CN113241941A - 一种开关电源控制电路及系统，以及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种开关电源控制电路，用于驱动开关电源中的第一开关将输入电压转换为输出电压，所述控制电路包括:导通时间控制单元，所述导通时间控制单元接收第一信号和第二信号，所述第一信号表征所述第一开关的开关频率，所述第二信号表征流经所述第一开关的电流，以产生指示第一开关关断时刻的信号；当所述流经第一开关的电流峰值小于一预设电流值时，由所述导通时间控制单元根据所述第一信号确定所述第一开关的关断时刻，以维持所述第一开关的开关频率基本恒定在一目标频率值。从而有效避免音频噪声的产生，能够在负载变化时稳定输出电压并保持较高的效率，保证开关电源的安全工作。

Description

一种开关电源控制电路及系统，以及控制方法
技术领域
本发明主要涉及电子电路领域，尤其涉及一种用于开关电源的控制电路、控制方法以及控制系统。
背景技术
在开关电源领域，目前比较常用的控制方式主要是电压控制模式、电流控制模式和固定导通时间控制模式(constant on time,简称COT)，其中COT控制具有优越的负载瞬态响应和简单的控制电路构成，被广泛使用。传统的COT控制方法中，在开关电源的输出电压小于参考信号时开关管被导通，而在导通时间到达预设值时开关管被关断。对于传统的COT控制开关电源而言，其开关频率会随着负载的减小而逐渐减小。在负载减轻时，开关频率可能被减小至落入音频范围(例如200Hz-20kHz)，从而引起音频噪声。另一方面，在输入电压增大时，固定导通时间会导致流经开关管的电流值增大，有发生过流的风险。为了避免音频噪声的产生，并维持较好的工作效率和安全性能，需要提出新的控制电路和控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于开关电源的控制电路、控制方法以及控制系统，以避免负载发生变化时，在开关电源工作过程中产生人耳可听见的音频噪声，并减少开关电源的开关损耗，限制流经开关管的峰值电流，提升开关电源的性能。
根据本发明实施例的一种开关电源控制电路，用于驱动开关电源中的第一开关将输入电压转换为输出电压，其特征在于，所述开关电源控制电路包括:导通时间控制单元，所述导通时间控制单元接收第一信号和第二信号，所述第一信号表征所述第一开关的开关频率，所述第二信号表征流经所述第一开关的电流，以产生指示第一开关关断时刻的信号；其中，当所述流经第一开关的电流峰值小于一预设电流值时，由所述导通时间控制单元根据所述第一信号确定所述第一开关的关断时刻，以维持所述第一开关的开关频率恒定在一目标频率值。
在一个实施例中，当所述流经第一开关的电流峰值达到所述预设电流值时，由所述导通时间控制单元根据所述电流峰值达到所述预设电流值的时刻确定所述第一开关的关断时刻。
在一个实施例中，所述导通时间控制单元包括自适应导通时间生成单元，接收所述第一信号和一基准频率信号，并根据所述基准频率信号和所述第一信号的差值，生成一自适应导通时间信号
在一个实施例中，所述控制电路还包括关断时间控制单元，所述关断时间控制单元接收表征所述输出电压的第三信号，并将所述第三信号与一基准电压信号进行比较，产生指示第一开关开通时刻的信号。
在一个实施例中，当所述开关频率高于所述目标频率值，所述自适应导通时间控制单元控制所述第一开关的关断时刻延后一个单位时间；当所述开关频率低于所述目标频率值，所述自适应导通时间控制单元控制所述第一开关的关断时刻提前一个单位时间。
根据本发明实施例的一种开关电源控制系统，所述开关电源控制系统包括开关元件、续流元件和储能元件，用于将一输入电压转换为输出电压，其特征在于，所述控制系统还包括:导通时间控制单元，所述导通时间控制单元接收第一信号和第二信号，所述第一信号表征所述开关元件的开关频率，所述第二信号表征流经所述开关元件或所述储能元件的电流，以产生指示所述开关元件的关断时刻的信号；其中，当流经所述开关元件或所述储能元件的电流峰值小于一预设电流值时，由所述导通时间控制单元根据所述第一信号确定所述开关元件的关断时刻，以维持所述第一开关的开关频率恒定在一目标频率值。
在一个实施例中，所述开关电源为隔离型开关电源，包括原边电路和副边电路，所述原边电路和所述副边电路分别连接不同的接地端，所述开关元件和所述导通时间控制单元均电性连接于所述原边电路，所述续流元件连接于所述副边电路。
在一个实施例中，所述导通时间控制单元还包括自适应导通时间生成单元、限流单元和第二逻辑电路，所述开关电源为隔离型开关电源，包括原边电路和副边电路，所述原边电路和所述副边电路分别连接不同的接地端，所述开关元件、所述限流单元和所述第二逻辑电路均电性连接于所述原边电路，所述自适应导通时间控制电路电性连接于所述副边电路。
