CN101151787B - 开关式电源、用于开关式电源的控制器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种电源，包括PFC级(6)和SMPS级(8)。所述电源可以在正常模式下操作，在正常模式下，PFC级向SMPS级供应电压。在待机模式下，PFC级以触发方式操作，以向SMPS级供应低电压，所述低电压足够高，以使当SMPS级需要供应负载时，SMPS级能够迅速响应。

Description

开关式电源、用于开关式电源的控制器及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种开关式电源、一种操作开关式电源的方法、以及一种用于切换开关式电源的控制器。
背景技术
开关式电源广泛地用于在诸如电视、自己独立支撑的电源适配器等应用中提供电压。
如果输入电压被固定到合理的限度内，则可以为了成本和性能而优化开关式电源(SMPS)。这可以在SMPS的前面使用功率因子校正(PFC)电路来提供固定的电压而实现。通常，PFC电路是升压变换器，所述升压变换器用于供应比它的输入电压高的输出电压。
经常需要电源在待机模式下操作，在待机模式下，SMPS应该连续供应输出电压，但输出电压的负载电平很低。在这些情形下，PFC级可以被切断，于是PFC级的输出与整流的输入电压相同。
因为之后SMPS将需要从整流的电源电压而不是从PFC的正常输出电压送出输出功率，所以当负载被再次连接时这导致问题。这个整流的电源电压可显著小于正常的输出电压。
在短暂的过渡期之后，PFC将能够送出它的正常输出电压，SMPS将能够从由PFC供应的正常电压来供应负载。然而，在过渡期中，SMPS将需要从低输入电压供应全载。为了实现这一点，可能需要更高规格的SMPS来避免在SMPS的输出上获得与从PFC的正常输出电压供应负载所需的压降相比不可接受的电压降。例如，SMPS中的变压器可能需要更大，或者SMPS中的开关可能需要具有更高的额定电流。
这个仅仅为了处理过渡期而对大功率SMPS的需求增加了产品的成本，而增加成本是期望避免的。
发明内容
根据本发明，提供了一种电源，包括：
功率因子校正级，所述功率因子校正级具有功率输入和功率输出，所述功率输入用于接收输入功率，所述功率输出用于以功率因子输出级电压输出输出功率；
开关式功率级，所述开关式功率级具有输出端和输入端，所述输出端用于以供应电压向负载供应输出功率，所述输入端连接到所述功率因子校正级的所述功率输出，用于以所述功率因子输出级电压接收功率；
其中，所述电源布置成可以在正常模式和待机模式之间切换；
所述电源进一步包括控制器，所述控制器用于在正常模式下控制所述功率因子校正级使得所述功率因子校正级向所述开关式功率级供应正常功率因子输出级电压，并且在待机模式下控制所述功率因子校正级使得所述功率因子校正级以触发模式操作，以供应在正常功率因子输出级电压以下的电压范围内的功率，其中，
所述控制器(64)被布置成：在待机模式中，当功率因子输出级电压下降到低触发电平以下时，接通所述功率因子校正级(6)使得所述功率因子校正级以触发模式操作，当功率因子输出级电压上升到高触发电平以上时，截止所述功率因子校正级(6)使得所述功率因子校正级结束触发模式，所述高触发电平高于所述低触发电平，所述高触发电平和所述低触发电平都在所述正常功率因子输出级电压以下。
通过以比正常电压低的输出电压在触发模式下操作所述功率因子校正级，当所述电源突然需要再次驱动全载时，所述电源能够在输出电压没有突降或者不需要增强容量的SMPS级的情况下进行响应。
所述功率因子校正级可以是开关式升压电路。
在实施例中，所述控制器被布置成在正常模式下控制所述功率因子校正级使得所述功率因子校正级向所述开关式功率级供应正常功率因子输出级电压，以及在待机模式下控制所述功率因子校正级使得所述功率因子校正级以触发模式操作，从而以在所述正常功率因子输出级电压以下的范围内的电压供应功率。
所述控制器可以包括：
双稳态器件，所述双稳态器件的输出用于控制所述功率因子校正级是否处于触发模式；
