CN104038082A - 开关电源、开关电源的控制方法及控制芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种开关电源、开关电源的控制方法及控制芯片，该开关电源包括输入滤波整流模块、控制芯片和初级恒流电路，输入滤波整流模块或初级恒流电路将交流电的幅值信息输入控制芯片，控制芯片根据交流电的幅值信息调整其输出频率，当交流电的幅值变大时，连续或断续地调小其输出的控制信号频率；初级恒流电路在控制信号的控制下实现导通与截止并输出恒定的电流。本发明利用控制芯片使开关电源的工作频率随输入交流电电压变化成反比例变化，在输入幅值低交流电电压时，开关电源的工作频率较高，开关电源可以得到更小的初级充放电电流，降低铁损。在输入幅值高的交流电电压时，开关电源的工作频率较低，能够很好抑制系统的损耗。

Description

开关电源、开关电源的控制方法及控制芯片
技术领域
本发明涉及电子信息技术领域，特别涉及一种超小体积高效率的开关电源、开关电源的控制方法及控制芯片。
背景技术
目前，反激式开关电源体积主要取决于变压器以及输入滤波电容的大小，现在主流的小体积开关电源都选用较高的开关频率和较小的初级峰值电流，其中，高开关频率可以保证变压器具有较高的功率密度，小初级峰值电流可以保证在选用小磁芯面积变压器骨架时磁芯不饱和。
目前，绝大多数的反激式开关电源都工作在DCM模式(DiscontinuousInductor Current Mode；断续模式)，即初级电感完全放电结束后才进行下一周期的充电，如图1所示，其中IP为初级峰值电流，T为系统工作周期。为保证工作在DCM模式而且磁通密度合适，在高频应用时往往需要将电感量设计在较小的值，所以，这种小体积开关电源的控制方案往往存在以下几点问题：
1.电感量小，磁芯之间会存在较大的气隙(小磁芯面积情况下)，会造成较大的铁损并且不利于变压器生产。
2.当输入交流电的电压较高时，高的开关频率会造成严重的开关损耗，大大影响了系统效率。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种开关电源、开关电源的控制方法及控制芯片。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种开关电源，包括输入滤波整流模块、控制模块和初级恒流电路，所述输入滤波整流模块与交流电源相连，用于对所述交流电源输入的交流电进行滤波，并将所述交流电整流为直流电；所述控制模块分别与所述输入滤波整流模块和所述初级恒流电路相连，所述输入滤波整流模块将所述交流电的幅值信息输入所述控制模块，所述控制模块根据所述交流电的幅值信息调整其输出控制信号的频率，当交流电的幅值变大时，所述控制模块连续或断续地调小其输出的控制信号频率；所述初级恒流电路与所述控制模块相连，所述初级恒流电路在所述控制信号的控制下实现导通与截止并输出恒定的电流。
本发明的开关电源的工作频率随输入交流电电压变化成反比例变化，在输入幅值低交流电电压时，开关电源的工作频率较高，让开关电源工作于CCM模式(Continuous Inductor Current Mode；连续模式)可以得到更小的初级充放电电流，更高的工作频率，这样选择小磁芯面积的变压器也可以做到大磁芯面积变压器的输出功率并且保证变压器不进入饱和状态，同时电感量也较大，保证磁芯间的气隙不会过大而造成严重的铁损。在输入幅值高交流电电压时，开关电源的工作频率较低，开关电源退出CCM模式，能够很好抑制系统的损耗。
在本发明的一种优选实施例中，所述初级恒流电路包括：初级绕组，所述初级绕组用于在主开关管的控制下将所述直流电变化为电磁信号；主开关管，所述主开关管与所述控制模块的控制信号输出端相连，由所述控制信号控制实现导通与截止，进而实现对所述初级绕组的控制；次级绕组，所述次级绕组用于根据所述初级绕组产生的电磁信号输出恒定的电流；反馈绕组，所述反馈绕组与所述控制模块的反馈电压检测端相连，所述反馈绕组通过反馈电压检测端将所述交流电的幅值信息传输给所述控制模块。
本发明的初级恒流电路在控制信号的控制下实现导通与截止并输出恒定的电流，其工作频率随输入交流电电压变化成反比例变化，在输入幅值低的交流电电压时可以得到更小的初级充放电电流，更高的工作频率，提高输出功率并且保证变压器不进入饱和状态，同时电感量也较大，保证磁芯间的气隙不会过大，避免造成严重的铁损。在输入幅值高的交流电电压时能够很好抑制系统的损耗。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种控制芯片，包括负压补偿模块和第一振荡器模块，所述负压补偿模块的输入端与所述反馈绕组相连，所述反馈绕组将所述交流电的幅值信息传输给所述负压补偿模块，所述负压补偿模块根据所述交流电的幅值大小变化产生连续变化的负压补偿电流，所述负压补偿电流的大小与所述交流电的幅值大小正相关；所述负压补偿模块的输出端与所述第一振荡器模块的输入端相连，所述负压补偿模块将所述负压补偿电流传输给所述第一振荡器模块，所述第一振荡器模块包括第一电容和第一触发器，所述第一电容的充放电电流随所述负压补偿电流的大小变化而改变，所述第一电容的充放电电流与所述负压补偿电流的大小负相关，所述第一触发器根据所述第一电容的充放电电流输出相应频率的脉冲信号。
