CN102969927A - 降压开关电源及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降压开关电源及其控制方法。通过对输入电压采样信号进行平方，使降压电路输入平均电流的波形跟随输入电压，从而减小降压开关电源输入电流的谐波分量，降低THD，并提高降压开关电源的功率因数。

Description

降压开关电源及其控制方法
技术领域
本发明的实施例涉及电子电路，特别地，涉及一种降压开关电源及其控制方法。 
背景技术
如今，开关电源被广泛用来为电子设备供电。一般地，开关电源从电网获得交流电压，通过整流桥将该交流电压转换为不控直流电压，再通过开关电路将该不控直流电压转换为所需信号以驱动负载。 
然而，随着开关电源的广泛应用，愈来愈多的谐波电流被注入电网。高次谐波的产生，增加了电能谐波损耗，降低了***功率因数，对电网产生很大的危害。它不仅影响电网的质量，而且还对电网的可靠性有很大的影响，严重时会造成继电保护误动，烧毁保护电路板、数字电表及其它装置。因此，开关电源必须减小谐波分量，提高功率因数。 
一种常用的功率因数校正方法为使整流桥输出电流的峰值，即开关电路输入电流的峰值跟随开关电路的输入电压。为了降低电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)，在电网和整流桥之间通常电耦接一EMI滤波器。由于该EMI滤波器的存在，开关电路输入电流的平均值即等于开关电源从电网获取的电流，即开关电源的输入电流。对输入电流连续的开关电路(例如升压电路)而言，若开关电路输入电流的峰值跟随开关电路的输入电压，则开关电源输入电流的波形为正弦波，且与电网电压同相。因而开关电源的功率因数高且谐波分量小。但是，对于输入电流不连续的降压电路而言，情况却并非如此。 
图1和图2为现有的输入电流不连续的降压电路的波形图，其中Iin为降压电路的输入电流，Ipk为降压电路输入电流的峰值，CTRL为降压电路中开关管的控制信号，Iave为降压电路的输入平均电流。由图可知，当降压电路输入电流峰值Ipk的波形为正弦波时，其输入电流的平均值Iave，即降压开关电源输入电流的波形并非为正弦。因而降压开关电源输入电流的谐波 分量大、谐波畸变率(total harmonic distortion，THD)高，开关电源的功率因数受到不利影响。 
发明内容
本发明的目的是提供一种低电流谐波畸变率、高功率因数的降压开关电源及其控制方法。 
根据本发明的实施例，一种降压开关电源，包括：降压电路，包括开关管和储能元件，随着所述开关管的导通和关断，所述储能元件存储和输出能量；输入电压采样电路，电耦接至所述降压电路的输入端，采样所述降压电路的输入电压，并产生输入电压采样信号；电流采样电路，电耦接至开关管，采样流过所述开关管的电流，并产生电流采样信号；平方电路，电耦接至所述输入电压采样电路以接收输入电压采样信号，并对其进行平方运算产生第一乘法输入信号；乘法电路，电耦接至所述平方电路，将第一乘法输入信号与第二乘法输入信号相乘，并产生乘积信号；第一比较电路，电耦接至所述电流采样电路和所述乘法电路，将电流采样信号与乘积信号进行比较；以及逻辑电路，电耦接至所述开关管的栅极和所述第一比较电路，在电流采样信号大于或大于等于乘积信号时，将所述开关管关断。 
根据本发明的另一实施例，一种降压开关电源的控制方法，该降压开关电源包括降压电路，降压电路包括开关管和电耦接至所述开关管的储能元件，随着所述开关管的导通和关断，所述储能元件存储和输出能量，该控制方法包括：采样所述降压电路的输入电压，并产生输入电压采样信号；采样流过所述开关管的电流，并产生电流采样信号；通过将输入电压采样信号平方来产生第一乘法输入信号；将第一乘法输入信号与第二乘法输入信号相乘，产生乘积信号；将电流采样信号与乘积信号进行比较；以及在电流采样信号大于或大于等于乘积信号时，将所述开关管关断。 
通过对输入电压采样信号进行平方，使降压电路输入平均电流的波形跟随输入电压，减小了降压开关电源输入电流的谐波分量，降低了THD，并提高了降压开关电源的功率因数。 
附图说明
图1和图2为现有的输入电流不连续的降压电路的波形图； 
图3为根据本发明一实施例的降压开关电源300的框图； 
图4为根据本发明一实施例的降压开关电源400的电路图； 
图5为根据本发明一实施例的峰值采样电路409的电路图； 
图6为根据本发明一实施例的降压开关电源控制方法的流程图。 
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。 
