CN111464026B - 控制电路以及应用其的开关变换器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种控制电路以及应用其的开关变换器。本发明实施例的技术方案通过电流补偿信号对电流控制环路的电流控制参量进行修改，同时根据修改后的电流控制参量调节主功率管的导通时间，有效地消除误差电流对输入电流的影响，从而获得较高的PF和较低的THD。

Description

控制电路以及应用其的开关变换器
技术领域
本发明涉及电力电子技术，具体涉及开关变换器以及其控制电路。
背景技术
在各种开关变换器中，功率因数(Power Factor，PF)以及总谐波失真(TotalHarmonic Distortion，THD)是重要的电气指标。通常采用功率因数校正器(Power FactorCorrection，PFC)消除或减小输入电压和输入电流之间的相位差，提高PF，改善THD，典型地功率因数校正器是升压型PFC校正器。然而，当现有开关变换器中在不同导通模式工作时，开关变换器内部会产生误差电流，影响电感电流的大小，因此功率因数校正器无法提供较好的PF和THD,从而限制了开关变换器的应用。例如，当开关变换器工作由连续导通模式(Continuous Conduction Mode)切换至在断续导通模式(Discontinuous ConductionMode，DCM)或临界导通模式(Boundary Conduction Mode，BCM))时，由于在电感电流过零时开关变换器的寄生电容和电感发生谐振，从而产生谐振负电流，并且在主功率管的开通时二极管由导通切换为截止会产生二极管反向恢复电流。谐振负电流和二极管反向恢复电流均会减小电感电流，进而输入电流无法很好地跟随输入电压，并且不再是正弦曲线，从而导致较低的PF和较高的THD。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种开关变换器及其控制电路，当开关变换器工作在不同导通模式时通过电流补偿信号补偿电流控制环路的电流参考信号，以有效消除误差电流对输入电流的影响，从而获得较高的PF和较低的THD。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种开关变换器的控制电路，所述控制电路包括：
电流补偿信号产生电路，被配置为根据表征所述开关变换器的电感电流的电流采样信号产生电流补偿信号；
控制信号产生电路，被配置为根据所述电流补偿信号来补偿电流控制环路的电流控制参量，以提高功率因数和减小总谐波失真。
优选地，所述电流补偿信号产生电路根据所述电流采样信号和电流参考信号之间的误差产生所述电流补偿信号，并根据所述电流补偿信号调节所述开关变换器的主功率管的导通时间，其中所述电流参考信号根据所述开关变换器的输入电压产生。
优选地，所述开关变换器的主功率管的导通时间与所述电流补偿信号具有相同的变化趋势。
优选地，所述控制信号产生电路被配置为根据所述电流补偿信号修改电流参考信号以产生峰值电流基准信号，并根据所述峰值电流基准信号和所述电流采样信号调节所述开关变换器的主功率管的导通时间，其中所述电流参考信号为所述电流控制参量，所述电流参考信号根据所述开关变换器的输入电压产生。
优选地，所述控制信号产生电路被配置为向所述电流参考信号叠加与所述电流补偿信号成比例的修正量。
优选地，所述控制信号产生电路被配置为根据所述电流补偿信号修改反馈误差信号以产生导通时间基准信号，并根据所述导通时间基准信号设定所述开关变换器的主功率管的导通时间，其中所述反馈误差信号为所述电流控制参量，所述反馈误差信号表征所述开关变换器的输出电压的输出反馈信号和电压参考信号之间的误差。
优选地，所述控制信号产生电路被配置为向所述反馈误差信号叠加与所述电流补偿信号成比例的修正量。
优选地，所述控制信号产生电路根据所述电流补偿信号和表征所述开关变换器的主功率管的两端的谐振谷底的检测信号控制所述主功率管的开关，在所述主功率管的导通期间，所述电感电流在电感中流动以将能量存储在所述电感中，在所述主功率管的关断期间，能量从所述电感被传递到所述开关变换器的负载。
优选地，所述电流补偿信号产生电路包括跨导放大器，其第一输入端接收所述电流采样信号，第二输入端接收电流参考信号以在输出端产生所述电流补偿信号，其中所述电流参考信号根据所述开关变换器的输入电压产生。
优选地，所述控制信号产生电路包括：
加法器，被配置为将所述电流补偿信号和所述电流参考信号相加产生峰值电流基准信号；
