CN113452269B - 开关电源电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种开关电源电路及方法。开关电源电路包括：功率级电路和控制电路。所述控制电路根据交流输入电压和输出电压的信息，控制功率级中主功率开关的导通和断开，使主功率开关在交流输入电压和后级电路抽取不同的电流情况下，具有不同的导通时长。所述开关电源电路优化了总谐波失真和功率因数。

Description

开关电源电路及方法
技术领域
本发明涉及一种电子电路，更具体地说，本发明涉及一种开关电源电路及方法。
背景技术
在照明、电视机等应用场合，由于直接从电网(如220V的交流输入电压，即市电)获取电源，为了对电网不构成污染，功率因数校正(PFC)电路被广泛采用。然而，在交流输入电压的谷底附近，由于反向电感电流的影响，总谐波失真(total harmonic distortion，THD)恶化；而随着交流输入电压从谷底增大，由于用于抑制电磁干扰(EMI)的安规电容和输入电容的影响，输入电流的正弦性变差，从而影响电路的功率因数。
因此，有必要对上述总谐波失真和功率因数进行补偿。
发明内容
因此本发明的目的在于解决现有技术的上述技术问题，提出一种开关电源电路，包括：功率级电路，经由整流桥、安规电容和输入电容接收交流输入电压，产生用于提供给后级电路的输出电压，所述功率级电路至少包括主功率开关；控制电路，根据交流输入电压和输出电压的信息，控制主功率开关的导通和断开，使主功率开关在交流输入电压和后级电路抽取不同的电流情况下，具有不同的导通时长；其中主功率开关的导通时长为基础时长、THD补偿时长与第一系数的乘积、PF补偿时长与第二系数的乘积三者之和，且：当交流输入电压的有效值大于高电压阈值且后级电路抽取的电流大于高电流阈值时，第一系数具有第一补偿值、第二系数具有第一校正值；当交流输入电压的有效值大于高电压阈值且后级电路抽取的电流小于低电流阈值时，第一系数具有第二补偿值、第二系数具有第二校正值。
根据本发明的实施例，还提出了一种用于开关电源电路的方法，所述开关电源电路具有功率级电路，所述功率级电路包括被周期性导通和断开的主功率开关。所述方法包括：接收交流输入电压，通过功率级电路转化为输出电压，提供给后级电路；根据交流输入电压的大小和后级电路抽取的电流大小，调整主功率开关的导通时长，其中所述主功率开关的导通时长包含基础时长、THD补偿时长与第一系数的乘积、PF补偿时长与第二系数的乘积，使得：当交流输入电压的有效值大于高电压阈值且后级电路抽取的电流大于高电流阈值时，第一系数具有第一补偿值、第二系数具有第一校正值；当交流输入电压的有效值大于高电压阈值且后级电路抽取的电流小于低电流阈值时，第一系数具有第二补偿值、第二系数具有第二校正值。
根据本发明各方面的上述开关电源电路和方法，优化了总谐波失真和功率因数。
附图说明
图1为根据本发明实施例的开关电源电路100的电路结构示意图；
图2为根据本发明实施例的控制电路102的电路结构示意图；
图3为根据本发明实施例的开关电源电路300的电路结构示意图；
图4示出根据本发明实施例的用于开关电源电路的方法400的流程图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。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。应当理解，当称元件“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图1为根据本发明实施例的开关电源电路100的电路结构示意图。在图1所示实施例中，所述开关电源电路100包括：功率级电路101，经由整流桥B1、安规电容(X电容)Cx和输入电容CIN接收交流输入电压Vac，产生用于提供给后级电路的输出电压VO，所述功率级电路101至少包括主功率开关S1；控制电路102，根据交流输入电压Vac和输出电压VO的信息，产生控制信号G102，用以控制主功率开关S1的导通和断开，使主功率开关S1在交流输入电压Vac和后级电路抽取不同的电流IO情况下，具有不同的导通时长。
