開關(guān)電源設(shè)備、開關(guān)電源控制方法和電子裝置制造方法

開關(guān)電源設(shè)備、開關(guān)電源控制方法和電子裝置制造方法
【專利摘要】提供一種臨界模式的開關(guān)電源設(shè)備，包括檢測負(fù)載的負(fù)載檢測部。當(dāng)檢測到的負(fù)載比設(shè)定值輕時(shí)，逐級(jí)降低開關(guān)頻率的上限。
【專利說明】開關(guān)電源設(shè)備、開關(guān)電源控制方法和電子裝置
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2013年6月10日提出的日本優(yōu)先權(quán)專利申請(qǐng)JP2013-121528的優(yōu)先權(quán),通過引用將其全部內(nèi)容結(jié)合于本文中。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及對(duì)交流電整流并生成穩(wěn)定的DC電壓的開關(guān)電源設(shè)備，尤其涉及具有PFC控制電路的開關(guān)電源設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0004]具有PFC(功率因子校正，Power Factor Correct1n)控制IC的開關(guān)電源設(shè)備可以通過校正功率因子來抑制諧波的生成。作為這一類型的開關(guān)電源設(shè)備，提出一種配置(日本未審專利申請(qǐng)公開N0.2011-019323,2011-229255和2012-090515中公開的電源設(shè)備)，其中根據(jù)負(fù)載的狀態(tài)控制開關(guān)元件的開關(guān)頻率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]日本未審專利申請(qǐng)公開N0.2011-019323公開了一種電源設(shè)備，其中頻率在兩級(jí)(stages)中切換。在這種情況中，頻率的較大變化會(huì)導(dǎo)致開關(guān)期間的操作不穩(wěn)定，因此存在頻率不能被大幅改變的問題。
[0006]日本未審專利申請(qǐng)公開N0.2011-229255公開了一種技術(shù)，其中通過利用反饋電壓檢測輕負(fù)載(light load)來控制頻率。一般來說，當(dāng)利用反饋電壓執(zhí)行PWM(脈寬調(diào)制，Pulse Width Modulat1n)控制時(shí)，利用相同反饋電壓的PFM(脈沖頻率調(diào)制,PulseFrequency Modulat1n)控制的中斷在操作算法方面十分復(fù)雜,且不易于實(shí)現(xiàn)。
[0007]日本未審專利申請(qǐng)公開N0.2012-090515公開了一種技術(shù)，其中基于來自下一級(jí)DC-DC轉(zhuǎn)換電路、負(fù)載等的信息確定輕負(fù)載。如此能夠便于控制，但存在需要來自其他電路的信息的問題。
[0008]因此，希望提供一種開關(guān)電源設(shè)備、開關(guān)電源控制方法和電子裝置，能夠在多級(jí)中限制開關(guān)頻率的頻率上限，而不需要來自其他電路的信息。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式,提供一種臨界模式(critical mode)的開關(guān)電源設(shè)備，其中當(dāng)檢測到負(fù)載且所檢測的負(fù)載比設(shè)定值輕時(shí)，逐級(jí)(st印wise)降低開關(guān)頻率的上限。
[0010]在該實(shí)施方式中，開關(guān)電源設(shè)備可進(jìn)一步包括:線圈和半導(dǎo)體開關(guān)元件的串聯(lián)電路；整流電路，連接至半導(dǎo)體開關(guān)元件，其中提取輸出；以及脈沖發(fā)生器，所述脈沖發(fā)生器生成用于開關(guān)(switching)半導(dǎo)體開關(guān)元件的脈沖信號(hào)。在正常工作狀態(tài)下，脈沖發(fā)生器生成脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)在流到整流電路的電流為零的時(shí)刻被改變?yōu)橛糜诖蜷_(turningon)半導(dǎo)體開關(guān)元件的電平，并且在對(duì)應(yīng)于輸出電壓的反饋電壓的時(shí)刻被改變?yōu)橛糜陉P(guān)閉(turning off)半導(dǎo)體開關(guān)元件的電平，且當(dāng)負(fù)載輕于設(shè)定值時(shí)，沿使得脈沖信號(hào)的頻率上限逐級(jí)降低的方向控制脈沖發(fā)生器。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，在臨界模式的開關(guān)電源設(shè)備中，通過降低輕負(fù)載時(shí)的開關(guān)頻率，可以提高輕負(fù)載時(shí)的效率。此外，由于頻率上限是逐級(jí)切換的，因此可以在較大范圍內(nèi)提高效率,并且可以大幅改變頻率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為示出現(xiàn)有技術(shù)中的臨界模式系統(tǒng)的開關(guān)電源設(shè)備的示例的連接圖；
[0013]圖2為示出現(xiàn)有技術(shù)中的開關(guān)電源設(shè)備的各部分的波形的波形圖；
[0014]圖3為示出開關(guān)電源設(shè)備的參考示例的連接圖；
[0015]圖4為本發(fā)明第一實(shí)施方式的連接圖；
[0016]圖5為示出按照本發(fā)明第一實(shí)施方式的脈沖發(fā)生器的示例的框圖；
[0017]圖6為示出按照本發(fā)明第一實(shí)施方式的附加電路的示例的框圖；
