CN204993045U - 开关电源装置与照明设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型的实施例提供了一种开关电源装置与照明设备，该开关电源装置包括：输入级(14)和输出级(15)；功率开关(11)，其耦接在输入级与输出级之间，用于将从输入级接收的输入功率信号传向输出级；开关驱动单元(12)，其耦接至功率开关以控制功率开关的开关操作，该开关驱动单元(12)被集成在集成电路芯片中；谐波补偿单元(13)，其耦接在输入级与开关驱动单元之间，用于根据输入功率信号生成占空比调节信号，并且将所述占空比调节信号传送至所述开关驱动单元。通过采用上述的谐波补偿电路，不仅可以消除谐波的不利影响，还可以提升功率因数。

Description

开关电源装置与照明设备

技术领域

本实用新型的实施例关于开关电源领域，尤其涉及一种用于驱动负载的开关电源装置。

背景技术

目前，开关电源用于将输入功率转化为提供给负载的输出功率，其被广泛地用在各个供电应用中。开关电源通常包括以下类型：降压型(Buck)、升压型(Boost)以及降压-升压型(Buck-Boost)。

对于开关电源而言，其输入功率大于25W时的谐波要求要远远比输入功率小于25W时的严格。Buck-Boost型开关电源比Buck型开关电源具有更好的谐波特性。因此，当输入功率大于25W时，经常采用Buck-Boost型开关电源，以符合谐波标准。然而，相较于降压型开关电源方案，Buck-Boost型开关电源往往成本较高。Buck性开关电源虽然低成本，但是很难满足谐波标准。对于Buck型开关电源，当输入电压Vin(t)>输出电压Vo时，电流流过输入端，而当输入电压Vin(t)<输出电压Vo时，输入电流等于0。在此零电流周期称为零流区时间。显然，零流区时间随着输入电压Vin和输出电压Vo的变化而变化，并且对输入电流谐波具有很大的影响，特别是5次、7次和9次谐波。

根据国际电工委员会(IEC)标准，功率因数应该大于0.9。但是当输入电压十分大的时候，例如，AC277V时，由于电磁干扰(EMI)滤波器的影响，很难达到满足要求的功率因数。恒定的导通时间控制加闭环是Buck性开关电源方案的通常的控制方法。该方法具有好的功率因数以及低谐波失真。然而当输入功率大于25W时，其仍然不能满足IEC标准，即单次谐波分量超过标准并且在高输入电压时具有低的功率因数。

因此，亟需一种成本低、谐波特性好以及高功率因数的buck型开关电源。

实用新型内容

至少针对以上问题，本实用新型的实施例旨在通过引入输入电压波形，进而使输入电流波形发生相应的改变，从而使输入电流的各次谐波含量发生改变，进而提升开关电源的谐波特性以及功率因数。本实用新型的具体实施方式针对于基于IC(集成电路)芯片的开关电源。

根据本实用新型的一方面，提出了一种开关电源装置，其包括：输入级和输出级；功率开关，其耦接在所述输入级与所述输出级之间，用于将从所述输入级接收的输入功率信号传向所述输出级；开关驱动单元，其耦接至所述功率开关以控制所述功率开关的开关操作，其中所述开关驱动单元被集成在集成电路芯片中；以及谐波补偿单元，其耦接在所述输入级与所述开关驱动单元之间，用于根据所述输入功率信号来生成占空比调节信号，并且将所述占空比调节信号传送至所述开关驱动单元。

该方面的优点在于，输入功率信号的波形被考虑以控制开关驱动单元，使得输出能够响应于输入功率信号，从而改进开关电源的谐波特性。

根据本实用新型的一个实施例，所述开关驱动单元包括用于接收所述占空比调节信号的功率开关状态检测端，其中所述开关驱动单元根据所述占空比调节信号来确定所述功率开关在每个开关周期内的占空比。

根据本实用新型的一个实施例，所述谐波补偿单元包括：第一电容器，其耦接在所述功率开关状态检测端与接地之间，以向所述功率开关状态检测端提供所述占空比调节信号；第一充电线路，其耦接在所述输入级与接地之间，以用于使用所述输入功率信号对所述第一电容器进行充电。

本实施例采用RC电路采集输入电压波形后，提供给IC芯片的控制管脚，以较低成本获得了较好的性能。第一电容器也能够过滤输入级由于开关驱动单元导致的高频开关分量，获得响应于输入功率的低频波形。

