感；控制器内设有定时器和阈值电压Vth，控制器用于控制主开关管和同步开关管，使得降压同步整流电路在电感的去磁结束时刻等于或晚于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2<＝Vo时工作在第一变频模式；用于控制主开关管和同步开关管，使得降压同步整流电路在电感的去磁结束时刻等于或晚于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2>Vo时工作在第二变频模式；用于控制主开关管和同步开关管，使得降压同步整流电路在电感的去磁结束时刻早于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2<＝Vo时工作在第一准谐振限频模式；以及用于控制主开关管和同步开关管，使得降压同步整流电路在电感的去磁结束时刻早于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2>Vo时工作在第二准谐振限频模式。在一个实施例中，第二变频模式包括励磁阶段、去磁阶段和反向阶段，在反向阶段，电感的电流以斜率为从零下降为负电流，其中，L为电感的感量。在一个实施例中，反向阶段的时间长度与电感的感量大小成正比，与输入电压Vin的大小成正比，与输出电压Vo的大小成反比。在一个实施例中，第一准谐振限频模式包括励磁阶段、去磁阶段和自由谐振阶段，在自由谐振阶段中，电感一端的电压产生谐振。在一个实施例中，控制器内还设有波峰检测电路，波峰检测电路在定时器定时结束后检测电感一端的谐振波峰电压并在检测到谐振波峰电压时产生一触发信号控制主开关管导通。在一个实施例中，第二准谐振限频模式包括励磁阶段、去磁阶段、自由谐振阶段以及反向阶段；在反向阶段中，电感的电流以斜率为从零下降为负电流，其中，L为电感的感量；在自由谐振阶段中，电感一端的电压产生谐振。在一个实施例中，控制器内还设有波谷检测电路，波谷检测电路在定时器定时结束后检测所述电感一端的谐振波谷电压并在检测到谐振波谷电压时产生一触发信号控制同步开关管再次导通进入反向阶段。在一个实施例中，在自由谐振阶段，主开关管和同步开关管关断，电感与降压同步整流电路中的寄生电容产生谐振。在一个实施例中，在励磁阶段，主开关管导通，同步开关管关断，电感的电流正向增加；在去磁阶段，主开关管关断，同步开关管导通，电感的电流正向减少至零，去磁结束。在一个实施例中，定时器从主开关管开始导通时刻开始计时、从同步开关管开始导通时刻开始计时或从主开关管开始导通时刻到同步开关管开始导通时刻之间的某一时刻开始计时。在一个实施例中，当负载电流小于预定负载电流时，控制器控制降压同步整流电路工作在降频模式，降频模式包括跳周期模式和突发模式。本专利技术还提供一种多模态软开关变换器，其包括：升压同步整流电路和控制器；升压同步整流电路具有用于接收输入电压Vin的输入端、用于提供调整后输出电压Vo的输出端、主开关管、同步开关管以及电感；控制器内设有定时器和阈值电压Vth，控制器用于控制主开关管和同步开关管，使得升压同步整流电路在电感的去磁结束时刻等于或晚于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth<＝Vo时工作在第一变频模式；用于控制主开关管和同步开关管，使得升压同步整流电路在电感的去磁结束时刻等于或晚于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth>Vo时工作在第二变频模式；用于控制主开关管和同步开关管，使得升压同步整流电路在电感的去磁结束时刻早于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth<＝Vo时工作在第一准谐振限频模式；以及用于控制主开关管和同步开关管，使得升压同步整流电路在电感的去磁结束时刻早于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth>Vo时工作在第二准谐振限频模式。本专利技术还提供一种多模态软开关变换器控制方法，其包括：采集同步整流电路的输出电压Vin和输出电压Vo，以及采集同步整流电路的电感的去磁结束时刻与定时器的定时结束时刻；根据输入电压Vin和输出电压Vo的大小关系以及根据定时器的定时结束时刻和电感的去磁结束时刻的前后关系对同步整流电路的工作模式进行控制，使得同步整流电路能工作在不同的工作模式。在一个实施例中，当电感的去磁结束时刻等于或晚于定时器定时结束时刻且输入电压Vin、输出电压Vo和阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2<＝Vo时，控制同步整流电路工作在第一变频模式；当电感的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多模态软开关变换器，其特征在于，包括：降压同步整流电路和控制器；/n所述降压同步整流电路具有用于接收输入电压Vin的输入端、用于提供调整后输出电压Vo的输出端、主开关管、同步开关管以及电感；/n所述控制器内设有定时器和阈值电压Vth，所述控制器用于控制所述主开关管和所述同步开关管，使得所述降压同步整流电路在所述电感的去磁结束时刻等于或晚于所述定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和所述阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2<＝Vo时工作在第一变频模式；/n用于控制所述主开关管和所述同步开关管，使得所述降压同步整流电路在所述电感的去磁结束时刻等于或晚于所述定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和所述阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2>Vo时工作在第二变频模式；/n用于控制所述主开关管和所述同步开关管，使得所述降压同步整流电路在所述电感的去磁结束时刻早于所述定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和所述阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2<＝Vo时工作在第一准谐振限频模式；以及/n用于控制所述主开关管和所述同步开关管，使得所述降压同步整流电路在所述电感的去磁结束时刻早于所述定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和所述阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2>Vo时工作在第二准谐振限频模式。/n...

