CN106300925B - Ac-dc电路的驱动控制电路、方法及其系统 - Google Patents

Ac-dc电路的驱动控制电路、方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种AC‑DC电路的驱动控制电路、方法及其系统，该电路包括：驱动电路，其输出端连接AC‑DC电路开关管的控制端，以驱动开关管的导通与关断；采样保持电路，接收AC‑DC电路开关管的电流采样信号，在每个开关周期的开关管导通区段中根据补偿信号对电流采样信号采样保持，生成采样保持信号并输出；电荷控制电路，连接所述采样保持电路和驱动电路，接收所述采样保持信号和电流采样信号，根据采样保持信号正调电荷，根据导通区段的电流采样信号反调电荷，所得电荷值信号与预设值的比较结果用以控制驱动电路关断开关管。本发明不需要额外或者单独采样输入电压，并且可以实现输入电流为与输入电压同相位的正弦信号，得到高PF。

Description

AC-DC电路的驱动控制电路、方法及其系统
技术领域
本发明涉及开关电源技术，特别涉及的是一种AC-DC电路的驱动控制电路、方法及其系统。
背景技术
在AC/DC(交流电/直流电)变换电路中，为了减少电路对电网的污染，需要其输入电流波形为正弦，并且和电网电压同相位。也就是要求低THD(Total HarmonicDistortion，总谐波失真)，高功率因数(PF)。这种高PF的电路称为带功率因数校正(PFC)的电路。
如图1所示的反激电路为一种常用的PFC电路，该反激电路包括：通过二极管D1-D4构建的整流桥，电感L1，变压器TR1，开关管M2(例如可以是MOS管)，采样电阻R4，二极管D5，负载LED1等。整流桥输入端接收交流输入信号，电感L1第一端连接整流桥输出端，电感L1第二端连接变压器TR1原边绕组N1的一端，变压器TR1原边绕组N1的另一端连接开关管M2的第一端，开关管M2的第二端连接采样电阻R4的第一端，采样电阻R4第二端接地；变压器TR1副边绕组N2的一端连接二极管D5的正极，负载LED1连接在二极管D5的负极和变压器TR1副边绕组N2的另一端之间。该反激电路还可以包括电容C1、C2、C4，用来滤波，电容C1连接在电感L1的第一端和地之间，电容C2连接在电感L1第二端和地之间，电容C3与负载LED1并联。
该反激电路工作于临界导通模式。开关管M2的电流的平均值即为输入电 流。开关管M2的电流波形和驱动信号GATE1波形如图2所示。开关管M2的峰值电流IPEAK和输入电压vin，励磁电感LM及导通时间TON的关系为：vin＝TON*IPEAK/LM；输入电流iin和开关管M2的峰值电流IPEAK和占空比D之间的关系为：iin＝IPEAK*D/2。其中，占空比D＝TON/T，T为开关周期；因此，可以得到输入电流iin和输入电压vin，励磁电感LM，导通时间TON，开关周期T之间的关系为iin＝vin*TON 2/(2*LM*T)。由于励磁电感为常数，如果能保证TON 2/T为常数，则可以保证输入电流和输入电压同相位，即可以实现PFC。在临界导通的反激电路中，实现PFC一般有两种方法，一种采用乘法器，另一种方法采用恒定导通时间。
继续参看图1，采用乘法器的方法来做PFC的具体方法为：驱动控制电路1的输入电压采样电路11采样输入电压得到信号VREC(通过在整流桥输出端和地端之间串联连接电阻R1和R2，获得电阻R1和R2的分压电压，即得信号VREC)，乘法器12将该信号VREC和补偿信号COMP相乘，得到指令信号。由于驱动控制电路的带宽远低于电网频率，所以补偿信号COMP的变化频率远低于输入电压频率(电网频率)，在一个电网周期内，可以认为补偿信号COMP电压基本不变，因此该指令信号为正弦，且和电网电压同相。