[0018]圖7為示出按照本發(fā)明第一實(shí)施方式的附加電路的另一示例的框圖；
[0019]圖8為示出用于解釋按照本發(fā)明第一實(shí)施方式的狀態(tài)切換控制的狀態(tài)變換的示意圖；
[0020]圖9為用于解釋按照本發(fā)明第一實(shí)施方式的狀態(tài)切換控制的示意圖；
[0021]圖10為用于解釋按照本發(fā)明第一實(shí)施方式設(shè)定閾值滯后寬度(hysteresiswidth)的示意圖；
[0022]圖11為用于解釋按照本發(fā)明第一實(shí)施方式設(shè)定閾值滯后寬度的示意圖；
[0023]圖12為用于解釋按照本發(fā)明第一實(shí)施方式的效率提高的示意圖；
[0024]圖13為本發(fā)明第二實(shí)施方式的連接圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025]如下文所描述的實(shí)施方式是本發(fā)明的優(yōu)選特定示例，其上應(yīng)用了技術(shù)上優(yōu)選的多種限定。但是，在下面的描述中，除非存在特別限定本發(fā)明的聲明，否則本發(fā)明的范圍并不僅限于這些實(shí)施方式。
[0026]下面的描述將按照如下順序進(jìn)行。
[0027]1.電源設(shè)備的參考示例
[0028]2.第一實(shí)施方式
[0029]3.第二實(shí)施方式
[0030]4.應(yīng)用示例
[0031]5.修改示例
[0032]1.電源設(shè)備的參考示例
[0033]下面將參考圖1至3來描述臨界模式的PFC電路。臨界模式，即利用扼流線圈(choke coil)中的次級(jí)繞組對(duì)流經(jīng)整流二極管的電流執(zhí)行零檢測，并在電流為零時(shí)打開半導(dǎo)體開關(guān)元件。在電流降至零之前打開半導(dǎo)體開關(guān)元件的控制系統(tǒng)被稱為處于連續(xù)模式。橋式整流電路(bridge rectifier circuit) BD和平滑電容Ci對(duì)AC電源(商用電源)Vac的AC電壓進(jìn)行整流，并將全波整流電壓提供給平滑電容Ci。輸入(DC)電壓Vin被輸出至平滑電容Ci的兩端。
[0034]橋式整流電路BD的一個(gè)輸出端(非接地側(cè))連接至扼流線圈LI的一端，扼流線圈LI的另一端經(jīng)二極管Dl連接至一個(gè)輸出端。半導(dǎo)體開關(guān)元件(例如FET (場效應(yīng)晶體管,Field Effect Transistor))Ql的漏極和源極連接在扼流線圈LI的另一端與二極管Dl的連接點(diǎn)以及另一輸出端之間。舉例來說，F(xiàn)ET Ql是N通道FET Ql0 FET Ql的源極(另一輸出端)接地。寄生二極管(parasitic d1de)位于FET Ql的漏極和源極之間。由驅(qū)動(dòng)器I形成的驅(qū)動(dòng)脈沖被提供給FET Ql的柵極。
[0035]FET Ql的漏極經(jīng)二極管Dl正向連接至電容Co的一端。電容Co的另一端接地。在電容Co的兩端均產(chǎn)生輸出電壓Vout。輸出電壓Vout被施加到負(fù)載2。
[0036]脈沖發(fā)生器3中產(chǎn)生的脈沖信號(hào)被提供給驅(qū)動(dòng)器I。例如，脈沖發(fā)生器3中包括雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器、比較器等。提供零檢測器4的輸出脈沖以作為雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的設(shè)定輸入。利用與扼流線圈LI電磁耦合的檢測線圈L2的電流，在扼流線圈電流降至零的時(shí)刻，零檢測器4產(chǎn)生脈沖。
[0037]提供與電壓放大器5的輸出對(duì)應(yīng)的定時(shí)脈沖,作為脈沖發(fā)生器3的雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的重置輸入。通過利用電阻6和7對(duì)輸出電壓Vout分壓而獲得的電壓被提供給電壓放大器5的一個(gè)輸入端,來自參考電壓源8的固定電壓(fixed voltage)被提供給電壓放大器5的另一輸入端。電壓放大器5輸出電壓,該電壓的值對(duì)應(yīng)于固定電壓和分壓電壓之差。
[0038]在脈沖發(fā)生器3內(nèi)提供斜波(ramp waveform)生成器和比較器。斜波生成器產(chǎn)生與提供至FET Ql的柵極的脈沖信號(hào)同步的鋸齒波狀斜波。斜波和電壓放大器5的輸出電壓被提供給比較器，比較器輸出重置脈沖，該重置脈沖在電壓放大器5的輸出電壓與斜波交叉時(shí)具有時(shí)間邊界(edge)。因此，在電壓放大器5的輸出電壓的電平降低之前，生成該重置脈沖，且生成具有較短高電平周期的脈沖信號(hào)。從雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器輸出的該脈沖信號(hào)被提供給FET Ql的柵極。
[0039]雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器生成的脈沖信號(hào)通過零檢測設(shè)置并被改變?yōu)楦唠娖?，且通過來自比較器的重置脈沖重置并被改變?yōu)榈碗娖健Ｔ撁}沖信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器I被提供給FET Ql的柵極以作為驅(qū)動(dòng)脈沖。舉例來說，F(xiàn)ET Ql是N通道型，并在脈沖信號(hào)的高電平周期被打開。在打開周期，電流流經(jīng)線圈LI和FET Ql。當(dāng)FET Ql被關(guān)閉時(shí)，電流經(jīng)線圈LI和二極管Dl流到電容Co。電容Co的端電壓(terminal voltage)被提取以作為輸出電壓Vout。開關(guān)電源設(shè)備(PFC電路)將整流后的AC輸入電壓升壓，并將升壓后的電壓轉(zhuǎn)換為更高的DC電壓。
