专利名称：开关电源及其控制电路和控制方法
技术领域：
本发明的实施例涉及一种开关电源，特别地，涉及一种开关电源及其控制电路和控制方法。
背景技术：
如今，开关电源被广泛用来为电子设备供电。一般地，开关电源从电网获得交流电压，通过整流桥将该交流电压转换为不控直流电压，再通过开关电路将该不控直流电压转换为所需信号以驱动负载。然而，随着开关电源的广泛应用，愈来愈多的谐波电流被注入电网。高次谐波的产生，增加了电能谐波损耗，降低了系统功率因数，对电网产生很大的危害。它不仅影响电网的质量，而且还对电网的可靠性有很大的影响，严重时会造成继电保护误动，烧毁保护电路板、数字电表及其它装置。因此，开关电源必须减小谐波分量，提高功率因数。一种常用的功率因数校正方法为使整流桥输出电流的峰值，即开关电路输入电流的峰值跟随开关电路的输入电压。为了降低电磁干扰(electro magnetic interference, EMI)，在电网和整流桥之间通常电耦接一 EMI滤波器。由于该EMI滤波器的存在，开关电路输入电流的平均值即等于开关电源从电网获取的电流，即开关电源的输入电流。对输入电流连续的开关电路(例如升压电路)而言，若开关电路输入电流的峰值跟随开关电路的输入电压，则开关电源输入电流的波形为正弦波，且与电网电压同相。因而开关电源的功率因数高且谐波分量小。但是，对于输入电流不连续的开关电路(例如降压电路、升降压电路、 反激电路)而言，情况却并非如此。图1和图2为现有的输入电流不连续的开关电路的波形图，其中Iin为开关电路的输入电流，Ipk为开关电路输入电流的峰值，CTRL为开关电路中开关管的控制信号，Iave为开关电路的输入平均电流。由图可知，当开关电路输入电流峰值Ipk的波形为正弦波时，其输入电流的平均值Iave，即开关电源输入电流的波形并非为正弦。因而开关电源输入电流的谐波分量大、谐波畸变率(total harmonic distortion, )高，开关电源的功率因数受到不利影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种低电流谐波畸变率、高功率因数的开关电源及其控制电路和控制方法。依据本发明实施例提出的一种开关电源控制电路，该开关电源包括开关电路，开关电路包括开关管和电耦接至开关管的储能元件，随着开关管的导通和关断，所述储能元件存储和输出能量，该控制电路包括预处理电路，根据开关电路的输入电压和输出电压产生第一乘法输入信号；第一乘法电路，电耦接至预处理电路，将第一乘法输入信号与第二乘法输入信号相乘，并产生第一乘积信号；第一比较电路，将代表开关电路输入电流的电流采样信号与第一乘积信号进行比较；以及逻辑电路，电耦接至开关管的门极和第一比较电路，在代表开关电路输入电流的电流采样信号大于或大于等于第一乘积信号时，将开关管关断。依据本发明实施例提出的一种开关电源，包括开关电路，包括开关管和储能元件，随着开关管的导通和关断，所述储能元件存储和输出能量；电流采样电路，电耦接至开关电路的输入端，采样开关电路的输入电流，并产生电流采样信号；如前所述的开关电源控制电路，电耦接至开关管的门极，控制开关管的导通与关断。依据本发明实施例提出的一种开关电源，包括开关电路，包括开关管和储能元件，随着开关管的导通和关断，所述储能元件存储和输出能量；电流采样电路，电耦接至开关电路的输入端，采样开关电路的输入电流，并产生电流采样信号；预处理电路，电耦接至开关电路的输入端，根据开关电路的输入电压产生第一乘法输入信号，该预处理电路包括电阻分压电路和至少一条包含稳压二极管的二极管支路，电阻分压电路包括多个电阻器， 二极管支路与电阻分压电路中的一个或多个电阻器并联；第一乘法电路，电耦接至预处理电路，将第一乘法输入信号与第二乘法输入信号相乘，并产生第一乘积信号；第一比较电路，电耦接至电流采样电路和第一乘法电路，将电流采样信号与第一乘积信号进行比较；以及逻辑电路，电耦接至开关管的门极和比较电路，在电流采样信号大于或大于等于第一乘积信号时，将开关管关断。依据本发明实施例提出的一种开关电源控制方法，该开关电源包括开关电路，开关电路包括开关管和电耦接至开关管的储能元件，随着开关管的导通和关断，所述储能元件存储和输出能量，该控制方法包括采样开关电路的输入电流，并产生电流采样信号；根据开关电路的输入电压和输出电压产生第一乘法输入信号；将第一乘法输入信号与第二乘法输入信号相乘，产生第一乘积信号；将电流采样信号与第一乘积信号进行比较；以及在电流采样信号大于或大于等于第一乘积信号时，将开关管关断。