开关管M2导通时，其电流从0上升，采样电阻R4的第一端得到流过开关管M2的采样电流，采样得到采样电流信号SNP，通过比较器13比较，当采样电流信号SNP等于指令信号时，输出给驱动电路14的信号控制开关管M2关断。因此，开关管M2电流的峰值IPEAK的包络线为正弦，并且和输入电压同相位。输入电流即为开关管M2电流的均值，输入电流iin和开关管M2的峰值电流IPEAK以及占空比D之间的关系为：iin＝IPEAK*D/2。可以看出，开关管M2的峰值电流IPEAK是正弦的，占空比是随电网电压变化的量。当输入电压高的时候，占空比D小，而输入电压低的时候，占空比D大，所以输入电流并不是正弦的，因此输入电流的THD还需要再优化。且该方法需要采样输入电网电压，并且实现方法比较复杂。
参看图2和图3，采用恒定导通时间实现PFC的具体方法为：通过恒定导通时间控制电路21接收补偿信号COMP，输出给驱动电路22信号以控制开关管M2导通时间。当补偿信号COMP电压高的时候，导通时间长；当补偿信号COMP电压低的时候导通时间短。由于驱动控制电路的带宽远低于电网频率，所以补偿信号COMP的变化频率远低于输入电压频率(电网频率)，补偿信号COMP在一个电网周期内基本保持不变。因此，在一个电网周期内，开关管M2导通时间也保持不变。输入电流iin和输入电压vin，励磁电感LM，导通时间TON，开关周期T之间的关系为iin＝vin*TON 2/(2*LM*T)。由于开关周期T在输入电压低的时候短，在输入电压高的时候长。也就是说，即使保持导通时间在一个电网周期内不变，由于开关周期T在一个电网周期内是变化的，所以输入电流并不是正弦的。该方法虽不需要采样输入电网电压，但是输入电流并不正弦，实现PFC效果有限，需要优化。
发明内容
本发明提供一种AC-DC电路的驱动控制电路及方法，不需要额外或者单独采样输入电压，并且可以实现输入电流为与输入电压同相位的正弦信号，得到高PF。
为解决上述问题，本发明提供一种AC-DC电路的驱动控制电路，AC-DC电路工作在临界导通模式或断续导通模式下，包括：
驱动电路，其输出端连接AC-DC电路开关管的控制端，以驱动开关管的导通与关断；
采样保持电路，接收AC-DC电路开关管的电流采样信号，在每个开关周期的开关管导通区段中根据补偿信号对电流采样信号采样保持，生成采样保持信号并输出；
电荷控制电路，连接所述采样保持电路和驱动电路，接收所述采样保持信号和电流采样信号，根据采样保持信号正调电荷，根据导通区段的电流采样信 号反调电荷，所得电荷值信号与预设值的比较结果用以控制驱动电路关断开关管。
根据本发明的一个实施例，所述电荷控制电路通过充放电电路实现所述电荷的正调、反调。
根据本发明的一个实施例，所述电荷控制电路包括：
充电电路，其输入端连接所述采样保持电路的输出端，接收所述采样保持信号，并转为充电电流，其输出端输出充电电流对共用电容充电；
放电电路，其输入端接收所述导通区段的电流采样信号，并转为放电电流，其输出端输出所述放电电流对所述共用电容放电；
所述共用电容，其第一端连接所述充电电路的输出端和放电电路的输出端，其第二端接地；
比较器，其一比较端连接所述共用电容的第一端，接收共用电容第一端的电压值，并与预设比较值比较，在电压值低于预设比较值时输出关断控制信号，其输出端连接所述驱动电路的控制端；
以及放电输入控制电路，包括一开关，其第一端接收所述电流采样信号，其第二端连接所述放电电路的输入端，其控制端接收开关管导通信号，以控制开关在开关管导通区段时导通，否则断开。
根据本发明的一个实施例，所述补偿信号用以控制对电流采样信号进行采样的时刻，采样时刻距导通开始时刻的时长与补偿信号成正比；补偿信号越大，则开关管导通越长时间后，所述采样保持电路对电流采样信号进行采样；补偿信号越小，则开关管导通越短时间后，所述采样保持电路对电流采样信号进行采样。
本发明还提供一种AC-DC电路的驱动控制方法，AC-DC电路工作在临界导通模式或断续导通模式下，包括以下步骤：
