專利名稱：具有功率因子校正和恒流輸出的單級電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及電源，更具體而言，本發(fā)明涉及用于對電源的輸出作調(diào)節(jié)的控 制電路。
背景技術(shù)：
在典型的開關(guān)模式(switched-mode)電源應(yīng)用中，ac-dc電源從普通的ac插座 接收介于100伏特和240伏特rms (均方根)之間的輸入。該電源中的開關(guān)被控制電路接 通和斷開以提供已調(diào)節(jié)的輸出，該輸出可適于向例如用于照明的發(fā)光二極管(LED)提供電 流。該已調(diào)節(jié)的輸出典型地是已調(diào)節(jié)的dc電流，而該LED處的電壓典型地小于40伏。向LED提供已調(diào)節(jié)的電流的ac-dc電源典型地必須滿足對功率因子、流電隔離 (galvanic isolation)和效率的要求，如下文所解釋的。設(shè)計者面臨以最低成本提供滿意 方案的挑戰(zhàn)。該插座提供ac電壓，該ac電壓具有符合振幅(magnitude)、頻率和諧波內(nèi)容 (harmonic content)標準的波形。然而，從該插座引出的電流是由接收該ac電壓的電源 的特性所確定的。在許多應(yīng)用中，監(jiān)管機構(gòu)為可從ac插座引出的電流的特定特性設(shè)置了標 準。例如，一個標準可對ac電流的特定頻率分量的振幅設(shè)置限制。在另一個實施例中，一 個標準可根據(jù)插座提供的功率的量來限制該電流的rms值。功率在本語境中是指能量被消 耗的速率，典型地以單位瓦特來計量。所有這些針對ac電流的標準的總體目標是為了降低分配ac功率的系統(tǒng)上的負 荷，該系統(tǒng)有時也被稱作電力網(wǎng)(power grid)。處于ac電壓的基頻以外的頻率的電流分 量——有時也被稱作諧波分量——不做有用功，但是電力網(wǎng)必須具有足以提供它們的容 量，且必須耐受與它們相關(guān)的損耗。諧波分量通常使理想電流波形失真，以使其具有比遞送 所需功率所必需的高得多的最大值。如果電力網(wǎng)不具有足以提供諧波分量的容量，則電壓 的波形將在與電流的失真波形的峰值相重合的時候降到不可接受的值。最期望的ac電流 具有處于ac電壓的基頻的單個頻率分量。理想電流將具有這樣的rms值，其等于來自插座 的功率的值除以電壓的rms值。換句話說，當電流具有理想特性時，rms電壓與rms電流的 乘積將等于來自插座的功率。功率因子(power factor)是ac電流與理想狀態(tài)的接近程度的度量。功率因子就 是，來自插座的功率除以rms電流與rms電壓的乘積。功率因子為100%是理想的。具有 除了 ac電壓的基頻之外的頻率分量的電流將產(chǎn)生小于100%的功率因子，因為這樣的分量 增加了 rms值卻對輸出功率無貢獻。ac電壓的基頻在世界上的不同地區(qū)典型地是50Hz或 60Hz。例如，ac電壓的基頻在北美和臺灣是標稱60Hz，而在歐洲和中國則是50Hz。由于接收ac電壓的電源確定了 ac電流的特性，所以電源常常在其輸入處使用專 用的有源電路，以維持高的功率因子。在其輸入處僅使用普通無源整流器電路的電源典型 地具有低的功率因子，在某些實施例中小于50%，然而典型地需要基本大于90%的功率因 子，以滿足輸入電流的標準，例如國際電工委員會(IEC)標準IED 61000-3-2。雖然某些地區(qū)的監(jiān)管機構(gòu)可推行這些標準，但消費設(shè)備制造商常常自發(fā)地將他們的產(chǎn)品設(shè)計為滿足或 超越功率因子標準，以實現(xiàn)競爭優(yōu)勢。因此，例如用于LED的ac-dc電源典型地必須包括功 率因子校正。安全機構(gòu)通常要求電源在輸入和輸出之間提供流電隔離(galvanic isolation). 流電隔離防止dc電流在電源的輸入和輸出之間流動。換句話說，施加在具有流電隔離的電 源的輸入端和輸出端之間的高的dc電壓將不會在該電源的輸入端和輸出端之間產(chǎn)生dc電 流。