CN101546961A - 降低了谐波电流的ac到dc电力变换方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了降低了谐波电流的AC到DC电力变换方法和装置。在一个方面中，积分器被耦合来接收电流感测信号并对电流感测信号求积分以产生第一输入信号，该电流感测信号表示降压变换器的开关中的电流。斜坡发生器被耦合来接收具有与开关相同的切换周期的振荡信号，并响应于振荡信号而生成分段线性斜坡信号。在开关的切换周期内，分段线性斜坡信号具有基本为零斜率的延迟段，之后是具有有限线性斜率的多条线段。乘法器将分段线性斜坡信号相乘以产生第二输入信号，并且驱动信号发生器被耦合来接收响应于第一和第二输入信号而生成的第三输入信号，以产生驱动信号，该驱动信号将被耦合来控制开关以充分调整降压变换器的输出电压。

Description

降低了谐波电流的AC到DC电力变换方法和装置
技术领域
本发明一般地涉及供电源(power supply)，更具体地涉及交流(AC)到直流(DC)的供电源。
背景技术
频率为AC电力线的基频(fundamental frequency)的倍数的电流是谐波电流。谐波电流对于电力生成和分配系统是一种负担。因此，管理机构(regulatory agency)对供电源从电力线所牵拉的谐波电流加以限制。
公知的是，开关供电源可被控制为使得输入电流与输入电压成正比，从而使得供电源对于电源(power source)而言表现为电阻。这些技术成功地在使用许多不同拓扑的开关供电源的输入处降低了谐波电流，这些不同拓扑例如是本领域已知的升压(boost)、升降压(buck-boost)、反向(flyback)和单端初级电感变换器(“SEPIC”)拓扑。在这些拓扑的每一个中，使得供电源对电源而言表现为电阻的技术足以使AC到DC供电源满足输入处低谐波电流的要求。
然而，使得供电源对电源而言表现为电阻的同一技术不满足在其应用于降压开关变换器拓扑时对低谐波电流的要求。尽管其他变换器拓扑可以在AC输入电压的整个循环(cycle)期间从输入获得电流，但是降压变换器仅在输入电压大于输出电压时从输入获得电流。因此，供电源仅在AC输入电压的循环的一部分期间表现为电阻，并且在其他时间表现为开路。结果，AC输入具有高于可接受的谐波电流。
附图说明
将通过附图中所示的示例性实施例(并非限制)来描述本发明，在附图中相似的标号表示类似的元件，并且其中：
图1示出了根据本发明的教导的使用本发明的一个示例来降低从AC电源牵拉的谐波电流的AC到DC供电源的一个示例；
图2更详细地示出了根据本发明的教导的、图1的供电源的示例控制器；
图3示出了根据本发明的教导的、包括控制器的元件细节的AC到DC供电源的另一示例；
图4给出了根据本发明的教导的、具有用于一个示例的值的延迟分段线性斜坡(delayed piecewise linear ramp)的示例突出特征；以及
图5是示出根据本发明的教导的示例方法的流程图。
具体实施方式
这里公开了用于利用新颖的控制器在使用开关电力变换器的AC到DC供电源的输入出降低谐波电流的电路和方法的示例。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对本发明的全面理解。然而，本领域普通技术人员将会清楚，实施本发明不必采用这些具体细节。在其他实例中，公知的素材或方法未被详细描述，以避免模糊本发明。
整个说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及表示结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例或示例中。因此，在整个说明书的各处出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“在一个示例中”或者“在示例中”不一定都指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以任何合适的方式结合。