峰值控制电路，被配置为根据所述峰值电流基准信号和所述电流参考信号控制所述开关变换器的主功率管。
优选地，所述控制信号产生电路包括：
加法器，被配置为将所述电流补偿信号和反馈误差信号相加产生导通时间基准信号；
导通时间控制电路，被配置为根据所述导通时间基准信号和一斜坡信号控制所述开关变换器的主功率管，其中所述反馈误差信号表征所述开关变换器的输出电压的输出反馈信号和电压参考信号之间的误差。
优选地，所述电流参考信号为反馈误差信号与表征所述开关变换器的输入电压的输入采样信号的乘积，其中所述反馈误差信号表征所述开关变换器的输出电压的输出反馈信号和电压参考信号之间的误差
根据本发明实施例的第二方面，提供一种开关变换器，所述开关变换器包括：
功率级电路，包括与电感耦合的主功率管，所述电感被配置为接收输入电压和输入电流，
负载，耦合至所述电感以接收输出电压；以及
如第一方面所述的任一项控制电路。
优选地，所述开关变换器工作在断续导通模式或临界导通模式。
优选地，所述开关变换器包括升压变换器。
优选地，所述控制电路是集成电路，所述集成电路包括接收所述输入电压的第一输入引脚，接收表征电感电流的电流采样信号的第二输入引脚，以及耦接至所述主功率管的输出引脚。
本发明实施例的技术方案通过电流补偿信号对电流控制环路的电流控制参量进行修改，同时根据修改后的电流控制参量调节主功率管的导通时间，有效地消除误差电流对输入电流的影响，从而获得较高的PF和较低的THD。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1A是本发明实施例的开关变换器的电路图；
图1B是本发明实施例的开关变换器的工作波形图；
图2A是本发明第一种实施例的电流补偿信号产生电路的电路图。；
图2B是本发明第二种实施例的电流补偿信号产生电路的电路图；
图3是本发明第一实施例的控制信号产生电路的电路图；
图4是本发明第二实施例的控制信号产生电路的电路图；
图5是本发明实施例的开关变换器的另一工作波形图。
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1A是本发明实施例的开关变换器的电路图。如图1A所示，本实施例开关变换器为升压型变换器，包括整流桥，功率级电路和控制电路100。开关变换器的输入端接收由整流桥根据交流电压Vac生成具有整流后的正弦波形式的输入电压Vin，并在输出端产生可调的输出电压Vout。功率级电路包括连接在输入端的电感L，与电感L耦接的主功率管Q，与电感L耦接的二极管D，以及连接在输出端的输出电容，以在输出电容的两端产生输出电压Vout。
控制电路100可以是集成电路，具有自己的封装以及相关的输入和输出引脚，可以安装在具有开关变换器的电路部件的印刷电路板上，或安装在相应的集成电路的单个印刷电路板上。控制电路100包括接收输入电压Vin的第一输入引脚，接收表征电感电流的电流采样信号Vcs的第二输入引脚，以及产生驱动信号VG的输出引脚，驱动信号VG用于按照适当的时序控制主功率管Q进行导通和关断，以实现对输出电压Vout的调整。
在图示的实施例中，控制电路100可以采用不同的控制模式控制主功率管Q进行导通和关断的切换。例如，当控制电路100采用峰值电流控制模式时，控制电路100根据表征输入电压Vin的输入电压采样信号产生电流控制环路的电流参考信号，并根据表征电感电流IL的电流采样信号VCS和所述电流参考信号产生驱动信号VG以调整主功率管Q的导通时间，从而实现对输出电压Vout的调整。当控制电路采用恒定导通时间控制模式时，控制电路100根据表征输出电压Vout的输出反馈信号和电压参考信号之间的误差产生电流控制环路的反馈误差信号，并根据所述反馈误差信号和一斜坡信号产生驱动信号VG，以控制主功率管Q进行导通时间恒定的导通和关断切换。
图1B是本发明实施例开关变换器的工作波形图。如图1B所示，开关变换器采用准谐振控制以实现平均电流控制，并且通过驱动信号VG控制功率管Q进行导通和关断。当开关变换器工作在在断续导通模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)，在t0时刻电感电流IL开始接近零并逐渐小于零，主功率管Q的端电压VDS开始产生谐振。在t1时刻控制电路100控制主功率管Q在其端电压的谐振谷底产生有效的驱动信号VG以控制主功率管Q导通。在t2时刻驱动信号VG切换为无效信号以控制主功率管Q关断。在现有技术中，在电感电流IL过零时，开关变换器中内部电器元件相互作用产生误差电流。例如在t0-t1时刻电感电流IL过零时主功率管的寄生电容和电感发生谐振，会产生谐振负电流，并且在主功率管Q开通时二极管D由导通切换为截止会产生二极管反向恢复电流，从而包括谐振负电流和二极管反向恢复电流的误差电流会减小电感电流IL，同时由于开关变换器采用平均电流模式使得电流控制环路的电流控制参量减小，进而导致输入电流Iin发生失真或畸变，使得输入电流Iin无法跟随输入电压Vin，导致PF和THD较差。