[0040]圖2示出了上文所述的電源裝置的各部分的波形。Vin是輸入AC電壓波形，Iin是輸入電流波形。通過PFC控制，電流波形大致上變?yōu)榕c電壓波形相似的正弦曲線，并且功率因子被校正。此外，Vd是FET Ql的漏極電壓。漏極電壓Vd的低電平周期是FET Ql的打開周期，而漏極電壓Vd的高電平周期是FET Ql的關(guān)閉周期。L是流經(jīng)扼流線圈LI的感應(yīng)電流。
[0041]臨界模式的PFC電路的特性存在于檢測到扼流線圈LI的電流IJ拳至零的系統(tǒng)中，并且通過打開半導(dǎo)體開關(guān)元件的FET Ql來執(zhí)行控制，從而使三角波相對(duì)于感應(yīng)電流k的零點(diǎn)連續(xù)出現(xiàn)。由于在臨界模式中，開關(guān)頻率根據(jù)輸入電壓而變化，因此可以認(rèn)為，在一個(gè)AC電壓周期內(nèi)，在高電壓處頻率較低，而低電壓處的頻率較高。此外，半導(dǎo)體開關(guān)元件FET Ql的打開周期由輸出電壓的反饋確定。因此，在輕負(fù)載時(shí)，三角波的峰值電流也會(huì)下降，整體上頻率升高。
[0042]也就是說，由于當(dāng)負(fù)載2較輕時(shí)，輸出電壓Vout (分壓電壓)相對(duì)較高，因此電壓放大器5的輸出電壓下降，且脈沖發(fā)生器3的雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的重置脈沖的生成時(shí)刻變得更早。因此，F(xiàn)ET Ql的打開時(shí)間縮短，峰值電流也下降，整體上頻率升高。另一方面，由于當(dāng)負(fù)載2較重時(shí)，輸出電壓Vout (分壓電壓)相對(duì)較低，因此電壓放大器5的輸出電壓升高，且重置脈沖的生成時(shí)刻延遲。因此，F(xiàn)ET Ql的打開時(shí)間延長，峰值電流升高，整體上頻率下降。
[0043]當(dāng)負(fù)載2較輕時(shí)，F(xiàn)ET Ql的開關(guān)頻率可升高為脈沖發(fā)生器3和驅(qū)動(dòng)器I的工作極限頻率。結(jié)果，導(dǎo)致FET Ql中出現(xiàn)很大的開關(guān)損耗，效率劣化。在使用例如IGBT(絕緣柵雙極型晶體管，Insulated Gate Bipolar Transistors)而不使用FET作為半導(dǎo)體開關(guān)元件的情況中，結(jié)果也是相同的。
[0044]通過檢測輕負(fù)載并降低半導(dǎo)體開關(guān)元件的開關(guān)頻率，可以改善效率。由于在臨界模式的開關(guān)電源設(shè)備的情形中不包括振蕩器，因此需要增加可變頻率振蕩器。
[0045]圖3示出了開關(guān)電源設(shè)備的參考示例的配置。如圖3所示，檢測電阻9插入到負(fù)載電流通路中。檢測電阻9上的壓降(voltage drop)由負(fù)載檢測電路10檢測，從而檢測負(fù)載。檢測結(jié)果被提供給可變頻率振蕩器11以作為頻率控制電壓?？勺冾l率振蕩器11的輸出被提供給脈沖發(fā)生器3，并且在負(fù)載為輕負(fù)載時(shí)，脈沖發(fā)生器3所產(chǎn)生的脈沖的頻率上限受限于可變頻率振蕩器11的輸出。
[0046]當(dāng)負(fù)載為輕負(fù)載時(shí)，因?yàn)橛羞@樣的配置，能夠通過限制開關(guān)頻率的上限而改善效率。但是，為了精確地檢測輕負(fù)載，需要選擇檢測電阻9的電阻值以便具有大到一定程度的值，因此，存在這樣的問題，即檢測電阻9中出現(xiàn)很大的損耗，且不能充分地改善效率。
[0047]2.第一實(shí)施方式
[0048]圖4示出了本發(fā)明第一實(shí)施方式的配置。在電流降至零之前打開半導(dǎo)體開關(guān)元件的控制系統(tǒng)被稱為處于連續(xù)模式中。橋式整流電路BD和平滑電容Ci對(duì)AC電源(商用電源)Vac的AC電壓進(jìn)行整流，并將全波整流電壓提供給平滑電容Ci。輸入(DC)電壓Vin被輸出到平滑電容Ci的兩端。
[0049]橋式整流電路BD的一個(gè)輸出端(非接地側(cè))連接至扼流線圈LI的一端，扼流線圈LI的另一端經(jīng)二極管Dl連接至一個(gè)輸出端。半導(dǎo)體開關(guān)元件(例如N通道FET) Ql的漏極和源極連接在扼流線圈LI的另一端與二極管Dl的連接點(diǎn)以及另一輸出端之間。FETQl的源極(另一輸出端)接地，由驅(qū)動(dòng)器I形成的驅(qū)動(dòng)脈沖被提供給FET Ql的柵極。
[0050]FET Ql的漏極經(jīng)二極管Dl正向連接至電容Co的一端。電容Co的另一端接地。在電容Co的兩端均生成輸出電壓Vout。輸出電壓Vout被施加到負(fù)載2。
[0051]脈沖發(fā)生器3中產(chǎn)生的脈沖信號(hào)被提供給驅(qū)動(dòng)器I。舉例來說，脈沖發(fā)生器3中包括雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器、比較器等。提供零檢測器4的輸出脈沖以作為雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的設(shè)定輸入。在與扼流線圈LI電磁耦合的檢測線圈L2的電流降至零的時(shí)刻，零檢測器4產(chǎn)生脈沖。
[0052]通過利用電阻6和7對(duì)輸出電壓Vout分壓而獲得的電壓被提供給電壓放大器5的一個(gè)輸入端，來自參考電壓源8的固定電壓被提供給電壓放大器5的另一輸入端。電壓放大器5輸出電壓,該電壓的值對(duì)應(yīng)于固定電壓和分壓電壓之差。電壓放大器5的輸出電壓被提供給脈沖發(fā)生器3。
