一种开关变换电路的制作方法

本实用新型涉及一种电力电子领域，更具体地说，本实用新型涉及一种开关变换电路。

背景技术：

开关变换电路由于其高效率、易控制等优点，在电源转换领域得到了广泛应用。在交流-直流(AC-DC)变换中，为了防止变换器的输入电流对电网造成污染，通常要求变换器达到行业或者各个国家/地区规定的功率因数和谐波要求。

开关变换电路的多种控制方式中，恒定导通时间(constant on time，COT)控制由于瞬态响应速度快、结构简单等优点，被广泛采用。

Buck变换器是降压型拓扑，在线电压小于输出电压时，变换器不工作，因此输入电流存在死区时间。如图1所示，在时刻0至时刻t1以及时刻t2至时刻t3之间，由于线电压Vac小于输出电压V_O，变换器不工作，电感电流i_L为零。该死区时间使得谐波不能满足class-C的要求。

技术实现要素：

因此本实用新型的目的在于解决现有技术的上述技术问题，提出一种改进的开关变换电路。

为实现上述目的，根据本实用新型的实施例，提出了一种开关变换电路，包括：整流单元，接收交流输入电压，产生整流电压；功率开关电路，包括主功率管和电感，其中在主功率管被导通期间，流过电感的电流增大、电感存储能量；在主功率管被断开期间，电感上存储的能量被释放，以传递给输出；误差放大器，对表征输出信号的反馈信号和参考信号的差值进行放大，产生误差放大信号；比较器，比较误差放大信号和斜坡信号大小，产生比较信号，其中所述斜坡信号在主功率管断开期间被复位为零、在主功率管导通期间增大，其增长的斜率与主功率管导通时电感两端的电压成负相关；逻辑驱动电路，根据比较信号产生逻辑驱动信号，用以控制功率开关电路的运行。

根据本实用新型的开关变换电路，改善了电路的谐波特性，使电路能满足class C的要求。

附图说明

图1示意性地示出了采用传统COT控制的buck变换器的线电压Vac、电感电流i_L和输入平均电流的时序波形图；

图2示意性地示出了根据本实用新型实施例的开关变换电路100；

图3示意性地示出了根据本实用新型实施例的图2所示开关变换电路100的控制电路105和斜坡产生电路106的电路结构示意图；

图4示意性地示出了根据本实用新型一实施例的开关变换电路200；

图5示意性地示出了根据本实用新型一实施例的开关变换电路300；

图6示意性地示出了交流输入电压的有效值为230伏(Vin＝230V)时，前述根据本实用新型实施例的开关变换电路的输入电流i_ac(实线)和传统cot控制下的开关变换电路的输入电流i_pr(虚线)的时序波形图；

图7示意性地示出了交流输入电压的有效值为115伏(Vin＝115V)时，前述根据本实用新型实施例的开关变换电路的输入电流i_ac(实线)和传统cot控制下的开关变换电路的输入电流i_pr(虚线)的时序波形图；

图8示出前述根据本实用新型实施例的开关变换电路的交流输入电流的各次谐波；

图9示出了根据本实用新型实施例的斜坡信号产生电路106中受控电流源62的电路结构示意图；

图10为根据本实用新型实施例的用于开关变换电路的方法的流程示意图400。

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本实用新型。在以下描述中，为了提供对本实用新型的透彻理解，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实用新型。在其他实例中，为了避免混淆本实用新型，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实用新型至少一个实施例中。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2示意性地示出了根据本实用新型实施例的开关变换电路100。在图2所示实施例中，开关变换电路100包括：整流单元101，接收交流输入电压(线电压)Vac，产生整流电压Vdc(即通常说的馒头波)；功率开关电路102，包括主功率管和电感，其中在主功率管被导通期间，流过电感的电流增大、电感存储能量，在主功率管被断开期间，电感上存储的能量被释放，以传递给输出；误差放大器(EA)103，接收表征输出信号(如输出电压V_O或者输出电流I_O)的反馈信号FB和参考信号REF，所述误差放大器103对反馈信号FB和参考信号REF的差值进行放大，产生误差放大信号CMP；比较器104，接收所述误差放大信号CMP和斜坡信号ramp，所述比较器104比较误差放大信号CMP和斜坡信号ramp大小，产生比较信号，其中所述斜坡信号ramp在主功率管导通期间增大、在主功率管断开期间被复位为零，其增长的斜率与电感电流增长的斜率(即主功率管导通时电感两端的电压)成负相关，即电感电流增长得越快(电感两端电压越大)，斜坡信号ramp增长得越慢，电感电流增长得越慢(电感两端电压越小)，斜坡信号ramp增长得越快；逻辑驱动电路105，接收比较信号，产生逻辑驱动信号Dr，用以控制功率开关电路102的运行。

