CN106160450A - 用于ac/dc功率转换器中的功率因数校正的迟滞控制器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于AC/DC功率转换器中的功率因数校正的迟滞控制器。公开了用于控制功率转换器的方法、设备和集成电路。在一个实例中，控制器包括被配置为输出峰值电流参考的峰值电流参考模块。控制器还包括被配置为输出谷值电流参考的谷值电流参考模块。控制器还包括一个或多个比较器，其被配置为将通过功率转换器的电流与峰值电流参考和谷值电流参考进行比较，以在通过功率转换器的电流落到谷值电流参考时接通功率转换器的门开关，而在通过功率转换器的电流上升到峰值电流参考时断开功率转换器的门开关。

Description

用于AC/DC功率转换器中的功率因数校正的迟滞控制器
技术领域
本公开涉及AC/DC转换器中的功率因数校正(PFC)，具体地，涉及用于AC/DC转换器的PFC控制器。
背景技术
AC/DC功率转换被用于许多工业、商业和个人电子应用。AC/DC转换涉及在AC输入和DC输出之间的功率损失方面的一些固有的低效率。虽然该低效率中的一些是不可避免的，但一些低效率还会是由反抗交变电流的电感和/或电容所引起，这可利用功率因数校正器(PFC)来减少或消除。PFC可以以各种控制模式(诸如临界传导模式(CrCM)或连续传导模式(CCM))中的一种来控制，这可以通过PFC控制来管理。
CrCM通常提供较低的平均输出电流，并且通常可以用于低功率应用，诸如约300瓦特(W)以下。CrCM提供用于门信号的可变切换频率和恒定的接通时间，其中每当电感器的电感器电流达到零时就切换门信号。因此，CrCM要求相对较少的计算，并且易于实施。CCM通常提供较高的平均输出电流，并且通常用于较高的功率应用，诸如约300瓦特(W)以上。CCM提供用于门信号的恒定切换频率和可变接通时间，其中门信号切换基于平均电流控制方法。因此，CCM要求比CrCM更多的计算。
发明内容
一般来说，本公开的各个实例针对用于功率因数校正器(PFC)的迟滞控制器。在本公开的各个实施例中，迟滞PFC控制器可以横跨任何功率范围提供PFC，其具有如CrCM一样的仅施加低处理负担或低CPU负荷的简单计算，并且还具有如CCM一样的对门开关的低应力。因此，除其他优势外，本公开的迟滞PFC控制器可以在低或高功率应用中结合CrCM和CCM PFC控制器的优势。
在本公开的各个实施例中，迟滞PFC控制器可以实施为数字迟滞PFC控制器或者单比较器迟滞PFC控制器，这二者均可以提供诸如对门开关的低应力和低处理负荷的优势。数字迟滞PFC控制器可以控制门开关以在峰值电流参考和谷值电流参考之间接通和断开，这二者均是数字可控的。单比较器迟滞PFC控制器可以利用单个比较器来实施，其被配置为向连接至峰值参考和谷值参考的多路复用器提供反馈，其中多路复用器的输出通过数模转换器(DAC)馈送至转换器的输入，使得基于比较器输出，单个参考信号在提供峰值参考和谷值参考之间交替。
一个实例针对一种用于功率转换器的控制器。该控制器包括被配置为输出峰值电流参考的峰值电流参考模块。该控制器还包括被配置为输出谷值电流参考的谷值电流参考模块。控制器还包括一个或多个比较器，其被配置为将通过功率转换器的电流与峰值电流参考和谷值电流参考进行比较，从而在通过功率转换器的电流落到谷值电流参考时使功率转换器的门开关接通，而当通过功率转换器的电流上升到峰值电流参考时使功率转换器的门开关断开。
另一个实例针对一种用于控制功率转换器的方法。该方法包括基于功率转换器的感应的平均电流和预选的峰值参考函数输出峰值电流参考。该方法还包括基于功率转换器的感应的平均电流和预选的谷值参考函数输出谷值电流参考。该方法还包括将通过功率转换器的电流与峰值电流参考和谷值电流参考进行比较。该方法还包括：当通过功率转换器的电流落到谷值电流参考时，接通功率转换器的门开关，而当通过功率转换器的电流上升到峰值电流参考时，断开功率转换器的门开关。
另一实例针对一种用于控制功率转换器的设备。该设备包括被配置为感应由功率转换器输出的值的多路复用器。该设备还包括峰值电流参考模块，其连接至多路复用器的输出并被配置为基于功率输出和预选的峰值电流参考值输出峰值电流参考。该设备还包括谷值电流参考模块，其连接至多路复用器的输出并被配置为基于功率输出和预选的谷值电流参考值输出谷值电流参考。该设备还包括一个或多个比较器，其被配置为将通过功率转换器的电流与峰值电流参考和谷值电流参考进行比较，从而当通过功率转换器的电流落到谷值电流参考时接通功率转换器的门开关，而当通过功率转换器的电流上升到峰值电流参考时断开功率转换器的门开关。
以下在附图和描述中阐述本公开的一个或多个实例的细节。本公开的其他特征、目的和优势将从描述和附图以及权利要求中显而易见。
附图说明
图1是示出根据一个实例的具有数字迟滞PFC控制器的AC/DC功率转换器的框图。
图2示出了根据一个实例的具有平均电流的在数字迟滞PFC控制器的控制下在峰值电流参考和谷值电流参考之间交替的图1的AC/DC功率转换器的输出电流的电流波形。
图3示出了在图1的数字迟滞PFC控制器的控制下AC/DC功率转换器的示例性输出电流的各种不同的电流波形，并且示范了在数字迟滞PFC控制器的控制下的用于峰值电流参考、谷值电流参考、纹波电流和过电流保护(OCP)的各种可选受控值。
图4示出了如图2的示例性输出电流的数字波形部分的特写图以及由数字迟滞PFC控制器的各个部件发出的时间协调信号的曲线，其进一步示出了一个实施方式中的数字迟滞PFC控制器的功能。
图5示出了在一个实例中AC/DC功率转换器如何在数字迟滞PFC控制器的控制下根据在任何给定时刻要求的功率并利用在操作模式之间改变时的迟滞来在连续传导模式(CCM)和临界传导模式(CrCM)之间切换操作模式的曲线。
图6示出了具有与数字迟滞PFC控制器不同的作为本公开的迟滞PFC控制器的不同示例性实施方式的单比较器迟滞PFC控制器的AC/DC功率转换器，同时还提供了上述迟滞PFC控制器的相似优势。
图7示出了在一个实例中如上所述在单比较器PFC控制器的控制下利用在峰值电流参考值和谷值电流参考值之间交替的交变电流参考控制的AC/DC功率转换器的电流输出的曲线。