【技术特征摘要】
1.一种多模态软开关变换器，其特征在于，包括：降压同步整流电路和控制器；
所述降压同步整流电路具有用于接收输入电压Vin的输入端、用于提供调整后输出电压Vo的输出端、主开关管、同步开关管以及电感；
所述控制器内设有定时器和阈值电压Vth，所述控制器用于控制所述主开关管和所述同步开关管，使得所述降压同步整流电路在所述电感的去磁结束时刻等于或晚于所述定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和所述阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2<＝Vo时工作在第一变频模式；
用于控制所述主开关管和所述同步开关管，使得所述降压同步整流电路在所述电感的去磁结束时刻等于或晚于所述定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和所述阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2>Vo时工作在第二变频模式；
用于控制所述主开关管和所述同步开关管，使得所述降压同步整流电路在所述电感的去磁结束时刻早于所述定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和所述阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2<＝Vo时工作在第一准谐振限频模式；以及
用于控制所述主开关管和所述同步开关管，使得所述降压同步整流电路在所述电感的去磁结束时刻早于所述定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和所述阈值电压Vth满足关系式：(Vin-Vth)/2>Vo时工作在第二准谐振限频模式。


2.如权利要求1所述的多模态软开关变换器，其特征在于：所述第二变频模式包括励磁阶段、去磁阶段和反向阶段，在所述反向阶段，所述电感的电流以斜率为从零下降为负电流，其中，L为所述电感的感量。


3.如权利要求1所述的多模态软开关变换器，其特征在于：所述反向阶段的时间长度与所述电感的感量大小成正比，与所述输入电压Vin的大小成正比，与所述输出电压Vo的大小成反比。


4.如权利要求1所述的多模态软开关变换器，其特征在于：所述第一准谐振限频模式包括励磁阶段、去磁阶段和自由谐振阶段，在自由谐振阶段中，所述电感一端的电压产生谐振。


5.如权利要求4所述的多模态软开关变换器，其特征在于：所述控制器内还设有波峰检测电路，所述波峰检测电路在所述定时器定时结束后检测所述电感一端的谐振波峰电压并在检测到所述谐振波峰电压时产生一触发信号控制所述主开关管导通。


6.如权利要求1所述的多模态软开关变换器，其特征在于：所述第二准谐振限频模式包括励磁阶段、去磁阶段、自由谐振阶段以及反向阶段；在反向阶段中，所述电感的电流以斜率为从零下降为负电流，其中，L为所述电感的感量；在自由谐振阶段中，所述电感一端的电压产生谐振。


7.如权利要求6所述的多模态软开关变换器，其特征在于：所述控制器内还设有波谷检测电路，所述波谷检测电路在定时器定时结束后检测所述电感一端的谐振波谷电压并在检测到所述谐振波谷电压时产生一触发信号控制所述同步开关管再次导通进入所述反向阶段。


8.如权利要求4或6所述的多模态软开关变换器，其特征在于：在自由谐振阶段，所述主开关管和所述同步开关管关断，所述电感与所述降压同步整流电路中的寄生电容产生谐振。


9.如权利要求2、4、6任一项所述的多模态软开关变换器，其特征在于：在励磁阶段，所述主开关管导通，所述同步开关管关断，所述电感的电流正向增加；在去磁阶段，所述主开关管关断，所述同步开关管导通，所述电感的电流正向减少至零，去磁结束。


10.如权利要求1所述的多模态软开关变换器，其特征在于：所述定时器从所述主开关管开始导通时刻开始计时、从所述同步开关管开始导通时刻开始计时或从所述主开关管开始导通时刻到所述同步开关管开始导通时刻之间的某一时刻开始计时。


11.如权利要求1所述的多模态软开关变换器，其特征在于：当负载电流小于预定负载电流时，所述控制器控制所述降压同步整流电路工作在降频模式，所述降频模式包括跳周期模式和突发模式。


12.一种多模态软开关变换器，其特征在于，包括：升压同步整流电路和控制器；
所述升压同步整流电路具有用于接收输入电压Vin的输入端、用于提供调整后输出电压Vo的输出端、主开关管、同步开关管以及电感；
所述控制器内设有定时器和阈值电压Vth，所述控制器用于控制所述主开关管和同步开关管，使得升压同步整流电路在所述电感的去磁结束时刻等于或晚于定时器定时结束时刻且所述输入电压Vin、所述输出电压Vo和所述阈值电压Vth满足关系式：2*Vin-Vth<＝Vo时工作在第一变频模式；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢鹏飞，
申请(专利权)人：广州金升阳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44