CN110719020A - 控制电路及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控制电路及控制方法，通过根据功率级电路的输入电压和输出电压两者中的至少一个生成一基准电压，并且，根据基准电压以及表征电感电流峰值的电流采样信号生成PWM信号，通过PWM信号控制主功率开关管的导通状态，从而使得所述电感电流的峰值随着基准电压的变化而变化，并最终使得所述电感电流的峰值跟随输入电压的波形正弦变化。从而使得电路在获得较高的PF的同时，也可以获得更低的THD。

Description

控制电路及控制方法
技术领域
本发明涉及一种电力电子技术，更具体地说，涉及一种应用于开关电源中的控制电路及控制方法。
背景技术
在各种开关电源中，PF值(功率因数)以及THD(总谐波失真)是一个重要的节能指标，其不仅会影响到开关电源的转换效率，同时会对整个供电系统的电网产生污染，因此，对于PFC(功率因数校正电路)的要求将越来越高。
现有技术中，传统的实现高功率因数控制的方法是通过采用Constant on time(固定导通时间)的控制方式实现。Constant ton的方式的主要原理是，在整个工频周期内，ton几乎保持不变。得到的电流波形并非正弦半波，而是接近椭圆半波的形状。在某些对THD要求比较高的场合，仍然不能满足要求。
参考图1，以功率级电路为buck-boost拓扑为例来加以说明，Constantton的控制模式下的输入电流公式为：
Figure BDA0002211286770000011
其中，Iin(t)为功率变换器的输入电流、Vin(t)为其输入电压、Vout为输出电压、ton为主开关管导通的时间，在当前的控制方式下，一个工频周期内ton的值几乎为定值，Lm为主电感感量。如果要获得低THD，Iin(t)必须跟随Vin(t)线性变化；但是，由公式可知，Iin(t)并没有随Vin(t)线性变化，而是随Vin(t)/(Vin(t)+VOUT)线性变化。从而使得Iin(t)的波形为接近椭圆半波的形状，参考附图2中所示，无法获得较好的THD。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种，以解决现有的问题。
第一方面，提供一种控制电路，应用于一交流/直流电源，其特征在于，所述控制电路包括：
电流采样电路，用以获取表征电感电流峰值的电流采样信号；
基准电压生成电路，用以根据功率级电路的输入电压和输出电压两者中的至少一个生成一基准电压；
PWM信号生成电路，用以根据所述基准电压以及所述电流采样信号生成PWM信号，从而使得所述电感电流的峰值随着所述基准电压的变化而变化。
优选地，所述基准电压与所述输入电压和输出电压两者中的至少之一之间的关系由功率级电路的拓扑结构的来确定，最终使得所述电感电流的峰值跟随所述输入电压的波形正弦变化。
优选地，所述基准电压生成电路根据所述功率级电路的输入电压和输出电压生成所述基准电压，且所述基准电压与所述输入电压，以及所述输入电压与所述输出电压的和的均成正比例关系。
优选地，所述基准电压生成电路根据所述功率级电路的输入电压生成所述基准电压，且所述基准电压与所述输入电压的平方成正比例关系。
优选地，所述基准电压与所述输入电压和输出电压两者中的至少之一之间的关系基于flyback以及buck-boost拓扑结构。
优选地，所述基准电压与所述输入电压和输出电压两者中的至少之一之间的关系基于buck拓扑结构。
优选地，所述基准电压生成电路包括：
输入电压采样电路，用以获取所述输入电压的瞬时值，以生成输入电压采样信号；
输出电压采样电路，用以获取所述输出电压的平均值，以生成输出电压采样信号；
加法器，用以将所述输入电压采样信号与所述输出电压采样信号进行叠加，以生成一叠加信号；
乘法电路，用以将所述输入电压采样信号、所述叠加信号以及一补偿信号进行相乘，以生成所述基准电压。
优选地，所述基准电压生成电路包括：
输入电压采样电路，用以获取所述输入电压的瞬时值，以生成输入电压采样信号；
加法器，用以将所述输入电压采样信号与表征所述输出电压大小的电压参考信号进行叠加，以生成一叠加信号；
乘法电路，用以将所述输入电压采样信号、所述叠加信号以及一补偿信号进行相乘，以生成所述基准电压。
优选地，所述基准电压生成电路包括：
输入电压采样电路，用以获取所述输入电压的瞬时值，以生成输入电压采样信号；
输入输出电压采样电路，用以获取所述输入电压以及所述输出电压的和，以生成一叠加信号；
乘法电路，用以将所述输入电压采样信号、所述叠加信号以及一补偿信号进行相乘，以生成所述基准电压。
