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CN111817557A - 开关型变换器的控制电路及控制方法 - Google Patents

开关型变换器的控制电路及控制方法 Download PDF

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CN111817557A CN202010675401.2A CN202010675401A CN111817557A CN 111817557 A CN111817557 A CN 111817557A CN 202010675401 A CN202010675401 A CN 202010675401A CN 111817557 A CN111817557 A CN 111817557A
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Abstract

本发明公开了一种开关型转换器的控制电路及控制方法，频率调节电路输出最大频率信号以控制所述主开关管的最大工作频率，所述频率调节电路根据所述主开关管的开关周期将多个不同大小的最大频率信号切换输出。本发明方案通过在各个开关周期中调整主开关管的最大工作频率，可以使得一个半波输入电压信号对应的输出信号得以均匀调节，从而在整个工作周期中，转换器的输出信号维持基本恒定。本发明方案在照明负载场合应用中，可避免输出电流不稳定造成的灯闪烁问题。

Description

开关型变换器的控制电路及控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子领域，更具体地说，涉及一种开关型变换器的控制电路及控制方法。
背景技术
现有的交-直流开关型转换器接收正弦输入电压信号，经过整流电路和功率级电路处理后输出稳定的直流电压信号供给负载，如图1为一种常用的开关型转换器，功率级电路以buck拓扑为例，控制电路控制功率级电路中功率开关管Q的开关状态。在对开关型转换器的功率因数要求较高的场合，通常将输入电容Cin的容值设置为比较小以满足功率因数的要求，输入的正弦电压信号经过整流电路处理后为半波电压信号，由于半波电压信号呈变化趋势会导致功率级电路中的功率开关管工作频率产生相应变化，在半波电压信号的两边接近波谷时段，功率开关管工作频率会变大，但由于开关管本身的特性以及系统对工作效率的要求，当半波电压信号处于两边接近波谷时段，控制电路产生最大工作频率fmax以限制功率开关管的工作频率。
但是当开关型转换器应用于照明场合时，输出调光电流较小，会使得电感电流的峰值减小，这样，设置的最大工作频率fmax的频率点容易出现在电感电流峰值点上或出现在电感电流峰值附近，容易造成功率开关管的导通时刻不稳定，从而输出信号不稳定，照明负载发生闪烁现象。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种开关型调节器的控制电路及控制方法，用以解决现有技术存在的输出信号不稳定，照明负载发生闪烁的技术问题。
本发明的技术解决方案是，提供一种开关型变换器的控制电路，所述开关型变换器包括功率级电路，其中，所述功率级电路包括主开关管，所述控制电路包括频率调节电路，输出最大频率信号以控制所述主开关管的最大工作频率，所述频率调节电路根据所述主开关管的开关周期调整所述最大工作频率的大小；
控制和驱动电路，接收所述频率调节电路输出的最大频率信号，以据此调整所述主开关管在各个开关周期中的最大工作频率。
进一步地，所述频率调节电路根据所述主开关管的开关周期将多个不同大小的最大频率信号切换输出。
进一步地，所述控制和驱动电路输出开关控制信号控制所述主开关管的开关状态；所述频率调节电路接收所述开关控制信号，并根据所述开关控制信号获得所述主开关管的开关周期从而进行所述最大频率信号的切换。
进一步地，所述多个不同大小的最大频率信号根据主开关管的开关周期交替切换输出。
进一步地，所述控制电路包括过零检测电路，所述过零检测电路检测所述功率级电路中电感的电流是否过零；