依据本发明实施例提出的一种开关电源，包括开关电路，包括开关管和储能元件，随着开关管的导通和关断，所述储能元件存储和输出能量；电流采样电路，电耦接至开关电路的输入端，采样开关电路的输入电流，并产生电流采样信号；预处理电路，电耦接至开关电路的输入端，根据开关电路的输入电压产生第一乘法输入信号；第一乘法电路，电耦接至预处理电路，将第一乘法输入信号与第二乘法输入信号相乘，并产生第一乘积信号；第一比较电路，电耦接至电流采样电路和第一乘法电路，将电流采样信号与第一乘积信号进行比较；以及逻辑电路，电耦接至开关管的门极和比较电路，在电流采样信号大于或大于等于第一乘积信号时，将开关管关断；其中在开关电路输入电压大于预设值时，第一乘法输入信号等于开关电路输入电压的倍数与一常数之差，在开关电路输入电压小于预设值时，第一乘法输入信号与开关电路输入电压成比例关系。依据本发明实施例提出的一种开关电源控制方法，该开关电源包括开关电路，开关电路包括开关管和电耦接至开关管的储能元件，随着开关管的导通和关断，所述储能元件存储和输出能量，该控制方法包括采样开关电路的输入电流，并产生电流采样信号；根据开关电路的输入电压产生第一乘法输入信号；将第一乘法输入信号与第二乘法输入信号相乘，产生第一乘积信号；将电流采样信号与第一乘积信号进行比较；以及在电流采样信号大于或大于等于第一乘积信号时，将开关管关断；其中在开关电路输入电压大于预设值时，第一乘法输入信号等于开关电路输入电压的倍数与一常数之差，在开关电路输入电压小于预设值时，第一乘法输入信号与开关电路输入电压成比例关系。通过调节第一乘法输入信号，使开关电源输入平均电流的波形跟随输入电压，减小了开关电源输入电流的谐波分量，降低了 THD，并提高了开关电源的功率因数。
图1和图2为现有的输入电流不连续的开关电路的波形图；图3A为根据本发明一实施例的开关电源的框图；图;3B为根据本发明一实施例的图3A所示预处理电路的框图；图3C为根据本发明另一实施例的图3A所示预处理电路的框图；图4为根据本发明一实施例的开关电源的曲线图；图5为根据本发明另一实施例的开关电源的框图；图6为根据本发明一实施例的开关电源的电路图；图7为根据本发明一实施例的预处理电路的电路图；图8为根据本发明另一实施例的预处理电路的电路图；图9为根据本发明又一实施例的预处理电路的电路图；图10为根据本发明再一实施例的预处理电路的电路图；图11为根据本发明一实施例的开关电源控制方法的流程图。
具体实施例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“连接到”或“耦接到”另一元件时，它可以是直接连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“直接连接到”或“直接耦接到”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3A为根据本发明一实施例的开关电源300的框图，包括开关电路301、电流采样电路303和控制电路。开关电路301包括开关管和储能元件，通过整流桥(未示出)从电网获取电能。储能元件电耦接至开关管，随着开关管的导通和关断，储能元件存储和输出能量。开关电路301可以采用升降压电路、降压电路、反激电路等直流/直流拓扑结构。开关管可以是任何可控半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。电流采样电路303电耦接至开关电路301的输入端，采样开关电路301的输入电流Iin，并产生电流采样信号Ismse。控制电路电耦接至开关电路301中开关管的门极，产生控制信号CTRL以控制开关管的导通与关断。控制电路包括预处理电路305、第一乘法电路306、第一比较电路307和逻辑电路304。预处理电路305根据开关电路301的输入电压Vin和输出电压V。ut产生第一乘法输入信号MULT。第一乘法电路306电耦接至预处理电路305，将第一乘法输入信号MULT 与第二乘法输入信号相乘，并产生第一乘积信号MUL0。第一比较电路307电耦接至电流采样电路303和第一乘法电路306，将电流采样信号Isense与第一乘积信号MULO进行比较。逻辑电路304电耦接至开关管的门极和第一比较电路307，在电流采样信号Isense大于或大于等于第一乘积信号MULO时，将开关管关断。