在本发明的一种优选实施例中，所述负压补偿模块包括第一镜像电源，所述第一镜像电源的一个电流输出端与第一开关MOS管(Metal-Oxide-Semiconductor；金属-氧化物-半导体场效应晶体管)相连，所述第一开关MOS管的栅极与参考电压相连，所述第一开关MOS管还通过反馈电压检测端与所述反馈绕组相连，所述反馈绕组将交流电压的幅值信息输送到所述线电压波形检测端，所述参考电压与所述线电压波形检测端电压之差控制所述第一开关MOS管的导通与截止，当所述第一开关MOS管导通时，所述镜像电源的另一个电流输出端向所述第一振荡器模块输出负压补偿电流，所述负压补偿电流与所述交流电压的幅值正相关。
在本发明的另一种优选实施例中，所述第一振荡器模块包括基准电流源、第一电容、第一充电电路、第一放电电路、第一充电电路开关管、第一放电电路开关管和第一触发器，所述第一电容通过第一充电电路与所述基准电流源和负压补偿电流的输入端分别相连，所述第一电容通过第一放电电路与地相连，所述第一充电电路开关管和第一放电电路开关管分别控制所述第一充电电路和第一放电电路的通断，所述第一电容随基准电流与负压补偿电流之差的大小改变其充放电电流，所述第一电容的充放电电流与所述负压补偿电流的大小负相关，所述触发器与所述第一电容相连，所述触发器根据所述第一电容的充放电电流输出相应频率的脉冲信号。
本发明的控制芯片通过负压补偿模块和第一振荡器模块，当交流电的幅值变大时，能够连续地调小开关电源输出的最大工作频率。在输入幅值低的交流电电压时，工作频率高，可以得到更小的初级充放电电流，提高输出功率并且保证变压器不进入饱和状态，同时电感量也较大，保证磁芯间的气隙不会过大，避免造成严重的铁损。在输入幅值高的交流电电压时，降低工作频率，能够很好抑制系统的损耗。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种控制芯片，包括线电压检测模块、解码模块和第二振荡器模块，所述线电压检测模块与所述输入滤波整流模块的输出端相连，所述输入滤波整流模块将包含所述交流电幅值信息的直流电传输给所述线电压检测模块，所述线电压检测模块根据所述交流电的幅值大小产生一个正相关的多位二进制信号并将所述二进制信号传输给所述解码模块，所述解码模块对所述二进制信号解码后形成负相关的断续变化的控制电流并将所述控制电流传输给所述第二振荡器模块，所述第二振荡器模块包括第四电容和第二触发器，所述第四电容的充放电电流随所述控制电流的大小变化而改变，所述第四电容的充放电电流与所述控制电流的大小正相关，所述第二触发器根据所述第四电容的充放电电流输出相应频率的脉冲信号。
在本发明的一种优选实施例中，所述线电压检测模块包括第三比较器、第四比较器、...、第N-1比较器、第N比较器，所述比较器的正极均与所述输入滤波整流模块的输出端相连，所述第m比较器的负极连接第m基准电压，所述第m基准电压随m的增大递增或者递减，所述3≤m≤N，所述N-2个比较器随所述交流电的幅值大小变化依次改变输出电平的高低，产生递增或递减的N-2位二进制信号，所述二进制信号的大小与所述交流电的幅值大小正相关，所述N为正整数。
在本发明的另一种优选实施例中，所述解码模块包括第二镜像电流源，所述第二镜像电流源的第一电流输出端并联有N-2个MOS管，所述N-2个MOS管的控制端与所述线电压检测模块的N-2个比较器的输出端一一对应相连，所述N-2个MOS管的漏极并联后与第一电流源相连，所述N-2个MOS管的源极分别通过独立的电流源接地，所述N-2个MOS管在所述线电压检测模块输入的N-2位二进制信号的控制下导通与截止，所述第二镜像电流源的第一电流输出端输出与所述N-2位二进制信号大小负相关的电流，所述第二镜像电流源的第二电流输出端向所述第二振荡器模块输出控制电流，所述控制电流与镜像电流源的第一输出端输出的电流相同。
在本发明的再一种优选实施例中，所述第二振荡器模块包括第四电容、第二充电电路、第二放电电路、第二充电电路开关管、第二放电电路开关管和第二触发器，所述第四电容通过第二充电电路与控制电流相连，所述第四电容通过第二放电电路与地相连，所述第二充电电路开关管和第二放电电路开关管分别控制所述第二充电电路和第二放电电路的通断，所述第四电容随控制电流的大小改变其充放电电流，所述第二触发器与所述第四电容相连，所述第二触发器根据所述第四电容的充放电电流输出相应频率的脉冲信号。
本发明的控制芯片通过线电压检测模块、解码模块和第二振荡器模块，在交流电的幅值变大时，能够断续地调小开关电源输出的最大工作频率。在输入幅值低的交流电电压时，工作频率高，可以得到更小的初级充放电电流，提高输出功率并且保证变压器不进入饱和状态，同时电感量也较大，保证磁芯间的气隙不会过大，避免造成严重的铁损。在输入幅值高的交流电电压时，降低工作频率，能够很好抑制系统的损耗。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种开关电源的控制方法，所述开关电源为本发明所述的开关电源，所述控制方法包括如下步骤：
S1：开关电源上电，控制模块接收输入滤波整流模块或初级恒流电路输入的交流电的幅值信息；
S2：所述控制模块根据所述交流电的幅值信息调整其输出频率，当交流电的幅值变大时，所述控制芯片连续或断续地调小其输出的控制信号的频率，初级恒流电路在所述控制信号的控制下实现导通与截止并输出恒定的电流。
在本发明的一种优选实施例中，控制模块包括负压补偿模块和第一振荡器模块，所述负压补偿模块的输入端与反馈绕组相连，所述反馈绕组将所述交流电的幅值信息传输给所述负压补偿模块，所述负压补偿模块的输出端与所述第一振荡器模块的输入端相连，所述负压补偿模块将所述负压补偿电流传输给所述第一振荡器模块，当交流电的幅值变大时，所述控制芯片通过负压补偿模块和第一振荡器模块片连续地调小其输出控制信号的频率。