S1：获得AC-DC电路开关管的电流采样信号；
S2：在每个开关周期的导通区段中根据补偿信号对电流采样信号采样保 持，生成采样保持信号；
S3：根据采样保持信号正调电荷，根据导通区段的电流采样信号反调电荷，所得电荷值信号与预设值比较，根据比较结果控制驱动电路驱动AC-DC电路开关管关断。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S3中，采样保持信号输入到充电电路中，转为充电电流，使共用电容充电以正调电荷；导通区段的电流采样信号输入到放电电路中，转为放电电流，使该共用电容放电以反调电荷；将共用电容上的电荷值信号与预设值比较获得所述比较结果。
根据本发明的一个实施例，通过开关管导通信号来控制电流采样信号，仅在开关周期的导通区段输入到放电电路中。
根据本发明的一个实施例，在步骤S2中，还获得补偿信号，所述补偿信号用以控制对电流采样信号进行采样的时刻，采样时刻距导通开始时刻的时长与补偿信号成正比；补偿信号越大，则开关管导通越长时间后，所述采样保持电路对电流采样信号进行采样；补偿信号越小，则开关管导通越短时间后，所述采样保持电路对电流采样信号进行采样。
本发明还提供一种AC-DC电路系统，包括AC-DC电路和如前述实施例中任意一项所述的AC-DC电路的驱动控制电路。
根据本发明的一个实施例，所述AC-DC电路为反激式电路或升降压式电路。
采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：
在AC-DC电路开关管每次导通后经过一段时间，根据补偿信号对获得的开关管的电流采样信号进行采样保持，即可以得到含有输入电压信息的采样保持信号；根据采样保持信号正调电荷，根据导通区段的电流采样信号反调电荷，使得每个开关周期都控制其电荷和AC-DC电路的输入电压信号成比例，根据比较结果产生驱动信号给驱动电路，驱动电路控制开关管，从而控制输入电流波形和输入电压波形具有相同相位的正弦信号，大大提高输入电流波形的正弦 度，减小其THD，提高PF值，且无需采样输入电压。
附图说明
图1是现有技术一实施例的AC-DC电路及其驱动控制电路的电路结构示意图；
图2是图1电路的输入电流和驱动信号的波形示意图；
图3是现有技术另一实施例的驱动控制电路的电路结构框图；
图4是本发明一实施例的AC-DC电路及其驱动控制电路的电路结构示意图；
图5是本发明一实施例的驱动控制电路各信号与输入电压的波形关系示意图；
图6是本发明一实施例的电荷控制电路的结构框图；
图7是本发明一实施例的电荷控制比较的波形示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
参看图4，本发明实施例的AC-DC电路的驱动控制电路，包括：驱动电路33、采样保持电路31和电荷控制电路32。AC-DC电路可以是如图1的反激电路(FLYBACK)，也可以是升降压式电路(BUCKBOOST)等，具体不 作为限制。
驱动电路33的输出端连接AC-DC电路开关管M2的控制端，以驱动开关管M2的导通与关断，图4中的反激电路即为图1中的反激电路，因而在此不再赘述。本发明实施例所述的AC-DC电路开关管M2是指AC-DC电路中主导开关功能的主开关管。开关管M2可以是MOS管，但也不作为限制，可以用其他开关管替换，也可以由多个管子组合搭建形成。以开关管为NMOS管为例，从采样电阻R4与开关管M2的源极连接处采集的电压作为电流采样信号。