根据本发明的一个实施例，控制电路100包括电流补偿信号产生电路10和控制信号产生电路11。电流补偿信号产生电路10接收表征电感电流IL的平均值的电流采样信号VCS，基于电流采样信号VCS产生电流补偿信号VCP。控制信号产生电路11根据电流补偿信号VCP对电流控制环路中的电流控制参量进行补偿以实现平均电流控制，以有效提高PF和减小THD。在本实施例中，由于开关变换器的电感电流IL实际上与输入电流Iin基本相同，通过电流控制环路控制电感电流IL实现对于电感电流IL的调整，从而可以消除由于误差电流导致输入电流Iin产生的畸变或失真。
在一种实现方式中，电流补偿信号产生电路10对电感电流IL进行采样，并获取电流采样信号VCS和电流参考信号VIN,REF之间的误差以产生电流补偿信号VCP，控制信号生成电路11根据补偿信号VCP对电流控制环路的电流控制参量进行补偿，以调节主功率管Q的导通时间，从而能够补偿开关变换器的输入电流Iin由于所述误差电流引入的失真，使得输入电流Iin更好地跟随输入电压Vin，改善PF和THD。应理解，本实施例中通过串联连接在主功率管Q和参考地之间采用电阻RCS对电感电流IL进行采样以产生表征电感电流IL的平均值的电流采样信号VCS，以实现电流平均控制，其他能够实现上述功能的电路结构均可用于本实施例中。进一步地，与电流采样信号VCS相比较的电流参考信号VIN,REF，是由电压控制环路产生的。具体地，所述控制电路100将表征输出电压Vout的输出反馈信号VFB和电压参考信号的差值进行放大处理获取反馈误差信号，并将反馈误差信号和表征输入电压Vin的输入采样信号相乘以产生电流参考信号VIN,REF，因此在该电流参考信号VIN,REF的控制下，控制信号产生电路11通过控制主功率管的通断使得输入电流Iin跟随输入电压Vin的相位变化，也使得输出电压(或输出电流)为所述电压参考信号设定的值。
图2A是本发明第一种实施例的电流补偿信号产生电路的电路图。如图2A所示，电流补偿信号产生电路10包括跨导放大器Gm，其第一输入端(例如反相输入端)接收电流采样信号VCS，第二输入端(例如同相输入端)接收电流参考信号VIN,REF,以在输出端产生电流补偿信号VCP。电流补偿信号产生电路10还包括耦接至跨导放大器Gm的输出端的补偿网络，例如电容CCP。在其他实施例中，电流补偿信号产生电路10还包括连接至跨导放大器Gm的第一输入端的比例系数单元k1，用于对电流采样信号VCS进行比例变换。
图2B是本发明第二种实施例的电流补偿信号产生电路的电路图。电流补偿信号产生电路10包括跨导放大器Gm，其第一输入端(例如反相输入端)连接至参考地，第二输入端(例如同相输入端)接收电流采样信号VCS和电流参考信号VIN,REF,以在输出端产生电流补偿信号VCP。具体地，电流采样信号VCS经由滤波网络进行滤波，并通过连接至第二输入端的电阻RIFB2与电流参考信号VIN,REF进行差值处理。滤波网络包括串联连接在电流采样信号VCS和参考地之间的电阻RIFB1和电容CIFB。电阻RIFB2的第一端连接至电阻RIFB1和电容CIFB的公共端(即跨导放大器Gm的第二输入端)，其第二端接收电流参考信号VIN,REF。电流补偿信号产生电路10还包括耦接至跨导放大器Gm的输出端的补偿网络，例如电容CCP。
在本实施中，开关变换器可以采用不同的控制模式控制主功率管Q，例如峰值电流控制模式，恒定导通时间控制模式。图3是本发明第一实施例的控制信号产生电路的电路图。如图3所示，控制信号产生电路11采用峰值电流控制模式，该实施例中电流控制环路的电流控制参量为电流参考信号VIN,REF。控制信号产生电路11被配置为根据电流补偿信号VCP修改电流参考信号VIN,REF以产生峰值电流基准信号VIPK,REF，并根据峰值电流基准信号VIPK,REF和电流采样信号VCS调节所述主功率管Q的导通时间，以实现对输出电压Vout的调整。