在一个实施例中，第二乘法输入信号为与开关电路301的输出电压、输出电流或输出功率相关的补偿信号C0MP。开关电路301可工作在电流连续模式、电流断续模式或电流临界连续模式。在一个实施例中，逻辑电路304在流过储能元件的电流减小至零时，将开关管导通，从而使开关电路301工作在电流临界连续模式。该电流的过零检测可通过监测开关管两端的电压来实现。在电流临界连续模式下，开关电路301的输入平均电流Iare可表示为Iave = 0. 5*T。n*Ipk/T = 0. 5*D*Ipk (公式 1)其中T为开关周期，T。n为开关管在一个开关周期中的导通时间，D为开关管的占空比，Ipk为开关电路301输入电流的峰值。由于逻辑电路304在电流采样信号Isense大于或大于等于第一乘积信号MULO时，将开关管关断，因而开关电路301输入电流的峰值Ipk可表示为Ipk = MULO/m = MULT*C0MP/m(公式 2)其中m为电流采样电路303的电流采样系数。若要使开关电路的输入平均电流Iave 跟随输入电压Vin，需要使两者成比例关系，即Iave = 0. 5*D*MULT*C0MP/m = k*Vin (公式 3)其中k与开关电源输入阻抗有关的常数。由于在开关电路301的稳定状态下，COMP 信号基本不变(可被视为常数)，第一乘法输入信号MULT可表示为MULT = p*Vin/D(公式 4)其中 ρ = 2*k*m/C0MP。对于降压电路，占空比D可表示为D = Vout/Vin(公式 5)结合公式4和公式5，则有MULT = p*Vin2/V。ut(公式 6)由于降压电路的输出端通常并联有容值较大的电容器，其输出电压V。ut基本不变 (可被视为常数)，前式可被简化为MULT = q*Vin2(公式 7)其中q = p/V0Ut = 2*k*m/ (COMP^Vout)。对于升降压电路，占空比D可表示为D = V0Ut/(Vin+V0Ut)(公式 8)结合公式4和公式8，则有
MULT = p* (Vin+Vout) *Vin/V。ut(公式 9)由于升降压电路的输出端通常并联有大容值的电容器，其输出电压V。ut基本不变， 前式可被简化为MULT = q* (Vin+Vout) *Vin(公式 10)对于反激电路，占空比D可表示为D = Vout/ (n*Vin+V。ut)(公式 11)其中η为变压器次级绕组和初级绕组的匝数比。结合公式4和公式11，有MULT = ρ* (n*Vin+V。ut) *Vin/V。ut(公式 12)由于反激电路的输出端通常并联有大容值的电容器，其输出电压V。ut基本不变，前式可被简化为MULT = q* (n*Vin+V。ut) *Vin(公式 13)本领域普通技术人员可知，在电流连续模式和电流断续模式下第一乘法输入信号 MULT与开关电路输入电压Vin和输出电压V。ut的关系，可通过与以上推导过程类似的方法得
出ο根据开关电路的输入电压Vin和输出电压V。ut产生第一乘法输入信号MULT，并通过该第一乘法输入信号调节开关电路输入电流Iin的峰值Ipk，使开关电路的输入平均电流 Iave跟随输入电压Vin。即开关电路输入平均电流Iare的波形与输入电压Vin的波形一样，均为整流后的正弦波(馒头波)，且二者同相。因而减小了开关电源输入电流的谐波分量，降低了 THD，并提高了功率因数。在一个实施例中，开关电源300还包括输入电压采样电路302和输出电压采样电路308。输入电压采样电路302电耦接至开关电路301的输入端，采样开关电路的输入电压Vin，并产生输入电压采样信号Vsensel。输出电压采样电路308耦接至开关电路301的输出端，采样开关电路的输出电压V。ut，并产生输出电压采样信号Vsense2。预处理电路305电耦接至输入电压采样电路302和输出电压采样电路308，根据输入电压采样信号Vsensel和输出电压采样信号Vsmse2产生第一乘法输入信号MULT。图;3B为根据本发明一实施例的图3A所示预处理电路305的框图，包括平方电路 331和除法电路332。平方电路331电耦接至输入电压采样电路302以接收输入电压采样信号Vs并产生输入电压采样信号Vsmsel的平方信号。除法电路332电耦接至平方电路 331和输出电压采样电路308，将平方信号和输出电压采样信号Vsmse2相除，产生第一乘法输入信号MULT。在一个实施例中，除法电路332可省略，预处理电路305将平方电路331的输出信号作为第一乘法输入信号MULT。