開關電源裝置的控制方法和控制電路與流程
本發明涉及電源技術領域，尤其涉及一種開關電源裝置的控制方法和控制電路。
背景技術：
目前，為了提高電源的利用效率，在開關電源裝置上大多會加裝功率因數校正電路(powerfactorcorrector，pfc)，以形成開關電源設備。
現有技術中常見的功率因數校正電路包括臨界模式功率因數校正電路(criticalmodepfc)和連續導通模式功率因數校正電路(continueconductionmodepfc)。具有臨界模式功率因數校正電路的開關電源設備在運行時，具有下述問題：伴隨著負載的減小，開關的導通和斷開的頻率增加，由此使得開關損耗增大。
在專利文獻1(日本專利3070598，功率因數改善轉換器)中，為了防止開關損失增加，設置最小開關周期以使開關元件在斷開后的一定期間內不會再次導通，即設置開關的最高頻率，由此，抑制輕負載時的開關頻率的上升。
圖5是專利文獻1的開關電源設備的一個電路結構圖，該開關電源設備中包括開關電源裝置和控制電路，圖6是專利文獻1的開關電源設備的工作時序圖。如圖5，圖6所示，在t60時刻，零電流檢測單元501檢測到流過電感器的電流為零并輸出高電平脈沖信號，使得“與”電路u1也向觸發器ff1的s端子輸出高電平脈沖信號，因而ff1的q端子輸出高電平信號，該高電平信號通過開關元件驅動電路使開關元件q1導通，并且，“與”電路u1輸出的高電平脈沖信號使開關元件q3瞬時導通，并使電容c4放電，隨后，開關元件q3重新斷開，電容c4被電流源i2充電；在t61時刻，誤差放大器a1的輸出電壓小于電容c3的電壓，因此，從比較器cp1向觸發器ff1的r端子輸出高電平信號，對觸發器ff1進行復位，使觸發器ff1的q端子輸出低電平信號，由此，開關元件q1斷開；在時刻t63，電容c4的電壓超過固定電壓vth，比較器cp2輸出的限制信號變為高電平；在時刻t64，零電流檢測單元501再次檢測到零電流并輸出高電平脈沖信號，因此，“與”電路u1向觸發器ff1的s端 子輸入高電平脈沖信號，開關元件q1再次導通。
可見，在專利文獻1中，在t61-t63的期間，比較器cp2輸出的限制信號為低電平，因此，當在t62時刻零電流檢測單元501檢測到零電流時，無法使開關元件q1導通，所以，開關元件導通的時刻被延遲了，由此能夠抑制開關頻率的上升。
在專利文獻2(日本特開2014-82924，開關電源裝置)中，檢測輸入到開關電源裝置的交流電壓的周期，并檢測負載狀態，在輕負載狀態的情況下，進行控制以使開關元件的導通時刻延遲，從而防止開關頻率上升，并且，使在輸入電壓的同一個周期上導通時刻的延遲量恒定。
專利文獻1：日本專利3070598，功率因數改善轉換器
專利文獻2：日本特開2014-82924，開關電源裝置
應該注意，上面對技術背景的介紹只是為了方便對本申請的技術方案進行清楚、完整的說明，并方便本領域技術人員的理解而闡述的。不能僅僅因為這些方案在本申請的背景技術部分進行了闡述而認為上述技術方案為本領域技術人員所公知。
技術實現要素：
如上所述，臨界模式pfc存在如下性質，輸入瞬時電壓低的區域電感器電流的峰值低，開關元件斷開后的短時間內電流成為零，因而進行下一次的導通，所以，輸入瞬時電壓低的時候開關頻率變高。
因此，在專利文獻1中，通過限制最高振蕩頻率來限制輕負載時的開關頻率的上升以實現開關損失的改善。但是，設置開關頻率的上限后，輸入瞬時電壓低的區域容易到達開關頻率的上限，所以和輸入瞬時電壓高的區域相比開關次數減少。結果，在輸入瞬時電壓低的區域輸入電流難以流動，輸入瞬時電壓高的區域的輸入電流增加，從而導致功率因數的惡化；并且，輸入瞬時電壓在某個值以下時，由于開關頻率的上限是固定值，輸入電流波形有時會不連續變化，從而導致輸入失真。
