发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种低频积分电路及方法,用于解决现有技术中大电容无法集成、数字电路或单片机方式实现的低频积分器成本高,不适于模拟电路等问题。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种低频积分电路,所述低频积分电路至少包括:
减法器、加法器、第一开关、第二开关、第一电容及第二电容;
所述减法器的加法输入端接收参考信号,所述减法器的减法输入端接收当前采样值,用于进行所述参考信号减去所述当前采样值的运算;
所述第一开关的输入端连接所述低频积分电路的输出端,所述第一开关的输出端连接所述第一电容的上极板,用于对所述低频积分电路的输出信号进行采样;所述第一电容的下极板接地;
所述加法器的第一加法输入端连接所述第一开关输出的上次积分输出值、所述加法器的第二加法输入端连接所述减法器的输出端,用于对所述上次积分输出值及所述减法器的输出信号进行加法运算;
所述第二开关的输入端连接所述加法器的输出端、所述第二开关的输出端作为所述低频积分电路的输出端,用于对所述加法器的输出信号进行采样;
所述第二电容的上极板连接所述第二开关的输出端、下极板接地;
其中,所述第一开关与所述第二开关的控制信号极性相反。
优选地,所述减法器包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻及第一运算放大器;
所述第一电阻的一端作为所述减法器的减法输入端、另一端连接所述第一运算放大器的反相输入端;
所述第二电阻的一端连接所述第一运算放大器的反相输入端、另一端连接所述第一运算放大器的输出端;
所述第三电阻的一端作为所述减法器的加法输入端、另一端连接所述第一运算放大器的正相输入端;
所述第四电阻的一端连接所述第一运算放大器的正相输入端、另一端接地。
优选地,所述加法器包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻及第二运算放大器;
所述第五电阻的一端作为所述加法器的第一加法输入端、另一端连接所述第二运算放大器的正相输入端;
所述第六电阻的一端作为所述加法器的第二加法输入端、另一端连接所述第二运算放大器的正相输入端;
所述第七电阻的一端连接所述第二运算放大器的反相输入端、另一端接地;
所述第八电阻的一端连接所述第二运算放大器的反相输入端、另一端连接所述第二运算放大器的输出端。
优选地,所述低频积分电路还包括连接于所述当前采样值与所述减法器的减法输入端之间的第一跟随器,连接于所述第一开关的输出端与所述加法器的第一加法输入端之间的第二跟随器,连接于所述第二开关的输出端与所述低频积分电路的输出端之间的第三跟随器,各跟随器用于隔离信号。
优选地,所述低频积分电路还包括开关控制信号产生模块;所述开关控制信号产生模块包括高频采样单元及反相器;所述高频采样单元用于产生方波信号;所述反相器连接于所述高频采样单元的输出端,用于产生所述高频采样单元输出信号的反信号。
优选地,所述第一电容与所述第二电容的容值为pF级。
优选地,所述低频积分电路还包括第一比例系数调整模块及第二比例系数调整模块,所述第一比例系数调整模块连接于所述减法器的输出端与所述加法器的第二加法输入端之间,所述第二比例系数调整模块连接于所述当前采样值与所述减法器的减法输入端之间。
更优选地,所述低频积分电路还包括输出端连接于所述低频积分电路输入端的第三开关,以及连接于所述第三开关输出端的第三电容。
更优选地,所述低频积分电路还包括峰值采样模块,所述峰值采样模块的输出端连接所述第三开关的控制端,用于控制所述第三开关进行采样;其中,所述第三电容的容值为pF级。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明还提供一种上述低频积分电路的低频积分方法,所述低频积分方法至少包括:
将上次积分输出值反馈至所述加法器的第一加法输入端,将参考信号减去当前采样值后的值输入到所述加法器的第二加法输入端,通过所述加法器进行加法运算后输出当前积分输出值。
优选地,所述当前积分输出值满足如下关系式:
Vo(n)=K1*(Vref-K2*Vin(n))+Vo(n-1),
其中,Vo(n)为当前积分输出值,K1为第一比例系数,K2为第二比例系数,Vin(n)为当前采样值,Vo(n-1)为上次积分输出值。
更优选地,通过调整所述减法器及所述加法器输入端的电阻确定所述第一比例系数及所述第二比例系数;或者通过设置于所述减法器的输出端与所述加法器的第二加法输入端之间的第一比例系数调整模块,及设置于所述当前采样值与所述减法器的减法输入端之间的第二比例系数调整模块确定所述第一比例系数及所述第二比例系数。