图3C为根据本发明另一实施例的图3A所示预处理电路305的框图，包括倍乘电路333、加法电路334、第二乘法电路335和除法电路336。倍乘电路333电耦接至输入电压采样电路302，将输入电压采样信号Vsensel与一常数相乘，产生倍乘信号。加法电路334 电耦接至倍乘电路333和输出电压采样电路308，将倍乘信号与输出电压采样信号Vsense2相加，产生加法信号。第二乘法电路335电耦接至加法电路334和输入电压采样电路302，将加法信号和输入电压采样信号Vsmsel相乘，产生第二乘积信号。除法电路336电耦接至第二乘法电路335和输出电压采样电路308，将第二乘积信号和输出电压采样信号Vsense2相除， 产生第一乘法输入信号MULT。在一个实施例中，除法电路336可省略，预处理电路305将第
10二乘法电路335的输出信号作为第一乘法输入信号MULT。采样开关电路的输入电压和输出电压，并根据输入电压采样信号和输出电压电压采样信号产生第一乘法输入信号MULT，以使开关电路输入平均电流跟随输入电压，需要额外的输出电压采样电路，且预处理电路需要进行复杂的数学运算。实践中，可通过曲线拟合，采用简单的电路元件，例如电阻器、电容器、稳压二极管等，根据开关电路输入电压Vin 来产生第一乘法输入信号MULT。以下以电流临界连续模式的升降压电路为例，作详细说明。图4为根据本发明一实施例的开关电源的曲线图，其中目标曲线的函数为q* (Vin+Vout) *Vin = q* (Vpk* I Sint I +Vout) *Vpk* | Sint |，其中Vpk为开关电路输入电压Vin的峰值。曲线A的函数为 a* I Sint I,曲线B的函数为b*|Sint卜c，其中a、b、c为常数。由图可知，在半个周期中，曲线A和曲线B存在两个交点。这两个交点所对应的开关电路输入电压Vin相等，假设该电压值为VI。在两个交点之间，即开关电路输入电压Vin大于Vl时，采用曲线B，第一乘法输入信号MULT等于开关电路输入电压Vin的倍数与一常数之差；在两个交点之外，即开关电路输入电压Vin小于Vl时，采用曲线A，第一乘法输入信号MULT与开关电路输入电压Vin成比例关系。这样可较好地实现对目标曲线的曲线拟合。常数a，b，c的取值可通过以最小化THD 为目标的系统仿真或电路实验来确定。本领域技术人员可知，可通过更多的曲线来对目标曲线进行曲线拟合。在一个实施例中，除了上述的A、B曲线夕卜，还包括C曲线，C曲线的函数为d* I Sint卜e，其中d、e为常数。经分析可知，对于电流临界连续模式的降压电路和反激电路，也可用上述曲线来进行曲线拟合。图5为根据本发明一实施例的开关电源500的框图，包括开关电路501、电流采样电路503、预处理电路505、第一乘法电路506、第一比较电路507和逻辑电路504。开关电路501、电流采样电路503、第一乘法电路506、第一比较电路507和逻辑电路504与图3所示开关电源300中的对应电路基本相同。预处理电路505电耦接至开关电路501的输入端，包括电阻器和稳压二极管，根据开关电路的输入电压Vin产生第一乘法输入信号MULT。预处理电路505包括电阻分压电路和至少一条二极管支路。电阻分压电路包括多个串联和/或并联的电阻器。二极管支路包含稳压二极管，与电阻分压电路中的一个或多个电阻器并联。预处理电路505利用稳压二极管在反向电压小于击穿电压前不导通，在反向电压大于击穿电压后两端电压为稳定电压的特性，来实现对目标曲线的曲线拟合。图6为根据本发明一实施例的开关电源600的电路图，该开关电源用于驱动发光二极管串，包括EMI滤波器、整流桥、开关电路601(未标示)、电流采样电路603和预处理电路605、第一乘法电路606、第一比较电路607、第二比较电路611和逻辑电路604。开关电路601采用反激拓扑结构，包括输入电容器Cin、变压器Tl、开关管Si、二极管Dl和输出电