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“连接到”或“耦接到”另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。 
图3为根据本发明一实施例的降压开关电源300的框图，包括降压电路(BUCK)301、输入电压采样电路302、电流采样电路303和控制电路。降压电路301包括开关管和储能元件，通过整流桥(未示出)从电网获取电能。储能元件电耦接至开关管，随着开关管的导通和关断，储能元件存储和输出能量。降压电路301的基本拓扑结构为本领域技术人员所公知，为简便起见，在此不再赘述。降压电路301中的开关管可以是任何可控半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。 
输入电压采样电路302电耦接至降压电路301的输入端，采样降压电路的输入电压Vin，并产生输入电压采样信号VINsense。电流采样电路303电耦接至降压电路301中的开关管，采样流过开关管的电流，并产生电流采样信号Isense。 
控制电路电耦接至降压电路301中开关管的栅极，产生控制信号CTRL以控制开关管的导通与关断。控制电路包括平方电路305、乘法电路306、比较电路307和逻辑电路304。平方电路305电耦接至输入电压采样电路302，对输入电压采样信号VINsense进行平方来产生第一乘法输入信号MULT。乘法电路306电耦接至平方电路305，将第一乘法输入信号MULT与第二乘法输入信号相乘，并产生乘积信号MULO。比较电路307电耦接至电流采样电路303和乘法电路306，将电流采样信号Isense与乘积信号MULO进行比较。逻辑电路304电耦接至开关管的栅极和比较电路307，在电流采样信号Isense大于或大于等于乘积信号MULO时，将开关管关断。在一个实施例中，第二乘法输入信号为与降压电路301的输出电压、输出电流或输出功率相关的补偿信号COMP。 
降压电路301可工作在电流连续模式、电流断续模式或电流临界连续模式。在一个实施例中，逻辑电路304在流过储能元件的电流减小至零时，将开关管导通，从而使降压电路301工作在电流临界连续模式。该电流的过零检测可通过监测开关管两端的电压来实现，也可以其他合适的方式来实现。 
在本发明的实施例中，对输入电压采样信号VINsense进行平方来产生第一乘法输入信号MULT，并通过该第一乘法输入信号MULT调节流过开关管电流的峰值，使降压电路的输入平均电流跟随输入电压。即降压电路输入平均电流的波形与输入电压Vin的波形一样，均为整流后的正弦波(馒头波)，且二者同相。因而减小了降压开关电源输入电流的谐波分量，降低了THD，并提高了功率因数。 
在一个实施例中，降压开关电源300还包括峰值采样电路309和误差放大器308。峰值采样电路309耦接到电流采样电路303，对电流采样信号Isense的峰值进行采样，输出代表流过开关管峰值电流的峰值采样信号Ipk。误差放大器308将该峰值采样信号Ipk与一参考电压Vref进行比较来产生 COMP信号。在另一实施例中，COMP信号还可以被叠加其他的信号，例如斜坡信号、直流信号等。 
图4为根据本发明一实施例的降压开关电源400的示意性电路图，该降压开关电源用于驱动发光二极管串，包括EMI滤波器、整流桥、降压电路、输入电压采样电路402、电流采样电路403、平方电路405、乘法电路406、第一比较电路407、误差放大器408、峰值采样电路409、过零检测电路410、第二比较电路411和逻辑电路404。降压电路包括输入电容器Cin、变压器T1、开关管S1、二极管D1和输出电容器Cout。 
整流桥通过EMI滤波器从电网接收交流电压Vac，并将其转换为不控直流电压Vin。输入电容器Cin并联至整流桥的输出端。输入电容器Cin的第一端电耦接至二极管D1的阴极和输出电容器Cout的第一端，输入电容器Cin的第二端接地。变压器T1具有初级绕组和次级绕组，其中初级绕组的第一端电耦接至输出电容器Cout的第二端。开关管S1为NMOS(n型MOSFET)，其漏极电耦接至变压器T1初级绕组的第二端和二极管D1的阳极，源极耦接至地。发光二极管串并联连接在输出电容Cout两端。在一个实施例中，二极管D1由同步整流管代替。 
