CN103475199B - 用于反激式开关电源的谐波控制方法及控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于反激式开关电源中的谐波控制电路及控制方法，其通过信号调节电路来调节主功率开关管的导通时间，以使其与主功率开关管的占空比成反比例关系。保证无论所述反激式开关电源在工作过程中占空比是否发生变化，所述输入电流波形均能很好地跟随输入电压变化，即呈正弦变化，提高了功率因数，并且大大减小了系统的谐波。本发明从原理上消除了占空比的变化对输入电流的影响，并且控制电路简单，成本低而效果好。

Description

用于反激式开关电源的谐波控制方法及控制电路

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种用于反激式开关电源的谐波控制方法及控制电路。

背景技术

近年来，随着电力电子技术的快速发展，开关电源的应用越来越广泛，尤其是反激式开关电源由于其电路设计简单和能适应于输入电压变化等优越性而备受青睐。

如图1A所示为现有技术中的一种反激式开关电源的原理框图，现有技术的反激式开关电源包含有电压反馈电路101、补偿信号发生电路102和驱动控制电路103。这里，对所述反激式开关电源的输出电压信息进行采样，其中，串联在输出电压V_out和地之间的电阻R₁和电阻R₂组成的分压电阻网络作为电压反馈电路101，接收输出端的输出电压V_out，从而在电阻R₁和电阻R₂的公共连接端产生一表征输出电压信息的采样电压信号V_fb。补偿信号发生电路102接收上述采样电压信号V_fb和表征期望输出电压的第一基准电压V_ref1，以在输出端产生表征当前输出电压V_out和期望输出电压之间误差的第一补偿信号V_COMP，这里，由于第一补偿信号V_COMP经过补偿信号发生电路的补偿作用，基本维持不变。驱动控制电路103接收所述第一补偿信号V_COMP和一三角波信号V_stria后产生驱动控制信号以控制主功率开关管Q_M的开关状态。可见，现有技术中的开关电源在半个输入电压周期内，由于第一补偿信号V_COMP基本不变，主功率开关管Q_M的导通时间T_ON也基本固定。

现有技术中的反激式开关电源，为得到较好的功率因数以及减小电源的开关损耗和电磁干扰，多采用准谐振控制模式，在这种控制模式下，其输入电流波形如图1B所示，此时，输入电流平均值的表达式为：

$I_{\mathrm{in}}=\frac{1}{2}\×\frac{V_{\mathrm{in}}}{L_m}\×T_{\mathrm{ON}}\×D$ （1）

在式（1）中，V_in为输入电压，L_m为变压器的激磁电感，T_ON在每半个输入电压周期内基本恒定，D为主功率开关管的占空比。

从上式（1）中可以看出，在主功率开关管的占空比D不变的情况下，所述输入电流波形跟随输入电压呈正弦变化。但实际工作过程中，在一些场合要求反激式开关电源的主功率开关管的开关频率不能太高，所以为了降低开关损耗需要对开关频率进行限制；另一些场合，要求所述主功率开关管的开关频率不能太低，否则会产生较大纹波，此时也需要对开关频率进行限制，由此，主功率开关管的占空比D就会发生动态变化，根据上述的式（1），变化的占空比必然导致输入电流I_in的波形发生畸变，不再是人们期望的正弦波，这不但降低了系统的功率因数，还引起了严重的谐波污染，危及电网和系统本身的稳定。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于反激式开关电源中的谐波控制电路，其通过信号调节电路来调节主功率开关管的控制信号，从而使主功率开关管的导通时间与其占空比成一定函数关系，完全消除了由于占空比变化带来的输入电流谐波问题。本发明还提供了一种谐波控制方法。

依据本发明的一种谐波控制方法，应用于反激式开关电源中，包括以下步骤：

根据所述反激式开关电源的输出电信号获得一采样电压信号；

计算所述采样电压信号和第一基准电压之间的误差，并对误差结果进行补偿，以获得一第一补偿信号；

根据所述反激式开关电源的主功率开关管的占空比调节所述第一补偿信号，以获得一第二补偿信号；

根据所述第二补偿信号和一三角波信号产生一控制信号，用以控制所述主功率开关管的开关动作，以维持所述反激式开关电源的输出电信号恒定，同时保证所述反激式开关电源的输入电流波形跟随输入电压变化。

优选的，所述第二补偿信号与所述第一补偿信号成正比例关系，与所述占空比成反比例关系。

依据本发明的一种谐波控制电路，应用于反激式开关电源中，所述反激式开关电源包括有补偿信号发生电路和驱动控制电路，所述谐波控制电路包括信号调节电路，其中，

所述补偿信号发生电路对接收的表征所述反激式开关电源的输出电信号的采样电压信号和第一基准电压进行误差计算，并对计算结果进行补偿，以获得一第一补偿信号；

所述信号调节电路连接在所述补偿信号发生电路和驱动控制电路之间，其接收所述第一补偿信号，并根据所述反激式开关电源的主功率开关管的占空比调节所述第一补偿信号，以获得一第二补偿信号；

