开关电源的控制电路和方法技术

本公开的实施例涉及开关电源的控制电路和方法。一种控制电路被配置为控制功率因数校正(PFC)预调节器，PFC预调节器包括功率开关并且被配置为以转变操作模式和谷值跳过操作模式操作。控制电路基于电流阈值生成驱动信号来控制功率开关的切换。控制电路中的电流阈值发生器被配置为根据在谷值跳过操作模式下被跳过的谷值的数目来调制电流阈值。

【技术实现步骤摘要】
开关电源的控制电路和方法
本公开涉及一种开关电源的控制电路。
技术介绍
通常已知使用用于主动校正在通用电子装置(诸如计算机、电视、显示器等)中使用的开关电源的功率因数(称为功率因数校正(PFC))并且向荧光灯供应电力的器件，即从电力线吸收电流的开关预调节器，该电流是准正弦的并且与电源电压非反相。因此，这种类型的开关电源包括PFC电路和连接到PFC电路的输出的直流-直流(DC-DC)转换器。典型的开关电源包括DC-DC转换器和连接到配电线的输入级或电路(通常为PFC电路)。PFC电路包括全波二极管整流桥和连接在下游以便根据正弦交流电源电压产生未调节的直流电压的电容器。电容器具有足够大的电容，使得与直流或恒定电压水平相比，在其端子处存在相对较小的纹波(ripple)。因此，整流桥的二极管将仅在电源电压的每个半周期的一小部分内导通(conduct)，因为电源电压的瞬时值在电源电压的每个半周期的大部分内都小于电容器的电压。结果是从电力线吸收的电流由一系列短脉冲组成，每个这样的电流脉冲的幅度约为所得到的平均输入电流值的5-10倍。这会产生重大后果。首先，从电力线吸收的电流的峰值和RMS(均方根)值远高于正弦电流吸收的情况。结果，由于连接到电力线的所有公用设施的几乎同时的脉冲吸收，电力线上的电源电压会失真。另外，在三相电力系统的情况下，中性导体中的电流大大增加，并且由电力系统提供的势能或电力的利用率很低。实际上，由一系列电流脉冲形成的脉冲电流的波形包括很多奇次谐波，尽管这些谐波不会对提供给负载的功率有所贡献，但是有助于增加从电力线吸收的RMS电流并且因此增加了电力线上的能耗。用定量的术语来说，这可以全部用功率因数(PF)和总谐波失真(THD)来表示，PF是有功功率(电源发送给负载的功率加上以热量形式在其中耗散的功率)与视在功率(RMS电压与所吸收的RMS电流的乘积)之比，THD通常是指与所有较大谐波相关联的能量相对于与基本谐波相关联的能量的百分比。通常，带有电容过滤器的电源的PF在0.4到0.6之间，THD高于100％。PFC电路(本文中称为PFC预调节器)被布置在整流桥与DC-DC转换器的输入之间，以允许从电源线吸收与电源电压非反相的准正弦电流，从而使PF接近1并且降低了THD。图1示意性地示出了包括升压转换器19和脉冲宽度调制(PWM)控制器或控制电路1的PFC预调节器。PWM控制电路1具有可变频率，也称为“转变模式”(TM)，因为器件(device)工作在操作的连续导通模式(CCM)与不连续导通模式(DCM)之间的边界线上，其中这些模式中的每个模式是指通过升压转换器19的电感器L的电流IL的特性。特别地，控制电路1是恒定导通持续时间(COT)类型的，其中导通持续时间(on-time)被表示为TON并且对应于升压转换器19的每个切换周期的功率晶体管M的导通时段。根据COT控制方法，功率晶体管M的导通时段或时间TON被用作控制变量，并且在交流输入电源电压Vac的每个周期内，导通时间保持恒定在适当的值以获得由升压转换器19通过如图1所示的反馈控制回路生成的输出电压Vout的期望调节。升压拓扑是PFC预调节器最常见的拓扑，并且因此本文中作为示例进行描述。升压转换器19包括：接收输入电源电压Vac的全波二极管整流桥2；用作高频过滤器的输入电容器C1，其一个端子被连接到二极管桥2并且另一端子被连接到参考电压节点，该参考电压节点在图1中被标记为地GND。跨输入电容器C1供应电压Vin。