输入电压采样电路402包括由电阻器R1和R2组成的电阻分压器，电耦接至降压电路的输入端，采样降压电路的输入电压Vin，并产生输入电压采样信号VINsense。电流采样电路403包括电阻器R4，电耦接在开关管S1的源极和地之间，采样流过开关管S1的电流，并产生电流采样信号Isense。 
平方电路405电耦接至输入电压采样电路402以接收输入电压采样信号VINsense，并对输入电压采样信号VINsense进行平方来产生第一乘法输入信号MULT。乘法电路406电耦接至平方电路405，将第一乘法输入信号MULT与第二乘法输入信号相乘，并产生乘积信号MULO。峰值采样电路409电耦接至电流采样电路403，接收电流采样信号Isense，对电流采样信号Isense的峰值进行采样，输出代表流过开关管峰值电流的峰值采样信号Ipk。误差放大器408的同相输入端接收参考信号Vref，反相输入端电耦接至峰值采样电路409以接收峰值采样信号Ipk输出端提供用作第二乘法输入信号的补偿信号COMP。乘法电路406电耦接误差放大器408的输出端和平方电路405，将补偿信号COMP与第一乘法输入信号MULT的平方相乘，产生乘积信号MULO。 
第一比较电路407电耦接至电流采样电路403和乘法电路406，将电流采样信号Isense与乘积信号MULO进行比较。过零检测电路410包括由电阻器R5和R6组成的电阻分压器，电耦接至变压器T1的次级绕组，产生过零检测信号ZCD。第二比较电路411电耦接至过零检测电路410，将过零检测信号ZCD与阈值Vth进行比较。逻辑电路404电耦接至第一比较电路407和第二比较电路411，在电流采样信号Isense大于或大于等于乘积信号MULO时，将开关管S1关断，在过零检测信号ZCD小于或小于等于阈值Vth时，将开关管S1导通。 
在一个实施例中，第一比较电路407包括比较器COM1，其同相输入端电耦接至电流采样电路403以接收电流采样信号Isense，反相输入端电耦接至乘法电路406以接收乘积信号MULO。第二比较电路411包括比较器COM2，其同相输入端接收阈值Vth，反相输入端电耦接至过零检测电路410以接收过零检测信号ZCD。逻辑电路404包括RS触发器FF。触发器FF的复位端电耦接至比较器COM1的输出端，置位端电耦接至比较器COM2的输出端，输出端电耦接至开关管S1的栅极。 
当开关管S1导通时，变压器T1存储能量，流过开关管S1的电流逐渐增大，电流采样信号Isense也逐渐增大。此时过零检测信号ZCD小于零，比较器COM2输出高电平。当电流采样信号Isense增大至大于乘积信号MULO时，比较器COM1输出高电平，将触发器FF复位，从而使开关管S1关断。 
当开关管S1关断，流过开关管S1的电流等于零，电流采样信号Isense也等于零，比较器COM1输出低电平。在开关管S1关断时，变压器T1中存储的能量通过二极管D1被传送至负载——发光二极管。此时过零检测信号ZCD大于零且大于阈值Vth，比较器COM2输出低电平。在变压器T1中存储的能量被全部传送至负载后，变压器T1的励磁电感和开关管S1的寄生电容产生谐振。当开关管S1的端电压谐振至谷底，即过零检测信号ZCD减小至小于阈值Vth时，比较器COM2输出高电平，将触发器FF置位，从而使开关管S1导通。 
图5示出了根据本发明实施例的峰值采样电路409的示意电路图。如图5所示，峰值采样电路409包括：二极管D2、电阻器R7、电阻器R8和电容器C。二极管D2的阳极耦接至电流采样电路以接收电流采样信号Isense。 电阻器R7的一端耦接到二极管D2的阴极。电阻器R8的一端耦接到电阻器R7的另一端，电阻器R8的另一端接地。电容器C的一端耦接到电阻器R7和电阻器R8之间的节点，电容器C的另一端接地。这样，电流采样信号Isense的峰值被采样，从而产生代表流过开关管峰值电流的峰值采样信号Ipk，用来控制开关管S1，以将流过发光二极管的电流调节至期望值。 
图6为根据本发明一实施例的降压开关电源控制方法的流程图，该开关电源包括整流桥和降压电路。降压电路包括开关管和电耦接至开关管的储能元件，随着开关管的导通和关断，储能元件存储和输出能量。该控制方法包括步骤601～606。 
在步骤601，采样降压电路的输入电压，并产生输入电压采样信号。 
在步骤602，采样流过开关管的电流，并产生电流采样信号。 
在步骤603，对输入电压采样信号进行平方，产生第一乘法输入信号。 
在步骤604，将第一乘法输入信号与第二乘法输入信号相乘，产生乘积信号。在一个实施例中，第二乘法输入信号为与降压电路的输出电压、输出电流或输出功率相关的补偿信号。 
在步骤605，将电流采样信号与乘积信号进行比较。 
