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TWI600262B - A system and method for providing an output voltage to a load - Google Patents

A system and method for providing an output voltage to a load Download PDF

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TWI600262B
TWI600262B TW105120345A TW105120345A TWI600262B TW I600262 B TWI600262 B TW I600262B TW 105120345 A TW105120345 A TW 105120345A TW 105120345 A TW105120345 A TW 105120345A TW I600262 B TWI600262 B TW I600262B
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Qian Fang
lie-yi Fang
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Description

一種用於向負載提供輸出電壓的系統和方法
本發明涉及電路領域，更具體地涉及一種用於向負載提供輸出電壓的系統和方法。
目前，基於Boost架構的功率因數校正開關變換器應用十分廣泛。但是，傳統的導通時間恒定工作模式的Boost功率因數校正變換器的輸入電流諧波失真(Total Harmonic Distortion,THD)較大，在對諧波失真要求較高的場合無法應用，需要加入優化電路才能滿足諧波要求。
本發明提供了一種用於向負載提供輸出電壓的系統，包括：開關控制元件，被配置為根據表徵與負載串聯的電感器的退磁情況的退磁表徵信號、表徵輸出至負載的輸出電壓的輸出電壓表徵信號、以及參考信號生成控制信號，並利用控制信號來控制系統功率開關的導通與截止，其中系統功率開關、電容器、以及負載並行連接在電感器與地之間。
本發明還提供了一種用於向負載提供輸出電壓的方法，包括：根據表徵與負載串聯的電感器的退磁情況的退磁表徵信號、表徵輸出至負載的輸出電壓的輸出電壓表徵信號、以及參考信號生成控制信號，並利用控制信號來控制系統功率開關的導通與截止，其中系統功率開關、電容器、以及負載並行連接在電感器與地之間。
根據本發明的系統和方法可以消除輸入電流的平均值在交流輸入電壓處於谷底時的缺相，減小輸入電流在交流電源的整個工頻週期的畸變。
Vcs‧‧‧退磁表徵信號
100、800‧‧‧BOOST准諧振開關電源
Vramp‧‧‧斜坡電壓
102、802‧‧‧交流整流元件
Iramp‧‧‧斜坡電流
104、500、804‧‧‧開關控制元件
C1、C2‧‧‧電容器
106、806‧‧‧電壓輸出元件
Vc2‧‧‧電壓
Vref_ea‧‧‧參考信號
VAC‧‧‧交流輸入電壓
Vcomp‧‧‧輸出電壓表徵電壓
Vin‧‧‧經整流的輸入電壓
Rcs‧‧‧電阻
L‧‧‧電感器
Td‧‧‧退磁時間
S1‧‧‧系統功率開關
Tr‧‧‧諧振時間
Iin‧‧‧電感電流
In_pk‧‧‧負向諧振電流峰值
IPK‧‧‧電感電流峰值
Vth‧‧‧負向閾值電壓
Vo‧‧‧輸出電壓
Vth2‧‧‧閾值電壓
Cds‧‧‧寄生電容器
601、1002‧‧‧比較器
OP‧‧‧緩衝放大器
1001‧‧‧壓控電流源
V1‧‧‧電壓
1003‧‧‧鎖存器
Vvac‧‧‧輸入電壓表徵信號
Gm‧‧‧壓控電流源的跨導
Trigger‧‧‧觸發信號
por‧‧‧上電復位信號
PWM‧‧‧脈衝寬度調變
Iin_ave‧‧‧輸入電流的平均值
Tramp‧‧‧斜坡電壓Vramp從V1上升到輸出電壓表徵電壓Vcomp的時間
Td1‧‧‧退磁表徵電壓Vcs下降到負向閾值電壓Vth的時間
Td2‧‧‧電容器C2上的電壓Vc2上升到閾值電壓Vth2的時間
Ton‧‧‧系統功率開關S1的導通時間
201、501、901‧‧‧斜坡信號生成模組
202、502、902‧‧‧脈衝寬度調變(PWM)信號生成模組
203、503、903‧‧‧邏輯控制模組
204、504、904‧‧‧驅動模組
