开关电源控制器及包含该开关电源控制器的开关电源
阅读：913发布：2024-01-13
专利汇可以提供开关电源控制器及包含该开关电源控制器的开关电源专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种 开关 电源 控制器 及包含该 开关电源 控制器的开关电源，该控制器包括：过零检测 电路 ，对输入的反馈 信号 进行过零检测并产生过零信号；输入 电压 检测电路，对输入电压进行检测； 输出电压 检测电路，对输出电压进行检测；导通时间长度控 制模 块 ，根据输入电压、输出电压以及补偿电压产生关断信号，以使开关管的导通时间与输入电压、输出电压相关联，所述导通时间在所述输入电压升高时增大且在所述输出电压升高时减小；RS触发器，其置位输入端接收所述过零信号，其复位输入端接收所述关断信号，其输出端产生驱动信号以控制所述开关电源的开关管的导通和关断。本发明能够优化临界导通模式控制的开关电源的功率因数，减小总谐波失真。，下面是开关电源控制器及包含该开关电源控制器的开关电源专利的具体信息内容。
1.一种临界导通模式控制的开关电源控制器，其特征在于，包括：
过零检测电路，对输入的反馈信号进行过零检测并产生过零信号；
输入电压检测电路，对开关电源的输入电压进行检测；
输出电压检测电路，对所述开关电源的输出电压进行检测；
导通时间长度控制模块，与所述输入电压检测电路的输出端、输出电压检测电路的输出端相连，并接收环路补偿电容上的补偿电压，根据所述开关电源的输入电压、输出电压以及补偿电压产生关断信号，以使所述开关电源的开关管的导通时间与所述开关电源的输入电压、输出电压相关联，所述导通时间在所述输入电压升高时增大且在所述输出电压升高时减小；
RS触发器，其置位输入端接收所述过零信号，其复位输入端接收所述关断信号，其输出端产生驱动信号以控制所述开关电源的开关管的导通和关断；
其中，所述导通时间长度控制模块包括：
导通时间长度控制电路，连接所述输入电压检测电路的输出端、输出电压检测电路的输出端，并接收所述环路补偿电容上的补偿电压，由所述开关电源的开关管开始导通触发开始定时，达到设定的导通时间则产生所述关断信号，所述设定的导通时间与所述补偿电压、输入电压和输出电压相关联，在所述输入电压升高时增大且在所述输出电压升高时减小。
2.根据权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，所述导通时间长度控制模块产生的关断信号使所述开关电源的开关管的导通时间满足如下关系： 保持固定，其中，n为所述开关电源的变压器的原边绕组和副边绕组的匝数比，Vout为所述开关电源的输出电压，Vin为所述开关电源的输入电压，Ton为所述开关电源的开关管的导通时间。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的开关电源控制器，其特征在于，还包括：
恒流计算电路，对流经所述开关电源的开关管的原边电流进行采样，得到原边峰值电流，并由所述原边峰值电流和所述过零检测电路输出的变压器去磁时间计算输出电流；
误差放大器，对所述恒流计算电路输出的输出电流与预设的基准电流进行误差放大，输出误差电压，所述误差电压施加在所述环路补偿电容上。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的开关电源控制器，其特征在于，还包括：
电压采样电路，对所述开关电源的开关管输出端的电压进行采样，得到峰值采样电压；
误差放大器，对所述电压采样电路输出的峰值采样电压与预设的基准电压进行误差放大，输出误差电压，所述误差电压施加在所述环路补偿电容上。
5.根据权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，所述输入电压检测电路的输入端与所述输入电压的管脚相连，直接对所述输入电压进行采样。
6.根据权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，所述输入电压检测电路的输入端与所述开关电源的变压器的辅助绕组相连，用于检测所述开关电源的开关管导通时所述辅助绕组上的负压，该负压与所述输入电压相关。