[0053]在本發(fā)明的第一實(shí)施方式中,根據(jù)電壓放大器5的輸出電壓檢測負(fù)載。也就是說，電壓放大器5的輸出被提供給附加電路20(顯示為用虛線圍繞)的狀態(tài)變換檢測器21。附加電路20配置為被添加到現(xiàn)有技術(shù)的PFC控制系統(tǒng)的開關(guān)電源設(shè)備中。狀態(tài)變換檢測器21將電壓放大器5的輸出電壓與閾值(閾值電壓)比較，并確定負(fù)載的狀態(tài)。
[0054]狀態(tài)變換檢測器21的輸出被提供給控制邏輯22?？刂七壿?2通過接收狀態(tài)變換檢測器21的輸出來管理狀態(tài)?？刂七壿?2切換振蕩器23的振蕩頻率以用于多級(jí)中的頻率控制。進(jìn)一步地，控制邏輯22在多級(jí)中切換狀態(tài)變換檢測器21中的閾值。用于頻率控制的振蕩器23的輸出信號(hào)被提供給脈沖發(fā)生器3。
[0055]圖5示出了按照本發(fā)明的第一實(shí)施方式的脈沖發(fā)生器3的示例。電壓放大器5的輸出信號(hào)被提供給比較器24的一個(gè)輸入端。斜波生成器(未顯示)的輸出被提供給比較器24的另一輸入端。斜波生成器產(chǎn)生與提供給FET Ql的柵極的脈沖信號(hào)同步的斜波。斜波和電壓放大器5的輸出電壓被提供給比較器24,在斜波與電壓放大器5的輸出電壓彼此交叉的時(shí)刻，比較器24輸出雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器25的重置脈沖。雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器25輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器I被提供給FET Ql的柵極。
[0056]零檢測器4的輸出信號(hào)和雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器26的輸出信號(hào)被提供給與門(ANDgate) 27。將振蕩器23的輸出提供給雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器26以用于頻率控制，且通過控制邏輯22控制雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器26，從而在輕負(fù)載檢測期間的控制操作中輸出脈沖信號(hào)，而在正常工作(臨界模式)中通常產(chǎn)生高電平輸出。因此，在正常工作中，與門27產(chǎn)生類似于現(xiàn)有技術(shù)的零檢測輸出。
[0057]與門27的輸出被用作雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器25的設(shè)定輸入。在雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器26的輸出處于高電平的周期中，與門27僅將零檢測器4的輸出信號(hào)用作雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器25的設(shè)定輸入。因此，該設(shè)定輸入的頻率使用雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器26 (用于頻率控制的振蕩器23)的輸出的頻率作為頻率上限。
[0058]雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器25生成脈沖信號(hào),該脈沖信號(hào)由與門27的輸出設(shè)定且被改變?yōu)楦唠娖剑⑶冶粊碜员容^器24的重置脈沖重置且改變?yōu)榈碗娖健Ｔ撁}沖信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器I被提供給FET Ql的柵極，以作為驅(qū)動(dòng)脈沖。FET Ql (例如N通道型)在脈沖信號(hào)的高電平周期被打開。在打開周期，電流流經(jīng)線圈LI和FET Ql0當(dāng)FET Ql關(guān)閉時(shí)，電流經(jīng)線圈LI和二極管Dl流到電容Co。電容Co的端電壓被提取以作為輸出電壓Vout。開關(guān)電源設(shè)備(PFC電路)將整流后的AC輸入電壓升壓，并將升壓后的電壓轉(zhuǎn)換為更高的DC電壓。
[0059]圖6中顯示了附加電路20的示例配置。狀態(tài)變換檢測器21由比較器31和閾值(threshold) 32組成。閾值32的值可以由控制邏輯22進(jìn)行改變。相對(duì)于該閾值32設(shè)置滯后寬度。所述滯后寬度是指當(dāng)負(fù)載變輕時(shí)用于降低頻率的閾值與當(dāng)負(fù)載變重時(shí)用于升高頻率的閾值之間的差。比較器31的輸出被提供給控制邏輯22。控制邏輯22通過接收比較器31的輸出來切換閾值32，并切換振蕩器23的振蕩頻率以進(jìn)行頻率控制。用于頻率控制的振蕩器23的輸出信號(hào)被提供給脈沖發(fā)生器3。
[0060]圖7顯示了附加電路20的另一示例配置。在圖7中，附加電路20由N個(gè)比較器31!至31N、對(duì)應(yīng)各個(gè)比較器的N個(gè)閾值32i至32n以及選擇N個(gè)比較器Sl1至31N中的任一個(gè)輸出的選擇器33組成。利用選擇器33選擇N個(gè)比較器311至311<中的任一個(gè)輸出。通過這種選擇，可以切換閾值。此外，控制邏輯22切換振蕩器23的振蕩頻率以進(jìn)行頻率控制。用于頻率控制的振蕩器23的輸出信號(hào)被提供給脈沖發(fā)生器3。
[0061]在正常工作(臨界模式)中，按照本發(fā)明的電源裝置的第一實(shí)施方式中的各部分的波形與圖2中所示相同，從而校正了功率因子。下面將參考圖8說明基于控制邏輯22的控制。在第一實(shí)施方式中，通過監(jiān)控電壓放大器5的輸出電壓Vamp來檢測負(fù)載的改變。由于FET Ql的開關(guān)的打開周期由電壓Vamp確定，因此在輕負(fù)載的情況中電壓Vamp降低。當(dāng)電壓Vamp降低至低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，負(fù)載被確定為降低至低于預(yù)定值，并且控制脈沖發(fā)生器3以使得頻率不會(huì)升高至由用于頻率控制的振蕩器23所確定的任一頻率(用fmax表示)或更高頻率。