在本发明的另一种优选实施例中，所述控制模块包括线电压检测模块、解码模块和第二振荡器模块，所述线电压检测模块与所述输入滤波整流模块的输出端相连，所述输入滤波整流模块将包含所述交流电幅值信息的直流电传输给所述线电压检测模块，所述线电压检测模块根据所述交流电的幅值大小产生一个正相关的多位二进制信号并将所述二进制信号传输给所述解码模块，所述解码模块对所述二进制信号解码后形成负相关的断续变化的控制电流并将所述控制电流传输给所述第二振荡器模块，所述第二振荡器模块包括第四电容和第二触发器，所述第四电容的充放电电流随所述控制电流的大小变化而改变，所述第四电容的充放电电流与所述控制电流的大小正相关，所述第二触发器根据所述第四电容的充放电电流输出相应频率的脉冲信号，当交流电的幅值变大时，所述控制芯片通过线电压检测模块、解码模块和第二振荡器模块断续地调小其输出控制信号的频率。
本发明的控制方法通过控制芯片的控制，当交流电的幅值变大时，既能连续地调小开关电源输出的最大工作频率，又能断续地调小开关电源输出的最大工作频率。从而使本发明的开关电源既适用于模拟电路，又适用于数字电路。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1现有反激式开关电源在DCM模式和CCM模式的输出电流对比图；
图2为本发明一种优选实施方式中开关电源的电路图；
图3是本发明第一优选实施方式中的控制芯片的结构图；
图4是利用图3中所示控制芯片的开关电源的工作频率与输入交流电幅值的关系图；
图5是本发明第二优选实施方式中的控制芯片的结构图；
图6是利用图5中所示控制芯片的开关电源的工作频率与输入交流电幅值的关系图；
图7是图3中所示控制芯片的负压补偿模块的电路示意图；
图8是图3中所示控制芯片的第一振荡器模块的电路示意图；
图9是图5中所示控制芯片的线电压检测模块的电路示意图；
图10是图5中所示控制芯片的解码模块的电路示意图；
图11是图5中所示控制芯片的第二振荡器模块的电路示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提供了一种开关电源，如图2，其包括输入滤波整流模块、控制模块和初级恒流电路。其中，输入滤波整流模块与交流电源相连，用于对交流电源输入的交流电进行滤波，并将交流电整流为直流电，在本实施方式中，输入滤波整流模块包括整流桥以及与该整流桥的输出端相连的滤波器，该整流桥由第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4组成。滤波器包括并联的第一电容C1、第二电容C2以及连接在该第一电容C1的阳极和第二电容C2的阳极之间的第一电感L1。控制模块分别与输入滤波整流模块和初级恒流电路相连，输入滤波整流模块将交流电的幅值信息输入控制模块，控制模块根据交流电的幅值信息调整其输出控制信号的频率，当交流电的幅值变大时，控制模块连续或断续地调小其输出的控制信号频率。
初级恒流电路与控制模块相连，初级恒流电路在控制信号的控制下实现导通与截止并输出恒定的电流。在本实施方式中，初级恒流电路包括初级绕组、主开关管Q1、次级绕组和反馈绕组，其中，该初级绕组的一端与输入滤波整流模块的输出端相连，另一端与主开关管Q1相连，主开关管Q1与控制模块的控制信号输出端OUT相连，由控制信号控制实现导通与截止，进而实现对初级绕组的控制，该初级绕组在主开关管Q1的控制下将直流电变化为电磁信号。在本实施方式中，主开关管Q1为三极管，该三极管的集电极与初级绕组相连，三极管的基极与控制信号输出端OUT相连，三极管的发射极通过第七电阻R7接地。
次级绕组用于根据初级绕组产生的电磁信号输出恒定的电流，而当主开关管Q1关断后，储存在初级绕组电感上的能量会通过次级绕组的电感上，由负载形成的回路来消耗掉。在本实施方式中，次级绕组的输出端连接有第六二极管D6，第六二极管D6的输出端与次级绕组的另一个输出端之间并联有第八电阻R8和第五电容C5。
反馈绕组与控制模块的反馈电压检测端VFB相连，反馈绕组通过反馈电压检测端VFB将交流电的幅值信息传输给控制模块。在本实施方式中，反馈绕组的一端与输入滤波整流模块的整流桥相连接地，另一端通过串联的第一电阻R1和第二电阻R2接地，第一电阻R1和第二电阻R2分压后与反馈电压检测端VFB相连。反馈绕组还通过第五二极管D5与芯片电源供电端VDD相连，为控制模块供电。
在本实施方式中，控制模块还可以包括模式控制模块(图中未示出)，该模式控制模块根据控制信号的频率调整初级恒流电路的工作模式，当输入低幅值的交流电压时，控制信号的频率高，模式控制模块控制初级恒流电路进入CCM模式；当输入高幅值的交流电压时，控制信号的频率低，模式控制模块控制初级恒流电路进入DCM模式。控制模块通过模式控制模块控制初级恒流电路的工作模式，在输入幅值低的交流电时，开关电源工作于CCM模式可以得到更小的初级充放电电流。在输入幅值高的交流电时，开关电源工作于DCM模式，能够很好抑制系统的损耗。
需要说明的是，本发明所说的交流电压的幅值高低所指范围是指本领域技术人员通常所指的高、低范围。控制信号的频率高低只是相对的高低而不是绝对的数值。在本发明的一种优选实施方式中，当输入的交流电压的幅值为高于120V时，控制信号的频率高，模式控制模块控制初级恒流电路进入CCM模式；当输入的交流电压的幅值为低于120V时，控制信号的频率低，模式控制模块控制初级恒流电路进入DCM模式。