在一个实施例中，当斜坡信号ramp大于误差放大信号CMP时，主功率管被断开，电感电流开始下降，直至电感电流下降为零，主功率管被重新导通。也就是说，电路运行于临界模式，以减小开关损耗。

在图2所示实施例中，所述逻辑驱动电路105还接收电感电流过零检测信号ZCD，并响应过零检测信号ZCD将主功率管导通。也就是说，所述过零检测信号ZCD表征电感电流的过零点。

当输出为恒压需求(如笔记本电脑、台式电脑)时，反馈信号FB表征输出电压V_O；当输出为恒流需求(如LED照明)时，反馈信号FB表征输出电流I_O。

在一个实施例中，所述斜坡信号ramp由斜坡信号产生电路产生。

图3示意性地示出了根据本实用新型实施例的图2所示开关变换电路100的控制电路105和斜坡产生电路106的电路结构示意图。在图3所示实施例中，所述斜坡信号产生电路106包括：恒定电流源61，提供恒定的充电电流；受控电流源62，提供受控的放电电流；并联耦接的电容63和复位开关64，其中复位开关64的导通状态和功率开关电路102中的主功率管相反，所述电容63在复位开关64导通时被复位为零，在复位开关64断开时被恒定电流源61充电、同时被受控电流源62放电，所述电容63两端电压为斜坡信号ramp。

当功率开关电路采用buck拓扑时，受控电流源62提供的放电电流与交流输入电压Vac的瞬时值和输出电压之差成比例；当功率开关电路102采用boost拓扑时，受控电流源62提供的放电电流与输入电压成比例。即：受控电流源62提供的电流与主功率管导通期间施加在电感上的电压成比例。

在图3所示实施例中，所述逻辑驱动电路105包括：RS触发器51，具有置位输入端S、复位输入端R和输出端Q，所述置位输入端S接收过零检测信号ZCD，复位输入端R接收比较信号，所述RS触发器响应过零检测信号ZCD被置位、响应比较信号被复位，产生逻辑信号；驱动器52，响应逻辑信号产生逻辑驱动信号Dr，用以控制功率开关电路102的运行。

图4示意性地示出了根据本实用新型一实施例的开关变换电路200。在图4所示实施例中，所述功率开关电路102包括典型buck变换器。图4所示开关变换电路200的输出用以驱动LED串，因此要求输出为恒流。具体来说，在图4所示实施例中，所述开关变换电路200包括：整流单元101，接收交流输入电压(线电压)Vac，产生整流电压Vdc；功率开关电路102，包括主功率管21、电感22和续流功率管23，其中在主功率管21被导通期间，流过电感22的电流增大、电感22存储能量，在主功率管21被断开期间，电感上存储的能量通过续流功率管23被释放，以传递给输出；误差放大器(EA)103，接收表征输出电流的反馈信号I_FB和参考信号REF，所述误差放大器103对反馈信号I_FB和参考信号REF的差值进行放大，产生误差放大信号CMP；比较器104，接收所述误差放大信号CMP和斜坡信号ramp，所述比较器104比较误差放大信号CMP和斜坡信号ramp大小，产生比较信号；逻辑驱动电路105，接收比较信号，产生逻辑驱动信号Dr，用以控制功率开关电路102的运行；斜坡信号产生电路106，所述斜坡信号产生电路包括：恒定电流源61，提供恒定的充电电流；受控电流源62，根据电感22两端的电压提供放电电流，其中电感22两端的电压越大，受控电流源62的放电电流也越大；并联耦接在比较器104和参考地之间的电容63和复位开关64，其中复位开关64的导通状态与主功率管22相反，所述电容63在主功率管22断开时被复位开关64复位为零，在主功率管22导通时被恒定电流源61充电同时被受控电流源62放电，所述电容63两端电压为所述斜坡信号ramp。

由于在主功率管断开时，电容63被复位；而在主功率管导通时，电容被恒定电流源61充电同时被受控电流源62放电，因此受控电流源62提供的放电电流实际上由主功率管导通期间电感22两端的电压决定。