图8是示出根据本公开的实例的操作迟滞PFC控制器以有利地控制AC/DC功率转换器的输出的方法的流程图，例如根据输出功率在任何给定时间在CCM或CrCM模式下灵活操作以及除了其它优势之外如上所述灵活控制峰值电流参考和谷值电流参考、纹波电流和过电流保护。
具体实施方式
图1是示出根据一个实例的具有数字迟滞PFC控制器110的AC/DC功率转换器100的框图。数字迟滞PFC控制器110包括输入电压(Vin)电压模数转换器(VADC)112、输出电压(Vout)VADC114、电压补偿器116、多路复用器118、峰值电流参考模块120、谷值电流参考模块122、数模转换器(DAC)124和126、比较器130和132、脉宽调制(PAM)逻辑电路134以及输出管脚136。在一些实例中，数字迟滞PFC控制器110可以实施为微控制器。在一些实例中，Vin VADC 112、Vout VADC 114、DAC 124和126、比较器130和132以及PWM逻辑模块134可以实施为硬件部件，并且电压补偿器116、多路复用器118、峰值电流参考模块120和谷值电流参考模块122可以实施为模块或软件的一部分。电压补偿器116、多路复用器118、峰值电流参考模块120和谷值电流参考模块122的软件实施方式可以实施为固件，并且可以存储在一个或多个存储部件上和/或被一个或多个处理单元(诸如数字迟滞PFC控制器10的中央处理单元(CPU))执行。在其他实例中，可以以各种类型的硬件元件和/或软件元件中的任何元件来实施数字迟滞PFC控制器110的不同特征。AC/DC功率转换器100还包括电压输入Vin端子102、电感器104、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)门开关106和电压输出Vout端子108。
数字迟滞PFC控制器110包括来自AC/DC功率转换器100的三个输入以及去向AC/DC功率转换器100的一个输出。作为三个输入，Vin VADC 112连接至电压输入Vin端子102以接收AC/DC功率转换器的输入电压；Vout VADC 114连接至电压输出Vout端子108以接收AC/DC功率转换器100的输出电压；以及比较器130和132的反相输入管脚连接至电感器104处的电流传感器以接收来自电感器104的电感器电流的指示。作为输出，PWM逻辑模块134连接至门开关106的控制端子，并且被配置为将调制信号递送至门开关106以接通和断开门开关106，由此控制AC/DC功率转换器100的操作。
乘法器118基于AC/DC功率转换器100的输入电压和输出电压(由来自Vin VADC 112和Vout VADC 114的输入表示)来生成参考电流信号Ym。乘法器118可以处理器执行的软件来实施，以执行来自电压补偿器116的电压补偿值与来自Vin VADC 112的VADC Vin值之间的乘法指令，从而生成Ym参考值。在其他实例中，乘法器18可以类似地在使用运算放大器(op-amps)和晶体管电路的模拟部件中实施。峰值电流参考模块120和谷值电流参考模块122接收来自乘法器118的平均电压值Ym，并分别生成峰值电流参考Yp和谷值电流参考Yv。DAC 124和126分别将峰值电流参考Yp和谷值电流参考Yv转换为模拟形式用于输入至比较器130和132的非反相输入管脚。如上所述，比较器130和132的反相输入管脚连接至电感器104以测量电感器104处的电感器电流。因此，比较器130和132被配置为将电感器104处的电感器电流与分别由峰值电流参考模块120和谷值电流参考模块122提供的峰值电流参考Yp和谷值电流参考Yv进行比较，并将它们的比较结果输出至PWM逻辑电路134。
PWM逻辑电路134由此被配置为基于电感器104处的电感器电流与峰值电流参考Yp和谷值电流参考Yv的比较来将开关调制信号输出至门开关106。因此，数字迟滞PFC控制器110被配置为在数字控制下控制门开关106在峰值电流参考Yp和谷值电流参考Yv之间接通和断开，其中对数字迟滞PFC控制器110具有低处理负担和低时延并且对门开关106具有低应力。以下进一步参考各个实例进一步描述数字迟滞PFC控制器110的方面。
图2示出了根据一个实例的具有平均电流218的在数字迟滞PFC控制器110的控制下在峰值电流参考212和谷值电流参考214之间交替的图1的AC/DC功率转换器100的电感器电流216的电流波形200。图2所示的峰值电流参考212和谷值电流参考214可以表示由上面讨论的数字迟滞PFC控制器110的峰值电流参考模块120和谷值电流参考模块122提供(并由DAC 124和126数字化)的峰值电流参考Yp和谷值电流参考Yv。因此，数字迟滞PFC控制器110可以控制AC/DC功率转换器100的门开关106来以定时图案在接通和断开之间交替，使得AC/DC功率转换器100生成围绕平均电流218交替的切换电感器电流216。一旦数字迟滞PFC控制器110检测到电感器电流216撞击谷值电流参考214，数字迟滞PFC控制器110就可以控制门开关106接通，而一旦迟滞PFC控制器110检测到电感器电流216撞击峰值电流参考212，数字迟滞PFC控制器110就可以控制门开关106断开。
图2还示出了根据一个实例的在图2的数字迟滞PFC控制器00的控制下具有峰值电流参考212和谷值电流参考214的电流波形200的波形部分220的特写图219。波形部分220示出了峰值电流参考212和谷值电流参考214实际上如何数字化，在特写图219中被示为数字峰值电流参考222和数字谷值电流参考224，使得每次变化小的步长函数，该小的步长函数近似平均峰值电流参考223和平均谷值电流参考225的平滑模拟曲线。如特写图219所示，AC/DC功率转换器100的电感器电流216近似地在数字峰值电流参考222和数字谷值电流参考224之间交替，并且由于不可避免的非常小的系统延迟而在每次交替产生非常轻微的超越，导致纹波电流中的非常微小的增加。如特写图219所示，与在数字峰值电流参考222和数字谷值电流参考224之间交替相比，电感器电流216实际上可以更加近似于在平均峰值电流参考223和平均谷值电流参考225之间交替，这是因为不可避免的轻微系统延迟超越与数字峰值电流参考222和数字谷值电流参考224的数字参考信号的平均化相一致。
