一種原邊控制的恆流開關電源控制器及方法
2023-06-18 05:34:21 1
專利名稱：一種原邊控制的恆流開關電源控制器及方法
技術領域：
本發明屬於開關電源技術領域，涉及一種原邊控制的恆流開關電源控制器及方法。
背景技術：
目前很多隔離型電源如手機充電器和大功率的LED驅動器由於應用需求通常要求電路有輸出恆流的功能；此外，為了減輕電力汙染的危害程度，滿足國際電工委員會的諧波標準IEEE555-2和IEC1000-3-2等，上述隔離型電源還必須具備功率因數校正(PFC)功能，
圖1為目前比較常用的單級功率因數校正方案通過檢測變壓器副邊側的輸出電流，經光耦反饋之後送到原邊PFC控制電路。圖1所示現有技術方案由於副邊電流採樣電路和光耦的存在，增加了電路的複雜性，進一步，由於光耦存在老化問題，使電路的穩定性和使用壽命都受到一定影響。針對上述問題的解決方案是採用兼具原邊恆流控制和功率因數校正功能的控制方案，即無需副邊電流採樣和光耦元件，直接通過在隔離變壓器的原邊獲得輸出電流的信息，加以控制實現輸出恆流，並且同時實現高功率因數，如圖2所示。目前市面上已經有一些能實現上述輸出恆流和PFC功能的控制晶片，如infineon公司的ICL8001G、MPS的 MP4020、PI的LinkSwitch-PH系列等。然而這些晶片都採用變頻控制模式(電流臨界斷續模式)，因此電路頻率波動範圍較大，比較難通過電磁兼容性標準；另外上述晶片應用於反激電路時輸入電流為
T 1 r ^ 1 kVVsmmtλ1、I =-1 ,D =——r-2^-2--(1)
丨2 Pk 2 V0+ VacSmmt其中ν'。為輸出電壓折算到變壓器原邊之後的電壓，k為電流電壓對應係數，D 為佔空比，為導通時間與開關周期的比值；半個工頻周期內的歸一化的輸出電流波形如圖 3所示，其中s = V'。/\。，可以看到隨著s變小，即輸入電壓幅值增大，輸入電流的波形失真越厲害，功率因數越低。
發明內容
本發明提出了一種原邊控制的恆流開關電源控制器及方法，只需採樣原邊電流即可實現輸出恆流，並且同時可全輸入範圍內實現非常高的功率因數，結構非常簡單，易集成；此外，當輸出電壓不變時，電路工作頻率基本恆定，因此更容易通過電磁兼容性標準。原邊控制的恆流開關電源控制器包括電流採樣端、接地端、供電端、驅動端、電壓檢測端、頻率設定端和相位檢測端；前沿消隱模塊、比較器模塊、正弦半波基準產生模塊、採樣保持模塊、電壓/頻率轉換模塊、驅動脈衝產生模塊、驅動模塊前沿消隱模塊的輸入端接採樣端，前沿消隱模塊的輸出端接比較器模塊的正輸入端，比較器模塊的負輸入端接正弦半波基準產生模塊的輸出端，正弦半波基準產生模塊的輸入端接相位檢測端，比較器模塊的輸出端接驅動脈衝產生模塊的一個輸入端，驅動脈衝產生模塊的另一個輸入端接電壓/頻率轉換模塊的輸出端，電壓/頻率轉換模塊的一個輸入端接採樣保持模塊的輸出端，電壓/頻率轉換模塊的另一個輸入端接頻率設定端，採樣保持模塊的輸入端接電壓檢測端，驅動脈衝產生模塊的輸出端接驅動模塊，驅動模塊的輸出接驅動端，晶片內部地接接地端。