在本实施例中，控制信号产生电路11包括加法器301和峰值控制电路302。加法器301被配置为向电流参考信号VIN,REF叠加与电流补偿信号VCP成比例的修正量以产生峰值电流基准信号VIPK,REF。峰值控制电路302比较峰值电流基准信号VIPK,REF和电流采样信号VCS产生复位信号VR,以调节主功率管Q的导通时间，也即确定主功率管Q的导通时间的结束时刻以及断开时间的开始时刻，因此电感电流IL的峰值由峰值电流基准信号VIPK,REF确定。控制信号产生电路11还包括驱动电路303，用于根据复位信号VR和表征主功率管Q的两端的谐振谷底的检测信号VQR产生驱动信号VG。当检测信号VQR有效时，主功率管Q导通，当电流采样信号VCS达到峰值电流基准信号VIPK,REF时，峰值控制电路302产生有效的复位信号VR以控制主功率管Q关断。应理解，本实施例中驱动电路303采用变频的谐振控制以实现平均电流控制，并根据检测信号VQR控制主功率管Q的导通时刻，其他能够实现上述功能的电路结构均可用于本实施例中。例如驱动电路303可以采用定频控制，通过一时钟信号控制主功率管Q的导通时刻。
图4是本发明第二实施例的控制信号产生电路的电路图。如图4所示，控制信号产生电路11采用恒定导通时间控制模式，该实施例中电流控制环路的电流控制参量为反馈误差信号VCOMP。控制信号产生电路11被配置为根据电流补偿信号VCP修改反馈误差信号VCOMP以产生导通时间基准信号VON,REF,并根据导通时间基准信号VON,REF调节所述主功率管的导通时间，以实现对输出电压Vout的调整，其中反馈误差信号VCOMP由表征输出电压Vout的输出反馈信号VFB和电压参考信号Vref差值进行放大处理获取。
一种实现方式中，控制信号产生电路11包括跨导放大器Gm1,其第一输入端(例如反相输入端)接收输出反馈信号VFB,第二输入端(例如正相输入端)接收电压参考信号Vref，通过比较输出反馈信号VFB和电压参考信号Vref的差值在输出端产生反馈误差信号VCOMP。电容CC耦接至跨导放大器Gm1的输出端以对反馈误差信号VCOMP进行补偿。控制信号产生电路11包括加法器401和导通时间控制电路402。加法器401被配置为向反馈误差信号VCOMP叠加与电流补偿信号VCP成比例的修正量以产生导通时间基准信号VON,REF，导通时间控制电路402比较导通时间基准信号VON,REF和斜坡信号VRAMP以产生复位信号VR,以调节主功率管Q的导通时间，也即确定主功率管Q的导通时间的结束时刻以及断开时间的开始时刻。控制信号产生电路11还包括驱动电路403，用于根据复位信号VR和表征主功率管Q的两端的谐振谷底的检测信号VQR产生驱动信号VG。当检测信号VQR有效时，主功率管Q导通，当斜坡信号VRAMP由零上升至导通时间基准信号VON,REF时，导通时间控制电路402产生有效的复位信号VR以控制主功率管Q关断。应理解，本实施例中驱动电路403根据检测信号VQR控制主功率管Q的导通时刻，其他能够实现上述功能的电路结构均可用于本实施例中。例如驱动电路403可以采用定频控制，通过一时钟信号控制主功率管Q的导通时刻。
图5是本发明实施例的开关变换器的另一工作波形图。在本实施例中，开关变换器为升压变换器，并且所述控制信号产生电路采用峰值电流控制模式，输入电流Iin是电感电流的平均值，电感电流的平均值是峰值的一半。由于电感电流IL在主功率管Q的导通期间和关断期间都会流动，因此电感电流IL的波形为一系列连续的三角波。峰值电流基准信号VIPK,REF的波形是电流参考信号VIN,REF经由电流补偿信号VCP修改后产生的，VIPK,REF’的波形是根据电流参考信号VIN,REF直接产生的，并未经由本发明实施例的电流补偿信号VCP修改。从图5可以看出，经由电流补偿信号VCP修改后产生的峰值电流基准信号VIPK,REF的波形的包络是正弦的，并且电感电流IL的峰值能够很好地跟随峰值电流基准信号VIPK,REF，使得输入电流Iin的波形是正弦的，并且输入电流Iin与峰值电流基准信号VIPK,REF的包络成比例，由此显著地减小了波形的失真，极大地改善了PF和THD。
本发明实施例的技术方案通过电流补偿信号对电流控制环路的电流控制参量进行修改，同时根据修改后的电流控制参量调节主功率管的导通时间，有效地消除误差电流对输入电流的影响，从而获得较高的PF和较低的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 (16)

1.一种用于开关变换器的控制电路，其特征在于，所述控制电路包括：
电流补偿信号产生电路，被配置为根据表征所述开关变换器的电感电流的电流采样信号产生电流补偿信号；