在本发明的一个实施例中，主功率开关S1的导通时长包括基础时长、THD补偿时长和PF补偿时长，并且：主功率开关S1的导通时长Ton为基础时长TB、THD补偿时长TTHD与第一系数k1的乘积、PF补偿时长与第二系数k2的乘积三者之和；其中基础时长TB由交流输入电压Vac的峰值和后级电路抽取的电流大小决定(如基础时长TB与交流输入电压Vac的峰值及后级电路抽取的电流大小呈设定的函数关系)，THD补偿时长以及PF补偿时长TPF均随交流输入电压Vac的瞬时值而实时变化(如THD补偿时长和PF补偿时长TPF均与交流输入电压Vac的瞬时值呈设定的函数关系)；第一系数k1和第二系数k2为随交流输入电压Vac的有效值及后级电路抽取的电流变化而变化的值，并且：(1)当交流输入电压Vac的有效值大于高电压阈值且后级电路抽取的电流大于高电流阈值时，第一系数k1具有第一补偿值k11、第二系数k2具有第一校正值k21；(2)当交流输入电压Vac的有效值大于高电压阈值且后级电路抽取的电流小于低电流阈值时，第一系数k1具有第二补偿值k12、第二系数k2具有第二校正值k22；(3)当交流输入电压Vac的有效值小于低电压阈值且后级电路抽取的电流大于高电流阈值时，第一系数k1具有第三补偿值k13、第二系数k2具有第三校正值k23；(4)当交流输入电压Vac的有效值小于低电压阈值且后级电路抽取的电流小于低电流阈值时，第一系数k1具有第四补偿值k14、第二系数k2具有第四校正值k24。
第一系数k1与交流输入电压大小及负载轻重的关系参见下表1、第二系数k2与交流输入电压大小及负载轻重的关系参见下表2。
Figure BDA0003028467360000041
Figure BDA0003028467360000051
表1
第二系数k<sub>2</sub> 交流输入电压较高 交流输入电压较低
重载 K<sub>21</sub> K<sub>23</sub>
轻载 K<sub>22</sub> K<sub>24</sub>
表2
在本发明的一个实施例中，基础时长TB的实时值TB(t)与交流输入电压Vac的峰值及后级电路抽取的电流大小IO的函数关系如下：
Figure BDA0003028467360000052
其中k为设定系数、Io(t)表示后级电路抽取的实时电流、Vac_pk表示交流输入电压Vac的峰值。
图2为根据本发明实施例的控制电路102的电路结构示意图。在图2所示实施例中，所述控制电路102包括：比例积分电路PI，根据表征输出电压VO的反馈电压VFB和一内部参考电压产生比例积分信号VCMP；基础导通时间模块21，根据交流输入电压Vac的峰值和比例积分信号VCMP，产生基础信号STB；THD补偿模块22，根据交流输入电压Vac和比例积分信号VCMP，得到THD补偿信号STHD和第一系数k1，并产生THD补偿信号STHD与第一系数k1的乘积STHD*k1；PF补偿模块23，根据交流输入电压Vac和比例积分信号VCMP，得到PF补偿信号SPF和第二系数k2，并产生PF补偿信号SPF与第二系数k2的乘积SPF*k2；逻辑模块24，根据基础信号STB、THD补偿信号STHD与第一系数k1的乘积STHD*k1、PF补偿信号SPF与第二系数k2的乘积SPF*k2，产生开关控制信号GSW，用以控制主功率开关S1。
在本发明的一个实施例中，控制电路102还包括加法电路，对基础信号STB、THD补偿信号STHD与第一系数k1的乘积STHD*k1、以及PF补偿信号SPF与第二系数k2的乘积SPF*k2，执行相加运算，得到导通时间信号SON，所述导通时间信号SON被输送至逻辑模块24，用以产生控制主功率开关S1的开关控制信号GSW。
在本发明的一个实施例中，所述基础信号STB在一个开关周期内的具有基础时长TB的有效电平(如高电平)；所述THD补偿信号STHD在一个开关周期内的具有THD补偿时长TTHD的有效电平(如高电平)；所述PF补偿信号SPF在一个开关周期内具有PF补偿时长TPF的有效电平(如高电平)。