各器C0Uto整流桥通过EMI滤波器从电网接收交流电压Va。，并将其转换为不控直流电压。输入电容器Cin并联至整流桥的输出端。变压器Tl具有初级绕组、次级绕组和辅助绕组。输入电容器Cin的一端电耦接至变压器Tl初级绕组的一端，另一端接地。开关管Sl为NMOS (η 型M0SFET)，电耦接在变压器Tl初级绕组的另一端和地之间。二极管Dl的阳极电耦接至变压器Tl次级绕组的一端，二极管Dl的阴极电耦接至输出电容C。ut的一端。输出电容C。ut的另一端电耦接至变压器Tl次级绕组的另一端。发光二极管串并联连接在输出电容C-两端。在一个实施例中，二极管Dl由同步整流管代替。电流采样电路603包括电阻器R4，电耦接在开关管Sl的源极和地之间，采样流过开关管Sl的电流(即开关电路601的输入电流)，并产生电流采样信号Isms-预处理电路605包括电阻分压电路和二极管支路。电阻分压电路包括串联连接的电阻器Rl和R2。二极管支路包括串联连接的稳压二极管ZDl和电阻器R3，该支路与电阻器Rl并联。电阻器R2两端的电压即为第一乘法输入信号MULT。电阻器Rl具有第一端和第二端，其中第一端电耦接至开关电路601的输入端。电阻器R2具有第一端和第二端，其中第一端电耦接至电阻器Rl的第二端，第二端接地。稳压二极管ZDl的阴极电耦接至电阻器Rl的第一端，阳极电耦接至电阻器Rl的第二端。电阻器R3与稳压二极管ZDl串联，既可电连接在电阻器Rl的第一端和稳压二极管ZDl的阴极之间，也可电连接在稳压二极管ZDl的阳极和电阻器Rl的第二端之间。当电阻器Rl两端的电压小于稳压二极管ZDl的反向击穿电压Vbki，即开关电路输入电压Vin小于VBK1* (R1+R2) /Rl时，稳压二极管ZDl不导通，此时第一乘法输入信号MULT = R2*Vin/(Rl+R2)。当开关电路输入电压Vin大于或大于等于VBK1*(R1+R2)/R1时，稳压二极管 ZDl被反向击穿并导通，此时第一乘法输入信号MULT = (R2*R3*Vin+Rl*R2*Vin-Rl*R2*VZD1) /(R1*R2+R1*R3+R2*R3)，其中Vzdi为稳压二极管ZDl的稳定电压。第一乘法电路606电耦接至预处理电路605，将第一乘法输入信号MULT与第二乘法输入信号相乘，并产生第一乘积信号MUL0。在一个实施例中，开关电源还包括电流估算电路609和误差放大器AMP。电流估算电路609电耦接至电流采样电路603，接收电流采样信号Ismse,并产生代表流过LED串的电流，即输出电流I。ut的电流估算信号Iest。误差放大器 AMP的同相输入端接收参考信号Vref，反相输入端电耦接至电流估算电路609以接收电流估算信号1@，输出端提供用作第二乘法输入信号的补偿信号C0MP。第一乘法电路606电耦接误差放大器AMP的输出端和预处理电路605，将补偿信号COMP和第一乘法输入信号MULT 相乘，产生第一乘积信号MUL0。第一比较电路607电耦接至电流采样电路603和第一乘法电路606，将电流采样信号Ismse与第一乘积信号MULO进行比较。开关电压采样电路610电耦接至变压器Tl的辅助绕组，采样开关管Sl的端电压，并产生与该电压相关的开关电压采样信号Vs_3。第二比较电路611电耦接至开关电压采样电路，将开关电压采样信号Vsense3与阈值Vth进行比较。 逻辑电路604电耦接至第一比较电路607和第二比较电路611，在电流采样信号Isense大于或大于等于第一乘积信号MULO时，将开关管Sl关断，在开关电压采样信号Vsmse3小于或小于等于阈值Vth时，将开关管Sl导通。在一个实施例中，开关电压采样电路610包括由电阻器R5和R6组成的电阻分压器。在一个实施例中，第一比较电路607包括比较器COMl，其同相输入端电耦接至电流采样电路603以接收电流采样信号Ismse，反相输入端电耦接至第一乘法电路606以接收第一乘积信号MUL0。第二比较电路611包括比较器COM2，其同相输入端接收阈值Vth，反相输入端电耦接至开关电压采样电路610以接收开关电压采样信号Vsense3。逻辑电路604包括RS触发器FF。触发器FF的复位端电耦接至比较器COMl的输出端，置位端电耦接至比较器COM2
12的输出端，输出端电耦接至开关管Sl的栅极。当开关管Sl导通时，变压器Tl存储能量，流过开关管Sl的电流逐渐增大，电流采样信号Ismse也逐渐增大。此时开关电压采样信号Vsmse3小于零，比较器COM2输出高电平。 当电流采样信号Isense增大至大于第一乘积信号MULO时，比较器COMl输出高电平，将触发器FF复位，从而使开关管Sl关断。当开关管Sl关断，流过开关管Sl的电流等于零，电流采样信号Isense也等于零，比较器COMl输出低电平。在开关管Sl关断时，变压器Tl中存储的能量被传送至负载——发光二极管。此时开关电压采样信号Vsense3大于零且大于阈值Vth，比较器COM2输出低电平。 在变压器Tl中存储的能量被全部传送至负载后，变压器Tl的励磁电感和开关管Sl的寄生电容产生谐振。