CN104578799A - 一种开关电源系统及其控制电路和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关电源系统及其控制电路和控制方法。其中开关电源系统包括：整流电路，对交流输入电压进行整流并提供开关电路的输入电压；开关电路，包含功率开关，开关电路在功率开关的开关动作下在开关电路的输出端提供输出电流用于为负载供电；以及控制电路，包括积分电路，其中积分电路接收表征输出电流的输出电流信号并对其进行积分获得电荷信号，控制电路基于电荷信号和电荷参考信号产生开关控制信号用于控制功率开关，控制电路进一步通过控制电荷信号控制输出电流的稳定。该开关电源系统及其控制电路和控制方法能有效消除LED中的闪烁现象，且具有功耗低、电路简单，控制可靠等优点。

Description

一种开关电源系统及其控制电路和控制方法
技术领域
本发明涉及电路，具体但不限于涉及用于消除LED灯源闪烁的开关电源系统及其控制电路和控制方法。
背景技术
三端双向可控硅(TRIAC)器件被广泛用于对发光二极管(LED)照明系统进行调光。TRIAC器件接收交流电源，并通过控制TRIAC器件的导通角来截断部分交流电压，从而达到调节输入能量从而达到调光目的。然而由于交流电源的扰动，影响TRIAC器件的导通角截断时机，因此其输出的能量在不同的交流周期不稳定，极易造成LED的闪烁。为避免此一情形发生，现有的一种方法为在TRIAC器件后加上电阻可调的泄流器(Breeder)电路用于稳定TRIAC器件的输出，但这种方法功耗损失大，电能效率低，同时也增加了系统散热的要求。另一种方法是采用多级电压变换器，如在反激式变换器前增加升压转换电路，但这种方法增加了很多的元件，大大增加了体积和制造成本。
另外，在其它一些不采用TRIAC调光电路或不采用调光电路的场合，也同样存在对电源输出稳定的要求。
发明内容
为了解决至少一个或多个上述提出的问题，本发明提出了一种开关电源系统及其控制电路和控制方法。
根据本发明的一个方面，一种用于控制开关电路的控制电路包括：积分电路，接收表征开关电路输出电流的输出电流信号，积分电路对输出电流信号进行积分并提供电荷信号；电荷控制电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中电荷控制电路的第一输入端接收电荷信号，电荷控制电路的第二输入端耦接电荷参考信号；以及开关控制电路，具有输入端和输出端，其中开关控制电路的输入端耦接电荷控制电路的输出端，开关控制电路基于电荷信号和电荷参考信号在开关控制电路的输出端提供开关控制信号用于控制开关电路的功率开关。在一个实施例中，电荷控制电路包括：增益控制电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中增益控制电路的第一输入端接收电荷信号，增益控制电路的第二输入端接收电荷参考信号，增益控制电路基于电荷信号和电荷参考信号在输出端提供增益调制信号；以及乘法电路，具有输入端、控制端和输出端，其中乘法电路的输入端耦接开关电路的输入端，乘法电路的控制端耦接增益控制电路的输出端，乘法电路的输出端耦接开关控制电路的输入端，乘法电路根据增益调制信号调制输入电压的增益，并在乘法电路的输出端提供经增益调制的输入电压信号。在一个实施例中，控制电路进一步包括电流反馈电路，电流反馈电路检测开关电路的输入电流并提供输入电流信号，控制电路控制输入电流信号跟随经增益调制的输入电压信号。在一个实施例中，电荷控制电路包括：电荷参考信号发生电路，产生电荷参考信号；电荷比较电路，接收电荷信号和电荷参考信号，电荷比较电路将电荷信号和电荷参考信号进行比较并产生电荷比较信号；增益调制电路，其输入端接收电荷比较信号，其输出端提供增益调制信号；乘法电路，具有输入端、控制端和输出端，其中乘法电路的输入端耦接开关电路的输入端，乘法电路的控制端耦接增益调制电路的输出端，乘法电路控制输入电压的增益并在乘法电路的输出端提供电流参考信号；第一锁存电路，具有置位输入端、复位输入端和输出端，其中第一锁存电路的置位输入端接收输入电压检测信号，第一锁存电路的复位输入端耦接电荷比较电路的输出端用于接收电荷比较信号；以及与门，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中与门的第一输入端耦接开关控制电路的输出端，与门的第二输入端耦接第一锁存电路的输出端，与门的输出端耦接功率开关的控制端；当电荷信号高于电荷参考信号时，第一锁存电路被复位，功率开关被关断，当输入电压检测信号表征新的输入周期到来时，第一锁存电路被置位，功率开关受开关控制电路的输出控制。在一个实施例中，开关控制电路包括：电流比较电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中电流比较电路的第一输入端接收电流参考信号，电流比较电路的第二输入端接收输入电流信号，电流比较电路将输入电流信号与电流参考信号进行比较并在输出端提供电流比较信号；以及第二锁存电路，具有置位输入端、复位输入端和输出端，其中置位输入端接收置位信号，复位输入端耦接电流比较电路的输出端，其中当置位信号由无效状态变为有效状态时，功率开关导通，当输入电流信号上升至电流参考信号时，功率开关关断。在一个实施例中，增益调制信号包括增益上升信号和增益下降信号，其中：当电荷信号高于电荷参考信号时或输入电压降为零值时，增益下降信号从无效状态切换为有效状态，当调光电路导通时，增益下降信号从有效状态切换为无效状态；当输入电压下降至参考电压时，增益上升信号从无效状态切换为有效状态，当调光电路导通时，增益上升信号从有效状态切换为无效状态；当增益上升信号为有效状态、增益下降信号为无效状态时，增益增高；当增益上升信号为无效状态、增益下降信号为有效状态时，增益降低；当增益上升信号和增益下降信号均为有效状态或无效状态时，增益不变。在一个实施例中，电荷参考信号发生电路包括：低通滤波器，具有输入端和输出端，其中低通滤波器的输入端接收输入电压，低通滤波器对输入电压进行低通滤波以获得输入电压在一时间段内的平均值；以及钳制电路，具有输入端和输出端，其中钳制电路的输入端耦接低通滤波器的输出端，钳制电路的输出端提供电荷参考信号，钳制电路的输出端在每个时间段的终点更新输出滤波值。在一个实施例中，控制电路进一步包括信号转换电路，信号转换电路的输入端接收输入电流信号，信号转换电路的输出端耦接积分电路的输入端，信号转换电路基于输入电流信号产生表征输出电流的输出电流信号。
