开关电源装置的控制方法和控制电路与流程

本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种开关电源装置的控制方法和控制电路。

背景技术：

目前，为了提高电源的利用效率，在开关电源装置上大多会加装功率因数校正电路(powerfactorcorrector，pfc)，以形成开关电源设备。

现有技术中常见的功率因数校正电路包括临界模式功率因数校正电路(criticalmodepfc)和连续导通模式功率因数校正电路(continueconductionmodepfc)。具有临界模式功率因数校正电路的开关电源设备在运行时，具有下述问题：伴随着负载的减小，开关的导通和断开的频率增加，由此使得开关损耗增大。

在专利文献1(日本专利3070598，功率因数改善转换器)中，为了防止开关损失增加，设置最小开关周期以使开关元件在断开后的一定期间内不会再次导通，即设置开关的最高频率，由此，抑制轻负载时的开关频率的上升。

图5是专利文献1的开关电源设备的一个电路结构图，该开关电源设备中包括开关电源装置和控制电路，图6是专利文献1的开关电源设备的工作时序图。如图5，图6所示，在t60时刻，零电流检测单元501检测到流过电感器的电流为零并输出高电平脉冲信号，使得“与”电路u1也向触发器ff1的s端子输出高电平脉冲信号，因而ff1的q端子输出高电平信号，该高电平信号通过开关元件驱动电路使开关元件q1导通，并且，“与”电路u1输出的高电平脉冲信号使开关元件q3瞬时导通，并使电容c4放电，随后，开关元件q3重新断开，电容c4被电流源i2充电；在t61时刻，误差放大器a1的输出电压小于电容c3的电压，因此，从比较器cp1向触发器ff1的r端子输出高电平信号，对触发器ff1进行复位，使触发器ff1的q端子输出低电平信号，由此，开关元件q1断开；在时刻t63，电容c4的电压超过固定电压vth，比较器cp2输出的限制信号变为高电平；在时刻t64，零电流检测单元501再次检测到零电流并输出高电平脉冲信号，因此，“与”电路u1向触发器ff1的s端 子输入高电平脉冲信号，开关元件q1再次导通。

可见，在专利文献1中，在t61-t63的期间，比较器cp2输出的限制信号为低电平，因此，当在t62时刻零电流检测单元501检测到零电流时，无法使开关元件q1导通，所以，开关元件导通的时刻被延迟了，由此能够抑制开关频率的上升。

在专利文献2(日本特开2014-82924，开关电源装置)中，检测输入到开关电源装置的交流电压的周期，并检测负载状态，在轻负载状态的情况下，进行控制以使开关元件的导通时刻延迟，从而防止开关频率上升，并且，使在输入电压的同一个周期上导通时刻的延迟量恒定。

专利文献1：日本专利3070598，功率因数改善转换器

专利文献2：日本特开2014-82924，开关电源装置

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现要素：

如上所述，临界模式pfc存在如下性质，输入瞬时电压低的区域电感器电流的峰值低，开关元件断开后的短时间内电流成为零，因而进行下一次的导通，所以，输入瞬时电压低的时候开关频率变高。

因此，在专利文献1中，通过限制最高振荡频率来限制轻负载时的开关频率的上升以实现开关损失的改善。但是，设置开关频率的上限后，输入瞬时电压低的区域容易到达开关频率的上限，所以和输入瞬时电压高的区域相比开关次数减少。结果，在输入瞬时电压低的区域输入电流难以流动，输入瞬时电压高的区域的输入电流增加，从而导致功率因数的恶化；并且，输入瞬时电压在某个值以下时，由于开关频率的上限是固定值，输入电流波形有时会不连续变化，从而导致输入失真。

图7是专利文献1的开关电源设备的输入电压和输入电流的对应关系示意图。如图7所示，开关电源设备从临界模式的开关动作转变到固定最高频率的开关动作时，输入电流的波形发生不连续变化。

专利文献2提出了针对专利文献1的上述问题的解决方案，专利文献2进行如下的动作：检测负载状态，根据该检测到的负载状态决定开关元件的导通定时的延迟量， 以降低开关频率，并且在交流输入半周期之内维持该延迟量。