所述频率调节电路根据当前开关周期中所述主开关管的最大工作频率和所述电感电流过零的时间先后顺序决定下一开关周期中所述最大频率信号是否切换。
进一步地，所述频率调节电路包括信号比较电路，所述多个不同的最大频率信号包括第一最大频率信号和第二最大频率信号，第一最大工作频率大于第二最大工作频率，
若当前开关周期中，所述主开关管工作于所述第一最大工作频率，所述信号比较电路检测到所述电感电流达到所述零基准电流出现在所述主开关管的第一最大工作频率之前，则在所述主开关管的下一开关周期中，所述频率调节电路输出所述第二最大频率信号，否则，则在所述主开关管的下一开关周期中，维持输出所述第一最大频率信号；
若所述频率调节电路切换到输出所述第二最大频率信号，则在当前开关周期中，所述信号比较电路检测到所述电感电流达到所述零基准电流出现在主开关管的第二最大工作频率之后，则在下一次开关周期中，所述频率调节电路输出所述第一最大频率信号，否则，则在下一开关周期中，维持输出所述第二最大频率信号。
进一步地，所述频率调节电路包括频率信号产生电路，用以产生所述大小不同的最大频率信号，
所述频率信号产生电路包括电流源、充电电容以及比较器，所述电流源对所述充电电容进行充电，以产生充电电压信号，所述比较器接收所述充电电压信号和一参考电压信号，以产生比较信号，所述比较信号作为所述最大频率信号，
其中，调节所述电流源的大小或者调节所述参考电压信号的大小或调解所述充电电容的大小以产生大小不同的最大频率信号。
第二方面，一种开关型调节器的控制方法，所述开关型变换器包括功率级电路，其中，所述功率级电路包括主开关管，包括，
依据最大频率信号控制所述主开关管的最大工作频率，根据所述主开关管的开关周期调整所述最大工作频率的大小；
接收所述最大频率信号，以据此调整所述主开关管在各个开关周期中的的最大工作频率。
进一步地，所述频率调节电路根据所述主开关管的开关周期将多个不同大小的最大频率信号切换输出。
进一步地，输出开关控制信号控制所述主开关管的开关状态；
接收所述开关控制信号，以根据所述开关控制信号获得开关周期进而进行所述最大频率信号的切换。
进一步地，所述多个不同大小的最大频率信号根据主开关管的开关周期交替切换。
进一步地，检测所述主开关管中电感的电流到达零基准电流的时刻，
根据当前开关周期中所述主开关管的最大工作频率和所述电感电流过零的时间先后顺序决定下一开关周期中所述最大频率信号是否切换。
采用本发明的控制电路结构，通过在各个开关周期中调整主开关管的最大工作频率，可以使得一个半波输入电压信号内的输出信号得以均匀调节，不受输入信号大小变化的影响，保证在整个工作过程中，转换器的输出信号维持基本恒定，在照明负载场合应用中，在工频工作周期内，输出电流稳定，负载无闪烁。
附图说明
图1为现有常用的开关型转换器的电路框图；
图2为本发明开关型转换器的控制电路第一实施例的电路框图；
图3为本发明开关型转换器的控制电路第二实施例的电路框图；
图4为本发明开关型转换器的控制方法的流程图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图2所示，为本发明开关型转换器的控制电路第一实施例的电路框图，所述开关型转换器包括整流电路、功率级电路和控制电路，功率级电路采用了降压变换拓扑为例，该拓扑结构包括输入电容Cin、输出电容Co、主开关管Q、与主开关管Q连接的电感L、整流二极管D。开关型转换器接收交流输入信号Vin，经整流电路整流后转换为半波输入信号Vin’，功率级电路接收所述半波输入信号Vin’，通过控制电路对主开关管Q的开关状态的控制，将所述半波输入信号Vin’转换为直流输出信号供给负载，输出电容Co两端的电压记为输出电压信号Vo。
本领域技术人员应当理解，图2中所示功率级电路为降压式拓扑只是示例性的，在其他实施例中，功率级电路可以采用任何适合的直流-直流拓扑结构，如采用同步降压结构、升压拓扑结构、同步升压拓扑结构，反激，同步反激及其他合适的拓扑结构。输出端的信号也可以是其他类型的输出信号，如输出电流信号等。本实施例方式中输入的半波信号为正弦半波信号，也可以为其他类型如准半波信号等。