所述的前沿消隱模塊經採樣端與開關電源主電路的原邊電流採樣網絡相連，對開關電源的原邊電流在原邊開關管開通瞬間產生的毛刺進行消隱；所述的正弦半波基準產生模塊根據相位檢測端檢測到的開關電源主電路輸入整流橋的輸出波形的相位，產生與其同頻同相且幅值固定的正弦半波電壓基準，其中，相位檢測端經電阻接到開關電源主電路輸入整流橋的正輸出端；所述的比較器模塊對經過前沿消隱模塊後的原邊電流採樣波形和正弦半波基準產生模塊輸出的正弦半波電壓基準進行比較，當經過前沿消隱模塊後的原邊電流採樣波形幅值上升觸及到與正弦半波電壓基準相時，比較器模塊的輸出電平由低電平置位為高電平，當經過前沿消隱模塊後的原邊電流採樣波形幅值下降到小於正弦半波電壓基準時，比較器模塊的輸出電平由高電平復位為低電平；所述的採樣保持模塊對電壓檢測端輸入信號的高電平進行採樣保持，其中電壓檢測端直接或經電阻耦接到主電路變壓器輔助繞組的一端。所述的電壓/頻率轉換模塊輸出為脈衝信號，通過頻率設定端設置其產生的脈衝信號頻率範圍，通過採樣保持模塊的輸出電壓電平調節電壓/頻率轉換模塊的輸出頻率， 當開關電源主電路的輸出電壓發生波動時，所述的電壓/頻率轉換模塊調節f/v。使其為常數，其中V。是開關電源主電路的輸出電壓，f是開關電源主電路工作頻率其中頻率設定端外接電容到地；所述的驅動脈衝產生模塊根據比較模塊的輸出信號和電壓/頻率轉換模塊輸出的脈衝信號產生脈衝信號當比較模塊產生一個低電平到高電平的翻轉時，驅動脈衝產生模塊的脈衝信號由高電平復位到低電平，即驅動脈衝產生模塊輸出主電路的原邊開關管的關斷觸發信號，從而使得開關電源的原邊電流峰值保持不變；；當電壓/頻率轉換模塊輸出的時鐘信號由低電平翻轉為高電平時，驅動脈衝產生模塊的脈衝信號由低電平置位到高電平，即驅動脈衝產生模塊輸出主電路的原邊開關管的導通觸發信號；周而復始，產生脈衝序列控制開關電源的功率管；所述的驅動模塊的輸入接驅動脈衝產生模塊的輸出，用來增強所述驅動脈衝產生模塊的驅動能力，驅動模塊的輸出接驅動端端。所述控制器可以集成為單晶片。其中，所述的反激式LED驅動器工作在電流斷續 (DCM)或臨界斷續模式(BCM)。所述驅動模塊可以是兩個雙極電晶體或金屬氧化物半導體場效應管構成的推挽結構(圖騰柱結構)。當開關電源工作在斷續或者臨界斷續模式有功率因數要求的應用場合，輸入電壓為交流正弦信號，根據功率平衡可以求出輸出電流如式(2)所示
權利要求
1.原邊控制的恆流開關電源控制器，其特徵在於包括電流採樣端、接地端、供電端、驅動端、電壓檢測端、頻率設定端和相位檢測端；前沿消隱模塊、比較器模塊、正弦半波基準產生模塊、採樣保持模塊、電壓/頻率轉換模塊、驅動脈衝產生模塊、驅動模塊前沿消隱模塊的輸入端接採樣端，前沿消隱模塊的輸出端接比較器模塊的正輸入端， 比較器模塊的負輸入端接正弦半波基準產生模塊的輸出端，正弦半波基準產生模塊的輸入端接相位檢測端，比較器模塊的輸出端接驅動脈衝產生模塊的一個輸入端，驅動脈衝產生模塊的另一個輸入端接電壓/頻率轉換模塊的輸出端，電壓/頻率轉換模塊的一個輸入端接採樣保持模塊的輸出端，電壓/頻率轉換模塊的另一個輸入端接頻率設定端，採樣保持模塊的輸入端接電壓檢測端，驅動脈衝產生模塊的輸出端接驅動模塊，驅動模塊的輸出接驅動端，晶片內部地接接地端。
