CN102468741A

CN102468741A - 整流电路

Info

Publication number: CN102468741A
Application number: CN2010105396492A
Authority: CN
Inventors: 夏春华; 彭子欣
Original assignee: Inventec Corp
Current assignee: Inventec Corp
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2010-11-08
Publication date: 2012-05-23
Also published as: US20120112719A1

Abstract

本发明提供了一种整流电路，包括：开关电路，具有一输入端、一输出端及一控制端，其输入端接收输入电压；控制电路，电性连接开关电路的控制端，当负载电流小于基准电流时，整流电路处于轻载状态，该控制电路降低开关电路的开关频率；以及滤波电路，电性连接在开关电路的输出端及整流电路的输出端之间，包括至少一电感组件，其电流由负载电流和一纹波电流叠加而成，当负载电流小于基准电流时，电感组件的电感值随负载电流的减小而增大，从而减小纹波电流的幅值，进而减小输出电压的纹波。采用本发明的整流电路，无需增加额外的电容元件，既可提高电源供应器的轻载降频效率，又可有效减少该整流电路输出电压中的纹波电压分量。

Description

整流电路

技术领域

本发明涉及一种整流电路，且特别涉及一种可提高轻载效率且减小波纹电流幅值的整流电路。

背景技术

如今，各类电子产品功能设计日渐复杂，且为满足电子产品工作所需的各种电源技术发展也十分迅速。目前的电子产品大多采用开关电源，包括AC/DC转换器、DC/DC转换器等，与传统的线性电源相比，开关电源的突出优点是转换效率高，一般可达到80％，甚至可达到90％以上。然而其缺点在于其处于高频工作状态，输出的纹波电压比较大。

在现有的开关电源中，同步整流BUCK(降压)型开关电源运用最为广泛，其中不仅存在MOSFET的导通与截止、感性元件的电能储存与释放以及电容器充放电等因素而产生较大的纹波电流，这也必然导致该开关电源输出端出现较大噪声或降低输出电压的效率。同时，开关电源也必须满足其适用的电子设备在不同工作情形下提供电能的需求，以服务器为例，当服务器分别处于高速运行状态或长时间处于待机状态时，同步整流BUCK(降压)型开关电源也需分别满足重载与轻载效率，以实现节能减耗。

目前业内普遍采用降低开关电源开关频率的方法，以提高电源的轻载效率。然而，降低开关频率虽降低了开关损耗，但导致开关导通时间增加，加大了该电源的纹波电压的产生，并由此导致更大的功耗。为弥补上述缺陷，现有技术中的一种解决方案是，在开关电源中增加更多数量的电容，以减小波纹电压，却又增加了生产成本。

因此，有必要提供一种新的、含有开关电路的整流系统，既兼顾直流电源供应器的轻载效率，又可减小输出电压中的纹波电压分量。

发明内容

有鉴于此，本发明的首要目的，在于提出一种整流电路，可在提高轻载降频效率的同时减小纹波电压。

根据本发明的一个方面，提供了一种整流电路，其输出端电性连接一负载，该整流电路根据一输入电压输出一输出电压至该负载，并根据该负载产生一负载电流，该整流电路包括：

开关电路，具有一输入端、一输出端及一控制端，所述开关电路的输入端接收所述输入电压；

控制电路，电性连接所述开关电路的控制端，用于控制所述开关电路的脉宽以调整所述输出电压，当所述负载电流小于一基准电流时，所述整流电路处于轻载状态，所述控制电路降低所述开关电路的开关频率，从而降低所述开关电路的开关损耗；以及

滤波电路，电性连接在所述开关电路的输出端及所述整流电路的输出端之间，所述滤波电路包括至少一电感组件，所述电感组件的电流由所述负载电流和一纹波电流叠加而成，当所述负载电流小于所述基准电流时，所述电感组件的电感值随负载电流的减小而增大，从而减小所述纹波电流的幅值，进而减小所述输出电压的纹波。