205、505、905‧‧‧退磁感測模組
206、506、906‧‧‧誤差放大器(EA)模組
207、507、907‧‧‧欠壓保護(UVLO)模組
INV、CS/ZCD、GATE、COMP、CS、GND、VCC、VIN、VAC‧‧‧端子
K1、K2、Ks、Ks1、Ks2‧‧‧開關
從下面結合附圖對本發明的具體實施方式的描述中可以更好地理解本發明，其中：第1圖是根據本發明實施例的用於向負載提供輸出電壓的系統的電路圖；第2圖是第1圖中所示的開關控制元件的示意框圖；第3a圖是當交流輸入電壓處於峰值附近時第1圖所示的系統中的輸入電流的波形圖；第3b圖是當交流輸入電壓處於谷底附近時第1圖所示的系統中的輸入電流的波形圖；第4圖是第1圖所示的系統中的輸入電流的平均值在交流電源的一個工頻週期內與標準正弦波的對比的示意圖；第5圖是根據本發明實施例的開關控制元件的示意框圖；第6圖是第5圖中所示的斜坡信號生成模組的示意圖；第7圖是採用第5圖所示的開關控制元件的系統中的電感電流錶征信號(即，退磁表徵信號Vcs)、斜坡電壓Vramp、以及驅動信號的工作波形的示意圖；第8圖是根據本發明另一實施例的用於向負載提供輸出電壓的系統的電路圖；第9圖是第8圖所示的系統中的開關控制元件的示意框圖；第10圖是第9圖中所示的斜坡信號生成模組的示意圖；第11a圖是當交流輸入電壓處於峰值附近時第8圖所示的系統中的電容器C2上的電壓Vc2、斜坡電壓Vramp、以及驅動信號的工作波形的示意圖；第11b圖是當交流輸入電壓處於谷底附近時第8圖所示的系統中的電容器C2上的電壓Vc2、斜坡電壓Vramp、以及驅動信號的工作波形的示 意圖。
下面將詳細描述本發明的各個方面的特徵和示例性實施例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理解。但是，對於本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明決不限於下面所提出的任何具體配置和演算法，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和演算法的任何修改、替換和改進。在附圖和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。
第1圖是根據本發明實施例的用於向負載提供輸出電壓的系統(即，BOOST准諧振開關電源)的電路圖。如第1圖所示，BOOST准諧振開關電源100包括交流整流元件102、開關控制元件104、以及電壓輸出元件106。其中，交流整流元件102接收來自交流電源的交流輸入電壓VAC，並將交流輸入電壓VAC變換為經整流的輸入電壓Vin(下面簡稱輸入電壓Vin)，以向負載提供輸出電壓。開關控制元件104通過INV端子感測輸出至負載的輸出電壓、通過CS/ZCD端子感測表徵電壓輸出元件106中與負載串聯的電感器L的退磁情況的退磁表徵電壓，並基於感測到的輸出電壓和退磁表徵電壓，通過GATE端子輸出驅動信號來驅動系統功率開關S1的導通與截止，從而調節提供給負載的輸出電壓。
當系統功率開關S1導通時，輸入電壓Vin給電壓輸出元件106中的電感器L充電。流過電感器L的電感電流(即，輸入電流Iin)的峰值IPK由系統功率開關S1的導通時間Ton(即，系統功率開關S1處於導通狀態的持續時間)決定：
當系統功率開關S1由導通變為截止時，輸出電壓Vo和 輸入電壓Vin的差值Vo-Vin給電感器L退磁，表徵電感器L的退磁情況的退磁表徵電壓由開關控制元件104的CS/ZCD端子感測。電感器L退磁結束後，系統功率開關S1的寄生電容器Cds和電感器L發生諧振，當系統功率開關S1兩端的電壓諧振到谷底時，系統功率開關S1會再次導通。
第2圖是第1圖中所示的開關控制元件的示意框圖。如第2圖所示，開關控制元件104具有GATE端子、INV端子、CS端子、GND端子、COMP端子、以及VCC端子，並且包括斜坡信號生成模組201、脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)信號生成模組202、邏輯控制模組203、驅動模組204、退磁感測模組205、誤差放大器(Error Amplifier,EA)模組206、以及欠壓保護(Under Voltage Lock Out,UVLO)模組207。