根据本发明实施例的一种用于开关电源的控制方法，用于驱动开关电源中的第一开关将输入电压转换为输出电压，其特征在于，所述控制方法包括:
检测所述第一开关的开关频率和流经所述第一开关的电流；
当所述流经第一开关的电流峰值小于一预设电流值时，控制所述第一开关进入锁频模式；
在锁频模式中，由所述导通时间控制单元根据所述第一信号确定所述第一开关的关断时刻，以维持所述第一开关的开关频率恒定在一目标频率值。
在一个实施例中，当所述流经第一开关的电流峰值达到所述预设电流值时，根据所述电流峰值达到所述预设电流值的时刻确定所述第一开关的关断时刻。
在一个实施例中，根据一基准频率信号和所述第一信号的差值，生成一自适应导通时间信号，所述基准频率信号对应于所述目标频率值。
在一个实施例中，所述控制方法还包括：
接收所述第二信号和所述预设电流值，当所述流经第一开关的电流峰值达到所述预设电流值时，生成一个限流信号；
若所述自适应导通时间信号先于所述限流信号产生，则根据所述自适应导通时间信号确定所述第一开关的关断时刻。
根据本发明的实施例，在负载较重的工作状态，采用变频控制模式，开关频率随着负载减轻而降低，开关的导通时间由检测的流经开关元件/储能元件的电流值决定，当开关频率降低至音频范围时进入锁频工作模式，通过自适应地调节开关导通的时间，将开关频率固定在高于音频范围的预设值，从而有效避免音频噪声的产生。在锁频工作模式中，通过调节开关导通的时间可以适应不同的输出负载，保持开关频率基本恒定和流经开关的电流不超过限定值。若负载继续减轻至轻载状态，达到最小导通时间限制，再回到变频控制模式，进一步降低开关损耗，提高效率。此时虽然开关频率有可能进入音频范围，但由于在轻载状态下，开关电源系统中能量较低，可以避免产生人耳可察觉的噪声，保证用户体验。从而在全负载范围内有效避免音频噪声的产生，同时保持较高的效率、保证开关电源的安全工作。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的控制电路结构示意图；
图2为根据本发明另一实施例的控制电路结构示意图；
图3为根据本发明又一实施例的控制电路结构示意图；
图4为根据本发明一实施例的自适应导通时间生成单元结构示意图；
图5为根据本发明一实施例的自适应导通时间生成单元电路结构示意图；
图6为根据本发明另一实施例的自适应导通时间生成单元电路结构示意图；
图7为根据本发明一实施例的控制系统结构示意图；
图8为根据本发明一实施例的主要波形示意图；
图9为根据本发明一实施例的控制方法流程图；
图10为根据本发明一实施例的流经开关的电流值和对应的开关频率之示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种过压保护电路及方法、以及开关电源作进一步详细说明。根据下面说明书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。另外需要说明，本说明书中所指的“时间”、“导通时间长度”、“导通时间”均为时间段，也即一段时间的长度；“时刻”、“当……时”、“关断时刻”均为时间点，也即某一事件发生的时刻；“指示……的某个信号”表示以一个非零值的电平指示某个元件或某个模块进行相应动作；“……信号到达”表示某一信号的有效电平被后续模块或单元接收到。
图1为根据本发明一实施例的控制电路原理图，所述控制电路20用于控制开关电源10，所述开关电源10包括第一开关11，并通过第一开关11的导通与关断将输入电压Vin转换为输出电压Vout以驱动负载(未示出)，开关电源10可以为隔离/非隔离的AC-DC变换器，输出基本恒定的输出电压Vout，也可以为隔离/非隔离的DC-DC变换器，同样输出基本恒定的输出电压Vout。所述控制电路包括:导通时间控制单元21，产生指示第一开关关断时刻的信号Turnoff_S，关断时间控制单元23，产生指示第一开关开通时刻的信号Turnon_S，以及第一逻辑电路22；其中，导通时间控制单元21接收第一信号fSW和第二信号ICS，所述第一信号fSW表征所述第一开关的开关频率，所述第二信号ICS表征流经所述第一开关的电流。根据第二信号ICS的值进行判断，当所述流经第一开关的电流峰值小于一预设电流值时，由所述导通时间控制单元21根据所述第一信号fSW确定所述第一开关的关断时刻，以维持所述第一开关的开关频率基本恒定在一个目标频率值。举例而言，当负载较重时(开关电源的输出电流较大时)，流经第一开关的电流也较大，此时通过检测表征流经第一开关的电流的第二信号ICS，控制电路20可以判断出负载较重，需要限制负载电流，当负载变化时，采用变频控制方式以适应负载需求，负载减小则开关频率降低，减少传递至输出侧的能量；而当负载减小至预设值之下时，对应的开关频率降低至预设的参考频率，控制电路20固定开关频率于该参考频率，例如22-28kHz区间的一个值，避免产生音频噪声。