优选地，控制电路包括：一比较电路，电性连接所述滤波电路，比较所述负载电流与所述基准电流，当所述负载电流大于所述基准电流时，输出一第一比较信号，当所述负载电流小于所述基准电流时，输出一第二比较信号；以及一信号产生电路，接收所述第一比较信号或所述第二比较信号，当接收到所述第一比较信号时，所述信号产生电路输出一第一控制信号至所述开关电路的控制端；当接收到所述第二比较信号时，所述信号产生电路输出一第二控制信号至所述开关电路的控制端，且所述第二控制信号的频率低于所述第一控制信号的频率。进一步，所述比较电路进一步包括一电流感测电路，电性连接所述滤波电路，感测所述负载电流。

在一实施例中，所述电流感测电路将感测到的所述负载电流的值放大n倍，所述比较电路进一步包括一比较器，所述比较器的第一输入端接收经放大的所述负载电流，所述比较器的第二输入端电性连接一电流源，所述电流源输出的电流值为所述基准电流值的n倍，且所述比较器的输出端输出所述第一比较信号或所述第二比较信号。此外，所述比较器的第一输入端是正相输入端，以及所述比较器的第二输入端是负相输入端。此外，所述第一比较信号为第一电平，所述第二比较信号为第二电平。

优选地，所述信号产生电路进一步包括：一时钟产生电路，接收所述第一比较信号或所述第二比较信号，当接收到所述第一比较信号时，所述时钟产生电路输出一第一时钟信号；当接收到所述第二比较信号时，所述时钟产生电路输出一第二时钟信号，且所述第二时钟信号的频率低于所述第一时钟信号的频率；以及一脉宽调制电路，接收所述第一时钟信号或所述第二时钟信号，并根据所述第一时钟信号或所述第二时钟信号对应地产生所述第一控制信号或所述第二控制信号。进一步，所述控制电路还包括一误差放大电路，电性连接于所述整流电路的输出端与所述脉宽调制电路之间，用于放大所述输出电压与一基准输出电压的一误差值，并将所述误差值传输至所述脉宽调制电路；所述脉宽调制电路还根据所述误差放大电路输出的所述误差值调整所述第一控制信号或所述第二控制信号的脉宽，以调整所述输出电压。

优选地，所述开关电路包括彼此互补的一第一晶体管和一第二晶体管，所述开关电路的控制端经由一第一驱动器连接至所述第一晶体管的控制电极，以及所述开关电路的控制端经由一第二驱动器连接至所述第二晶体管的控制电极，以便选择性地开启所述第一晶体管或所述第二晶体管。进一步，所述第一晶体管和第二晶体管均具有一续流二极管，并且，当所述第一晶体管导通时，所述开关电路的输出端输出所述输入电压；当所述第二晶体管导通时，所述开关电路的输出端输出一接地电压。

由此，采用本发明的整流电路，无需增加额外的电容元件，既可提高电源供应器的轻载降频效率，又可有效减少该整流电路输出电压中的纹波电压分量。

附图说明

为让本发明上述目的和其它特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的详细说明如下：

图1示出依据本发明的一优选实施例，整流电路的各功能模块的连接框图；

图2A、图2B和图2C是传统的整流电路中的滤波电路所产生的纹波电流的示意图；

图3A和图3B是本发明的整流电路中的滤波电路所产生的纹波电流的示意图；

图4示出图1的整流电路中，控制电路的一具体实施例的结构框图；以及

图5示出图1的整流电路的电路原理示意图。

具体实施方式

图1示出依据本发明的一优选实施例，整流电路的各功能模块的连接框图。参照图1，该整流电路包括开关电路10、滤波电路20和控制电路3，其中，开关电路10具有一输入端、一输出端和一控制端，其输入端用于接收输入电压Vin，其输出端电性连接至滤波电路20，以及其控制端电性连接至控制电路3，通过控制电路3输出的脉宽调制信号来控制开关电路10。