第一比较器，用于将所述功率因子输出级电压与所述低触发电平作比较，所述第一比较器连接到所述双稳态器件，以当所述功率因子输出级电压下降到所述低触发电平以下时将所述双稳态器件切换到触发模式；以及
第二比较器，用于将所述功率因子输出级电压与所述高触发电平作比较，所述第二比较器连接到所述双稳态器件，以当所述功率因子输出级电压上升到所述高触发电平以上时将所述双稳态器件切换出触发模式。
在另一方面，本发明涉及一种用于电源的开关控制器，所述电源具有开关式功率级，在连接线上的功率因子校正级输出作为所述开关式功率级的输入，所述开关控制器包括：
输入，所述输入直接或间接地连接到连接线，以将所述连接线上的功率因子输出级电压输入到所述开关控制器；
控制器输出，用于切换所述功率因子校正级；以及
控制级，被布置成在正常模式下操作以控制所述功率因子校正级，从而向所述开关式功率级供应正常功率因子输出级电压，以及控制所述功率因子校正级以触发模式在待机模式下操作，从而以在所述正常功率因子输出级电压以下的范围内的电压供应功率，其中，
所述控制器(64)被布置成：在待机模式中，当功率因子输出级电压下降到低触发电平以下时，接通所述功率因子校正级(6)使得所述功率因子校正级以触发模式操作，当功率因子输出级电压上升到高触发电平以上时，截止所述功率因子校正级(6)使得所述功率因子校正级结束触发模式，所述高触发电平高于所述低触发电平，所述高触发电平和所述低触发电平都在所述正常功率因子输出级电压以下。
本发明还涉及一种操作电源的方法，所述电源具有功率因子校正级和开关式功率级，所述开关式功率级以所述功率因子校正级的输出作为输入，所述方法包括：
在正常模式和待机模式之间切换所述电源；
在正常模式下操作所述功率因子校正级，以使得所述功率因子校正级向所述开关式功率级供应正常功率因子输出级电压；以及
在待机模式下以触发模式操作所述功率因子校正级，使得所述功率因子校正级向所述开关式功率级供应在所述正常功率因子输出级电压以下的范围内的电压，其中，
当所述功率因子校正级向所述开关式功率级供应的功率因子输出级电压下降到低触发电平以下时，接通所述功率因子校正级(6)使得所述功率因子校正级以触发模式操作；并且
当所述功率因子输出级电压上升到高触发电平以上时，截止所述功率因子校正级(6)使得所述功率因子校正级结束触发模式，所述高触发电平高于所述低触发电平，所述高触发电平和所述低触发电平都在正常功率因子输出级电压以下。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在将参照附图来描述实施例，其中：
图1示出了根据本发明实施例的具有功率因子校正电路和开关式电源电路的电源；
图2示出了图1的实施例中的电路的切换；
图3示出了图1中的实施例的电路的部分。
在不同的图中，相同的元件用相同的标号表示。
具体实施方式
图1概括地示出了具有AC输入2、整流器4、功率因子校正(PFC)级6和提供输出10的开关式电源(SMPS)级8的本发明的实施例。
PFC是升压变换器，具有连接到整流器4的输入22和连接到SMPS级8的输出24。电感器12和二极管14被串联设置在输入22和输出24之间的第一线26上，电容器16被设置成跨接于输出。由开关控制器20控制的开关18被设置成：开关的一端连接到电感器和二极管之间的节点，开关的另一端连接到输入之2和输出24之间的另一线28。
SMPS级8是在图1中示意性示出的传统的开关电源，具有通过连接32连接到PFC级的输入30。
图2示出了正常操作(40)期间和待机模式(42)中的波形。该图(从上到下)示出了PFC输出电压(即，连接器32两端的电压)、整流的电源输入电压(即，PFC级的输入22处的电压)、指示PFC是否被激活的信号、以及负载。
在正常操作中，为了使SMPS级能够供应负载，PFC级正常操作以供应恒定的正常输出电压。可以理解，在这个模式下，开关18被快速地接通，以实现所需的电压，这对升压变换器领域的技术人员是公知的。
当负载去除时，在待机模式中，PFC级切换到触发模式，在触发模式中，PFC只当PFC输出电压下降到低触发电平以下时导通，然后当输出电压上升到高触发电平以上时又截止。在PFC导通的时间期间，PFC中的开关迅速接通以增加电容器16两端的电压，因而增加PFC级的输出端24上的电压。