7.根据权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，所述输出电压检测电路的输入端与所述开关电源的变压器的辅助绕组相连，用于检测所述开关电源的开关管关断预设时间段后所述辅助绕组上的正电压，该正电压与所述输出电压相关。
8.一种反激式拓扑开关电源，其特征在于，包括权利要求1至7中任一项所述的开关电源控制器。
9.一种升降压开关电源，其特征在于，包括权利要求1至7中任一项所述的开关电源控制器。
开关电源控制器及包含该开关电源控制器的开关电源
技术领域
[0001] 本发明涉及开关电源技术，尤其涉及一种具有功率因数调整功能、临界导通模式控制的开关电源控制器，以及包含该开关电源控制器的开关电源。
背景技术
[0002] 传统的交流供电的、带功率因数调整（PFC）功能、临界导通模式的隔离LED恒流驱动电路如图1所示，主要包括：AC输入整流电路101、交流输入源102、输入电容Cin、电阻104、电容105、二极管106、隔离变压器T1、功率开关112、采样电阻Rs、电阻113、输出整流二极管D1，输出电容Cbulk、恒流开关电源控制器100。其中，控制器100用于接收来自隔离变压器T1的辅组绕组L3的反馈信号FB，采样电阻Rs采样隔离变压器T1的原边绕组L1的原边电流，并驱动功率开关112，通过隔离变压器T1把输入能量传递至输出。
[0003] 恒流开关电源控制器100包括：过零检测电路125，用于检测驱动信号GD结束后的反馈信号FB过零，在反馈信号FB过零时给出功率开关112的开通信号，导通功率开关112，过零检测电路125还得到变压器T1的去磁时间Tdemag，并将其传输至恒流控制电路120；恒流计算电路120，通过对采样电阻Rs上的电压进行采样得到原边峰值电流，由过零检测电路125得到变压器T1的去磁时间Tdemag，该去磁时间Tdemag就是输出整流二极管D1的电流导通时间，由原边峰值电流、变压器去磁时间Tdemag计算出输出电流的大小；误差放大器121，恒流计算电路120计算出的输出电流与基准电流做误差放大，输出误差电压COMP，误差电压COMP连接补偿电容114，使得环路稳定后，误差电压COMP基本固定；导通时间长度控制电路
122，控制功率开关112的导通时间长度，当功率开关112开始导通时开始定时，当达到设定的导通时间时，输出关断信号给触发器123，去关断功率开关112，在环路稳定后，误差电压COMP固定时，功率开关112的导通时间长度恒定，由此实现功率因数调整；触发器123，接收过零检测电路125输出的过零信号ZCD和导通时间长度控制电路122输出的关断信号；驱动电路124，连接触发器123和功率开关112的驱动端，实现对功率开关112的开通和关断驱动。
122，控制功率开关112的导通时间长度，当功率开关112开始导通时开始定时，当达到设定的导通时间时，输出关断信号给触发器123，去关断功率开关112，在环路稳定后，误差电压COMP固定时，功率开关112的导通时间长度恒定，由此实现功率因数调整；触发器123，接收过零检测电路125输出的过零信号ZCD和导通时间长度控制电路122输出的关断信号；驱动电路124，连接触发器123和功率开关112的驱动端，实现对功率开关112的开通和关断驱动。
[0004] 为实现较好的功率因数调整效果，要求每个开关周期的AC输入电流都能很好的跟随输入电压的变化。在临界导通模式下，忽略输出整流二极管压降、输入整流管压降、功率开关导通时的压降，每个开关周期的平均输入电流为：
[0005]
[0006] 其中，n为变压器T1的原边绕组L1和副边绕组L2的匝比，Vout为输出电压，Vin为输入电压，Iin为输入电流，Ton为导通时间，L为原边绕组L1的电感。采用固定导通时间（Ton恒定）、临界导通模式控制时，输入电流Iin不能完全跟随输入电压Vin变化，功率因数变差，总谐波失真加大，而且输入电压Vin越高，偏差越大，所以目前传统的电路的功率因数并不是特别好，总谐波失真也较大。
发明内容