优选地，所述输入输出电压采样电路，在所述功率级电路的主功率开关管关断期间，通过采样所述主功率开关管两端的电压，以获得所述叠加信号。
优选地，所述基准电压生成电路包括：
输入电压采样电路，用以获取所述输入电压的瞬时值，以生成输入电压采样信号；
乘法电路，用以将所述输入电压采样信号的平方以及一补偿信号进行相乘，以生成所述基准电压。
第二方面，提供一种控制方法，应用于一交流/直流电源，其特征在于，所述控制方法包括：
获取表征电感电流峰值的电流采样信号；
根据功率级电路的输入电压和输出电压两者中的至少一个生成一基准电压；
根据所述基准电压以及所述电流采样信号生成PWM信号，从而使得所述电感电流的峰值随着所述基准电压的变化而变化。
优选地，所述基准电压与所述输入电压和输出电压两者中的至少之一之间的关系由功率级电路的拓扑结构的来确定，最终使得所述电感电流的峰值跟随所述输入电压的波形正弦变化。
优选地，根据所述功率级电路的输入电压和输出电压生成所述基准电压，且所述基准电压与所述输入电压，以及所述输入电压与所述输出电压的和的均成正比例关系。
优选地，根据所述功率级电路的输入电压生成所述基准电压，且所述基准电压与所述输入电压的平方成正比例关系。
本发明技术通过根据功率级电路的输入电压和输出电压两者中的至少一个生成一基准电压，并且，根据基准电压以及表征电感电流峰值的电流采样信号生成PWM信号，通过PWM信号控制主功率开关管的导通状态，从而使得所述电感电流的峰值随着基准电压的变化而变化，并最终使得所述电感电流的峰值跟随输入电压的波形正弦变化。从而使得电路在获得较高的PF的同时，也可以获得更低的THD。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术的功率因数校正电路的结构框图；
图2为现有技术的功率因数校正电路的工作波形图；
图3为本发明的控制电路的结构框图；
图4为本发明的一个基准电压生成电路的结构图；
图5为本发明的另一个基准电压生成电路的结构图；
图6为本发明的又一个基准电压生成电路的结构图；
图7为本发明的功率级电路的开关波形图；
图8为本发明的又一个基准电压生成电路的结构图；
图9为本发明的PWM信号生成电路的结构图。
图10为本发明的功率因数校正电路的工作波形图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图3为采用本发明的控制电路的功率因数校正电路的结构框图。如图3所示，功率因数校正电路包括整流电路1、功率级电路2和控制电路3。
整流电路1接收交流输入电压Vac，对其进行整流后输出直流电压。整流电路1可以为全桥型整流桥，也可以为半桥型整流桥。整流电路1的输出电压即为功率级电路2的输入电压Vin。
功率级电路2包括电感(或变压器)L、主功率开关管M、二极管D等元器件，直接接收整流电路输出的直流电压或者经过滤波电路后接收整流电路输出的直流电压，通过主功率开关管M导通状态的控制，使得功率级电路的输入电流和输入电压波形一致，且输出的电压或者电流基本恒定。
控制电路3用以根据功率级电路的输入电压vin和输出电压vout两者中的至少一个生成一基准电压VI，并且，根据基准电压VI以及表征电感电流峰值的电流采样信号Isen生成PWM信号，通过PWM信号控制主功率开关管M的导通状态，从而使得所述电感电流的峰值随着基准电压VI的变化而变化，并最终使得所述电感电流的峰值跟随输入电压vin的波形正弦变化。
需要说明的是，基准电压VI与输入电压Vin和输出电压Vout两者中的至少之一之间的关系由功率级电路2的拓扑结构的来确定，最终使得所述电感电流的峰值跟随输入电压Vin的波形正弦变化。
在一个优选实施例中，具体地，控制电路13包括电流采样电路30、基准电压产生电路31、补偿电路32以及PWM信号产生电路33。控制电路3根据功率级电路中电压或电流的反馈，产生PWM信号以控制功率级电路2中主功率开关管M的导通状态。
其中，电流采样电路30，用以采样流过功率级电路2中电感L的电流，以生成电流采样信号Isen。优选地，可以通过采样流过功率级电路2的主功率开关管M的电流，来获取表征电感电流峰值的电流采样信号Isen。具体地，电流采样电路30可以是采样电阻Rsen，连接在主功率开关管M的一端和接地端之间。可以理解的是，电流采样电路30也可以选择其他惯用的技术方案去实现，也可以连接在电路的其他合适的节点，只要能获得电感电流即可。