电感器电流216从峰值电流参考212和谷值电流参考214之间的平均电流218的偏移是纹波电流，其在该实例中被控制得很小，如图2所示。在一些实例中，数字迟滞PFC控制器110可以控制峰值电流参考212和谷值电流参考214作为关于期望平均电流与期望纹波电流的比率。在一些实例中，数字迟滞PFC控制器110可以在固件中存储期望平均电流和期望纹波电流，并且可以根据期望平均电流和期望纹波电流来控制峰值电流参考212和谷值电流参考214。在一些实例中，数字迟滞PFC控制器110可以执行控制，使得根据等式1和等式2，峰值电流参考212(或Yp)和谷值电流参考214(或Yv)可以与峰值电流比率常数(或乘法器常数)Cp、谷值电流比率常数Cv、平均电流Ym(或平均电流218)和纹波电流KR相关：
因此，如果对于给定应用期望低切换频率，则可以在由数字迟滞PFC控制器110存储的控制变量中将纹波电流KR限定得相对较大，而如果对于给定应用期望低纹波电流和高频率，则可以在由数字迟滞PFC控制器110存储的控制变量中将纹波电流KR限定得相对较小。在门开关106尤其敏感或者具有长期性能要求以避免被施加应力的一些应用中，所选的低切换频率还能够实现对门开关106的低应力。在图3中示出并在下面进一步描述数字迟滞PFC控制器110能够实现的选择切换频率和波纹电流的该灵活性。
在一些实例中，峰值电流参考模块120和谷值电流参考模块122可以分别被编程或设计有峰值电流比率常数CP和谷值电流比率常数Cv的存储值；可接收来自乘法器118的平均电流218/Ym；以及可以分别根据下面的等式3和4确定和输出峰值电流参考212/Yp和谷值电流参考214/Yv。等式3和4分别简化地重新整理等式1和2以根据峰值电流比率常数Cp和谷值电流比率常数Cv的存储值以及可从乘法器118接收的平均电流Ym的值来对峰值电流和谷值电流求解。
Yp＝CpYm (等式3)
Yv＝CvYm (等式4)
在一些实例中，峰值电流参考模块120和谷值电流参考模块122可以被编程或设计有纹波电流KR的存储值，可以接收来自乘法器118的平均电流218/Ym，并且可以分别根据以下等式5和6确定和输出峰值电流参考212/Yp和谷值电流参考214/Yv。等式5和6分别简化地重新整理等式1和2以根据纹波电流KR的存储值以及可从乘法器118接收的平均电流Ym的值来对峰值电流和谷值电流求解。
在上面的各个实例中，峰值电流参考模块120可以基于功率转换器的当前感应的平均电流(经由Vin VADC 112、Vout VADC 114、电压补偿器16和乘法器118提供)来输出峰值电流参考。此外，峰值电流参考模块120还可以输出预选的峰值参考函数(其中预选的峰值参考函数可以通过上面示出和描述的等式1、3或5中的一个来定义)或者一些其他类似的预选的峰值参考函数(其结合峰值电流参考的预选值、纹波电流、过电流保护(OCP)的最大电流(以下进一步进行描述)或相关参数)。类似地，在上面的各个实例中，谷值电流参考模块122由此基于功率转换器的当前感应的平均电流(经由Vin VADC112、Vout VADC 114、电压补偿器16和乘法器118提供)和预选的谷值参考函数或一些其他类似的预选的谷值参考函数来输出谷值电流参考，其中预选的谷值参考函数可以是上面示出和描述的等式2、4或6中的一个，并且其他类似的预选的谷值参考函数结合了谷值电流参考的预选值、纹波电流、运算模式或迟滞带(以下进一步描述)或相关参数。
图3示出了在图1的数字迟滞PFC控制器110的控制下AC/DC功率转换器100的示例性输出电流的各种不同的电流波形200、410、420、430、440、450，并且示出了在数字迟滞PFC控制器110的控制下的峰值电流参考、谷值电流参考、纹波电流和过电流保护(OCP)的各种可选受控值。图3示出了数字迟滞PFC控制器110的功能的各个方面和优势。电流波形200与上面参照图2讨论的相同，并包括在图3中是为了比较的目的。电流波形410示出了被选择性地设置在零处的谷值电流参考412。然而，电流波形200有效地提供了连续传导模式(CCM)，其中具有低处理负担，电流波形410有效提供了临界传导模式(CrCM)，其中对门开关106具有低应力，简单地通过选择性地将数字迟滞PFC控制器100的谷值电流参考412设置为零或接近零。
由此，如下进一步描述，通过选择性地将谷值电流参考控制为基本非零值或基本零值，谷值电流参考模块122可以选择性地控制数字迟滞PFC控制器110是否在任何给定时间控制AC/DC功率转换器100以CCM或CrCM进行操作。因此，谷值电流参考模块122可以选择性地控制迟滞带，其中数字迟滞PFC控制器110控制AC/DC功率转换器100在切换到其他操作模式之前保持在CCM或CrCM，这将在以下进一步描述。
图3的电流波形420类似于电流波形200，除了纹波电流被选择性地设置为大于电流波形200中的纹波电流。图3的电流波形430也类似于电流波形200，除了纹波电流被选择性地设置为小于电流波形200中的纹波电流。电流波形440类似于电流波形200，除了选择有过电流保护(OCP)，使得峰值电流参考在所选OCP值443处被去盖，从而输出电流不能上升到OCP的所选最大电流443之上。电流波形450具有被设置为零的谷值电流参考和施加的所选OCP二者以提供类似CrCM模式的OCP。
图4示出了图2的示例性输出电流的数字波形部分220的特写图219以及由数字迟滞PFC控制器110的各个部件发出的时间协调信号的示图500，其进一步示出了一个实施方式中的数字迟滞PFC控制器110的功能。示图500还示出了由PWM逻辑电路134生成的调制信号510、第一定时器值520、电流环路模数(ADC)触发器530、电流环路INT信号540(在该实例中具有100千赫兹(kHz)的频率)、第二定时器值550、电压环路模数(ADC)触发器560和电压环路INT信号570(在该实例中具有50千赫兹(kHz)的频率)。电流环路INT信号540可以更新峰值电流参考模块120和谷值电流参考模块122的值。更新这二者可以分别从DAC 124和126生成新模拟电压参考。如图4所示，当DAC 124和126更新它们的值时，会发生零阶保持。电压环路INT信号570可以经由Vout VADC 114测量输出电压并更新电压补偿器116以保持输出电压。