控制电路3，电性连接于开关电路10的控制端以及整流电路的输出端Vout之间，用于控制开关电路的脉宽调制信号从而调整输出电压，尤其是在于，当负载电流小于基准电流时，整流电路处于轻载状态，由控制电路3降低开关电路10的开关频率，从而降低开关电路10的开关损耗。但是，在开关电路10的开关频率降低时，会导致纹波电流的幅值增大。在图1的整流电路中，其输出端电性连接至一负载，并且根据输入电压Vin来输出一Vout电压至该负载，以产生一负载电流。而且，还可以将该负载电流送入控制电路3，与预先设定的基准电流进行比较。

滤波电路20，电性连接在开关电路10的输出端与该整流电路的输出端Vout之间，该滤波电路20包括至少一电感组件202，电感组件202的电流由负载电流和纹波电流叠加而成，更为具体地，当负载电流小于基准电流时，本发明所采用的电感组件202的电感值会随负载电流的减小而增大，从而减小纹波电流的幅值进而减小输出电压Vout的纹波分量。由此可知，在负载电流小于基准电流的轻载情形下，虽然控制电路3在降低开关电路10的开关频率的同时加大了纹波电流的幅值，但是滤波电路20中的电感组件202可以降低纹波电流的幅值。

为了更加直观地理解本发明的滤波电路相比于传统的滤波电路所产生的纹波电流数值更低，在下文中通过电流波形的详细对比来阐释本发明用来降低纹波电流的设计方案。其中，图2A、图2B和图2C是传统的整流电路中的滤波电路所产生的纹波电流的示意图，而图3A和图3B是本发明的整流电路中的滤波电路所产生的纹波电流的示意图。

一般来说，当负载电流小于基准电流，开关电源处于轻载状态时，该开关电路的开关损耗与开关频率成正比，因而，本领域的普通技术人员应当理解，通过降低开关电路的开关频率，可以提升轻载效率。即，通过一个时钟控制信号来控制，以降低开关电路的开关频率，进而提升整流电路的轻载效率。还需指出的是，当开关电源处于轻载状态时，开关电源的负载电流会降低，这将导致开关电源的负载电压降低至一定范围。根据电感公式：V＝L*di/dt，其中，V为该开关电源轻载时的负载电压，L为该电感元件的电感值，di为该电感元件产生的纹波电压，dt为该开关电路的时间周期，该电感元件以1/t频率产生纹波电流I1(如图2B所示)，当V与t的值不变时，该电感元件所产生的纹波电流值I1也不变。

参照图2C，当开关电源处于轻载状态，此时降低开关电路的开关频率，则开关电路将以固定的时间周期t1工作，该时间周期t1大于上述时间周期t。类似地，根据电感公式：V＝L*di/dt，当V的值不变，L的值不变，而dt值变大时，此时di也变大了，意即电感元件所产生的纹波电压增加(纹波电流I2大于纹波电流I1)。

从上述图2B和图2C可知，虽然降低开关电路的开关频率可以提升系统的轻载效率，但是当开关频率降低时，其时间周期相应变长，在占空比不变的情形下，开关电路的导通时间提高，从而对电感充电的时间增加，根据公式V＝L*di/dt，反而会使电感的纹波电流(I2)增加。

为了解决这一技术问题，图3A和图3B示出本发明的整流电路中的滤波电路所产生的纹波电流的示意图。一般来说，当电感元件的电感值在一定范围负载电流值内不会发生变化，而当电感元件的负载电流值超过了该固定值，例如电流坐标上的Isat所对应的电感值，可知，该电感元件的电感值变小，降至其额定电感值的80％。此外，本发明的电感组件202在流经的负载电流小于基准电流Io时，该电感组件的电感值相应升高。同样地，根据电感公式V＝L*di/dt，其中，V为电感元件的负载电压，L为该电感元件的电感值，dt为该开关电路的时间周期，di为该电感元件产生的纹波电压I3。如此一来，在相同频率、相同周期、相同导通时间的情形下，即，负载电压V不变且dt不变时，电感值L越大，di越小(即电感的纹波电流I3越小)，从而可以降低对应的纹波电压。