[0007] 本发明要解决的技术问题是提供一种开关电源控制器及包含该开关电源控制器的开关电源，优化临界导通模式控制的开关电源的功率因数，减小总谐波失真。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种临界导通模式控制的开关电源控制器，包括：
[0009] 过零检测电路，对输入的反馈信号进行过零检测并产生过零信号；
[0010] 输入电压检测电路，对开关电源的输入电压进行检测；
[0011] 输出电压检测电路，对所述开关电源的输出电压进行检测；
[0012] 导通时间长度控制模块，与所述输入电压检测电路的输出端、输出电压检测电路的输出端相连，并接收环路补偿电容上的补偿电压，根据所述开关电源的输入电压、输出电压以及补偿电压产生关断信号，以使所述开关电源的开关管的导通时间与所述开关电源的输入电压、输出电压相关联，所述导通时间在所述输入电压升高时增大且在所述输出电压升高时减小；
[0013] RS触发器，其置位输入端接收所述过零信号，其复位输入端接收所述关断信号，其输出端产生驱动信号以控制所述开关电源的开关管的导通和关断。
[0014] 根据本发明的一个实施例，所述导通时间长度控制模块产生的关断信号使所述开关电源的开关管的导通时间满足如下关系： 保持固定，其中，n为所述开关电源的变压器的原边绕组和副边绕组的匝数比，Vout为所述开关电源的输出电压，Vin为所述开关电源的输入电压，Ton为所述开关电源的开关管的导通时间。
[0015] 根据本发明的一个实施例，所述导通时间长度控制模块包括：
[0016] 导通时间长度控制电路，连接所述输入电压检测电路的输出端、输出电压检测电路的输出端，并接收所述环路补偿电容上的补偿电压，由所述开关电源的开关管开始导通触发开始定时，达到设定的导通时间则产生所述关断信号，所述设定的导通时间与所述补偿电压、输入电压和输出电压相关联，在所述输入电压升高时增大且在所述输出电压升高时减小。
[0017] 根据本发明的一个实施例，所述导通时间长度控制模块包括：
[0018] 乘法器，连接所述输入电压检测电路的输出端、输出电压检测电路的输出端，并接收所述环路补偿电容上的补偿电压，所述乘法器的输出信号是所述输入电压的二次函数且随所述输出电压的升高减小；
[0019] 峰值电流比较器，连接所述乘法器的输出端以及所述开关电源的采样电阻的第一端，所述采样电阻的第一端连接所述开关管的输出端，所述采样电阻的第二端接地，所述开关管导通后，所述采样电阻两端的电压升高，在所述采样电阻两端的电压超过所述乘法器的输出信号时产生所述关断信号。
[0020] 根据本发明的一个实施例，所述开关电源控制器还包括：
[0021] 恒流计算电路，对流经所述开关电源的开关管的原边电流进行采样，得到原边峰值电流，并由所述原边峰值电流和所述过零检测电路输出的变压器去磁时间计算输出电流；
[0022] 误差放大器，对所述恒流计算电路输出的输出电流与预设的基准电流进行误差放大，输出误差电压，所述误差电压施加在所述环路补偿电容上。
[0023] 根据本发明的一个实施例，所述开关电源控制器还包括：
[0024] 电压采样电路，对所述开关电源的开关管输出端的电压进行采样，得到峰值采样电压；
[0025] 误差放大器，对所述电压采样电路输出的峰值采样电压与预设的基准电压进行误差放大，输出误差电压，所述误差电压施加在所述环路补偿电容上。
[0026] 根据本发明的一个实施例，所述输入电压检测电路的输入端与所述输入电压的管脚相连，直接对所述输入电压进行采样。
[0027] 根据本发明的一个实施例，所述输入电压检测电路的输入端与所述辅助绕组相连，用于检测所述开关电源的开关管导通时所述辅助绕组上的负压，该负压与所述输入电压相关。
[0028] 根据本发明的一个实施例，所述输出电压检测电路的输入端与所述辅助绕组相连，用于检测所述开关电源的开关管关断预设时间段后所述辅助绕组上的正电压，该正电压与所述输出电压相关。
[0029] 本发明还提供了一种反激式拓扑开关电源，包括以上任一项所述的开关电源控制器。
[0030] 本发明还提供了一种升降压开关电源，包括以上任一项所述的开关电源控制器。