对于照明负载调光应用场合，开关型转换器需要维持输出信号在工作时间内基本稳定，但由于输入信号的变化特征，相邻的半波输入信号对应的输出信号产生较大的区别，使得输出信号产生不稳定性，容易使照明负载闪烁，由此本申请发明人提出了一种控制主开关管的最大频率信号的方式，通过在一个半波输入信号的时间段内主动调整主开关管在各个开关周期内的最大工作频率，使得输出信号在所有工频周期时间段内维持基本恒定。
本发明实施例中，所述控制电路包括频率调节电路1和控制和驱动电路2，频率调节电路1输出最大频率信号Vfmax以控制所述主开关管的最大工作频率，所述频率调节电路1根据所述主开关管的开关周期将多个不同大小的最大频率信号进行切换输出，控制和驱动电路2接收所述频率调节电路输出的最大频率信号，以据此调整所述主开关管Q在各个开关周期中的最大工作频率。
具体地，本实施例中，所述频率调节电路包括频率信号产生电路1-1，用以产生所述大小不同的最大频率信号，所述频率信号产生电路包括电流源I、充电电容C1以及比较器cmp，所述电流源对所述充电电容进行充电，以产生充电电压信号Vc1，所述比较器cmp接收所述充电电压信号Vc1和一参考电压信号Vref，以产生比较信号作为所述最大频率信号，其中，调节所述电流源的大小或者调节所述参考电压信号的大小或调节所述充电电容的大小以产生大小不同的最大频率信号。这里，根据开关型转换器的工作原理，当所述比较信号跳变为有效状态(如高电平状态)，则所述主开关管的限频状态结束。
这里，所述控制和驱动电路2输出开关控制信号VQ控制所述主开关管的开关状态，所述频率调节电路接收所述开关控制信号VQ，并根据所述开关控制信号获得所述主开关管的开关周期以进行所述最大频率信号的切换。根据开关控制信号VQ对主开关管的开关状态的控制可知，开关控制信号VQ与主开关管的开关周期是对应关系，例如，当开关控制信号VQ为有效状态时，主开关管导通，开关控制信号VQ为无效状态时，主开关管关断，则可知，开关控制信号VQ的一个有效状态到下一个有效状态的变化对应主开关管的一个开关周期T。因此，根据所述开关控制信号获得所述主开关管的开关周期T信息，然后根据开关周期信号进行所述最大频率信号的切换。
本实施例方式中，通过调节所述电流源的大小或者调节所述参考电压信号的大小或者调节所述充电电容的大小以产生大小不同的最大频率信号，然后根据开关周期对多个不同大小的所述最大频率信号进行切换输出。
具体地，本实施方式中，所述多个不同大小的最大频率信号根据主开关管的开关周期交替切换输出。以所述最大频率信号两个为例，记为Vfmax1、Vfmax2，在上一个开关周期内输出的最大频率信号为Vfmax1，以限制所述主开关管的最大工作频率为fmax1，在下一个开关周期内输出的最大频率信号为Vfmax2，以限制所述主开关管的最大工作频率为fmax2，并以此交替进行，从而使得在一个半波输入信号的时间段内主开关管的最大工作频率是动态变化的，这样输出信号在所有半波的输入信号的时间段内维持基本恒定，在照明负载场合应用中，输出电流信号稳定，纹波小，无闪烁。
本领域技术人员可知，所述多个不同大小的最大频率信号可以包括两个以上，如三个、四个等，多个不同大小的最大频率信号可以依次增大、依次减小或根据需要设置不同的值，在转换器工作中，根据开关周期依次交替切换，如此可达到更好的控制效果，输出的电流会更均匀，调光效果更稳定。
参考图3为依据本发明的第二实施例的控制电路，在本实施方式中，频率信号产生电路与上一实施例相同，不再赘述，不同的是，所述控制电路包括过零检测电路3，所述过零检测电路3检测所述功率级电路中电感L的电流是否过零。所述频率调节电路包括信号比较电路1-2，所述信号比较电路1-2比较所述电感电流IS到达零基准电流V0的时刻和所述主开关管的最大工作频率的时间先后顺序，即使比较所述电感电流IS到达零基准电流V0的时刻出现在所述主开关管的最大工作频率之前还是之后，以根据比较结果进行最大频率信号的切换输出。下面以两个不同的最大频率信号Vfmax1、Vfmax2为例进行说明，对应地，第一最大频率信号Vfmax1控制主开关管工作在第一最大工作频率fmax1，第二最大频率信号Vfmax2控制主开关管工作在第二最大工作频率fmax2，所述第一最大工作频率fmax1大于所述第二最大工作频率fmax2，