如第2圖所示，斜坡信號生成模組201與PWM信號生成模組202的正相輸入端連接。COMP端子以及誤差放大器(EA)模組206的輸出端與PWM信號生成模組202的反相輸入端連接。PWM信號生成模組202的輸出端與邏輯控制模組203連接，邏輯控制模組203與驅動模組204連接，驅動模組204與GATE端子連接。CS端子與退磁感測模組205連接，退磁感測模組205與邏輯控制模組203連接。INV端子與誤差放大器(EA)模組206的反相輸入端連接。GND端子接地。VCC端子與欠壓保護模組207連接。
具體地，在系統功率開關S1的導通時間Ton期間，斜坡信號生成模組201基於預定的斜坡電流Iramp生成斜坡電壓Vramp，並將斜坡電壓Vramp輸出至PWM信號生成模組202的正相輸入端；誤差放大器(EA)模組206基於與其反相輸入端連接的INV端子處的電壓、以及輸入到其正相輸入端的參考信號Vref_ea生成輸出電壓表徵電壓Vcomp(即，COMP端子處的電壓)，並將輸出電壓表徵電壓Vcomp輸出至PWM信號生成模組202的反相輸入端；PWM信號生成模組202通過將斜坡電壓Vramp與輸出電壓表徵電壓Vcomp進行比較生成PWM調變信 號，並將PWM調變信號輸出至邏輯控制模組203；退磁感測模組205基於CS端子處的退磁表徵電壓生成退磁表徵信號，並將退磁表徵信號輸出至邏輯控制模組203；邏輯控制模組203基於PWM調變信號、以及退磁表徵信號生成控制信號；驅動模組204基於控制信號生成驅動信號，以驅動系統功率開關S1的導通與截止。這裡，INV端子處的電壓是通過對輸出電壓Vo進行分壓得到的。
如第1圖和第2圖所示，流過電感器L的電感電流Iin經由電阻Rcs和RC(Resistor-Capacitor)濾波元件生成電壓Vcs，此電壓被送入CS端子。CS端子處的電壓Vcs的大小可以表徵電感電流的大小進而可以表徵電感器L的退磁情況，因此CS端子處的電壓Vcs在這裡被稱為退磁表徵電壓。由於電感電流Iin是從控制元件104的GND端子流向CS端子，所以CS端子上的電壓Vcs為負向電壓，即Vcs=-Iin*Rcs。當CS端子處的電壓高於一個接近為零的負向閾值(例如，-10mV)時判定電感器L退磁結束，此時系統功率開關S1的寄生電容器Cds和電感器L發生諧振，經過一段時間(例如，1us(Microsecond))後系統功率開關S1兩端的電壓諧振到谷底，此時通過邏輯控制和驅動輸出高位準，使系統功率開關S1導通。在一些實施例中，也可以不直接從CS端子處的電壓Vcs感測電感器L的退磁情況，退磁表徵信號可以由傳統的電感耦合方式生成。
在系統功率開關S1的導通時間內，當斜坡信號生成模組201基於預定的斜坡電流Iramp生成的斜坡電壓Vramp高於輸出電壓表徵電壓Vcomp時，PWM信號生成模組202生成低位準的PWM調變信號；電感器L處於充電過程而非退磁過程中，退磁感測模組205生成低位準的退磁表徵信號；邏輯控制模組203基於低位準的PWM調變信號和低位準的退磁表徵信號生成低位準的控制信號；驅動模組204基於低位準的控制信號生成低位準的驅動信號，從而使得系統功率開關S1截止(驅動模組204生成的驅動信號的波形與邏輯控制模組203生成的控制信號的波形相同)。
可以看出，由誤差放大器(EA)模組206生成的輸出電壓表徵電壓Vcomp決定了系統功率開關S1的導通時間Ton。輸出電壓表徵電壓Vcomp在交流電源的一個工頻週期內基本恒定，這就決定了系統功率開關S1在交流電源的一個工頻週期內的導通時間Ton是恒定的。在這種系統功率開關S1的導通時間Ton固定的工作模式中，流過電感器L的電感電流(即，輸入電流Iin)的波形如第3a和3b圖所示。
在第3a和3b圖中所示的情況中，可以根據輸入電流Iin的波形如下計算輸入電流Iin的平均值：
積分得出：
其中，Ton表示系統功率開關S1的導通時間(即，電感器L的充電時間)，Td表示電感器L的退磁時間，Tr表示電感器L與系統功率開關S1的寄生電容器Cds的諧振時間。
IPK是輸入電流Iin的峰值：
In_pk是負向諧振電流峰值：
電感器L的退磁時間：
電感器L的諧振時間：
在交流電源的一個工頻週期內，輸出電壓表徵電壓 Vcomp恒定，因此系統功率開關S1的導通時間Ton時間恒定；電感器L的電感量L和系統功率開關S1的寄生電容器Cds固定，因此諧振時間Tr也固定；在交流輸入電壓VAC的波峰附近，輸入電壓Vin大，負向諧振電流峰值In_pk低，電感電流峰值IPK高，同時退磁時間Td也長，負向諧振電流所占比例小，波形如第3a圖所示；在交流輸入電壓VAC的谷底附近，輸入電壓Vin小，負向諧振電流峰值In_pk高，電感電流峰值IPK低，同時退磁時間Td也短，負向諧振電流所占比例大，波形如第3b圖所示，此時負向諧振電流甚至會與正向電流相抵消，導致輸入電流Iin無法跟隨輸入電壓Vin的波形。