本发明的开关电源的工作频率随输入交流电电压变化成反比例变化，在输入幅值低交流电电压时，开关电源的工作频率较高，让开关电源工作于CCM模式可以得到更小的初级充放电电流，这样选择小磁芯面积的变压器也可以做到大磁芯面积变压器的输出功率并且保证变压器不进入饱和状态，同时电感量也较大，保证磁芯间的气隙不会过大造成严重的铁损。在输入幅值高交流电电压时，开关电源的工作频率变低，开关电源退出CCM模式，能够很好抑制系统的损耗。
本发明还提供了控制芯片，在本发明的一种优选实施方式中，该控制芯片的管脚如表1所示：
表1控制芯片管脚说明
管脚符号 名称和功能
VFB： 反馈电压检测端，用于反馈电压的检测；
OUT 控制信号输出端；
GND 芯片地；
IFB 初级电流检测端，用于检测初级电流；
VDD 芯片电源供电端；
如图3所示，在本发明的一种优选实施方式中，根据输入交流电压的幅值实现对开关电源工作频率的模拟调节，即开关电源的工作频率随输入交流电压的幅值的增长而连续降低，在本实施方式中，该控制芯片包括负压补偿模块和第一振荡器模块，其中，负压补偿模块的输入端与反馈绕组相连，反馈绕组的一端接地，另一端通过串联的第一电阻R1和第二电阻R2接地，负压补偿模块的输入端连接在第一电阻R1和第二电阻R2之间，经过第一电阻R1和第二电阻R2分压后，反馈绕组将交流电的幅值信息传输给负压补偿模块，负压补偿模块根据交流电的幅值大小变化产生连续变化的负压补偿电流，负压补偿电流的大小与交流电的幅值大小正相关。负压补偿模块的输出端与第一振荡器模块的输入端相连，负压补偿模块将负压补偿电流传输给第一振荡器模块，第一振荡器模块包括第一电容和第一触发器，第一电容的充放电电流随负压补偿电流的大小变化而改变，第一电容的充放电电流与负压补偿电流的大小负相关，第一触发器根据所述第一电容的充放电电流输出相应频率的脉冲信号。
负压补偿模块包括第一镜像电源，第一镜像电源的一个电流输出端与第一开关MOS管相连，第一开关MOS管的栅极与参考电压相连，第一开关MOS管还通过反馈电压检测端与反馈绕组相连，反馈绕组将交流电压的幅值信息输送到线电压波形检测端，参考电压与线电压波形检测端电压之差控制第一开关MOS管的导通与截止，当第一开关MOS管导通时，镜像电源的另一个电流输出端向第一振荡器模块输出负压补偿电流，负压补偿电流与交流电压的幅值正相关。
在本发明的一种优选实施方式中，如图7所示，该负压补偿模块包括第一镜像电源，该第一镜像电源包括电流源VCC、第一PMOS管P1和第二PMOS管P2，第一镜像电源的一个电流输出端与第一NMOS管N1，即与第一开关MOS管相连，第一NMOS管N1的栅极与参考电压Vref相连，第一NMOS管N1通过反馈电压检测端VFB与反馈绕组相连，当开关管Q1导通期间，输入交流电压的幅值信息VAC通过初级绕组和反馈绕组等比例耦合到芯片的反馈电压检测端VFB，具体为其中，NA为反馈绕组的圈数、NP为初级绕组的圈数，参考电压Vref与电压VFB之间的电压差为第一NMOS管N1的栅源电压VGS第一NMOS管N1的导通与截止由栅源电压VGS决定，当第一NMOS管N1导通时，控制芯片通过电源VCC给反馈电压检测端VFB灌入电流，当输入交流电的幅值越大时所需灌入的电流就越大，关系式为电流Iinput经过第一PMOS管P1和第二PMOS管P2组成的电流等比例镜像后产生了供给第一振荡器模块的负压补偿电流，负压补偿电流与交流电压的幅值正相关。
第一振荡器模块包括基准电流源、第一电容、第一充电电路、第一放电电路、第一充电电路开关管、第一放电电路开关管和第一触发器，第一电容通过第一充电电路与基准电流源和负压补偿电流的输入端分别相连，第一电容通过第一放电电路与地相连，第一充电电路开关管和第一放电电路开关管分别控制第一充电电路和第一放电电路的通断，第一电容随基准电流与负压补偿电流之差的大小改变其充放电电流，第一电容的充放电电流的大小与负压补偿电流的大小负相关，触发器与第一电容相连，触发器根据第一电容的充放电电流的变化输出相应频率的脉冲信号。
在本发明的一种优选实施方式中，如图8所示，该第一振荡器模块包括基准电流源Iref、第一电容C1、第一充电电路、第一放电电路、第一充电电路开关管、第一放电电路开关管和第一触发器。在本实施方式中，第一充电电路包括第三PMOS管P3、第五PMOS管P5。第一放电电路包括第三PMOS管P3、第四PMOS管P4、第四NMOS管N4和第五NMOS管N5。第一充电电路开关管为第六PMOS管P6。第一放电电路开关管为第六NMOS管N6。第一电容C1通过第一充电电路与基准电流源Iref和负压补偿电流的输入端分别相连，第一电容C1通过第一放电电路与地相连，第一充电电路开关管和第一放电电路开关管分别控制第一充电电路和第一放电电路的通断。在本实施方式中，还可以具有第一比较器和第二比较器，第一比较器的正极和第二比较器的负极分别与第一电容C1相连，第一比较器的负极连接第一基准电压，第二比较器的正极连接第二基准电压，并且第一基准电压＞第二基准电压＞0V。本实施方式的触发器采用具有两个输入端的RS触发器，RS触发器的两个输入端分别与第一比较器的输出端和第二比较器的输出端相连，RS触发器的输出端经过反相器后分别与第一充电电路开关管和第一放电电路开关管相连，控制第一充电电路开关管和第一放电电路开关管的通断。在本实施方式中，基准电流Iref通过第二NMOS管N2、第三NMOS管N3按比例镜像后与负压补偿电流相减，相减后电流由第三PMOS管P3、第五PMOS管P5镜像后产生给第一电容C1充电的充电电流，模块刚上电时，第一电容C1上的电压为零，第一比较器输出为低电平，第二比较器输出为高电平，由第一或非门和第二或非门组成的RS触发器输出为高电平，经过反相器后翻转为低电平，第六PMOS管P6打开，第六NMOS管N6关闭，第一电容C1开始充电，当第一电容C1上的电压大于第一基准电压时，第一比较器输出为高电平，RS触发器输出为低电平，经过反相器后翻转为高电平，第六PMOS管P6关闭，第六NMOS管N6打开，第一电容C1开始放电，由第三PMOS管P3、第四PMOS管P4、第四NMOS管N4和第五NMOS管N5镜像后产生给第一电容C1放电的放电电流，直至第一电容C1上的电压低于第二基准电压，重复上述过程，RS触发器的输出会形成一个方波信号，通过改变负压补偿电流就可以改变第一电容C1的充放电电流，进而改变RS触发器输出方波的频率。