所述驱动控制电路根据所述第二补偿信号和一三角波信号产生一控制信号，用以控制所述主功率开关管的开关动作，以维持所述反激式开关电源的输出电信号恒定，同时保证所述反激式开关电源的输入电流波形跟随输入电压变化。

优选的，所述信号调节电路接收所述控制信号以获得表征所述主功率开关管的占空比信息。

优选的，所述第二补偿信号与所述第一补偿信号成正比例关系，与所述占空比成反比例关系。

进一步的，所述信号调节电路包括串联的第一晶体管和第二晶体管、由第一电阻和第一电容组成的RC滤波电路以及运算放大器，其中，

所述第一晶体管的漏极接所述运算放大器的输出端，所述第二晶体管的源极接地，其中所述第一晶体管与所述主功率开关管的开关状态相同，所述第二晶体管与所述主功率开关管的开关状态相反；

所述第一电阻的一端连接在第一晶体管和第二晶体管的公共连接端，另一端与所述第一电容串联后接地，所述第一电容的两端电压作为第一电压信号；

所述运算放大器的第一输入端接收所述第一电压信号，第二输入端接收所述第一补偿信号，输出端输出所述第二补偿信号。

依据本发明的一种用于反激式开关电源的控制芯片，包括一补偿信号发生电路、驱动控制电路，还包括上述的谐波控制电路。

依据本发明的一种反激式开关电源，包括一补偿信号发生电路、驱动控制电路和功率级电路，还包括上述的谐波控制电路。

通过上述的应用于反激式开关电源中的谐波控制电路及控制方法，其通过信号调节电路调节恒定的第一补偿信号，以产生与所述第一补偿信号和所述占空比成函数关系的第二补偿信号，然后根据第二补偿信号来产生控制主功率开关管的控制信号，进而使得主功率开关管的导通时间与所述占空比成一定函数关系，根据反激式开关电源的输入电流的计算公式，可利用导通时间与占空比的函数关系来抵消由于占空比的变化带来的对输入电流的谐波影响，从而减少了输入电流的谐波。本发明从原理上消除了反激式开关电源中的输入电流谐波的影响，效果显著。

附图说明

图1A所示为现有技术中的一种反激式开关电源的原理框图；

图1B所示为图1A所示的反激式开关电源的输入电流波形图；

图2所示为依据本发明的应用于反激式开关电源的谐波控制电路的一实施例的原理框图；

图3所示为依据本发明的应用于反激式开关电源的谐波控制电路的另一实施例的原理框图；

图4为依据本发明的应用于反激式开关电源的谐波控制方法的流程图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

参考图2，所示为依据本发明的应用于反激式开关电源的谐波控制电路的一实施例的原理框图。在该实施例中，所述反激式开关电源包括有电压反馈电路201、补偿信号发生电路202和驱动控制电路203，上述各电路与现有技术中所阐述的电路结构和功能相同，因此，其工作过程和原理不再重述，相同的信号在本实施例直接引用。需要说明的是，本实施例中通过电压反馈电路采样输出电压信息，但本领域技术人员可知，本发明也可以通过采样输出电流信息来获得采样电压信号，例如，所述输出电流信息可以通过采样反激式开关电源中的变压器的原边绕组的电流获得。

更进一步的，所述反激式开关电源还包括有谐波控制电路，用以控制所述反激式开关电源的输入电流谐波。具体地，所述谐波控制电路包含一信号调节电路204，所述信号调节电路204连接在所述补偿信号发生电路202和驱动控制电路203之间。这里，所述补偿信号发生电路201产生基本恒定的第一补偿信号V_COMP传输给所述信号调节电路204。

所述信号调节电路204接收所述第一补偿信号V_COMP，并根据所述反激式开关电源的主功率开关管的占空比D调节所述第一补偿信号V_COMP，以获得一第二补偿信号V_COMP’，所述第二补偿信号V_COMP’为所述第一补偿信号V_COMP和所述占空比D的函数；具体地，所述第二补偿信号V_COMP’与所述第一补偿信号V_COMP成正比例关系，与所述占空比D成反比例关系。需要说明的是，所述信号调节电路根据所述主功率开关管Q_M的控制信号来获得表征所述占空比的信息。

所述驱动控制电路203根据所述第二补偿信号V_COMP’和一三角波信号V_stria产生一控制信号PWM，用以控制所述主功率开关管Q_M的开关动作，以维持所述开关电源的输出电信号恒定，同时保证无论所述主功率开关管Q_M的占空比是否发生变化，所述反激式开关电源的输入电流波形均跟随输入电压变化，减小输入电流的谐波。这里，所述三角波信号可由现有的或改进的任何一种三角波发生电路产生。