基准电压生成电路31，用以根据功率级电路2的输入电压Vin和输出电压Vout两者中的至少一个生成一基准电压VI。基准电压VI用以作为电感电流峰值的基准，从而使得电感电流的峰值随着基准电压VI的变化而变化。并且，基准电压生成电路31还根据一补偿信号Vcomp生成一基准电压VI。
具体地，当基准电压VI与输入电压Vin和输出电压Vout两者中的至少之一之间的关系基于flyback以及buck-boost拓扑结构时，基准电压生成电路31根据功率级电路2的输入电压Vin和输出电压Vout生成基准电压VI，且基准电压VI与输入电压Vin，以及输入电压vin与输出电压Vout的和均成正比例关系。
图4为本发明的一个基准电压生成电路的结构图。如图4所示，基准电压生成电路31包括：输入电压采样电路311，用以获取输入电压Vin的瞬时值Vin(t)，以生成输入电压采样信号Vins。这里，可以选取采样系数为k，使得Vins＝k*Vin(t)，k为常数。输出电压采样电路312，用以获取输出电压Vout的平均值，以生成输出电压采样信号Vouts。加法器313，用以将输入电压采样信号Vins与所述输出电压采样信号Vouts进行叠加，以生成一叠加信号Vadd。这里，可以优选地使得电压采样信号Vouts＝k*Vout，在电压采样系数与电流采样系数k一致的情况下，可以不经过比例处理，加法器313直接便可获得叠加信号Vadd＝k*(Vin(t)+Vout)。基准电压生成电路31还包括乘法电路314，用以将输入电压采样信号Vins、叠加信号Vadd以及一补偿信号Vcomp进行相乘，以生成基准电压VI。即基准电压VI＝k2*Vin(t)*(Vin(t)+Vout)*Vcomp。
优选地，乘法电路314可以选用由两个乘法器构成，其中，一个乘法器先将采样信号Vins、叠加信号Vadd以及一补偿信号Vcomp这三个参量中的两者进行相乘，另一个乘法器再将前者的相乘结果与第三参量进行相乘得到基准电压VI。
在flyback以及buck-boost拓扑结构中，当控制使得电感电流的峰值随着基准电压VI的变化而变化时，输入电流Iin的公式可以表示为：
Figure BDA0002211286770000081
其中，Ipk为电感电流峰值。由于采样系数k为常数，输出电压Vout波动比较小；所以输入电流Iin基本与输入电压Vin成线性关系。更近一步地，也能看出输入电流Iin的瞬时值Iin(t)基本与输入电压Vin的瞬时值Vin(t)成线性关系，也即表征输入电流Iin的波形与输入电压Vin的波形能够保持基本一直，从而使得电路在获得较高的PF的同时，也可以获得更低的THD。
这里，需要说明的是，上述的补偿信号Vcomp，可以由补偿电路32生成。具体地，补偿电路32，用以根据电路的输出要求，生成电压补偿信号或者电流补偿信号。在本实施例中，补偿信号为电流补偿信号Vcomp1。电流补偿信号Vcomp1表征电流采样信号Isen和电流参考电压Vref1的差值。在一个优选实施方式中，补偿电路32可以包括跨导放大器和连接在所述跨导放大器与接地端之间的电容。跨导放大器具有接收电流采样信号Isen的第一端和接收电流参考电压Vref1的第二端。跨导放大器基于电流采样信号Isen和电流参考电压Vref1的差值向电容充电或抽取电流，从而使得电容两端电压Vcomp1可以用于表征电流采样信号Isen和电流参考电压Vref1的差值。当然，本领域技术人员容易理解，补偿电路32也可以利用其它的电路或元件实现，例如差分放大电路。当需要恒压输出时，补偿电路32接收输出电压的反馈信号Vfb和表征期望电压的参考电压Vref2，输出电压补偿信号Vcomp2，电压补偿信号Vcomp2表征输出电压的反馈信号Vfb和电压参考电压Vref2的差值。
图5为本发明的另一个基准电压生成电路的结构图。如图5所示，基准电压生成电路31包括：输入电压采样电路311，用以获取输入电压Vin的瞬时值Vin(t)，以生成输入电压采样信号Vins。这里，可以选取采样系数为k，使得Vins＝k*Vin(t)，k为常数。加法器313，用以将输入电压采样信号Vins与表征输出电压Vout大小的电压参考信号Vref2进行叠加，以生成一叠加信号Vadd。这里，也可以优选地使得电压参考信号Vref2＝k*Vout，在系数k一致的情况下，可以不经过比例处理，加法器313直接便可获得叠加信号Vadd＝k*(Vin(t)+Vout)。基准电压生成电路31还包括乘法电路314，用以将输入电压采样信号Vins、叠加信号Vadd以及一补偿信号Vcomp进行相乘，以生成基准电压VI。即基准电压VI＝k2*Vin(t)*(Vin(t)+Vout)*Vcomp。