本发明的控制芯片通过负压补偿模块和第一振荡器模块，当交流电的幅值变大时，能够连续地调小开关电源输出的最大工作频率。
如图5所示，在本发明的另一种优选实施方式中，根据输入交流电压的幅值实现对开关电源工作频率的数字调节，即开关电源的工作频率随输入交流电压的幅值的增长而断续降低，在本实施方式中，该控制芯片包括线电压检测模块、解码模块和第二振荡器模块。其中，线电压检测模块与输入滤波整流模块的输出端相连，输入滤波整流模块将包含交流电幅值信息的直流电传输给线电压检测模块，线电压检测模块根据交流电的幅值大小产生一个正相关的多位二进制信号并将二进制信号传输给解码模块，解码模块对二进制信号解码后形成负相关的断续变化的控制电流并将控制电流传输给第二振荡器模块，第二振荡器模块包括第四电容和第二触发器，第四电容的充放电电流随控制电流的大小变化而改变，第四电容的充放电电流与控制电流的大小正相关，第二触发器根据第四电容的充放电电流输出相应频率的脉冲信号。
在本发明的一种优选实施方式中，如图9所示，输入交流电电压VAC经过整流桥全波整流后形成了直流线电压VDC，其中再经过由第二电容C2、第三电容C3、第一电感L1组成的π型滤波器后线电压波形会变得平滑。控制芯片外部的第三电阻R3以及第四电阻R4和第五电阻R5组成分压网络，将线电压VDC按比例衰减后得到比较电压，第四电阻R4还通过第四电容接地。线电压检测模块包括第三比较器T1、第四比较器T2、...、第N-1比较器T N-3、第N比较器T N-2，其中，N为正整数。这N-2个比较器的正极均与输入滤波整流模块的输出端相连，在本实施方式中，是与比较电压相连，第m比较器的负极连接第m基准电压，第m基准电压随m的增大递增或者递减，其中，3≤m≤N，在本发明的一个更加优选的实施方式中，第N比较基准电压＞第N-1比较基准电压＞...＞第四比较基准＞第三比较基准电压。将线电压VDC按比例衰减后得到比较电压与多个比较器进行比较，当该比较电压大于第三比较基准时，第三比较翻转为高电平，当该电压大于第N比较基准时，所有比较器均翻转为高电平，最终线电压含有的交流电幅值大小信息会保存在由这N-2个比较器输出组成的一个并行二进制信号当中，二进制信号的大小与交流电的幅值大小正相关。线电压检测模块将该二进制信号送往解码模块进行解码。比较器输出电平变化的临界点为线电压与比较器比较基电压相等，即
在本发明的另一种优选实施方式中，如图10所示，解码模块包括第二镜像电流源，该第二镜像电流源包括第N+5NMOS管N N+5和第N+6NMOS管N N+6。第二镜像电流源的第一电流输出端并联有N-2个MOS管，编号依次为N7至NN+4，该N-2个MOS管的控制端与线电压检测模块的N-2个比较器的输出端一一对应相连，N-2个MOS管的漏极并联后与第一电流源相连，第一电流源的电流为A0，N-2个MOS管的源极分别通过独立的电流源接地，在本实施方式中，N-2个MOS管的源极连接的电流源的电流相同，均为AI。电流A0、AI为固定的基准电流，其中A0＞A1*(N-2)。N-2个MOS管的控制信号为线电压检测模块输出的并行二进制信号，一个比较器输出对应一个MOS管，N-2个MOS管在线电压检测模块输入的N-2位二进制信号的控制下导通与截止，第二镜像电流源的第一电流输出端输出与N-2位二进制信号大小负相关的控制电流。第一电流源的电流A0与导通第二电流源A1相减后产生第二振荡器的控制电流Iosc，当只有T1为高电平时，第七NMOS管N7打开，其他NMOS管关闭，控制电流Iosc＝A0-A1*1，同样，当T(N-2)为高电平，即所有NMOS管打开，此时控制电流Iosc＝A0-A1*(N-2)，所以不同的交流电输入电压会得到不同控制电流Iosc，其中VAC越大，控制电流Iosc越小。最后控制电流Iosc作为第二振荡器模块的控制电流送往第二振荡器模块，用于使第二振荡器模块在不同的交流电输入电压下产生不同的振荡频率。
在本发明的再一种优选实施例中，如图11所示，第二振荡器模块包括第四电容C4、第二充电电路、第二放电电路、第二充电电路开关管、第二放电电路开关管和第二触发器。在本实施方式中，第二充电电路包括第七PMOS管P7、第九PMOS管P9。第二放电电路包括第七PMOS管P7、第八PMOS管P8、第N+7NMOS管N N+7和第N+8NMOS管N N+8。第二充电电路开关管为第十PMOS管P10。第一放电电路开关管为第N+9NMOS管N N+9。第四电容C4通过第二充电电路与控制电流相连，第四电容C4通过第二放电电路与地相连，第二充电电路开关管和第二放电电路开关管分别控制第二充电电路和第二放电电路的通断。在本实施方式中，还可以具有第N+1比较器和第N+2比较器，第N+1比较器的正极和第N+1比较器的负极分别与第四电容C4相连，第N+1比较器的负极连接第N+1基准电压，第N+2比较器的正极连接第N+2基准电压，并且第N+1基准电压＞第N+2基准电压＞0V。