图4示出图1的整流电路中，控制电路的一具体实施例的结构框图。如图4所示，控制电路3包括信号产生电路31和比较电路33。

如前所述，比较电路33电性连接至滤波电路20，用于比较负载电流和来自电流源的基准电流，并在负载电流大于基准电流时输出第一比较信号，以及在负载电流小于基准电流时，输出第二比较信号。

信号产生电路31电性连接至比较电路33和开关电路10，比较电路33电性连接至滤波电路20和信号产生电路31。更详细地，信号产生电路31接收来自比较电路33的比较结果，包括第一比较信号和第二比较信号，例如，当信号产生电路31接收到第一比较信号时，输出第一控制信号至开关电路10的控制端，而当信号产生电路31接收到第二比较信号时，输出第二控制信号至开关电路10的控制端，并且第二控制信号的频率低于第一控制信号的频率。

依据一实施例，比较电路33包括比较器332和电流感测电路334。电流感测电路334电性连接至滤波电路20，用于感测形成于负载端的负载电流。优选地，电流感测电路334将感测到的负载电流的数值先放大n倍，由比较器332的第一输入端(正相输入端)接收经放大的负载电流，与此同时，比较器332的第二输入端(负相输入端)电性连接电流源336，其输出的电流值也设定为基准电流的数值的n倍，因而，将负载电流的n倍与基准电流的n倍进行比较，由比较器332的输出端输出第一比较信号或第二比较信号。例如，第一比较信号是第一电平，而第二比较信号是第二电平。本领域的普通技术人员应当理解，图4所示的电路连接将负载电流自比较器332的正相输入端接入，将基准电流自比较器332的负相输入端接入，并对应地输出第一比较信号和第二比较信号，然而本发明并不只局限于此。例如，还可以将负载电流自比较器332的负相输入端接入，而将基准电流自比较器332的正相输入端接入，随之而来的是改变比较器输出的比较信号的电平类别。

依据另一实施例，信号产生电路31包括脉宽调制电路312和时钟产生电路314。其中，时钟产生电路314接收来自比较电路33的第一比较信号或第二比较信号，并且在接收到第一比较信号时输出第一时钟信号，以及在接收到第二比较信号时输出第二时钟信号，且第二时钟信号的频率低于第一时钟信号的频率。脉宽调制电路312电性连接至时钟产生电路314，用于接收第一时钟信号或第二时钟信号，并且根据第一或第二时钟信号对应地产生第一控制信号或第二控制信号。因第二时钟信号的频率低于第一时钟信号的频率，对应地，第二控制信号的频率低于第一控制信号的频率。此外，控制电路3还包括误差放大电路35，该误差放大电路35电性连接于整流电路的输出端与脉宽调制电路312之间，用来放大整流电路的输出电压与一基准输出电压的一误差值，并将误差值传输至脉宽调制电路312。相应地，脉宽调制电路312还根据误差放大电路35输出的误差值来调整第一控制信号或第二控制信号的脉宽。

图5示出图1的整流电路的原理示意图。结合图4和图5，由于整流电路中的控制电路3已经基于比较电流33和信号产生电流31进行了全面描述，在此不再予以累述。在一实施例中，对于开关电路10来说，其输入端电性连接至整流电路的输入电压Vin，其输出端电性连接至滤波电路20，其控制端电性连接至信号产生电路31的脉宽调制电路312的输出端。开关电路10包括彼此互补的晶体管Q1和晶体管Q2，开关电路10的控制端经由第一驱动器(如缓冲器)连接至晶体管Q1的控制电极(即栅极)，并且开关电路10的控制端经由第二驱动器(如反相缓冲器)连接至晶体管Q2的控制电极(即栅极)。如此一来，通过脉宽调制电路312输出的控制信号，可以选择性地开启晶体管Q1或晶体管Q2。