[0062]如圖8所示，當(dāng)電壓放大器5的輸出電壓Vamp降低時(shí)，狀態(tài)變換檢測器21的閾值被切換為(0.65V — 0.7V — 0.75V — 0.8V — 0.85V)。另一方面，當(dāng)電壓放大器5的輸出電壓Vamp升高時(shí)，狀態(tài)變換檢測器21的閾值被切換為(1.3V — 1.25V — 1.2V— 1.15V — 1.1V)。每個(gè)狀態(tài)中用于升高頻率的閾值與用于降低頻率的閾值之間的差被用作滯后寬度。
[0063]在正常工作中，當(dāng)電壓降低至(Vamp〈0.65V)時(shí)，用于頻率控制的振蕩器23的振蕩頻率等于(fmax = 150KHz)。此外，隨著輸出電壓Vamp的降低，閾值和振蕩頻率fmax如上文所述地被逐級(jí)切換。
[0064]當(dāng)(0.65V ^ Vamp<0.7V)時(shí)，(fmax = 90kHz)
[0065]當(dāng)(0.7V ^ Vamp<0.75V)時(shí)，(fmax = 50kHz)
[0066]當(dāng)(0.75V ^ Vamp<0.8V)時(shí)，(fmax = 30kHz)
[0067]當(dāng)(0.8V ^ Vamp<0.85V)時(shí)，(fmax = 20kHz)
[0068]另一方面，隨著輸出電壓Vamp的升高，閾值和振蕩頻率fmax如上文所述地被逐級(jí)切換。
[0069]當(dāng)(Vamp>l.3V)時(shí)，(fmax = 30kHz)
[0070]當(dāng)(Vamp>l.25V)時(shí)，(fmax = 50kHz)
[0071]當(dāng)(Vamp>l.2V)時(shí)，(fmax = 90kHz)
[0072]當(dāng)(Vamp>l.15V)時(shí)，(fmax = 150kHz)
[0073]當(dāng)(Vamp>l.1V)時(shí)，正常工作。
[0074]同時(shí)，狀態(tài)的數(shù)量可以被確定為除了五以外的任意數(shù)。優(yōu)選地，實(shí)現(xiàn)三級(jí)(stages)或更多級(jí)的狀態(tài)變化。這樣做的原因是為了避免在正常狀態(tài)和輕負(fù)載狀態(tài)之間的兩級(jí)切換的情況中、因頻率的變化過大而需考慮穩(wěn)定控制的問題。此外，每個(gè)狀態(tài)中的頻率值和閾值僅僅是舉例，可以設(shè)置為任意值。此外，無論處于任何狀態(tài)，為了防止在瞬間變換為重負(fù)載的情況下FET Ql中產(chǎn)生過電流或者輸出電壓下降，都可以進(jìn)行用于恢復(fù)正常工作的重置操作。當(dāng)負(fù)載從例如(fmaX = 20KHz)的狀態(tài)立刻變?yōu)橹刎?fù)載時(shí)，使?fàn)顟B(tài)逐級(jí)返回正常工作就會(huì)產(chǎn)生延遲，這將導(dǎo)致FET Ql中產(chǎn)生過電流或輸出電壓降低的問題。利用重置操作可以防止這種問題的產(chǎn)生。
[0075]圖9為示意性地示出按照本發(fā)明第一實(shí)施方式控制閾值和頻率的框圖。框圖的上側(cè)是輸出功率Pout被設(shè)置為橫軸且FET Ql的開關(guān)頻率fsw被設(shè)置為縱軸的曲線圖。輸出功率Pout對(duì)應(yīng)于負(fù)載，并且輸出功率Pout隨著負(fù)載變輕而降低。執(zhí)行臨界模式下的正常操作，直到負(fù)載降低至預(yù)定的輸出功率Pout?？驁D的下側(cè)是輸出功率Pout被設(shè)置為橫軸且電壓放大器5的輸出電壓Vamp被設(shè)置為縱軸的曲線圖。
[0076]在正常工作(臨界模式)中，頻率fsw根據(jù)輸出功率Pout而變化，例如H)所示的曲線，電壓Vamp根據(jù)輸出功率Pout而變化，例如GO所示的曲線。當(dāng)負(fù)載變輕且電壓Vamp變?yōu)榈陀陂撝道?.65V時(shí)，頻率fsw被切換為例如150kHz。利用滯后寬度來保持(maintain)頻率。在設(shè)置頻率上限的情況下，(Pout-Vamp)曲線變?yōu)镚1。
[0077]此外，當(dāng)負(fù)載變輕時(shí)，Vamp降為曲線Gl。當(dāng)電壓Vamp變?yōu)榈陀陂撝道?.7V時(shí)，頻率fsw被切換為例如90kHz。利用滯后寬度來保持頻率。當(dāng)頻率切換時(shí)，(Pout-Vamp)曲線變?yōu)镚2。此后，頻率被切換，曲線變?yōu)镚3、G4和G5，且頻率fsw降至20kHz的最低頻率。排線(bent line)41表示了這種控制。同時(shí)，圖9的曲線圖顯示了頻率fsw逐級(jí)改變并在每個(gè)狀態(tài)的頻率上限處變?yōu)楹愣?。這是出于簡化的目的，頻率fsw可以在不超出每個(gè)狀態(tài)的頻率上限的范圍內(nèi)輕微波動(dòng)。
[0078]當(dāng)負(fù)載最輕的狀態(tài)中的負(fù)載變重時(shí)，Vamp按照曲線G5升高。當(dāng)電壓Vamp變?yōu)楦哂陂撝道?.3V時(shí)，頻率fsw切換為例如30kHz。利用滯后寬度來保持頻率。當(dāng)頻率切換時(shí)，(Pout-Vamp)曲線變?yōu)镚4。此后，隨著負(fù)載變重，頻率被切換，且曲線變?yōu)镚3、G2、G1和GO,也就是到達(dá)正常狀態(tài)。排線42表示了這種控制。