輸入電流Iin的平均值在交流電源的一個工頻週期內的波形如第4圖所示。第4圖是第1圖中所示的系統的輸入電流Iin的平均值的波形與標準正弦波的對比的示意圖。從之前的公式分析可以得出，輸入電流Iin與標準正弦波相比較在交流電源的整個工頻週期內都會有畸變，尤其在交流輸入電壓VAC的谷底附近畸變最嚴重。
因此，第2圖所示的開關控制元件產生的諧波失真較大，在對諧波失真(THD)要求較高的場合無法應用。
為了解決結合第1-4圖描述的系統中存在的一個或多個問題，提出了下面參考第5至7圖詳細描述的用於第1圖所示的系統的新穎的開關控制元件，該開關控制元件具有與第2圖所示的開關控制元件相同的引腳，並且可以使第1圖所示的系統中的總電流畸變降到最小。
第5圖是根據本發明實施例的開關控制元件的示意框圖。如第5圖所示，開關控制元件500包括斜坡信號生成模組501、PWM信號生成模組502、邏輯控制模組503、驅動模組504、退磁感測模組505、誤差放大器(EA)模組506、以及欠壓保護(UVLO)模組507。
在第5圖所示的開關控制元件中，斜坡信號生成模組501、PWM信號生成模組502、邏輯控制模組503、驅動模組504、退磁感測模組505、誤差放大器(EA)模組506、以及欠壓保護(UVLO)模組 507之間的連接關係、以及信號處理流程與第2圖中所示的相應模組之間的連接關係、以及信號處理流程相同，在此不再贅述。
另外，在第5圖所示的開關控制元件中，斜坡信號生成模組501基於CS端子處的退磁表徵電壓Vcs、負向閾值電壓Vth、以及預定的斜坡電流Iramp生成斜坡電壓Vramp，其中負向閾值電壓Vth是預定電壓。
第6圖是第5圖中所示的斜坡信號生成模組的示意框圖。如第6圖所示，斜坡電壓生成模組501包括比較器601、開關K1、開關Ks、緩衝放大器OP、以及電容器C1。
在第6圖所示的斜坡信號生成模組中，開關Ks的導通與截止由驅動模組504生成的驅動信號控制(即，由邏輯控制模組503生成的控制信號控制)。具體地，在驅動信號為高位準，即系統功率開關S1導通期間，開關Ks截止；在驅動信號為低位準，即系統功率開關S1截止期間，開關Ks導通，此時斜坡電壓Vramp(即，電容器C1上的電壓)被鉗位元在V1。
在第6圖所示的斜坡信號生成模組中，開關K1的導通與截止由比較器601的輸出信號控制，其中，比較器601的輸出信號是基於比較器601的正相輸入端的退磁表徵電壓Vcs以及反相輸入端的負向閾值電壓Vth生成的。在系統功率開關S1導通期間，輸入電壓Vin給電感器L充電，退磁表徵電壓Vcs從0V開始降低，當退磁表徵電壓Vcs高於負向閾值電壓Vth時，比較器601的輸出信號為低位準，此時K1截止；當退磁表徵電壓Vcs低於負向閾值電壓Vth時，比較器601的輸出信號為高位準，此時K1導通，斜坡電流Iramp給電容器C1充電，直到電容器C1上的斜坡電壓Vramp達到輸出電壓表徵電壓Vcomp且驅動信號變為低位準為止；電容器C1上的斜坡電壓Vramp被輸出至PWM信號生成模組502的正相輸入端。
在第6圖所示的斜坡信號生成模組501中，當開關Ks導 通時，電容器C1上的電壓被維持在V1；當開關Ks、K1都截止時，電容器C1上的電壓仍然維持在V1；當開關K1導通、開關Ks截止時，斜坡電流Iramp給電容器C1充電，直到電容器C1上的斜坡電壓Vramp達到輸出電壓表徵電壓Vcomp且驅動信號變為低位準為止；電容器C1上的斜坡電壓Vramp被輸出至PWM信號生成模組502的正相輸入端。
第7圖是退磁表徵電壓Vcs、斜坡電壓Vramp、以及驅動信號(即，GATE引腳處的信號)的工作波形的示意圖。如第7圖所示，當Vcs電壓上升至高於一個接近為零的負向電壓(例如，-10mV)，判定電感L退磁結束，通過邏輯控制及驅動輸出高位準，在驅動信號為高位準(即，系統功率開關S1導通)期間，電感器L充電，CS端子處的退磁表徵電壓Vcs從0V開始降低；當退磁表徵電壓Vcs達到負向閾值電壓Vth時，開關K1導通，斜坡電流Iramp開始向電容器C1充電，電容器C1上的斜坡電壓Vramp開始上升；當斜坡電壓Vramp達到輸出電壓表徵電壓Vcomp時，驅動信號變為低位準，系統功率電力MOS場效電晶體S1截止，退磁表徵電壓Vcs開始上升，斜坡電壓Vramp被鉗位元到V1。其中，驅動信號為高位準的時間(即，系統功率開關S1的導通時間Ton)由兩部分組成，一部分是斜坡電壓Vramp從V1上升到輸出電壓表徵電壓Vcomp的時間Tramp，由於輸出電壓表徵電壓Vcomp基本恒定，因此Tramp也恒定；另一部分是退磁表徵電壓Vcs下降到負向閾值電壓Vth的時間Td1。