[0031] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0035] 图2是本发明实施例的具有功率因数调整功能、采用导通时间控制、临界导通模式控制的反激式拓扑LED恒流驱动器的电路结构示意图；
[0036] 图3是本发明实施例的具有功率因数调整功能、优化乘法器并采用峰值电流控制、临界导通模式控制的反激式拓扑LED恒流控制器的电路结构示意图；
[0037] 图4是本发明实施例的具有功率因数调整功能、优化乘法器并采用峰值电流控制、临界导通模式控制的升降压拓扑LED恒流控制器的电路结构示意图。
具体实施方式
[0038] 根据背景技术中的公式（1）可知，由于输入电流不能完全跟随输入电压变化是由于固定导通时间控制所导致的，所以为了优化功率因数，优化总谐波失真，可以修改导通时间长度，把固定导通时间长度修改为与输入电压、输出电压相关的导通时间长度。
[0039] 进一步地，根据公式（1），为了能够实现较好的功率因数，需要输入电流完全跟随输入电压变化，因此需要保证 固定，从而改善功率因数，即开关管的导通时间是和输入电压、输出电压相关的。
[0040] 下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0041] 参考图2，图2示出了第一实施例的反激式拓扑开关电源的电路结构示意图，该反激式拓扑开关电源可以用作LED驱动器。如图2所述，该开关电源包括：交流信号源102、整流桥101、输入电容Cin、电阻104、电容105、二极管106、变压器T1（包括原边绕组L1、副边绕组L2、辅助绕组L3）、开关管112、采样电阻Rs、电阻113、环路补偿电容114、输出二极管D1、输出电容Cbulk以及开关电源控制器200，上述各个部件的整体连接方式与常规的反激式开关电源相同，例如与背景技术中图1的整体连接结构相同。
[0042] 本实施例中，开关电源控制器200包括：过零检测电路125、输入电压检测电路126、输出电压检测电路127、恒流计算电路120、误差放大器121、导通时间长度控制模块132（本实施例中具体为导通时间长度控制电路132）、RS触发器123、驱动器124。
[0043] 其中，过零检测电路125对输入的反馈信号FB进行过零检测并产生过零信号ZCD，该反馈信号FB来自于变压器T1的辅助绕组L3的异名端，经由电阻113输入至过零检测电路125。过零检测电路125还检测变压器T1的去磁时间Tdemag，并将其传输至恒流计算电路
120。
120。
[0044] 输入电压检测电路126对开关电源的输入电压Vin进行检测，并将检测结果传输至导通时间长度控制电路132。
[0045] 在一具体实例中，输入电压检测电路126的输入端可以和输入电压Vin的管脚相连，直接对输入电压Vin进行采样以得到检测结果。
[0046] 在另一具体实例中，输入电压检测电路126的输入端也可以和辅助绕组L3相连，通过检测开关管112导通时辅助绕组L3上的负压来得到检测结果，该负压与输入电压Vin相关。
[0047] 输出电压检测电路127对开关电源的输出电压Vout进行检测，并将检测结果传输至导通时间长度控制电路132。
[0048] 在一实例中，输出电压检测电路127的输入端可以和辅助绕组L3相连，在开关管112关断预设时间段后，通过检测辅助绕组L3上的正电压来得到检测结果，该正电压与输出电压Vout相关。
[0049] 导通时间长度控制模块132与输入电压检测电路126的输出端、输出电压检测电路127的输出端相连，并接收环路补偿电容114上的补偿电压COMP，根据开关电源的输入电压Vin、输出电压Vout以及补偿电压COMP产生关断信号，使得开关管112的导通时间在输入电压Vin升高时增大且在输出电压Vout升高时减小。
[0050] 更加具体而言，在图2所示的实施例中，导通时间长度控制模块132具体为导通时间长度控制电路132，其连接输入电压检测电路126的输出端、输出电压检测电路127的输出端，并接收环路补偿电容114上的补偿电压COMP，由开关管112开始导通触发而开始定时，达到设定的导通时间则产生关断信号，该设定的导通时间与补偿电压COMP、输入电压Vin和输出电压Vout相关联，在输入电压Vin升高时增大且在输出电压Vout升高时减小。