结果，由于在交流输入半周期之内维持该延迟量，因此不会发生上述的功率因数的恶化以及输入电流波形的输入失真。

但是，专利文献2却需要负载状态的检测电路、根据负载状态决定导通时刻的延迟量的电路、输入交流周期的检测电路、以及用于维持输入交流周期的半周期之内的延迟量恒定的电路，所以，存在电路复杂化的问题。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种用于对开关电源装置中的开关元件的导通和断开进行控制的控制电路和控制方法，该控制电路使用变化的时间常数来设定开关元件的导通时刻的延迟期间，由此，在瞬时电压降低的情况下，开关频率到达上限的时刻被分散，从而防止输入电流不连续变化，以简单的电路实现输入电流失真以及功率因数的改善。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种控制电路，用于对开关电源装置中的开关元件的导通和断开进行控制，所述开关电源装置包括：

整流单元，其用于将输入的交流电源的交流电压整流为直流电压；

电感器，其与所述整流单元连接；

开关元件，其与所述电感器串联，在所述开关元件导通时，所述开关元件与所述整流电路之间形成经由所述电感器的电流通路；以及

二极管，其与所述电感器连接，在所述开关元件断开时，在所述电感器与输出电容之间形成经由所述二极管的电流通路，并且，在该输出电容两端生成预定的输出直流电压；

该控制电路包括：

断开时刻控制单元，其用于根据基准电压和所述输出直流电压之间的电压差控制所述开关元件的断开；

零电流检测单元，其用于检测流过所述电感器的电流为零的时刻；

频率限制单元，其根据时间常数调整信号生成限制信号，所述限制信号用于设定从所述开关元件断开时刻起的延时期间，其中，所述时间常数调整信号的大小随时间变化；以及

导通时刻控制单元，其用于根据所述零电流检测单元输出的检测结果和所述频率限制单元输出的所述限制信号，控制所述开关元件的导通。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述频率限制单元包括：

电流源；

电容器，其被所述电流源充电；以及

比较器，其将所述电容器的电压值与参考信号的电压值进行比较，根据比较结果输出所述限制信号，其中，所述时间常数调整信号用于调整所述参考信号的电压值，和/或调整所述电流源对所述电容器进行充电的电流值。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述控制电路还包括：

计数器，其对导通时刻控制单元输出的控制所述开关元件导通的信号进行分频，以生成数字信号；以及

数模转换器，其将所述计数器输出的所述数字信号转换为模拟信号，并将所述模拟信号作为所述时间常数调整信号。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述控制电路还包括：

振荡电路，其用于输出随时间变化的振荡信号，并将所述振荡信号作为所述时间常数调整信号。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述导通时刻控制单元在从所述开关元件断开时刻起经过所述延时期间后，当所述零电流检测单元检测到流过所述电感器的电流为零时，使所述开关元件导通。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述零电流检测单元检测的所述电感器的电流为零的时刻是指电流从大于零的值衰减为零的时刻。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述时间常数调整信号随时间变化的周期小于所述交流电压的周期的一半。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种控制方法，用于对开关电源装置中的开关元件的导通和断开进行控制，该控制方法包括：

根据基准电压和所述输出直流电压之间的电压差控制所述开关元件的断开；

检测流过所述电感器的电流为零的时刻；

根据时间常数调整信号生成限制信号，所述限制信号用于设定从所述开关元件断开时刻起的延时期间，其中，所述时间常数调整信号的大小随时间变化；以及

根据对所述电流为零的时刻的检测结果和所述限制信号，控制所述开关元件的导通。

本发明的有益效果在于：使得瞬时电压降低时的开关频率到达上限的时刻被分散，从而防止输入电流不连续变化，实现输入电流失真以及功率因数的改善。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施方式，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是实施例1的开关电源设备的一个电路结构图；

图2是实施例1的开关电源设备的另一个电路结构图；

图3是实施例2的开关电源设备的一个电路结构图；

图4是实施例2的开关电源设备的一个工作时序图；

图5是专利文献1的开关电源设备的一个电路结构图；

图6是专利文献1的开关电源设备的一个工作时序图；

图7是专利文献1的开关电源设备的输入电压和输入电流的一个对应关系示意图；

图8是实施例1的开关电源设备的输入电压和输入电流的一个对应关系示意图；

图9是实施例1的开关电源设备的输入电压和输入电流的另一个对应关系示意图；

图10是实施例3的控制方法的一个流程图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本发明的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本发明的特定实施方式，其表明了其中可以采用本发明的原则的部分实施方式，应了解的是，本发明不限于所描述的实施方式，相反，本发明包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

