TW201433071A - 降壓開關電源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種降壓開關電源及其控制方法。通過對輸入電壓採樣信號進行平方，使降壓電路輸入平均電流的波形跟隨輸入電壓，從而減小降壓開關電源輸入電流的諧波分量，降低THD，並提高降壓開關電源的功率因數。

Description

降壓開關電源及其控制方法

本發明的實施例涉及電子電路，特別地，涉及一種降壓開關電源及其控制方法。

如今，開關電源被廣泛用來為電子裝置供電。一般地，開關電源從電網獲得交流電壓，通過整流橋將該交流電壓轉換為不控直流電壓，再通過開關電路將該不控直流電壓轉換為所需信號以驅動負載。 然而，隨著開關電源的廣泛應用，愈來愈多的諧波電流被注入電網。高次諧波的產生，增加了電能諧波損耗，降低了系統功率因數，對電網產生很大的危害。它不僅影響電網的品質，而且還對電網的可靠性有很大的影響，嚴重時會造成繼電保護誤動，燒毀保護電路板、數位電錶及其它裝置。因此，開關電源必須減小諧波分量，提高功率因數。 一種常用的功率因數校正方法為使整流橋輸出電流的峰值，即開關電路輸入電流的峰值跟隨開關電路的輸入電壓。為了降低電磁干擾（electro magnetic interference, EMI），在電網和整流橋之間通常電耦接一EMI濾波器。由於該EMI濾波器的存在，開關電路輸入電流的平均值即等於開關電源從電網獲取的電流，即開關電源的輸入電流。對輸入電流連續的開關電路（例如升壓電路）而言，若開關電路輸入電流的峰值跟隨開關電路的輸入電壓，則開關電源輸入電流的波形為正弦波，且與電網電壓同相。因而開關電源的功率因數高且諧波分量小。但是，對於輸入電流不連續的降壓電路而言，情況卻並非如此。 第1圖和第2圖為現有的輸入電流不連續的降壓電路的波形圖，其中I_in為降壓電路的輸入電流，I_pk為降壓電路輸入電流的峰值，CTRL為降壓電路中開關管的控制信號，I_ave為降壓電路的輸入平均電流。由圖可知，當降壓電路輸入電流峰值I_pk的波形為正弦波時，其輸入電流的平均值I_ave，即降壓開關電源輸入電流的波形並非為正弦。因而降壓開關電源輸入電流的諧波分量大、諧波畸變率（total harmonic distortion，THD）高，開關電源的功率因數受到不利影響。

本發明的目的是提供一種低電流諧波畸變率、高功率因數的降壓開關電源及其控制方法。根據本發明的實施例，一種降壓開關電源，包括：降壓電路，包括開關管和儲能元件，隨著所述開關管的導通和關斷，所述儲能元件儲存和輸出能量；輸入電壓採樣電路，電耦接至所述降壓電路的輸入端，採樣所述降壓電路的輸入電壓，並產生輸入電壓採樣信號；電流採樣電路，電耦接至開關管，採樣流過所述開關管的電流，並產生電流採樣信號；平方電路，電耦接至所述輸入電壓採樣電路以接收輸入電壓採樣信號，並對其進行平方運算產生第一乘法輸入信號；乘法電路，電耦接至所述平方電路，將第一乘法輸入信號與第二乘法輸入信號相乘，並產生乘積信號；第一比較電路，電耦接至所述電流採樣電路和所述乘法電路，將電流採樣信號與乘積信號進行比較；以及邏輯電路，電耦接至所述開關管的柵極和所述第一比較電路，在電流採樣信號大於或大於等於乘積信號時，將所述開關管關斷。根據本發明的另一實施例，一種降壓開關電源的控制方法，該降壓開關電源包括降壓電路，降壓電路包括開關管和電耦接至所述開關管的儲能元件，隨著所述開關管的導通和關斷，所述儲能元件儲存和輸出能量，該控制方法包括：採樣所述降壓電路的輸入電壓，並產生輸入電壓採樣信號；採樣流過所述開關管的電流，並產生電流採樣信號；通過將輸入電壓採樣信號平方來產生第一乘法輸入信號；將第一乘法輸入信號與第二乘法輸入信號相乘，產生乘積信號；將電流採樣信號與乘積信號進行比較；以及在電流採樣信號大於或大於等於乘積信號時，將所述開關管關斷。 通過對輸入電壓採樣信號進行平方，使降壓電路輸入平均電流的波形跟隨輸入電壓，減小了降壓開關電源輸入電流的諧波分量，降低了THD，並提高了降壓開關電源的功率因數。