圖7是專利文獻1的開關電源設備的輸入電壓和輸入電流的對應關系示意圖。如圖7所示，開關電源設備從臨界模式的開關動作轉變到固定最高頻率的開關動作時，輸入電流的波形發生不連續變化。
專利文獻2提出了針對專利文獻1的上述問題的解決方案，專利文獻2進行如下的動作：檢測負載狀態，根據該檢測到的負載狀態決定開關元件的導通定時的延遲量， 以降低開關頻率，并且在交流輸入半周期之內維持該延遲量。
結果，由于在交流輸入半周期之內維持該延遲量，因此不會發生上述的功率因數的惡化以及輸入電流波形的輸入失真。
但是，專利文獻2卻需要負載狀態的檢測電路、根據負載狀態決定導通時刻的延遲量的電路、輸入交流周期的檢測電路、以及用于維持輸入交流周期的半周期之內的延遲量恒定的電路，所以，存在電路復雜化的問題。
根據本申請實施例的一個方面，提供一種用于對開關電源裝置中的開關元件的導通和斷開進行控制的控制電路和控制方法，該控制電路使用變化的時間常數來設定開關元件的導通時刻的延遲期間，由此，在瞬時電壓降低的情況下，開關頻率到達上限的時刻被分散，從而防止輸入電流不連續變化，以簡單的電路實現輸入電流失真以及功率因數的改善。
根據本申請實施例的一個方面，提供一種控制電路，用于對開關電源裝置中的開關元件的導通和斷開進行控制，所述開關電源裝置包括：
整流單元，其用于將輸入的交流電源的交流電壓整流為直流電壓；
電感器，其與所述整流單元連接；
開關元件，其與所述電感器串聯，在所述開關元件導通時，所述開關元件與所述整流電路之間形成經由所述電感器的電流通路；以及
二極管，其與所述電感器連接，在所述開關元件斷開時，在所述電感器與輸出電容之間形成經由所述二極管的電流通路，并且，在該輸出電容兩端生成預定的輸出直流電壓；
該控制電路包括：
斷開時刻控制單元，其用于根據基準電壓和所述輸出直流電壓之間的電壓差控制所述開關元件的斷開；
零電流檢測單元，其用于檢測流過所述電感器的電流為零的時刻；
頻率限制單元，其根據時間常數調整信號生成限制信號，所述限制信號用于設定從所述開關元件斷開時刻起的延時期間，其中，所述時間常數調整信號的大小隨時間變化；以及
導通時刻控制單元，其用于根據所述零電流檢測單元輸出的檢測結果和所述頻率限制單元輸出的所述限制信號，控制所述開關元件的導通。
根據本申請實施例的另一個方面，其中，所述頻率限制單元包括：
電流源；
電容器，其被所述電流源充電；以及
比較器，其將所述電容器的電壓值與參考信號的電壓值進行比較，根據比較結果輸出所述限制信號，其中，所述時間常數調整信號用于調整所述參考信號的電壓值，和/或調整所述電流源對所述電容器進行充電的電流值。
根據本申請實施例的另一個方面，其中，所述控制電路還包括：
計數器，其對導通時刻控制單元輸出的控制所述開關元件導通的信號進行分頻，以生成數字信號；以及
數模轉換器，其將所述計數器輸出的所述數字信號轉換為模擬信號，并將所述模擬信號作為所述時間常數調整信號。
根據本申請實施例的另一個方面，其中，所述控制電路還包括：
振蕩電路，其用于輸出隨時間變化的振蕩信號，并將所述振蕩信號作為所述時間常數調整信號。
根據本申請實施例的另一個方面，其中，所述導通時刻控制單元在從所述開關元件斷開時刻起經過所述延時期間后，當所述零電流檢測單元檢測到流過所述電感器的電流為零時，使所述開關元件導通。
根據本申請實施例的另一個方面，其中，所述零電流檢測單元檢測的所述電感器的電流為零的時刻是指電流從大于零的值衰減為零的時刻。
根據本申請實施例的另一個方面，其中，所述時間常數調整信號隨時間變化的周期小于所述交流電壓的周期的一半。
根據本申請實施例的一個方面，提供一種控制方法，用于對開關電源裝置中的開關元件的導通和斷開進行控制，該控制方法包括：
根據基準電壓和所述輸出直流電壓之間的電壓差控制所述開關元件的斷開；
檢測流過所述電感器的電流為零的時刻；