具体而言，是通过导通时间控制单元21调整第一开关21的关断时刻，进而调整第一开关21的导通时间，适应不同的负载需求，同时在稳态下保持开关频率不变。另一方面，指示第一开关开通时刻的信号Turnon_S由关断时间控制单元23根据反映输出电压Vout的反馈检测电压信号Vfb和一个预设参考电压Vref来确定。Turnon_S信号和Turnoff_S信号经过第一逻辑电路22处理后，产生第一开关11的控制信号Gate_S，控制第一开关11的导通与关断。在根据本发明的一些实施例中，关断时间控制单元23也可依据其他信号判断第一开关11的开通时刻，例如依据固定频率的短脉冲信号，或者其他能够反映输出电压Vout的检测信号。在根据本发明的一些实施例中，所述开关频率信号fSW可以来源于第一开关11的控制信号Gate_S或者指示第一开关开通时刻的信号Turnon_S，或其组合。
结合电路原理的表达式将更清楚的阐释本发明的控制电路的有益效果。以BUCK电路为例，具体而言，流经第一开关的电流Ipeak可以表示为：
Ipeak＝Vin/L Ton，
其中，L为开关电源中的储能电感值，Ton为第一开关11一个周期的导通时间长度。
结合开关电源传递能量的表达式：
Po＝Vout*Io＝1/2L〖Ipeak〗^2f＝1/2L〖(Vin/L Ton)〗^2f,
其中，Po为开关电源提供给负载的能量，也即输出电压Vout和负载电流Io的乘积，f为开关频率。
由以上表达式可以看到，当开关频率f固定时，若负载发生变化，通过调整开关导通时间Ton可以快速响应负载变化，并且有效避免音频噪声的产生，结合较重载状态下的变频控制模式，可以在全负载范围保持较好的效率，提升开关电源整体性能。
进一步的，结合图2，在根据本发明的另一个实施例中，具体描述如何调整开关导通时间。如图2所示，当所述流经第一开关的电流峰值小于一预设电流值时，由所述导通时间控制单元21根据所述第一信号fSW和一个预设的基准信号fref改变所述第一开关的关断时刻，以维持所述第一开关的开关频率基本恒定在一个目标频率值。所述基准信号fref表征一基准频率，可以是表征频率大小的信号，或是表征周期长短的信号；可以依据实际应用的需要选择在控制电路内部进行设置，或是由外部端口输入控制电路。所述导通时间控制单元包括自适应导通时间控制单元26，根据所述基准频率和所述开关频率的差值，输出Vcot_S信号，自适应地改变第一开关11的关断时刻。所述导通时间控制单元21还包括限流单元24和第二逻辑电路25，所述限流单元24接收所述第二信号ICS和一基准电流信号Ilimit，当所述流经第一开关的峰值电流小于基准电流时，所述限流单元24通过Vcs_S信号指示所述第二逻辑电路，依据所述自适应导通时间控制单元26输出的Vcot_S信号，改变所述第一开关的关断时刻。
具体而言，在本发明的一些实施例中，自适应导通时间控制单元26，根据所述基准频率和所述开关频率的差值改变第一开关11的关断时刻(也即第一开关11的导通时间)的方法，可以是逐周期调整第一开关11的导通时间的长度，例如当所述开关频率高于所述基准频率，所述自适应导通时间控制单元控制所述第一开关的关断时刻延后一个单位时间；当所述开关频率低于所述基准频率，所述自适应导通时间控制单元控制所述第一开关的关断时刻提前一个单位时间，使得导通时间尽量平滑的进行调整，开关电源的工作状态稳定可控。在本发明的另一些实施例中，自适应导通时间控制单元26，根据所述基准频率和所述开关频率的差值改变第一开关11的关断时刻(也即第一开关11的导通时间)的方法，也可以是逐周期依据所述基准频率和所述开关频率的差值，成比例的调整第一开关11的导通时间的长度，例如当所述开关频率高于所述基准频率，所述自适应导通时间控制单元控制所述第一开关的关断时刻延后，延后的时间与所述基准频率和所述开关频率的差值成比例；当所述开关频率低于所述基准频率，所述自适应导通时间控制单元控制所述第一开关的关断时刻提前，提前的时间与所述基准频率和所述开关频率的差值成比例，使得开关导通时间的调整更加快速，提升开关电源的性能。前述自适应导通时间控制单元26调整开关导通时间的方法，当然也可以间隔周期进行，根据具体应用的需要，可以在导通时间控制单元21中进行设置。最终在开关电源10稳态工作时，使得第一开关的开关频率等于基准频率，从而有效避免音频噪声的产生。