對流電隔離的要求是電源成本的一個因素。具有流電隔離的電源必須維持一個隔離屏障(isolationbarrier)，該隔離屏障 將輸入與輸出在電學上隔離。能量必須被傳遞穿過隔離屏障才能將功率提供到輸出，且在 許多情況下，反饋信號形式的信息被傳遞穿過隔離屏障以對輸出進行調(diào)節(jié)。流電隔離典 型地是用電磁和電光器件實現(xiàn)的。電磁器件——諸如變換器(transformer)和耦合電感 (coupled inductor)——通常被用于在輸入和輸出之間傳遞能量以提供輸出功率，而電光 器件通常被用于在輸出和輸入之間傳遞信號以控制輸入和輸出之間的能量傳遞。一個為具有流電隔離的ac-dc電源提供高功率因子的普通方案使用兩級功率轉(zhuǎn) 換沒有流電隔離的一級對ac輸入電流塑形以維持高的功率因子，從而為功率轉(zhuǎn)換的第二 級提供中間輸出，所述第二級具有帶控制電路的流電隔離以調(diào)節(jié)最終輸出。使用不止一級 的功率轉(zhuǎn)換增加了系統(tǒng)的成本和復雜度。降低電源成本的努力一直聚焦于除去電光器件及其關(guān)聯(lián)電路。替代方案通常使用 具有多個繞組的單個能量傳遞元件一諸如變換器或耦合電感，以向輸出提供能量，并且 也獲得對控制該輸出所必需的信息。成本最低的配置典型地將控制電路和高壓開關(guān)布置在 隔離屏障的輸入側(cè)?？刂破魍ㄟ^對能量傳遞元件的繞組處的電壓的觀察，間接地獲得關(guān)于 輸出的信息。提供該信息的繞組也位于隔離屏障的輸入側(cè)。為了進一步降低成本和復雜度， 控制器也可使用能量傳遞元件的同一繞組來向該控制器提供能量，并且也獲得關(guān)于到電源 的輸入的信息。隔離屏障的輸入側(cè)有時被稱為初級側(cè)，而隔離屏障的輸出側(cè)有時被稱為次級側(cè)。 未與初級側(cè)流電隔離的能量傳遞元件的繞組也是初級側(cè)繞組，有時被稱為初級參考繞組 (primary reference winding) 0初級側(cè)上的、耦合到輸入電壓并且從輸入電壓接收能量 的繞組，有時被簡單地稱為初級繞組。向初級側(cè)上的電路遞送能量的其他初級參考繞組可 具有描述其主要功能的名稱，例如偏置繞組(bias winding)，或者例如讀出繞組(sense winding)。與初級側(cè)繞組流電隔離的繞組是次級側(cè)繞組，有時被稱為輸出繞組。雖然使用隔離屏障輸入側(cè)的繞組來間接地獲得關(guān)于流電隔離輸出電壓的信息是 相當明了的，但間接地獲得關(guān)于流電隔離輸出電流的信息則是一項不同的挑戰(zhàn)。在許多電 源拓撲結(jié)構(gòu)中，僅靠對輸入繞組中的電流的測量不足以確定輸出電流。用于測量輸出電流 的傳統(tǒng)方案通常包括電流到電壓的轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換浪費功率并且使用昂貴的部件來將信號傳 過隔離屏障。因此，傳統(tǒng)方案不能令人滿意地在ac-dc轉(zhuǎn)換器中以低成本實現(xiàn)具有高效率 和高功率因子的流電隔離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種電源控制器，包括第一輸入，其待被耦合以接收輸入電壓讀出信號，該信號代表所述電源的dc輸入電壓；第二輸入，其待被耦合以接收輸出電壓讀出 信號，該信號代表所述電源的dc輸出電壓；第三輸入，其待被耦合以接收輸入電流讀出信 號，該信號代表所述電源的輸入電流；時延斜波發(fā)生器，其被耦合以生成時延斜波信號；輸 入電荷控制信號發(fā)生器，其被耦合以響應(yīng)于所述輸入電流讀出信號的積分以及所述輸入電 壓讀出信號與所述輸出電壓讀出信號的比率，來生成輸入電荷控制信號；以及驅(qū)動信號發(fā) 生器，其被耦合以接收所述時延斜波信號和所述輸入電荷控制信號并且調(diào)節(jié)所述電源的輸 出，其中，該驅(qū)動信號發(fā)生器響應(yīng)于所述輸入電荷控制信號和所述時延斜波信號而產(chǎn)生驅(qū) 動信號，該驅(qū)動信號待被耦合以控制所述電源的開關(guān)。