当开关管Sl的端电压谐振至谷底，即开关电压采样信号Vsmse3减小至小于阈值Vth时，比较器COM2输出高电平，将触发器FF置位，从而使开关管Sl导通。预处理电路605通过电阻器和稳压二极管对开关电路的输入电压Vin进行处理，以产生第一乘法输入信号MULT，并通过该第一乘法输入信号MULT调节开关电路输入电流Iin 的峰值，使开关电路输入平均电流Iare跟随输入电压Vin，从而减小了开关电源输入电流的谐波分量，降低了 THD，并提高了功率因数。在一个实施例中，交流电压Va。的有效值为220 伏，对于采用图1所示现有技术的开关电源，其THD为23. 1%。而对于图6所示的开关电源，若取 Vzdi = 150V, Rl = R3 = IMΩ , R2 = 5kQ，其 THD 为 11. 8%。在一个实施例中，预处理电路605中的稳压二极管ZDl由串联连接的多个稳压二极管代替。这样可减小稳压二极管的耐压值，以降低成本。在一个实施例中，预处理电路 605包括多条与电阻器Rl并联的二极管支路，每条二极管支路均包括串联连接的稳压二极管和电阻器。该多条二极管支路中稳压二极管的击穿电压各不相同，以实现通过多条曲线对目标曲线的拟合。图7为根据本发明一实施例的预处理电路705的电路图，电阻分压电路包括电阻器R7 R9，二极管支路包括稳压二极管ZD2。电阻器R7的第一端电耦接至开关电路的输入端以接收开关电路输入电压Vin，第二端电耦接至电阻器R8的第一端。电阻器R8的第二端电耦接至电阻器R9的第一端，电阻器R9的第二端接地。稳压二极管ZD2的阴极电耦接至电阻器R8的第一端，阳极电耦接至电阻器R9的第二端。电阻器R9两端的电压即为第一乘法输入信号MULT。当电阻器R8两端的电压小于稳压二极管ZD2的反向击穿电压Vbk2，即开关电路输入电压Vin小于VBK2* (R7+R8+R9) /R8时，稳压二极管ZD2不导通，此时第一乘法输入信号 MULT = R9*Vin/(R7+R8+R9)。当开关电路输入电压Vin大于或大于等于VBK2* (R7+R8+R9) / R8时，稳压二极管ZD2被反向击穿并导通，此时第一乘法输入信号MULT = R9*(Vin_VZD2)/ (R7+R9)，其中Vzd2为稳压二极管ZD2的稳定电压。图8为根据本发明另一实施例的预处理电路805的电路图，与图7所示预处理电路705相比，其电阻分压电路进一步包括电阻器R10。电阻器RlO的第一端电耦接至电阻器R8的第一端，电阻器RlO的第二端接地。这样可减小稳压二极管ZDl的耐压值，以降低成本。当电阻器R8两端的电压小于稳压二极管ZD2的反向击穿电压Vbk2时，稳压二极管ZD2不导通，此时第一乘法输入信号MULT = Vin/(R7*R8+R7*R9+R7*R10+R8*R10+R9*R10)。当电阻器R8两端的电压大于或大于等于稳压二极管ZD2的反向击穿电压时， 稳压二极管ZD2导通，此时第一乘法输入信号MULT = (Vin-R7*R9*VZD2-R9*R10*VZD2) / (R7*R10+R7*R9+R9*R10)。图9为根据本发明又一实施例的预处理电路905的电路图，其在图7所示预处理电路705的基础上增加了新的二极管支路，该二极管支路包括串联连接的电阻器Rll和稳压二极管ZD3。电阻器Rll的第一端电耦接至电阻器R7的第一端，电阻器Rll的第二端电耦接至稳压二极管ZD3的阴极。稳压二极管ZD3的阳极电耦接至电阻器R9的第一端。图10为根据本发明再一实施例的预处理电路1005的电路图，其在图7所示预处理电路705的基础上增加了新的二极管支路，该二极管支路包括串联连接的电阻器R12和稳压二极管ZD4。电阻器R12的第一端电耦接至电阻器R8的第一端，电阻器R12的第二端电耦接至稳压二极管ZD4的阴极。稳压二极管ZD4的阳极电耦接至电阻器R9的第一端。在一个实施例中，与图8所示预处理电路805类似地，预处理电路1005的电阻分压电路进一步包括电阻器R10，电阻器RlO的第一端电耦接至电阻器R8的第一端，电阻器RlO的第二端接地。图11为根据本发明一实施例的开关电源控制方法的流程图，该开关电源包括整流桥和开关电路。开关电路包括开关管和电耦接至开关管的储能元件，随着开关管的导通和关断，储能元件存储和输出能量。该控制方法包括步骤1121 1125。在步骤1121，采样开关电路的输入电流，并产生电流采样信号。