根據以下的電感電流充電公式：
其中，Rcs為電感電流感測電阻，L為電感器L的電感量，對於一個給定的系統，內部閾值Vth和Rcs均恒定。Td1與輸入電壓Vin成反比，輸入電壓Vin越小，Td1越大，這樣可以讓系統功率開關S1的導通時間Ton與輸入電壓Vin成反比，從而增大在交流電源的工頻谷底處系統功率控制開關S1的導通時間Ton的時長，消除輸入電流平均值在 交流電源的工頻谷底的缺相以及減小輸入電流在整個工頻週期的電流畸變。
如果BOOST准諧振開關電源系統能夠感測經整流的輸入電壓Vin，那麼可以利用輸入電壓Vin來實現諧波優化。
第8圖是根據本發明另一實施例的用於向負載提供輸出電壓的系統的電路圖。如第8圖所示，根據本發明另一實施例的用於向負載提供輸出電壓的系統800包括交流整流元件802、開關控制元件804、以及電壓輸出元件806。其中，交流整流元件802接收來自交流電源的交流輸入電壓VAC，並將交流輸入電壓VAC變換為經整流的輸入電壓Vin(以下簡稱為輸入電壓Vin)，以向負載提供輸出電壓。開關控制元件804感測輸入電壓Vin、輸出至負載的輸出電壓、以及表徵電壓輸出元件806中與負載串聯的電感器L的退磁情況的退磁表徵電壓，並基於感測到的輸入電壓、輸出電壓、和退磁表徵電壓控制系統功率開關S1的導通與截止，從而調節負載的輸出電壓。這裡，開關控制元件804通過利用分壓元件對輸入電壓Vin進行取樣來感測輸入電壓Vin，並且通過利用分壓元件對輸出電壓Vo進行取樣來感測輸出電壓Vo。
第9圖是用於第8圖中所示的系統的開關控制元件的示意框圖。如第9圖所示，開關控制元件804包括斜坡信號生成模組901、PWM信號生成模組902、邏輯控制模組903、驅動模組904、退磁感測模組905、誤差放大器(EA)模組906、以及欠壓保護(UVLO)模組907。
在第9圖所示的開關控制元件中，開關控制元件804除了具有GATE端子、VIN端子、CS端子、GND端子、COMP端子、VCC端子以外，還具有VAC端子，並且其中的斜坡信號生成模組901、PWM信號生成模組902、邏輯控制模組903、驅動模組904、退磁感測模組905、誤差放大器(EA)模組906、以及欠壓保護(UVLO)模組907之間的連接關係、以及信號處理流程與第2圖中所示的相應模組之間的連接關係、以及信號處理流程相同，在此不再贅述。
在第9圖所示的開關控制元件中，斜坡信號生成模組901基於由VAC端子接收的輸入電壓表徵信號Vvac、閾值電壓Vth2、以及預定的斜坡電流Iramp生成斜坡電壓Vramp，其中閾值電壓Vth2是預定電壓。
第10圖是第9圖中所示的斜坡信號生成模組的示意圖。如第10圖所示，斜坡電壓生成模組901包括壓控電流源1001、電容器C1-C2、比較器1002、鎖存器1003、開關K1-K2、開關Ks1-Ks2、以及緩衝放大器OP。
在第10圖所示的斜坡信號生成模組中，開關Ks1-Ks2的導通與截止由驅動模組904生成的驅動信號(即，由邏輯控制模組903生成的控制信號)控制。具體地，在驅動信號為高位準時，即系統功率開關S1導通期間，開關Ks1截止、開關Ks2導通；在驅動信號為低位準時，即系統功率開關S1截止期間，開關Ks1導通、開關Ks2截止。
在系統功率開關S1導通期間，開關Ks2導通，開關Ks1截止，壓控電流源1001基於輸入電壓Vin的輸入電壓表徵電壓Vvac生成大小為Gm*Vvac的電流(其中，Gm表示壓控電流源的跨導)，並且用此電流給電容器C2充電，電容器C2上的電壓Vc2與閾值電壓Vth2一起被送入比較器1002。