在所述主开关管的当前开关周期中，所述频率调节电路输出所述第一最大频率信号Vfmax1，所述信号比较电路1-2检测到所述所述电感电流达到所述零基准电流出现在所述主开关管的第一最大工作频率之前，所述所述电感电流达到所述零基准电流，则在所述主开关管的下一开关周期中，所述频率调节电路输出所述第二最大频率信号Vfmax2，否则，则在所述主开关管的下一开关周期中，维持输出所述第一最大频率信号Vfmax1。
接着，若所述频率调节电路切换到输出所述第二最大频率信号Vfmax2，在当前开关周期中，所述信号比较电路1-2检测到在所述电感电流达到所述零基准电流的时刻出现在所述主开关管的第二最大工作频率的之后，则在下一次开关周期中，所述频率调节电路输出所述第一最大频率信号Vfmax1，否则，则在下一开关周期中，维持输出所述第二最大频率信号Vfmax2，依此循环。
本实施例方式中，根据所述电感电流到达零基准电流的时刻出现在所述主开关管的最大工作频率的先后顺序，进行最大频率信号的切换输出，可以根据实际电路情况进行最大频率信号的切换，可以更好的控制输出信号的稳定性，保证在下一次开关周期出现电感电流到达零基准时，主开关管能够零电压导通，并且，可使得在所有半波的输入信号的时间段内输出信号变化不大，输出信号维持基本恒定。
本领域技术人员可知，多个最大频率信号也可以是三个、四个或更多，依照上述的推导过程，多个最大频率信号可以依次切换，如此，输出信号可以更好的得到调节。另外，上述实施例中所述第一最大工作频率fmax1对应的第一最大工作频率大于所述第二最大工作频率fmax2对应的第二最大工作频率，在其他实施例中，所述第一最大工作频率fmax1可以是小于所述第二最大工作频率fmax2，切换顺序也可根据电感电流过零时刻和所述最大工作频率到达时刻的先后进行切换，在此不再一一举例说明。
上述的开关型转换器的控制电路适用于在临界导通模式的开关电源，通过主动调整主开关管的最大工作频率，可以使得一个半波输入电压信号内的输出信号得以均匀调节，不受输入信号大小变化的影响，保证在整个工作过程中，转换器的输出信号维持基本恒定。
第二方面，参考图4，本发明公开一种开关型转换器的控制方法，所述开关型变换器包括功率级电路，其中，所述功率级电路包括主开关管，包括步骤；
S1：依据最大频率信号控制所述主开关管的最大工作频率，根据所述主开关管的开关周期调整所述最大工作频率的大小；
S2：接收所述最大频率信号，以据此调整所述主开关管在各个开关周期中的的最大工作频率。
进一步地，所述频率调节电路根据所述主开关管的开关周期将多个不同大小的最大频率信号切换输出。
进一步地，输出开关控制信号控制所述主开关管的开关状态；
接收所述开关控制信号，以根据所述开关控制信号获得开关周期进而进行所述最大频率信号的切换。
进一步地，所述多个不同大小的最大频率信号根据主开关管的开关周期交替切换。
进一步地，检测所述主开关管中电感的电流到达零点的时刻出现在所述主开关管的最大工作频率的时间先后顺序，以根据比较结果进行最大频率信号的切换输出。
通过上文对开关型转换器电路和结构的描述，本领域技术人员可以推知其它技术或者结构同样适用于上述实施例。另外，本实施例中所涉及的转换器包括降压、同步降压结构，但其他转换器如升压转换器、同步升压转换器，反激，同步反激及其他合适的拓扑结构均适用于本发明所述实施例。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种开关型变换器的控制电路，所述开关型变换器包括功率级电路，其中，所述功率级电路包括主开关管，其特征在于，所述控制电路包括
频率调节电路，输出最大频率信号以控制所述主开关管的最大工作频率，所述频率调节电路根据所述主开关管的开关周期调整所述最大工作频率的大小；