下面將詳細描述本發明的具體實施例，應當注意，這裡描述的實施例只用於舉例說明，並不用於限制本發明。在以下描述中，為了提供對本發明的透徹理解，闡述了大量特定細節。然而，對於本領域普通技術人員顯而易見的是：不必採用這些特定細節來實行本發明。在其他實例中，為了避免混淆本發明，未具體描述公知的電路、材料或方法。 在整個說明書中，對“一個實施例”、“實施例”、“一個示例”或“示例”的提及意味著：結合該實施例或示例描述的特定特徵、結構或特性被包含在本發明至少一個實施例中。因此，在整個說明書的各個地方出現的短語“在一個實施例中”、“在實施例中”、“一個示例”或“示例”不一定都指同一實施例或示例。此外，可以以任何適當的組合和/或子組合將特定的特徵、結構或特性組合在一個或多個實施例或示例中。此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，並且附圖不一定是按比例繪製的。應當理解，當稱元件“連接到”或“耦接到”另一元件時，它可以是直接連接或耦接到另一元件或者可以存在中間元件。相反，當稱元件“直接連接到”或“直接耦接到”另一元件時，不存在中間元件。相同的附圖標記指示相同的元件。這裡使用的術語“和/或”包括一個或多個相關列出的專案的任何和所有組合。 第3圖為根據本發明一實施例的降壓開關電源300的框圖，包括降壓電路（BUCK）301、輸入電壓採樣電路302、電流採樣電路303和控制電路。降壓電路301包括開關管和儲能元件,通過整流橋（未示出）從電網獲取電能。儲能元件電耦接至開關管，隨著開關管的導通和關斷，儲能元件儲存和輸出能量。降壓電路301的基本拓撲結構為本領域技術人員所公知，為簡便起見，在此不再贅述。降壓電路301中的開關管可以是任何可控半導體開關裝置，例如金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）或絕緣柵雙極電晶體（IGBT）等。 輸入電壓採樣電路302電耦接至降壓電路301的輸入端，採樣降壓電路的輸入電壓V_in，並產生輸入電壓採樣信號VIN_sense。電流採樣電路303電耦接至降壓電路301中的開關管，採樣流過開關管的電流，並產生電流採樣信號I_sense。 控制電路電耦接至降壓電路301中開關管的柵極，產生控制信號CTRL以控制開關管的導通與關斷。控制電路包括平方電路305、乘法電路306、比較電路307和邏輯電路304。平方電路305電耦接至輸入電壓採樣電路302，對輸入電壓採樣信號VIN_sense進行平方來產生第一乘法輸入信號MULT。乘法電路306電耦接至平方電路305，將第一乘法輸入信號MULT與第二乘法輸入信號相乘，並產生乘積信號MULO。比較電路307電耦接至電流採樣電路303和乘法電路306，將電流採樣信號I_sense與乘積信號MULO進行比較。邏輯電路304電耦接至開關管的柵極和比較電路307，在電流採樣信號I_sense大於或大於等於乘積信號MULO時，將開關管關斷。在一個實施例中，第二乘法輸入信號為與降壓電路301的輸出電壓、輸出電流或輸出功率相關的補償信號COMP。  降壓電路301可工作在電流連續模式、電流斷續模式或電流臨界連續模式。在一個實施例中，邏輯電路304在流過儲能元件的電流減小至零時，將開關管導通，從而使降壓電路301工作在電流臨界連續模式。該電流的過零檢測可通過監測開關管兩端的電壓來實現，也可以其他合適的方式來實現。 在本發明的實施例中，對輸入電壓採樣信號VIN_sense進行平方來產生第一乘法輸入信號MULT，並通過該第一乘法輸入信號MULT調節流過開關管電流的峰值，使降壓電路的輸入平均電流跟隨輸入電壓。