優(yōu)選地，其中所述時延斜波信號包括多個分段的線性段。優(yōu)選地，其中所述多個分段的線性段包括基本零斜率的第一段，隨之是具有有限 的線性斜率的第二段。優(yōu)選地，所述控制器還包括振蕩器，該振蕩器被耦合以生成時鐘信號，其中所述時 延斜波信號是響應(yīng)于該時鐘信號而生成的。優(yōu)選地，其中所述輸入電荷控制信號發(fā)生器還包括積分器，該積分器被耦合以對 所述輸入電流讀出信號進行積分，從而生成輸入電荷信號。優(yōu)選地，其中所述輸入電荷控制信號發(fā)生器還包括算術(shù)運算器電路，該算術(shù)運算 器電路被耦合以對所述輸入電壓讀出信號、所述輸出電壓讀出信號和所述輸入電荷信號進 行乘、除或縮放運算，從而生成所述輸入電荷控制信號。優(yōu)選地，其中所述輸入電荷控制信號發(fā)生器還包括算術(shù)運算器電路，該算術(shù)運算 器電路被耦合以對所述輸入電壓讀出信號、所述輸出電壓讀出信號和所述輸入電流讀出信 號進行乘、除或縮放運算，從而生成已縮放的電流信號，該已縮放的電流信號響應(yīng)于所述 輸入電流讀出信號乘以所述輸入電壓讀出信號與所述輸出電壓讀出信號的比率。優(yōu)選地，其中所述已縮放的電流信號是所述輸入電流讀出信號乘以所述輸入電 壓讀出信號與所述輸出電壓讀出信號的比率所得的乘積，該乘積進一步被乘以縮放因子。優(yōu)選地，其中所述輸入電荷控制信號發(fā)生器還包括積分器，該積分器被耦合以對 所述已縮放的電流信號進行積分，從而生成所述輸入電荷控制信號。優(yōu)選地，其中所述驅(qū)動信號發(fā)生器產(chǎn)生所述驅(qū)動信號，該驅(qū)動信號待被耦合以控 制所述電源的開關(guān)從而調(diào)節(jié)所述電源的輸出電流。優(yōu)選地，其中所述開關(guān)和所述控制器被集成到單個單片集成器件中。本發(fā)明還提供了一種電源控制器，包括第一輸入，其待被耦合以接收輸入電壓讀 出信號，該信號代表所述電源的dc輸入電壓；第二輸入，其待被耦合以接收輸出電壓讀出 信號，該信號代表所述電源的dc輸出電壓；第三輸入，其待被耦合以接收輸入電流讀出信 號，該信號代表所述電源的輸入電流；時延斜波發(fā)生器，其被耦合以生成時延斜波信號；積 分器，其被耦合以對所述輸入電流讀出信號進行積分，以生成輸入電荷信號；算術(shù)運算器電 路，其被耦合以響應(yīng)于所述輸入電荷信號以及所述輸入電壓讀出信號與所述輸出電壓讀出 信號的比率，來生成輸入電荷控制信號；以及驅(qū)動信號發(fā)生器，其被耦合以接收所述時延斜 波信號和所述輸入電荷控制信號并且調(diào)節(jié)所述電源的輸出，其中，該驅(qū)動信號發(fā)生器響應(yīng) 于所述輸入電荷控制信號和所述時延斜波信號而產(chǎn)生驅(qū)動信號，該驅(qū)動信號待被耦合以 制所述電源的開關(guān)。
優(yōu)選地，其中所述時延斜波信號包括多個分段的線性段。優(yōu)選地，其中所述多個分段的線性段包括基本零斜率的第一段，隨之是具有有限 的線性斜率的第二段。優(yōu)選地，所述控制器還包括振蕩器，該振蕩器被耦合以生成時鐘信號，其中所述時 延斜波信號是響應(yīng)于該時鐘信號而生成的。優(yōu)選地，其中所述驅(qū)動信號發(fā)生器產(chǎn)生所述驅(qū)動信號，該驅(qū)動信號待被耦合以控 制所述電源的開關(guān)從而調(diào)節(jié)所述電源的輸出電流。優(yōu)選地，其中所述開關(guān)和所述控制器被集成到單個單片集成器件中。