比較器1002的輸出信號控制開關K1和K2的導通與截止。其中，比較器1002的輸出信號是基於比較器1002正相輸入端的電容器C2上的電壓Vc2以及反相輸入端的閾值電壓Vth2生成的。當電容器C2上的電壓Vc2高於閾值電壓Vth2時，比較器1002的輸出信號為高位準，開關K2導通，電容器C2上的電壓被清零，此時比較器1002的輸出信號變為低位準；在比較器1002的輸出信號為高位準時，比較器1002生成的高位準的輸出信號和低位準的驅動信號的反向信號被輸入鎖存器1003，鎖存器1003輸出高位準的信號使開關K1導通。當比較器1002的輸出信號由於K2導通而由高位準變為低位準時，比較器1002的高位準的 輸出信號在鎖存器1003處被鎖存，直到系統功率開關S1截止為止。K1導通期間，斜坡電流Iramp給電容器C1充電，直到電容器C1上的斜坡電壓Vramp達到輸出電壓表徵電壓Vcomp且驅動信號變為低位準為止；電容器C1上的斜坡電壓Vramp被輸出至PWM信號生成模組902的正相輸入端。當驅動模組904生成的驅動信號為低位準時，系統功率開關S1截止，開關Ks1導通，此時斜坡電壓Vramp(即，電容器C1上的電壓)被鉗位元在V1。
第11a圖是在輸入交流信號VAC處於峰值附近時電壓Vc2、斜坡電壓Vramp、以及驅動信號(即，GATE引腳處的信號)的工作波形的示意圖；第11b圖是在輸入交流信號VAC處於谷底附近時電壓Vc2、斜坡電壓Vramp、以及驅動信號(即，GATE引腳處的信號)的工作波形的示意圖。
如第11a-11b圖所示，在驅動信號變為高位準(即，系統功率開關S1導通)後，壓控電流源1001受輸入電壓表徵電壓Vvac控制生成一個電流給電容器C2充電，當電容器C2上的電壓Vc2上升到閾值電壓Vth2時，開關K1導通同時電容器C2上的電容被清零，此時電容器C1上的斜坡電壓Vramp開始上升；當斜坡電壓Vramp高於輸出電壓表徵電壓Vcomp時，驅動信號變為低位準，斜坡電壓Vramp被鉗位元到V1。其中，驅動信號為高位準的時間，即系統功率開關S1導通時間Ton由兩部分組成，一部分是斜坡電壓Vramp從V1上升到輸出電壓表徵電壓Vcomp的時間Tramp；另一部分是電容器C2上的電壓Vc2上升到閾值電壓Vth2的時間Td2。在交流電源的一個工頻週期內，輸出電壓表徵電壓Vcomp恒定，因此斜坡電壓Vramp的上升時間恒定，只有Vc2的上升時間Td2隨輸入電壓表徵電壓Vvac變化。
其中，電容充電公式為：Vvac×Gm×Td2=C2×Vth2 即
輸入電壓表徵電壓Vvac為通過對輸入電壓Vin進行分壓 得到的取樣電壓，電容器C2的電容量C2、內部閾值Vth2和Gm均恒定，Td2只隨輸入電壓表徵電壓Vvac(相當於隨輸入電壓Vin)變化。在交流電源的工頻峰值附近，輸入電壓Vin高，給電容器C2充電的電流大，Vc2上升到Vth2的時間短，如第11a圖所示；在交流電源的工頻谷底附近，輸入電壓Vin低，給電容器C2充電的電流小，Vc2上升到Vth2的時間長，如第11b圖所示。這樣可以讓系統功率開關S1的導通時間Ton與輸入電壓Vin成反比，從而增大在交流電源的工頻谷底處系統功率控制開關S1的導通時間Ton的時長，消除輸入電流平均值在交流電源的工頻谷底的缺相以及減小輸入電流在整個工頻週期的電流畸變。
結合第1圖至第11b圖可以看出，本發明提供了這樣一種用於向負載提供輸出電壓的系統，包括：開關控制元件，被配置為根據表徵與負載串聯的電感器的退磁情況的退磁表徵信號(例如，由退磁感測模組505/905基於退磁表徵電壓Vcs生成的退磁表徵信號)、表徵輸出至負載的輸出電壓的輸出電壓表徵信號(例如，由誤差放大器(EA)模組506/906生成的輸出電壓表徵電壓Vcomp)、以及參考信號(例如，Vth或Vth2)生成控制信號，並利用控制信號來控制系統功率開關的導通與截止，其中系統功率開關、電容器、以及負載並行連接在電感器與地之間。
根據本發明的系統可以消除輸入電流的平均值在交流輸入電壓處於谷底時的缺相，減小輸入電流在交流電源的整個工頻週期的畸變。
以上所述的結構框圖中所示的功能塊可以實現為硬體、軟體、固件或者它們的組合。當以硬體方式實現時，其可以例如是電子電路、專用積體電路(Application-Specific Integrated Circuit,ASIC)、適當的固件、外掛程式、功能卡等等。當以軟體方式實現時，本發明的元素是被用於執行所需任務的程式或者程式碼片段。程式或者程式碼片段可以存儲在機器可讀介質中，或者通過載波中攜帶的資料信號在傳輸介質或者通信鏈路上傳送。“機器可讀介質”可以包括能夠存儲或傳輸資訊的任何介 質。機器可讀介質的例子包括電子電路、半導體記憶體設備、ROM、快閃記憶體、可擦除ROM(Erasable Read Only Memory,EROM)、軟碟、CD-ROM(Compact Disc Read-Only Memory，唯讀記憶光碟)、光碟、硬碟、光纖介質、射頻(Radio Frequency,RF)鏈路，等等。程式碼片段可以經由諸如網際網路、內聯網等的電腦網路被下載。
