开关电源电路及其控制电路和方法与流程

1.本发明涉及一种电子电路，更具体地说，本发明涉及一种开关电源电路及方法。


背景技术：

2.在ac
‑
dc(直流
‑
交流)变换器应用中，boost(升压)变压器为常见的拓扑。在dcm模式(discontinuous current mode，断续模式)升压控制中，为实现谷底开通，通常采用过零检测(zero current detection，zcd)技术，以提高转换效率。
3.所谓的过零检测技术为：在功率级电路的主功率开关断开期间，检测功率级电路电流的过零情况，从而导通主功率开关。该技术通常检测主功率开关两端电压，如通过一辅助绕组，当经由该辅助绕组采样的电压小于一参考零电压(如0.25v)时，表示此时主功率开关两端电压降低至其谷底值。此时将主功率开关导通，可减少开关损耗，实现谷底开通。
4.然而当交流输入电压接近输出电压时，表征主功率开关两端电压的过零检测信号将变得十分微弱，使得检测结果不稳定。
5.因此，有必要对控制方案进行改进。


技术实现要素：

6.根据本发明的实施例，提出了一种开关电源电路，包括：功率级电路，接收交流输入电压，产生用于提供给后级电路的输出电压，所述功率级电路至少具有主功率开关；控制电路，具有：过零检测器，检测主功率开关断开期间功率级电路的电流过零情况，并根据过零检测结果产生置位信号；比较电路，判断交流输入电压是否接近输出电压，以控制过零检测器：当交流输入电压接近输出电压时，禁用过零检测结果；逻辑控制器，响应置位信号，产生控制信号，用以控制主功率开关的导通和断开。
7.根据本发明的实施例，还提出了一种用于开关电源电路的控制电路，所述开关电源电路包括具有主功率开关的功率级电路，所述控制电路包括：过零检测器，检测主功率开关断开期间功率级电路的电流过零情况，并根据过零检测结果产生置位信号；比较电路，判断交流输入电压是否接近输出电压，以控制过零检测器：当交流输入电压接近输出电压时，禁用过零检测结果；逻辑控制器，响应置位信号，产生控制信号，用以控制主功率开关的导通和断开。
8.根据本发明的实施例，还提出了一种用于开关电源电路的方法，包括：接收交流输入电压，通过功率级电路转化为输出电压，提供给后级电路，所述功率级电路包括被周期性导通和断开的主功率开关；检测主功率开关断开期间功率级电路的电流过零情况，并根据过零检测结果控制主功率开关导通；监测交流输入电压和输出电压的大小，当交流输入电压接近输出电压时，禁用过零检测结果。
9.根据本发明各方面的上述开关电源电路及其控制电路和方法，解决了因过零检测的不稳定性带来的问题，改善了系统性能。
附图说明
10.图1为根据本发明实施例的开关电源电路100的电路结构示意图；
11.图2为根据本发明实施例的开关电源电路200的电路结构示意图；
12.图3为根据本发明实施例的开关电源电路300的电路结构示意图；
13.图4为根据本发明实施例的开关电源电路400的电路结构示意图；
14.图5为根据本发明实施例的开关电源电路500的电路结构示意图；
15.图6为根据本发明实施例的计时器12的电路结构示意图；
16.图7为根据本发明实施例的用于开关电源电路的方法流程示意图700。
具体实施方式
17.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。
18.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“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦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“直接耦接到”或“直接连接到”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。
19.图1为根据本发明实施例的开关电源电路100的电路结构示意图。在图1所示实施例中，所述开关电源电路100包括：功率级电路101，接收交流输入电压v
ac
(如经由整流桥)，产生用于提供给后级电路的输出电压v
o
，所述功率级电路101至少具有主功率开关s1；控制电路102，具有：过零检测器21，检测主功率开关s1断开期间功率级电路101的电流过零情况(如通过表征主功率开关s1两端电压的采样信号v
zcd
)，并根据过零检测结果产生置位信号；比较电路22，判断交流输入电压v
ac
是否接近输出电压v
o
，以控制过零检测器21：当交流输入电压v
ac
接近输出电压v
o
时，关闭过零检测器21，以禁用过零检测结果；逻辑控制器23，响应置位信号，产生控制信号g
sw
，用以控制主功率开关s1的导通和断开。
20.在本发明的一个实施例中，关闭过零检测器21也可称为对过零检测器21进行禁用(disable)操作，使得主功率开关s1的导通不依赖于过零检测结果。当过零检测器21未被关闭时，过零检测器21被启动(enable)，使得过零检测结果控制主功率开关s1的导通。关闭过零检测器21的操作可以把过零检测结果置高，如利用上拉开关管将过零检测结果拉高至供电电压，或者利用逻辑或电路将过零检测结果与逻辑高电平进行逻辑或操作，或者采用数字控制，用一逻辑高的数字信号取代过零检测结果，等等。如何禁用过零检测结果是本领域技术人员所熟知的技术手段，为叙述简明，这里不再详述。
21.在图1所示实施例中，比较电路22比较表征交流输入电压v
ac
的采样电压v
in
与表征输出电压v
o
的反馈电压v
fb
的电压差与阈值电压v1的大小，以判断交流输入电压v
ac
是否接近输出电压v
o