本發(fā)明還提供了一種電源控制器，包括第一輸入，其待被耦合以接收輸入電壓讀 出信號，該信號代表所述電源的dc輸入電壓；第二輸入，其待被耦合以接收輸出電壓讀出 信號，該信號代表所述電源的dc輸出電壓；第三輸入，其待被耦合以接收輸入電流讀出信 號，該信號代表所述電源的輸入電流；時延斜波發(fā)生器，其被耦合以生成時延斜波信號；算 術(shù)運算器，其被耦合以響應(yīng)于所述輸入電流讀出信號以及所述輸入電壓讀出信號與所述輸 出電壓讀出信號的比率，來生成已縮放的電流信號；積分器，其被耦合以對所述已縮放的電 流信號進行積分，以生成輸入電荷控制信號；以及驅(qū)動信號發(fā)生器，其被耦合以接收所述時 延斜波信號和所述輸入電荷控制信號并且調(diào)節(jié)所述電源的輸出，其中，該驅(qū)動信號發(fā)生器 響應(yīng)于所述輸入電荷控制信號和所述時延斜波信號而產(chǎn)生驅(qū)動信號，該驅(qū)動信號待被耦合 以控制所述電源的開關(guān)。優(yōu)選地，其中所述時延斜波信號包括多個分段的線性段。優(yōu)選地，其中所述多個分段的線性段包括基本零斜率的第一段，隨之是具有有限 的線性斜率的第二段。優(yōu)選地，所述控制器還包括振蕩器，該振蕩器被耦合以生成時鐘信號，其中所述時 延斜波信號是響應(yīng)于該時鐘信號而生成的。優(yōu)選地，其中所述已縮放的電流信號是所述輸入電流讀出信號乘以所述輸入電 壓讀出信號與所述輸出電壓讀出信號的比率所得的乘積，該乘積進一步被乘以縮放因子。優(yōu)選地，其中所述驅(qū)動信號發(fā)生器產(chǎn)生所述驅(qū)動信號，該驅(qū)動信號待被耦合以控 制所述電源的開關(guān)從而調(diào)節(jié)所述電源的輸出電流。優(yōu)選地，其中所述開關(guān)和所述控制器被集成到單個單片集成器件中。


參考下列附圖描述了本發(fā)明的非限制性和非窮舉性的實施方案和實施例，其中在 各視圖中，相似的標號指的是相似的部分，除非另有說明。圖1是根據(jù)本發(fā)明的教導的ac-dc電源的功能方框圖，該電源包括一個用于維持 高功率因子而又調(diào)節(jié)輸出電流的控制器。圖2是根據(jù)本發(fā)明的教導的ac-dc電源的功能方框圖，該電源包括另一個用于維 持高功率因子而又調(diào)節(jié)輸出電流的控制器。圖3是根據(jù)本發(fā)明的教導的一個示例算術(shù)運算器電路的示意圖。圖4是來自圖1和圖2的電路的信號的波形的時序圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的教導的一個示例ac-dc反激式電源(flybackpower supply)
8的功能方框圖，該電源包括另一個提供高功率因子而又調(diào)節(jié)輸出電流的控制器。圖6是根據(jù)本發(fā)明的教導的用于控制一個提供高功率因子而又調(diào)節(jié)輸出電流的 單級ac-dc電源的方法的流程圖。
具體實施例方式在下面的說明中，列出了諸多具體細節(jié)以提供對本發(fā)明的透徹理解。然而顯然，對 于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，無需采用這些具體細節(jié)來實踐本發(fā)明。在其他情況下，公知的 材料或方法未被詳細描述，以避免模糊本發(fā)明。在本說明書全文中，“一個(one)實施方案” “一(a)實施方案” “一個實施例”或 “一實施例”的意思是，關(guān)乎該實施方案或?qū)嵤├奶囟ㄌ卣鳌⒔Y(jié)構(gòu)或特性被包括在本發(fā)明 的至少一個實施方案中。因此，在本說明書全文中各處出現(xiàn)的詞組“在一個實施方案中’x‘在 一實施方案中” “一個實施例”或“一實施例”并不必然全都指同一個實施方案或?qū)嵤├?。?外，在一個或多個實施方案或?qū)嵤├校囟ㄌ卣?、結(jié)構(gòu)或特性可以以任何合適的組合和/ 或子組合被結(jié)合。另外，應(yīng)理解，隨此提供的附圖是為了向本領(lǐng)域普通技術(shù)人員作解釋，且 這些附圖不必然按比例繪出。圖1的功能方框圖示出了 ac-dc電源100的一個實施例，該電源接收ac輸入電壓 Vac 102，該電壓具有周期為I；的基本正弦波形，該周期是ac線周期(line period)。圖1 的示例電源100具有ac輸入電流Iac 104。