在本发明的一个实施例中，THD补偿模块22包括，THD单元221，根据交流输入电压Vac，产生THD补偿信号STHD，所述THD补偿信号的有效电平时长TTHD随交流输入电压Vac的瞬时值实时变化；第一系数产生单元222，判断交流输入电压Vac的有效值是否为高压或者低压(如通过将交流输入电压Vac在一个周期内的有效值与高电压阈值或低电压阈值进行比较)，并判断后级电路抽取的电流大小(如通过将比例积分信号VCMP与高电流阈值或低电流阈值进行比较)，输出具有相应补偿值的第一系数k1；第一乘法单元223，对THD补偿信号STHD和第一系数k1执行相乘运算，得到THD补偿信号STHD与第一系数k1的乘积STHD*k1。
在本发明的一个实施例中，PF补偿模块23包括，PF单元231，根据交流输入电压Vac，产生PF补偿信号STHD，所述PF补偿信号的有效电平时长TPF随交流输入电压Vac的瞬时值实时变化；第二系数产生单元232，判断交流输入电压Vac的有效值是否为高压或者低压(如通过将交流输入电压Vac在一个周期内的有效值与高电压阈值或低电压阈值进行比较)，并判断后级电路抽取的电流大小(如通过将比例积分信号VCMP与高电流阈值或低电流阈值进行比较)，输出具有相应校正值的第二系数k2；第二乘法单元233，对PF补偿信号SPF和第二系数k2执行相乘运算，得到PF补偿信号SPF与第二系数k2的乘积SPF*k2。
在本发明的一个实施例中，功率级电路101还包括续流功率开关(如图3所示)，在主功率开关S1断开期间，该续流功率开关对功率级电路101进行续流，以将输入传递至输出。所述逻辑模块24还接收该续流功率开关的电流过零信息，以控制主功率开关S1。根据续流功率开关的电流过零情况导通主功率开关S1为本领域技术人员熟知的技术，且不是本发明的讨论重点，为叙述简明，这里不再详述。
图3为根据本发明实施例的开关电源电路300的电路结构示意图。图3所示实施例具体示出了功率级电路101的电路结构示意图。具体来说，在图3所示实施例中，所述功率级电路101包括boost(升压)电路，具有输入电感、主功率开关S1、续流功率开关和输出电容。所述控制电路102经由第一二极管D1和第二二极管D2接收交流输入电压VAC，经由电阻分压电路接收表征输出电压VO的反馈电压VFB，产生开关控制信号GSW，以控制功率级电路101的主功率开关S1在不同的交流输入电压和后级电路抽取的不同电流情况下，具有不同的导通时长。
图4示出根据本发明实施例的用于开关电源电路的方法400的流程图。所述开关电源电路具有功率级电路，所述功率级电路包括被周期性导通和断开的主功率开关。所述方法包括：
步骤401，接收交流输入电压，通过功率级电路转化为输出电压，提供给后级电路。
步骤402，根据交流输入电压的大小和后级电路抽取的电流大小，调整主功率开关的导通时长，其中所述主功率开关的导通时长包含基础时长、THD补偿时长与第一系数的乘积、PF补偿时长与第二系数的乘积，使得：
(1)当交流输入电压的有效值大于高电压阈值且后级电路抽取的电流大于高电流阈值时，第一系数具有第一补偿值、第二系数具有第一校正值；
(2)当交流输入电压的有效值大于高电压阈值且后级电路抽取的电流小于低电流阈值时，第一系数具有第二补偿值、第二系数具有第二校正值；
(3)当交流输入电压的有效值小于低电压阈值后级电路抽取的电流大于高电流阈值时，第一系数具有第三补偿值、第二系数具有第三校正值；
(4)当交流输入电压的有效值小于低电压阈值且后级电路抽取的电流小于低电流阈值时，第一系数具有第四补偿值、第二系数具有第四校正值。
在本发明的一个实施例中，所述基础时长交流输入电压Vac的峰值和后级电路抽取的电流大小决定。
在本发明的一个实施例中，所述THD补偿时长和PF补偿时长均随交流输入电压Vac的瞬时值而实时变化。
前述根据本发明多个实施例的开关电源电路及其方法，在交流输入电压的不同瞬时值情况下及后级电路抽取不同的电流情况下，通过设置不同的有效THD补偿时长和有效PF补偿时长来调整主功率开关的导通时间，从而优化了总谐波失真和功率因数。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种开关电源电路，包括：
功率级电路，经由整流桥、安规电容和输入电容接收交流输入电压，产生用于提供给后级电路的输出电压，所述功率级电路至少包括主功率开关；