优选地,所述低频积分方法进一步包括:接收功率因数校正电路中的开关管峰值电流,基于峰值采样对所述开关管峰值电流进行采样得到所述开关管峰值电流的包络波形,再通过积分得到直流的反馈回路控制信号,进而去除所述功率因数校正电路中的补偿电容。
如上所述,本发明的低频积分电路及方法,具有以下有益效果:
1、本发明的低频积分电路及方法无需外部电容即可实现低频积分功能,便于集成,成本低。
2、本发明的低频积分电路及方法无需要数字电路或单片机即可实现数字积分,成本大大降低。
3、本发明的低频积分电路及方法配合峰值采样技术可以得到开关管峰值电流包络波形的积分值,从而节省功率因数校正电路等需要滤除低频纹波的积分补偿电容,进而减少引脚数目,减小成本。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图3~图9。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种低频积分电路3,所述低频积分电路3包括:
减法器31、加法器32、第一开关S1、第二开关S2、第一电容C1、第二电容C2及开关控制信号产生模块33。
如图3所示,所述减法器31的加法输入端接收参考信号Vref,减法输入端接收当前采样值Vin(n),用于进行所述参考信号Vref减去所述当前采样值Vin(n)的运算。
具体地,在本实施例中,所述减法器31包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4及第一运算放大器311。所述第一电阻R1的一端作为所述减法器31的减法输入端、另一端连接所述第一运算放大器311的反相输入端;所述第二电阻R2的一端连接所述第一运算放大器311的反相输入端、另一端连接所述第一运算放大器311的输出端;所述第三电阻R3的一端作为所述减法器31的加法输入端、另一端连接所述第一运算放大器311的正相输入端;所述第四电阻R4的一端连接所述第一运算放大器311的正相输入端、另一端接地。任意可实现所述参考信号Vref减去所述当前采样值Vin(n)的电路结构均适用本实施例,不以本实施例为限。
如图3所示,所述第一开关S1的输入端连接所述低频积分电路3的输出端,所述第一开关S1的输出端连接所述第一电容C1的上极板,用于对所述低频积分电路3的输出信号进行采样。
具体地,所述第一开关S1作为采样开关,采样频率根据采样需要可通过所述第一开关S1的控制信号频率进行设定,在此不一一设定。在本实施例中,所述第一开关S1进行高频采样。
如图3所示,所述第一电容C1的上极板连接所述第一开关S1的输出端,所述第一电容C1的下极板接地。所述第一电容C1作为采样保持电容,用于将经过采样后的所述低频积分电路3的输出信号保持在所述第一电容C1上。
具体地,所述第一电容C1的容值为pF级,可以集成在芯片中。
如图3所示,所述加法器32的第一加法输入端连接所述第一开关S1输出的上次积分输出值VO(n-1)、所述加法器32的第二加法输入端连接所述减法器31的输出端,用于对所述上次积分输出值VO(n-1)及所述减法器31的输出信号进行加法运算。
具体地,在本实施例中,所述加法器32包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8及第二运算放大器321。所述第五电阻R5的一端作为所述加法器32的第一加法输入端、另一端连接所述第二运算放大器321的正相输入端;所述第六电阻R6的一端作为所述加法器32的第二加法输入端、另一端连接所述第二运算放大器321的正相输入端;所述第七电阻R7的一端连接所述第二运算放大器321的反相输入端、另一端接地;所述第八电阻R8的一端连接所述第二运算放大器321的反相输入端、另一端连接所述第二运算放大器321的输出端。任意可实现所述上次积分输出值VO(n-1)与所述减法器31的输出信号相加的电路结构均适用本实施例,不以本实施例为限。
如图3所示,所述第二开关S2的输入端连接所述加法器32的输出端、所述第二开关S2的输出端作为所述低频积分电路3的输出端,用于对所述加法器32的输出信号进行采样。
具体地,所述第二开关S2作为采样开关,采样频率根据采样需要可通过所述第二开关S2的控制信号频率进行设定,在此不一一设定。在本实施例中,所述第二开关S2进行高频采样。
如图3所示,所述第二电容C2的上极板连接所述第二开关S2的输出端,所述第二电容C2的下极板接地。所述第二电容C2作为采样保持电容,用于将经过采样后的所述加法器32的输出信号保持在所述第二电容C2上。
具体地,所述第二电容C2的容值为pF级,可以集成在芯片中。
如图3所示,所述开关控制信号产生模块33连接于所述第一开关S1及所述第二开关S2的控制端,用于控制所述第一开关S1及所述第二开关S2的导通和关断,进而实现采样。