在圖1的示例電源中，全波電橋整流器106產(chǎn)生dc已整流電壓(rectified voltage) Veect 112，該電壓被dc-dc轉(zhuǎn)換器116接收。已整流電壓Vkect 112相對于輸入返 回(input return) 108而言是正的。Dc-dc轉(zhuǎn)換器116具有輸入電流Iin 114，該電流具有 周期為Ts的脈動波形，該周期是開關(guān)周期(switching period)。開關(guān)周期Ts遠小于ac線 周期IV。開關(guān)周期Ts是開關(guān)頻率的倒數(shù)，而ac線周期IY是ac線頻率的倒數(shù)。在一個實施 例中，開關(guān)周期Ts是大約15微秒，而ac線周期IY是大約20毫秒。換句話說，ac線周期IY 典型地比開關(guān)周期Ts大大約1000倍，從而在一個ac線周期內(nèi)典型地有大約1000個開關(guān) 周期。在圖1的示例電源中，一個耦合在電橋整流器106的dc端的小電容器ClllO為輸 入電流Iin 114的脈沖提供低阻抗源。電容器Cl 110過濾了輸入電流Iin 114的高頻分量， 使得ac輸入電流Iac 104的振幅隨時都基本是dc輸入電流Iin 114的平均值(average)， 該平均值是在開關(guān)周期Ts上取的。電容器Cl 110足夠小，以允許已整流電壓Vkect 112在 每個ac線周期IY內(nèi)兩次變成基本為零。圖1的實施例中的dc-dc轉(zhuǎn)換器116由控制器132控制，以調(diào)節(jié)基本直流的輸出 電流Iq 124，該輸出電流在負載128處產(chǎn)生輸出電壓Vq 126。輸出電壓V。126相對于輸出 返回130而言是正的。在一個實施例中，負載128是LED裝置。Dc-dc轉(zhuǎn)換器116典型地包括至少一個開關(guān)118、至少一個耦合電感120和至少一 個電容器122。所有具有脈動輸入電流、典型地用于提供流電隔離輸出的標準轉(zhuǎn)換器配置， 例如反激式轉(zhuǎn)換器以及例如降壓轉(zhuǎn)換器(buck converter)的許多變體，可由圖1的實施例 中的dc-dc轉(zhuǎn)換器塊116代表的開關(guān)、耦合電感和電容器裝置來實現(xiàn)。具備dc-dc轉(zhuǎn)換器116和控制器132的功能的各種部件無需局限于圖1的示例電源100中所繪方框。個體部件在本公開內(nèi)容中被分成可輕易識別的區(qū)域以幫助解釋本發(fā) 明。因此，例如，當一個部件——諸如開關(guān)118——與關(guān)聯(lián)于一種不同功能的電路物理地位 于一起時，開關(guān)118仍可被視為dc-dc轉(zhuǎn)換器116的一個元件。例如，開關(guān)118可以與電橋 整流器106封裝到一起，或者開關(guān)118可以與控制器132的電路一起包括在一個集成電路 中，該集成電路被制造為或者是混合(hybrid)集成電路，或者是單片(monolithic)集成電 路。在圖1的實施例中，控制器132接收輸入電流讀出信號(inputcurrent sense signal) Uin 134，該信號代表dc輸入電流Iin 114?？刂破?32也接收一個輸入電壓讀出信 號Ukect 136，該信號代表已整流輸入電壓Vkect 112。控制器132也接收一個輸出電壓讀出 信號Ucbense,該信號代表輸出電壓Vtj 126。在此公開內(nèi)容中描述的實施方案可使用許多技術(shù)以將輸入電流Iin 114作為電流 讀出信號Uin 134來讀出。例如，輸入電流可被讀出為分立電阻器上的電壓；或者來自電 流變換器的電流；或者當輸入電流與金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)中的電流 相等時，跨越該晶體管的導通電阻的電壓；或者來自電流敏感場效應(yīng)晶體管(senseFET)的 讀出輸出(sense output)的電流。因此，本公開內(nèi)容將省略對dc輸入電流Iin 114進行讀 出的技術(shù)的具體實施例。