根據時間常數調整信號生成限制信號，所述限制信號用于設定從所述開關元件斷開時刻起的延時期間，其中，所述時間常數調整信號的大小隨時間變化；以及
根據對所述電流為零的時刻的檢測結果和所述限制信號，控制所述開關元件的導通。
本發明的有益效果在于：使得瞬時電壓降低時的開關頻率到達上限的時刻被分散，從而防止輸入電流不連續變化，實現輸入電流失真以及功率因數的改善。
參照后文的說明和附圖，詳細公開了本發明的特定實施方式，指明了本發明的原理可以被采用的方式。應該理解，本發明的實施方式在范圍上并不因而受到限制。在所附權利要求的精神和條款的范圍內，本發明的實施方式包括許多改變、修改和等同。
針對一種實施方式描述和/或示出的特征可以以相同或類似的方式在一個或更多個其它實施方式中使用，與其它實施方式中的特征相組合，或替代其它實施方式中的特征。
應該強調，術語“包括/包含”在本文使用時指特征、整件、步驟或組件的存在，但并不排除一個或更多個其它特征、整件、步驟或組件的存在或附加。
附圖說明
所包括的附圖用來提供對本發明實施例的進一步的理解，其構成了說明書的一部分，用于例示本發明的實施方式，并與文字描述一起來闡釋本發明的原理。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。在附圖中：
圖1是實施例1的開關電源設備的一個電路結構圖；
圖2是實施例1的開關電源設備的另一個電路結構圖；
圖3是實施例2的開關電源設備的一個電路結構圖；
圖4是實施例2的開關電源設備的一個工作時序圖；
圖5是專利文獻1的開關電源設備的一個電路結構圖；
圖6是專利文獻1的開關電源設備的一個工作時序圖；
圖7是專利文獻1的開關電源設備的輸入電壓和輸入電流的一個對應關系示意圖；
圖8是實施例1的開關電源設備的輸入電壓和輸入電流的一個對應關系示意圖；
圖9是實施例1的開關電源設備的輸入電壓和輸入電流的另一個對應關系示意圖；
圖10是實施例3的控制方法的一個流程圖。
具體實施方式
參照附圖，通過下面的說明書，本發明的前述以及其它特征將變得明顯。在說明書和附圖中，具體公開了本發明的特定實施方式，其表明了其中可以采用本發明的原則的部分實施方式，應了解的是，本發明不限于所描述的實施方式，相反，本發明包括落入所附權利要求的范圍內的全部修改、變型以及等同物。
實施例1
本申請實施例1提供一種控制電路，用于對開關電源裝置中的開關元件的導通和斷開進行控制，其中，該開關電源裝置和該控制電路構成開關電源設備。
圖1是本實施例1的開關電源設備的一個電路結構圖。如圖1所示，該開關電源設備1包括開關電源裝置10和控制電路20，其中，開關電源裝置10包括整流單元101、電感器102、開關元件103以及二極管104，控制電路20包括斷開時刻控制單元201、零電流檢測單元202、頻率限制單元203以及導通時刻控制單元204。
如圖1所示，在開關電源裝置10中，整流單元101用于將輸入的交流電源的交流電壓整流為直流電壓；電感器102與整流單元101連接；開關元件103與電感器102串聯，在開關元件103導通時，開關元件103與整流電路101之間形成經由電感器102的電流通路；二極管104與電感器102連接，在開關元件103斷開時，在電感器102與輸出電容c1之間形成經由二極管104的電流通路，并且，在該輸出電容c1兩端生成預定的輸出直流電壓。
如圖1所示，在控制電路20中，斷開時刻控制單元201用于根據基準電壓和輸出直流電壓之間的電壓差控制開關元件103的斷開；零電流檢測單元202用于檢測流過電感器102的電流為零的時刻；頻率限制單元203根據時間常數調整信號，生成限制信號，該限制信號用于設定從開關元件103斷開時刻起的延時期間，其中，時間常數調整信號的大小隨時間變化；導通時刻控制單元204用于根據零電流檢測單元202輸出的檢測結果和頻率限制單元203輸出的限制信號，控制開關元件103的導通。