采样保持电路31的一个输入端子可以连接到采样电阻R4的第一端，接收AC-DC电路开关管M2的电流采样信号SNP，根据补偿信号在每个开关周期中开关管M2导通区段的一定时刻采样输入电流采样电流SNP，该一定时刻为导通之后的一定时间点，换言之实现在每个开关周期的导通区段中根据补偿信号对电流采样信号SNP采样保持，保持至下一个采样时刻，相应生成采样保持信号SK，并在输出端输出。参看图5，在每个开关周期中的导通区段，也就是每个开关周期中开关管M2导通的时间段，在导通之后的经过一定时间t1后，对电流采样信号SNP采样，由于在开关管M2导通时，电感L1电流等于开关管M2的电流，因而采样开关管M2的电流即为输入电流，且电流采样信号SNP的斜率和输入电压的瞬时值成正比，因而采样电流采样信号SNP得到的采样保持信号SK即包含输入电压的信息。
补偿信号COMP的生成可以通过常规驱动控制电路中的补偿信号生成电路来生成，具体电路形式在此不再赘述，补偿信号例如可以为：1)在恒流控制的电路中，补偿信号COMP是输出电流和参考电流比较，得到补偿信号COMP。当输出电流比参考电流小，则补偿信号增大，使得开关管的导通时间变长，使输出电流增大；输出电流比参考电流大，则补偿信号减小，使得开关管的导通时间变短，使输出电流减小。2)在恒压控制的电路中，是输出电压和参考电压比较，得到补偿信号COMP。输出电压比参考电压小，则补偿信 号使得开关管的导通时间变长，使输出电压增大；输出电压比参考电压大，则补偿信号使得开关管的导通时间变短，使输出电压减小。
电荷控制电路32的一输入端连接采样保持电路31的输出端，输出端连接驱动电路33的控制端，控制驱动电路33驱动，另一输入端可以连接采样电阻R4的采样端。电荷控制电路32接收采样保持信号SK和电流采样信号SNP，使根据采样保持信号SK正调电荷，根据导通区段的电流采样信号SNP反调电荷，所得电荷值信号与预设值的比较结果用以控制驱动电路33关断开关管M2。正调电荷是指接收到采样保持信号SK后成比例增加电荷或者减少电荷，反调电荷是指与正调电荷对应相反地调节电荷。
可选的，电荷控制电路32通过充放电电路实现电荷的正调、反调。
在一个具体的实施例中，参看图6，电荷控制电路32可以包括：充电电路321、放电电路322、共用电容C、比较器323。当然还可以包括其他的电路部件。
充电电路321的输入端连接采样保持电路31的输出端，接收采样保持信号SK，并转为充电电流i1，充电电路321的输出端输出充电电流i1对共用电容C充电；放电电路322的输入端接收导通区段的电流采样信号SNP，并转为放电电流i2，放电电路322的输出端输出放电电流i2对共用电容C放电；共用电容C的第一端连接充电电路321的输出端和放电电路322的输出端，共用电容C的第二端接地；比较器323的一比较端连接共用电容C的第一端，另一比较端可以接收预设比较值Vset，接收共用电容C第一端的电压值(与电荷成比例)，并与预设比较值Vset比较，在电压值低于预设比较值Vset时输出关断控制信号，比较器323的输出端连接驱动电路33的控制端。驱动电路33接收到关断控制信号而驱动关断开关管M2，接收到导通控制信号而驱动导通开关管M2。充电电路321和放电电路322是较为常规的电路，在此便不再扩展赘述。
在开关管M2关断时，由于有充电电流i1(采样保持信号SK转换而得)， 共用电容C电压上升，当开关管M2导通时，放电电流i2对电容C放电，共用电容C第一端的电压上升速度变慢，随着电流采样信号SNP电压变大，放电电流i2变大，共用电容C的第一端的电压开始下降，当共用电容C第一端的电压下降到设定电压Vset，则比较器323翻转，输出开关管M2关断控制信号，控制驱动电路33输出关断的驱动信号GATE。共用电容C电压波形和驱动信号GATE波形如图7所示。
继续参看图6，在一个实施例中，电荷控制电路32还可以包括放电输入控制电路，包括一开关324。开关324的第一端接收电流采样信号SNP，开关324的第二端连接放电电路322的输入端，开关324的控制端接收开关管导通信号，以控制开关324在开关管M2导通区段时导通，否则断开。也就是在开关管M2导通的时候，电流采样信号SNP才会输入到放电电路322中去，进行放电。在一个实施例中，由于AC/DC电路工作在临界导通模式或断续导通模式，开关管开始导通时刻可以通过检测续流二极管D5流过的电流是否为零来获得，具体可以通过添加辅助绕组并检测辅助绕组的输出电压来获得，但不作为限制，还有其他较为常规的控制开关管导通时刻的方式均适用。