控制电路，根据交流输入电压和输出电压的信息，控制主功率开关的导通和断开，使主功率开关在交流输入电压和后级电路抽取不同的电流情况下，具有不同的导通时长；其中主功率开关的导通时长为基础时长、THD补偿时长与第一系数的乘积、PF补偿时长与第二系数的乘积三者之和，且：
当交流输入电压的有效值大于高电压阈值且后级电路抽取的电流大于高电流阈值时，第一系数具有第一补偿值、第二系数具有第一校正值；
当交流输入电压的有效值大于高电压阈值且后级电路抽取的电流小于低电流阈值时，第一系数具有第二补偿值、第二系数具有第二校正值。
2.如权利要求1所述的开关电源电路，其中：
当交流输入电压的有效值小于低电压阈值且后级电路抽取的电流大于高电流阈值时，第一系数具有第三补偿值、第二系数具有第三校正值。
3.如权利要求1所述的开关电源电路，其中：
当交流输入电压的有效值小于低电压阈值且后级电路抽取的电流小于低电流阈值时，第一系数具有第四补偿值、第二系数具有第四校正值。
4.如权利要求1所述的开关电源电路，其中：
基础时长由交流输入电压的峰值和后级电路抽取的电流大小决定；
THD补偿时长以及PF补偿时长均随交流输入电压的瞬时值而实时变化。
5.如权利要求1所述的开关电源电路，其中所述控制电路包括：
比例积分电路，根据表征输出电压的反馈电压和一内部参考电压产生比例积分信号；
基础导通时间模块，根据交流输入电压的峰值和比例积分信号，产生基础信号；
THD补偿模块，根据交流输入电压和比例积分信号，得到THD补偿信号和第一系数，并产生THD补偿信号与第一系数的乘积；
PF补偿模块，根据交流输入电压和比例积分信号，得到PF补偿信号和第二系数，并产生PF补偿信号与第二系数的乘积；
逻辑模块，根据基础信号、THD补偿信号与第一系数的乘积、PF补偿信号与第二系数的乘积，产生开关控制信号，用以控制主功率开关。
6.如权利要求5所述的开关电源电路，其中所述THD补偿模块包括：
THD单元，根据交流输入电压，产生THD补偿信号，所述THD补偿信号的有效电平时长随交流输入电压的瞬时值实时变化；
第一系数产生单元，判断交流输入电压的有效值是否为高压或者低压，并判断后级电路抽取的电流大小，输出具有相应补偿值的第一系数；
第一乘法单元，对THD补偿信号和第一系数执行相乘运算，得到THD补偿信号与第一系数的乘积。
7.如权利要求5所述的开关电源电路，其中所述PF补偿模块包括：
PF单元，根据交流输入电压，产生PF补偿信号，所述PF补偿信号的有效电平时长随交流输入电压的瞬时值实时变化；
第二系数产生单元，判断交流输入电压的有效值是否为高压或者低压，并判断后级电路抽取的电流大小，输出具有相应校正值的第二系数；
第二乘法单元，对PF补偿信号和第二系数执行相乘运算，得到PF补偿信号与第二系数的乘积。
8.一种用于开关电源电路的方法，所述开关电源电路具有功率级电路，所述功率级电路包括被周期性导通和断开的主功率开关，所述方法包括：
接收交流输入电压，通过功率级电路转化为输出电压，提供给后级电路；
根据交流输入电压的大小和后级电路抽取的电流大小，调整主功率开关的导通时长，其中所述主功率开关的导通时长为基础时长、THD补偿时长与第一系数的乘积、PF补偿时长与第二系数的乘积三者之和，使得：
当交流输入电压的有效值大于高电压阈值且后级电路抽取的电流大于高电流阈值时，第一系数具有第一补偿值、第二系数具有第一校正值；
当交流输入电压的有效值大于高电压阈值且后级电路抽取的电流小于低电流阈值时，第一系数具有第二补偿值、第二系数具有第二校正值。
9.如权利要求8所述的方法，其中：
当交流输入电压的有效值小于低电压阈值后级电路抽取的电流大于高电流阈值时，第一系数具有第三补偿值、第二系数具有第三校正值；
当交流输入电压的有效值小于低电压阈值且后级电路抽取的电流小于低电流阈值时，第一系数具有第四补偿值、第二系数具有第四校正值。
10.如权利要求8所述的方法，其中：
所述基础时长交流输入电压的峰值和后级电路抽取的电流大小决定；
所述THD补偿时长和PF补偿时长均随交流输入电压的瞬时值而实时变化。
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