根据本发明的另一个方面，一种开关电源系统包括：整流电路，具有输入端和输出端，其中整流电路的输入端接收交流输入电压，整流电路对交流输入电压进行整流并在整流电路的输出端提供输入电压；开关电路，具有输入端和输出端，其中开关电路的输入端耦接整流电路的输出端，开关电路包含功率开关，开关电路在功率开关的开关动作下在开关电路的输出端提供输出电流用于为负载供电；以及如上所述的控制电路。
根据本发明的又一个方面，一种开关电源系统包括：整流电路，具有输入端和输出端，其中整流电路的输入端接收交流输入电压，整流电路对交流输入电压进行整流并在整流电路的输出端提供输入电压；开关电路，具有输入端和输出端，其中开关电路的输入端耦接整流电路的输出端，开关电路包含功率开关，开关电路在功率开关的开关动作下在开关电路的输出端提供输出电流用于为负载供电；以及控制电路，包括积分电路，其中积分电路接收表征输出电流的输出电流信号并对其进行积分以获得电荷信号，控制电路基于电荷信号和电荷参考信号产生开关控制信号用于控制功率开关，控制电路进一步通过控制电荷信号控制输出电流的稳定。在一个实施例中，控制电路进一步包括：增益控制电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中增益控制电路的第一输入端接收电荷信号，增益控制电路的第二输入端耦接电荷参考信号，增益控制电路基于电荷信号和电荷参考信号在输出端提供增益调制信号；乘法电路，具有输入端、控制端和输出端，其中乘法电路的输入端耦接开关电路的输入端，乘法电路的控制端耦接增益控制电路的输出端，乘法电路根据增益调制信号控制输入电压的增益，并在乘法电路的输出端提供经增益调制的输入电压信号；以及开关控制电路，开关控制电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中开关控制电路的第一输入端耦接乘法电路的输出端，开关控制电路的第二输入端接收表征开关电路输入电流的输入电流信号，开关控制电路基于经增益调制的输入电压信号和输入电流信号产生开关控制信号用于控制功率开关，当输入电流信号大于经调制的输入电压信号时，开关控制电路关断功率开关。在一个实施例中，开关电路包括反激式电压变换电路。在一个实施例中，开关电源系统，进一步包括TRIAC调光器件，耦接于交流输入电压和整流电路之间。在一个实施例中，负载包括LED器件。在一个实施例中，控制电路进一步包括：电流反馈电路，检测开关电路的输入电流以获得输入电流信号；电荷比较电路，将电荷信号和电荷参考信号进行比较并产生电荷比较信号；增益调制电路，其输入端接收电荷比较信号，其输出端提供增益调制信号；乘法电路，具有输入端、控制端和输出端，其中乘法电路的输入端耦接开关电路的输入端，乘法电路的控制端耦接增益调制电路的输出端，乘法电路控制输入电压的增益并在乘法电路的输出端提供电流参考信号；电流比较电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中电流比较电路的第一输入端接收电流参考信号，电流比较电路的第二输入端接收输入电流信号，电流比较电路将输入电流信号与电流参考信号进行比较并在输出端提供电流比较信号；第二锁存电路，具有置位输入端、复位输入端和输出端，其中置位输入端接收置位信号，复位输入端耦接电流比较电路的输出端，第二锁存电路的输出端耦接功率开关，其中当置位信号由无效状态变为有效状态时，功率开关导通，当输入电流信号上升至电流参考信号时，功率开关关断。在一个实施例中，增益调制信号包括增益上升信号和增益下降信号：当电荷信号高于电荷参考信号时或输入电压降为零值时，增益下降信号从无效状态切换为有效状态，当调光电路导通时，增益下降信号从有效状态切换为无效状态；当输入电压下降至参考电压时，增益上升信号从无效状态切换为有效状态，当调光电路导通时，增益上升信号从有效状态切换为无效状态；当增益上升信号为有效状态、增益下降信号为无效状态时，增益增高；当增益上升信号为无效状态、增益下降信号为有效状态时，增益降低；当增益上升信号和增益下降信号均为有效状态或无效状态时，增益不变。在一个实施例中，控制电路进一步包括：第一锁存电路，具有置位输入端、复位输入端和输出端，其中第一锁存电路的置位输入端接收输入电压检测信号，第一锁存电路的复位输入端耦接电荷比较电路的输出端用于接收电荷比较信号；以及与门，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中与门的第一输入端耦接第二锁存电路的输出端，与门的第二输入端耦接第一锁存电路的输出端，与门的输出端耦接功率开关的控制端；当电荷信号高于电荷参考信号时，第一锁存电路被复位，功率开关被关断，当新的输入周期到来时，第一锁存电路被置位，功率开关受第二锁存电路的输出端控制。在一个实施例中，控制电路进一步包括信号转换电路，信号转换电路的输入端接收输入电流反馈信号，信号转换电路的输出端耦接积分电路的输入端，信号转换电路基于输入电流反馈信号产生表征输出电流的输出电流信号。在一个实施例中，控制电路进一步包括电荷参考信号发生电路用于产生电荷参考信号，电荷参考信号发生电路包括：低通滤波器，具有输入端和输出端，其中低通滤波器的输入端接收输入电压，低通滤波器对输入电压进行低通滤波以获得输入电压在一时间段内的平均值；以及钳制电路，具有输入端和输出端，其中钳制电路的输入端耦接低通滤波器的输出端，钳制电路的输出端提供电荷参考信号，钳制电路的输出端在每个时间段的终点更新输出滤波值。在一个实施例中，开关电源系统，进一步包括检测电路，用于检测输入电压的状态，当输入电压跳变时，输出高电平的脉冲用于表征新的输入周期的到来，其中电荷信号为一输入周期中的输出电流信号对时间的积分。
根据本发明的再一个方面，一种消除LED闪烁的开关电源控制方法包括：将表征开关电源输出电流的输出电流信号沿时间进行积分获得电荷信号；基于电荷信号和电荷参考信号控制输入电压的增益获得经增益调制的输入电压信号；基于经调制的输入电压信号控制开关电源的功率开关；当电荷信号大于电荷参考信号时关断功率开关并降低输入电压的增益，当电荷信号低于电荷参考信号时升高输入电压的增益。在一个实施例中，上述方法进一步包括：检测开关电源的输入电流获得输入电流信号；基于输入电流信号计算输出电流信号。在一个实施例中，上述方法进一步包括将经增益调制的输入电压信号与输入电流信号进行比较，当输入电流信号大于经增益调制的输入电压信号时，关断功率开关；当输入电流为零或新的输入周期到来时导通功率开关。
根据本发明的开关电源系统及其控制电路和控制方法，能有效地消除LED灯光的闪烁问题，且具有功耗低、电路简单，控制可靠等优点。
附图说明
为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述：
图1示出了根据本发明一实施例的交流输入电压以及经整流和经整流调光后的输入电压波形；
图2示出了根据本发明一实施例的开关电源系统200的框图示意图；
图3示出了根据本发明一实施例的开关电源系统300的框图示意图；
图4示出了根据本发明一实施例的经调光后的信号Vtr和经整流后获得的信号Vin的波形示意图；
图5示出了根据本发明一实施例的开关电源系统500的具体电路示意图；
图6示出了根据本发明一实施例的电荷参考信号发生电路52的示意图；
图7示出了根据本发明一实施例的信号波形示意图；
图8分别示出了现有技术中采用TRIAC器件调光的信号波形仿真图和根据本发明一实施例的采用TRIAC器件调光的信号波形仿真图；
图9示出了根据本发明一实施例的用于消除LED闪烁现象的开关电源控制方法900。
附图没有对实施例的所有电路或结构进行显示。贯穿所有附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或特征。
具体实施方式
下面参照附图详细描述本发明的实施例。本领域的技术人员应当理解，图中的一些细节，如尺寸、形状、角度以及其他特征仅仅是示意本技术的某一特定实施例。没有这些具体细节，本发明同样可以实施。本领域技术人员还应理解，尽管本发明中的详细描述与特定实施例相结合，但本发明仍有许多其他实施方式，在实际执行时可能有些变化，但仍然包含在本发明主旨范围内，因此，本发明旨在包括所有落入本发明和所述权利要求范围及主旨内的替代例、改进例和变化例等。
说明书和权利要求书中的“耦接”包括直接连接和通过中间体的间接连接。其中间接连接可包括通过导体的连接，该导体具有一定的电阻阻值，也可有一定的寄生电容值或电感值。间接连接还可包括通过其他中间体的连接，如二极管、开关管，或包括导体与其它中间体的组合连接。
图1示出了交流输入电压Vac和经整流或整流调光后的输入电压Vin波形。开关电源系统将交流输入电压Vac如市政电源电压转换为经整流的输入电压Vin。若该输入电压Vin不经调光，则输入电压Vin如波形A所示。若对交流电压进行调光整流，如采用TRIAC器件对交流电压Vac进行斩波以控制某相位段的波形通过，则经调光整流后的输入电压Vin如波形B所示。其中经整流后的输入电压Vin的周期称为输入周期To，即交流输入电压Vac的半波周期。本发明的多个实施例通过控制开关电源的每个输入周期To中的输出电流的电荷量来为实现开关电源的输出电流稳定。
图2示出了根据本发明一实施例的开关电源系统200。该开关电源系统200包括整流电路21、开关电路22，负载23和控制电路20。整流电路21将一交流输入电压Vac整流形成输入电压Vin，如图1所示的波形A。整流电路21可采用如图所示的整流桥，也可采用其它形式的整流电路。开关电路22基于输入电压Vin为负载23提供经控制的输出电流Io。在一个实施例中，开关电路22采用降压变换器。在其它一些实施例中，开关电路也可为升压变换器，隔离式电压变换器或非隔离式电压变换器。在所示的实施例中，负载23为LED器件。在另一些实施例中，负载23可为其它形式，可为其它类型的照明器件，也可为非照明器件。对LED来说，为了使其提供稳定的光源，需要开关电路提供稳定的输出电流。控制电路20接收表征开关电路输出电流Io的输出电流信号Ic，并基于该电流信号Ic产生开关控制信号CTRL用于控制开关电路22，从而为负载提供所需的能量。在一个实施例中，电流信号Ic通过直接检测输出电流Io获得。在另一个实施例中，电流信号Ic通过检测开关电源系统200其它部位的电流后再经过计算换算为输出电流后获得。控制电路20基于电流信号Ic计算每个输入周期输出电流的电荷量，并通过控制输出电流控制每个输入周期的输出电流的电荷量在一预定水平上。具体地，控制电路20包括积分电路24、电荷控制电路25和开关控制电路26。积分电路24接收表征流过负载23的输出电流的输出电流信号Ic，并对输出电流信号Ic进行积分。积分电路24输出的积分信号即为反映输出电流电荷量的电荷信号CHG。积分电路24可采用任何现有的对信号依时间进行积分的电路。电荷控制电路25接收电荷信号CHG和电荷参考信号CREF，将电荷信号CHG与电荷参考信号CREF进行比较。开关控制电路26基于电荷信号CHG与电荷参考信号CREF的比较结果，调节开关控制信号CTRL。在一个实施例中，电荷控制电路25的比较结果为逻辑信号。在另一个实施例中，比较结果为误差放大信号。开关控制信号CTRL控制开关电路22中的功率开关的导通和关断，从而控制开关电路22的输出电流。通过控制每个输入周期中的输出电流的电荷跟随电荷参考信号CREF，使得输出电荷保持稳定以控制输出电流稳定，从而消除LED负载23光源的闪烁现象。
图3示出了根据本发明一实施例的开关电源系统300的示意图。开关电源系统300基于输出电荷与电荷参考信号CREF的比较结果控制输入电压Vin的增益，并基于经增益调制的输入电压信号REF控制开关电路22中功率开关，从而控制输出电荷，进而控制输出电流的稳定。开关电源系统300包含TRIAC器件调光电路31，整流电路21、开关电路22、负载23和控制电路30。
调光电路31具有输入端和输出端，其中调光电路31的输入端耦接交流电源Vac，输出端提供调光后的电压信号Vtr。调光电路31用于将交流电源Vac进行相位斩波获得经斩波后的交流信号Vtr。图4示出了根据本发明一实施例的经调光后的信号Vtr和经整流后获得的信号Vin波形示意图。如图4所示的TRIAC器件采用前沿调光。在另一个实施例中，TRIAC器件也可采用后沿调光。整流电路21具有输入端和输出端，其中整流电路21的输入端耦接调光电路31的输出端，用于接收经斩波后的交流信号Vtr，整流电路21的输出端提供开关电路22的输入电压Vin。斩波后的输入电压Vtr经整流电路21整流获得输入电压Vin。开关电路22具有输入端和输出端，其中输入端耦接整流电路21的输出端，用于接收输入电压Vin，并基于输入电压Vin在输出端提供输出电流Io，用于为负载23供电。在图3所示的实施中，控制电路30接收表征输出电流Io的输出电流信号Ic，并将输出电流信号Ic按每个输入周期进行积分，获得电荷信号CHG。
控制电路30包括积分电路24，增益控制电路32，乘法电路33和开关控制电路26。其中增益控制电路32和乘法电路33可称为电荷控制电路。积分电路24耦接开关电路22用于接收表征输出电流Io的输出电流信号Ic。积分电路24在一个输入周期To内对输出电流信号Ic进行积分用于获得电荷信号CHG。增益控制电路32具有第一输入端和第二输入端。其中增益控制电路32的第一输入端耦接积分电路24用于接收电荷信号CHG，增益控制电路32的第二输入端接收电荷参考信号CREF，增益控制电路32基于电荷信号CHG和电荷参考信号CREF产生增益调制信号Gct，增益控制电路32的输出端耦接乘法电路33的控制端。乘法电路33具有输入端，控制端和输出端，其中乘法电路33的输入端耦接开关电路22的输入端用于接收表征输入电压Vin的输入电压信号，乘法电路33的控制端耦接增益控制电路32的输出端，乘法电路33的输出端提供电流参考信号REF。增益控制电路32基于积分信号CHG和电荷参考信号CREF的差值控制输入电压Vin的增益，并获得经增益调制后的输入电压信号作为电流参考信号REF。开关控制电路26接收电流参考信号REF和其他反馈信号如输出电流信号Ic或输入电流信号，并基于电流参考信号REF和其它反馈信号输出开关控制信号CTRL控制开关电路22。在一个实施例中，开关电源系统300采用功率因素校正(PFC)控制，使得输入电流Iin跟随经增益调制后的输入电压Vin的波形，其中输入电流Iin可根据开关电路22的输出电流Io与输入电流Iin的关系从输出电流信号Ic经过计算获得。在另一个实施例中，开关控制电路26直接接收输入电流信号并基于经增益调制的输入电压信号REF和输入电流信号控制开关电路，使得输入电流Iin跟随经调制后的输入电压。在又一个实施例中，电流信号Ic为检测输入电流Iin的信号，输入电流信号Ic经过计算变换后得到表征输出电流的信号并对计算后的信号进行积分用于获得电荷信号CHG。开关电源系统300的控制电路30基于电荷信号CHG与电荷参考信号CREF的比较结果控制输入电压Vin的增益。通过上述控制，输入电流跟随电流参考信号REF，输出电荷跟随电荷参考信号CREF。这样，每个输入周期的输出电荷被控制在一定水平，LED负载提供的光源中的闪烁现象被消除或降低。
图5示出了根据本发明一实施例的开关电源系统500的具体电路示意图。开关电源系统500采用PFC控制。开关电源系统500包括调光电路31、整流电路21，开关电路和控制电路50。在图5所示的实施例中，开关电路包括反激式电压变换电路，其包括功率开关K、变压电路T、副边整流二极管D和输出电容C。控制电路50采集反激式电压变换电路原边的输入电流Iin，并基于PFC控制使得输入电流Iin的峰值跟随输入电压Vin。同时信号转换电路51将输入电流Iin信号转换成表征输出电流Io的输出电流信号Ic，并控制输出电流Io在每个输入周期内的电荷稳定。
控制电路50包括电流反馈电路、信号转换电路51、积分电路24、电荷参考信号发生电路52、电荷比较电路53、增益调制电路54、第一锁存电路59、乘法电路33、与门57和开关控制电路。其中开关控制电路包括电流比较电路55和第二锁存电路56。控制电路50进一步包括检测电路58，检测输入电压Vin的状态。在一个实施例中，当输入电压Vin跳变时，如输入电压Vin由零值跳变为较高电压时，检测电路58输出高电平的脉冲用于表征新的输入周期的到来，其中电荷信号CHG为一输入周期中的输出电流信号对时间的积分。在图示的实施例中，TRIAC器件调光采用前沿调光，状态检测信号Det在输入电压Vin由零值跳变为较高电压时输出高电平脉冲，其中一个输入周期为状态检测信号Det的两个脉冲上升沿之间的时间长。在另一个实施例中，TRIAC器件采用后沿调光，则一个输入周期为输入电压由高电位切换为零值时的状态检测信号两个脉冲上升沿之间的时间长。电流反馈电路包括电阻R和前沿消隐电路LEB，用于采样流过功率开关K的电流，即输入电流Iin，并提供输入电流信号Ii。信号转换电路51的输入端耦接电流反馈电路用于接收输入电流信号Ii。信号转换电路51基于输入电流Iin计算得到输出电流Io，并在信号转换电路51的输出端提供输出电流信号Ic。
在另一个实施例中，输出电流信号Ic通过采样副边输出电流获得。积分电路24的输入端耦接信号转换电路51的输出端用于接收输出电流信号Ic，对输出电流信号Ic在一个输入周期内沿时间进行积分，并在积分电路24的输出端提供电荷信号CHG。电荷参考信号发生电路52产生电荷参考信号CREF。在一个实施例中，电荷参考信号发生电路52基于输入电压Vin在多个周期中的平均值产生电荷参考信号CREF。
图6示出了根据本发明一实施例的电荷参考信号发生电路52的示意图。电荷参考信号发生电路52包括低通滤波器61和钳制电路62。其中低通滤波器61的输入端接收输入电压Vin，低通滤波器61对输入电压进行低通滤波，以获得输入电压Vin在一时间段内的平均值。在一个实施例中，该时间段为n个输入周期，其中n为大于2的正整数。低通滤波器61的输出端耦接钳制电路62。钳制电路62在每个时间段的终点更新输出滤波电路61的滤波值。低通滤波器61可采用任意的具有低通滤波功能的电路。钳制电路62可为任意的具有保持-输出功能的电路。
继续图5的说明。电荷比较电路53具有同相输入端、反相输入端以及输出端，其中电荷比较电路53的同相输入端耦接积分电路24的输出端用于接收积分信号CHG，电荷比较电路53的反相输入端耦接电荷参考信号发生电路52的输出端用于接收电荷参考信号CREF。电荷比较电路53将积分信号CHG与电荷参考信号CREF进行比较，输出电荷比较信号Ccmp。在另一个实施例中，同相输入端和反相输入端的信号可以对换。增益调制电路54的输入端耦接电荷比较电路53的输出端，其输出端耦接乘法电路33的控制端，增益调制电路54基于电荷比较信号Ccmp产生增益调制信号Ginc，Gdec对输入电压Vin的增益进行调制，并在乘法电路33的输出端提供经调制后的输入电压信号，作为输入电流Iin的电流参考信号REF。在一个实施例中，增益调制电路54输出增益上升信号Ginc和增益下降信号Gdec两个逻辑信号，当增益上升信号Ginc为有效状态、增益下降信号Gdec为无效状态时，增益增高；当增益上升信号Ginc为无效状态、增益下降信号Gdec为有效状态时，增益降低；当增益上升信号Ginc和增益下降信号Gdec均为有效状态或无效状态时，增益不变。电荷比较信号Ccmp进一步输送至第一锁存电路59用于在电荷信号CHG高于电荷参考信号CREF时控制关断功率开关K。第一锁存电路59具有复位输入端R、置位输入端S和输出端Q，其中复位输入端R耦接电荷比较电路53的输出端，置位输入端S耦接检测电路58的输出端用于接收状态检测信号Det。第一锁存电路59的输出端Q耦接与门57的第一输入端。当电荷信号CHG大于电荷参考信号CREF时，电荷比较信号Ccmp为有效的高电平信号，将第一锁存电路59复位，第一锁存电路59的输出端Q输出低电平的信号，同时与门57输出低电平信号将功率开关K关断。当下一个输入周期到来时，状态检测信号Det出现高电平脉冲，第一锁存电路59置位，其输出端Q为高电平，与门电路57的输出信号受开关控制电路控制。在一个实施例中，开关电源系统500在与门57和功率开关K之间进一步包括驱动电路，用于将逻辑信号放大为合适的电压用于驱动功率开关K。其中电荷参考信号发生电路52、电荷比较电路53、增益调制电路54、乘法电路33、第一锁存电路59和与门57可合并称为电荷控制电路，电荷比较电路53和增益调制电路54可合并称为增益控制电路。
在另一个实施例中，增益控制电路进一步包括误差放大电路，用于将电荷信号CHG和电荷参考信号CREF的差值放大获得误差信号，并基于该误差信号控制输入电压Vin的增益。
当电荷信号CHG高于电荷参考信号CREF时，电荷比较信号Ccmp为逻辑高电平信号，增益调制电路54降低输入电压Vin的增益，用于降低电流参考信号REF；当电荷信号CHG在一个输入周期都低于电荷参考信号CREF时，电荷比较信号Ccmp为逻辑低电平信号，增益调制电路54升高输入电压Vin的增益，用于升高电流参考信号REF。
电流比较电路55具有同相输入端、反相输入端和输出端。其中同相输入端耦接电流反馈电路用于接收输入电流信号Ii，反相输入端耦接乘法电路33用于接收电流参考信号REF，电流比较电路55比较输入电流信号Ii和电流参考信号REF，并提供电流比较信号Icmp。电流比较电路55的输出端用于控制反激式电压变换电路的功率开关K。第二锁存电路56具有置位输入端S、复位输入端R和输出端Q，其中置位输入端S接收置位信号ON，复位输入端耦接电流比较电路55的输出端，输出端Q通过驱动电路耦接至功率开关K的控制端。当置位信号ON为有效状态时，如高电平电位时，第二锁存电路56的输出端Q提供高电平的信号用于导通功率开关K。置位信号ON为状态检测信号Det和输入电流Iin的零电流检测信号ZCD的“或”信号，即当输入电流Iin降为零或新的输入周期到来时，置位信号ON为有效状态用于置位第二锁存电路56。在另一个实施例中，置位信号ON基于不同于零电流检测信号的其它类型的信号产生。当输入电流信号Ii上升至电流参考信号REF时，比较电路55输出有效的高电平信号，第二锁存电路56被复位输出低电平信号，功率开关K被关断。也即比较电路55将输入电流信号Ii与经增益调制后的输入电压信号即电流参考信号REF进行比较，使得当输入电流信号Ii的峰值到达电流参考信号REF时关断功率开关K，从而控制输入电流信号Ii的峰值跟随经增益调制后的输入电压信号REF。输出电流信号Ic经积分电路24积分，获得一输入周期中的电荷信号CHG。该电荷信号CHG与电荷参考信号CREF相比较，并基于比较结果Ccmp控制输入电压Vin的增益，将输出电流Io的周期电荷控制在电荷参考信号CREF水平，从而获得稳定的输出电流，消除输出电流中的闪烁现象。
图7示出了根据本发明一实施例的信号波形示意图。这些信号包括图5电路图中所示的输入信号Vin，输入电流信号Iin，电流参考信号REF，电荷参考信号CREF，电荷信号CHG和电荷比较信号Ccmp，以及增益调制电路54中的增益下降信号Gdec、增益上升信号Ginc以及输入电压Vin的增益调制系数Gain。下面将联系这些信号阐述根据一实施例的图5中控制电路50的工作方式。
在时间t0，调光电路开始导通，输入电压Vin由零电位上升为高值，状态检测信号Det出现高电平脉冲，一个输入周期开始。此时置位信号ON出现有效状态，锁存电路56被置位，开关控制信号CTRL切换为高电平，功率开关K导通，输入电流Iin开始上升。输入电流Iin的上升导致输出电流的上升，输出电流的电荷信号CHG开始上升。当输入电流Iin上升到电流参考信号REF时，开关控制信号CTRL切换为低电平，功率开关K关断，此时输入电流Iin出现峰值后下降。当输入电流Iin下降到零值时，即零电流检测信号ZCD出现高电平脉冲时，置位信号ON切换为有效状态，开关控制信号CTRL被置位为高电平，输入电流Iin重新上升，直至输入电流Iin重新到达电流参考信号REF，开关控制信号CTRL再次切换为低电平，输入电流Iin再次达到峰值。随着输入电压Vin的下降，输入电流Iin的峰值也随之下降，与此同时，输出电流的电荷信号CREF逐渐上升但上升速度减缓。可以看到，输入电流信号Ii的峰值跟随经增益调制的输入电压信号即电流参考信号REF的波形，实现了PFC控制。在时间t1，电荷信号CHG上升至高于电荷参考信号CREF，电荷比较信号Ccmp切换为有效的高电平。高电平的电荷比较信号Ccmp使图5中的第一锁存电路59复位，与门57输出低电平的开关控制信号CTRL，关断功率开关K。此时尽管输入电压Vin未降至零值，输入电流Iin降为零值，使得该周期的输出电流电荷CHG控制在电荷参考信号CREF水平。同时，增益下降信号Gdec从无效低电平切换为有效高电平，输入电压增益Gain开始下降。在时间t2，输入电压Vin降为预定的参考电压Vth，增益上升信号Ginc切换为高电平的有效状态，增益下降与增益上升相抵，输入电压增益Gain保持水平状态。在时间t3，调光电路TRIAC器件导通，输入电压Vin由零值上升至高值，状态检测信号Det出现高电平脉冲，又一个输入周期到来，增益上升信号Ginc和增益下降信号Gdec同时切换为低电平的无效状态。此时，置位信号ON切换为有效状态，第二锁存电路56被置位，功率开关K再次导通。这样，增益Gain在第一个输入周期(t0-t3)出现了下降。在时间t4，输入电压Vin下降至预定的参考电压Vth，增益上升信号Ginc切换为高电平。在时间t5，输入电压下降至零值，增益下降信号Gdec切换为高电平。在一个实施例中，当输入电压下降至一个较低的参考电压Vth2时，增益下降信号Gdec切换为高电平，其中Vth2<Vth。这样，在时间段t4至t5之间，增益上升信号Ginc为高电平，增益下降信号Gdec为低电平，输入电压Vin的增益Gain上升。当下一个周期到来时，在时间t6，在状态检测信号Det脉冲的上升沿，增益上升信号Ginc和增益下降信号Gdec同时切换为低电平。这样，在时间t4和t5之间增益信号Gain上升，保证了下一个输入周期中输入电压增益的上升。若输入电压Vin辐值越小，时刻t4到来的越早，则增益Gain的上升时间(t4-t5)越长，则输入电压增益Gain上升越大。由此控制输出电流的电荷信号CHG跟随电荷参考信号CREF。
图8分别示出了现有技术中采用TRIAC器件调光的信号波形仿真图(见左图)和根据本发明一实施例的采用TRIAC器件调光的信号波形仿真图(见右图)。图示的波形图采用TRIAC器件调光，TRIAC器件调光时机在不同的输入周期中有波动，因此造成输入电压Vin的相位波动和幅度的变化，如第二个输入周期中的输入电压Vin调光时机晚于第一个输入周期中的输入电压Vin，因此第二个输入电压Vin幅度小于第一周期中的输入电压幅度。在现有技术中，输入电流Iin的峰值完全跟随输入电压Vin，当输入电压Vin幅度减小时，输出电流的电荷CHG在相邻的两个输入周期中亦下降，由此导致了LED的闪烁现象。而根据本发明一实施例的开关电源系统，其功率开关在电荷信号CHG到达电荷参考信号后关断，使得输入电流Iin及时降为零值。因此保证了不同输入周期间电荷峰值的稳定，因此可以有效避免LED的闪烁现象。
应当知道，一个信号的有效状态可为高电平状态，也可为低电平状态，同时该信号的无效状态与有效状态呈相反的状态。一个逻辑电路的同相输入端和反相输入端或者置位输入端和复位输入端之间也可以对换，同时调整其它逻辑电路用于实现相同的整体功能。
图9示出了根据本发明一实施例的用于消除LED闪烁现象的开关电源控制方法900。方法900包括在步骤901将表征开关电源输出电流Io的输出电流信号沿时间进行积分获得电荷信号CHG。在步骤902基于电荷信号CHG控制输入电压Vin的增益获得经增益调制的输入电压信号REF。在一个实施例中，将电荷信号CHG与电荷参考信号CREF进行比较，根据比较结果控制输入电压Vin的增益。在步骤903基于经调制的输入电压信号REF控制开关电源的功率开关K。在一个实施中，基于经调制的输入电压信号REF控制开关电源的功率开关K包括将经增益调制的输入电压信号REF与输入电流信号Iin进行比较，若输入电流信号Iin大于经增益调制的输入电压信号REF时关断功率开关K，直至下一个开关周期或输入周期到来，使得输入电流Iin峰值跟随经增益调制的输入电压信号REF。在步骤904，判断电荷信号CHG是否大于电荷参考信号CREF。一旦电荷信号CHG大于电荷参考信号CREF，进入步骤905，关断功率开关K，并降低输入电压Vin的增益。若当输入电压降为零值时电荷信号CHG尚未到达电荷参考信号CREF，进入步骤906，增大输入电压的增益。
在一个实施例中，开关电源为反激式电压变换电路。在一个实施例中，该方法包括检测开关电源的输入电流获得输入电流信号，以及基于输入电流信号计算输出电流信号。
上述的一些特定实施例仅仅以示例性的方式对本发明进行说明，这些实施例不是完全详尽的，并不用于限定本发明的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本发明所公开的实施例的其他变化和修改并不超出本发明的精神和保护范围。

Claims (22)

1.一种用于控制开关电路的控制电路，包括：
积分电路，接收表征开关电路输出电流的输出电流信号，积分电路对输出电流信号进行积分并提供电荷信号；
电荷控制电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中电荷控制电路的第一输入端接收电荷信号，电荷控制电路的第二输入端耦接电荷参考信号；以及
开关控制电路，具有输入端和输出端，其中开关控制电路的输入端耦接电荷控制电路的输出端，开关控制电路基于电荷信号和电荷参考信号在开关控制电路的输出端提供开关控制信号用于控制开关电路的功率开关。
2.如权利要求1所述的控制电路，其中电荷控制电路包括：
增益控制电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中增益控制电路的第一输入端接收电荷信号，增益控制电路的第二输入端接收电荷参考信号，增益控制电路基于电荷信号和电荷参考信号在输出端提供增益调制信号；以及
乘法电路，具有输入端、控制端和输出端，其中乘法电路的输入端耦接开关电路的输入端，乘法电路的控制端耦接增益控制电路的输出端，乘法电路的输出端耦接开关控制电路的输入端，乘法电路根据增益调制信号调制输入电压的增益，并在乘法电路的输出端提供经增益调制的输入电压信号。
3.如权利要求2所述的控制电路，进一步包括电流反馈电路，电流反馈电路检测开关电路的输入电流并提供输入电流信号，控制电路基于输入电流信号和经增益调制的输入电压信号控制功率开关，当输入电流信号大于经增益调制的输入电压信号时，功率开关关断。
4.如权利要求1所述的控制电路，其中电荷控制电路包括：
电荷参考信号发生电路，产生电荷参考信号；
电荷比较电路，接收电荷信号和电荷参考信号，电荷比较电路将电荷信号和电荷参考信号进行比较并输出电荷比较信号；
增益调制电路，其输入端接收电荷比较信号，其输出端提供增益调制信号；
乘法电路，具有输入端、控制端和输出端，其中乘法电路的输入端耦接开关电路的输入端，乘法电路的控制端耦接增益调制电路的输出端，乘法电路控制输入电压的增益并在乘法电路的输出端提供电流参考信号；
第一锁存电路，具有置位输入端、复位输入端和输出端，其中第一锁存电路的置位输入端接收输入电压检测信号，第一锁存电路的复位输入端耦接电荷比较电路的输出端用于接收电荷比较信号；以及
与门，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中与门的第一输入端耦接开关控制电路的输出端，与门的第二输入端耦接第一锁存电路的输出端，与门的输出端耦接功率开关的控制端；
当电荷信号高于电荷参考信号时，第一锁存电路被复位，功率开关被关断，当输入电压检测信号表征新的输入周期到来时，第一锁存电路被置位，功率开关受开关控制电路的输出控制。
5.如权利要求4所述的控制电路，其中开关控制电路包括：
电流比较电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中电流比较电路的第一输入端接收电流参考信号，电流比较电路的第二输入端接收输入电流信号，电流比较电路将输入电流信号与电流参考信号进行比较并在输出端提供电流比较信号；以及
第二锁存电路，具有置位输入端、复位输入端和输出端，其中置位输入端接收置位信号，复位输入端耦接电流比较电路的输出端，其中当置位信号由无效状态变为有效状态时，功率开关导通，当输入电流信号上升至电流参考信号时，功率开关关断。
6.如权利要求4所述的控制电路，其中增益调制信号包括增益上升信号和增益下降信号，其中：
当电荷信号高于电荷参考信号时或输入电压降为零值时，增益下降信号从无效状态切换为有效状态，当调光电路导通时，增益下降信号从有效状态切换为无效状态；
当输入电压下降至参考电压时，增益上升信号从无效状态切换为有效状态，当调光电路导通时，增益上升信号从有效状态切换为无效状态；
当增益上升信号为有效状态、增益下降信号为无效状态时，增益增高；
当增益上升信号为无效状态、增益下降信号为有效状态时，增益降低；
当增益上升信号和增益下降信号均为有效状态或无效状态时，增益不变。
7.如权利要求4所述的控制电路，其中电荷参考信号发生电路包括：
低通滤波器，具有输入端和输出端，其中低通滤波器的输入端接收输入电压，低通滤波器对输入电压进行低通滤波以获得输入电压在一时间段内的平均值；以及
钳制电路，具有输入端和输出端，其中钳制电路的输入端耦接低通滤波器的输出端，钳制电路的输出端提供电荷参考信号，钳制电路的输出端在每个时间段的终点更新输出滤波值。
8.如权利要求1所述的控制电路，进一步包括信号转换电路，信号转换电路的输入端接收输入电流信号，信号转换电路的输出端耦接积分电路的输入端，信号转换电路基于输入电流信号产生表征输出电流的输出电流信号。
9.一种开关电源系统，包括：
整流电路，具有输入端和输出端，其中整流电路的输入端接收交流输入电压，整流电路对交流输入电压进行整流并在整流电路的输出端提供输入电压；
开关电路，具有输入端和输出端，其中开关电路的输入端耦接整流电路的输出端，开关电路包含功率开关，开关电路在功率开关的开关动作下在开关电路的输出端提供输出电流用于为负载供电；以及
如权利要求第1-8中任一所述的控制电路。
10.一种开关电源系统，包括：
整流电路，具有输入端和输出端，其中整流电路的输入端接收交流输入电压，整流电路对交流输入电压进行整流并在整流电路的输出端提供输入电压；
负载；
开关电路，具有输入端和输出端，其中开关电路的输入端耦接整流电路的输出端，开关电路包含功率开关，开关电路在功率开关的开关动作下在开关电路的输出端提供输出电流用于为负载供电；以及