本發明可以以其他的具體形式實現，而不脫離其精神和本質特徵。例如，特定實施例中所描述的演算法可以被修改，而系統體系結構並不脫離本發明的基本精神。因此，當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發明的範圍由所附權利要求而非上述描述定義，並且，落入權利要求的含義和等同物的範圍內的全部改變從而都被包括在本發明的範圍之中。
Vcs‧‧‧退磁表徵信號
500‧‧‧開關控制元件
Iramp‧‧‧斜坡電流
Vref_ea‧‧‧參考信號
Trigger‧‧‧觸發信號
Vcomp‧‧‧輸出電壓表徵電壓
PWM‧‧‧脈衝寬度調變
Vth‧‧‧負向閾值電壓
por‧‧‧上電復位信號
501‧‧‧斜坡信號生成模組
502‧‧‧脈衝寬度調變(PWM)信號生成模組
503‧‧‧邏輯控制模組
504‧‧‧驅動模組
505‧‧‧退磁感測模組
506‧‧‧誤差放大器(EA)模組
507‧‧‧欠壓保護(UVLO)模組
INV、GATE、COMP、CS、GND、VCC‧‧‧端子

Claims (16)

  1. 一種用於向負載提供輸出電壓的系統，包括：開關控制元件，被配置為根據表徵與所述負載串聯的電感器的退磁情況的退磁表徵信號、表徵輸出至負載的輸出電壓的輸出電壓表徵信號、以及參考信號生成控制信號，並利用所述控制信號來控制系統功率開關的導通與截止，其中所述系統功率開關、所述系統功率開關的寄生電容器、以及所述負載並行連接在所述電感器與地之間；所述開關控制元件基於所述退磁表徵信號和所述參考信號利用斜坡電流信號生成斜坡電壓信號，並基於所述斜坡電壓信號、所述退磁表徵信號、以及所述輸出電壓表徵信號生成所述控制信號；所述開關控制元件在所述退磁表徵信號高於所述參考信號時將所述斜坡電壓信號保持在預定電壓，並且在所述退磁表徵信號下降為等於所述參考信號時開始利用所述斜坡電流信號使所述斜坡電壓信號增大，並且在所述斜坡電壓信號等於所述輸出電壓表徵信號時使所述斜坡電壓信號恢復到所述預定電壓。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述系統，其中，所述開關控制元件包括斜坡信號生成模組，所述斜坡信號生成模組包括：比較器、第一開關、第二開關、電容器、以及緩衝放大器，其中所述退磁表徵電壓被輸入至所述比較器的負相輸入端，所述參考信號被輸入至所述比較器的正相輸入端，所述比較器的輸出信號控制所述第一開關的導通與截止；所述預定電壓被輸入至所述緩衝放大器的正相輸入端，所述緩衝放大器的反相輸入端與所述緩衝放大器的輸出端連接；所述第二開關的導通與截止由所述控制信號控制；當所述第一開關導通並且所述第二開關截止時所述斜坡電流經由所述第一開關向所述電容器充電，當所述第一開關截止或所述第二開關導通時 所述電容器上的電壓被維持在所述預定電壓。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中，所述開關控制元件基於輸出至所述負載的輸出電壓、和第二參考信號生成所述輸出電壓表徵信號。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述的系統，其中，所述退磁表徵信號是基於流過所述電感器的電流生成的。
  5. 根據申請專利範圍第3項所述的系統，其中，進一步包括：交流整流元件，被配置為對交流輸入電壓進行整流，其中所述交流整流元件包括第一、第二、第三、及第四整流元件端子，所述第一和第二整流元件端子分別與交流電源的兩端連接，所述第三和第四整流元件端子分別與所述系統功率開關和地連接。
  6. 一種用於向負載提供輸出電壓的系統，包括：開關控制元件，被配置為根據表徵與所述負載串聯的電感器的退磁情況的退磁表徵信號、表徵輸出至負載的輸出電壓的輸出電壓表徵信號、以及參考信號生成控制信號，並利用所述控制信號來控制系統功率開關的導通與截止，其中所述系統功率開關、所述系統功率開關的寄生電容器、以及所述負載並行連接在所述電感器與地之間；所述開關控制元件進一步根據表徵對交流輸入電壓進行整流得到的經整流的輸入電壓的輸入電壓表徵信號生成所述控制信號；所述開關控制元件基於所述輸入電壓表徵信號和所述參考信號利用斜坡電流信號生成斜坡電壓信號，並基於所述斜坡電壓信號、所述退磁表徵信號、和所述輸出電壓表徵信號生成所述控制信號；所述開關控制元件在所述輸入電壓表徵信號上升為等於所述參考信號時開始利用所述斜坡電流信號使所述斜坡電壓信號從預定電壓增大，並且在所述斜坡電壓信號等於所述輸出電壓表徵信號時使所述斜坡電壓信號恢復到所述預定電壓。