结合图3，具体描述本发明的控制电路的一种示例性实施方式。如图3所示，在根据本发明的又一个实施例中，所述限流单元24可以为比较器，所述第二信号ICS接入比较器正端，所述基准电流信号Ilimit接入比较器的负端，若所述流经第一开关的电流小于基准电流，限流单元24的输出信号Vcs_S(参见图2)为低电平，反之为高电平。所述第二逻辑电路25可以为逻辑或门，如图3所示，或者多个门器件的组合以实现或门的功能，或者受控于Vcs_S信号的选择电路，使得所述流经第一开关的电流峰值小于基准电流时，第二逻辑电路25的输出信号Turnoff_S依据所述自适应导通时间控制单元26输出的Vcot_S信号(参见图2)进行改变，进而改变所述第一开关的关断时刻。如图3所示，在一个实施例中，所述第二逻辑电路25为逻辑或门，限流单元24的输出信号Vcs_S输入所述或门的一个输入端。所述自适应导通时间控制单元26的输出信号Vcot_S输入所述或门的另一个输入端。当限流单元24的输出信号Vcs_S为高电平，也即所述流经第一开关的电流不小于基准电流时，所述或门25输出高电平，指示第一开关关断，而自适应导通控制单元的输出信号不能改变或门的输出信号；当限流单元24的输出信号Vcs_S为低电平，也即所述流经第一开关的电流小于基准电流时，所述或门25输出低电平，而自适应导通控制单元的输出信号能够改变或门的输出信号。由于引入了电流检测信号，并根据电流检测和比较的结果控制第一开关的关断时刻，还实现了逐开关周期限流的功能，特别在重载的工作状态下，可以保护开关等器件，避免发生损坏。
进一步的，参考图4，所述自适应导通时间生成单元26还包括频率误差信号生成单元261，接收所述第一信号fSW和一基准频率信号fref，以生成频率误差信号Δf，表征所述基准频率信号和所述第一信号的差值；导通时间调整量生成单元262，接收所述频率误差信号Δf，并根据所述频率误差信号Δf生成导通时间调整量ΔTon，表征导通时间在本周期需要调整的值；计时器电路263，根据所述导通时间调整量ΔTon，改变自适应导通时间信号Vcot_S。
当所述自适应导通时间生成单元26根据一个基准频率信号fref和第一开关11的开关频率信号fSW改变自适应导通时间信号Vcot_S时，具体的操作方式可以为：当所述第一开关的开关频率高于所述基准频率，所述自适应导通时间生成单元26控制定时器将第一开关的关断时刻延后一个单位时间；当所述第一开关的开关频率低于所述基准频率，所述自适应导通时间生成单元26控制定时器将第一开关的关断时刻提前一个单位时间。所述单位时间可以根据定时器的计时步长来确定。
在本发明的一种示例性实施例中，如图5所示，提供所述自适应导通时间生成单元26的一种具体电路实施方式。频率误差信号生成单元261包括由电流源I1、开关Q1和电容C1构成的计时电路，接收表征开关频率的第一信号fSW，并据此生成对应于开关频率或开关周期的电压信号，输出至比较器Comp1的负端，比较器Comp1的正端接收基准频率信号fref对应的电压信号或基准频率信号fref对应的周期所对应的电压信号，比较并生成频率误差信号Δf，表征所述基准频率和所述开关频率的差值；导通时间调整量生成单元262，包括延迟模块、非门NOT1、与门AND1和与门AND2，经过逻辑运算生成Tonplus_S信号和Tonminus_S信号，共同指示导通时间调整量ΔTon，表征导通时间在本周期需要调整的值，Tonplus_S信号和Tonminus_S信号分别控制电流源I2和电流源I3；计时器电路263，包括电流源I2、电流源I3、比较器Comp2和电容C2，以及电流源I4、开关Q4和电容C3组成的计时电路，根据所述导通时间调整量ΔTon(在此实施例中即为Tonplus_S信号和Tonminus_S信号)，改变自适应导通时间信号Vcot_S，具体而言，当所述第一开关的开关频率高于所述基准频率时，Tonplus_S信号为高电平，指示开关Q2开通，Tonminus_S信号为低电平，指示开关Q3关断，使得电容C2上的电压升高，输出至比较器Comp2的负端，另一方面，第一信号fSW指示电流源I4、开关Q4和电容C3组成的计时电路生成对应于开关频率的电压信号，并输出至比较器Comp2的正端，比较器Comp2输出的信号经过边沿检测后生成由窄脉冲构成的Vcot_S信号，对应第一开关11的关断时刻延后一个单位时间，所述的单位时间由电容C2充电的速度和时长决定，也即由Tonplus_S信号和Tonminus_S信号的脉冲长度、电流源I2和电流源I3的电流大小来设置。当所述第一开关的开关频率低于所述基准频率，根据前述类似的工作原理，所述自适应导通时间生成单元26将第一开关的关断时刻提前一个单位时间。
所述频率误差信号生成单元261和计时器电路263还可以采用其他已知的定时电路、计时电路等实现方式，例如数字化的计时电路，所述导通时间调整量生成单元262还可以采用其他已知的逻辑电路、数字电路等组合实现。自适应导通时间生成单元26能实现根据开关频率和基准频率的差值调整第一开关的关断时刻之功能即可，例如当计时时间达到根据开关频率和基准频率的差值设置的导通时间后，所述定时器输出一个短脉冲，指示第一开关的关断时刻。通过自适应的调节开关导通的时间，将开关频率固定在预设值，从而有效避免音频噪声的产生。