[0051] 作为一个优选的实施例，导通时间长度控制电路132产生的关断信号使得开关管112的导通时间满足如下关系： 保持固定，其中，n为开关电源的变压器T1的原边绕组L1和副边绕组L2的匝数比，Vout为开关电源的输出电压，Vin为开关电源的输入电压，Ton为开关管112的导通时间。
[0052] 恒流计算电路120对流经开关管112的原边电流进行采样，得到原边峰值电流，并由该原边峰值电流和过零检测电路125输出的变压器去磁时间Tdemag计算输出电流；误差放大器121对恒流计算电路120输出的输出电流与预设的基准电流进行误差放大，输出误差电压，该误差电压施加在所述环路补偿电容上，在环路稳定时，该误差电压即为环路补偿电容114上的补偿电压COMP。
[0053] RS触发器123的置位输入端接收过零信号ZCD，复位输入端接收来自导通时间长度控制电路132的关断信号，其输出端产生驱动信号以控制开关管112的导通和关断。作为一个非限制性的例子，该驱动信号经由驱动器124后传输至开关管112的控制端。
[0054] 进一步而言，对于导通时间长度控制电路132，导通时间长度控制电路132通常由电流对电容的充放电实现定时，假设定时的充电电流为I1，电容为C1，比较点电压为Vref1，则[0055]
[0056] 其中Ton为导通时间。对于固定Ton的电路而言，设定补偿电压COMP为Vref1，定时的充电电流I1为常数，由于补偿电压COMP在环路稳定后是一个定值，因此可以实现导通时间固定的作用。
[0057] 如前所述，为了实现 恒定以提高功率因数，需要恒定，在检测出输入电压Vin，匝比乘输出电压n·Vout后，容易实现 恒定。
[0058] 如果设定补偿电压COMP为Vref1,则控制定时的充电电流I1可以表示为其中I0为常数，则有
[0059]
[0060] 为常数。
[0061] 当输入电压Vin很低时，定时的充电电流I1为I0，当输入电压Vin很高时，定时的充电电流I1降低。当输出电压Vout较低时，定时的充电电流I1较小，输出电压Vout升高时，定时的充电电流I1升高。
[0062] 如果设定补偿电压COMP经电压电流变换器变成公式（2）中的I1,可以知道，环路稳定后，I1是一个稳定量，则需要控制Vref1与输入电压Vin、输出电压Vout相关，即设置其中Vref0是电路内部设定的常数。由上可以推知有：
[0063]
[0064] 为常数。
[0065] 当输入电压很低时，比较点电压Vref1为Vref0，当输入电压Vin升高时，比较点电压Vref1升高；当输出电压Vout较低时，比较点电压Vref1较大；输出电压Vout升高时，比较点电压Vref1降低。
[0066] 以上两种导通时间长度控制电路的实现方法的最终目的相同，即实现导通时间长度在输入电压升高时增加，导通时间长度在输出电压升高时降低。
[0067] 保证 固定，能很好的实现输入电流跟随输入电压。当采用近似的方法时，实现导通时间长度在输入电压升高时增加的功能，导通时间长度在输出电压升高时降低的功能，相对于固定导通时间控制电路来说，都能有效提高电路的功率因数，减小总谐波失真。
[0068] 图3示出了本发明另一实施例的反激式拓扑开关电源的电路结构，其整体结构与图2所示的实施例相同，区别在于开关电源控制器300与图2所示的开关电源控制器200有不同之处。
[0069] 具体而言，在图3所示的实施例中，开关电源控制器300包括：过零检测电路125、输入电压检测电路126、输出电压检测电路127、恒流计算电路120、误差放大器121、导通时间长度控制模块、RS触发器123、驱动器124。
[0070] 与前一实施例不同的是，本实施例中导通时间长度控制模块采用的是优化乘法器结合峰值电流控制的方式，其中乘法器的输入不但含有输入电压信号，还含有输出电压信号，乘法器的输出量也是不同的。