许多AC-DC供电源要求具有包括低谐波含量的AC输入电流。将AC电压改变为DC电压的简单低成本电路通常给出不可接受的结果，这是因为在作为AC电力线的基频的倍数的频率处这些电路的AC输入电流包含大的幅度。
将要描述，在本发明的一个示例中，这里为了说明目的而公开的方法和装置使用开关电流和具有专门特性的延迟分段线性斜坡信号的整体，以使得使用降压变换器拓扑的AC到DC供电源满足在其输入端对低谐波电流的要求。在另一示例中，延迟分段线性斜坡也可以控制反向变换器或者任何其他合适的电力变换器拓扑，以满足对根据本发明教导的AC到DC供电源的输入处对降低的谐波电流的要求。
因此，图1是示出AC到DC供电源100的示例的功能框图，AC到DC供电源100控制开关变换器以满足在AC输入处对低谐波电流的要求。整流器110接收具有电压VAC的AC输入105，以在小的滤波电容C1 115上产生整流后的DC电压VRECT 120。在图1的示例中，整流器110是全波桥式整流器。整流后的DC电压VRECT 120是相对于公共输入返回点(return)180测量的。在本示例中，电容C1 115足够大以提供对高频开关电流或开关电流ID 150的存储库，但足够小以使得整流后的DC电压VRECT 120在AC输入105处的电压VAC的每个循环期间两次基本变为零。
本领域技术人员将会认识到，图1中的二极管D1 125、电感L1 130、电容C2 135、开关S1 160和负载145的示例配置是具有低端开关(low-side switch)的降压变换器。低端开关具有处于一电位的开关一端，该电位是与输入返回点180相同的电位。输入返回点180是整流器110的负DC端。在图1的示例中，具有低端开关的降压变换器在其输入处接收整流后的DC电压VRECT 120。
在一替代实施例中，具有高端开关而非低端开关的降压变换器可以在其输入处接收整流后的DC电压VRECT 120。高端开关具有处于一电位的开关一端，该电位是与整流器110的正DC端相同的电位。
在其他示例中，具有变压器隔离的电力变换器的公知配置也可受益于本发明的实施例的教导。具有变压器隔离的降压变换器的一个示例是单开关正向(forward)变换器。
具有变压器隔离和多个开关的降压变换器配置可通过感测多个开关中的电流而受益于本发明的教导。使用具有多个开关的变压器隔离的降压变换器配置的示例是双开关正向变换器、推挽降压变换器、半桥降压变换器和全桥降压变换器。
根据本发明的各种示例，电力变换器的不同配置在其输入处接收整流后的DC电压VRECT。可以知道，二极管D1 125的功能有时可以用开关实现，并且S1 160(不管是低端的还是高端的，也不管是单个开关还是多个开关之一)是传导去往或来自整流后的DC电压VRECT 120的电流的开关。
图1的示例中具有低端开关的降压变换器在输出电容C2 135和负载145上产生输出电压VO 140。在本示例中，控制器165利用一对电压感测端子170来感测输出电容C2 135和负载145上的输出电压VO 140。控制器165还感测开关S1 160中的开关电流ID 150作为感测到的电流信号155。
可使用感测电流的许多已知方式的任何一种来产生感测到的电流信号155。例如，可利用变流器(current transformer)来感测开关电流ID 150以产生感测到的电流信号155作为电压或电流。在另一示例中，开关电流ID150可被感测为分立电阻两侧的电压。在又一示例中，开关电流ID 150可被感测为用作开关S1 160的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的源极和漏极之间的电压。在一个示例中，控制器165和开关S1 160在同一集成电路上。
在图1的示例中，控制器165产生驱动信号175，驱动信号175控制或者周期性地打开和关闭开关S1 160以充分调整输出电压VO 140，同时在AC输入105处维持低谐波电流。
图2是更详细地示出根据本发明的教导的、图1的示例供电源的控制器165的一个示例的功能框图200。如图所示，感测到的开关电流IDSENSE205可被可复位(resetable)积分器210接收。在本示例中，可复位积分器210是在接收到复位信号时可被初始化的积分器。可复位积分器210在开关S1 160关闭的时间期间对感测到的电流IDSENSE 205求积分以产生第一输入信号，也可称为积分电流信号225。在本示例中，打开的开关不传导电流。关闭的开关可以传导电流。在一个示例中，当开关S1 160打开时，可复位积分器210被复位到零的初始状态。在图2的示例中，积分电流信号225是电压VINT。