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述的系統，其中，所述開關控制元件包括斜坡信號生成模組，所述斜坡信號生成模組包括：壓控電流源、第一電容、第二電容、比較器、鎖存器、第一開關、第二開關、第三開關、第四開關、以及緩衝放大器，其中所述第一電容、所述第一開關、以及與所述第二開關串聯的所述跨導電流源並行連接在所述比較器的正相輸入端和地之間，所述參考信號被輸入至所述比較器的反相輸入端，所述比較器的輸出信號控制所述第一開關的導通與截止並且被輸入至所述鎖存器的第一輸入端；所述控制信號被輸入至所述鎖存器的第二輸入端，所述鎖存器的輸出信號控制所述第三開關的導通與截止；所述預定電壓被輸入至所述緩衝放大器的正相輸入端，所述緩衝放大器的反相輸入端與所述緩衝放大器的輸出端連接；所述第二開關和所述第四開關的導通與截止由所述控制信號控制；當所述第三開關導通並且所述第四開關截止時所述斜坡電流經由所述第三開關向所述第二電容充電，當所述第三開關截止或者所述第四開關導通時所述第二電容上的電壓被保持在所述預定電壓。
  8. 根據申請專利範圍第6項所述的系統，其中，所述開關控制元件基於輸出至所述負載的輸出電壓、和第二參考信號生成所述輸出電壓表徵信號。
  9. 根據申請專利範圍第8項所述的系統，其中，所述退磁表徵信號是基於流過所述電感器的電流生成的。
  10. 根據申請專利範圍第8項所述的系統，其中，進一步包括：交流整流元件，被配置為對交流輸入電壓進行整流，其中所述交流整流元件包括第一、第二、第三、及第四整流元件端子，所述第一和第二整流元件端子分別與交流電源的兩端連接，所述第三和第四整流元件端子分別與所述系統功率開關和地連接。
  11. 一種用於向負載提供輸出電壓的方法，包括： 根據表徵與負載串聯的電感器的退磁情況的退磁表徵信號、表徵輸出至所述負載的輸出電壓的輸出電壓表徵信號、以及參考信號生成控制信號，並利用所述控制信號來控制系統功率開關的導通與截止，其中所述系統功率開關、所述系統功率開關的寄生電容器、以及所述負載並行連接在所述電感器與地之間；其中基於所述退磁表徵信號和所述參考信號利用斜坡電流信號生成斜坡電壓信號，並基於所述斜坡電壓信號、所述退磁表徵信號、以及所述輸出電壓表徵信號生成所述控制信號；在所述退磁表徵信號高於所述參考信號時將所述斜坡電壓信號保持在預定電壓，並且在所述退磁表徵信號下降為等於所述參考信號時開始利用所述斜坡電流信號使所述斜坡電壓信號增大，並且在所述斜坡電壓信號等於所述輸出電壓表徵信號時使所述斜坡電壓信號恢復到所述預定電壓。
  12. 根據申請專利範圍第11項所述的方法，其中，進一步包括：基於輸出至所述負載的輸出電壓、和第二參考信號生成所述輸出電壓表徵信號。
  13. 根據申請專利範圍第12項所述的方法，其中，所述退磁表徵信號是基於流過所述電感器的電流生成的。
  14. 一種用於向負載提供輸出電壓的方法，包括：根據表徵與負載串聯的電感器的退磁情況的退磁表徵信號、表徵輸出至所述負載的輸出電壓的輸出電壓表徵信號、以及參考信號生成控制信號，並利用所述控制信號來控制系統功率開關的導通與截止，其中所述系統功率開關、所述系統功率開關的寄生電容器、以及所述負載並行連接在所述電感器與地之間；其中進一步根據表徵對交流輸入電壓進行整流得到的經整流的輸入電壓的輸入電壓表徵信號生成所述控制信號；基於所述輸入電壓表徵信號和所述參考信號利用斜坡電流信號生成斜坡電壓信號，並基於所述斜坡電壓信號、所述退磁表徵信號、和所述輸出 電壓表徵信號生成所述控制信號；在所述輸入電壓表徵信號上升為等於所述參考信號時開始利用所述斜坡電流信號使所述斜坡電壓信號從預定電壓增大，並且在所述斜坡電壓信號等於所述輸出電壓表徵信號時使所述斜坡電壓信號恢復到所述預定電壓。
  15. 根據申請專利範圍第14項所述的方法，其中，進一步包括：基於輸出至所述負載的輸出電壓、和第二參考信號生成所述輸出電壓表徵信號。
  16. 根據申請專利範圍第15項所述的方法，其中，所述退磁表徵信號是基於流過所述電感器的電流生成的。
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