控制和驱动电路，接收所述频率调节电路输出的最大频率信号，以据此调整所述主开关管在各个开关周期中的最大工作频率。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述频率调节电路根据所述主开关管的开关周期将多个不同大小的最大频率信号切换输出。
3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述控制和驱动电路输出开关控制信号控制所述主开关管的开关状态；
所述频率调节电路接收所述开关控制信号，并根据所述开关控制信号获得所述主开关管的开关周期从而进行所述最大频率信号的切换。
4.根据权利要3所述的控制电路，其特征在于，所述多个不同大小的最大频率信号根据主开关管的开关周期交替切换输出。
5.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路包括过零检测电路，所述过零检测电路检测所述功率级电路中电感的电流是否过零；
所述频率调节电路根据当前开关周期中所述主开关管的最大工作频率和所述电感电流过零的时间先后顺序决定下一开关周期中所述最大频率信号是否切换。
6.根据权利要求5所述的控制电路，其特征在于，所述频率调节电路包括信号比较电路，所述多个不同的最大频率信号包括第一最大频率信号和第二最大频率信号，第一最大工作频率大于第二最大工作频率，
若当前开关周期中，所述主开关管工作于所述第一最大工作频率，所述信号比较电路检测到所述电感电流达到所述零基准电流出现在所述主开关管的第一最大工作频率之前，则在所述主开关管的下一开关周期中，所述频率调节电路输出所述第二最大频率信号，否则，则在所述主开关管的下一开关周期中，维持输出所述第一最大频率信号；
若所述频率调节电路切换到输出所述第二最大频率信号，则在当前开关周期中，所述信号比较电路检测到所述电感电流达到所述零基准电流出现在主开关管的第二最大工作频率之后，则在下一次开关周期中，所述频率调节电路输出所述第一最大频率信号，否则，则在下一开关周期中，维持输出所述第二最大频率信号。
7.根据权利要求1-6任一所述的控制电路，其特征在于，所述频率调节电路包括频率信号产生电路，用以产生所述大小不同的最大频率信号，
所述频率信号产生电路包括电流源、充电电容以及比较器，所述电流源对所述充电电容进行充电，以产生充电电压信号，所述比较器接收所述充电电压信号和一参考电压信号，以产生比较信号，所述比较信号作为所述最大频率信号，
其中，调节所述电流源的大小或者调节所述参考电压信号的大小或调解所述充电电容的大小以产生大小不同的最大频率信号。
8.一种开关型调节器的控制方法，所述开关型变换器包括功率级电路，其中，所述功率级电路包括主开关管，其特征在于，包括，
依据最大频率信号控制所述主开关管的最大工作频率，根据所述主开关管的开关周期调整所述最大工作频率的大小；
接收所述最大频率信号，以据此调整所述主开关管在各个开关周期中的的最大工作频率。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述频率调节电路根据所述主开关管的开关周期将多个不同大小的最大频率信号切换输出。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，
输出开关控制信号控制所述主开关管的开关状态；
接收所述开关控制信号，以根据所述开关控制信号获得开关周期进而进行所述最大频率信号的切换。
11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述多个不同大小的最大频率信号根据主开关管的开关周期交替切换。
12.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，
检测所述主开关管中电感的电流到达零基准电流的时刻，
根据当前开关周期中所述主开关管的最大工作频率和所述电感电流过零的时间先后顺序决定下一开关周期中所述最大频率信号是否切换。
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