即降壓電路輸入平均電流的波形與輸入電壓V_in的波形一樣，均為整流後的正弦波（饅頭波），且二者同相。因而減小了降壓開關電源輸入電流的諧波分量，降低了THD，並提高了功率因數。 在一個實施例中，降壓開關電源300還包括峰值採樣電路309和誤差放大器308。峰值採樣電路309耦接到電流採樣電路303，對電流採樣信號I_sense的峰值進行採樣，輸出代表流過開關管峰值電流的峰值採樣信號I_pk。誤差放大器308將該峰值採樣信號I_pk與一參考電壓V_ref進行比較來產生COMP信號。在另一實施例中，COMP信號還可以被疊加其他的信號，例如斜坡信號、直流信號等。 第4圖為根據本發明一實施例的降壓開關電源400的示意性電路圖，該降壓開關電源用於驅動發光二極體串，包括EMI濾波器、整流橋、降壓電路、輸入電壓採樣電路402、電流採樣電路403、平方電路405、乘法電路406、第一比較電路407、誤差放大器408、峰值採樣電路409、過零檢測電路410、第二比較電路411和邏輯電路404。降壓電路包括輸入電容器C_in、變壓器T1、開關管S1、二極體D1和輸出電容器C_out。 整流橋通過EMI濾波器從電網接收交流電壓V_ac，並將其轉換為不控直流電壓V_in。輸入電容器C_in並聯至整流橋的輸出端。輸入電容器C_in的第一端電耦接至二極體D1的陰極和輸出電容器C_out的第一端，輸入電容器C_in的第二端接地。變壓器T1具有初級繞組和次級繞組，其中初級繞組的第一端電耦接至輸出電容器C_out的第二端。開關管S1為NMOS（n型MOSFET），其漏極電耦接至變壓器T1初級繞組的第二端和二極體D1的陽極，源極耦接至地。發光二極體串並聯連接在輸出電容C_out兩端。在一個實施例中，二極體D1由同步整流管代替。 輸入電壓採樣電路402包括由電阻器R1和R2組成的電阻分壓器，電耦接至降壓電路的輸入端，採樣降壓電路的輸入電壓V_in，並產生輸入電壓採樣信號VIN_sense。電流採樣電路403包括電阻器R4，電耦接在開關管S1的源極和地之間，採樣流過開關管S1的電流，並產生電流採樣信號I_sense。 平方電路405電耦接至輸入電壓採樣電路402以接收輸入電壓採樣信號VIN_sense，並對輸入電壓採樣信號VIN_sense進行平方來產生第一乘法輸入信號MULT。乘法電路406電耦接至平方電路405，將第一乘法輸入信號MULT與第二乘法輸入信號相乘，並產生乘積信號MULO。峰值採樣電路409電耦接至電流採樣電路403，接收電流採樣信號I_sense，對電流採樣信號I_sense的峰值進行採樣，輸出代表流過開關管峰值電流的峰值採樣信號I_pk。誤差放大器408的同相輸入端接收參考信號V_ref，反相輸入端電耦接至峰值採樣電路409以接收峰值採樣信號I_pk，輸出端提供用作第二乘法輸入信號的補償信號COMP。乘法電路406電耦接誤差放大器408的輸出端和平方電路405，將補償信號COMP與第一乘法輸入信號MULT的平方相乘，產生乘積信號MULO。 第一比較電路407電耦接至電流採樣電路403和乘法電路406，將電流採樣信號I_sense與乘積信號MULO進行比較。過零檢測電路410包括由電阻器R5和R6組成的電阻分壓器，電耦接至變壓器T1的次級繞組，產生過零檢測信號ZCD。第二比較電路411電耦接至過零檢測電路410，將過零檢測信號ZCD與閥值V_th進行比較。邏輯電路404電耦接至第一比較電路407和第二比較電路411，在電流採樣信號I_sense大於或大於等於乘積信號MULO時，將開關管S1關斷，在過零檢測信號ZCD小於或小於等於閥值V_th時，將開關管S1導通。 在一個實施例中，第一比較電路407包括比較器COM1，其同相輸入端電耦接至電流採樣電路403以接收電流採樣信號I_sense，反相輸入端電耦接至乘法電路406以接收乘積信號MULO。第二比較電路411包括比較器COM2，其同相輸入端接收閥值V_th，反相輸入端電耦接至過零檢測電路410以接收過零檢測信號ZCD。邏輯電路404包括RS觸發器FF。觸發器FF的復位端電耦接至比較器COM1的輸出端，置位端電耦接至比較器COM2的輸出端，輸出端電耦接至開關管S1的柵極。 當開關管S1導通時，變壓器T1儲存能量，流過開關管S1的電流逐漸增大，電流採樣信號I_sense也逐漸增大。此時過零檢測信號ZCD小於零，比較器COM2輸出高電平。當電流採樣信號I_sense增大至大於乘積信號MULO時，比較器COM1輸出高電平，將觸發器FF重定，從而使開關管S1關斷。 當開關管S1關斷，流過開關管S1的電流等於零，電流採樣信號I_sense也等於零，比較器COM1輸出低電平。在開關管S1關斷時，變壓器T1中儲存的能量通過二極體D1被傳送至負載——發光二極體。此時過零檢測信號ZCD大於零且大於閥值V_th，比較器COM2輸出低電平。在變壓器T1中儲存的能量被全部傳送至負載後，變壓器T1的勵磁電感和開關管S1的寄生電容產生諧振。當開關管S1的端電壓諧振至谷底，即過零檢測信號ZCD減小至小於閥值V_th時，比較器COM2輸出高電平，將觸發器FF置位元，從而使開關管S1導通。 第5圖示出了根據本發明實施例的峰值採樣電路409的示意電路圖。如第10圖所示，峰值採樣電路409包括：二極體D2、電阻器R7、電阻器R8和電容器C。二極體D2的陽極耦接至電流採樣電路以接收電流採樣信號I-_sense。電阻器R7的一端耦接到二極體D2的陰極。電阻器R8的一端耦接到電阻器R7的另一端，電阻器R8的另一端接地。電容器C的一端耦接到電阻器R7和電阻器R8之間的節點，電容器C的另一端接地。這樣，電流採樣信號I_sense的峰值被採樣，從而產生代表流過開關管峰值電流的峰值採樣信號I_pk，用來控制開關管S1，以將流過發光二極體的電流調節至期望值。 第6圖為根據本發明一實施例的降壓開關電源控制方法的流程圖，該開關電源包括整流橋和降壓電路。降壓電路包括開關管和電耦接至開關管的儲能元件，隨著開關管的導通和關斷，儲能元件儲存和輸出能量。該控制方法包括步驟601~606。 在步驟601，採樣降壓電路的輸入電壓，並產生輸入電壓採樣信號。 在步驟602，採樣流過開關管的電流，並產生電流採樣信號。 在步驟603，對輸入電壓採樣信號進行平方，產生第一乘法輸入信號。 在步驟604，將第一乘法輸入信號與第二乘法輸入信號相乘，產生乘積信號。在一個實施例中，第二乘法輸入信號為與降壓電路的輸出電壓、輸出電流或輸出功率相關的補償信號。 在步驟605，將電流採樣信號與乘積信號進行比較。 在步驟606，在電流採樣信號大於或大於等於乘積信號時，將開關管關斷。 在一個實施例中，該控制方法還包括：在流過儲能元件的電流減小至零時，將開關管導通。 雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由於本發明能夠以多種形式具體實施而不脫離發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限於任何前述的細節，而應在隨附申請專利範圍所限定的精神和範圍內廣泛地解釋，因此落入申請專利範圍或其等效範圍內的全部變化和改型都應為隨附申請專利範圍所涵蓋。

300．．．降壓開關電源

301、BUCK．．．降壓電路

302、402．．．輸入電壓採樣電路

303、403．．．電流採樣電路

304、404．．．邏輯電路

305、405．．．平方電路

306、406．．．乘法電路

307、407、411．．．比較電路

308、408．．．誤差放大器

309、409．．．峰值採樣電路

402．．．輸入電壓採樣電路

410．．．過零檢測電路

C．．．電容器

C_in．．．輸入電容器

COM1、COM．．．比較器

COMP．．．補債信號

C_out．．．輸出電容器

CTRL．．．控制信號

D1、D2．．．二極體

EMI．．．濾波器

FF．．．觸發器

I_ave．．．輸入平均電流

I_in．．．輸入電流

I_pk．．．峰值採樣信號

I_sense．．．電流採樣信號

MULO．．．乘積信號

MULT．．．乘法輸入信號

R1、R2、R4、R5、R6、R7、R8．．．電阻器

S1．．．開關管

T1．．．變壓器

V_ac．．．交流電壓

V_in．．．輸入電壓

VIN_sense．．．輸入電壓採樣信號

V_ref．．．參考電壓

ZCD．．．零檢測信號

第1圖和第2圖為現有的輸入電流不連續的降壓電路的波形圖； 第3圖為根據本發明一實施例的降壓開關電源300的框圖； 第4圖為根據本發明一實施例的降壓開關電源400的電路圖； 第5圖為根據本發明一實施例的峰值採樣電路409的電路圖； 第6圖為根據本發明一實施例的降壓開關電源控制方法的流程圖。

300．．．降壓開關電源

301、BUCK．．．降壓電路

302．．．輸入電壓採樣電路

303．．．電流採樣電路

304．．．邏輯電路

305．．．平方電路

306．．．乘法電路

307．．．比較電路

308．．．誤差放大器

309．．．峰值採樣電路

COMP．．．補償信號

CTRL．．．控制信號

I_pk．．．峰值採樣信號

I_sense．．．電流採樣信號

MULO．．．乘積信號

MULT．．．乘法輸入信號

V_ref．．．參考電壓

VIN_sense．．．輸入電壓採樣信號

Claims (12)