如图4所示，由PWM逻辑电路134输出的为接通的调制信号510使得电感器电流216上升，并且由PWM逻辑电路134输出的为断开的调制信号510使得电感器电流216下降。如数字波形部分220的特写图219所示，数字峰值电流参考222和数字谷值电流参考224示出了零阶保持(ZOH)(229)，其在模拟实施中是不存在的。数字波形部分220的特写图219还示出了比较器延迟228的实例，或者比较器130和132在超过数字峰值电流参考222或数字谷值电流参考224之后在上升和下降之间交替的电流上运作中固有的轻微延迟。电流环路ADC触发器530和电流环路INT信号540通过发出用于数字峰值电流参考222和数字谷值电流参考224的信号(每一个都使随后的值发生阶梯跳变)来响应第一定时器值520。在该实例中，电压环路ADC触发器560和电压环路INT信号570在第一定时器和电流环路的频率的一半处响应第二定时器值550。
图5示出了示图600和610，它们在一个实例中示出了AC/DC功率转换器100如何在数字迟滞PFC控制器110的控制下根据任何给定时刻处要求的功率并利用在操作模式之间改变时的迟滞来在CCM模式和CrCM模式之间切换操作模式。示图600示出了输入电压620、电压环路输入630、零电压INT信号640和当前的操作模式650。示图610示出了当前操作模式相对于当前要求的功率输出，包括CCM模式612和CrCM模式614，它们在该实例中在150瓦特(W)和220W之间的迟滞带616中重叠。示图610中的迟滞带616被表示为与示图600中的电压环路输入630中示出的150W和200W之间的迟滞带636平行。
示图610示出了AC/DC功率转换器100在数字迟滞PFC控制器110的控制下可以在任何地方的当前功率从150W至600W时以CCM模式进行操作。如果功率输出下降到150W以下，则诸如通过选择性地将数字迟滞PFC控制器110的谷值电流参考设置为零，数字迟滞PFC控制器110可以将AC/DC功率转换器100从CCM模式切换到CrCM模式，由此将AC/DC功率转换器100的输出电流从CCM类型输出(诸如上述波形200)转换到CrCM类型输出(诸如上述波形410)。
一旦AC/DC功率转换器100在功率输出中下降到150W以下并且以CrCM模式进行操作，AC/DC功率转换器100就可以在0和200W的任何功率输出处连续操作同时保持在CrCM模式，如示图610所示。在该实例中，只要当前要求的功率上升到200W以上，数字迟滞PFC控制器110就可以将AC/DC功率转换器100从CrCM模式转换回CCM模式。因此，在该实例中，根据AC/DC功率转换器100已经操作的两种操作模式中的任何一个模式，可以在CCM模式或CrCM模式中提供150W到200W的输出范围；因此，重叠范围616可以认为是迟滞带或迟滞范围。
在其他实施方式中，迟滞带616的上边界和下边界可以分别显著改变到200W和150W的示例性值之上和之下。在图5的实例中并且在其他实施方式中，迟滞带可以与CCM模式或CrCM模式执行良好且CCM模式或CrCM模式都不会施加明显缺陷的功率输出的范围相一致。在不同值的各种实施中的任一种中，数字迟滞PFC控制器110可以提供一些明显的迟滞带以确保在当前要求的功率碰巧非常接近CCM模式和CrCM模式之间的转换功率等级的情况下避免太过频繁地在CCM模式和CrCM模式之间交替的情况。因此，在各种实例中，数字迟滞PFC控制器110可以根据两种模式中的哪一种对于给定时刻处要求的功率输出是有利的来在任何给定时间以CCM模式或CrCM模式灵活地操作AC/DC功率转换器100。
示图600所示的电压环路输入630和当前操作模式650进一步示出了通过数字迟滞PFC控制器110随时间为AC/DC功率转换器100选择的操作模式的不间断选择(其中时间间隔在线660上表示，如输入电压620的半循环所界定的那样)。电压环路输入630包括150W和200W之间的迟滞带636，并且线632表示AC/DC功率转换器100的当前要求的功率输出(“功率632”)。在示图600所示的时间间隔0和1中(如线660上所表示的)，功率632充分位于150W之下，并且数字迟滞PFC控制器110以CrCM模式操作AC/DC功率转换器100，如当前操作模式的示图650中的对应时间间隔所示。在时间间隔2中，功率632开始位于迟滞带636之下但随后上升到迟滞带636之上，并在该时间间隔结束处保持；操作模式为CrCM，但是在时间间隔3中转换为CCM(如示图650所示)。在时间间隔3期间，功率下降到迟滞带636之下，并且数字迟滞PFC控制器110通过在时间间隔4中转换回CrCM模式来响应。
然后，功率632上升到迟滞带636中并在迟滞带636内结束时间间隔4，使得数字迟滞PFC控制器110在时间间隔5中保持在CrCM模式内。功率632在时间间隔5的结束处上升到稍微高于迟滞带636，使得数字迟滞PFC控制器110在时间间隔6转换到CCM。功率632在时间间隔6的结束处下降到迟滞带636中，使得数字迟滞PFC控制器110在时间间隔7中保持在CCM模式内。然后，功率632在时间间隔7结束之前刚好下降到迟滞带636之下，使得数字迟滞PFC控制器110在时间间隔8中转换回CrCM模式。这些实例进一步示出了数字迟滞PFC控制器110如何可以连续操作AC/DC功率转换器100的功率输出，从而总是相对于其当前的功率输出在CCM和CrCM之间保持在有利的操作模式，同时使用在CCM或CrCM之间没有明显优势的功率范围内在两种模式之间转换的迟滞带来避免太过频繁地转换。
因此，数字迟滞PFC控制器110的峰值电流参考模式120和谷值电流参考模块122能够根据各种控制参数中的任何参数来选择性地控制AC/DC功率转换器100中的功率、操作模式、迟滞带、纹波电流和过电流保护。在各个实例中，用于峰值电流参考模式120和谷值电流参考模块122的控制参数可以在AC/DC功率转换器100的初始制造以及峰值电流参考模式120和谷值电流参考模块122的初始编程中进行选择或设计，或者作为随后对数字迟滞PFC控制器110的固件或软件修改或升级的一部分，和/或响应于AC/DC功率转换器100的各种操作参数来在算法上进行选择和设计。