控制信号产生电路，被配置为向电流控制环路的电流控制参量叠加与所述电流补偿信号成比例的修正量以调节所述开关变换器的主功率管的导通时间，以提高功率因数和减小总谐波失真，其中所述电流控制参量在叠加所述修正量之前作为参考信号以控制所述主功率管的导通时间。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述电流补偿信号产生电路根据所述电流采样信号和电流参考信号之间的误差产生所述电流补偿信号，并根据所述电流补偿信号调节所述开关变换器的主功率管的导通时间，其中所述电流参考信号根据所述开关变换器的输入电压产生。
3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述开关变换器的主功率管的导通时间与所述电流补偿信号具有相同的变化趋势。
4.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制信号产生电路被配置为根据所述电流补偿信号修改电流参考信号以产生峰值电流基准信号，并根据所述峰值电流基准信号和所述电流采样信号调节所述开关变换器的主功率管的导通时间，其中所述电流参考信号为所述电流控制参量，且所述电流参考信号根据所述开关变换器的输入电压产生。
5.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述控制信号产生电路被配置为向所述电流参考信号叠加与所述电流补偿信号成比例的修正量。
6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制信号产生电路被配置为根据所述电流补偿信号修改反馈误差信号以产生导通时间基准信号，并根据所述导通时间基准信号设定所述开关变换器的主功率管的导通时间，其中所述反馈误差信号为所述电流控制参量，所述反馈误差信号表征所述开关变换器的输出电压的输出反馈信号和电压参考信号之间的误差。
7.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于，所述控制信号产生电路被配置为向所述反馈误差信号叠加与所述电流补偿信号成比例的修正量。
8.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制信号产生电路根据所述电流补偿信号和表征所述开关变换器的主功率管的两端的谐振谷底的检测信号产生驱动信号以控制所述主功率管的开关，在所述主功率管的导通期间，所述电感电流在电感中流动以将能量存储在所述电感中，在所述主功率管的关断期间，能量从所述电感被传递到所述开关变换器的负载。
9.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述电流补偿信号产生电路包括跨导放大器，其第一输入端接收所述电流采样信号，第二输入端接收电流参考信号以在输出端产生所述电流补偿信号，其中所述电流参考信号根据所述开关变换器的输入电压产生。
10.根据权利要求9所述的控制电路，其特征在于，所述控制信号产生电路包括：
加法器，被配置为将所述电流补偿信号和所述电流参考信号相加产生峰值电流基准信号；
峰值控制电路，被配置为根据所述峰值电流基准信号和所述电流采样信号控制所述开关变换器的主功率管。
11.根据权利要求9所述的控制电路，其特征在于，所述控制信号产生电路包括：
加法器，被配置为将所述电流补偿信号和反馈误差信号相加产生导通时间基准信号；
导通时间控制电路，被配置为根据所述导通时间基准信号和一斜坡信号控制所述开关变换器的主功率管，其中所述反馈误差信号表征所述开关变换器的输出电压的输出反馈信号和电压参考信号之间的误差。
12.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述电流参考信号为反馈误差信号与表征所述开关变换器的输入电压的输入采样信号的乘积，其中所述反馈误差信号表征所述开关变换器的输出电压的输出反馈信号和电压参考信号之间的误差。
13.一种开关变换器，包括：
功率级电路，包括与电感耦合的主功率管，所述电感被配置为接收输入电压和输入电流，
负载，耦合至所述电感以接收输出电压；以及
如权利要求1-12所述的任一项控制电路。
14.根据权利要求13所述的开关变换器，其特征在于，所述开关变换器工作在断续导通模式或临界导通模式。
15.根据权利要求13所述的开关变换器，其特征在于，所述开关变换器包括升压变换器。
16.根据权利要求13所述的开关变换器，其特征在于，所述控制电路是集成电路，所述集成电路包括接收所述输入电压的第一输入引脚，接收表征电感电流的电流采样信号的第二输入引脚，以及耦接至所述主功率管的输出引脚。
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