根據本實施例的控制電路，能夠根據隨時間變化的時間常數調整信號來設定開關元件的導通時刻的延遲期間，由此，在瞬時電壓降低的情況下，開關頻率到達上限的時刻被分散，從而防止輸入電流不連續變化，以簡單的電路實現輸入電流失真和功率因數的改善。
圖8和圖9分別是實施例1的開關電源設備的輸入電壓和輸入電流的一個對應關系示意圖，如圖8、圖9所示，根據本申請的控制電路，開關電源設備能夠工作在使開關元件的最高頻率發生變化的模式下，由此，使得輸入電流變化平滑，實現輸入電流失真和功率因數的改善。
如圖1所示，在本實施例中，整流單元101例如可以是由多個整流二極管構成的橋式整流器。本實施并不限于此，整流單元101還可以具有其他結構。關于整流單元101的結構和原理可以參考現有技術，本實施例不再贅述。
在本實施例中，開關電源裝置10還可以具有開關元件驅動電路105，該開關元件驅動電路105可以接收控制開關元件103導通的信號，并驅動開關元件103導通。
關于本實施例中的開關電源裝置10的工作原理，可以參考現有技術，本實施例不再進行說明。
如圖1所示，斷開時刻控制單元201可以包括導通時間控制電路2011和誤差放大電路2012，其中，開關電源裝置的電阻r1和r2可以對電壓進行輸出直流電壓進行分壓，該誤差放大電路2012中的放大器a1可以對電阻r1和r2分壓所得到的電壓與基準電壓vref進行比較，根據比較結果來輸出誤差放大值；導通時間控制電路2011可以根據放大器a1輸出的誤差放大值，輸出控制信號，該控制信號可以被輸入到觸發器ff1的復位輸入端r，以決定開關元件103的斷開時刻，從而控制開關元件103的導通的時間，因此，開關元件103的斷開時刻或導通時間可以是由r1、r2和vref決定的目標值。
在本實施例中，如圖1所示，導通時間控制電路2011可以包括電流源i1、比較器cp1、電容c3和開關q2等，誤差放大電路2012可以包括放大器a1以及相位補償電容c2，在放大器a1的非反相輸入端連接有基準電壓vref。當然，本實施例并不限于此，導通時間控制電路2011和誤差放大電路2012可以有其它的電路結構。
在本實施例中，零電流檢測單元202可以與設置于電感器102中的輔助繞組d連接，該輔助繞組d中能夠產生與電感器102成比例的電流，因此，零電流檢測單元202通過檢測輔助繞組d中的電流，就可以檢測流過電感器102的電流為零的時刻。
在本實施例中，在流過電感器的電流的一個臨界周期中，有兩個電流為零的時刻，該零電流檢測單元202檢測的是該電流從大于零的值衰減為零的時刻。在檢測到該電 流為零的時刻，該零電流檢測單元202可以輸出零電流檢測信號，用于指示一個臨界周期的開始或結束，因此，該零電流檢測單元202輸出相鄰的兩個檢測信號的期間，對應于一個臨界周期。檢測電流為零的時刻的具體方法，可以參考現有技術，本實施例不再贅述。
在本實施例中，頻率限制單元203能夠根據時間常數調整信號生成限制信號，該限制信號用于設定從開關元件103斷開時刻起的延時期間，由此，決定了開關元件103的開關頻率的上限。
在本實施例中，頻率限制單元203可以具有為電容器充電的電流源、電容器、以及比較器，該比較器可以根據電容器的電壓值與參考信號的電壓值進行比較的結果，輸出限制信號。在本實施例中，該時間常數調整信號可以用于調整該參考信號的電壓值，和/或調整該電流源對該電容器進行充電的電流值。
在本實施例中，導通時刻控制單元204可以根據零電流檢測單元202輸出的檢測結果和頻率限制單元203輸出的限制信號，控制開關元件103的導通時刻。例如，在從開關元件103斷開時刻起經過上述延時期間后，當零電流檢測單元202檢測到流過電感器102的電流為零時，使開關元件103導通。