在步骤1122，根据开关电路的输入电压和输出电压产生第一乘法输入信号。在步骤1123，将第一乘法输入信号与第二乘法输入信号相乘，产生第一乘积信号。 在一个实施例中，第二乘法输入信号为与开关电路的输出电压、输出电流或输出功率相关的补偿信号。在步骤1124，将电流采样信号与第一乘积信号进行比较。在步骤1125，在电流采样信号大于或大于等于第一乘积信号时，将开关管关断。在一个实施例中，该控制方法还包括采样开关电路的输入电压，并产生输入电压采样信号；采样开关电路的输出电压，并产生输出电压采样信号；以及根据输入电压采样信号与输出电压采样信号产生第一乘法输入信号。在一个实施例中，第一乘法输入信号为输入电压采样信号的平方信号。在另一个实施例中，该控制方法还包括将输入电压采样信号与一常数相乘，产生倍乘信号；将倍乘信号与输出电压采样信号相加，产生加法信号；将加法信号与输入电压采样信号相乘，产生第一乘法输入信号。在一个实施例中，该控制方法还包括在流过储能元件的电流减小至零时，将开关
管导通。在一个实施例中，该控制方法仅根据开关电路的输入电压产生第一乘法输入信号。在开关电路输入电压大于预设值时，第一乘法输入信号等于开关电路输入电压的倍数与一常数之差，在开关电路输入电压小于预设值时，第一乘法输入信号与开关电路输入电压成比例关系。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。
权利要求
1.一种开关电源控制电路，该开关电源包括开关电路，开关电路包括开关管和电耦接至开关管的储能元件，随着开关管的导通和关断，所述储能元件存储和输出能量，该控制电路包括预处理电路，根据开关电路的输入电压和输出电压产生第一乘法输入信号； 第一乘法电路，电耦接至预处理电路，将第一乘法输入信号与第二乘法输入信号相乘， 并产生第一乘积信号；第一比较电路，将代表开关电路输入电流的电流采样信号与第一乘积信号进行比较;以及逻辑电路，电耦接至开关管的门极和第一比较电路，在代表开关电路输入电流的电流采样信号大于或大于等于第一乘积信号时，将开关管关断。
2.如权利要求1所述的控制电路，其中所述预处理电路包括平方电路，接收代表开关电路输入电压的输入电压采样信号，产生用作第一乘法输入信号的平方信号。
3.如权利要求1所述的控制电路，其中所述预处理电路包括倍乘电路，将代表开关电路输入电压的输入电压采样信号与一常数相乘，产生倍乘信号；加法电路，电耦接至倍乘电路，将倍乘信号与代表开关电路输出电压的输出电压采样信号相加，产生加法信号；以及第二乘法电路，电耦接至加法电路，将加法信号与输入电压采样信号相乘，产生第一乘法输入信号。
4.如权利要求1所述的控制电路，其中所述逻辑电路在流过储能元件的电流减小至零时，将开关管导通。
5.如权利要求1所述的控制电路，其中所述第二乘法输入信号为与开关电路的输出电压、输出电流或输出功率相关的补偿信号。
6.一种开关电源，包括开关电路，包括开关管和储能元件，随着开关管的导通和关断，所述储能元件存储和输出會旨量；电流采样电路，电耦接至开关电路的输入端，采样开关电路的输入电流，并产生电流采样信号；如权利要求1至5中任一项所述的开关电源控制电路，电耦接至开关管的门极，控制开关管的导通与关断。
7.如权利要求6所述的开关电源，还包括输入电压采样电路，电耦接至开关电路的输入端，采样开关电路的输入电压，并产生输入电压采样信号；以及输出电压采样电路，耦接至开关电路的输出端，采样开关电路的输出电压，并产生输出电压采样信号；其中所述预处理电路电耦接至输入电压采样电路和输出电压采样电路，根据输入电压采样信号和输出电压采样信号产生第一乘法输入信号。
8.一种开关电源，包括开关电路，包括开关管和储能元件，随着开关管的导通和关断，所述储能元件存储和输出會旨量；电流采样电路，电耦接至开关电路的输入端，采样开关电路的输入电流，并产生电流采样信号；预处理电路，电耦接至开关电路的输入端，根据开关电路的输入电压产生第一乘法输入信号，该预处理电路包括电阻分压电路和至少一条包含稳压二极管的二极管支路，电阻分压电路包括多个电阻器，二极管支路与电阻分压电路中的一个或多个电阻器并联；第一乘法电路，电耦接至预处理电路，将第一乘法输入信号与第二乘法输入信号相乘， 并产生第一乘积信号；第一比较电路，电耦接至电流采样电路和第一乘法电路，将电流采样信号与第一乘积信号进行比较；以及逻辑电路，电耦接至开关管的门极和比较电路，在电流采样信号大于或大于等于第一乘积信号时，将开关管关断。