较佳地，晶体管Q1和晶体管Q2均具有一续流二极管，并且，当晶体管Q1导通时，开关电路10的输出端输出输入电压；以及当晶体管Q2导通时，开关电路10的输出端输出一接地电压。

采用本发明的整流电路，无需增加额外的电容元件，既可提高电源供应器的轻载降频效率，又可有效减少整流电路输出电压中的纹波电压分量。

上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。

Claims

1.一种整流电路，其输出端电性连接一负载，所述整流电路根据一输入电压输出一输出电压至所述负载，并根据所述负载产生一负载电流，其特征在于，所述整流电路包括：

2.根据权利要求1所述的整流电路，其特征在于，所述控制电路包括：

一比较电路，电性连接所述滤波电路，比较所述负载电流与所述基准电流，当所述负载电流大于所述基准电流时，输出一第一比较信号，当所述负载电流小于所述基准电流时，输出一第二比较信号；以及

一信号产生电路，接收所述第一比较信号或所述第二比较信号，当接收到所述第一比较信号时，所述信号产生电路输出一第一控制信号至所述开关电路的控制端；当接收到所述第二比较信号时，所述信号产生电路输出一第二控制信号至所述开关电路的控制端，且所述第二控制信号的频率低于所述第一控制信号的频率。

3.根据权利要求2所述的整流电路，其特征在于，所述比较电路进一步包括一电流感测电路，电性连接所述滤波电路，感测所述负载电流。

4.根据权利要求3所述的整流电路，其特征在于，所述电流感测电路将感测到的所述负载电流的值放大n倍，所述比较电路进一步包括一比较器，所述比较器的第一输入端接收经放大的所述负载电流，所述比较器的第二输入端电性连接一电流源，所述电流源输出的电流值为所述基准电流值的n倍，且所述比较器的输出端输出所述第一比较信号或所述第二比较信号，其中n为自然数。

5.根据权利要求4所述的整流电路，其特征在于，所述比较器的第一输入端是正相输入端，以及所述比较器的第二输入端是负相输入端。

6.根据权利要求4所述的整流电路，其特征在于，所述第一比较信号为第一电平，所述第二比较信号为第二电平。

7.根据权利要求2所述的整流电路，其特征在于，所述信号产生电路进一步包括：

一时钟产生电路，接收所述第一比较信号或所述第二比较信号，当接收到所述第一比较信号时，所述时钟产生电路输出一第一时钟信号；当接收到所述第二比较信号时，所述时钟产生电路输出一第二时钟信号，且所述第二时钟信号的频率低于所述第一时钟信号的频率；以及

一脉宽调制电路，接收所述第一时钟信号或所述第二时钟信号，并根据所述第一时钟信号或所述第二时钟信号对应地产生所述第一控制信号或所述第二控制信号。

8.根据权利要求7所述的整流电路，其特征在于，所述控制电路还包括一误差放大电路，电性连接于所述整流电路的输出端与所述脉宽调制电路之间，用于放大所述输出电压与一基准输出电压的一误差值，并将所述误差值传输至所述脉宽调制电路；所述脉宽调制电路还根据所述误差放大电路输出的所述误差值调整所述第一控制信号或所述第二控制信号的脉宽，以调整所述输出电压。

9.根据权利要求1所述的整流电路，其特征在于，所述开关电路包括彼此互补的一第一晶体管和一第二晶体管，所述开关电路的控制端经由一第一驱动器连接至所述第一晶体管的控制电极，以及所述开关电路的控制端经由一第二驱动器连接至所述第二晶体管的控制电极，以便选择性地开启所述第一晶体管或所述第二晶体管。

10.根据权利要求9所述的整流电路，其特征在于，所述第一晶体管和第二晶体管均具有一续流二极管，并且，当所述第一晶体管导通时，所述开关电路的输出端输出所述输入电压；当所述第二晶体管导通时，所述开关电路的输出端输出一接地电压。