2.如權利要求1所述控制器，其特徵在於所述的前沿消隱模塊經採樣端與開關電源主電路的原邊電流採樣網絡相連，對開關電源的原邊電流在原邊開關管開通瞬間產生的毛刺進行消隱；所述的正弦半波基準產生模塊根據相位檢測端檢測到的開關電源主電路輸入整流橋的輸出波形，產生與其同頻同相且幅值固定的正弦半波電壓基準所述的比較器模塊對經過前沿消隱模塊後的原邊電流採樣波形和正弦半波基準產生模塊輸出的正弦半波電壓基準進行比較，當經過前沿消隱模塊後的原邊電流採樣波形幅值上升觸及到與正弦半波電壓基準相時，比較器模塊的輸出電平由低電平置位為高電平，當經過前沿消隱模塊後的原邊電流採樣波形幅值下降到小於正弦半波電壓基準時，比較器模塊的輸出電平由高電平復位為低電平；所述的採樣保持模塊對電壓檢測端輸入信號的高電平進行採樣保持；所述的電壓/頻率轉換模塊輸出為脈衝信號，通過頻率設定端設置其產生的脈衝信號頻率範圍，通過採樣保持模塊的輸出電壓電平調節電壓/頻率轉換模塊的輸出頻率，當開關電源主電路的輸出電壓發生波動時，所述的電壓/頻率轉換模塊調節f/V。使其為常數， 其中V。是開關電源主電路的輸出電壓，f是開關電源主電路工作頻率；所述的驅動脈衝產生模塊根據比較模塊的輸出信號和電壓/頻率轉換模塊輸出的脈衝信號產生脈衝信號當比較模塊產生一個低電平到高電平的翻轉時，驅動脈衝產生模塊的脈衝信號由高電平復位到低電平，即驅動脈衝產生模塊輸出主電路的原邊開關管的關斷觸發信號，從而使得開關電源的原邊電流峰值包絡線跟隨所述的正弦半波基準；當電壓/ 頻率轉換模塊輸出的時鐘信號由低電平翻轉為高電平時，驅動脈衝產生模塊的脈衝信號由低電平置位到高電平，即驅動脈衝產生模塊輸出主電路的原邊開關管的導通觸發信號；周而復始，產生脈衝序列控制開關電源的功率管；所述的驅動模塊的輸入接驅動脈衝產生模塊的輸出，用來增強所述驅動脈衝產生模塊的驅動能力，驅動模塊的輸出接驅動端。
3.如權利要求1所述控制器，其特徵在於所述相位檢測端經電阻接到開關電源主電路輸入整流橋的正輸出端。
4.如權利要求1所述控制器，其特徵在於所述電壓檢測端直接或經電阻耦接到主電路變壓器輔助繞組的一端。
5.如權利要求1所述控制器，其特徵在於所述頻率設定端外接電容到地。
6.原邊控制的恆流開關電源控制方法，其特徵在於包括如下步驟(1)使開關電源的主電路工作在電流斷續或者臨界斷續狀態；(2)產生與開關電源的主電路的輸入整流橋的輸出波形的相位同頻同相且幅值固定的正弦半波電壓基準；(3)對開關電源的原邊電流在原邊開關管開通瞬間產生的毛刺進行消隱，所述消隱後的原邊電流與所述正弦半波電壓基準進行比較，當所述消隱後的原邊電流的幅值上升觸及到所述正弦半波電壓基準時，獲得主電路的原邊開關管的關斷觸發信號，從而使得反激電路主電路的原邊電流峰值，即Ipk，保持不變；(4)當開關電源主電路的輸出電壓穩定時，開關管的工作頻率為固定值，開關管定時開通；當開關電源主電路的輸出電壓發生波動時，調節f/V。使其為常數，其中V。是開關電源主電路的輸出電壓，f是開關電源主電路工作頻率。
7.原邊控制的恆流開關電源，包括主電路和控制器，所述主電路為隔離型或非隔離型拓撲，包括輸入整流橋，開關管、原邊電流採樣網絡，其特徵在於所述控制器包括電流採樣端、接地端、供電端、驅動端、電壓檢測端、頻率設定端和相位檢測端；前沿消隱模塊、比較器模塊、正弦半波基準產生模塊、採樣保持模塊、電壓/頻率轉換模塊、驅動脈衝產生模塊、驅動模塊前沿消隱模塊的輸入端接採樣端，前沿消隱模塊的輸出端接比較器模塊的正輸入端， 比較器模塊的負輸入端接正弦半波基準產生模塊的輸出端，正弦半波基準產生模塊的輸入端接相位檢測端，比較器模塊的輸出端接驅動脈衝產生模塊的一個輸入端，驅動脈衝產生模塊的另一個輸入端接電壓/頻率轉換模塊的輸出端，電壓/頻率轉換模塊的一個輸入端接採樣保持模塊的輸出端，電壓/頻率轉換模塊的另一個輸入端接頻率設定端，採樣保持模塊的輸入端接電壓檢測端，驅動脈衝產生模塊的輸出端接驅動模塊，驅動模塊的輸出接驅動端，晶片內部地接接地端。