可见，依据本发明的应用于反激式开关电源中的谐波控制电路，其通过信号调节电路调节恒定的第一补偿信号，以产生与所述第一补偿信号和所述占空比成函数关系的第二补偿信号，然后根据第二补偿信号来产生控制主功率开关管的控制信号，进而使得主功率开关管的导通时间与所述占空比成一定函数关系，如导通时间T_ON与占空比D成反比例关系，根据现有技术中的式(1)，可根据导通时间T_ON与占空比D的反比例函数关系来抵消由于占空比的变化带来的对输入电流的谐波影响，从而减少了输入电流的谐波。本发明从原理上消除了反激式开关电源中的输入电流谐波的影响，效果显著。

参考图3所示为依据本发明的应用于反激式开关电源的谐波控制电路的另一实施例的原理框图，在该实施例中，提供了信号调节电路204的一种具体实现方式。

具体地，所述信号调节电路204包括串联的第一晶体管Q₁和第二晶体管Q₂、由第一电阻R₃和第一电容C₁组成的RC滤波电路以及运算放大器204-1，其中，

所述第一晶体管Q₁的漏极接所述运算放大器204-1的输出端，所述第二晶体管Q₂的源极接地，其中所述第一晶体管与所述主功率开关管的开关状态相同，所述第二晶体管与所述主功率开关管的开关状态相反，具体地，所述第一晶体管由控制信号PWM控制其开关动作，所述第二晶体管由控制信号PWM的非信号控制其开关动作；

所述第一电阻R₃的一端连接在第一晶体管Q₁和第二晶体管Q₂的公共连接端，另一端与所述第一电容C₁串联后接地，所述第一电容C₁的两端电压作为第一电压信号V₁；

所述运算放大器204-1的第一输入端接收所述第一电压信号V₁，第二输入端接收所述第一补偿信号V_COMP，输出端输出所述第二补偿信号V_COMP’。

结合图3中所示的信号调节电路阐述本发明中谐波控制的原理，所述第一晶体管的漏极接收所述第二补偿信号V_COMP’，其经所述第一晶体管Q₁和第二晶体管Q₂形成的斩波电路斩波后，然后经第一电阻R₃和第一电容C₁组成的RC滤波电路滤波，获得的第一电压信号V₁。根据第一晶体管、第二晶体管和主功率开关管开关状态的关系，可得到所述第一电压信号V₁与所述第二补偿信号V_COMP’的关系为：

V₁=V_comp′×D(2)

其中，D为主功率开关管的占空比。

运算放大器的两个输入端分别接收第一电压信号V₁和第一补偿信号V_COMP，根据运算放大器的“虚短”原理，运算放大器的两个输入端的电压相等，因此，可得到，

V_comp′×D＝V_comp（3）

将式（3）进行变换可得所述第二补偿信号V_COMP’为：

$V_{\mathrm{comp}}\′=\frac{V_{\mathrm{comp}}}{D}---\left(4\right)$

从式（4）中可以看出，所述第二补偿信号V_COMP’与所述第一补偿信号V_COMP成正比例关系，与所述占空比D成反比例关系。

根据本实施例中反激式开关电源的工作原理，所述主功率开关管的导通时间T_ON与第二补偿信号V_COMP’的关系为：

$T_{\mathrm{ON}}=K\×V_{\mathrm{comp}}\′=K\×\frac{V_{\mathrm{comp}}}{D}---\left(5\right)$

将式（5）代入到式（1）中可得输入电流平均值的为：

$\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{in}}=\frac{1}{2}\×\frac{V_{\mathrm{in}}}{L_m}\×(K\×\frac{V_{\mathrm{comp}}}{D})\×D\\ =\frac{1}{2}\×\frac{V_{\mathrm{in}}}{L_m}\×K\×V_{\mathrm{comp}}\end{array}---\left(6\right)$

从式（6）中可以看出，通过本发明实施例的谐波控制电路，使得所述输入电流平均值与占空比没有关联，而由于L_m为固定值，K为比例系数，V_comp在半个输入电压周期内基本恒定，因此，无论所述反激式开关电源在工作过程中占空比是否发生变化，所述输入电流波形均能很好地跟随输入电压变化，即呈正弦变化，提高了功率因数，并且大大减小了系统的谐波。本发明从原理上消除了占空比的变化对输入电流的影响，并且控制电路简单，成本低而效果好。

此外，本发明优选实施例还公开了应用于反激式开关电源中的控制芯片，包括补偿信号发生电路、驱动控制电路和上述的谐波控制电路，所述控制芯片具有上述谐波控制电路的高功率因数、低谐波的优点等。