[0079]下面將描述上述控制的一個(gè)特定示例。在10V的系統(tǒng)的情況下，頻率從負(fù)載因子為20%開始降低，并且每當(dāng)負(fù)載因子降低2%，頻率就降低。在200V的系統(tǒng)的情況下，頻率從負(fù)載因子為50%開始降低，并且每當(dāng)負(fù)載因子降低10%，頻率就降低。同時(shí)，負(fù)載因子指的是實(shí)際負(fù)載與額定負(fù)載之比，且上述電壓Vamp的值與負(fù)載因子彼此相對(duì)應(yīng)。在額定200W的電源中，負(fù)載因子在40W時(shí)為20%。輕負(fù)載表示，在例如10W至300W的額定電源中，負(fù)載因子為10%至30%。
[0080]在本發(fā)明的第一實(shí)施方式中，當(dāng)頻率切換時(shí)，閾值也切換。下面將參考圖10和11描述閾值需要切換的原因。通常，當(dāng)通過監(jiān)控電壓并利用某個(gè)閾值切換工作狀態(tài)時(shí)，需要通過向閾值提供滯后寬度來使操作穩(wěn)定。此外，在本發(fā)明的第一實(shí)施方式中，當(dāng)頻率切換時(shí)，放大器輸出電壓Vamp也改變。因此，當(dāng)閾值未切換時(shí)，很難設(shè)置滯后寬度。
[0081]圖10顯示了例如當(dāng)滯后寬度被設(shè)置為很小時(shí)的圖形(輸出功率Pout-放大器輸出電壓Vamp)。負(fù)載從重負(fù)載變?yōu)檩p負(fù)載,放大器輸出電壓Vamp達(dá)到閾值，(Pout-Vamp)曲線切換，且頻率降低。由于頻率的降低，放大器輸出電壓Vamp升高，Vamp變?yōu)楦哂谟糜谏哳l率的閾值，并且頻率被恢復(fù)。通過這種方式，頻率的切換是穩(wěn)定的。
[0082]圖11示出了當(dāng)滯后寬度設(shè)置為很大時(shí)的曲線圖(Pout-Vamp)。在這種情況下，可以避免頻率切換不穩(wěn)定的問題。但是，存在當(dāng)負(fù)載從輕負(fù)載變回重負(fù)載時(shí)負(fù)載的變化量過大的問題。結(jié)果，導(dǎo)致峰值電流增加，且因此出現(xiàn)了導(dǎo)致效率降低或者必須做出滿足峰值電流的設(shè)計(jì)(成本增加等等)的缺陷。
[0083]在本發(fā)明的第一實(shí)施方式中，當(dāng)利用控制邏輯22管理狀態(tài)(也就是振蕩頻率和閾值)和振蕩頻率被切換時(shí)，根據(jù)切換后頻率的(Pout-Vamp)曲線來設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝?。因此，可以避免滯后寬度過小或過大的問題。當(dāng)前狀態(tài)通常是不確定的，因此可以逐級(jí)降低頻率，并且最終實(shí)現(xiàn)大幅降低頻率，而不會(huì)突然大幅改變頻率。
[0084]圖12示出了指示輸出功率Pout和效率之間的關(guān)系的曲線，以及指示輸出功率Pout和頻率fsw之間的關(guān)系的曲線。在圖12中，如上所述，頻率fsw從正常工作(用CRM來表示)按照150KHz、90KHz、50KHz、30KHz和20KHz的順序降低。在輸出功率Pout很小的區(qū)域中(負(fù)載較輕的區(qū)域)，較低的頻率fsw具有良好的效率。但是，在fsw設(shè)置為20KHz的情況下，當(dāng)負(fù)載變重時(shí)，峰值電流增加。因此，隨著負(fù)載變輕，頻率fsw被切換以逐漸降低。結(jié)果，能夠在防止峰值電流增加的同時(shí)具有良好的效率。
[0085]本發(fā)明的第一實(shí)施方式的操作和效果如下。
[0086]1.由于在輕負(fù)載時(shí)頻率降低，因此通過減少開關(guān)損耗，可以提高輕負(fù)載時(shí)的效率。
[0087]2.通過逐級(jí)切換頻率限制值，可以在較大范圍內(nèi)提高效率。
[0088]3.通過逐級(jí)切換頻率限制值，可以更大幅度地降低頻率。
[0089]4.由于利用控制電路的內(nèi)部信號(hào)(電壓放大器5的輸出電壓)檢測輕負(fù)載，因此能夠在不產(chǎn)生不必要的損耗以及輸出線路的檢測電阻等部件損耗的情況下實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
[0090]3.第二實(shí)施方式
[0091]下面將參考圖13描述本發(fā)明的第二實(shí)施方式。當(dāng)輸入AC電源Aac存在多個(gè)值時(shí)，第二實(shí)施方式可以被應(yīng)用。輸入AC電源Vac的值在日本為100V，而在外國有時(shí)該值為200V。整流二極管41a和41b連接至輸入AC電源Vac，且與橋式整流電路BD并聯(lián)。整流后的輸出被提供給交流(AC)檢測器42。
[0092]AC檢測器42根據(jù)整流后的輸出確定輸入AC電源Vac的值是否為例如100V或200V，并根據(jù)確定結(jié)果生成確定信號(hào)。該確定信號(hào)被提供給控制邏輯22。當(dāng)輸入AC電源Vac為100V時(shí)，控制邏輯22可設(shè)置多個(gè)頻率值和多個(gè)閾值，并且當(dāng)輸入AC電源Vac為200V時(shí)，控制邏輯22可設(shè)置多個(gè)頻率值和多個(gè)閾值。頻率和閾值是按照AC檢測器42的確定信號(hào)來設(shè)置的。
[0093]本發(fā)明的第二實(shí)施方式可具有與上述第一實(shí)施方式相同的操作和效果。此外，輸入AC電源被確定，從而允許根據(jù)確定結(jié)果自動(dòng)設(shè)置最優(yōu)的頻率和閾值。
[0094]4.應(yīng)用示例
[0095]本發(fā)明可用于諸如AC適配器和電視接收機(jī)等類似的電子裝置的開關(guān)電源設(shè)備坐寸ο
[0096]5.修改示例
[0097]如上文所述，雖然已詳細(xì)描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但本發(fā)明不限于上述每個(gè)【具體實(shí)施方式】，且在本發(fā)明的技術(shù)思想的基礎(chǔ)上，可以做出多種不同的修改。例如，上述【具體實(shí)施方式】中所提及的配置、方法、處理、形狀、材料和數(shù)值等僅僅是舉例，且可根據(jù)需要使用與此不同的配置、方法、處理、形狀、材料和數(shù)值等。