在图2的示例中，差分放大器290接收电压感测端子170处的输出电压VO 140。差分放大器290缩放(scale)输出电压VO 140的大小以产生输出感测电压VOS 295，输出感测电压VOS 295与输出电压VO 140成比例并且以公共输入返回点180为基准。
误差信号是表示实际值与所需值之间的差的信号。实际值和所需值都与基准值成比例。在图2的示例中，误差放大器280被耦合来从差分放大器290接收与供电源的输出电压成比例的输出感测电压。误差放大器280然后产生误差信号275，误差信号275是输出感测电压VOS 295与基准电压VREF 285之间经放大的差。在图2的示例中，误差信号275是误差电压VE。基准电压VREF 285与输出电压VO 140的所需值成比例。图2中的误差放大器280包括降低对高频信号的放大的低通滤波器。在图2的示例中，放大的降低影响了高于图1的AC输入电压VAC 105的一部分频率的频率。因此，误差信号275VE实质上表示在图1的AC输入电压VAC 105的若干循环的时间段上经过平均的、输出电压VO 140的实际值和所需值之间经放大的差。
在所示示例中，振荡器电路240提供用于切换开关S1 160的信号和定时信息。来自振荡器电路240的时钟信号245确定切换循环的切换周期TS。切换循环的切换周期TS通常比AC输入105处的电压的一个循环的周期小得多。在一个示例中，切换循环的切换周期TS大约是16微秒，而AC输入105处的电压循环的周期大约是16毫秒。因此，在一个示例中，开关在AC输入105处的电压的一个循环期间大约切换1000次。
在图2的示例中，振荡器电路240产生与时钟信号245具有相同切换周期TS的信号250。斜坡发生器或者斜坡发生器电路255接收信号250以产生斜坡信号260，根据该示例，斜坡信号260是与时钟信号245具有基本上相同的切换周期TS的电压VRAMP。斜坡信号260的特征将在本公开中稍后讨论。在图2的示例中，斜坡发生器电路255从信号250的多个部分中构建斜坡信号260。在另一示例中，不同的斜坡发生器电路可以仅从时钟信号245来构建斜坡信号260。
在所示示例中，乘法器电路265接收作为误差电压VE的误差信号275和作为电压VRAMP的斜坡信号260。乘法器电路265产生经缩放的斜坡信号270，经缩放的斜坡信号270是误差信号275VE和斜坡信号260VRAMP的积除以归一化电压(normalizing voltage)VNORM。因此，在图2的示例中，乘法器电路265的输出是与斜坡信号260成比例的电压kVRAMP。经缩放的斜坡信号270因此响应于斜坡信号VRAMP和误差信号275VE二者。
在所示示例中，比较器235接收在图2中被示出为积分电流信号225VINT的第一输入信号和在图2中被示出为经缩放的斜坡信号270的电压kVRAMP的第二输入信号。在图2中，当积分电流信号225VINT的电压超过经缩放的斜坡信号270的电压kVRAMP时，比较器235的输出变为高逻辑电平。
在图2的示例中，驱动信号发生器也可被称为触发器220，其被配置为在其时钟输入端接收时钟信号245、在其D输入端接收作为高逻辑电平的偏置电压VBIAS 230并且在其复位输入端接收比较器235的输出的锁存器。触发器220的输出Q是开关S1 160的驱动信号175。在所示示例中，当驱动信号175是高逻辑电平时，开关S1 160被关闭。当驱动信号175是低逻辑电平时，开关S1 160被打开。
因此，在所示示例中，触发器220被耦合来接收响应于积分电流信号225和经缩放的斜坡信号270二者而生成的输入，以产生驱动信号175，驱动信号175将被耦合来控制开关S1 160以充分调整供电源的输出电压VO 140。
可复位积分器210在其复位输入端接收触发器220的互补输出215。因此，当开关S1 160打开时，可复位积分器210被复位。