图6提供所述自适应导通时间生成单元26的另一种具体电路实施方式，使得第一开关11的关断时刻提前/延后的时间与开关频率和基准频率的差值正相关。具体而言，如图6所示，所述自适应导通时间生成单元26可以包括开关Q1、电容C1和电流源I1构成的计时电路，所述计时电路检测上一开关周期的开关频率对应的电压信号，所述开关频率对应的电压信号和基准频率信号对应的电压信号经过OTA(跨导放大器：operationaltransconductance amplifier)生成与输入的两个电压信号的差值成比例的电流信号，所述电流信号经由开关Q4周期性地给电容C3进行充电，并将电容C3的电压接入比较器Comp1的负输入端，所述电容C3的电压表征导通时间调整量ΔTon和调整前的导通时间Ton之和，且所述导通时间调整量ΔTon与开关频率和基准频率的差值Δf成正比，另一方面，第一信号fSW指示电流源I2、开关Q2和电容C2组成的计时电路生成对应于开关频率的电压信号，并输出至比较器Comp1的正端，比较器Comp1输出的信号经过边沿检测后生成由窄脉冲构成的Vcot_S信号，对应第一开关11的调整后的关断时刻。
继续参考图3，本发明提供的控制电路还包括关断时间控制单元23，所述关断时间控制单元23可以为如图3所示的比较器，比较器正端接收表征开关电源输出电压Vout的反馈信号Vfb，负端接收一个基准电压信号Vref，并对所述反馈信号Vfb和基准电压信号Vref进行比较，当反馈信号Vfb低于基准电压信号Vref时，所述比较器23输出高电平，指示第一开关11开通，使得输出电压回升。所述关断时间控制单元还可以采用其他本领域技术人员已知的模拟或者逻辑电路的组合实现，也可以接收其他表征输出电压Vout的信号进行判断，能够实现在输出电压Vout低于一个预期值时指示开通第一开关11的功能即可。
如图3所示，所述第一逻辑电路22可以为例如RS触发器，具体而言，指示第一开关开通时刻的信号Turnon_S接入RS触发器的S端，指示第一开关关断时刻的信号Turnoff_S接入RS触发器的R端，在RS触发器的输出端Q端产生第一开关11的控制信号Gate_S，指示第一开关11开通或关断。值得注意的是，在图5和图6所示的自适应导通时间生成单元26的具体实施例中，边沿检测电路可以省去，此时Vcot_S信号由高低电平组成，第一逻辑电路22中需要进行相应的处理，例如在第一逻辑电路22为RS触发器时，选择以S端输入的信号为主触发信号。
前述根据本发明的各实施例的控制电路，在应用于开关电源时可以有不同的设置方式，和开关电源共同构成控制系统。所述开关电源控制系统包括开关元件11、续流元件12和储能元件13。例如在隔离型的反激式变换器中，导通时间控制单元21(包括其各组成单元)和第一开关11均电性连接于开关电源10的原边电路，所述关断时间控制单元23电性连接于开关电源10的副边电路，关断时间控制单元23产生的指示第一开关开通的信号Turnon_S经由例如OOK(开关键控：on-off-keying)的调制方式，通过电磁耦合的传输方式隔离地传送给原边的控制电路，并与原边的导通时间控制单元21协同控制第一开关11。在另一些实施例中，例如在隔离型的反激式变换器中，如图7所示，原边电路和副边电路由图中虚线分隔，开关元件11连接于所述原边电路，续流元件12为连接于所述副边电路的二极管或开关管，储能元件13为变压器T1,提供原副边电路间的隔离。所述限流单元24和所述第二逻辑电路25电性连接于所述原边电路，所述关断时间控制单元23和所述自适应导通时间控制电路26电性连接于副边电路，关断时间控制单元23从副边电路接收表征输出电压Vout的Vfb信号，并产生指示开关元件11开通的信号Turnon_S，连同自适应导通时间控制电路26产生的信号Vcot_S，经过例如OOK的调制方式和例如电磁耦合的传输方式，经由隔离传输电路27隔离地传送给原边的控制电路，所述Vcot_S信号和所述限流单元24,在所述第二逻辑电路25的控制下协同产生指示开关元件11关断的信号Turnoff_S,并和隔离地传输至原边电路的指示开关元件11开通的信号Turnon_S共同产生最终的控制信号Gate_S，通过驱动电路而控制开关元件11动作。上述的设置使得需要进行检测动作的单元尽量靠近所检测的信号来源，可以减少噪声对信号的干扰，提高信号检测和传输过程的可靠性。所述隔离传输电路27可以是分别将关断时间控制单元23产生的指示第一开关开通的信号Turnon_S和自适应导通时间控制电路26产生的信号Vcot_S调制、解调之后隔离地传输给原边电路，也可以是先将关断时间控制单元23产生的指示第一开关开通的信号Turnon_S和自适应导通时间控制电路26产生的信号Vcot_S合为一个信号，再经过调制、解调之后隔离地传输给原边电路，并通过对合成信号地上升沿检测和下降沿检测，分别在原边获取对应的信号，进行下一步操作。