[0098]同時(shí)，本發(fā)明還能具有以下配置。
[0099](I) 一種臨界模式的開關(guān)電源設(shè)備，包括:
[0100]負(fù)載檢測部，所述負(fù)載檢測部檢測負(fù)載，
[0101]其中當(dāng)檢測的負(fù)載比設(shè)定值輕時(shí),逐級(jí)(stepwise)降低開關(guān)頻率的上限。
[0102](2)根據(jù)⑴的開關(guān)電源設(shè)備，進(jìn)一步包括:
[0103]線圈和半導(dǎo)體開關(guān)兀件的串聯(lián)電路；
[0104]整流電路，所述整流電路連接至所述半導(dǎo)體開關(guān)元件，并提取輸出；以及
[0105]脈沖發(fā)生器，所述脈沖發(fā)生器生成用于開關(guān)所述半導(dǎo)體開關(guān)元件的脈沖信號(hào)，
[0106]其中當(dāng)負(fù)載比設(shè)定值輕時(shí)，沿一方向控制所述脈沖發(fā)生器，其中使所述脈沖信號(hào)的頻率上限逐級(jí)降低。
[0107](3)根據(jù)(I)或(2)的開關(guān)電源設(shè)備，其中所述開關(guān)頻率的上限在三級(jí)(stages)或更多級(jí)中切換。
[0108](4)根據(jù)⑴至(3)中任一個(gè)的開關(guān)電源設(shè)備，其中用于切換所述開關(guān)頻率的負(fù)載的設(shè)定值根據(jù)電源額定值而變化。
[0109](5)根據(jù)⑵至(4)中任一個(gè)的開關(guān)電源設(shè)備，其中通過檢測流到所述線圈的零電流來檢測時(shí)間(timing)。
[0110](6)根據(jù)⑵至(5)中任一個(gè)的開關(guān)電源設(shè)備，其中根據(jù)輸出電壓的反饋電壓或與所述反饋電壓相關(guān)聯(lián)的電壓檢測所述負(fù)載較輕的情況。
[0111](7)根據(jù)⑵至(6)中任一個(gè)的開關(guān)電源設(shè)備，其中進(jìn)一步包括:
[0112]附加電路，配置成用于通過將所述輸出電壓的所述反饋電壓或與所述反饋電壓相關(guān)聯(lián)的電壓與閾值進(jìn)行比較來檢測所述負(fù)載的狀態(tài)，根據(jù)所檢測的狀態(tài)設(shè)定所述開關(guān)頻率的上限值和所述閾值，以及將所設(shè)定的所述上限值的信號(hào)提供給所述脈沖發(fā)生器。
[0113](8)根據(jù)(7)的開關(guān)電源設(shè)備，進(jìn)一步包括:
[0114]狀態(tài)變換檢測部，所述狀態(tài)變換檢測部通過將所述輸出電壓的所述反饋電壓或與所述反饋電壓相關(guān)聯(lián)的電壓與閾值相比較，檢測包括正常工作狀態(tài)在內(nèi)的多個(gè)狀態(tài)中的一個(gè)狀態(tài)；
[0115]控制部，所述控制部根據(jù)檢測到的所述一個(gè)狀態(tài)設(shè)定所述開關(guān)頻率的上限和所述閾值；以及
[0116]可變頻率信號(hào)振蕩器，所述可變頻率信號(hào)振蕩器將所述控制部設(shè)定的所述上限的信號(hào)提供給所述脈沖發(fā)生器。
[0117](9)根據(jù)(8)的開關(guān)電源設(shè)備，其中在逐級(jí)降低所述開關(guān)頻率的上限值以使工作狀態(tài)發(fā)生切換時(shí)，向所述閾值提供滯后寬度以保持所述開關(guān)頻率。
[0118](10)根據(jù)(9)的開關(guān)電源設(shè)備，其中所述滯后寬度是指當(dāng)所述負(fù)載變輕時(shí)用于降低所述上限值的閾值與當(dāng)所述負(fù)載變重時(shí)用于升高所述上限值的閾值之間的差。
[0119](11)根據(jù)⑶的開關(guān)電源設(shè)備，其中設(shè)定用于在所述負(fù)載變輕時(shí)降低所述上限的閾值和用于在所述負(fù)載變重時(shí)升高所述上限的閾值之間的差。
[0120](12)根據(jù)(8)的開關(guān)電源設(shè)備，其中包括從所述多個(gè)狀態(tài)中的每一個(gè)狀態(tài)直接變換到所述正常狀態(tài)的重置功能。
[0121](13)根據(jù)⑶的開關(guān)電源設(shè)備，其中所述狀態(tài)變換檢測部包括:
[0122]多個(gè)比較器，所述比較器將所述反饋電壓或與所述反饋電壓相關(guān)聯(lián)的電壓與多個(gè)閾值比較；以及
[0123]選擇器，所述選擇器選擇所述多個(gè)比較器中的一個(gè)輸出。
[0124](14) 一種控制臨界模式的開關(guān)電源的方法，包括:
[0125]當(dāng)檢測到負(fù)載且所述檢測到的負(fù)載比設(shè)定值輕時(shí)，逐級(jí)降低開關(guān)頻率的上限。
[0126](15) 一種電子裝置，包括臨界模式的開關(guān)電源設(shè)備，
[0127]其中，所述開關(guān)電源設(shè)備包括檢測負(fù)載的負(fù)載檢測部，且
[0128]當(dāng)所述檢測的負(fù)載比設(shè)定值輕時(shí)，逐級(jí)降低開關(guān)頻率的上限。