因此，在待机模式中的PFC输出电压保持在低触发电平和高触发电平之间，在正常模式下为PFC输出电压以下的电平，但是处于如果PFC完全截止时PFC输出电压将会下降到的电平以上的电平。
图3的电路示出了这一点怎样可以被实现。
第一比较器50将PFC输出电压与低触发电平作比较，第二比较器52将PFC输出电压与高触发电平作比较。第一比较器50的输出和第二比较器52的输出分别提供到用作双稳态器件的触发器54的置位端56和复位端58。
触发器54的输出提供到OR门60，OR门60对触发器54的输出与指示正常操作的正常模式操作线66上的信号进行逻辑OR运算并输出。这个正常模式操作线66连接到SPMS级8的控制输出(未示出)。因此，当正常操作信号施加到线66时或者在输出的电压下降到低触发电平以下以后，PFC操作，直到电压超过高触发电平。
开关级62提供当PFC激活时提升电压所需的快速切换。OR门60的输出提供控制开关级62是否操作的信号。因此，实质上，当电源处于正常模式或者可选地当电源处于待机模式并且电压在所需的限度之外时，PFC电路处于操作、快速切换模式。
如果在待机模式期间PFC根本不导通，则连接32上的电压将下降到等于整流器4产生的平滑的电压电平的电平。使用本发明，PFC输出电压保持在更高的电平，因而使得在SMPS级开始不得不驱动负载之后很快地恢复SMPS的正常操作。
由于在待机模式期间PFC只以触发的方式短暂地操作，所以在待机期间吸收的功率没有增加太多。在操作期间，PFC开关18被快速地接通和截止，以如同在正常的升压变换器操作中一样地驱使电压上升。
适宜的是，低触发电平恰好在SMPS级供应正常操作负载所需的正常最小输入以上。
在图3的虚线内示出的电路64用作控制器64，并且可以实施成作为单独级的单独的集成电路或芯片，或者其功能可以被集成到PFC级6和SMPS级8中。电路64的输入68用作这样的输入，通过该输入连接线32上的电压被提供到电路64。OR门的控制器输出70控制开关控制器62，开关控制器62可以根据需要合并到控制器64或者电源因子校正级6中。比较器50、比较器52、触发器54和门60共同组成控制开关控制器62的控制级。
虽然使用了术语“待机”模式，但是这个术语旨在也包括低功率操作状态，所述低功率操作状态不是真正的待机状态，只是几乎不吸收功率或者不吸收功率的状态。
本发明适用于使用开关式电源的任何应用，特别包括具有待机模式的消费电子产品例如笔记本适配器、LCD TV或监视器、CRT TV或监视器等。
本发明也适用于AC电源输入电压从低至70V AC到高至276V AC变化的通用电源应用。可能出现更高的电源输入电压，PFC级在根本不接通的情况下将SMPS级的电压维持在低触发限度以上。在这种情况下，由于电压已经在需要的范围内，所以PFC在待机模式期间将根本不接通。
本领域技术人员将明白，上述实施例存在多种变型，并且本发明不限于这个实施例。
特别地，PFC级和SMPS级的级类型可以根据需要而改变。

Claims (6)

1.一种电源，包括：
功率因子校正级(6)，所述功率因子校正级(6)具有功率输入(22)和功率输出(24)，所述功率输入(22)用于接收输入功率，所述功率输出(24)用于以功率因子输出级电压输出输出功率；
开关式功率级(8)，所述开关式功率级(8)具有输出端(10)和输入端(30)，所述输出端(10)用于以供应电压向负载供应输出功率，所述输入端(30)连接到所述功率因子校正级(6)的所述功率输出(24)，用于以所述功率因子输出级电压接收功率；
其中，所述电源布置成可以在正常模式和待机模式之间切换；
所述电源进一步包括控制器(64)，所述控制器(64)用于在正常模式下控制所述功率因子校正级(6)使得所述功率因子校正级向所述开关式功率级(8)供应正常功率因子输出级电压，并且在待机模式下控制所述功率因子校正级(6)使得所述功率因子校正级以触发模式操作，以供应在正常功率因子输出级电压以下的电压范围内的功率，其中，