9.如权利要求8所述的开关电源，其中所述电阻分压电路包括串联连接的第一电阻器和第二电阻器，二极管支路包括串联连接的稳压二极管和第三电阻器，该二极管支路与第一电阻器并联，第二电阻器两端的电压被用作第一乘法输入信号。
10.如权利要求8所述的开关电源，其中所述第二乘法输入信号为与开关电路的输出电压、输出电流或输出功率相关的补偿信号。
11.如权利要求8所述的开关电源，其中所述逻辑电路在流过储能元件的电流减小至零时，将开关管导通。
12.如权利要求11，还包括开关电压采样电路，采样开关管的端电压，并产生与该电压相关的开关电压采样信号；第二比较电路，电耦接至开关电压采样电路，将开关电压采样信号与阈值进行比较； 所述逻辑电路电耦接至第二比较电路，在开关电压采样信号小于或小于等于阈值时， 将开关管导通。
13.一种开关电源控制方法，该开关电源包括开关电路，开关电路包括开关管和电耦接至开关管的储能元件，随着开关管的导通和关断，所述储能元件存储和输出能量，该控制方法包括采样开关电路的输入电流，并产生电流采样信号；根据开关电路的输入电压和输出电压产生第一乘法输入信号；将第一乘法输入信号与第二乘法输入信号相乘，产生第一乘积信号；将电流采样信号与第一乘积信号进行比较；以及在电流采样信号大于或大于等于第一乘积信号时，将开关管关断。
14.如权利要求13所述的控制方法，其中所述第二乘法输入信号为与开关电路的输出电压、输出电流或输出功率相关的补偿信号。
15.如权利要求13所述的控制方法，还包括采样开关电路的输入电压，并产生输入电压采样信号； 采样开关电路的输出电压，并产生输出电压采样信号；以及根据输入电压采样信号与输出电压采样信号产生第一乘法输入信号。
16.如权利要求15所述的控制方法，其中第一乘法输入信号为输入电压采样信号的平方信号。
17.如权利要求15所述的控制方法，还包括将输入电压采样信号与一常数相乘，产生倍乘信号； 将倍乘信号与输出电压采样信号相加，产生加法信号； 将加法信号与输入电压采样信号相乘，产生第一乘法输入信号。
18.如权利要求13所述的控制方法，还包括 在流过储能元件的电流减小至零时，将开关管导通。
19.一种开关电源，包括开关电路，包括开关管和储能元件，随着开关管的导通和关断，所述储能元件存储和输出會旨量；电流采样电路，电耦接至开关电路的输入端，采样开关电路的输入电流，并产生电流采样信号；预处理电路，电耦接至开关电路的输入端，根据开关电路的输入电压产生第一乘法输入信号；第一乘法电路，电耦接至预处理电路，将第一乘法输入信号与第二乘法输入信号相乘， 并产生第一乘积信号；第一比较电路，电耦接至电流采样电路和第一乘法电路，将电流采样信号与第一乘积信号进行比较；以及逻辑电路，电耦接至开关管的门极和比较电路，在电流采样信号大于或大于等于第一乘积信号时，将开关管关断；其中在开关电路输入电压大于预设值时，第一乘法输入信号等于开关电路输入电压的倍数与一常数之差，在开关电路输入电压小于预设值时，第一乘法输入信号与开关电路输入电压成比例关系。
20.如权利要求19所述的开关电源，其中预处理电路包括 电阻分压电路，包含多个电阻器；以及至少一条二极管支路，该二极管支路包括稳压二极管，与电阻分压电路中的一个或多个电阻器并联。
21.一种开关电源控制方法，该开关电源包括开关电路，开关电路包括开关管和电耦接至开关管的储能元件，随着开关管的导通和关断，所述储能元件存储和输出能量，该控制方法包括采样开关电路的输入电流，并产生电流采样信号； 根据开关电路的输入电压产生第一乘法输入信号； 将第一乘法输入信号与第二乘法输入信号相乘，产生第一乘积信号； 将电流采样信号与第一乘积信号进行比较；以及在电流采样信号大于或大于等于第一乘积信号时，将开关管关断；其中在开关电路输入电压大于预设值时，第一乘法输入信号等于开关电路输入电压的倍数与一常数之差，在开关电路输入电压小于预设值时，第一乘法输入信号与开关电路输入电压成比例关系。
全文摘要
本发明公开了一种开关电源及其控制电路和控制方法。通过调节第一乘法输入信号，使开关电源输入平均电流的波形跟随输入电压，从而减小开关电源输入电流的谐波分量，降低THD，并提高开关电源的功率因数。
文档编号H02M3/335GK102290972SQ20111023235
公开日2011年12月21日 申请日期2011年8月15日 优先权日2011年8月15日
发明者梁毅珉, 江雪, 熊飞, 谢建宇, 赵启明 申请人:成都芯源系统有限公司