图6示出了具有不同于上述数字迟滞PFC控制器110的作为本公开的迟滞PFC控制器的不同示例性实施方式的单比较器迟滞PFC控制器710的AC/DC功率转换器700，同时还提供了与上述迟滞PFC控制器相似的优势特征。单比较器迟滞PFC控制器710包括与上述数字迟滞PFC控制器110相同的一些部件，包括输入电压(Vin)电压模数转换器(VADC)112、输出电压(Vout)VADC 114、电压补偿器116和乘法器118。AC/DC功率转换器700还共享与上述AC/DC功率转换器100部件共同的部件，包括电压输入Vin端子102、电感器104、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)门开关106、电压输出Vout端子108和输出管脚136。单比较器迟滞PFC控制器710还包括峰值电流参考模块720、谷值电流参考模块722、多路复用器723、单个数模转换器(DAC)724和单个比较器730。单比较器迟滞PFC控制器710由此可以以具有比数字迟滞PFC控制器110少的部件的简单实施方式来提供数字峰值和谷值电流参考，并且具有上面参照数字迟滞PFC控制器110描述的优势。
如图6所示，从电感器104感应的电感器电流连接至比较器730的反相输入。峰值电流参考模块720和谷值电流参考模块722的输出连接至多路复用器723的输入。多路复用器723的输出被输入至DAC724，并且DAC 724的输出连接至比较器730的非反相输入。因此，多路复用器723可以认为是对缺少如数字迟滞PFC控制器110中的第二DAC和第二比较器的补偿。单比较器迟滞PFC控制器710由此可被配置为输出上述数字峰值电流参考和数字谷值电流参考，因此一次仅输出一个并且根据需要在二者之间交替，这在下面参照图7进一步描述。
在一些实例中，峰值电流参考模块720、谷值电流参考模块722、多路复用器723、DAC 724和比较器730可以在单个集成电路(IC)中实施，其在一些实例中可以实施为微控制器、专用集成电路(ASIC)或数字信号处理器(DSP)。与上述数字迟滞PFC控制器110相似，在一些实例中，单比较器迟滞PFC控制器710可以实施为微控制器。在一些实例中，Vin VADC 112、Vout VADC 114、多路复用器723、DAC 724和比较器730可以实施为硬件部件，并且电压补偿器116、乘法器118、峰值电流参考模块720和谷值电流参考模块722可以实施为模块或软件的一部分。电压补偿器116、乘法器118、峰值电流参考模块720和谷值电流参考模块722的软件实施可以实施为固件，并且可以存储在一个或多个存储部件上和/或被一个或多个处理单元(诸如单比较器迟滞PFC控制器710的中央处理单元(CPU))执行。
峰值电流参考模块720和谷值电流参考模块722可以利用上面针对峰值电流参考模块120和谷值电流参考模块122描述的所有功能来实施，包括灵活地控制峰值和谷值电流参考、操作模式(CCM或CrCM)、纹波电流和过电流保护。在其他实例中，可以在各种类型的硬件和/或软件元件中实施单比较器迟滞PFC控制器710的不同特征。峰值电流参考模块720和谷值电流参考模块722可以选择性地使单比较器迟滞PFC控制器710选择性地控制AC/DC功率转换器700以生成输出电流，其中功率、操作模式、迟滞带、纹波电流和过电流保护均可以被选择性控制。在各种实例中，峰值电流参考模块720和谷值电流参考模块722能够使得功率、操作模式、迟滞带、纹波电流和过电流保护根据各种控制参数中的任何参数来选择性控制，其中各种控制参数可以在AC/DC功率转换器700的初始制造以及峰值电流参考模块720和谷值电流参考模块722的初始编程时被选择或设计，或者作为单比较器迟滞PFC控制器710的固件或软件修改或升级的一部分，和/或响应于AC/DC功率转换器700的各种操作参数而在算法上进行选择或设计。
图7示出了在一个实例中在上述单比较器迟滞PFC控制器710的控制下利用在峰值电流参考值762和谷值电流参考值764之间交替的交替电流参考752来控制的AC/DC功率转换器700的电流输出756的示图750。如上所述，根据经由DAC 724从多路复用器723到比较器730的输出，交替电流参考752在峰值电流参考值762和谷值电流参考值764之间交替，其中来自多路复用器723的输出在通过峰值电流参考模块720和谷值电流参考模块722输出的峰值电流参考值762和谷值电流参考值764之间交替。在该实例中，示图750还将单比较器迟滞PFC控制器输出信号780实处为输出至门开关106以接通和断开门开关106。
图7还示出了在横跨交变电流参考752的电流输出756和执行其随后交替的交变电流参考752之间的总延迟的多个实例，该电流输出756基于单比较器迟滞PFC控制器输出信号780在上升和下降之间反转。总延迟包括：由比较器730引起的第一比较器延迟时间762；由多路复用器723引起的第二多路复用器响应时间764；以及由DAC724引起的第三DAC响应时间766。虽然单比较器迟滞PFC控制器710具有更简单且具有更少部件的优势，但上述数字迟滞PFC控制器10具有在模拟实施中总体较低的总延迟时间的优势，尤其对于较大范围的迟滞带。因此，如上所述，在一些实施例中，单比较器迟滞PFC控制器710可以在诸如ASIC或DSP的专用硬件元件中更有利的实施，而数字迟滞PFC控制器110可以有利地在更通用的微控制器中提供更加灵活的实施，但是任何特定实施中的特定优势和折中可以是可变的并且可以在工程设计的一般过程中解决，本领域技术人员都是可以理解的。
图8是示出根据本公开实例的操作迟滞PFC控制器的方法800的流程图，其中迟滞PFC控制器有利地控制AC/DC功率转换器的输出，例如根据输出功率在任何给定时间灵活地以CCM模式或CrCM模式进行操作，以及灵活地控制峰值和谷值电流参考、纹波电流和过电流保护。方法800可以与操作本公开的迟滞PFC控制器(包括上面参考图1-7描述的数字迟滞PFC控制器100和单比较器迟滞PFC控制器710)的方法相一致。