接下来，图3示出了根据本发明的教导的、具有控制器165的另一示例的AD到DC供电源300的另一示例。在图3的AC到DC供电源300示例中，在无需图2的差分放大器290的情况下感测输出电压VO 140。图3的AC到DC供电源使用耦合电感305上的感测绕组340来感测输出电压VO 140。根据所示示例，二极管D2 330对感测绕组340上出现的电压进行整流，以使得电容器C4 335充电至输出感测电压VOS295，输出感测电压VOS 295以公共输入返回点180为基准并且与输出电压VO 140成比例。
在图3的示例中，电流感测信号155被可复位积分器325接收。可复位积分器325包括大小为IDSENSE的电流源310，其中大小IDSENSE与开关电流ID 150成比例。电流源310对电容C3 320充电以产生作为电压VINT的积分电流信号225。当触发器220的互补输出端的信号215变为高时，开关S2 315将积分电流信号225复位为零。在图3的示例中，开关S1 160和S2 315是MOSFET。
图4是示出根据本发明的教导的斜坡信号260的一个示例的特征的曲线图400。曲线图400的纵轴示出了最大幅度被归一化为值1的斜坡信号260的相对幅度。曲线图400的横轴示出了作为总的切换周期的百分比的在切换周期开始之后的时间。0％对应于周期的开始，并且100％对应于周期的结束。
如所描绘的示例所示，斜坡信号260包括基本为直线的多段。因此，曲线图400中的示例斜坡信号260是分段线性的。曲线图400中的示例斜坡信号260中的每条直线是一线段。在曲线图400中，既不是水平的(零斜率)也不是垂直的(无限大斜率)的线段具有有限的线性斜率。斜坡信号260的具有有限的线性斜率的各线段在水平线段440之后，水平线段440在斜坡信号260的最大幅度处具有零斜率。水平线段440构成了切换周期的开始和具有有限线性斜率的第一线段之间的延迟。因此，斜坡信号260被称为延迟分段线性斜坡。
具有有限斜率的分段线性斜坡信号260的每一段是斜坡的线段。图4的示例示出了包括具有以下有限线性斜率的三条线段的延迟分段线性斜坡：SLOPE1 410、SLOPE2 420和SLOPE3 430。在其他示例中，斜坡信号260可以包括多于三个的具有有限线性斜率的线段或者少于三个的具有限性斜率的线段。
曲线图400示出了：示例斜坡信号260在其最大值处开始并且维持其最大值直到其值在点405处开始减小为止。点405标出了在一个示例中出现在切换周期的大约5.5％已经过去时的延迟结束。在点405处的延迟之后，斜坡信号260的幅度以线性斜率SLOPE1 410减小，直到其在切换周期的约53％处达到约是最大幅度的0.272倍的点415为止。从点415开始，斜坡信号260的幅度以线性斜率SLOPE2 420减小，直到其在切换周期的约75％处达到约是最大幅度的0.139倍的点425为止。从点425开始，斜坡信号260的幅度以线性斜率SLOPE3 430减小，直到其在切换周期的约99％处达到约是最大幅度的0.059倍的点435为止。可以知道，在其他示例中，点405、415、425和435处的大小和时间的值可以不同于图4的示例中的值，以针对特定应用来实现AC-DC供电源的所需特性。
最后，图5示出了流程图500，流程图500示出了根据本发明的教导的示例方法。在框510中开始之后，在框520中，积分器被初始化。然后在框530中，电力开关关闭。接下来，在本示例中，在框540中，积分器对电力开关中的电流求积分。在框550中，生成斜坡信号。接下来，在框560中，从感测到的输出电压和一基准来生成误差信号。在框570中，根据误差信号来缩放斜坡信号的幅度。在判定框580中，积分电流信号的幅度与经缩放的斜坡信号的幅度相比较。如果积分电流信号小于经缩放的斜坡信号，则在框540中继续积分。如果积分电流信号不小于经缩放的斜坡信号，则在框590中开关打开。在框520中，积分器再次被初始化，并且流程重复。
在前述详细描述中，参考本发明的具体示例性实施例描述了本发明的方法和装置。然而，显而易见的是，可以对其作出各种修改和改变而不脱离本发明较宽的精神和范围。因此说明书和附图被认为是说明性而非限制性的。

Claims (20)