在一个开关周期内，共用电容C的充电电荷为m*Ipk*t1*T/Ton，放电电荷为n*Ipk*Ton/2；在稳态情况下，充电电荷与放电电荷达到平衡相等，因而t1＝n*Ton2/(2*m*T)，t1为导通区段中的采样时刻距导通开始时刻的时长(受补偿信号COMP控制，补偿信号COMP在一个电网周期里面基本不变，可以认为t1基本不变)，从而Ton2/T为常数，可以得到每个开关周期都控制输入电流和采样保持信号SK成比例，从而大大提高输入电流波形的正弦度，减小THD。其中，m、n分别是充电电路321与放电电路322的电路比例系数，为常数，Ipk为开关管的峰值电流，T为开关周期，Ton为每个开关周期的导通时长。
采样保持电路31还接收补偿信号COMP，在补偿信号的控制下，每个开关周期导通一段时间后对电流采样信号SNP采样，保持至下一采样时刻。补 偿信号COMP用以控制对电流采样信号SNP进行采样的时刻，采样时刻距导通开始时刻的时长t1与补偿信号COMP成正比；补偿信号COMP越大，则开关管M2导通越长时间后，采样保持电路31对电流采样信号SNP进行采样；补偿信号越小，则开关管M2导通越短时间后，采样保持电路31对电流采样信号SNP进行采样。采样时刻距导通开始时刻的时长t1的大小由补偿信号COMP控制，由于系统稳定之后补偿信号COMP在一个电网周期内几乎保持不变，从而采样时刻距导通开始时刻的时长t1基本不变，因此在一个电网周期内得到的电流采样信号SNP和输入电压是同相位并且都是正弦的。
本发明实施例的AC-DC电路工作在临界导通模式或者断续导通模式，从而保证在开关管M2导通时，电感L1电流从零开始上升，使得输入电流的斜率和输入电压的瞬时值成正比。
本发明还提供一种AC-DC电路的驱动控制方法，AC-DC电路工作在临界导通模式或断续导通模式下，包括以下步骤：
S1：获得AC-DC电路开关管的电流采样信号；
S2：在每个开关周期的导通区段中根据补偿信号对电流采样信号采样保持，生成采样保持信号；
S3：根据采样保持信号正调电荷，根据导通区段的电流采样信号反调电荷，所得电荷值信号与预设值比较，根据比较结果控制驱动电路驱动AC-DC电路开关管关断。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S3中，采样保持信号输入到充电电路中，转为充电电流，使共用电容充电以正调电荷；导通区段的电流采样信号输入到放电电路中，转为放电电流，使该共用电容放电以反调电荷；将共用电容上的电荷值信号与预设值比较获得所述比较结果。
根据本发明的一个实施例，通过开关管导通信号来控制电流采样信号，仅在开关周期的导通区段输入到放电电路中。
根据本发明的一个实施例，在步骤S2中，还获得补偿信号，所述补偿信 号用以控制对电流采样信号进行采样的时刻，采样时刻距导通开始时刻的时长与补偿信号成正比；补偿信号越大，则开关管导通越长时间后，所述采样保持电路对电流采样信号进行采样；补偿信号越小，则开关管导通越短时间后，所述采样保持电路对电流采样信号进行采样。
关于本发明AC-DC电路的驱动控制方法的具体内容可以参看前述的AC-DC电路的驱动控制电路部分的具体描述内容，在此不再赘述。
本发明还提供一种AC-DC电路系统，包括AC-DC电路和如前述实施例中任意一项所述的AC-DC电路的驱动控制电路。根据本发明的一个实施例，所述AC-DC电路为反激式电路(FLYBACK)或升压降式电路(BUCKBOOST)，具体可以参看图4-7及其相应的实施例描述内容，在此不再赘述。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种AC-DC电路的驱动控制电路，其特征在于，AC-DC电路工作在临界导通模式或断续导通模式下，包括：