在图8的实例中，方法800包括基于功率转换器的感应的平均电流和预选的峰值参考函数来输出峰值电流参考(例如，如上参照图1至图7所述，峰值电流参考模块120或720例如根据等式1、3或5输出峰值电流参考212或Yp，或者另外选择性地控制纹波电流和/或用于过电流保护(OCP)的最大电流)(802)。方法800还包括基于功率转换器的感应的平均电流和预选的谷值参考函数来输出谷值电流参考(例如，如上参照图1至图7所述，谷值电流参考模块122或722例如根据等式2、4或6输出谷值电流参考214或Yv，或者另外选择性地控制纹波电流、操作模式和/或迟滞带)(804)。
方法800还包括将通过功率转换器的电流与峰值电流参考和谷值电流参考进行比较(例如，如上面参照图1至图7所述，比较器130和132将通过电感器104的电感器电流与来自数字迟滞PFC控制器110的峰值电流参考模块120和谷值电流参考模块122的峰值电流参考和谷值电流参考进行比较，或者如在单比较器迟滞PFC控制器710中那样，单个比较器730将通过电感器104的电感器电流与经由多路复用器723来自峰值电流参考模块720和谷值电流参考模块722的峰值电流参考和谷值电流参考进行比较)(806)。方法800还包括当通过功率转换器的电流落到谷值电流参考时接通功率转换器的门开关，以及当通过功率转换器的电流上升到峰值电流参考时断开功率转换器的门开关(例如，如上面参照图1至图7所述，如根据数字迟滞PFC控制器110或单比较器迟滞PFC控制器710的可选控制参数确定的那样，PWM逻辑电路134或单个比较器730向门开关106施加输出调制信号以接通和断开门开关106)(808)。
例如，上述任何电路、设备和方法可以整体或部分地通过任何各种类型的集成电路、芯片集和/或其他设备来具体化或执行，和/或作为被计算设备执行的软件。这可以包括在一个或多个微控制器、中央处理单元(CPU)、处理核、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑器件(PLD)、由一个或多个基础计算设备执行的虚拟设备或者硬件和/或软件的任何其他结构中执行或具体化。
例如，本公开的迟滞PFC控制器(例如，迟滞PFC控制器110、710)可以实施或具体化为集成电路，其经由硬件、逻辑、通用处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和/或一般处理电路的任何组合来配置，其在一些实例中可以执行软件指令以执行本文描述的各种功能。
本公开的一些实施例可以在以下标为A1-A20的实例中实施：
A1.一种用于功率转换器的控制器，所述控制器包括：峰值电流参考模块，被配置为输出峰值电流参考；谷值电流参考模块，被配置为输出谷值电流参考；以及一个或多个比较器，被配置为将通过所述功率转换器的电流与所述峰值电流参考和所述谷值电流参考进行比较，以在通过所述功率转换器的电流落到所述谷值电流参考时接通所述功率转换器的门开关，而当通过所述功率转换器的电流上升到所述峰值电流参考时断开所述功率转换器的所述门开关。
A2.根据实例1所述的控制器，其中，所述峰值电流参考模块和所述谷值电流参考模块可被配置为基于通过所述功率转换器的功率的当前值选择性地控制通过所述功率转换器的电流以在连续传导模式(CCM)和临界传导模式(CrCM)的操作之间交替。
A3.根据实例A1或A2所述的控制器，其中，所述峰值电流参考模块和所述谷值电流参考模块可被配置为当通过所述功率转换器的功率的当前值处于迟滞带内的功率值时保持以CCM或CrCM进行操作。
A4.根据实例A1-A3中任一项所述的控制器，其中，所述一个或多个比较器包括第一比较器和第二比较器，所述第一比较器具有连接至所述峰值电流参考模块的输出的第一输入管脚，并且所述第二比较器具有连接至所述谷值电流参考模块的输出的第一输入管脚。
A5.根据实例A1-A4中任一项所述的控制器，其中，所述第一比较器的第一输入管脚经由第一数模转换器(DAC)连接至所述峰值电流参考模块的输出，并且所述第二比较器的第一输入管脚经由第二数模转换器(DAC)连接至所述谷值电流参考模块的输出。
A6.根据实例A1-A5中任一项所述的控制器，其中，通过所述功率转换器的电流是通过所述功率转换器的电感器的电感器电流，所述控制器还被配置为使得所述电感器处的电感器电流传感器连接至所述第一比较器的第二输入管脚和所述第二比较器的第二输入管脚。
A7.根据实例A1所述的控制器，其中，所述一个或多个比较器包括单个比较器，所述控制器还包括多路复用器，所述多路复用器具有连接至所述峰值电流参考模块和所述谷值电流参考模块的输出的输入，所述比较器具有连接至所述多路复用器的输出的第一输入管脚。
A8.根据实例A1或A7所述的控制器，其中，通过所述功率转换器的电流是通过所述功率转换器的电感器的电感器电流，所述控制器还被配置为使得所述电感器处的电感器电流传感器连接至所述比较器的第二输入管脚。
A9.根据实例A1-A8中任一项所述的控制器，其中，所述峰值电流参考模块和所述谷值电流参考模块可被配置为如分别基于所述功率转换器的感应的当前平均电流以及预选的峰值电流比率常数和预选的谷值电流比率常数所确定的那样选择性地控制所述峰值电流参考和所述谷值电流参考。
A10.根据实例A1-A9中任一项所述的控制器，其中，所述峰值电流参考模块和所述谷值电流参考模块可被配置为如基于所述功率转换器的感应的当前平均电流和预选的纹波电流所确定的那样选择性地控制所述峰值电流参考和所述谷值电流参考。
A11.根据实例A1-A10中任一项所述的控制器，其中，所述峰值电流参考模块可被配置为选择性地控制所述峰值电流参考以实施用于过电流保护模式的最大电流。
A12.根据实例A1-A11中任一项所述的控制器，其中，所述谷值电流参考模块可被配置为：如果所述功率转换器输出的功率的当前值在所选迟滞带内，则基于由所述功率转换器输出的功率的当前值，以及基于在先前电压半循环时间间隔中所述功率转换器是以连续传导模式(CCM)还是临界传导模式(CrCM)进行操作，来选择性地控制所述谷值电流参考以在基本非零值和基本零值之间交替，从而交替所述功率转换器在CCM和CrCM中的操作。