根据本实用新型的一个实施例，所述开关电源装置还包括：积分补偿单元，其包括耦接在所述功率开关状态检测端与所述第一电容器之间的第二电容器，并被所述功率开关状态检测端的输出电流所充电。

目前普遍的IC控制芯片都是用电流源和电容器的积分补偿来获得控制输出电流的参考信号。本实用新型的该实施方式将谐波补偿单元与积分补偿单元组合，从而将输入功率信号的谐波信息引入IC控制芯片的控制中，电路连接比较简明。

根据本实用新型的一个实施例，所述开关电源装置还包括：自适应补偿单元，其耦接至所述谐波补偿单元，用于根据所述输入功率信号来对所述第一电容器上的电压进行调整，以增大所述谐波补偿单元适用的电压范围。

该实施例的优点在于，在开关电源装置的实际使用中，在输入电压升高超过一定程度时，谐波补偿单元的第一电容器上并不需要相应比例的升高电压即可获得所需的性能，因此本实用新型的这个实施方式额外增加了一个自适应补偿单元，在电压较高时对第一电容器上的电压进行调整。

根据本实用新型的以上实施例的一个具体实现，所述自适应补偿单元还包括：稳压管，其与所述第一电容器并联连接，用于限制所述第一电容器所能够获得的最大电压信号。

发明人发现，在输入电压较高时，第一电容器上一个相对固定的电压就足够获得较好的谐波特性，因此使用一个稳压管来提供这个相对固定电压，成本较低。

根据本实用新型的以上实施例的另一个具体实现，所述自适应补偿单元包括：开关元件，其将所述第一电容器耦接至地；电阻器，其耦接在所述第一电容器与所述开关元件之间；第一检测线路，其耦接在所述输入级与接地之间，并具有一抽头耦接到所述开关元件的控制端，以根据由所述输入级提供的电压来控制所述开关元件的导电性，以调节所述第一电容器上的电压。

该具体实现使用开关管，来在输入电压较高时调节第一电容器上的电压。

根据本实用新型的一个实施例，所述第一检测线路还包括：第三电容器，其耦接至所述第一检测线路，并对所述第一检测线路上的电压进行平滑，被平滑后的电压抽头耦接到所述开关元件的控制端。

该实施方式中的第三电容器能够对第一检测电路上的电压进行平滑滤波，过滤其中的高频开关频率。

根据本实用新型的一个实施例，所述输出级包括：主电感器，其耦接至所述功率开关的输出端；其中，所述开关驱动单元包括电流检测端，所述电流检测端耦接至所述主电感器，用于检测所述主电感器中的电流值，所述开关驱动单元基于所检测得的所述主电感器中的电流值来调整所述功率开关的开关操作。

根据本实用新型的另一方面，还提出了一种照明设备，其包括：如上所述的任一种开关电源装置；照明单元，其耦接至所述开关电源装置，且从所述开关电源装置获得功率输入信号。

根据本实用新型的一个实施例，所述照明单元包括LED装置

通过本实用新型实施例的技术方案，可以对开关电源装置的输入电流的波形进行补偿，进而消除谐波的不利影响，并且提升了功率因数。另外，该本实用新型的开关电源技术方案结构简单，采用了较少的元件，因此具有便于生产和成本较低的优点。

附图说明

通过参考下列附图所给出的本实用新型的具体实施方式的描述之后，将更好地理解本实用新型，并且本实用新型的其他目的、细节、特点和优点将变得更加显而易见。在附图中：

图1为依据本实用新型一个方面的开关电源装置的方框图；

图2为依据本实用新型的实施例一的具有谐波补偿的开关电源电路图；

图3为依据本实用新型的实施例二的具有谐波补偿的开关电源电路图；以及

图4为依据本实用新型的实施例三的具有谐波补偿的开关电源电路图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1为依据本实用新型实施例的开关电源装置10的方框图。

如图1所示，开关电源装置10包括输入级14、输出级15、位于输入级14与输出级15之间的功率开关11、开关驱动单元12以及谐波补偿单元13。

根据本实用新型的实施例，功率开关11耦接在开关电源装置10的输入级14与输出级15之间，构成了功率传输通道，用于将从输入级14所接收的输入功率信号传向输出级15。开关驱动单元12耦接至功率开关11以控制功率开关11的开关操作，即功率开关11在开关驱动单元12的控制下将输入功率信号(譬如，电流)传输至输出级15。谐波补偿单元13耦接在输入级与开关驱动单元12之间，其能够检测输入功率信号，并基于所检测的输入功率信号生成占空比调节信号。开关驱动单元12接收上述占空比调节信号，并且相应地控制功率开关11。