在圖1的實施例中，包括在dc-dc轉(zhuǎn)換器116中的開關(guān)118響應(yīng)于從控制器132 接收到的驅(qū)動信號160。在圖1的實施例中，驅(qū)動信號160是在一個開關(guān)周期Ts內(nèi)可以為 高或低的邏輯信號。在一個實施例中，當驅(qū)動信號160為高時，開關(guān)118是閉合的，而當驅(qū) 動信號160為低時，開關(guān)118是斷開的。閉合的開關(guān)有時被稱為處于開態(tài)(onstate)。斷開 的開關(guān)有時被稱為處于關(guān)態(tài)(off state)。換句話說，開著的開關(guān)是閉合的，關(guān)著的開關(guān)是 斷開的。在圖1的實施例中，dc輸入電流Iin 114是一個脈動電流，其當驅(qū)動信號160為低 時基本為零。應(yīng)理解，輸入電流讀出信號Uin 134、輸入電壓讀出信號Ukect 136，以及輸出電壓讀 出信號U。SENSE 138，可以是分別與dc輸入電流Iin114、已整流輸入電壓Vkect 112以及輸出電 壓Vtj 126有已知關(guān)系的任何信號。例如，電壓可作為電流信號而被讀出，電流可作為電壓 信號而被讀出?？刂破?32包括一個振蕩器144，其提供了時序信號(timingsignal)，例如設(shè)置了 開關(guān)周期Ts的持續(xù)時間的時鐘信號152，并且也可提供在圖1中未示出的其他時序信號。算 術(shù)運算器電路140接收輸入電流讀出信號Uin 134、輸入電壓讀出信號Ukect 136以及輸出電 壓讀出信號Uqsense 138，以產(chǎn)生已縮放的電流信號(scaled currentsignal) 146，該已縮放 的電流信號是如下的乘積輸入電流讀出信號Uin 134乘以輸入電壓讀出信號Ukect 136與 輸出電壓讀出信號Uqsense 138的比率(ratio)，再乘以常數(shù)縮放因子&?？刂破?32也包括可復位的積分器148?？蓮臀坏姆e分器148對已縮放的電流信 號146進行積分，以產(chǎn)生輸入電荷控制信號Uq 158。從而，算術(shù)運算器電路140和可復位的 積分器148組成了一個輸入電荷控制信號發(fā)生器。輸入電荷控制信號Uq 158與在開關(guān)周 期期間由dc-dc轉(zhuǎn)換器116接收到的電荷成正比例(directly proportional)。輸入電荷 控制信號Uq 158可被以另一個常數(shù)縮放因子K2縮放。在圖1的實施例中，可復位的積分器 148接收時鐘信號152，以將該積分器復位并且開始積分。
在一個實施例中，可復位的積分器148可包括電容器、電流源和開關(guān)。該電流源， 用表示待積分信號的值，在積分期間對該電容器充電。當該積分器被復位時，該開關(guān)使該 電容器放電。可復位的積分器148的其他實施例可包括更復雜的特征，包括將該積分器 復位到一個不必然為零的已知值，使得該電容器在積分期間的充電發(fā)生在該電容器的線 性工作范圍之內(nèi)。在另一個實施例中，可復位的積分器148可以是雙向積分器(two-way integrator)。也即，可復位的積分器148可通過在一個開關(guān)周期Ts期間對電容器充電來 積分，并且然后可通過在后繼開關(guān)周期中將該電容器放電來積分。這樣的雙向積分器在期 望驅(qū)動信號160具有高的最大占空比(例如，99%-100%)的應(yīng)用中會是有用的。在圖1的實施例中，包括在控制器132中的時延斜波發(fā)生器(delayed ramp generator) 142提供了時延斜波信號Udk 154。時延斜波信號Udk 154典型地是包括分段的 線性段(piecewise linearsegments)的信號，其具有為達到來自特定dc-dc轉(zhuǎn)換器的期望 功率因子而選擇的特性。對于反激式轉(zhuǎn)換器，例如，時延斜波信號Udk 154的波形可在開關(guān) 周期之初具有一個振幅大于零的短的水平段，隨之是長得多的一段，該段在下一開關(guān)周期 之前以恒定斜率降到零。