实施例1

本申请实施例1提供一种控制电路，用于对开关电源装置中的开关元件的导通和断开进行控制，其中，该开关电源装置和该控制电路构成开关电源设备。

图1是本实施例1的开关电源设备的一个电路结构图。如图1所示，该开关电源设备1包括开关电源装置10和控制电路20，其中，开关电源装置10包括整流单元101、电感器102、开关元件103以及二极管104，控制电路20包括断开时刻控制单元201、零电流检测单元202、频率限制单元203以及导通时刻控制单元204。

如图1所示，在开关电源装置10中，整流单元101用于将输入的交流电源的交流电压整流为直流电压；电感器102与整流单元101连接；开关元件103与电感器102串联，在开关元件103导通时，开关元件103与整流电路101之间形成经由电感器102的电流通路；二极管104与电感器102连接，在开关元件103断开时，在电感器102与输出电容c1之间形成经由二极管104的电流通路，并且，在该输出电容c1两端生成预定的输出直流电压。

如图1所示，在控制电路20中，断开时刻控制单元201用于根据基准电压和输出直流电压之间的电压差控制开关元件103的断开；零电流检测单元202用于检测流过电感器102的电流为零的时刻；频率限制单元203根据时间常数调整信号，生成限制信号，该限制信号用于设定从开关元件103断开时刻起的延时期间，其中，时间常数调整信号的大小随时间变化；导通时刻控制单元204用于根据零电流检测单元202输出的检测结果和频率限制单元203输出的限制信号，控制开关元件103的导通。

根据本实施例的控制电路，能够根据随时间变化的时间常数调整信号来设定开关元件的导通时刻的延迟期间，由此，在瞬时电压降低的情况下，开关频率到达上限的时刻被分散，从而防止输入电流不连续变化，以简单的电路实现输入电流失真和功率因数的改善。

图8和图9分别是实施例1的开关电源设备的输入电压和输入电流的一个对应关系示意图，如图8、图9所示，根据本申请的控制电路，开关电源设备能够工作在使开关元件的最高频率发生变化的模式下，由此，使得输入电流变化平滑，实现输入电流失真和功率因数的改善。

如图1所示，在本实施例中，整流单元101例如可以是由多个整流二极管构成的桥式整流器。本实施并不限于此，整流单元101还可以具有其他结构。关于整流单元101的结构和原理可以参考现有技术，本实施例不再赘述。

在本实施例中，开关电源装置10还可以具有开关元件驱动电路105，该开关元件驱动电路105可以接收控制开关元件103导通的信号，并驱动开关元件103导通。

关于本实施例中的开关电源装置10的工作原理，可以参考现有技术，本实施例不再进行说明。

如图1所示，断开时刻控制单元201可以包括导通时间控制电路2011和误差放大电路2012，其中，开关电源装置的电阻r1和r2可以对电压进行输出直流电压进行分压，该误差放大电路2012中的放大器a1可以对电阻r1和r2分压所得到的电压与基准电压vref进行比较，根据比较结果来输出误差放大值；导通时间控制电路2011可以根据放大器a1输出的误差放大值，输出控制信号，该控制信号可以被输入到触发器ff1的复位输入端r，以决定开关元件103的断开时刻，从而控制开关元件103的导通的时间，因此，开关元件103的断开时刻或导通时间可以是由r1、r2和vref决定的目标值。

在本实施例中，如图1所示，导通时间控制电路2011可以包括电流源i1、比较器cp1、电容c3和开关q2等，误差放大电路2012可以包括放大器a1以及相位补偿电容c2，在放大器a1的非反相输入端连接有基准电压vref。当然，本实施例并不限于此，导通时间控制电路2011和误差放大电路2012可以有其它的电路结构。

在本实施例中，零电流检测单元202可以与设置于电感器102中的辅助绕组d连接，该辅助绕组d中能够产生与电感器102成比例的电流，因此，零电流检测单元202通过检测辅助绕组d中的电流，就可以检测流过电感器102的电流为零的时刻。

在本实施例中，在流过电感器的电流的一个临界周期中，有两个电流为零的时刻，该零电流检测单元202检测的是该电流从大于零的值衰减为零的时刻。在检测到该电 流为零的时刻，该零电流检测单元202可以输出零电流检测信号，用于指示一个临界周期的开始或结束，因此，该零电流检测单元202输出相邻的两个检测信号的期间，对应于一个临界周期。检测电流为零的时刻的具体方法，可以参考现有技术，本实施例不再赘述。