在步骤606，在电流采样信号大于或大于等于乘积信号时，将开关管关断。 
在一个实施例中，该控制方法还包括：在流过储能元件的电流减小至零时，将开关管导通。 
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。 

Claims (12)

1.一种降压开关电源，包括：
降压电路，包括开关管和储能元件，随着所述开关管的导通和关断，所述储能元件存储和输出能量；
输入电压采样电路，电耦接至所述降压电路的输入端，采样所述降压电路的输入电压，并产生输入电压采样信号；
电流采样电路，电耦接至所述开关管，采样流过所述开关管的电流，并产生电流采样信号；
平方电路，电耦接至所述输入电压采样电路以接收输入电压采样信号，并对其进行平方运算产生第一乘法输入信号；
乘法电路，电耦接至所述平方电路，将第一乘法输入信号与第二乘法输入信号相乘，并产生乘积信号；
第一比较电路，电耦接至所述电流采样电路和所述乘法电路，将电流采样信号与乘积信号进行比较；以及
逻辑电路，电耦接至所述开关管的栅极和第一比较电路，在电流采样信号大于或大于等于乘积信号时，将所述开关管关断。
2.如权利要求1所述的降压开关电源，其中所述逻辑电路在流过所述储能元件的电流减小至零时，将所述开关管导通。
3.如权利要求1所述的降压开关电源，其中所述第二乘法输入信号为与所述降压电路的输出电压、输出电流或输出功率相关的补偿信号。
4.如权利要求3所述的降压开关电源，还包括：
峰值采样电路，电耦接至所述电流采样电路，对电流采样信号的峰值进行采样，输出代表流过所述开关管峰值电流的峰值采样信号；
误差放大器，电耦接至所述峰值采样电路，接收所述峰值采样信号和一参考电压，并基于所述峰值采样信号与所述参考电压产生所述补偿信号。
5.如权利要求4所述的降压开关电源，其中所述峰值采样电路包括：
第一二极管，阳极电耦接至所述电流采样电路以接收电流采样信号；
第一电阻器，所述第一电阻器的一端电耦接到所述第一二极管的阴极；
第二电阻器，所述第二电阻器的一端电耦接到所述第一电阻器的另一端，所述第二电阻器的另一端接地；
电容器，所述电容器的一端电耦接到所述第一电阻器和所述第二电阻器之间的节点，所述电容器的另一端接地。
6.如权利要求1所述的降压开关电源，还包括：
过零检测电路，具有输入端和输出端，其中输入端电耦接到所述储能元件，在输出端产生过零检测信号；
第二比较电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端电耦接到所述过零检测电路的输出端，第二输入端接收阈值信号，输出端耦接到所述逻辑电路，对过零检测信号和阈值信号进行比较，在输出端输出比较结果。
7.如权利要求6所述的降压开关电源，其中，所述过零检测电路具体为分压电路，输入端从所述储能元件接收一电压，在输出端输出分压后的电压作为过零检测信号。
8.如权利要求1所述的降压开关电源，其中所述储能元件具体为变压器，所述降压电路还包括：输入电容器、第二二极管和输出电容器，其中输入电容器的第一端电耦接至第二二极管的阴极和输出电容器的第一端，输入电容器的第二端接地；变压器具有初级绕组和次级绕组，其中初级绕组的第一端电耦接至输出电容器的第二端，所述开关管的栅极接收控制信号，所述开关管的一端电耦接至变压器的初级绕组的第二端和二极管的阳极，所述开关管的另一端耦接至地。
9.一种降压开关电源的控制方法，该降压开关电源包括降压电路，降压电路包括开关管和电耦接至所述开关管的储能元件，随着所述开关管的导通和关断，所述储能元件存储和输出能量，该控制方法包括：
采样所述降压电路的输入电压，并产生输入电压采样信号；
采样流过所述开关管的电流，并产生电流采样信号；
通过将输入电压采样信号平方来产生第一乘法输入信号；
将第一乘法输入信号与第二乘法输入信号相乘，产生乘积信号；
将电流采样信号与乘积信号进行比较；以及
在电流采样信号大于或大于等于乘积信号时，将所述开关管关断。
10.如权利要求9所述的控制方法，还包括：在流过所述储能元件的电流减小至零时，将所述开关管导通。
11.如权利要求9所述的控制方法，其中所述第二乘法输入信号为与降压电路的输出电压、输出电流或输出功率相关的补偿信号。
12.如权利要求11所述的控制方法，还包括：
对电流采样信号的峰值进行采样，产生代表流过所述开关管峰值电流的峰值采样信号；
基于所述峰值采样信号与一参考电压产生所述补偿信号。
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