對于降壓轉(zhuǎn)換器，例如，時延斜波信號Udk 154的波形可在短的水 平段之后具有兩個以不同斜率線性下降的段。在一個實施例中，時延斜波信號Udk 154包括 基本零斜率的第一段，隨之是具有有限的線性斜率的第二段。該時延斜波信號的生成典型 地是通過將三角波形的各部分求和來完成的，所述三角波形或是為此目的而生成的，或是 從該控制器中的其它電路可輕易得到的。圖1的實施例的控制器132中的驅(qū)動信號發(fā)生器(也即，比較器156)將輸入電荷 控制信號Uq 158與時延斜波信號Udk 154相比較，以產(chǎn)生驅(qū)動信號160。在一個實施例中， 當輸入電荷控制信號Uq 158小于時延斜波信號Udk 154時，驅(qū)動信號160處于高態(tài)，當輸入 電荷控制信號Uq 158大于時延斜波信號Udk 154時，驅(qū)動信號160處于低態(tài)。在圖1的實施例中，控制器132內(nèi)的功能塊可被不同地布置，以按照一個不同的順 序來處置信號以產(chǎn)生相同的結(jié)果，如圖2的實施例中所示。圖2示出了控制器132內(nèi)的另 一功能布置。在圖2的實施例中，輸入電流讀出信號Uin 134首先被可復位的積分器148積 分和縮放，以產(chǎn)生輸入電荷信號Uinq 205。然后，算術(shù)運算器電路140接收輸入電荷信號Uinq 205以產(chǎn)生輸入電荷控制信號Uq 158，該輸入電荷控制信號通過比較器156被與時延斜波 信號Udk 154相比較，如同在圖1的實施例中一樣。在圖1和圖2的實施例中，控制器132內(nèi)的個體輸入信號也可被不同地組合及布 置，以產(chǎn)生相同的結(jié)果。例如，在將時延斜波信號Udk154與輸入電荷控制信號Uq 158直接 比較的替代布置中，可從輸入電荷控制信號Uq 158中減去時延斜波信號Udk 154，并將該差 值與一恒定水平比較。在數(shù)學上，這一替代方案只是從比較器156的兩個輸入減去了相同 的信號(時延斜波信號Udk 154)。圖3示出了一個示例電路300，該電路可執(zhí)行圖1和圖2的算術(shù)運算器電路的功能。在圖3的電路中，雙極NPN晶體管330、320、325和355是匹配的。以非常好的近 似，雙極晶體管的基極-射極電壓與集電極電流的自然對數(shù)成正比例。也即，對于所研究區(qū) 域中的實用值，
Vbe Vr In f 等式 1
V1S y其中Vbe是基極-射極電壓，Vt是由物理常數(shù)固定的熱電壓(thermalvoltage)，Ic 是集電極電流，而Is是該晶體管的基極-射極結(jié)的反向飽和電流。對于圖3中的電路，VBE1+VBE2 = VBE3+VBE4等式 2因此，在所有晶體管的基極電流都可忽略的情況下，等式⑴的關(guān)系要求電流Ix 305和Iy 360通過下式關(guān)聯(lián)
τIpo T-Ιγ=，Ιχ等式 3換句話說，將等式(1)的對數(shù)關(guān)系應(yīng)用到圖3的電路，顯示出，輸入電流Ix 305被 乘以電流源310和335的值Ic2。也可顯示出，輸入電流Ix305被除以電流源315和340的 值込。因此，當Ix 305與第一信號成比例，而電流源310和335與第二信號成比例時，可通 過圖3中的電路實現(xiàn)兩信號的相乘。當電流源315和340與第三信號成比例時，可實現(xiàn)與 第三信號的倒數(shù)的相乘。圖3的示例電路的許多合適的變體在本領(lǐng)域中是公知的。在一個實施例中，電流源IC2310和335是由輸入電壓讀出信號Ukect 136所控制的 可變電流源，而電流源Ira315和340是由輸出電壓讀出信號Uqsense所控制的可變電流源。因 此，由于輸入電流Ix與輸入電荷讀出信號Uinq 205成正比例，根據(jù)圖2的實施例，輸出電流 Iy代表輸入電荷控制信號Uq 158。圖4是圖1和圖2的控制器132中的信號針對兩個完整的開關(guān)周期405和410的 時序圖400。用于定時的一種方便的參考信號是時鐘信號152。