本实施方式的第二触发器采用两个输入端的RS触发器，RS触发器的两个输入端分别与第N+1比较器的输出端和第N+1比较器的输出端相连，RS触发器的输出端经过反相器后分别与第二充电电路开关管和第二放电电路开关管相连，控制第二充电电路开关管和第二放电电路开关管的通断。解码模块输出电流信号Iosc由第七PMOS管P7、第九PMOS管P9镜像后产生给第四电容C4充电的充电电流。模块刚上电时，第四电容C4上的电压为零，第N+1比较器输出为低电平，第N+2比较器输出为高电平，由第三或非门和第四或非门组成的RS触发器输出为高电平，经过反相器后翻转为低电平，第十PMOS管P10打开，第N+9 NMOS管N N+9关闭，第四电容C4开始充电，当第四电容C4上的电压大于第N+1基准电压时，第N+1比较器输出为高电平，RS触发器输出为低电平，经过反相器后翻转为高电平，第十PMOS管P10管关闭，第N+9NMOS管N N+9打开，第四电容C4开始放电，由第七PMOS管P7、第八PMOS管P8、第N+7NMOS管N N+7和第N+8NMOS管N N+8镜像后产生给第四电容C4放电的放电电流，直至第四电容C4上的电压低于第N+2基准电压，重复上述过程，RS触发器的输出会形成一个方波信号，通过改变控制电流Iosc就可以改变第四电容C4的充放电电流，进而改变RS触发器输出方波的频率。
本发明的控制芯片通过线电压检测模块、解码模块和第二振荡器模块，在交流电的幅值变大时，能够断续地调小开关电源输出的最大工作频率。
本发明RS触发器输出的方波信号可以直接作为主开关管Q1的控制信号，也可以作为控制芯片内部的工作频率传输给模式控制模块，由模式控制模块产生控制信号控制主开关管Q1的通断。
需要说明的是，本发明中采用的MOS管的导电类型只是一种举例说明，并不能理解为对本发明的限制，当采用参数相同、导电类型相反的MOS管时，可以按照图中MOS管的连接方式将源极、漏极反接。
本发明还提供了一种开关电源的控制方法，包括如下步骤：
S1：开关电源上电，控制芯片接收输入滤波整流模块或初级恒流电路输入的交流电的幅值信息；
S2：控制芯片根据所述交流电的幅值信息调整其输出频率，当交流电的幅值变大时，控制芯片连续或断续地调小其输出的控制信号的频率，初级恒流电路在控制信号的控制下实现导通与截止并输出恒定的电流。
在本发明的一种优选实施方式中，当交流电的幅值变大时，控制芯片可以通过负压补偿模块和第一振荡器模块片连续地调小其输出控制信号的频率。在本发明的另一种优选实施方式中，当交流电的幅值变大时，控制芯片可以通过线电压检测模块、解码模块和第二振荡器模块断续地调小其输出控制信号的频率。
本发明的控制方法通过控制芯片的控制，当交流电的幅值变大时，既能连续地调小开关电源输出的最大工作频率，又能断续地调小开关电源输出的最大工作频率。从而使本发明的开关电源既适用于模拟电路，又适用于数字电路。
本发明在控制芯片在输入低幅值的交流电压时让开关电源工作于CCM模式，可以得到更小的初级充放电电流，更高的工作频率，这样选择小磁芯面积的变压器可以做到大磁芯面积变压器的输出功率并且保证变压器不进入饱和状态。另外，由于进入了CCM模式，所以电感量可以设计在一个较大的合适值，进而保证了磁芯间的气隙不会过大造成严重的铁损。
控制芯片在输入高幅值的交流电压时让开关电源退出CCM模式进入DCM模式，并且下降最大工作频率，由开关管的开关损耗公式可知，开关电源的工作频率与开关管的开关损耗是正比例关系，由于输入高幅值的交流电电压时开关管的开关损耗在系统损耗中处于主导地位，因此输入高幅值的交流电压时下降开关电源的工作频率能够很好抑制系统的损耗。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (19)

1.一种开关电源，其特征在于，包括：输入滤波整流模块、控制模块和初级恒流电路，
所述输入滤波整流模块与交流电源相连，用于对所述交流电源输入的交流电进行滤波，并将所述交流电整流为直流电；
所述控制模块分别与所述输入滤波整流模块和所述初级恒流电路相连，所述输入滤波整流模块将所述交流电的幅值信息输入所述控制模块，所述控制模块根据所述交流电的幅值信息调整其输出控制信号的频率，当交流电的幅值变大时，所述控制模块连续或断续地调小其输出的控制信号频率；
所述初级恒流电路与所述控制模块相连，所述初级恒流电路在所述控制信号的控制下实现导通与截止并输出恒定的电流。
2.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述初级恒流电路包括：
初级绕组，所述初级绕组用于在主开关管的控制下将所述直流电变化为电磁信号；
主开关管，所述主开关管与所述控制模块的控制信号输出端相连，由所述控制信号控制实现导通与截止，进而实现对所述初级绕组的控制；
次级绕组，所述次级绕组用于根据所述初级绕组产生的电磁信号输出恒定的电流；
反馈绕组，所述反馈绕组与所述控制模块的反馈电压检测端相连，所述反馈绕组通过反馈电压检测端将所述交流电的幅值信息传输给所述控制模块。
3.如权利要求1或2所述的开关电源，其特征在于，所述控制模块包括负压补偿模块和第一振荡器模块，
所述负压补偿模块的输入端与所述反馈绕组相连，所述反馈绕组将所述交流电的幅值信息传输给所述负压补偿模块，所述负压补偿模块根据所述交流电的幅值大小变化产生连续变化的负压补偿电流，所述负压补偿电流的大小与所述交流电的幅值大小正相关；