。具体来说，在图1所示实施例中，比较电路22比较采样电压v
in
与阈值电压v1之和与反馈电压v
fb
的大小，来控制过零检测器21：当采样电压v
in
与阈值电压v1之和大于反馈电压v
fb
时，表征交流输入电压v
ac
接近输出电压v
o
，则禁用过零检测结果，其中阈值电压v1为靠近零的电压值，例如：v1＝0.07v。
22.在本发明的一个实施例中，比较电路22也可以通过比较反馈电压v
fb
与阈值电压v1之差与采样电压v
in
的大小，来控制过零检测器21的去使能情况，如图2所示的开关电源电路200。当反馈电压v
fb
与阈值电压v1之差小于采样电压v
in
，此时交流输入电压v
ac
接近输出电压v
o
，则禁用过零检测结果。
23.在本发明的一个实施例中，所述功率级电路101包括boost电路。
24.在本发明的一个实施例中，过零检测通过辅助绕组实现，如图3所示。所述boost电路具有电感器l1，辅助绕组l2与电感器l1磁耦合，并经由电阻器r1产生表征主功率开关s1两端电压的采样信号v
zcd
。
25.在本发明的另一个实施例中，过零检测通过电阻和电容实现，如图4所示。所述主功率开关s1两端的电压经由电阻r2和电容c1被传输至控制电路102，以提供采样信号v
zcd
。
26.本领域技术人员应当意识到，图3和图4所示过零检测只是两个常用的实现方式。本领域技术人员可以通过其他各种适合的方式实现功率级电路电流的过零检测，而不仅局限于图3和图4的实施例。如何实现过零检测不是本发明所讨论的问题，为叙述简明，这里不再详述。
27.图5为根据本发明实施例的开关电源电路500的电路结构示意图。该实施例示出了过零检测器21的电路结构示意图。在图5所示实施例中，所述过零检测器21包括：过零比较器11，比较采样信号v
zcd
和零参考信号v
z0
的大小，产生过零检测结果zcd；计时器12，根据输出电压v
o
(如表征输出电压v
o
的补偿信号v
c
)和过零检测结果zcd，产生死区时间信号dt；缓冲器13，对过零检测结果zcd进行缓冲，产生缓冲信号bf，所述缓冲器13同时响应比较电路22的比较结果en，当交流输入电压v
ac
接近输出电压v
o
时，缓冲器13将缓冲信号bf拉高；逻辑与电路14，对死区时间信号dt和缓冲信号bf执行逻辑与操作，产生所述置位信号set。
28.在本发明的一个实施例中，零参考信号v
z0
的电压值接近零，如v
z0
＝0.03v。
29.在本发明的一个实施例中，开关电源电路500还包括误差放大器ea，对反馈电压v
fb
和参考电压v
r
的差值进行放大并积分，得到所述补偿信号v
c
。
30.在本发明的一个实施例中，当交流输入电压v
ac
接近输出电压v
o
时，缓冲信号bf被拉高。
31.在本发明的一个实施例中，所述逻辑控制器23包括rs触发器，具有：置位端s，响应置位信号set被置位，以控制主功率开关s1导通；复位端r，接收导通时间信号t
on
，以控制主功率开关s1断开。在本发明的一个实施例中，导通时间信号t
on
由导通时长产生器(未图示)提供，所述导通时长产生器可对交流输入电压做补偿，以调节负载暂态响应。
32.图6为根据本发明实施例的计时器12的电路结构示意图。在图6所示实施例中，所述计时器12包括：连接开关m1，响应过零检测结果zcd被导通，使电流源i
ch
对电容器c2进行充电；计时比较器u1，对电容器c2两端电压与补偿信号v
c
进行比较，产生死区时间信号dt；复
位开关m2，响应死区时间信号dt被导通，以对电容器c2两端电压进行复位。图6所示实施例为计时器的一种实现方式，但是本领域技术人员应当意识到，计时器12可以通过其他多种方式实现，例如采用数字方式，使计时器响应过零检测结果开始计时，并响应补偿信号v
c
控制计时结束。如何实现计时器12是本领域技术人员所熟知的技术手段，为叙述简明，这里不再详述。
33.图7为根据本发明实施例的用于开关电源电路的方法流程示意图700。所述方法包括：
34.步骤701，接收交流输入电压，通过功率级电路转化为输出电压，提供给后级电路，所述功率级电路包括被周期性导通和断开的主功率开关。
35.步骤702，检测主功率开关断开期间功率级电路的电流过零情况，并根据过零检测结果控制主功率开关导通。
36.步骤703，监测交流输入电压和输出电压的大小，当交流输入电压接近输出电压时，禁用过零检测结果。
37.在本发明的一个实施例中，通过判断交流输入电压和输出电压之间的电压差值与设定值的大小，判断交流输入电压是否接近输出电压：当交流输入电压和输出电压之间的电压差值小于设定值时，表示交流输入电压接近输出电压。
38.在本发明的一个实施例中，禁用过零检测结果包括：将过零检测结果拉高或用逻辑高电平信号取代过零检测结果。
39.在本发明的一个实施例中，所述对电流过零情况的检测包括：检测主功率开关两端的电压，当该电压小于零参考电压时，表示电流过零。
40.在本发明的一个实施例中，所述方法进一步包括：当交流输入电压未接近输出电压时：响应过零检测结果开始计时，直至达到输出电压所决定的计时时长；继续检测功率级电路的电流过零情况，直至出现新的过零检测结果，将主功率开关导通；当交流输入电压接近输出电压时：响应过零检测结果开始计时，直至达到输出电压所决定的计时时长，将主功率开关导通。
41.前述根据本发明多个实施例的开关电源电路及其方法，在交流输入电压接近输出电压时，通过关闭过零检测器，将过零检测结果拉高，从而解决了因过零检测的不稳定性带来的问题，改善了系统性能。
42.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。