根据具体应用的需要，例如关断时间控制单元23检测信号的选择不同，或是限流单元24检测信号的选择不同等等，可以调整本发明控制电路的各组成单元在隔离型变换器中的连接方式，还可以选择隔离传输电路27的电磁耦合结构，例如耦合线圈、耦合电容等等，在此不再赘述。前述的开关电源10可以为隔离/非隔离的AC-DC变换器，输出基本恒定的输出电压Vout，也可以为隔离/非隔离的DC-DC变换器，同样输出基本恒定的输出电压Vout，并不限于反激式拓扑或Buck拓扑。
为了提高集成度、方便使用者，并减少控制信号受到的干扰，前述各实施例中提供的控制电路，也可以与受控的开关器件共同组成控制系统，更可以共同进行封装，其工作机制与前述相同或相似，在此不再赘述。
图8为根据本发明一实施例的主要波形示意图，参考图8和图1-3，可以更加清楚的看到控制电路20中各主要信号的作用机制。当反馈信号Vfb低于基准电压信号Vref时，关断时间控制单元23的输出信号Turnon_S输出一短脉冲，指示第一开关11开通，而导通时间控制单元21的工作情况可以分为两种，如图8(a)所示，当第二信号ICS小于基准电流信号Ilimit，所述限流单元24输出的Vcs_S信号为低电平，所述控制信号Gate_S依据所述自适应导通时间控制单元26输出的Vcot_S信号，确定所述第一开关的关断时刻，也即控制信号Gate_S变为低电平的时刻；反之，如图8(b)所示，当第二信号ICS达到基准电流信号Ilimit时，所述限流单元24输出的Vcs_S信号输出短脉冲信号，指示所述第一开关的关断时刻，依据所述限流单元24输出的Vcs_S信号确定控制信号Gate_S变为低电平的时刻。值得注意的是，在如图8(b)所示的工作情况中，自适应导通时间控制单元26输出的Vcot_S信号输出短脉冲指示的第一开关的关断时刻，晚于Vcs_S信号输出的短脉冲信号，此时开关已经关闭，Vcot_S信号无法发生作用而改变控制信号Gate_S变为低电平的时刻，也即，当流经第一开关的电流峰值达到基准电流信号Ilimit时，由所述导通时间控制单元21根据所述电流峰值达到所述基准电流值的时刻确定所述第一开关的关断时刻，所述自适应导通时间生成单元26在此情况下不能改变所述第一开关的关断时刻。
如图9所示，根据本发明一实施例的用于开关电源的控制方法，包括如下步骤：
检测所述第一开关11的开关频率和流经所述第一开关11的电流；
当所述流经第一开关11的电流峰值小于一预设电流值时，控制所述第一开关进入锁频模式；
在锁频模式中，根据所述第一开关的开关频率控制第一开关关断的时刻，使得第一开关的开关频率基本恒定。
锁频模式的具体控制方式已经在前述内容中进行详尽的描述，在此不再赘述。通过进入锁频模式，将开关频率限制在一个预设的高于音频范围的频率，例如25kHz，可以避免开关电源工作过程中产生人耳可听见的音频噪声，同时适应负载变化的情况，保证输出电压稳定可靠。
进一步的，进入锁频模式后，还可以检测所述第一开关的导通时间长度，当所述导通时间长度小于或等于一预设最小导通时间，退出锁频模式，保持所述第一开关关断的时刻不变，例如为预设最小导通时间；当所述导通时间长度大于或等于一预设最大导通时间，退出锁频模式，退出锁频模式后通过调节开关频率来适应负载的改变，此时导通时间可以由ICS和Ilimit的比较结果决定，例如图8(b)所示。当所述导通时间长度大于预设最小导通时间且小于预设最大导通时间，则保持锁频模式，继续检测开关频率信号fSW和第二信号ICS，并据此改变开关的导通时间，以保持开关频率基本不变。所述的预设最大导通时间可以由器件、控制电路等的固有参数决定，也可以是对应于某一输入电压下电感峰值电流增加到基准电流值需要的时间。值得注意的是，当在锁频模式中调节所述导通时间长度，而使得导通时间小于或等于一预设最小导通时间，通常表示负载过轻，开关电源中的电流很小，此时退出锁频模式，采用变频控制方式，虽然可能会导致开关频率降低至音频范围，但由于在轻载状态下，开关电源系统中能量较低，音频噪声的分贝值较低，可以避免产生人耳可察觉的噪声，保证用户体验。且此时开关切换过程中的损耗相较于开关的导通损耗更为显著，因而降低开关频率也有助于减少损耗、提高效率。
图10为根据本发明一实施例的流经开关的电流值和对应的开关频率之示意图，可以描述本发明提供的控制电路和控制方法应用于开关电源后，在各个负载状况下的开关频率分布情况。从图6中可以看到，当流过开关的峰值电流Ipeak小于基准电流信号Ilimit时，开关电源进入中载状态，采用锁频控制方式，开关频率fsw基本保持在一预设频率值fref，而当锁频模式下调节开关导通时间导致导通时间过小时，开关电源回到变频控制模式，以维持电路中的电流，也即维持提供给负载的功率。