[0071] 具体而言，导通时间长度控制模块包括乘法器148和峰值电流比较器149。其中，乘法器148连接输入电压检测电路126的输出端、输出电压检测电路127的输出端，并接收环路补偿电容114上的补偿电压COMP，乘法器148的输出信号是开关电源的输入电压Vin的二次函数且随输出电压Vout的升高减小。峰值电流比较器149连接乘法器148的输出端以及开关电源的采样电阻Rs的第一端，采样电阻Rs的第一端连接开关管112的输出端，采样电阻Rs的第二端接地。峰值电流比较器149对乘法器148的输出信号和采样电阻Rs上的电压进行比较，在开关管112导通后，采样电阻Rs两端的电压升高，在采样电阻Rs两端的电压超过乘法器148的输出信号时产生关断信号。
[0072] 此时，输入电流的表达式改为：
[0073]
[0074] 其中Ipk为原边峰值电流，其他参数的含义与前述内容一致。要做到输入电流与输入电压完全跟随，即要求：
[0075]
[0076] 其中K1为常数。
[0077] 整理后得到：
[0078] 即乘法器148的输出由两部分累加组成，一部分与输入电压Vin成正比，另一部分与输入电压Vin的平方成正比，与输出电压Vout成反比。或者换言之，乘法器148的输出是输入电压Vin的二次函数。乘法器148的输出还与输出电压Vout有关，随输出电压Vout的升高，乘法器148的输出降低。而现有技术中传统的乘法器结构中，只包含了与输入电压值成正比的部分。
[0079] 参考图4，图4示出了又一实施例中的开关电源的电路结构。在图4所示的实施例中，将图3中的开关电源控制器300应用于升降压结构的开关电源中，该升降压开关电源的外围电路结构可以是任何适当的电路结构。作为一个非限制性的例子，图4所示的升降压开关电源的外围电路包括：交流输入源102、整流桥101、输入电容Cin、电阻104、电容105、二极管106、变压器T2（包括原边绕组L4和辅助绕组L5）、开关管112、采样电阻Rs、电阻113、环路补偿电容114、输出二极管D1、输出电容Cbulk。
[0080] 优选地，为了使得输入电流完全跟随输入电压Vin，应当使 保持固定（也即匝比n=1）。
[0081] 需要说明的是，图2所示的开关电源控制器200也可以适用于图4所示的升降压开关电源。
[0082] 本领域技术人员应当理解，图2、图3和图4所示的实施例中采用的是恒流控制环路，其控制的是LED输出电流，其中环路补偿电容114用于环路补偿。如果采用恒压控制环路，将控制量换为输出电压Vout，则环路补偿电容114用于补偿电压环路的稳定性，补偿电压COMP是误差放大电压。具体而言，将图2、图3、图4中的恒流计算电路120更换为电压采样电路，对开关管112输出端的电压进行采样，得到峰值采样电压；而误差放大器121改为对电压采样电路输出的峰值采样电压与预设的基准电压进行误差放大，输出误差电压，该误差电压施加在环路补偿电容114上；其他电路结构不变，即可实现功率因数调整，同时实现输出电压恒定。
[0083] 此外，对于图3和图4所示的实施例，输入电压检测电路126的输入端可以和输入电压Vin的管脚相连，直接对输入电压Vin进行采样以得到检测结果。或者，输入电压检测电路126的输入端也可以和辅助绕组L3相连，通过检测开关管112导通时辅助绕组L3上的负压来得到检测结果，该负压与输入电压Vin相关。而输出电压检测电路127的输入端可以和辅助绕组L3相连，在开关管112关断预设时间段后，通过检测辅助绕组L3上的正电压来得到检测结果，该正电压与输出电压Vout相关。
[0084] 本发明公开了具有功率因数调整功能，临界导通模式控制的开关电源控制器，并且参照附图描述了本发明的具体实施方式和效果。应该理解到的是上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，包括过零检测电路、导通时间长度控制电路、触发器电路、乘法器，对电路的局部构造的变更、对元器件的类型或型号的替换，以及其他非实质性的替换或修改，均落入本发明保护范围之内。
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