图6为本发明的又一个基准电压生成电路的结构图。如图6所示，基准电压生成电路31包括：输入电压采样电路311，用以获取输入电压Vin的瞬时值Vin(t)，以生成输入电压采样信号Vins。这里，可以选取采样系数为k，使得Vins＝k*Vin(t)，k为常数。输入输出电压采样电路315，用以获取输入电压Vin以及输出电压Vout的和，以生成一叠加信号Vadd，即Vadd＝k*(Vin(t)+Vout)。基准电压生成电路31还包括乘法电路314，用以将输入电压采样信号Vins、叠加信号Vadd以及一补偿信号Vcomp进行相乘，以生成基准电压VI。即基准电压VI＝k2*Vin(t)*(Vin(t)+Vout)*Vcomp。
参考图7，为本发明的功率级电路2为flyback或buck-boost拓扑结构时的开关波形图。从图中可以看出，当主功率开关管M关断时，其两端的电压Vds为Vin(t)+Vout，当主功率开关管M导通时，其两端的电压Vds为0。因此，输入输出电压采样电路315，可以在功率级电路2的主功率开关管M关断期间，通过采样主功率开关管M两端的电压Vds，以获得叠加信号Vadd。
具体地，当基准电压VI与输入电压Vin和输出电压Vout两者中的至少之一之间的关系基于buck拓扑结构时。基准电压生成电路31根据功率级电路2的输入电压Vin生成基准电压VI，且基准电压VI与输入电压Vin平方成正比例关系。
图8为本发明的又一个基准电压生成电路的结构图。如图8所示，基准电压生成电路31包括：输入电压采样电路311，用以获取输入电压Vin的瞬时值Vin(t)，以生成输入电压采样信号Vins。这里，可以选取采样系数为k，使得Vins＝k*Vin(t)，k为常数。乘法电路314，用以将输入电压采样信号Vins的平方以及一补偿信号Vcomp进行相乘，以生成基准电压VI。即基准电压VI＝(k*Vin(t))2*Vcomp。
优选地，乘法电路314可以选用由两个乘法器构成，其中，一个乘法器先将采样信号Vins、采样信号Vins以及一补偿信号Vcomp这三个参量中的两者进行相乘，另一个乘法器再将前者的相乘结果与第三参量进行相乘得到基准电压VI。
在buck拓扑结构中，当控制使得电感电流的峰值随着基准电压VI的变化而变化时，输入电流Iin的公式可以表示为：
Figure BDA0002211286770000101
其中，Ipk为电感电流峰值。由于采样系数k为常数，输出电压Vout波动比较小；所以输入电流Iin基本与输入电压Vin成线性关系。更近一步地，也能看出输入电流Iin的瞬时值Iin(t)基本与输入电压Vin的瞬时值Vin(t)成线性关系，也即表征输入电流Iin的波形与输入电压Vin的波形能够保持基本一直，从而使得电路在获得较高的PF的同时，也可以获得更低的THD。
图9为本发明的PWM信号生成电路的结构图。图10为本发明的功率因数校正电路的工作波形图。PWM信号生成电路33，用以根据基准电压VI以及电流采样信号Isen生成PWM信号，从而使得所述电感电流的峰值随着基准电压VI的变化而变化。参考图9，PWM信号生成电路33包括比较器331以及逻辑电路332。比较器331的同相输入端接收基准电压VI，反相输入端接收电流采样信号Isen，输出的比较信号Vc。逻辑电路将比较信号Vc作为复位信号，并且，可选地，将主功率开关管M关断时的电感电流过零信号作为置位信号，以生成PWM信号。参考图10，通过PWM信号控制主功率开关管M的导通状态，从而使得电感电流的峰值随着基准电压VI的变化而变化，并最终使得所述电感电流的峰值跟随输入电压Vin的波形正弦变化。
至此可知，本发明的技术方案，根据功率级电路的输入电压和输出电压两者中的至少一个生成一基准电压，并且，根据基准电压以及表征电感电流峰值的电流采样信号生成PWM信号，通过PWM信号控制主功率开关管的导通状态，从而使得所述电感电流的峰值随着基准电压的变化而变化，并最终使得所述电感电流的峰值跟随输入电压的波形正弦变化。从而使得电路在获得较高的PF的同时，也可以获得更低的THD。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种控制电路，应用于一交流/直流电源，其特征在于，所述控制电路包括：
电流采样电路，用以获取表征电感电流峰值的电流采样信号；
基准电压生成电路，用以根据功率级电路的输入电压和输出电压两者中的至少一个生成一基准电压；
PWM信号生成电路，用以根据所述基准电压以及所述电流采样信号生成PWM信号，从而使得所述电感电流的峰值随着所述基准电压的变化而变化。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述基准电压与所述输入电压和输出电压两者中的至少之一之间的关系由功率级电路的拓扑结构的来确定，最终使得所述电感电流的峰值跟随所述输入电压的波形正弦变化。