根据本发明的实施例，在负载较重的工作状态，采用变频控制模式，开关频率随着负载减轻而降低，开关的导通时间保持不变，当开关频率降低至音频范围时进入锁频工作模式，通过自适应的调节开关导通的时间，将开关频率固定在高于音频范围的预设值，从而有效避免音频噪声的产生。在锁频模式中，通过调节开关导通的时间可以适应不同的负载，保持开关频率基本恒定和流经开关的电流不超过限定值。若负载继续减轻至轻载状态，再回到变频控制模式，进一步降低开关损耗，提高效率。此时虽然开关频率有可能进入音频范围，但由于在轻载状态下，开关电源系统中能量较低，可以避免产生人耳可察觉的噪声，保证用户体验。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的控制系统而言，由于与实施例公开的控制电路相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见控制电路部分说明即可。另外，对于实施例公开的控制方法而言，也可与控制电路、控制系统部分的说明互相参见。
上述描述仅是对本发明一些较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何不超出本发明技术方案的变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (21)

1.一种开关电源控制电路，用于驱动开关电源中的第一开关将输入电压转换为输出电压，其特征在于，所述开关电源控制电路包括:
导通时间控制单元，所述导通时间控制单元接收第一信号和第二信号，所述第一信号表征所述第一开关的开关频率，所述第二信号表征流经所述第一开关的电流，以产生指示第一开关关断时刻的信号；其中，
当所述流经第一开关的电流峰值小于一预设电流值时，由所述导通时间控制单元根据所述第一信号确定所述第一开关的关断时刻，以维持所述第一开关的开关频率恒定在一目标频率值。
2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，当所述流经第一开关的电流峰值达到所述预设电流值时，由所述导通时间控制单元根据所述电流峰值达到所述预设电流值的时刻确定所述第一开关的关断时刻。
3.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述导通时间控制单元包括自适应导通时间生成单元，接收所述第一信号和一基准频率信号，并根据所述基准频率信号和所述第一信号的差值，生成一自适应导通时间信号，所述自适应导通时间信号代表所述目标频率值所对应的第一开关的关断时刻。
4.如权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述基准频率信号对应于所述目标频率值。
5.如权利要求3所述的控制电路，其特征在于，当所述开关频率高于所述目标频率值，所述自适应导通时间控制单元控制所述第一开关的关断时刻延后一个单位时间；当所述开关频率低于所述目标频率值，所述自适应导通时间控制单元控制所述第一开关的关断时刻提前一个单位时间。
6.如权利要求3所述的控制电路，其特征在于，当所述开关频率高于所述目标频率值，所述自适应导通时间控制单元控制所述第一开关的关断时刻延后，延后的时间与所述目标频率值和所述开关频率的差值正相关；当所述开关频率低于所述目标频率值，所述自适应导通时间控制单元控制所述第一开关的关断时刻提前，提前的时间与所述目标频率值和所述开关频率的差值正相关。
7.如权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述导通时间控制单元还包括：
限流单元，所述限流单元接收所述第二信号和所述预设电流值，当所述流经第一开关的电流峰值达到所述预设电流值时，所述限流单元生成一个限流信号；
第二逻辑电路，接收所述限流信号和所述自适应导通时间信号，并根据所述限流信号和所述自适应导通时间信号中先到达所述第二逻辑电路的一个信号确定所述第一开关的关断时刻。
8.如权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述自适应导通时间生成单元包括：
频率误差信号生成单元，接收所述第一信号和一基准频率信号，以生成表征所述基准频率信号和所述第一信号的差值的频率误差信号；
导通时间调整量生成单元，接收所述频率误差信号，并根据所述频率误差信号生成表征导通时间在本周期需要调整的值的导通时间调整量；
计时器电路，根据所述导通时间调整量，生成所述自适应导通时间信号。