电感器L被连接到输入电容器C1的一个端子，MOS功率晶体管M的漏极端子被连接到如图1所示的电感下游的电感器L的一个端子，并且MOS功率晶体管M的源极端子被连接到地GND。升压二极管D的阳极被连接到电感器L和晶体管M的公共端子，升压二极管D的阴极被连接到升压或输出节点OUTN，该升压或输出节点OUTN具有连接在输出节点与地GND之间的输出电容器Co。升压转换器19跨输出电容器Co生成输出电压Vout，该输出电压Vout是DC电压。输出电压Vout的幅度高于电源电压Vin的峰值，对于由欧洲电力线或通用电力线供电的系统而言，通常为400V。输出电压Vout将被提供作为被连接到PFC预调节器的DC-DC转换器(图1中未示出)的输入电压。控制电路1应当通过反馈控制回路将输出电压Vout保持为恒定值。控制电路1包括运算误差放大器3，该运算误差放大器3适于比较输出电压Vout的分压值，即，由Vr＝R2×Vout/(R2+R1)给出的电压Vr，其中电阻R1和R2彼此串联连接并且与输出电容器Co并联连接。误差放大器3在一个输入上接收例如值为2.5V的参考电压Vref，并且跨连接在误差放大器3的输出与地GND之间的电容器Ce生成输出误差信号Se。误差信号Se被提供给PWM比较器5的反相输入，而信号Srs在PWM比较器5的非反相输入处被供应。信号Srs是在跨由电流发生器Ic供电的电容器Cc耦合的开关T1断开的时间段内，跨电容器Cc生成的电压斜坡，该时间段与功率晶体管M导通的时间段相一致。斜坡信号Srs控制功率晶体管M导通的持续时间TON。当PWM比较器5的输入处的信号Srs和Se相等时，PWM比较器将信号提供给控制电路或块6，该控制电路或块6适于控制功率晶体管M的激活和停用并且在这种情况下截止功率晶体管。控制块6包括零电流检测(ZCD)块7，该ZCD块7的输入接收由与电感器L磁耦合的电感器Laux提供的辅助信号Saux。信号Saux表示由如图1所示的电感器L和Laux形成的变压器的铁芯的去磁。ZCD块7向“或”门8的一个输入提供脉冲信号，该“或”门8的另一输入被连接到启动器电路10，该启动器电路10在升压转换器19的初始加电时刻向“或”门8提供有源信号。“或”门8向具有由比较器5提供的复位输入R的置位复位(SR)触发器11的置位输入S提供输出信号S。SR触发器生成输出信号Q和与信号Q相反或互补的取反的输出信号Q'。信号Q被提供给驱动器12的输入，驱动器12响应于信号Q来提供驱动信号以控制功率晶体管M的导通和截止。因此，驱动器12响应于信号Q而生成驱动信号以控制开关M的导通和截止，其中驱动信号是有效的以控制功率开关M的导通时间段TON的持续时间，并且驱动信号在升压转换器19的每个切换周期Tsw中在截止时间段TOFF期间是无效的。由SR触发器11生成的信号Q'控制跨电容器Cc耦合的开关T1的闭合和断开。当信号Q是有效的以导通功率开关M时，信号Q'是无效的并且开关T1断开，从而允许电流发生器提供电流Ic以对电容器Cc充电并且跨该电容器生成电压Srs。相比之下，当信号Q是无效的以截止功率开关M时，信号Q'是有效的，从而闭合开关T1并且将PWM比较器5的非反相输入驱动到地GND，以防止PWM比较器提供复位信号以复位SR触发器11。图2A和图2B是示出在操作期间在图1的升压转换器19中生成的一些信号的时序图。更具体地，图2A和图2B中的每个示出了晶体管M的栅极端子和源极端子之间的电压Vgs，其对应于由驱动器12提供给晶体管M的栅极驱动电压，如以上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种被配置为控制功率因数校正(PFC)预调节器的控制电路，所述PFC预调节器包括功率开关并且被配置为以转变操作模式和谷值跳过操作模式操作，所述控制电路被配置为基于电流阈值生成驱动信号来控制所述功率开关的切换，并且所述控制电路包括电流阈值发生器，所述电流阈值发生器被配置为根据在所述谷值跳过操作模式下被跳过的谷值的数目来调制所述电流阈值。/n