具体地,所述开关控制信号产生模块33包括高频采样单元331及反相器332,所述高频采样单元331用于产生作为开关控制信号的方波信号;所述反相器332连接于所述高频采样单元331的输出端,用于产生所述高频采样单元331输出信号的反信号。
需要说明的是,在本实施例中,所述高频采样单元331的输出端连接所述第一开关S1的控制端,所述反相器332的输出端连接所述第二开关S2的控制端。在实际应用中,可根据需要设定所述开关控制信号产生模块22的输出信号与所述第一开关S1及所述第二开关S2的连接关系,所述第一开关S1的控制信号与所述第二开关S2的控制信号的极性相反即可,不以本实施例为限。
如图3及图4所示,本实施例的低频积分电路的工作原理如下:
当前采样值Vin(n)通过所述减法器31的减法输入端进入所述减法器31,参考信号Vref通过所述减法器31的加法输入端进入所述减法器31,并通过所述减法器31实现减法运算。在本实施例中,所述参考信号Vref为当前采样值的均值。
所述开关控制信号产生模块33控制所述第一开关S1打开,所述第二开关S2关闭,此时,当前积分输出值Vo(n)被采样后转化为上次积分输出值Vo(n-1),并保持在所述第一电容C1上。
上次积分输出值Vo(n-1)通过所述加法器32的第一加法输入端进入所述加法器32,所述减法器31的输出信号通过所述加法器32的第二输入端进入所述加法器32,两者相加后输出。
所述开关控制信号产生模块33控制所述第二开关S2打开,所述第一开关S1关闭,此时,所述加法器32的输出信号作为新一轮的当前积分输出值Vo(n)采样后保持在所述第二电容C2上,并作为所述低频积分电路3的输出信号。
所述低频积分电路3根据所述高频采样单元331设定的采样周期t对当前采样值进行积分,所述当前积分输出值Vo(n)满足如下关系式:
Vo(n)=K1*(Vref-K2*Vin(n))+Vo(n-1),
其中,Vo(n)为当前积分输出值,K1为第一比例系数,K2为第二比例系数,Vin(n)为当前采样值,Vo(n-1)为上次积分输出值。每一个采样周期的调整量为K1*Vref-K1K2*Vin(n),通过调整采样时间t、所述第一比例系数K1及所述第二比例系数K2可以调整积分电路的增益和带宽,从而得到一个合适的控制电压值作为***的反馈补偿信号。
本实施例通过调整所述减法器31及所述加法器32输入端的电阻确定第一比例系数K1及第二比例系数K2,满足如下关系式:
其中,R1为所述第一电阻的阻值,R2为所述第二电阻的阻值,R3为所述第三电阻的阻值,R4为所述第四电阻的阻值,R5为所述第五电阻的阻值,R6为所述第六电阻的阻值,R7为所述第七电阻的阻值,R8为所述第八电阻的阻值。
实施例二
如图5所示,本实施例提供一种低频积分电路3,所述低频积分电路3与实施例一的不同之处在于,还包括连接于所述当前采样值Vin(n)与所述减法器31的减法输入端之间的第一跟随器341,连接于所述第一开关S1的输出端与所述加法器32的第一加法输入端之间的第二跟随器342,连接于所述第二开关S2的输出端与所述低频积分电路3的输出端之间的第三跟随器343。所述第一跟随器341、所述第二跟随器342及所述第三跟随器343起隔离作用,可大大提高所述低频积分电路3的稳定性。
具体地,所述当前采样值Vin(n)通过所述第一跟随器341传输到所述减法器31的减法输入端,可有效提高输入阻抗、降低输出阻抗,确保所述第一跟随器341两端输入输出信号的隔离。
具体地,所述上次积分输出值Vo(n-1)通过所述第二跟随器342传输到所述加法器32的第一加法输入端,可有效提高输入阻抗、降低输出阻抗,确保所述第二跟随器342两端输入输出信号的隔离。
具体地,所述前积分输出值Vo(n)通过所述第三跟随器343传输到所述低频积分电路3的输出端,可有效提高输入阻抗、降低输出阻抗,确保所述第三跟随器343两端输入输出信号的隔离。
在本实施例中,所述第一跟随器341、所述第二跟随器342及所述第三跟随器343均采用运算放大器实现。运算放大器的正相输入端作为跟随器的输入端;运算放大器的反相输入端连接运算放大器的输出端,并作为跟随器的输出端。在实际应用中,任意可实现电压跟随输出、起到隔离效果的电路结构均适用于本实施例的跟随器,不以本实施例为限。
本实施例的低频积分电路的工作原理与实施例一相同,在此不一一赘述。
实施例三
如图6所示,本实施例提供一种低频积分电路3,所述低频积分电路3与实施例一的不同之处在于,通过第一比例系数调整模块35及第二比例系数调整模块36设定比例系数。
具体地,所述第一比例系数调整模块35连接于所述减法器31的输出端与所述加法器32的第二加法输入端之间,所述第二比例系数调整模块36连接于所述当前采样值Vin(n)与所述减法器31的减法输入端之间。