A13.一种用于控制功率转换器的方法，所述方法包括：基于所述功率转换器的感应的平均电流和预选的峰值参考函数来输出峰值电流参考；基于所述功率转换器的感应的平均电流和预选的谷值参考函数来输出谷值电流参考；将通过所述功率转换器的电流与所述峰值电流参考和所述谷值电流参考进行比较；以及当通过所述功率转换器的电流落到所述谷值电流参考时接通所述功率转换器的门开关，而当通过所述功率转换器的电流上升到所述峰值电流参考时断开所述功率转换器的所述门开关。
A14.根据实例A13所述的方法，还包括：基于通过所述功率转换器的功率的当前值，选择性地控制通过所述功率转换器的电流以在连续传导模式(CCM)和临界传导模式(CrCM)的操作之间交替。
A15.根据实例A13或A14所述的方法，还包括：当通过所述功率转换器的功率的当前值处于迟滞带内的功率值时，选择性地控制通过所述功率转换器的电流以保持在CCM或CrCM中进行操作。
A16.一种用于控制功率转换器的设备，所述设备包括：乘法器，被配置为感应所述功率转换器的功率输出的值；峰值电流参考模块，连接至所述乘法器的输出并被配置为基于所述功率输出和预选的峰值电流参考值来输出峰值电流参考；谷值电流参考模块，连接至所述乘法器的输出并被配置为基于所述功率输出和预选的谷值电流参考值来输出谷值电流参考；以及一个或多个比较器，被配置为将通过所述功率转换器的电流与所述峰值电流参考和所述谷值电流参考进行比较，以在通过所述功率转换器的电流落到所述谷值参考电流时接通所述功率转换器的门开关，而在通过所述功率转换器的电流上升到所述峰值电流参考时断开所述功率转换器的门开关。
A17.根据实例A16所述的设备，其中，所述峰值电流参考模块和所述谷值电流参考模块可被配置为基于通过所述功率转换器的功率的当前值来选择性地控制通过所述功率转换器的电流以在连续传导模式(CCM)和临界传导模式(CrCM)的操作之间交替，其中，所述峰值电流参考模块和所述谷值电流参考模块可被配置为当通过所述功率转换器的功率的当前值处于迟滞带内的功率值时选择性地控制通过所述功率转换器的电流以保持在CCM或CrCM中操作。
A18.根据实例A16或A17所述的设备，其中，所述一个或多个比较器包括第一比较器和第二比较器，所述第一比较器具有连接至所述峰值电流参考模块的输出的第一输入管脚，并且所述第二比较器具有连接至所述谷值电流参考模块的输出的第一输入管脚，其中，所述第一比较器的第一输入管脚经由第一数模转换器(DAC)连接至所述峰值电流参考模块的输出，并且所述第二比较器的第一输入管脚经由第二数模转换器(DAC)连接至所述谷值电流参考模块的输出，并且其中，通过所述功率转换器的电流是通过所述功率转换器的电感器的电感器电流，所述控制器还被配置为使得所述电感器处的电感器电流传感器连接至所述第一比较器的第二输入管脚和所述第二比较器的第二输入管脚。
A19.根据实例A16或A17所述的设备，其中，所述一个或多个比较器包括单个比较器，所述设备还包括多路复用器，所述多路复用器具有连接至所述峰值电流参考模块和所述谷值电流参考模块的输出的输入，所述比较器具有连接至所述多路复用器的输出的第一输入管脚，其中，所述设备包括集成电路，其中至少所述峰值电流参考模块、所述谷值电流参考、所述多路复用器和所述单个比较器包括在所述集成电路中，其中，通过所述功率转换器的电流是通过所述功率转换器的电感器的电感器电流，所述控制器还被配置为使得所述电感器处的电感器电流传感器连接至所述比较器的第二输入管脚。
A20.根据实例A16-A19中任一项所述的设备，其中，所述谷值电流参考模块可被配置为：如果所述功率转换器的功率输出的值在所选迟滞带内，则基于所述功率转换器的功率输出的值，以及基于在先前电压半循环时间间隔中所述功率转换器是以连续传导模式(CCM)还是临界传导模式(CrCM)进行操作，来选择性地控制所述谷值电流参考以在基本非零值和基本零值之间交替，从而交替所述功率转换器分别在CCM和CrCM中的操作。
描述了本发明的各个实例。这些和其他实例均包括在以下权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于功率转换器的控制器，所述控制器包括：
峰值电流参考模块，被配置为输出峰值电流参考；
谷值电流参考模块，被配置为输出谷值电流参考；以及
一个或多个比较器，被配置为将通过所述功率转换器的电流与所述峰值电流参考和所述谷值电流参考进行比较，以在通过所述功率转换器的电流落到所述谷值电流参考时接通所述功率转换器的门开关，而在通过所述功率转换器的电流上升到所述峰值电流参考时断开所述功率转换器的所述门开关。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述峰值电流参考模块和所述谷值电流参考模块可被配置为基于通过所述功率转换器的功率的当前值来选择性地控制通过所述功率转换器的电流以在连续传导模式(CCM)和临界传导模式(CrCM)的操作之间交替。
3.根据权利要求2所述的控制器，其中，所述峰值电流参考模块和所述谷值电流参考模块可被配置为当通过所述功率转换器的功率的当前值处于迟滞带内的功率值时选择性地控制通过所述功率转换器的电流以保持在CCM或CrCM中的操作。
4.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述一个或多个比较器包括第一比较器和第二比较器，所述第一比较器具有连接至所述峰值电流参考模块的输出的第一输入管脚，并且所述第二比较器具有连接至所述谷值电流参考模块的输出的第一输入管脚。
5.根据权利要求4所述的控制器，其中，所述第一比较器的第一输入管脚经由第一数模转换器(DAC)连接至所述峰值电流参考模块的输出，并且所述第二比较器的第一输入管脚经由第二数模转换器(DAC)连接至所述谷值电流参考模块的输出。
6.根据权利要求4所述的控制器，其中，通过所述功率转换器的电流是通过所述功率转换器的电感器的电感器电流，所述控制器还被配置为使得所述电感器处的电感器电流传感器连接至所述第一比较器的第二输入管脚和所述第二比较器的第二输入管脚。