1. 一種降壓開關電源，包括： 降壓電路，包括開關管和儲能元件，隨著所述開關管的導通和關斷，所述儲能元件儲存和輸出能量； 輸入電壓採樣電路，電耦接至所述降壓電路的輸入端，採樣所述降壓電路的輸入電壓，並產生輸入電壓採樣信號； 電流採樣電路，電耦接至所述開關管，採樣流過所述開關管的電流，並產生電流採樣信號； 平方電路，電耦接至所述輸入電壓採樣電路以接收輸入電壓採樣信號，並對其進行平方運算產生第一乘法輸入信號； 乘法電路，電耦接至所述平方電路，將第一乘法輸入信號與第二乘法輸入信號相乘，並產生乘積信號； 第一比較電路，電耦接至所述電流採樣電路和所述乘法電路，將電流採樣信號與乘積信號進行比較；以及 邏輯電路，電耦接至所述開關管的柵極和第一比較電路，在電流採樣信號大於或大於等於乘積信號時，將所述開關管關斷。
2. 如申請專利範圍第1項所述的降壓開關電源，其中所述邏輯電路在流過所述儲能元件的電流減小至零時，將所述開關管導通。
3. 如申請專利範圍第1項所述的降壓開關電源，其中所述第二乘法輸入信號為與所述降壓電路的輸出電壓、輸出電流或輸出功率相關的補償信號。
4. 如申請專利範圍第3項所述的降壓開關電源，還包括： 峰值採樣電路，電耦接至所述電流採樣電路，對電流採樣信號的峰值進行採樣，輸出代表流過所述開關管峰值電流的峰值採樣信號； 誤差放大器，電耦接至所述峰值採樣電路，接收所述峰值採樣信號和一參考電壓，並基於所述峰值採樣信號與所述參考電壓產生所述補償信號。
5. 如申請專利範圍第4項所述的降壓開關電源，其中所述峰值採樣電路包括： 第一二極體，陽極電耦接至所述電流採樣電路以接收電流採樣信號； 第一電阻器，所述第一電阻器的一端電耦接到所述第一二極體的陰極； 第二電阻器，所述第二電阻器的一端電耦接到所述第一電阻器的另一端，所述第二電阻器的另一端接地； 電容器，所述電容器的一端電耦接到所述第一電阻器和所述第二電阻器之間的節點，所述電容器的另一端接地。
6. 如申請專利範圍第1項所述的降壓開關電源，還包括： 過零檢測電路，具有輸入端和輸出端，其中輸入端電耦接到所述儲能元件，在輸出端產生過零檢測信號； 第二比較電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端電耦接到所述過零檢測電路的輸出端，第二輸入端接收閥值信號，輸出端耦接到所述邏輯電路，對過零檢測信號和閥值信號進行比較，在輸出端輸出比較結果。
7. 如申請專利範圍第6項所述的降壓開關電源，其中，所述過零檢測電路具體為分壓電路，輸入端從所述儲能元件接收一電壓，在輸出端輸出分壓後的電壓作為過零檢測信號。
8. 如申請專利範圍第1項所述的降壓開關電源，其中所述儲能元件具體為變壓器，所述降壓電路還包括：輸入電容器、第二二極體和輸出電容器，其中輸入電容器的第一端電耦接至第二二極體的陰極和輸出電容器的第一端，輸入電容器的第二端接地；變壓器具有初級繞組和次級繞組，其中初級繞組的第一端電耦接至輸出電容器的第二端，所述開關管的柵極接收控制信號，所述開關管的一端電耦接至變壓器的初級繞組的第二端和二極體的陽極，所述開關管的另一端耦接至地。
9. 如申請專利範圍第1項所述的降壓開關電源，其中所述儲能元件具體為變壓器，所述降壓電路還包括：輸入電容器、第二二極體和輸出電容器，其中輸入電容器的第一端電耦接至第二二極體的陰極和輸出電容器的第一端，輸入電容器的第二端接地；變壓器具有初級繞組和次級繞組，其中初級繞組的第一端電耦接至輸出電容器的第二端，所述開關管的柵極接收控制信號，所述開關管的一端電耦接至變壓器的初級繞組的第二端和二極體的陽極，所述開關管的另一端耦接至地。 採樣所述降壓電路的輸入電壓，並產生輸入電壓採樣信號； 採樣流過所述開關管的電流，並產生電流採樣信號； 通過將輸入電壓採樣信號平方來產生第一乘法輸入信號； 將第一乘法輸入信號與第二乘法輸入信號相乘，產生乘積信號； 將電流採樣信號與乘積信號進行比較；以及 在電流採樣信號大於或大於等於乘積信號時，將所述開關管關斷。
10. 如申請專利範圍第9項所述的控制方法，還包括：在流過所述儲能元件的電流減小至零時，將所述開關管導通。
11. 如申請專利範圍第9項所述的控制方法，其中所述第二乘法輸入信號為與降壓電路的輸出電壓、輸出電流或輸出功率相關的補償信號。
12. 如申請專利範圍第11項所述的控制方法，還包括： 對電流採樣信號的峰值進行採樣，產生代表流過所述開關管峰值電流的峰值採樣信號； 基於所述峰值採樣信號與一參考電壓產生所述補償信號。