所述减法器31与所述加法器32对所述第一比例系数K1及所述第二比例系数K2不产生影响,所述第一比例系数K1及所述第二比例系数K2由所述第一比例系数调整模块35及所述第二比例系数调整模块36产生,以实现与实施例一相同的输出信号表达式。
实施例四
如图7所示,本实施例提供一种低频积分电路3,与实施例二的不同之处在于,所述低频积分电路3还包括输出端连接于所述低频积分电路3输入端的第三开关S3以及连接于所述第三开关输出端的第三电容C3。
具体地,所述第三开关S3的输入端根据实际需要接收采样值,输出端连接所述第一跟随器341的输入端,用于对所述第三开关S3的输入信号进行采样。所述第三开关S3作为采样开关,采样频率根据采样需要可通过所述第三开关S3的控制信号频率进行设定,在此不一一设定。
具体地,所述第三电容C3的上极板连接所述第三开关S3的输出端、下极板接地,作为采样保持电容,用于将采样后的输入信号保持在所述第三电容C3上。所述第三电容C3的容值为pF级,可以集成在芯片中。
如图8所示,以Boost结构为例,现有技术中,所述功率因数校正电路4包括LED负载或主电路、电感L、续流二极管D、输出电容C、开关管M、采样电阻Rcs、补偿模块41、补偿电容Ccomp及比较模块42,所述开关管M的峰值电流需要通过所述补偿电容Ccomp积分处理后得到反馈环路的控制值,以控制所述开关管M导通或关断。所述补偿电容Ccomp是大容值的电容,无法集成到芯片中,因此,需要增加端口COMP外置到芯片外部。如图9所示,本实施实例中,将所述低频积分电路3应用于功率因数校正电路4中,所述低频积分电路3的输入端连接于所述开关管M的源端、输出端连接所述补偿模块41,用于得到开关管峰值电流包络波形的积分值,所述低频积分电路3输出所述功率因数校正电路的反馈环路控制信号,所述反馈环路控制信号为直流值,可以作为所述功率因数校正电路4所在芯片能够直接处理的反馈信号,因此可以去掉***外部的补偿电容Ccomp并减少芯片引脚数目,从而降低***的成本。
具体地,所述第三开关S3的输入端接收开关管峰值电流信号CS_pk,所述第三开关S3的控制信号由所述峰值采样模块37产生。
需要说明的是,所述功率因数校正电路6可以是任意能实现功率因数校正的电路,不以本实施例为限,本实施例仅作为示例。
需要说明的是,其他具有滤除低频纹波的积分补偿电容的电路也适用于本发明,不以本实施例所列举的功率因数校正电路为限。
本实施例的低频积分电路3的工作原理如下:
所述开关管峰值电流信号CS_pk输入所述低频积分电路3中,所述峰值采样模块37输出控制信号以驱动所述第三开关S3对所述开关管峰值电流信号CS_pk采样,所述开关管峰值电流信号CS_pk为多个锯齿形脉冲,通过采样获取所述开关管峰值电流信号CS_pk中各个峰值的端点,进而得到开关管峰值电流的包络波形,并保持在所述第三电容C3上。
然后通过所述减法器31、所述加法器32、所述第一开关S1、所述第二开关S2、所述第一电容C1、所述第二电容C2、所述开关控制信号产生模块33、所述第一跟随器341、所述第二跟随器342及所述第三跟随器343进行数字积分,以得到功率因数校正电路的反馈环路控制信号,所述反馈环路控制信号为所述开关管峰值电流包络的平均值。积分的方法与实施实例一相同,在此不一一赘述。
本发明的低频积分电路及方法可以在普通的模拟电路中实现数字积分的功能,普适性高,且成本低。
综上所述,本发明提供一种低频积分电路及方法,包括:接收参考信号及当前采样值的减法器,用于进行所述参考信号减去所述当前采样值的运算;连接于所述低频积分电路的输出端与所述第一电容的上极板之间的第一开关,用于对所述低频积分电路的输出信号进行采样;所述第一电容的下极板接地;第一加法输入端连接所述第一开关输出端、第二加法输入端连接所述减法器的输出端,用于对所述上次积分输出值及所述减法器的输出信号进行加法运算的加法器;连接于所述加法器的输出端与所述低频积分电路的输出端之间的第二开关,用于对所述加法器的输出信号进行采样;所述第二电容的上极板连接所述第二开关的输出端、下极板接地;其中,所述第一开关与所述第二开关的控制信号极性相反。将上次积分输出值反馈至所述加法器的第一加法输入端,将参考信号减去当前采样值后的值输入到所述加法器的第二加法输入端,通过所述加法器进行加法运算后输出当前积分输出值。本发明的低频积分电路及方法无需外部电容、数字电路、单片机即可实现低频滤波功能,便于集成,成本低;配合峰值采样技术可以得到开关管峰值电流包络波形的滤波值,从而节省功率因数校正电路等需要滤除低频纹波的积分补偿电容,进而减少引脚数目,减小成本。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。