7.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述一个或多个比较器包括单个比较器，所述控制器还包括多路复用器，所述多路复用器具有连接至所述峰值电流参考模块和所述谷值电流参考模块的输出的输入，所述比较器具有连接至所述多路复用器的输出的第一输入管脚。
8.根据权利要求7所述的控制器，其中，通过所述功率转换器的电流是通过所述功率转换器的电感器的电感器电流，所述控制器还被配置为使得所述电感器处的电感器电流传感器连接至所述比较器的第二输入管脚。
9.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述峰值电流参考模块和所述谷值电流参考模块可被配置为如分别基于所述功率转换器的感应的当前平均电流以及预选的峰值电流比率常数和预选的谷值电流比率常数所确定的那样选择性地控制所述峰值电流参考和所述谷值电流参考。
10.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述峰值电流参考模块和所述谷值电流参考模块可被配置为如基于所述功率转换器的感应的当前平均电流和预选的纹波电流所确定的那样选择性地控制所述峰值电流参考和所述谷值电流参考。
11.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述峰值电流参考模块可被配置为选择性地控制所述峰值电流参考以实施用于过电流保护模式的最大电流。
12.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述谷值电流参考模块可被配置为：如果所述功率转换器的功率输出的当前值在所选迟滞带内，则基于所述功率转换器的功率输出的当前值，以及基于在先前电压半循环时间间隔中所述功率转换器是以连续传导模式(CCM)还是临界传导模式(CrCM)进行操作，来选择性地控制所述谷值电流参考以在基本非零值和基本零值之间交替，从而交替所述功率转换器分别在CCM和CrCM中的操作。
13.一种用于控制功率转换器的方法，所述方法包括：
基于所述功率转换器的感应的平均电流和预选的峰值参考函数来输出峰值电流参考；
基于所述功率转换器的所述感应的平均电流和预选的谷值参考函数来输出谷值电流参考；
将通过所述功率转换器的电流与所述峰值电流参考和所述谷值电流参考进行比较；以及
当通过所述功率转换器的电流落到所述谷值电流参考时接通所述功率转换器的门开关，而当通过所述功率转换器的电流上升到所述峰值电流参考时断开所述功率转换器的所述门开关。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：基于通过所述功率转换器的功率的当前值，选择性地控制通过所述功率转换器的电流以在连续传导模式(CCM)和临界传导模式(CrCM)的操作之间交替。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：当通过所述功率转换器的功率的当前值处于迟滞带内的功率值时，选择性地控制通过所述功率转换器的电流以保持在CCM或CrCM中的操作。
16.一种用于控制功率转换器的设备，所述设备包括：
乘法器，被配置为感应所述功率转换器的功率输出的值；
峰值电流参考模块，连接至所述乘法器的输出并被配置为基于所述功率输出和预选的峰值电流参考值来输出峰值电流参考；
谷值电流参考模块，连接至所述乘法器的输出并被配置为基于所述功率输出和预选的谷值电流参考值来输出谷值电流参考；以及
一个或多个比较器，被配置为将通过所述功率转换器的电流与所述峰值电流参考和所述谷值电流参考进行比较，以在通过所述功率转换器的电流落到所述谷值参考电流时接通所述功率转换器的门开关，而在通过所述功率转换器的电流上升到所述峰值电流参考时断开所述功率转换器的所述门开关。
17.根据权利要求16所述的设备，
其中，所述峰值电流参考模块和所述谷值电流参考模块可被配置为基于通过所述功率转换器的功率的当前值来选择性地控制通过所述功率转换器的电流以在连续传导模式(CCM)和临界传导模式(CrCM)的操作之间交替，
其中，所述峰值电流参考模块和所述谷值电流参考模块可被配置为当通过所述功率转换器的功率的值处于迟滞带内的功率值时选择性地控制通过所述功率转换器的电流以保持在CCM或CrCM中的操作。
18.根据权利要求16所述的设备，
其中，所述一个或多个比较器包括第一比较器和第二比较器，所述第一比较器具有连接至所述峰值电流参考模块的输出的第一输入管脚，并且所述第二比较器具有连接至所述谷值电流参考模块的输出的第一输入管脚，
其中，所述第一比较器的第一输入管脚经由第一数模转换器(DAC)连接至所述峰值电流参考模块的输出，并且所述第二比较器的第一输入管脚经由第二数模转换器(DAC)连接至所述谷值电流参考模块的输出，并且
其中，通过所述功率转换器的电流是通过所述功率转换器的电感器的电感器电流，所述控制器还被配置为使得所述电感器处的电感器电流传感器连接至所述第一比较器的第二输入管脚和所述第二比较器的第二输入管脚。
19.根据权利要求16所述的设备，
其中，所述一个或多个比较器包括单个比较器，
所述设备还包括多路复用器，所述多路复用器具有连接至所述峰值电流参考模块和所述谷值电流参考模块的输出的输入，所述比较器具有连接至所述多路复用器的输出的第一输入管脚，
其中，所述设备包括集成电路，其中至少所述峰值电流参考模块、所述谷值电流参考、所述多路复用器和所述单个比较器包括在所述集成电路中，
其中，通过所述功率转换器的电流是通过所述功率转换器的电感器的电感器电流，所述控制器还被配置为使得所述电感器处的电感器电流传感器连接至所述比较器的第二输入管脚。
20.根据权利要求16所述的设备，其中，所述谷值电流参考模块可被配置为：如果所述功率转换器的功率输出的值在所选迟滞带内，则基于所述功率转换器的功率输出的值，以及基于在先前电压半循环时间间隔中所述功率转换器是以连续传导模式(CCM)还是临界传导模式(CrCM)进行操作，来选择性地控制所述谷值电流参考以在基本非零值和基本零值之间交替，从而交替所述功率转换器分别在CCM和CrCM中的操作。
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