所述负压补偿模块的输出端与所述第一振荡器模块的输入端相连，所述负压补偿模块将所述负压补偿电流传输给所述第一振荡器模块，所述第一振荡器模块包括第一电容和第一触发器，所述第一电容的充放电电流随所述负压补偿电流的大小变化而改变，所述第一电容的充放电电流与所述负压补偿电流的大小负相关，所述第一触发器根据所述第一电容的充放电电流输出相应频率的脉冲信号。
4.如权利要求3所述的开关电源，其特征在于，所述负压补偿模块包括第一镜像电源，所述第一镜像电源的一个电流输出端与第一开关MOS管相连，所述第一开关MOS管的栅极与参考电压相连，所述第一开关MOS管还通过反馈电压检测端与所述反馈绕组相连，所述反馈绕组将交流电压的幅值信息输送到所述线电压波形检测端，所述参考电压与所述线电压波形检测端电压之差控制所述第一开关MOS管的导通与截止，当所述第一开关MOS管导通时，所述镜像电源的另一个电流输出端向所述第一振荡器模块输出负压补偿电流，所述负压补偿电流与所述交流电压的幅值正相关。
5.如权利要求3所述的开关电源，其特征在于，所述第一振荡器模块包括基准电流源、第一电容、第一充电电路、第一放电电路、第一充电电路开关管、第一放电电路开关管和第一触发器，所述第一电容通过第一充电电路与所述基准电流源和负压补偿电流的输入端分别相连，所述第一电容通过第一放电电路与地相连，所述第一充电电路开关管和第一放电电路开关管分别控制所述第一充电电路和第一放电电路的通断，所述第一电容随基准电流与负压补偿电流之差的大小改变其充放电电流，所述第一电容的充放电电流与所述负压补偿电流的大小负相关，所述触发器与所述第一电容相连，所述触发器根据所述第一电容的充放电电流输出相应频率的脉冲信号。
6.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述控制模块包括线电压检测模块、解码模块和第二振荡器模块，所述线电压检测模块与所述输入滤波整流模块的输出端相连，所述输入滤波整流模块将包含所述交流电幅值信息的直流电传输给所述线电压检测模块，所述线电压检测模块根据所述交流电的幅值大小产生一个正相关的多位二进制信号并将所述二进制信号传输给所述解码模块，所述解码模块对所述二进制信号解码后形成负相关的断续变化的控制电流并将所述控制电流传输给所述第二振荡器模块，所述第二振荡器模块包括第四电容和第二触发器，所述第四电容的充放电电流随所述控制电流的大小变化而改变，所述第四电容的充放电电流与所述控制电流的大小正相关，所述第二触发器根据所述第四电容的充放电电流输出相应频率的脉冲信号。
7.如权利要求6所述的开关电源，其特征在于，所述线电压检测模块包括第三比较器、第四比较器、...、第N-1比较器、第N比较器，所述比较器的正极均与所述输入滤波整流模块的输出端相连，所述第m比较器的负极连接第m基准电压，所述第m基准电压随m的增大递增或者递减，所述3≤m≤N，所述N-2个比较器随所述交流电的幅值大小变化依次改变输出电平的高低，产生递增或递减的N-2位二进制信号，所述二进制信号的大小与所述交流电的幅值大小正相关，所述N为正整数。
8.如权利要求6所述的开关电源，其特征在于，所述解码模块包括第二镜像电流源，所述第二镜像电流源的第一电流输出端并联有N-2个MOS管，所述N-2个MOS管的控制端与所述线电压检测模块的N-2个比较器的输出端一一对应相连，所述N-2个MOS管的漏极并联后与第一电流源相连，所述N-2个MOS管的源极分别通过独立的电流源接地，所述N-2个MOS管在所述线电压检测模块输入的N-2位二进制信号的控制下导通与截止，所述第二镜像电流源的第一电流输出端输出与所述N-2位二进制信号大小负相关的电流，所述第二镜像电流源的第二电流输出端向所述第二振荡器模块输出控制电流，所述控制电流与镜像电流源的第一输出端输出的电流相同。
9.如权利要求6所述的开关电源，其特征在于，所述第二振荡器模块包括第四电容、第二充电电路、第二放电电路、第二充电电路开关管、第二放电电路开关管和第二触发器，所述第四电容通过第二充电电路与控制电流相连，所述第四电容通过第二放电电路与地相连，所述第二充电电路开关管和第二放电电路开关管分别控制所述第二充电电路和第二放电电路的通断，所述第四电容随控制电流的大小改变其充放电电流，所述第二触发器与所述第四电容相连，所述第二触发器根据所述第四电容的充放电电流输出相应频率的脉冲信号。
10.一种开关电源的控制方法，其特征在于，所述开关电源为权利要求1-9中任一项所述的开关电源，所述控制方法包括如下步骤：
S1：开关电源上电，控制模块接收输入滤波整流模块输入的交流电的幅值信息；
S2：所述控制模块根据所述交流电的幅值信息调整其输出频率，当交流电的幅值变大时，所述控制模块连续或断续地调小其输出的控制信号的频率，初级恒流电路在所述控制信号的控制下实现导通与截止并输出恒定的电流。
11.如权利要求10所述的开关电源的控制方法，其特征在于，所述控制模块包括负压补偿模块和第一振荡器模块，所述负压补偿模块的输入端与反馈绕组相连，所述反馈绕组将所述交流电的幅值信息传输给所述负压补偿模块，所述负压补偿模块的输出端与所述第一振荡器模块的输入端相连，所述负压补偿模块将所述负压补偿电流传输给所述第一振荡器模块，当交流电的幅值变大时，所述控制模块通过所述负压补偿模块和第一振荡器模块连续地调小其输出控制信号的频率。