【技术特征摘要】
20190619 US 16/445,8181.一种被配置为控制功率因数校正(PFC)预调节器的控制电路，所述PFC预调节器包括功率开关并且被配置为以转变操作模式和谷值跳过操作模式操作，所述控制电路被配置为基于电流阈值生成驱动信号来控制所述功率开关的切换，并且所述控制电路包括电流阈值发生器，所述电流阈值发生器被配置为根据在所述谷值跳过操作模式下被跳过的谷值的数目来调制所述电流阈值。


2.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述转变操作模式是所述PFC预调节器的增强型恒定导通时间控制。


3.根据权利要求1所述的控制电路，其中在所述谷值跳过操作模式下被跳过的谷值的所述数目是以下中的一项：一个谷值跳过、两个谷值跳过、三个谷值跳过、以及四个或更多个谷值跳过。


4.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述PFC预调节器被配置为接收交流输入电源电压，并且其中所述控制电路还包括片发生器，所述片发生器被配置为将所述输入电源电压的半周期划分为相等的时间片并且为所述时间片中的每个时间片分配编号，并且其中所述电流阈值发生器从所述片发生器接收当前时间片的编号并且还被配置为基于所述当前时间片的所述编号来调制所述电流阈值。


5.根据权利要求4所述的控制电路，其中所述控制电路还包括有限状态机，所述有限状态机被配置为生成所述驱动信号以控制所述功率开关的截止和导通。


6.根据权利要求1所述的控制电路，其中：
其中所述PFC预调节器包括被耦合到所述功率开关的电感元件；
其中所述控制电路包括：
电流感测比较器，包括第一输入和第二输入，所述第一输入被耦合到电流感测节点以接收指示通过所述电感元件的电流的电流感测信号，所述第二输入被耦合到所述电流阈值发生器以接收所述电流阈值；以及
零电流检测节点，被配置为提供指示通过所述电感元件的所述电流的零电流状态的信号；并且
其中所述电流阈值发生器包括：
二极管，具有被耦合到所述零电流检测节点的阴极；以及
多个开关和多个电阻器，所述多个开关中的每个开关与所述多个电阻器中的相应电阻器被串联耦合在所述二极管的阳极与所述电流感测节点之间，其中所述多个开关中的一个开关基于所述被跳过的谷值的数目而被激活。


7.根据权利要求1所述的控制电路，
其中所述PFC预调节器包括被耦合到所述功率开关的电感元件；
其中所述控制电路包括：
电流感测比较器，包括第一输入和第二输入，所述第一输入被耦合到电流感测节点以接收指示通过所述电感元件的电流的电流感测信号，所述第二输入被耦合到所述电流阈值发生器以接收所述电流阈值；并且
其中所述电流阈值发生器包括：
多个电流阈值电压节点，每个电流阈值电压节点被配置为接收相应的电流阈值电压；以及
多个开关，所述多个开关中的每个开关被耦合在所述多个电流阈值电压节点中的对应电流阈值电压节点与所述第二输入之间，其中所述多个开关中的一个开关基于所述被跳过的谷值的数目而被激活。


8.根据权利要求1所述的控制电路，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·斯卡帕图拉，A·比安科，F·西亚帕，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT