CN105162312B

CN105162312B - 具有减小输出纹波功能的开关电源及其控制器和控制方法

Info

Publication number: CN105162312B
Application number: CN201510359179.4A
Authority: CN
Inventors: 詹姆斯·阮; 易克群
Original assignee: Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd
Current assignee: Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2018-09-25
Anticipated expiration: 2035-06-26
Also published as: US9385601B2; CN105162312A; US20150381043A1

Abstract

本发明提供了一种具有减小输出纹波功能的开关电源及其控制器和控制方法，该开关电源包括开关、电感、检测流过电感的电流的过零检测电路、负载判断电路以及控制信号产生电路。负载判断电路耦接于过零检测电路并基于电感电流的零电流持续时间提供至少一个状态信号。当反馈信号满足预设条件时，控制信号产生电路生成的控制信号从第一状态跳变到第二状态，经过一段开关导通时间后，该控制信号从第二状态跳变到第一状态，其中开关导通时间由至少一个状态信号控制。

Description

具有减小输出纹波功能的开关电源及其控制器和控制方法

技术领域

本发明涉及电子电路，更具体地说，本发明主要涉及开关电源(Switching modepower supply,SMPS)。

技术背景

开关电源通过控制至少一个开关的打开和关断广泛地应用于将输入电压转换成输出电压。在一种控制方法中，一旦检测到预设的状态时，比如说，表征输出电压的反馈信号低于参考信号时，降压变换器的开关就打开。开关处于导通状态一段时间后，开关关断。

通常，开关的导通时间在轻载和重载时是相同的。在轻载状态下，当电感电流下降到零时，同步整流器关断以阻止输出电压放电。相应地，电感中存储的全部能量都转移到输出电容上，因此，轻载状态下的输出电压的纹波比重载状态下大很多。这是不希望看到的情况。

降低轻载状态时输出电压纹波的一种传统方法是增大输出电容，但这会增加系统的体积和成本。

因此，我们需要一种更好的方法，该方法至少可以解决前面描述的一个缺点。

发明内容

本发明一实施例提出了一种用于开关电源的控制器，开关电源包括电感和具有控制端的开关，控制器通过控制开关将开关电源的输入电压转换为开关电源输出端的输出电压，控制器包括：过零检测电路，耦接于电感，过零检测电路检测流过电感的电感电流并提供过零检测信号，其中只有当电感电流为零时，过零检测信号处于有效状态；负载判断电路，耦接于过零检测电路，负载判断电路根据过零检测信号不间断地处于有效状态时的零电流持续时间提供至少一个状态信号；以及控制信号产生电路，耦接于开关电源的输出端和负载判断电路，提供耦接至开关控制端的控制信号，其中，当参考信号与表征输出端输出信号的反馈信号满足预设条件时，控制信号从第一状态跳变到第二状态，经过一段开关导通时间后，控制信号从第二状态跳变到第一状态，其中，开关导通时间由所述至少一个状态信号决定。

本发明一实施例提出了一种用于将输入电压转换成输出端的输出电压的开关电源，包括：具有控制端的开关，耦接于开关的电感以及如前所述的控制器。

本发明一实施例提出了一种降低开关电源输出纹波的控制方法，开关电源包括开关和电感，所述方法包括：检测流过电感的电感电流；检测电感电流的零电流持续时间，其中零电流持续时间为一个周期中电感电流为零的时间；以及根据零电流持续时间控制开关的导通时间。

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的实施例进行描述。这些附图仅用于示例。附图通常仅示出实施例中系统或电路的部分特征，并且附图不一定是按比例绘制的。

图1给出了根据本发明一实施例的开关电源100。

图2给出了根据本发明一实施例的对应图1中的开关电路11的信号的波形图。

图3给出了根据本发明一实施例的控制信号产生电路300。

图4给出了根据本发明一实施例的减小开关电源输出纹波的方法400的流程图。

图5给出了根据本发明一实施例的生成多个状态信号P1-P3的负载判断电路500。

图6给出了根据本发明一实施例的对应于图5中的负载判断电路中的多个信号的波形图。

不同示意图中的相同的附图标记表示相同或者相似的部分或特征。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，不必采用这些特定细节来实行本发明。在其它实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在整个说明书中，对”一个实施例”、”实施例”、”一个示例”或者”示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语”一个实施例”、”实施例”、”一个示例”、”示例”不一定都指同一个实施例或者示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特征组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，当称”元件”“连接到”或”“耦接到”另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件”直接连接到”或者”直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语”和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

图1给出了根据本发明一实施例的开关电源100。开关电源100包括开关电路11和控制器12。开关电路11具有输入端Vin和输出端Vout，开关电源11通过控制开关S1或者通过控制开关S1和同步整流器S2的开关行为将输入端Vin的输入电压转换成输出端Vout的输出电压。在一实施例中，开关S1采用MOSFET。在另一实施例中，开关S1采用JFET。开关S1可以采用其它形式的开关元件。同步整流器S2采用开关元件，比如说MOSFET、JFET等等。在另一实施例中，同步整流器S2可以替换为二极管。在图示实施例中，开关电路11采用降压变换器结构，其包括开关S1，同步整流器S2以及包括输出电感L和输出电容Co的输出滤波器。但是，应当知晓，根据本发明的一些实施例的开关电源可以采用其它一些结构，只要其零电流状态持续的时间可以表征其负载状况。

继续图1的说明，开关S1耦接于输入端Vin和开关节点SW之间。同步整流器S2耦接于开关节点SW和参考地GND之间。在另一实施例中，同步整流器S2可以用非同步的二极管替代。输出电感L耦接于开关节点SW和输出端Vout之间。输出电容Co耦接于输出端Vout和参考地GND之间。通过开关S1和S2的开关行为，输入电压转换成开关节点SW处的间歇电压。开关S1和同步整流器S2的开关行为是一种互补模式，即开关S1和同步整流器S2不会同时处于导通状态。输出电感L和输出电容Co对开关节点SW处的电压进行滤波，生成比开关节点SW处电压的波形更平滑的输出电压。输出端Vout的输出电压用于给负载供电。

图2给出了根据本发明一实施例的对应图1中的开关电路11的信号的波形图。如图2所示，所述信号包括：提供给开关S1控制端的开关控制信号PWM，提供给同步整流器S2控制端的第二开关控制信号PWM2，开关节点SW处的开关电压V_SW，流过输出电感L的电感电流IL。在时刻t1，表征输出端Vout输出信号的反馈信号FB减小至预设的参考信号REF，开关控制信号PWM从无效状态跳变到有效状态，开关S1打开。同时，信号PWM2从有效状态跳变到无效状态以关断同步整流器S2。开关节点SW处的开关电压V_SW增加到与输入电压Vin接近，电感电流IL从零开始增加。一段导通时间Ton1后，在时刻t2，开关控制信号PWM从有效状态跳变到无效状态，开关控制信号PWM2从无效状态跳变到有效状态，开关S1关断，同步整流器S2打开，开关电压V_SW减小到与参考地电压接近，电流流过同步整流器S2和输出电感L。电感电流IL开始减小。在轻载时，电感电流快速减小至一固定值，比如说零；在重载时，电感电流缓慢减小至该固定值。在时刻t3，电感电流减小到零，此时关断整流器S2以阻止输出电容Co放电，电感电流IL保持为零。电压Vout不断减小，在t4时刻，反馈信号FB再次降低至预设的参考信号REF，开关控制信号PWM从无效状态跳变到有效状态以打开开关S1。在重载时，电感电流缓慢减小，在时刻t6，反馈信号FB再次降低至预设的参考信号REF，此时电感电流大于零。在本发明中，控制开关S1处于导通状态的开关控制信号PWM的导通时间由负载情况决定，具体的说，由电感电流连续为零的持续时间，也称为零电流持续时间决定。比如说，导通时间Ton1由上一个周期的零电流持续时间Tzcd1决定，导通时间Ton2由上一个周期的零电流持续时间Tzcd2决定，导通时间Ton3由上一个周期的零电流持续时间Tzcd3决定。当零电流持续时间Tzcd2很长时，表明负载很轻，下个周期的导通时间Ton2将变短，当零电流持续时间很短时，比如说，时刻t6之前的零电流持续时间为零，下个周期的导通时间Ton3将变很长。

继续图1的说明，控制器12包括过零检测电路121，负载判断电路122和控制信号产生电路123。过零检测电路121具有耦接于开关电路11的输入端和提供过零检测信号ZCD的输出端。在图示实施例中，过零检测电路121耦接于输出电感L用于检测流过输出电感L的电流IL的电流状态。比如说，当电流IL为零时，过零检测信号ZCD处于有效状态，比如说逻辑高，当电流IL大于零时，过零检测信号ZCD处于无效状态，比如说逻辑低。过零检测电路121可以包括电流检测电路和比较电路，其中，电流检测电路可以采用任何适当的形式，包括采用多种传统的电流检测方法。负载判断电路122接收过零检测信号ZCD，并根据该信号提供至少一个状态信号。如前所述，在轻载时，电感电流IL快速下降，在重载时，电感电流缓慢下降，因此，过零检测信号ZCD处于有效状态时的零电流持续时间表征了负载水平。负载判断电路122根据过零检测信号ZCD生成至少一个状态信号。在一实施例中，负载判断电路122提供的至少一个状态信号中的每个状态信号都是可以处于逻辑高或者逻辑低的逻辑信号。在一实施例中，负载判断电路122只生成一个状态信号，状态信号的第一逻辑状态表征第一负载水平，第二逻辑状态表征第二负载水平。比如说，状态信号的逻辑高状态表征需要控制开关S1导通时间变长的重载情况，状态信号的逻辑低状态表征需要控制开关S1导通时间变短的轻载情况。在另一实施例中，负载判断电路122生成多个状态信号，状态信号的不同组合对应开关S1的不同导通时间，其中“多个”是指大于或等于2的自然数。

控制信号产生电路123接收负载判断电路122提供的至少一个状态信号和表征输出端Vout输出信号的反馈信号FB，并根据接收的信号在输出端生成开关控制信号PWM。在一实施例中，控制信号产生电路123还提供用于控制同步整流器S2的第二开关控制信号。在一实施例中，反馈信号FB表征输出端Vout的输出电压。在一实施例中，反馈信号FB与输出电压成比例，当反馈信号FB减小到低于参考信号REF时，控制信号PWM从逻辑低跳变到逻辑高状态。在另一实施例中，反馈信号FB可能与输出电压成反比，当反馈信号FB大于参考信号REF时，控制信号PWM从逻辑低状态跳变到逻辑高状态以打开开关S1。在一实施例中，驱动电路耦接于控制信号产生电路123的输出端和开关S1之间，以具有合适幅值的电压驱动开关S1。

图3给出了根据本发明一实施例的控制信号产生电路300。控制信号产生电路300包括导通时间信号发生器31，比较器32和RS触发器33。比较器32具有接收反馈信号FB的第一输入端，接收参考信号REF的第二输入端以及耦接于RS触发器33的输出端。比较器32将反馈信号FB和参考信号REF进行比较，并当反馈信号FB低于参考信号REF时对RS触发器33进行置位。在一实施例中，反馈信号FB与开关电源输出端的输出电压成比例。当导通时间信号发生器31生成的导通时间信号OT从无效状态跳变到有效状态时，比如说从逻辑低跳变到逻辑高时，其对RS触发器33进行复位。RS触发器33具有耦接于比较器32输出端的置位输入端(S)，耦接于导通时间信号发生器31输出端的复位输入端(R)，输出开关控制信号PWM的第一输出端以及输出PWM信号的互补信号/PWM的第二输出端，信号/PWM也称为PWM信号的反相信号。当反馈信号FB低于参考信号REF时，开关控制信号PWM跳变到有效状态，比如说，从逻辑低状态跳变到逻辑高状态以打开开关S1。经过一段时间，导通时间信号OT从逻辑低状态跳变到逻辑高状态，相应的开关控制信号PWM从逻辑高状态跳变到逻辑低状态以关断开关S1。因此，开关控制信号PWM的导通时间由导通时间信号OT决定。导通时间信号发生器31包括多个电流源I1-I4，多个开关K1-K3，电容C1，耦接于电容C1两端的开关S3以及比较器311，其中每个电流源串联耦接于相应的开关，比如说，电流源I1串联耦接于开关K1。串联耦接在一起的电流源和开关又以并联耦接的方式耦接在一起，并具有耦接于比较器311和电容C1的公共端。开关K1-K3由负载判断电路输出的多个状态信号P1-P3控制。

状态信号P1-P3通过控制对电容C1充电的实际电流来控制开关S1的导通时间。当负载很重的时候，状态信号P1-P3使对电容C1充电的实际电流比较小，因此导通时间较长。当负载很轻的时候，状态信号P1-P3使对电容C1充电的实际电流比较大，因此导通时间比较短，相应地，存储在输出电感的能量降低，输出端的输出纹波也相应地降低。通过控制开关K1-K3，导通时间具有多个预设值。在一实施例中，状态信号P1-P3控制导通时间逐级地增加或者减小。也就是说，对于开关S1的两相邻的开关周期，导通时间分别是一预设有序数列中的两相邻值。

当开关K1导通，开关K2和K3关断时，电流源I1和I4在开关S3关断时对电容C1充电，充电电流为当开关K2导通，开关K1和K3关断时，对电容C1充电的充电电流为2I。当开关K3导通，开关K1和K2关断时，对电容C1充电的充电电流为4I。当开关K1，K2导通，开关K3关断时，对电容C1充电的充电电流为因此，对应不同的负载水平，多个状态信号P1-P3控制对电容C1充电的实际充电电流。当开关控制信号PWM从无效状态跳变到有效状态以打开开关S1时，另一个开关控制信号/PWM跳变到无效状态以关断开关S3。相应地，电流开始对电容C1充电，电容C1上的电压V_SP开始增加。当电压V_SP高于参考信号Vth时，导通时间信号OT跳变到逻辑高以复位RS触发器，开关控制信号PWM从有效状态跳变到无效状态以关断开关S1。信号/PWM跳变到有效状态以打开开关S3。相应地，电压V_SP减小为参考地电压，导通时间控制信号OT跳变为低。相应地，开关S1处于导通状态的导通时间Ton等于：其中I_C是电容C1的充电电流。当所有开关K1、K2、K3全部关断时，系统的导通时间是最大导通时间TON，其中，对电容C1充电的充电电流增加时，导通时间Ton减小。当开关K1打开，导通时间是75％×TON，其中，相似地，当只有开关K2打开时，导通时间是50％×TON；当只有开关K3打开时，导通时间是25％×TON。应当了解，导通时间信号发生器31中开关的数目和电流源的个数不应只局限于图3所示的实施例。

图4给出了根据本发明一实施例的减小开关电源输出纹波的方法400的流程图。开关电源包括开关和电感，开关电源的输出电压通过控制开关的开关行为来调节。如上所述，电感电流的零电流持续时间表征负载情况。方法400包括步骤401：检测电感电流是否为零。如果电感电流为零，过零检测信号ZCD处于逻辑高(ZCD＝1)。当电感电流减小到零时，过零检测信号ZCD跳变为逻辑高(ZCD＝1)。此时，进行至步骤402：至少一个计时器开始对电感电流持续不间断地为零(或者说ZCD＝1)的零电流持续时间Tzcd进行计时。当零电流持续时间Tzcd超过内部预设的参考时间时，计时器翻转，计时器的输出从逻辑低状态跳变到逻辑高状态。当预设条件满足时，提供给开关的PWM信号从逻辑高跳变到逻辑低。计时器的输出可以检测出零电流持续时间Tzcd的范围以及负载的情况。如果零电流持续时间Tzcd大于第一参考时间，比如说50us，则表明负载很轻，进行至步骤403：开关的导通时间减小一个固定值，比如说减小25％×TON，其中TON是开关的最大导通时间。比如说，上一个周期开关的导通时间是75％×TON，则本周期开关的导通时间是50％×TON。如果零电流持续时间Tzcd小于第二参考时间，比如说25us，则表明负载比较重，此时，进行到步骤404，开关的导通时间将增加一个固定值，比如说25％×TON。其中第一参考时间大于第二参考时间。采用该方式减小了轻载情况下的导通时间，从而减小了存储在电感中的能量，相应地也减小了输出纹波。在其它实施例中，每个周期中导通时间增加或者减小的固定值可以为其它值，比如说10％×TON、5％×TON等等。在PWM信号马上从逻辑低跳变到逻辑高之前的时刻，进行步骤405，判断电感电流是否大于零(ZCD＝0)，如果此时电感电流仍大于零(ZCD＝0)，这意味着零电流持续时间为零，系统负载很重，进行至步骤406，开关的导通时间设置为最大值TON。因为当PWM信号从逻辑低跳变到逻辑高时，开关打开，电感电流增加，过零检测信号ZCD处于无效状态(ZCD＝0)。此时，又回到步骤401。

采用这种方法，负载比较重时，比如说，Tzcd<25us，开关导通时间每个周期都增加一个预设的固定值，负载比较轻时，比如说Tzcd>50us，开关导通时间每个周期都减小一个预设的固定值。因此输出电压变化平滑。但是如果负载很重以至于系统进入连续工作模式，开关的导通时间设置为最大值TON。

图5给出了根据本发明一实施例的生成多个状态信号P1-P3的负载判断电路500。负载判断电路500包括多个计时器511(T1)和512(T2)以及状态信号产生电路52。在图示实施例中，负载判断电路500包括第一计时器511和第二计时器512。第一计时器511和第二计时器512用来检测零电流持续时间的范围并判断负载情况。状态信号产生电路52根据过零检测信号ZCD的零电流持续时间Tzcd生成多个状态信号P1-P3。通常，当零电流持续时间Tzcd增加时，开关的导通时间减小；当零电流持续时间Tzcd减小时，开关的导通时间增加。

第一计时器511具有输入端和输出端，其中输入端接收过零检测信号ZCD，输出端提供第一时间信号。第二计时器具有输入端和输出端，其中输入端接收过零检测信号ZCD，输出端提供第二时间信号。第一计时器511具有第一参考时间Tm，第二计时器512具有第二参考时间Ts，其中第一参考时间Tm大于第二参考时间Ts。当过零检测信号ZCD从逻辑低跳变到逻辑高时(在ZCD＝0到ZCD＝1的上升沿)，计时器511和512开始计时。此时，第一时间信号和第二时间信号都处于逻辑低状态。如果过零检测信号ZCD的零电流持续时间Tzcd大于第一参考时间Tm，则在时间Tm结束时，ZCD信号仍处于逻辑高状态，且第一计时器511的第一时间信号从逻辑低状态跳变到逻辑高状态。如果零电流持续时间Tzcd小于第一参考时间Tm，则第一时间信号仍处于逻辑低状态。如果零电流持续时间Tzcd大于第二参考时间Ts，则在Ts时间结束时，第二计时器的第二时间信号跳变到逻辑高状态。如果零电流持续时间Tzcd小于第二参考时间Ts，则第二时间信号仍为低状态。在PWM信号从逻辑低跳变到逻辑高的时间沿，如果第一时间信号处于逻辑高状态(Tzcd>Tm)，表明负载很轻；如果第二时间信号处于逻辑低状态(Tzcd<Ts)，表明负载很重。

状态信号产生电路52根据计时器511和512提供的第一时间信号和第二时间信号生成状态信号P1-P3。

状态信号产生电路52包括第一与门521，非门522，第二与门523，第一解码器524，计数器525，与非门526，或门527和第二解码器528。第一与门521有三个输入端和一个输出端，其中第一输入端耦接于与非门526的输出端，第二输入端接收过零检测信号ZCD，第三输入端耦接于第一计时器511的输出端以接收第一时间信号，输出端提供逻辑信号A。非门522具有耦接于第二计时器512输出端的输入端，非门522对第二时间信号进行反相处理。第二与门523具有三个输入端和一个输出端，其中第一输入端耦接于非门522的输出端，第二输入端接收过零检测信号ZCD，第三输入端耦接于或门527的输出端，输出端提供逻辑信号B。第一解码器524具有两个输入端和一个输出端，其中第一输入端接收逻辑信号A，第二输入端接收逻辑信号B，输出端提供第三逻辑信号C。计数器525具有三个输入端和一个输出端，其中第一输入端接收逻辑信号C，第二输入端是接收PWM信号的时间输入端，第三输入端是接收过零检测信号ZCD的复位输入端RST，两个输出端分别提供第一信号Q0和第二信号Q1以用于控制开关的导通时间。与非门526具有两个输入端和一个输出端，两个输入端分别耦接于计数器525的两个输出端，输出端耦接于第一与门521。或门527具有两个输入端和一个输出端，两个输入端分别耦接于计数器525两个输出端，输出端耦接于第二与门523。第二解码器528具有分别耦接于计数器525两个输出端的两个输入端和分别提供状态信号P1、P2、P3的三个输出端。

下面将参考两个表格，对根据本发明一实施例的负载判断电路500的功能进行描述。计数器525输出的信号Q0和Q1一起表示一个两位数字信号，其中Q0为低位，Q1为高位，两位数字信号(Q1，Q0)决定了开关的导通时间。表1给出第二解码器528的功能以及开关的导通时间。

表1

Q1	Q0	第二解码器	导通时间
				0	0	N/A	TON
0	1	P1	75％×TON
				1	0	P2	50％×TON
1	1	P3	25％×TON

当信号(Q1,Q0)＝(0,0)时，所有的状态信号P1、P2、P3都处于逻辑低状态，开关的导通时间设为最大值TON。当信号(Q1,Q0)＝(0,1)，状态信号P1处于逻辑高状态，状态信号P2和P3处于逻辑低状态，开关的导通时间设置为75％×TON。当信号(Q1,Q0)＝(1,0)，状态信号P2处于逻辑高状态，状态信号P1和P3处于逻辑低状态，开关的导通时间设置为50％×TON。当信号(Q1,Q0)＝(1,1)，状态信号P3处于逻辑高状态，状态信号P1和P2处于逻辑低状态，开关的导通时间设置为25％×TON。

计数器525的输出信号(Q1,Q0)由PWM信号上升沿时的信号C和信号ZCD决定，其中上升沿是指PWM信号从逻辑低跳变到逻辑高的边沿。在PWM信号的上升沿，如果负载很重且电感电流大于零，信号ZCD处于逻辑低状态(ZCD＝0)，计数器525复位。这样计数器525的输出被复位为信号(Q1,Q0)＝(0,0)，开关的导通时间设置为最大值TON。在PWM信号的上升沿，如果ZCD信号处于逻辑高状态(ZCD＝1)，下面表2给出了第一解码器524和计数器525的功能：

表2

A	B	C	计数器
				0	0	忽略	X
1	0	1	增加
				0	1	0	减小
1	1	忽略	X

如果信号A处于逻辑高状态(“1”)，信号B处于逻辑低状态(“0”)则第一解码器524的输出信号C处于逻辑高状态(“1”)，计数器525输出的两位数字信号(Q1,Q0)加1(增加)。开关的导通时间减小25％×TON。信号A处于逻辑高状态需要与非门526的输出和第一计时器511的输出都处于逻辑高状态。因此需要计数器的输出(Q1,Q0)≠(1,1)，即上一周期的导通时间不是最小值，且需要负载比较轻，零电流持续时间大于第一参考时间Tm。在这种情况下，第二计时器512提供的第二时间信号必然处于逻辑高状态，信号B处于逻辑低状态。总之，如果上一周期的导通时间不是最小值并且负载较轻，则开关的导通时间减小25％×TON。

如果信号A处于逻辑低状态(“0”)，信号B处于逻辑高状态(“1”)，则信号C处于逻辑低状态(“0”)，计数器525的输出信号(Q1,Q0)减1。开关的导通时间增加25％×TON。信号B处于逻辑高状态需要第二计时器512的输出处于逻辑低状态以及计数器525的输出(Q1,Q0)≠(0,0)。这意味着电感电流的零电流持续时间Tzcd小于第二参考时间Ts，并且上一周期的导通时间不是最大值TON。在这种情况下，第一计时器511的输出处于逻辑低状态，信号A处于逻辑低状态。总之，如果上一周期的开关导通时间不是最大值，并且负载比较重，则开关的导通时间增加25％×TON。

当信号A和B都处于逻辑低(“0”)或者信号A和B都处于逻辑高(“1”)时，信号C将会处于第三状态，比如说高阻状态，计数器525的输出(Q1,Q0)在PWM信号的边沿保持不变。这些情况包括：情况一，负载处于中间带载状态，零电流持续时间小于第一参考时间且大于第二参考时间；情况二，当零电流持续时间大于第一参考时间时，上一个周期开关的导通时间为最小值；情况三，当零电流持续时间小于第二参考时间时，上一个周期开关的导通时间为最大值。在上述的这些情况下，开关的导通时间保持不变。

图6给出了根据本发明一实施例的对应于图5中的负载判断电路中的多个信号的波形图，用于说明负载判断电路的功能。在时刻t1，电感电流IL降低为零，过零检测信号ZCD从逻辑低状态跳变到逻辑高状态。计时器511和512开始计时，且此时计时器511和512的输出均为逻辑低。如图5所示，信号A由信号Q1、Q0、ZCD和计时器511的输出决定，因此，此时信号A保持为逻辑低。信号B由信号Q1、Q0、ZCD和计时器512的输出决定。因此，此时，信号B从逻辑低跳变到逻辑高。如上述表2中所示，信号C由信号A和信号B决定，其从一个状态，比如说高阻状态，跳到逻辑低状态(“0”)。经过20us后，在时刻t2，开关电源输出端的输出信号满足预设条件时，比如说输出电压反馈信号减小到预设值，PWM信号从逻辑低跳变到逻辑高。因此开关S1打开，电感电流IL增加，过零检测信号ZCD从逻辑高跳变到逻辑低。因为20us既小于第一参考时间25us也小于第二参考时间50us，因此，计时器511和计时器512的输出都保持为逻辑低状态，信号C亦保持为逻辑低状态。在PWM信号的上升沿，信号ZCD和信号C决定了计数器525的输出(Q1,Q0)。过零检测信号ZCD在PWM信号的上升沿时仍处于逻辑高，因此计数器525没有复位。信号(Q1,Q0)由PWM信号边沿时的C信号决定，此时C信号为逻辑低(“0”)。参考上述的表2，计数器525的输出信号(Q1,Q0)减1，从(1,0)变成(0,1)。相应地，开关的导通时间增加一个预设值25％×TON，变成75％×TON。

在导通时间结束时，PWM信号从逻辑高跳变到逻辑低以关断开关，电感电流IL减小。如果是轻载情况下，电感电流快速下降，在时刻t3，电感电流减小为零，过零检测信号ZCD从逻辑低变成逻辑高。计时器511和512开始计数并保持为逻辑低。经过25us后，在时刻t4，第二计时器512翻转，第二计时器512的输出从逻辑低跳变到逻辑高，信号B从逻辑高跳变到逻辑低。参考表2，信号C可以忽略，其处于第三状态。在t3时刻后50us的时刻t5，第一计时器511翻转，第一计时器511的输出从逻辑低跳变到逻辑高。相应地，信号A从逻辑低跳变到逻辑高，信号C跳变到逻辑高状态。在时刻t6，PWM信号被触发，再次从逻辑低状态跳变到逻辑高状态。在PWM信号的上升沿，因为信号C处于逻辑高状态，参考表2，计数器525输出的信号(Q1,Q0)加1，从(0,1)变成(1,0)。参考表1，开关的导通时间减小一个预设值25％×TON而变成50％×TON。

在下一个周期，负载很重，电感电流一直大于零，过零检测信号ZCD一直处于逻辑低。在时刻t7，PWM信号的上升沿，计数器525复位，信号(Q1,Q0)复位为(0,0)。相应地，开关导通时间设置为最大导通时间TON。

图2和图6中的标识t1-t6只用于标识其各自图中的时间顺序，不同图中相同的标识表示不相关的时间点。

在以上的一些实施例中，信号的有效状态是逻辑高状态，无效状态是逻辑低状态，但是，应当知晓，逻辑低和逻辑高状态在每个实施例中为了取得相同的功能是可以互换的。

应当知晓，上述的一些数字，比如说25us、50us、25％、50％、75％只是一个示例作用，本发明的一些实施例可以采用各种数值和百分比。

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，其它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它变化和修改并不超出本发明的精神和权利要求限定的保护范围。

Claims

1.一种用于开关电源的控制器，开关电源包括电感和具有控制端的开关，控制器通过控制开关将开关电源的输入电压转换为开关电源输出端的输出电压，控制器包括：

过零检测电路，耦接于电感，过零检测电路检测流过电感的电感电流并提供过零检测信号，其中只有当电感电流为零时，过零检测信号处于有效状态；

负载判断电路，耦接于过零检测电路，负载判断电路根据过零检测信号不间断地处于有效状态时的零电流持续时间提供至少一个状态信号；以及

控制信号产生电路，耦接于开关电源的输出端和负载判断电路，提供耦接至开关控制端的控制信号，其中，当参考信号与表征输出端输出信号的反馈信号满足预设条件时，控制信号从第一状态跳变到第二状态，经过一段开关导通时间后，控制信号从第二状态跳变到第一状态，其中，开关导通时间由所述至少一个状态信号决定；

其中，若零电流持续时间大于第一参考时间，则下个周期开关的导通时间减小一个预设值；

其中，若零电流持续时间小于第二参考时间，则下个周期开关的导通时间增加一个预设值，其中第一参考时间大于第二参考时间；

其中，当零电流持续时间小于第一参考时间且大于第二参考时间，开关导通时间保持不变。

2.如权利要求1所述的控制器，其中，若零电流持续时间大于第一参考时间且上一个周期开关的导通时间不是最小值，则开关导通时间减小一个预设值；若零电流持续时间小于第二参考时间且上一个周期开关的导通时间不是最大值，则开关导通时间增加一个预设值。

3.如权利要求1所述的控制器，其中，当下列情况之一发生时，开关导通时间保持不变：

1).当零电流持续时间大于第一参考时间时，上一个周期开关的导通时间为最小值；

2).当零电流持续时间小于第二参考时间时，上一个周期开关的导通时间为最大值。

4.如权利要求1所述的控制器，其中负载判断电路将零电流持续时间与零进行比较，若零电流持续时间为零，则开关导通时间增大至最大值。

5.如权利要求1所述的控制器，其中负载判断电路包括至少一个计时器，所述的至少一个计时器用于接收过零检测信号并检测负载状态。

6.如权利要求1所述的控制器，其中负载判断电路包括：

第一计时器，具有输入端和输出端，输入端接收过零检测信号，输出端提供第一时间信号，当零电流持续时间大于第一参考时间时，第一时间信号跳变到有效状态；

第二计时器，具有输入端和输出端，输入端接收过零检测信号，输出端提供第二时间信号，当零电流持续时间大于第二参考时间时，第二时间信号跳变到有效状态，其中，第一参考时间大于第二参考时间；以及

状态信号产生电路，根据第一时间信号和第二时间信号生成至少一个状态信号。

7.如权利要求6所述的控制器，其中状态信号产生电路包括：

第一与门，具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其中第二输入端接收过零检测信号，第三输入端接收第一时间信号，输出端提供第一逻辑信号；

非门，具有输入端和输出端，其中输入端接收第二时间信号；

第二与门，具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其中第一输入端耦接于非门的输出端，第二输入端接收过零检测信号，输出端提供第二逻辑信号；

第一解码器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收第一逻辑信号，第二输入端接收第二逻辑信号，输出端提供第三逻辑信号，其中，当第一逻辑信号处于有效状态且第二逻辑信号处于无效状态时，第三逻辑信号处于有效状态；当第一逻辑信号处于无效状态且第二逻辑信号处于有效状态时，第三逻辑信号处于无效状态；当第一逻辑信号和第二逻辑信号都处于有效状态或者都处于无效状态时，第三逻辑信号保持和上一个周期相同；

计数器，具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其中第一输入端接收第三逻辑信号，第二输入端接收控制信号，第三输入端接收过零检测信号，输出端耦接于第一与门的第一输入端和第二与门的第三输入端，其中，当控制信号从第一状态跳变到第二状态时，如果过零检测信号处于无效状态，则计数器复位；如果过零检测信号处于有效状态且第三逻辑信号处于有效状态，则计数器加1；如果过零检测信号处于有效状态且第三逻辑信号处于无效状态，则计数器减1；如果过零检测信号处于有效状态且第三逻辑信号处于和上一个周期相同的状态，则计数器的输出保持不变；以及

第二解码器，耦接于计数器的输出端，生成至少一个状态信号，其中，当计数器复位时，所述至少一个状态信号控制开关导通时间为最大值；当计数器加1时，所述至少一个状态信号控制导通时间减小一个预设值；当计数器减1时，所述至少一个状态信号控制导通时间增加一个预设值；当计数器的输出保持不变时，开关的导通时间保持和上一个周期相同。

8.如权利要求1所述的控制器，其中所述至少一个状态信号都是逻辑信号。

9.如权利要求1所述的控制器，其中控制信号产生电路包括：

导通时间信号发生器，根据所述至少一个状态信号生成导通时间信号；

比较器，比较反馈信号和参考信号，并提供比较信号；以及

RS触发器，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比较信号，复位输入端接收导通时间信号，输出端提供控制信号。

10.如权利要求9所述的控制器，其中导通时间信号发生器包括：

多个并联的电流源；

多个开关，每个开关串联耦接于相应的电流源，多个开关中的每个开关由所述至少一个状态信号中的相应的信号分别控制；

电容，耦接于多个电流源与参考地之间；

开关，并联耦接于所述电容两端，由控制信号的相反信号控制；以及

第二比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接于电容以接收电容上的电压，第二输入端接收第二参考信号，输出端提供导通时间信号，其中，当电容上的电压高于第二参考信号时，控制信号从第二状态跳变到第一状态。

11.一种用于将输入电压转换成输出端的输出电压的开关电源，包括：

具有控制端的开关；

耦接于开关的电感；以及

如权利要求1至10中任意一项所述的控制器。

12.如权利要求11所述的开关电源，采用降压变换器结构。

13.一种降低开关电源输出纹波的控制方法，开关电源包括开关和电感，所述方法包括：

检测流过电感的电感电流；

检测电感电流的零电流持续时间，其中零电流持续时间为一个周期中电感电流为零的时间；以及

根据零电流持续时间控制开关的导通时间；

其中，控制开关的导通时间包括在零电流持续时间大于第一参考时间时，将下个周期开关的导通时间减小一个预设值；

其中，控制开关的导通时间还包括在零电流持续时间小于第二参考时间时，将下个周期开关的导通时间增加一个预设值，其中第一参考时间大于第二参考时间；

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述方法还包括根据上一周期中开关的导通时间来控制本周期中开关的导通时间，其中，若零电流持续时间大于第一参考时间且上一个周期开关的导通时间不是最小值，则开关导通时间减小一个预设值；若零电流持续时间小于第二参考时间且上一个周期开关的导通时间不是最大值，则开关导通时间增加一个预设值。

15.如权利要求13所述的方法，其中，当下列情况之一发生时，保持开关导通时间不变：

16.如权利要求13所述的方法，其中控制开关的导通时间还包括，在零电流持续时间为零时，设置导通时间为最大值。