8.如權利要求7所述開關電源，其特徵在於所述的前沿消隱模塊經採樣端與開關電源主電路的原邊電流採樣網絡相連，對開關電源的原邊電流在原邊開關管開通瞬間產生的毛刺進行消隱；所述的正弦半波基準產生模塊根據相位檢測端檢測到的開關電源主電路輸入整流橋的輸出波形的相位，產生與其同頻同相且幅值固定的正弦半波電壓基準所述的比較器模塊對經過前沿消隱模塊後的原邊電流採樣波形和正弦半波基準產生模塊輸出的正弦半波電壓基準進行比較，當經過前沿消隱模塊後的原邊電流採樣波形幅值上升觸及到與正弦半波電壓基準相時，比較器模塊的輸出電平由低電平置位為高電平，當經過前沿消隱模塊後的原邊電流採樣波形幅值下降到小於正弦半波電壓基準時，比較器模塊的輸出電平由高電平復位為低電平；所述的採樣保持模塊對電壓檢測端輸入信號的高電平進行採樣保持；所述的電壓/頻率轉換模塊輸出為脈衝信號，通過頻率設定端設置其產生的脈衝信號頻率範圍，通過採樣保持模塊的輸出電壓電平調節電壓/頻率轉換模塊的輸出頻率，當開關電源主電路的輸出電壓發生波動時，所述的電壓/頻率轉換模塊調節f/V。使其為常數， 其中V。是開關電源主電路的輸出電壓，f是開關電源主電路工作頻率；所述的驅動脈衝產生模塊根據比較模塊的輸出信號和電壓/頻率轉換模塊輸出的脈衝信號產生脈衝信號當比較模塊產生一個低電平到高電平的翻轉時，驅動脈衝產生模塊的脈衝信號由高電平復位到低電平，即驅動脈衝產生模塊輸出主電路的原邊開關管的關斷觸發信號，從而使得開關電源的原邊電流峰值包絡線跟隨所述的正弦半波基準；當電壓/ 頻率轉換模塊輸出的時鐘信號由低電平翻轉為高電平時，驅動脈衝產生模塊的脈衝信號由低電平置位到高電平，即驅動脈衝產生模塊輸出主電路的原邊開關管的導通觸發信號；周而復始，產生脈衝序列，控制開關電源的功率管；所述的驅動模塊的輸入接驅動脈衝產生模塊的輸出，用來增強所述驅動脈衝產生模塊的驅動能力，驅動模塊的輸出接驅動端端。
9.如權利要求7所述開關電源，其特徵在於工作在電流斷續(DCM)或臨界斷續模式 (BCM)。
10.如權利要求7或8所述開關電源，其特徵在於所述控制器的相位檢測端經電阻接到開關電源主電路輸入整流橋的正輸出端。
11.如權利要求7或8所述控制器，其特徵在於所述控制器的電壓檢測端直接或經電阻耦接到主電路變壓器輔助繞組的一端。
12.如權利要求7或8所述控制器，其特徵在於所述控制器的頻率設定端外接電容到地。
全文摘要
本發明公開了一種原邊控制的恆流開關電源控制器及方法。原邊控制的恆流開關電源控制器包括電流採樣端、接地端、供電端、驅動端、電壓檢測端、頻率設定端和相位檢測端；前沿消隱模塊、比較器模塊、正弦半波基準產生模塊、採樣保持模塊、電壓/頻率轉換模塊、驅動脈衝產生模塊、驅動模塊本發明只需採樣原邊電流即可實現輸出恆流，同時可全輸入電壓範圍內實現非常高的功率因數，結構簡單，易集成。
文檔編號H02M1/42GK102364857SQ20111003453
公開日2012年2月29日 申請日期2011年2月1日 優先權日2011年2月1日
發明者吳建興, 謝小高 申請人:杭州士蘭微電子股份有限公司