最后，本发明优选实施例还公开了一种反激式开关电源，包括功率级电路、补偿信号发生电路、驱动控制电路和上述的谐波控制电路，同样的，所述反激式开关电源具有上述谐波控制电路的高功率因数、低谐波的优点等。

以下对依据本发明一实施例的谐波控制方法进行详细说明，所述谐波控制方法应用于反激式开关电源中，用以控制其输入电流的谐波。参考图4，所示为依据本发明的应用于反激式开关电源的谐波控制方法的流程图。其具体包括以下步骤：

S401：根据所述反激式开关电源的输出电信号获得一采样电压信号；

S402：计算所述采样电压信号和第一基准电压之间的误差，并对误差结果进行补偿，以获得一第一补偿信号；

S403：根据所述反激式开关电源的主功率开关管的占空比调节所述第一补偿信号，以获得一第二补偿信号；

S404：根据所述第二补偿信号和一三角波信号产生一控制信号，用以控制所述主功率开关管的开关动作，以维持所述反激式开关电源的输出电信号恒定，同时保证所述反激式开关电源的输入电流波形跟随输入电压变化。

进一步的，所述第二补偿信号与所述第一补偿信号成正比例关系，与所述占空比成反比例关系。

综上所述，本发明提供的谐波控制电路及控制方法，其通过信号调节电路来调节恒定的第一补偿信号，以产生与占空比成反比例关系的第二补偿信号，进而使得主功率开关管的导通时间与其占空比成反比例关系，从原理上完全消除了由于占空比变化带来的输入电流谐波问题。以上对依据本发明的优选实施例的应用于反激式开关电源中的谐波控制电路及控制方法进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。

最后需要补充的是，本发明实施例中采用模拟方法实现信号的调节，但本领域技术人员可知，在本发明方法的指导下，还可以采用数字调节的方法实现上述信号的调节，以达到相同的技术效果。此外，任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种谐波控制方法，应用于反激式开关电源中，其特征在于，包括以下步骤：

根据所述反激式开关电源的输出电信号获得一采样电压信号；

计算所述采样电压信号和第一基准电压之间的误差，并对误差结果进行补偿，以获得一第一补偿信号；

根据所述反激式开关电源的主功率开关管的占空比调节所述第一补偿信号，以获得一第二补偿信号；

根据所述第二补偿信号和一三角波信号产生一控制信号，用以控制所述主功率开关管的开关动作，以维持所述反激式开关电源的输出电信号恒定，同时保证所述反激式开关电源的输入电流波形跟随输入电压变化；

所述第二补偿信号与所述第一补偿信号成正比例关系，与所述占空比成反比例关系。

2.一种谐波控制电路，应用于反激式开关电源中，所述反激式开关电源包括有补偿信号发生电路和驱动控制电路，其特征在于，所述谐波控制电路包括信号调节电路，其中，

所述补偿信号发生电路对接收的表征所述反激式开关电源的输出电信号的采样电压信号和第一基准电压进行误差计算，并对计算结果进行补偿，以获得一第一补偿信号；

所述信号调节电路连接在所述补偿信号发生电路和驱动控制电路之间，其接收所述第一补偿信号，并根据所述反激式开关电源的主功率开关管的占空比调节所述第一补偿信号，以获得一第二补偿信号；

所述驱动控制电路根据所述第二补偿信号和一三角波信号产生一控制信号，用以控制所述主功率开关管的开关动作，以维持所述反激式开关电源的输出电信号恒定，同时保证所述反激式开关电源的输入电流波形跟随输入电压变化；

所述第二补偿信号与所述第一补偿信号成正比例关系，与所述占空比成反比例关系。

3.根据权利要求2所述的一种谐波控制电路，其特征在于，所述信号调节电路接收所述控制信号以获得表征所述主功率开关管的占空比信息。

4.根据权利要求2所述的一种谐波控制电路，其特征在于，所述信号调节电路包括串联的第一晶体管和第二晶体管、由第一电阻和第一电容组成的RC滤波电路以及运算放大器，其中，

所述第一晶体管的漏极接所述运算放大器的输出端，所述第二晶体管的源极接地，其中所述第一晶体管与所述主功率开关管的开关状态相同，所述第二晶体管与所述主功率开关管的开关状态相反；

所述第一电阻的一端连接在第一晶体管和第二晶体管的公共连接端，另一端与所述第一电容串联后接地，所述第一电容的两端电压作为第一电压信号；

所述运算放大器的第一输入端接收所述第一电压信号，第二输入端接收所述第一补偿信号，输出端输出所述第二补偿信号。

5.一种用于反激式开关电源的控制芯片，包括一补偿信号发生电路、驱动控制电路，其特征在于，还包括权利要求2-4中任意一项谐波控制电路。

6.一种反激式开关电源，包括一补偿信号发生电路、驱动控制电路和功率级电路，其特征在于，还包括权利要求2-4中任意一项谐波控制电路。