控制电路，包括积分电路，其中积分电路接收表征输出电流的输出电流信号并对其进行积分以获得电荷信号，控制电路基于电荷信号输出开关控制信号用于控制功率开关，控制电路进一步通过控制电荷信号控制输出电流的稳定。
11.如权利要求10所述的开关电源系统，其中控制电路进一步包括：
增益控制电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中增益控制电路的第一输入端接收电荷信号，增益控制电路的第二输入端耦接电荷参考信号，增益控制电路基于电荷信号和电荷参考信号在输出端提供增益调制信号；
乘法电路，具有输入端、控制端和输出端，其中乘法电路的输入端耦接开关电路的输入端，乘法电路的控制端耦接增益控制电路的输出端，乘法电路根据增益调制信号控制输入电压的增益，并在乘法电路的输出端提供经增益调制的输入电压信号；以及
开关控制电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中开关控制电路的第一输入端耦接乘法电路的输出端，开关控制电路的第二输入端接收表征开关电路输入电流的输入电流信号，开关控制电路基于经增益调制的输入电压信号和输入电流信号产生开关控制信号用于控制功率开关，当输入电流信号大于经调制的输入电压信号时，开关控制电路关断功率开关。
12.如权利要求11所述的开关电源系统，其中控制电路进一步包括电荷参考信号发生电路用于产生电荷参考信号，电荷参考信号发生电路包括：
低通滤波器，具有输入端和输出端，其中低通滤波器的输入端接收输入电压，低通滤波器对输入电压进行低通滤波以获得输入电压在一时间段内的平均值；以及
钳制电路，具有输入端和输出端，其中钳制电路的输入端耦接低通滤波器的输出端，钳制电路的输出端提供电荷参考信号，钳制电路的输出端在每个时间段的终点更新输出滤波值。
13.如权利要求10所述的开关电源系统，其中开关电路包括反激式电压变换电路。
14.如权利要求10所述的开关电源系统，进一步包括TRIAC调光器件，耦接于交流输入电压和整流电路之间。
15.如权利要求10所述的开关电源系统，其中负载包括LED器件。
16.如权利要求10所述的开关电源系统，其中控制电路进一步包括：
电流反馈电路，检测开关电路的输入电流以获得输入电流信号；
电荷比较电路，将电荷信号和电荷参考信号进行比较并产生电荷比较信号；
增益调制电路，其输入端接收电荷比较信号，其输出端提供增益调制信号；
乘法电路，具有输入端、控制端和输出端，其中乘法电路的输入端耦接开关电路的输入端，乘法电路的控制端耦接增益调制电路的输出端，乘法电路控制输入电压的增益并在乘法电路的输出端提供电流参考信号；
电流比较电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中电流比较电路的第一输入端接收电流参考信号，电流比较电路的第二输入端接收输入电流信号，电流比较电路将输入电流信号与电流参考信号进行比较并在输出端提供电流比较信号；
第二锁存电路，具有置位输入端、复位输入端和输出端，其中置位输入端接收置位信号，复位输入端耦接电流比较电路的输出端，第二锁存电路的输出端耦接功率开关，其中当置位信号由无效状态变为有效状态时，功率开关导通，当输入电流信号上升至电流参考信号时，功率开关关断。
17.如权利要求16所述的开关电源系统，其中增益调制信号包括增益上升信号和增益下降信号：
当电荷信号高于电荷参考信号或输入电压降为零值时，增益下降信号从无效状态切换为有效状态，当调光电路导通时，增益下降信号从有效状态切换为无效状态；
当输入电压下降至参考电压时，增益上升信号从无效状态切换为有效状态，当调光电路导通时，增益上升信号从有效状态切换为无效状态；
当增益上升信号为有效状态、增益下降信号为无效状态时，增益增高；
当增益上升信号为无效状态、增益下降信号为有效状态时，增益降低；
当增益上升信号和增益下降信号均为有效状态或无效状态时，增益不变。
18.如权利要求16所述的开关电源系统，其中控制电路进一步包括：
第一锁存电路，具有置位输入端、复位输入端和输出端，其中第一锁存电路的置位输入端接收输入电压检测信号，第一锁存电路的复位输入端耦接电荷比较电路的输出端用于接收电荷比较信号；以及
与门，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中与门的第一输入端耦接第二锁存电路的输出端，与门的第二输入端耦接第一锁存电路的输出端，与门的输出端耦接功率开关的控制端；
当电荷信号高于电荷参考信号时，第一锁存电路被复位，功率开关被关断，当新的输入周期到来时，第一锁存电路被置位，功率开关受第二锁存电路的输出端控制。
19.如权利要求10所述的开关电源系统，进一步包括检测电路，用于检测输入电压的状态，当输入电压跳变时，输出高电平的脉冲用于表征新的输入周期的到来，其中电荷信号为一输入周期中的输出电流信号对时间的积分。
20.一种消除LED闪烁的开关电源控制方法，包括：
将表征开关电源输出电流的输出电流信号沿时间进行积分获得电荷信号；
基于电荷信号和电荷参考信号控制输入电压的增益获得经增益调制的输入电压信号；
基于经调制的输入电压信号控制开关电源的功率开关；
当电荷信号大于电荷参考信号时关断功率开关并降低输入电压的增益，当电荷信号低于电荷参考信号时升高输入电压的增益。
21.如权利要求20所述的控制方法，进一步包括：
检测开关电源的输入电流获得输入电流信号；
基于输入电流信号计算输出电流信号。
22.如权利要求20所述的控制方法，进一步包括将经增益调制的输入电压信号与输入电流信号进行比较，当输入电流信号大于经增益调制的输入电压信号时，关断功率开关；当输入电流为零或新的输入周期到来时导通功率开关。
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