如圖1所示，在本實施例中，該導通時刻控制單元204可以包括“與”電路u1和觸發器ff1。
其中，u1的一個輸入端可以與零電流檢測單元202的輸出端連接，u1的另一個輸入端可以與頻率限制單元203的輸出端連接，u1的輸出端與觸發器ff1的設置輸入端s連接。
觸發器ff1的復位輸入端r可以連接導通時間控制電路2011中的比較器cp1的輸出端，觸發器ff1的輸出端q經由開關元件驅動電路105連接到開關元件103的柵極，觸發器ff1的輸出端
在本實施例中，時間常數調整信號可以在控制電路20中產生。如圖1所示，控制電路20還可以包括計數器205和數模轉換器206。
其中，計數器205可以對導通時刻控制單元204輸出的控制開關元件103導通的信號進行分頻，以生成數字信號；數模轉換器206可以將計數器205輸出的數字信號轉換為模擬信號，并將該模擬信號作為該時間常數調整信號輸入到頻率限制單元 203。
在本實施例中，每次從觸發器ff1輸出控制開關元件103導通的信號時，計數器205都會對該信號進行分頻，生成2比特或其它比特的數字信號，該數字信號被數模轉換器206轉換為模擬信號，該模擬信號能夠被作為時間常數調整信號。可見，每次從觸發器ff1輸出控制開關元件103導通的信號時，計數器205輸出的數字信號都會變化，并導致時間常數調整信號變化，從而使開關元件103的上限頻率發生變化。
當然，本實施例不限于此，控制電路20還可以采用其他的電路來生成時間常數調整信號。
圖2是本實施例1的開關電源設備的另一個電路結構圖。圖2與圖1的區別之處在于，在圖2的控制電路中，使用振蕩電路207替代圖1的計數器205和數模轉換器206。
在圖2中，振蕩電路207可以輸出隨時間變化的振蕩信號，該振蕩信號可以作為時間常數調整信號被輸入到頻率限制單元203中，由此，也能使由時間常數調整信號決定的最高頻率發生變化。
此外，在本實施例中，時間常數調整信號也可以在控制電路20的外部被生成并被輸入到控制電路20中。
在本實施例中，時間常數調整信號隨時間變化的周期可以小于輸入的交流電壓周期的一半，由此，在交流電壓的半個周期內，使得在瞬時電壓降低的情況下，開關頻率到達上限的時刻被分散，從而使輸入電流的變化平滑，實現輸入電流失真以及功率因數的改善。
實施例2
本申請實施例2提供一種控制電路，是實施例1的控制電路的一個具體的實現方式。在實施例2中，對頻率限制單元203的結構進行描述。與實施例1相同地，實施例2的控制電路與開關電源裝置構成開關電源設備。
圖3是實施例2的開關電源設備的電路結構圖，與圖1相同之處不再重復說明。圖3與圖1的區別在于，圖3示出了頻率限制單元203的組成結構。
如圖3所示，頻率限制單元203可以包括電容c4、開關q3、比較器cp2以及電流源i2，其中，比較器cp2的輸出端作為頻率限制單元203的輸出端，并且比較器 cp2的反相輸入端被輸入時間常數調整信號，該時間常數調整信號可以是數模轉換電路206的輸出信號。
圖4是圖3的電路的時序圖。下面，結合圖3、圖4來說明本申請實施例2的控制電路的工作原理。
輸出電壓通過電阻r1和r2被分壓，并輸入到放大器a1的反相輸入端中；放大器a1的正相輸入端被輸入參考電壓vref。
放大器a1的輸出連接有相位補償電容器c2，對電容c2充電。放大器a1的輸出還與導通時間控制單元2011的比較器cp1的反相輸入端連接。
在開關元件103導通期間，觸發器ff1的輸出端
比較器cp1比較放大器a1的輸出電壓與c3的電壓，如果一致，則重置觸發器ff1，使觸發器ff1的q端輸出低電平，從而終止開關元件103的導通期間，同時使q2導通，通過q2使c3放電。
通過該動作，斷開時刻控制單元201控制開關元件103的斷開時刻，以使輸出電壓成為由r1，r2，vref決定的特定值。
零電流檢測單元202的輸出與u1的一個輸入端連接。