1.一种用在降压变换器中的控制器，包括：
积分器，被耦合来接收电流感测信号，该电流感测信号表示所述降压变换器的开关中的电流，该积分器对所述电流感测信号求积分以产生第一输入信号；
斜坡发生器，被耦合来接收与所述开关具有相同的切换周期的振荡信号，该斜坡发生器响应于所述振荡信号而生成分段线性斜坡信号，在所述开关的切换周期内，该分段线性斜坡信号具有基本为零斜率的延迟线段，之后是具有有限线性斜率的多条线段；
乘法器，将所述分段线性斜坡信号相乘以产生第二输入信号；以及
驱动信号发生器，被耦合来接收响应于所述第一输入信号和第二输入信号而生成的第三输入信号，以产生驱动信号，该驱动信号将被耦合来控制所述开关以充分调整所述降压变换器的输出电压。
2.如权利要求1所述的控制器，其中，约从所述切换周期的开始到所述切换周期的大约5.5％已经过去为止，所述延迟线段基本处于所述分段线性斜坡信号的最大幅度。
3.如权利要求1所述的控制器，其中，在所述切换周期内，所述延迟线段之后是具有有限线性斜率的大约三条线段。
4.如权利要求1所述的控制器，其中，第一线段在所述分段线性斜坡信号的大约最大幅度处开始，并且在所述分段线性斜坡信号的基本为最大幅度的大约0.272倍处结束。
5.如权利要求1所述的控制器，其中，第二线段在大约第一线段的结束处开始，并且在所述分段线性斜坡信号的基本为最大幅度的大约0.139倍处结束。
6.如权利要求1所述的控制器，其中，第三线段在大约第二线段的结束处开始，并且在所述分段线性斜坡信号的最大幅度的大约0.059倍处结束。
7.如权利要求1所述的控制器，其中，第一线段在所述延迟线段的大约结束处开始，并且在所述切换周期的大约53％已经过去时结束。
8.如权利要求1所述的控制器，其中，第二线段在第一线段的大约结束处开始，并且在所述切换周期的大约75％已经过去时结束。
9.如权利要求1所述的控制器，其中，第三线段在第二线段的大约结束处开始，并且在所述切换周期的大约99％已经过去时结束。
10.如权利要求1所述的控制器，其中，所述开关与所述控制器包括在同一集成电路中。
11.如权利要求1所述的控制器，其中，所述开关是所述降压变换器的低端开关。
12.如权利要求1所述的控制器，其中，所述降压变换器包括变压器隔离。
13.如权利要求1所述的控制器，其中，所述乘法器被耦合来生成经缩放的斜坡信号，所述经缩放的斜坡信号响应于所述分段线性斜坡信号和表示所述降压变换器的输出电压中的误差的误差信号。
14.如权利要求13所述的控制器，其中，所述降压变换器包括耦合电感上的感测绕组，以感测用于产生所述误差信号的输出感测电压。
15.如权利要求1所述的控制器，还包括振荡器，该振荡器被耦合来生成所述振荡信号和时钟信号，所述振荡信号被耦合来被所述斜坡发生器接收，并且所述时钟信号被耦合来被所述驱动信号发生器接收。
16.一种控制降压变换器的方法，包括：
对表示所述降压变换器的开关中的电流的信号求积分，以产生积分电流信号；
响应于分段线性斜坡信号和误差信号来生成经缩放的斜坡信号，所述误差信号是响应于所述降压变换器的输出电压而生成的，其中在所述开关的切换周期内，所述分段线性斜坡信号包括基本为零斜率的延迟线段，之后是具有有限线性斜率的多条线段；以及
将所述经缩放的斜坡信号与所述积分电流信号相比较，以产生驱动信号来控制所述开关以充分调整所述降压变换器的输出电压。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述分段线性斜坡信号包括：约从所述切换周期的开始到所述切换周期的大约5.5％已经过去为止，基本处于所述分段线性斜坡信号的最大幅度的延迟线段。
18.如权利要求16所述的方法，其中，所述分段线性斜坡信号包括：在所述切换周期的大约5.5％已经过去之后开始的第一线段。
19.如权利要求16所述的方法，其中，所述分段线性斜坡信号包括：在所述切换周期的大约53％已经过去之后开始的第二线段。
20.如权利要求16所述的方法，其中，所述分段线性斜坡信号包括：在所述切换周期的大约75％已经过去之后开始的第三线段。
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