在本实施例中，频率限制单元203能够根据时间常数调整信号生成限制信号，该限制信号用于设定从开关元件103断开时刻起的延时期间，由此，决定了开关元件103的开关频率的上限。

在本实施例中，频率限制单元203可以具有为电容器充电的电流源、电容器、以及比较器，该比较器可以根据电容器的电压值与参考信号的电压值进行比较的结果，输出限制信号。在本实施例中，该时间常数调整信号可以用于调整该参考信号的电压值，和/或调整该电流源对该电容器进行充电的电流值。

在本实施例中，导通时刻控制单元204可以根据零电流检测单元202输出的检测结果和频率限制单元203输出的限制信号，控制开关元件103的导通时刻。例如，在从开关元件103断开时刻起经过上述延时期间后，当零电流检测单元202检测到流过电感器102的电流为零时，使开关元件103导通。

如图1所示，在本实施例中，该导通时刻控制单元204可以包括“与”电路u1和触发器ff1。

其中，u1的一个输入端可以与零电流检测单元202的输出端连接，u1的另一个输入端可以与频率限制单元203的输出端连接，u1的输出端与触发器ff1的设置输入端s连接。

触发器ff1的复位输入端r可以连接导通时间控制电路2011中的比较器cp1的输出端，触发器ff1的输出端q经由开关元件驱动电路105连接到开关元件103的栅极，触发器ff1的输出端可以连接导通时间控制电路2011中的开关元件q2的栅极。触发器ff1的输出端q可以输出控制开关元件103导通的信号。

在本实施例中，时间常数调整信号可以在控制电路20中产生。如图1所示，控制电路20还可以包括计数器205和数模转换器206。

其中，计数器205可以对导通时刻控制单元204输出的控制开关元件103导通的信号进行分频，以生成数字信号；数模转换器206可以将计数器205输出的数字信号转换为模拟信号，并将该模拟信号作为该时间常数调整信号输入到频率限制单元 203。

在本实施例中，每次从触发器ff1输出控制开关元件103导通的信号时，计数器205都会对该信号进行分频，生成2比特或其它比特的数字信号，该数字信号被数模转换器206转换为模拟信号，该模拟信号能够被作为时间常数调整信号。可见，每次从触发器ff1输出控制开关元件103导通的信号时，计数器205输出的数字信号都会变化，并导致时间常数调整信号变化，从而使开关元件103的上限频率发生变化。

当然，本实施例不限于此，控制电路20还可以采用其他的电路来生成时间常数调整信号。

图2是本实施例1的开关电源设备的另一个电路结构图。图2与图1的区别之处在于，在图2的控制电路中，使用振荡电路207替代图1的计数器205和数模转换器206。

在图2中，振荡电路207可以输出随时间变化的振荡信号，该振荡信号可以作为时间常数调整信号被输入到频率限制单元203中，由此，也能使由时间常数调整信号决定的最高频率发生变化。

此外，在本实施例中，时间常数调整信号也可以在控制电路20的外部被生成并被输入到控制电路20中。

在本实施例中，时间常数调整信号随时间变化的周期可以小于输入的交流电压周期的一半，由此，在交流电压的半个周期内，使得在瞬时电压降低的情况下，开关频率到达上限的时刻被分散，从而使输入电流的变化平滑，实现输入电流失真以及功率因数的改善。

实施例2

本申请实施例2提供一种控制电路，是实施例1的控制电路的一个具体的实现方式。在实施例2中，对频率限制单元203的结构进行描述。与实施例1相同地，实施例2的控制电路与开关电源装置构成开关电源设备。

图3是实施例2的开关电源设备的电路结构图，与图1相同之处不再重复说明。图3与图1的区别在于，图3示出了频率限制单元203的组成结构。

如图3所示，频率限制单元203可以包括电容c4、开关q3、比较器cp2以及电流源i2，其中，比较器cp2的输出端作为频率限制单元203的输出端，并且比较器 cp2的反相输入端被输入时间常数调整信号，该时间常数调整信号可以是数模转换电路206的输出信号。