在图4所示实施例中，所述开关变换电路200还包括：运算放大器OP，跨接在电感22两端，产生表征电感22两端电压的采样电压V_L。

在一个实施例中，误差放大器103、比较器104、逻辑驱动电路105和斜坡信号产生电路106均被集成进一芯片。

图5示意性地示出了根据本实用新型一实施例的开关变换电路300。图5所示开关变换电路300与图4所示开关变换电路200原理一致。与图4所示开关变换电路200不同的是，在图5所示实施例中，所述误差放大器103、比较器104、逻辑驱动电路105和斜坡信号产生电路106的参考地为芯片地GND，该芯片地GND耦接至主功率管21和电感22的共同耦接点；所述开关变换电路300还包括：电流采样电阻Ri，耦接在芯片地和主功率管21之间，产生表征输出电流的反馈信号I_FB；反馈电阻Rc，耦接至电感22，产生表征电感22两端电压的采样电压V_L。

在电路运行时，当交流输入电压Vac的瞬时值大于输出电压V_O时，功率开关电路102开始工作。当主功率管21被导通时，复位开关63被断开，则电容63开始被恒定电流源61充电、被受控电流源62放电，斜坡信号ramp开始增大。随着交流输入电压Vac的增大，开关导通期间，电感22两端的电压(Vac-V_O)随之增大，采样电压V_L也随之增大，受控电流源62的放电电流也增大。相应的，斜坡信号ramp增大的斜率变小。即斜坡信号ramp增长的斜率与主功率管导通时电感两端的电压成负相关，开关导通期间电感两端电压高，斜坡信号的增长斜率较小，开关导通期间电感两端电压低时，斜坡信号的增长斜率较大。斜坡信号ramp将迟些碰到误差放大器103输出的误差放大信号CMP。而由于误差放大器的响应速度很慢，且带宽低于线电压的频率(如50hz)，误差放大信号CMP在一个开关周期内可视为恒定。因此，随着交流输入电压Vac的增大，主功率管21的导通时间ton也增大。

图6示意性地示出了交流输入电压的有效值为230伏(Vin＝230V)时，前述根据本实用新型实施例的开关变换电路的输入电流i_ac(实线)和传统cot控制下的开关变换电路的输入电流i_pr(虚线)的时序波形图。

图7示意性地示出了交流输入电压的有效值为115伏(Vin＝115V)时，前述根据本实用新型实施例的开关变换电路的输入电流i_ac(实线)和传统cot控制下的开关变换电路的输入电流i_pr(虚线)的时序波形图。

图8示出前述根据本实用新型实施例的开关变换电路的交流输入电流的各次谐波，其中曲线10表示class C的上限值，实线框条表示本实用新型实施例的输入电流的各次谐波幅度，虚线框条表示传统COT控制下开关变换电路的交流输入电流的各次谐波幅度。从图8总可以看到，基于本实用新型实施例的交流输入电流各次谐波可以满足class C的要求，而传统方法无法满足。

图8可以看出，前述根据本实用新型各个实施例的开关变换电路满足了class C标准。

图9示出了根据本实用新型实施例的斜坡信号产生电路106中受控电流源62的电路结构示意图。在图9所示实施例中，所述受控电流源62包括：如图耦接的运算放大器601、晶体管602和电阻603，将采样电压V_L转化为电流信号i1；电流镜604，接收电流信号i1，输出所述受控的放电电流(i_con)。在一个实施例中，所述电流信号的电流等级i1是放电电流i_con的几百倍至几千倍。

进一步地，本实用新型还提出了一种用于开关变换电路的方法，如图10所示的为根据本实用新型实施例的用于开关变换电路的方法的流程示意图400，所述开关变换电路包括功率开关电路，所述功率开关电路包括主功率管和电感，其中在主功率管被导通期间，电感存储能量，在主功率管被断开期间，电感上存储的能量被释放，以产生输出信号，所述方法包括：

步骤402，提供表征输出信号的反馈信号、表征电感两端电压的采样电压；

步骤404，将所述反馈信号和参考信号的差值进行放大，得到误差放大信号；

步骤406，在主功率管导通期间，通过恒定电流源给电容充电，同时通过与电感两端电压相关的受控电流源给所述电容放电，以产生斜坡信号；在主功率管断开期间，对所述斜坡信号进行复位；

步骤408：将斜坡信号和误差放大信号进行比较，产生比较信号；

步骤410，响应比较信号，断开所述主功率管。

在一个实施例中，所述受控电流源的放电电流与电感两端电压成正比。

在一个实施例中，所述方法还包括：检测电感电流的过零点，产生过零检测信号；响应过零检测信号，导通所述主功率管。

虽然已参照几个典型实施例描述了本实用新型，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。由于本实用新型能够以多种形式具体实施而不脱离实用新型的精神或实质，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。