如果u1的另一端的輸入為高電平時，通過零電流檢測電路202在檢測到零電流時輸出的高電平信號來設置ff1，使開關元件103導通。
在臨界周期較大的情況下，通過零電流檢測單元202決定開關元件103的導通時刻，通過斷開時刻控制單元201決定開關元件103斷開的斷開時刻，由此，圖3的開關電源設備能夠工作在普通的臨界模式下。
下面，以時刻t0到時刻t3的期間為例，來說明該開關電源設備工作在變動最高頻率模式下的動作。
在時刻t0，ff1的s端被輸入高電平信號，由此，ff1的q端輸出高電平，開關元件103導通。同時，u1輸出的高電平脈沖使開關q3導通一次，c4被放電，該高電平脈沖過后，q3斷開，i2給c4充電。并且，ff1的q端子輸出的高電平信號被計數器205分頻為數字信號，并且該數字信號被數模轉換電路206轉換為模擬信號，并作為時間常數調整信號被輸入到cp2的負端。
在時刻t1，c3的電壓超過a1的輸出電壓，cp1輸出高電平信號，ff1被復位，開關元件103斷開。
在時刻t2，c4充電的電壓超過時間常數調整信號的電壓，限制信號變為高電平。其中，t1-t2的期間為開關元件103從斷開時刻起的延時期間，在該期間內，限制信號為低電平，并且，在該期間內，即使零電流檢測電路202檢測到零電流，u1也繼續輸出低電平信號，所以開關元件103不被導通。
在時刻t3，零電流檢測電路202檢測到零電流，u1輸出高電平信號，所以開關元件103被導通，同時，q3再次被導通，使c4放電。并且，ff1的q端子輸出的高電平信號被計數器205分頻為數字信號，并產生新的時間常數調整信號。
在本實施例中，時刻t0和時刻t3的時間常數調整信號并不相同，也就是說，時間常數調整信號隨時間而變化，使得在瞬時電壓降低的情況下，開關頻率到達上限的時刻被分散，從而使輸入電流的變化平滑，實現輸入電流失真以及功率因數的改善。
此外，在本實施例中，如圖2所示，可以替代計數器205和數模轉換器206而設置振蕩電路207來生成可變的時間常數調整信號，由此，使得由時間常數調整信號決定的開關元件103的上限頻率變化。或者，可以固定cp2的負端的參考信號的電壓，而使用時間常數調整信號來調整電流源i2的充電電流，也能使開關元件103的上限頻率變化。
實施例3
本申請實施例3提供一種開關電源的控制方法，與實施例1和實施例2的控制電路對應，用于對圖1、圖2和圖3所示的開關電源中的開關元件進行控制。
圖10是本實施例3的控制方法的一個流程示意圖，如圖10所示，該方法包括：
s1001、根據基準電壓和輸出直流電壓之間的電壓差控制開關元件的斷開；
s1002、檢測流過電感器的電流為零的時刻；
s1003、根據時間常數調整信號生成限制信號，限制信號用于設定從所述開關元件斷開時刻起的延時期間，其中，所述時間常數調整信號的大小隨時間變化；以及
s1004、根據對所述電流為零的時刻的檢測結果和所述限制信號，控制所述開關元件的導通。
在本實施例中，步驟s1002檢測的所述電感器的電流為零的時刻是指所述電流 從大于零的值衰減為零的時刻。
在本實施例中，時間常數調整信號隨時間變化的周期可以小于交流電壓周期的一半。
根據本實施例的控制方法，能夠根據隨時間變化的時間常數調整信號來設定開關元件的導通時刻的延遲期間，由此，在瞬時電壓降低的情況下，開關頻率到達上限的時刻被分散，從而防止輸入電流不連續變化，實現輸入電流失真和功率因數的改善。
以上結合具體的實施方式對本申請進行了描述，但本領域技術人員應該清楚，這些描述都是示例性的，并不是對本申請保護范圍的限制。本領域技術人員可以根據本申請的精神和原理對本申請做出各種變型和修改，這些變型和修改也在本申請的范圍內。
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