[0129]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，根據(jù)設(shè)計(jì)需要或其他因素，可以做出多種修改、組合、子組合和變形，它們均落在所附權(quán)利要求或其等同物的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種臨界模式的開關(guān)電源設(shè)備，包括: 負(fù)載檢測部，所述負(fù)載檢測部檢測負(fù)載， 其中，當(dāng)所述檢測到的負(fù)載比設(shè)定值輕時(shí)，逐級(jí)降低開關(guān)頻率的上限值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源設(shè)備，其中進(jìn)一步包括: 線圈和半導(dǎo)體開關(guān)元件的串聯(lián)電路； 整流電路，所述整流電路連接至所述半導(dǎo)體開關(guān)元件，并提取輸出；以及 脈沖發(fā)生器，所述脈沖發(fā)生器生成用于開關(guān)所述半導(dǎo)體開關(guān)元件的脈沖信號(hào)， 其中，當(dāng)負(fù)載比設(shè)定值輕時(shí)，沿使所述脈沖信號(hào)的頻率上限逐級(jí)降低的方向控制所述脈沖發(fā)生器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的開關(guān)電源設(shè)備，其中所述開關(guān)頻率的所述上限值在三級(jí)或更多級(jí)中進(jìn)行切換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源設(shè)備，其中根據(jù)電源的額定值來改變用于切換所述開關(guān)頻率的負(fù)載的設(shè)定值。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)電源設(shè)備，其中通過檢測流到所述線圈的電流為零來檢測時(shí)間。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)電源設(shè)備，其中根據(jù)輸出電壓的反饋電壓或與所述反饋電壓相關(guān)聯(lián)的電壓來檢測所述負(fù)載較輕的情況。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)電源設(shè)備，其中進(jìn)一步包括: 附加電路，配置成用于通過將所述輸出電壓的所述反饋電壓或與所述反饋電壓相關(guān)聯(lián)的電壓與閾值進(jìn)行比較來檢測所述負(fù)載的狀態(tài)，根據(jù)所檢測的狀態(tài)設(shè)定所述開關(guān)頻率的上限值和所述閾值，以及將所設(shè)定的所述上限值的信號(hào)提供給所述脈沖發(fā)生器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)電源設(shè)備，其中所述附加電路包括: 狀態(tài)變換檢測部，所述狀態(tài)變換檢測部通過將所述輸出電壓的所述反饋電壓或與所述反饋電壓相關(guān)聯(lián)的電壓與閾值進(jìn)行比較，來檢測包括正常工作狀態(tài)在內(nèi)的多個(gè)狀態(tài)中的一個(gè)狀態(tài)； 控制部，所述控制部根據(jù)檢測到的所述一個(gè)狀態(tài)來設(shè)定所述開關(guān)頻率的上限值和所述閾值；以及 可變頻率信號(hào)振蕩器，所述可變頻率信號(hào)振蕩器將由所述控制部設(shè)定的所述上限值的信號(hào)提供給所述脈沖發(fā)生器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的開關(guān)電源設(shè)備，其中在逐級(jí)降低所述開關(guān)頻率的上限值以使工作狀態(tài)發(fā)生切換時(shí)，向所述閾值提供滯后寬度以保持所述開關(guān)頻率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的開關(guān)電源設(shè)備，其中所述滯后寬度是指當(dāng)所述負(fù)載變輕時(shí)用于降低所述上限值的閾值與當(dāng)所述負(fù)載變重時(shí)用于升高所述上限值的閾值之間的差。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的開關(guān)電源設(shè)備，其中包括從所述多個(gè)狀態(tài)中的每一個(gè)狀態(tài)直接變換到所述正常狀態(tài)的重置功能。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的開關(guān)電源設(shè)備，其中所述狀態(tài)變換檢測部包括: 多個(gè)比較器，所述比較器將所述反饋電壓或與所述反饋電壓相關(guān)聯(lián)的電壓來與多個(gè)閾值比較；以及 選擇器，所述選擇器選擇所述多個(gè)比較器中的一個(gè)輸出。
13.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)電源設(shè)備，其中所述半導(dǎo)體開關(guān)元件是場效應(yīng)晶體管或絕緣柵雙極型晶體管。
14.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)電源設(shè)備，其中所述脈沖發(fā)生器包括雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器和比較器。
15.—種控制臨界模式的開關(guān)電源的方法,包括: 當(dāng)檢測到負(fù)載且所檢測到的負(fù)載比設(shè)定值輕時(shí)，逐級(jí)降低開關(guān)頻率的上限值。
16.一種電子裝置，包括臨界模式的開關(guān)電源設(shè)備， 其中，所述開關(guān)電源設(shè)備包括檢測負(fù)載的負(fù)載檢測部，并且 當(dāng)所檢測到的負(fù)載比設(shè)定值輕時(shí)，逐級(jí)降低開關(guān)頻率的上限值。
【文檔編號(hào)】H02M7/06GK104242660SQ201410242737
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月10日
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