在一实施例中，开关驱动单元12还设有功率开关状态检测端，以接收占空比调节信号(例如电压信号)。开关驱动单元12可以通过检测在功率开关状态检测端处的电压来确定功率开关11在每个开关周期内的占空比。谐波补偿单元13耦接至该功率开关状态检测端，进而根据与输入功率信号相关的信号生成占空比调节信号，并且在功率开关状态检测端提供占空比调节信号，以实现对功率开关11的状态进行调整。开关驱动单元12可以被集成在集成电路芯片中或是和功率开关11一同被集成在集成电路芯片中。

因此，基于上述结构，谐波补偿单元13能够根据输入功率信号来调整功率开关11在每个开关周期内的占空比，进而调整输入电流，实现对输入电流的各次谐波含量进行调整。

图2为依据本实用新型的实施例一的具有谐波补偿的开关电源电路图。

如图2所示，该开关电源电路20的输入级包括EMI滤波器141和整流桥D2。输出级包括主电感器T1、主二极管D1以及电容器C2，其中电容器C2可以滤除输出至负载(譬如，LED)的电流纹波。

EMI滤波器141被实现为包括电容器C1和电感器L1的LC滤波器，用于滤除输入功率信号中的高频干扰信号。整流桥D2耦接至EMI滤波器141，用于接收经滤波的输入功率信号，并输出经整流的功率信号。

在此实施例中，图1中的功率开关11和开关驱动单元12被实现为内部集成功率管的驱动集成电路U1。驱动集成电路U1的引脚5-8内部连接至功率管，并通过相互连接的引脚5和6耦接至整流桥D2的输出端，从而获取输入功率信号。驱动集成电路U1还通过相互连接的引脚7和8经由主电感器T1而连接至输出级。因此，驱动集成电路U1的引脚7、8可以用来检测主电感器T1中电流的平均值，即输出至负载的电流。驱动集成电路U1将其在引脚7、8上检测到的平均电流值传送到集成在驱动集成电路U1内部的运算放大器的输入端，该运算放大器将该平均电流值与基准值做比较，并对其误差进行积分并输出。本实施例中，该内部集成的运算放大器的输出为引脚COMP，并且引脚COMP上的电压与每个开关周期的功率管的导通时间成正比。因此，通过调整引脚COMP上的电压，便能够调整功率管的导通时间，从而改变其在每个开关周期内的占空比。

由上可知，驱动集成电路U1通过引脚7、8检测主电感器T1中的电流，然后将所测得的电流值反馈给集成在驱动集成电路U1中的运算放大器，运算放大器再将该值与参考值相比，进而输出信号至引脚COMP以控制功率管。因此，这里形成了闭环的控制回路，即运算放大器的输出能够被维持在恒定的水平上。该闭环的控制回路保证了输出电流的良好的调节特性(即，不随输入电压和负载电流变化)，在每个开关周期中，功率管的导通时间基本上是恒定的，从而达到很高的功率因数。

在开关电源电路20中，谐波补偿电路13包括耦接至引脚COMP的第一电容器C3以及第一充电线路。在一个实现中，第一充电线路包括串联连接在整流桥D2的输出端与接地之间的电阻器R1、R2，并且电阻器R1与第一电容器C3并联连接。电阻器R2与引脚5、6均连接至整流桥D2的输出端，因此第一充电线路可以对输入至引脚5、6的信号进行采样，进而对功率管漏端(Drain)上的电压信号进行检测。因此，第一电容器C3能够被输入功率信号所充电，从而将与输入功率信号相关的信号提供至引脚COMP以调整功率管的导通时间。

开关电源电路20还可以包括用于对上述积分过程进行补偿的积分补偿单元。这里，积分补偿单元包括被提供在第一电容器C3和引脚COMP之间的第二电容器C4，其被功率开关检测端的输出电流所充电。输入功率信号被第一电容器C3滤波且移相，并且第一电容器C3向第二电容器C4提供相对于接地的电压偏置。因此，引脚COMP的电压信号为该电压偏置与第二电容器C4原有的电压的叠加信号。可以理解的，如果驱动集成电路U1和整流桥D2共地，那么滤波电路的输入信号就处于低频域，此时第一电容器C3主要起到移相的作用。

另外，在一个实现中，第一充电线路还与第一电容器C3组成了滤波电路，从而可以滤除输入功率信号中的开关频率的信号成分，只留下其中的准正弦波形来对引脚COMP的电压进行谐波补偿。

图3为依据本实用新型的实施例二的具有谐波补偿的开关电源电路图。

相较于图2，图3中的开关电源电路30还包括耦接至谐波补偿电路13的自适应补偿单元，其耦接至所述谐波补偿单元(13)，用于根据输入功率信号来对第一电容器(C3)上的电压进行调整，以增大谐波补偿单元(13)适用的电压范围。具体地，该自适应补偿单元包括与第一电容器C3并联的稳压管Z1，其用于限制第一电容器C3所能够获得的最大电压信号。由稳压管的特性可知，当输入电压低于稳压管Z1的击穿电压时，稳压管Z1不会被击穿，此时的稳压管Z1近似于断路；当输入电压高于稳压管Z1的击穿电压时，稳压管Z1被击穿，此时稳压管Z1两端的电压等于该击穿电压。

结合图3中的电路，当输入电压较低时，电阻器R1上的分压小于稳压管Z1的击穿电压，稳压管Z1近似于断路，此时等效于图2中的电路。当输入电压过高时，电阻器R1上的分压将增大至足以使得稳压管Z1被击穿。当稳压管Z1被击穿时，电阻器R1上的电压等于该击穿电压，从而使得引脚COMP所能检测的电压不会过大，其仍会正常工作以调整引脚COMP上的电压值。

因此，实施例二中的开关电源电路30由于采用稳压管Z1，增大了该谐波补偿电路所适用的输入电压范围，即实现了在宽电压幅值的输入下，电路也能实现谐波补偿，并且提升了驱动集成电路U1的安全性。

图4为依据本实用新型的实施例三的具有谐波补偿的开关电源电路图

相较于图2，开关电源电路40还包括另一耦接至谐波补偿单元13的自适应补偿单元，该自适应补偿单元包括电阻器R6、第一检测线路以及作为开关元件的三极管Q1，其中，第一检测线路包括串联连接在整流桥D2的输出端与接地之间的电阻器R3、R4和R5。电阻器R6的一端耦接至第一充电线路中的电阻器R1和R2之间的节点处，另一端通过三极管Q1耦接至地。第一检测线路(R3、R4、R5)，还具有一抽头耦接到三极管Q1的控制端(此实施例中为基极)，用于检测输入功率信号的电压幅值，并基于输入功率信号的电压幅值来控制开关元件的开关操作。

当输入电压足够低、即电阻器R5上的电压不足以开启三极管Q1时，电阻器R6至接地的电流路径被三极管Q1阻断，因此，电阻器R6此时并未接入原谐波补偿电路13，也就是说此时的电阻器R6对电路的谐波补偿电路没有任何影响。当输入电压足够高、即电阻器R5上的电压足以使得三极管Q1导通时，电阻器R6将近似等效于耦接至接地并和第一电容器C3并联。

第一电容器C3所获得的电压等于电阻器R1两端的电压。因此，当输入电压升高后且使得三极管Q1导通时，电阻器R1、R6并联连接，使得其阻值变低。因此，即使输入电压变大，第一电容器C3所获得的电压也并不会随着输入电压的变大而变大，而是取决于电阻器R1、R6并联后的电阻值。因此，该自适应补偿单元的使用也能够增大谐波补偿电路所适用的输入电压范围。

另外，该自适应补偿单元还包括第三电容器C5，其耦接至第一检测线路，输入功率信号经由第一检测线路检测后对第三电容器C5充电。与第一电容器C3类似的，该第三电容器C5也可以第一检测线路上的电压进行平滑，被平滑后的电压抽头耦接到三极管Q1的基极，从而滤除输入功率信号中的开关频率的信号成分，以避免三极管Q1在不期望的情况下导通。

通过采用上述的谐波补偿电路，可以对开关电源装置的输入电流的波形进行补偿，进而消除谐波的不利影响。另外，由于EMI滤波器的使用，输入电流的相位会超前于输入电压的相位，从而造成功率因数在高输入电压时会减小。本实用新型中的谐波补偿电路不仅对输入电流的波形进行了补偿，还通过电阻器和电容器在输入电流中引入了与输入电压相关的相位延迟，从而提升了功率因数。

基于上述技术方案，本实用新型还提出了一种采用上述开关电源装置的照明设备。通过将照明单元耦接至开关电源装置，从而可以从开关电源装置获得功率输入信号。优选的，该照明单元包括LED装置。

应该理解的是，上述的实施例并非用来限制本实用新型的保护范围，凡是不背离本实用新型思想的修改和变化，均应被本实用新型所覆盖。譬如，开关元件不仅可以使用三极管，也可以使用MOS管、逻辑门或是其它可控的开关元件。

上述变化均被认为处于本实用新型和所附的权利要求的范围中。本实用新型的保护范围由权利要求所限定。动词“包括”说明除了权利要求中所限定的元件，还可以包括其他元件。

Claims (11)

1.一种开关电源装置，其特征在于，包括：

输入级(14)和输出级(15)；

功率开关(11)，其耦接在所述输入级(14)与所述输出级(15)之间，用于将从所述输入级(14)接收的输入功率信号传向所述输出级(15)；

开关驱动单元(12)，其耦接至所述功率开关(11)以控制所述功率开关(11)的开关操作，其中所述开关驱动单元(12)被集成在集成电路芯片中；以及

谐波补偿单元(13)，其耦接在所述输入级(14)与所述开关驱动单元(12)之间，用于根据所述输入功率信号来生成占空比调节信号，并且将所述占空比调节信号传送至所述开关驱动单元(12)。

2.如权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，所述开关驱动单元(12)包括用于接收所述占空比调节信号的功率开关状态检测端，其中所述开关驱动单元(12)根据所述占空比调节信号来确定所述功率开关(11)在每个开关周期内的占空比。

3.如权利要求2所述的开关电源装置，其特征在于，所述谐波补偿单元包括：

第一电容器(C3)，其耦接在所述功率开关状态检测端与接地之间，以向所述功率开关状态检测端提供所述占空比调节信号；

第一充电线路(R1、R2)，其耦接在所述输入级与接地之间，以用于使用所述输入功率信号对所述第一电容器(C3)进行充电。

4.如权利要求3所述的开关电源装置，其特征在于，还包括：

积分补偿单元，其包括耦接在所述功率开关状态检测端与所述第一电容器之间的第二电容器(C4)，并被所述功率开关状态检测端的输出电流所充电。

5.如权利要求3所述的开关电源装置，其特征在于，还包括：

自适应补偿单元，其耦接至所述谐波补偿单元(13)，用于根据所述输入功率信号来对所述第一电容器(C3)上的电压进行调整，以增大所述谐波补偿单元(13)适用的电压范围。

6.如权利要求5所述的开关电源装置，其特征在于，自适应补偿单元包括：

稳压管(Z1)，其与所述第一电容器(C3)并联连接，用于限制所述第一电容器(C3)所能够获得的最大电压信号。

7.如权利要求5所述的开关电源装置，其特征在于，所述自适应补偿单元包括：

开关元件(Q1)，其将所述第一电容器(C3)耦接至地；

电阻器(R6)，其耦接在所述第一电容器(C3)与所述开关元件(Q1)之间；

第一检测线路(R3、R4、R5)，其耦接在所述输入级(14)与接地之间，并具有一抽头耦接到所述开关元件(Q1)的控制端，以根据由所述输入级(14)提供的电压来控制所述开关元件(Q1)的导电性，以调节所述第一电容器(C3)上的电压。

8.如权利要求7所述的开关电源装置，其特征在于，所述第一检测线路还包括：

第三电容器(C5)，其耦接至所述第一检测线路并对所述第一检测线路上的电压进行平滑，被平滑后的电压抽头耦接到所述开关元件(Q1)的控制端。

9.如权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，所述输出级(15)包括：

主电感器(T1)，其耦接至所述功率开关(11)的输出端；

其中，所述开关驱动单元包括电流检测端，所述电流检测端耦接至所述主电感器(T1)，用于检测所述主电感器(T1)中的电流值，所述开关驱动单元(12)基于所检测得的所述主电感器(T1)中的电流值来调整所述功率开关(11)的开关操作。

10.一种照明设备，其特征在于，包括：

如权利要求1至9任一项所述的开关电源装置；

照明单元，其耦接至所述开关电源装置，且从所述开关电源装置获得功率输入信号。

11.如权利要求10所述的照明设备，其特征在于，所述照明单元包括LED装置。