所述控制器(64)被布置成：在待机模式中，当功率因子输出级电压下降到低触发电平以下时，接通所述功率因子校正级(6)使得所述功率因子校正级以触发模式操作，当功率因子输出级电压上升到高触发电平以上时，截止所述功率因子校正级(6)使得所述功率因子校正级结束触发模式，所述高触发电平高于所述低触发电平，所述高触发电平和所述低触发电平都在所述正常功率因子输出级电压以下。
2.根据权利要求1所述的电源，其中，所述功率因子校正级(6)是开关式升压电路。
3.根据权利要求1或2所述的电源，其中，所述控制器包括：
双稳态器件(54)，所述双稳态器件(54)的输出连接到所述功率因子校正级，以控制所述功率因子校正级是否处于触发模式；
第一比较器(50)，用于将所述功率因子输出级电压与所述低触发电平作比较，所述第一比较器连接到所述双稳态器件，以当所述功率因子输出级电压下降到所述低触发电平以下时将所述双稳态器件切换到触发模式；以及
第二比较器(52)，用于将所述功率因子输出级电压与所述高触发电平作比较，所述第二比较器连接到所述双稳态器件，以当所述功率因子输出级电压上升到所述高触发电平以上时切换所述双稳态器件以结束触发模式。
4.一种用于电源的开关控制器(64)，所述电源具有功率因子校正级(6)和开关式功率级(8)，所述开关式功率级(8)的输入在连接线(32)上连接到所述功率因子校正级(6)的输出，所述开关控制器包括：
输入(68)，所述输入(68)直接或间接地连接到连接线(32)，以将所述连接线(32)上的功率因子输出级电压输入到所述开关控制器(64)；
控制器输出(70)，用于切换所述功率因子校正级(6)；以及
控制级(50、52、54)，被布置成在正常模式下控制所述功率因子校正级使得所述功率因子校正级向所述开关式功率级供应正常功率因子输出级电压，以及在待机模式下控制所述功率因子校正级使得所述功率因子校正级以触发模式操作，从而以在所述正常功率因子输出级电压以下的范围内的电压供应功率，其中，
所述控制器(64)被布置成：在待机模式中，当功率因子输出级电压下降到低触发电平以下时，接通所述功率因子校正级(6)使得所述功率因子校正级以触发模式操作，当功率因子输出级电压上升到高触发电平以上时，截止所述功率因子校正级(6)使得所述功率因子校正级结束触发模式，所述高触发电平高于所述低触发电平，所述高触发电平和所述低触发电平都在所述正常功率因子输出级电压以下。
5.根据权利要求4所述的开关控制器，其中，所述控制级(50、52、54)包括：
双稳态器件(54)，所述双稳态器件(54)具有用于控制所述功率因子校正级是否处于触发模式的输出；
第一比较器(50)，用于将所述功率因子输出级电压与所述低触发电平作比较，所述第一比较器连接到所述双稳态器件，以当所述功率因子输出级电压下降到所述低触发电平以下时将所述双稳态器件切换到触发模式；以及
第二比较器(52)，用于将所述功率因子输出级电压与所述高触发电平作比较，所述第二比较器连接到所述双稳态器件，以当所述功率因子输出级电压上升到所述高触发电平以上时切换所述双稳态器件以结束触发模式。
6.一种操作电源的方法，所述电源具有功率因子校正级(6)和开关式功率级(8)，所述开关式功率级(8)以所述功率因子校正级(6)的输出作为输入，所述方法包括：
在正常模式和待机模式之间切换所述电源；
在正常模式下操作所述功率因子校正级(6)，使得所述功率因子校正级向所述开关式功率级(8)供应正常功率因子输出级电压；以及
在待机模式下以触发模式操作所述功率因子校正级(6)，使得所述功率因子校正级向所述开关式功率级(8)供应在所述正常功率因子输出级电压以下的范围内的电压，其中，
当所述功率因子校正级向所述开关式功率级供应的功率因子输出级电压下降到低触发电平以下时，接通所述功率因子校正级(6)使得所述功率因子校正级以触发模式操作；并且
当所述功率因子输出级电压上升到高触发电平以上时，截止所述功率因子校正级(6)使得所述功率因子校正级结束触发模式，所述高触发电平高于所述低触发电平，所述高触发电平和所述低触发电平都在正常功率因子输出级电压以下。
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