3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述基准电压生成电路根据所述功率级电路的输入电压和输出电压生成所述基准电压，且所述基准电压与所述输入电压，以及所述输入电压与所述输出电压的和的均成正比例关系。
4.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述基准电压生成电路根据所述功率级电路的输入电压生成所述基准电压，且所述基准电压与所述输入电压的平方成正比例关系。
5.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述基准电压与所述输入电压和输出电压两者中的至少之一之间的关系基于flyback以及buck-boost拓扑结构。
6.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述基准电压与所述输入电压和输出电压两者中的至少之一之间的关系基于buck拓扑结构。
7.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述基准电压生成电路包括：
输入电压采样电路，用以获取所述输入电压的瞬时值，以生成输入电压采样信号；
输出电压采样电路，用以获取所述输出电压的平均值，以生成输出电压采样信号；
加法器，用以将所述输入电压采样信号与所述输出电压采样信号进行叠加，以生成一叠加信号；
乘法电路，用以将所述输入电压采样信号、所述叠加信号以及一补偿信号进行相乘，以生成所述基准电压。
8.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述基准电压生成电路包括：
输入电压采样电路，用以获取所述输入电压的瞬时值，以生成输入电压采样信号；
加法器，用以将所述输入电压采样信号与表征所述输出电压大小的电压参考信号进行叠加，以生成一叠加信号；
乘法电路，用以将所述输入电压采样信号、所述叠加信号以及一补偿信号进行相乘，以生成所述基准电压。
9.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述基准电压生成电路包括：
输入电压采样电路，用以获取所述输入电压的瞬时值，以生成输入电压采样信号；
输入输出电压采样电路，用以获取所述输入电压以及所述输出电压的和，以生成一叠加信号；
乘法电路，用以将所述输入电压采样信号、所述叠加信号以及一补偿信号进行相乘，以生成所述基准电压。
10.根据权利要求9所述的控制电路，其特征在于，所述输入输出电压采样电路，在所述功率级电路的主功率开关管关断期间，通过采样所述主功率开关管两端的电压，以获得所述叠加信号。
11.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述基准电压生成电路包括：
输入电压采样电路，用以获取所述输入电压的瞬时值，以生成输入电压采样信号；
乘法电路，用以将所述输入电压采样信号的平方以及一补偿信号进行相乘，以生成所述基准电压。
12.一种控制方法，应用于一交流/直流电源，其特征在于，所述控制方法包括：
获取表征电感电流峰值的电流采样信号；
根据功率级电路的输入电压和输出电压两者中的至少一个生成一基准电压；
根据所述基准电压以及所述电流采样信号生成PWM信号，从而使得所述电感电流的峰值随着所述基准电压的变化而变化。
13.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述基准电压与所述输入电压和输出电压两者中的至少之一之间的关系由功率级电路的拓扑结构的来确定，最终使得所述电感电流的峰值跟随所述输入电压的波形正弦变化。
14.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，根据所述功率级电路的输入电压和输出电压生成所述基准电压，且所述基准电压与所述输入电压，以及所述输入电压与所述输出电压的和的均成正比例关系。
15.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，根据所述功率级电路的输入电压生成所述基准电压，且所述基准电压与所述输入电压的平方成正比例关系。
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