9.如权利要求8所述的控制电路，其特征在于，当所述频率误差信号表明所述开关频率高于所述目标频率值，所述导通时间调整量使得所述计时器电路将所述第一开关的关断时刻延后；当所述频率误差信号表明所述开关频率低于所述目标频率值，所述导通时间调整量使得所述计时器电路将所述第一开关的关断时刻提前；所述导通时间调整量根据所述频率误差信号而生成。
10.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括关断时间控制单元，所述关断时间控制单元接收表征所述输出电压的第三信号，并将所述第三信号与一基准电压信号进行比较，产生指示第一开关开通时刻的信号。
11.如权利要求10所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括第一逻辑电路，所述第一逻辑电路接收指示第一开关关断时刻的信号和指示第一开关开通时刻的信号，产生所述第一开关的控制信号。
12.一种开关电源控制系统，所述开关电源控制系统包括开关元件、续流元件和储能元件，用于将一输入电压转换为输出电压，其特征在于，所述控制系统还包括:
导通时间控制单元，所述导通时间控制单元接收第一信号和第二信号，所述第一信号表征所述开关元件的开关频率，所述第二信号表征流经所述开关元件或所述储能元件的电流，以产生指示所述开关元件的关断时刻的信号；其中，
当流经所述开关元件或所述储能元件的电流峰值小于一预设电流值时，由所述导通时间控制单元根据所述第一信号确定所述开关元件的关断时刻，以维持所述第一开关的开关频率恒定在一目标频率值。
13.如权利要求12所述的控制系统，其特征在于，所述开关电源为隔离型开关电源，包括原边电路和副边电路，所述原边电路和所述副边电路分别连接不同的接地端，所述开关元件和所述导通时间控制单元均电性连接于所述原边电路，所述续流元件连接于所述副边电路。
14.如权利要求12所述的控制系统，其特征在于，所述导通时间控制单元包括：
自适应导通时间生成单元，接收所述第一信号和一基准频率信号，并根据所述基准频率信号和所述第一信号的差值，生成一自适应导通时间信号，所述自适应导通时间信号代表所述目标频率值所对应的第一开关的关断时刻；
限流单元，所述限流单元接收所述第二信号和所述预设电流值，当所述流经第一开关的电流峰值达到所述预设电流值时，所述限流单元生成一个限流信号；
第二逻辑电路，接收所述限流信号和所述自适应导通时间信号，若所述第二逻辑电路接收到所述自适应导通时间信号时，还未接收到所述限流信号，则根据所述自适应导通时间信号确定所述第一开关的关断时刻。
15.如权利要求14所述的控制系统，其特征在于，所述开关电源为隔离型开关电源，包括原边电路和副边电路，所述原边电路和所述副边电路分别连接不同的接地端，所述开关元件、所述限流单元和所述第二逻辑电路均电性连接于所述原边电路，所述自适应导通时间控制电路电性连接于所述副边电路。
16.如权利要求12所述的控制系统，其特征在于，所述开关电源为非隔离型开关电源。
17.一种开关电源控制方法，用于驱动开关电源中的第一开关将输入电压转换为输出电压，其特征在于，所述控制方法包括:
检测所述第一开关的开关频率和流经所述第一开关的电流；
当所述流经第一开关的电流峰值小于一预设电流值时，控制所述第一开关进入锁频模式；
在锁频模式中，由所述导通时间控制单元根据所述第一信号确定所述第一开关的关断时刻，以维持所述第一开关的开关频率恒定在一目标频率值。
18.如权利要求17所述的控制方法，其特征在于，当所述流经第一开关的电流峰值达到所述预设电流值时，根据所述电流峰值达到所述预设电流值的时刻确定所述第一开关的关断时刻。
19.如权利要求18所述的控制方法，其特征在于，根据一基准频率信号和所述第一信号的差值，生成一自适应导通时间信号，所述基准频率信号对应于所述目标频率值。
20.如权利要求19所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
接收所述第二信号和所述预设电流值，当所述流经第一开关的电流峰值达到所述预设电流值时，生成一个限流信号；
若所述自适应导通时间信号先于所述限流信号产生，则根据所述自适应导通时间信号确定所述第一开关的关断时刻。
21.如权利要求17所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
进入锁频模式后，检测所述第一开关的导通时间长度，当所述导通时间长度小于一预设最小导通时间，退出锁频模式，根据所述预设最小导通时间确定所述第一开关的关断时刻；当所述导通时间长度大于一预设最大导通时间，退出锁频模式，根据所述预设最大导通时间确定所述第一开关的关断时刻。
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