12.如权利要求10所述的开关电源的控制方法，其特征在于，所述控制模块包括线电压检测模块、解码模块和第二振荡器模块，所述线电压检测模块与所述输入滤波整流模块的输出端相连，所述输入滤波整流模块将包含所述交流电幅值信息的直流电传输给所述线电压检测模块，所述线电压检测模块根据所述交流电的幅值大小产生一个正相关的多位二进制信号并将所述二进制信号传输给所述解码模块，所述解码模块对所述二进制信号解码后形成负相关的断续变化的控制电流并将所述控制电流传输给所述第二振荡器模块，所述第二振荡器模块包括第四电容和第二触发器，所述第四电容的充放电电流随所述控制电流的大小变化而改变，所述第四电容的充放电电流与所述控制电流的大小正相关，所述第二触发器根据所述第四电容的充放电电流输出相应频率的脉冲信号，当交流电的幅值变大时，所述控制模块通过所述线电压检测模块、解码模块和第二振荡器模块断续地调小其输出控制信号的频率。
13.一种控制芯片，其特征在于，所述控制芯片为权利要求1-9中任一项所述的开关电源使用的控制模块，所述控制芯片包括负压补偿模块和第一振荡器模块，
所述负压补偿模块的输入端与所述反馈绕组相连，所述反馈绕组将所述交流电的幅值信息传输给所述负压补偿模块，所述负压补偿模块根据所述交流电的幅值大小变化产生连续变化的负压补偿电流，所述负压补偿电流的大小与所述交流电的幅值大小正相关；
所述负压补偿模块的输出端与所述第一振荡器模块的输入端相连，所述负压补偿模块将所述负压补偿电流传输给所述第一振荡器模块，所述第一振荡器模块包括第一电容和第一触发器，所述第一电容的充放电电流随所述负压补偿电流的大小变化而改变，所述第一电容的充放电电流与所述负压补偿电流的大小负相关，所述第一触发器根据所述第一电容的充放电电流输出相应频率的脉冲信号。
14.如权利要求13所述的控制芯片，其特征在于，所述负压补偿模块包括第一镜像电源，所述第一镜像电源的一个电流输出端与第一开关MOS管相连，所述第一开关MOS管的栅极与参考电压相连，所述第一开关MOS管还通过反馈电压检测端与所述反馈绕组相连，所述反馈绕组将交流电压的幅值信息输送到所述线电压波形检测端，所述参考电压与所述线电压波形检测端电压之差控制所述第一开关MOS管的导通与截止，当所述第一开关MOS管导通时，所述镜像电源的另一个电流输出端向所述第一振荡器模块输出负压补偿电流，所述负压补偿电流与所述交流电压的幅值正相关。
15.如权利要求13所述的控制芯片，其特征在于，所述第一振荡器模块包括基准电流源、第一电容、第一充电电路、第一放电电路、第一充电电路开关管、第一放电电路开关管和第一触发器，所述第一电容通过第一充电电路与所述基准电流源和负压补偿电流的输入端分别相连，所述第一电容通过第一放电电路与地相连，所述第一充电电路开关管和第一放电电路开关管分别控制所述第一充电电路和第一放电电路的通断，所述第一电容随基准电流与负压补偿电流之差的大小改变其充放电电流，所述第一电容的充放电电流与所述负压补偿电流的大小负相关，所述触发器与所述第一电容相连，所述触发器根据所述第一电容的充放电电流输出相应频率的脉冲信号。
16.一种控制芯片，其特征在于，所述控制芯片为权利要求1-9中任一项所述的开关电源使用的控制模块，所述控制芯片包括线电压检测模块、解码模块和第二振荡器模块，所述线电压检测模块与所述输入滤波整流模块的输出端相连，所述输入滤波整流模块将包含所述交流电幅值信息的直流电传输给所述线电压检测模块，所述线电压检测模块根据所述交流电的幅值大小产生一个正相关的多位二进制信号并将所述二进制信号传输给所述解码模块，所述解码模块对所述二进制信号解码后形成负相关的断续变化的控制电流并将所述控制电流传输给所述第二振荡器模块，所述第二振荡器模块包括第四电容和第二触发器，所述第四电容的充放电电流随所述控制电流的大小变化而改变，所述第四电容的充放电电流与所述控制电流的大小正相关，所述第二触发器根据所述第四电容的充放电电流输出相应频率的脉冲信号。
17.如权利要求16所述的控制芯片，其特征在于，所述线电压检测模块包括第三比较器、第四比较器、...、第N-1比较器、第N比较器，所述比较器的正极均与所述输入滤波整流模块的输出端相连，所述第m比较器的负极连接第m基准电压，所述第m基准电压随m的增大递增或者递减，所述3≤m≤N，所述N-2个比较器随所述交流电的幅值大小变化依次改变输出电平的高低，产生递增或递减的N-2位二进制信号，所述二进制信号的大小与所述交流电的幅值大小正相关，所述N为正整数。
18.如权利要求16所述的控制芯片，其特征在于，所述解码模块包括第二镜像电流源，所述第二镜像电流源的第一电流输出端并联有N-2个MOS管，所述N-2个MOS管的控制端与所述线电压检测模块的N-2个比较器的输出端一一对应相连，所述N-2个MOS管的漏极并联后与第一电流源相连，所述N-2个MOS管的源极分别通过独立的电流源接地，所述N-2个MOS管在所述线电压检测模块输入的N-2位二进制信号的控制下导通与截止，所述第二镜像电流源的第一电流输出端输出与所述N-2位二进制信号大小负相关的电流，所述第二镜像电流源的第二电流输出端向所述第二振荡器模块输出控制电流，所述控制电流与镜像电流源的第一输出端输出的电流相同。
19.如权利要求16所述的控制芯片，其特征在于，所述第二振荡器模块包括第四电容、第二充电电路、第二放电电路、第二充电电路开关管、第二放电电路开关管和第二触发器，所述第四电容通过第二充电电路与控制电流相连，所述第四电容通过第二放电电路与地相连，所述第二充电电路开关管和第二放电电路开关管分别控制所述第二充电电路和第二放电电路的通断，所述第四电容随控制电流的大小改变其充放电电流，所述第二触发器与第四电容相连，第二触发器根据所述第四电容的充放电电流输出相应频率的脉冲信号。
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