驱动电路，其输出端连接AC-DC电路开关管的控制端，以驱动开关管的导通与关断；
采样保持电路，接收AC-DC电路开关管的电流采样信号，在每个开关周期的开关管导通区段中根据补偿信号对电流采样信号采样保持，生成采样保持信号并输出；
电荷控制电路，连接所述采样保持电路和驱动电路，接收所述采样保持信号和电流采样信号，根据采样保持信号正调电荷，根据导通区段的电流采样信号反调电荷，所得电荷值信号与预设值的比较结果用以控制驱动电路关断开关管。
2.如权利要求1所述的AC-DC电路的驱动控制电路，其特征在于，所述电荷控制电路通过充放电电路实现所述电荷的正调、反调。
3.如权利要求1所述的AC-DC电路的驱动控制电路，其特征在于，所述电荷控制电路包括：
充电电路，其输入端连接所述采样保持电路的输出端，接收所述采样保持信号，并转为充电电流，其输出端输出充电电流对共用电容充电；
放电电路，其输入端接收所述导通区段的电流采样信号，并转为放电电流，其输出端输出所述放电电流对所述共用电容放电；
所述共用电容，其第一端连接所述充电电路的输出端和放电电路的输出端，其第二端接地；
比较器，其一比较端连接所述共用电容的第一端，接收共用电容第一端的电压值，并与预设值比较，在电压值低于预设值时输出关断控制信号，其输出端连接所述驱动电路的控制端；
以及放电输入控制电路，包括一开关，其第一端接收所述电流采样信号，其第二端连接所述放电电路的输入端，其控制端接收开关管导通信号，以控制开关在开关管导通区段时导通，否则断开。
4.如权利要求1所述的AC-DC电路的驱动控制电路，其特征在于，所述补偿信号用以控制对电流采样信号进行采样的时刻，采样时刻距导通开始时刻的时长与补偿信号成正比；补偿信号越大，则开关管导通越长时间后，所述采样保持电路对电流采样信号进行采样；补偿信号越小，则开关管导通越短时间后，所述采样保持电路对电流采样信号进行采样。
5.一种AC-DC电路的驱动控制方法，其特征在于，AC-DC电路工作在临界导通模式或断续导通模式下，包括以下步骤：
S1：获得AC-DC电路开关管的电流采样信号；
S2：在每个开关周期的导通区段中根据补偿信号对电流采样信号采样保持，生成采样保持信号；
S3：根据采样保持信号正调电荷，根据导通区段的电流采样信号反调电荷，所得电荷值信号与预设值比较，根据比较结果控制驱动电路驱动AC-DC电路开关管关断。
6.如权利要求5所述的AC-DC电路的驱动控制方法，其特征在于，在所述步骤S3中，采样保持信号输入到充电电路中，转为充电电流，使共用电容充电以正调电荷；导通区段的电流采样信号输入到放电电路中，转为放电电流，使该共用电容放电以反调电荷；将共用电容上的电荷值信号与预设值比较获得所述比较结果。
7.如权利要求6所述的AC-DC电路的驱动控制方法，其特征在于，通过开关管导通信号来控制电流采样信号，仅在开关周期的导通区段输入到放电电路中。
8.如权利要求5所述的AC-DC电路的驱动控制方法，其特征在于，在步骤S2中，还获得补偿信号，所述补偿信号用以控制对电流采样信号进行采样的时刻，采样时刻距导通开始时刻的时长与补偿信号成正比；补偿信号越大，则开关管导通越长时间后，所述采样保持电路对电流采样信号进行采样；补偿信号越小，则开关管导通越短时间后，所述采样保持电路对电流采样信号进行采样。
9.一种AC-DC电路系统，其特征在于，包括AC-DC电路和如权利要求1-4中任意一项所述的AC-DC电路的驱动控制电路。
10.如权利要求9所述的AC-DC电路系统，其特征在于，所述AC-DC电路为反激式电路或升降压式电路。
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