图4是图3的电路的时序图。下面，结合图3、图4来说明本申请实施例2的控制电路的工作原理。

输出电压通过电阻r1和r2被分压，并输入到放大器a1的反相输入端中；放大器a1的正相输入端被输入参考电压vref。

放大器a1的输出连接有相位补偿电容器c2，对电容c2充电。放大器a1的输出还与导通时间控制单元2011的比较器cp1的反相输入端连接。

在开关元件103导通期间，触发器ff1的输出端输出低电平，导通时间控制单元2011的开关q2断开，通过电流源i1对c3进行充电，c3的电压为图4所示的斜坡波形。

比较器cp1比较放大器a1的输出电压与c3的电压，如果一致，则重置触发器ff1，使触发器ff1的q端输出低电平，从而终止开关元件103的导通期间，同时使q2导通，通过q2使c3放电。

通过该动作，断开时刻控制单元201控制开关元件103的断开时刻，以使输出电压成为由r1，r2，vref决定的特定值。

零电流检测单元202的输出与u1的一个输入端连接。

如果u1的另一端的输入为高电平时，通过零电流检测电路202在检测到零电流时输出的高电平信号来设置ff1，使开关元件103导通。

在临界周期较大的情况下，通过零电流检测单元202决定开关元件103的导通时刻，通过断开时刻控制单元201决定开关元件103断开的断开时刻，由此，图3的开关电源设备能够工作在普通的临界模式下。

下面，以时刻t0到时刻t3的期间为例，来说明该开关电源设备工作在变动最高频率模式下的动作。

在时刻t0，ff1的s端被输入高电平信号，由此，ff1的q端输出高电平，开关元件103导通。同时，u1输出的高电平脉冲使开关q3导通一次，c4被放电，该高电平脉冲过后，q3断开，i2给c4充电。并且，ff1的q端子输出的高电平信号被计数器205分频为数字信号，并且该数字信号被数模转换电路206转换为模拟信号，并作为时间常数调整信号被输入到cp2的负端。

在时刻t1，c3的电压超过a1的输出电压，cp1输出高电平信号，ff1被复位，开关元件103断开。

在时刻t2，c4充电的电压超过时间常数调整信号的电压，限制信号变为高电平。其中，t1-t2的期间为开关元件103从断开时刻起的延时期间，在该期间内，限制信号为低电平，并且，在该期间内，即使零电流检测电路202检测到零电流，u1也继续输出低电平信号，所以开关元件103不被导通。

在时刻t3，零电流检测电路202检测到零电流，u1输出高电平信号，所以开关元件103被导通，同时，q3再次被导通，使c4放电。并且，ff1的q端子输出的高电平信号被计数器205分频为数字信号，并产生新的时间常数调整信号。

在本实施例中，时刻t0和时刻t3的时间常数调整信号并不相同，也就是说，时间常数调整信号随时间而变化，使得在瞬时电压降低的情况下，开关频率到达上限的时刻被分散，从而使输入电流的变化平滑，实现输入电流失真以及功率因数的改善。

此外，在本实施例中，如图2所示，可以替代计数器205和数模转换器206而设置振荡电路207来生成可变的时间常数调整信号，由此，使得由时间常数调整信号决定的开关元件103的上限频率变化。或者，可以固定cp2的负端的参考信号的电压，而使用时间常数调整信号来调整电流源i2的充电电流，也能使开关元件103的上限频率变化。

实施例3

本申请实施例3提供一种开关电源的控制方法，与实施例1和实施例2的控制电路对应，用于对图1、图2和图3所示的开关电源中的开关元件进行控制。

图10是本实施例3的控制方法的一个流程示意图，如图10所示，该方法包括：

s1001、根据基准电压和输出直流电压之间的电压差控制开关元件的断开；

s1002、检测流过电感器的电流为零的时刻；

s1003、根据时间常数调整信号生成限制信号，限制信号用于设定从所述开关元件断开时刻起的延时期间，其中，所述时间常数调整信号的大小随时间变化；以及

s1004、根据对所述电流为零的时刻的检测结果和所述限制信号，控制所述开关元件的导通。

在本实施例中，步骤s1002检测的所述电感器的电流为零的时刻是指所述电流 从大于零的值衰减为零的时刻。

在本实施例中，时间常数调整信号随时间变化的周期可以小于交流电压周期的一半。

根据本实施例的控制方法，能够根据随时间变化的时间常数调整信号来设定开关元件的导通时刻的延迟期间，由此，在瞬时电压降低的情况下，开关频率到达上限的时刻被分散，从而防止输入电流不连续变化，实现输入电流失真和功率因数的改善。

以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。