在示例時序圖400中，時鐘 信號154的下降沿標記了開關(guān)周期。例如，開關(guān)周期405始于時刻、415，止于時刻t3430， 而開關(guān)周期410始于時刻t3430，止于時刻t4435。在圖4的示例時序圖400中，驅(qū)動信號(“門(GATE) ”) 160在開關(guān)周期405之初變 為高，以閉合dc-dc轉(zhuǎn)換器116中的開關(guān)118。在開關(guān)118為閉合時，dc-dc轉(zhuǎn)換器116可 接收dc輸入電流Iin 114。時序圖400示出了時延斜波信號Udk 154，其在開關(guān)周期405開 始之后的一時延時間Td 440處于恒定正值，然后在時鐘信號152的上升沿處的時刻t2425 線性地降至零。如圖4所示，時延斜波信號Udk 154包括基本零斜率的第一段445，隨之是 具有有限的線性斜率的第二段450。在圖4的實施例中，時鐘信號152的下降沿在時刻、415、、430和t4435將可復位 的積分器148復位，以將輸入電荷控制信號Uq 158帶到零值。Dc-dc轉(zhuǎn)換器116在驅(qū)動信 號160為高時接收dc輸入電流Iin 114，如輸入電流讀出信號Uin 134所指示。輸入電荷控 制信號Uq158隨著可復位的積分器將輸入電流讀出信號Uin 134積分而增加。示例時序圖400示出了，當輸入電荷控制信號隊158小于時延斜波信號Udk 154 時，驅(qū)動信號160保持為高。在圖4中，在輸入電荷控制信號Uq 158變得與時延斜波信號 Ude 154相等之后，驅(qū)動信號160變?yōu)榈?。換句話說，從開關(guān)周期1 405之初的時刻、415， 直到輸入電荷控制信號Uq 158在時刻、420升至時延斜波信號Udk 154的值，開關(guān)118為閉 合。當輸入電荷控制信號Uq在時刻、420達到時延斜波信號Udk 154的值時，開關(guān)118在開 關(guān)周期Ts 405的剩余時間為斷開。由于時延斜波信號Udk 154在時刻M20是下降的，所以輸入電荷信號隊158在時
12刻、420和開關(guān)周期Ts 405之末之間變得大于時延斜波信號Udk 154。因此，當輸入電荷信 號Uq 158的值變得大于時延斜波信號Udr 154的值時，控制器132斷開開關(guān)118。圖5示出了電源500中的集成電路控制器585的一個實施例，其包括被公知為反 激式轉(zhuǎn)換器的特定dc-dc轉(zhuǎn)換器。圖5的示例反激式轉(zhuǎn)換器包括一個能量傳遞元件，其是 一個耦合電感1\535，有時被稱為變換器。耦合電感 \535具有一個初級繞組525，該初級繞 組的一端耦合到已整流輸入電壓Vkect112。耦合電感 \535具有一個次級繞組530，該次級 繞組的一端耦合到輸出返回130。耦合電感1\135具有一個讀出繞組550，該讀出繞組的一 端耦合到輸入返回108。圖5的示例電源500將dc-dc轉(zhuǎn)換器的開關(guān)Sl 118包括在了集成電路控制器585 中。圖5的實施例中的開關(guān)Sl 118耦合到初級繞組525的一端。開關(guān)Sl 118響應(yīng)于驅(qū)動 信號160而斷開和閉合。在一個實施例中，開關(guān)Sl 118可以是金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶 體管(MOSFET)。在另一個實施例中，開關(guān)Sl 118可以是雙極結(jié)型晶體管(BJT)。在又一個 實施例中，開關(guān)Sl 118可以是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)?？缭匠跫壚@組525耦合了一個箝 位電路520，以在開關(guān)Sl斷開時限制跨越初級繞組525的電壓。在圖5的示例電源500中，控制器585響應(yīng)于輸入電壓讀出信號136、輸出電壓讀 出信號138以及輸入電流讀出信號134，來生成驅(qū)動信號160。在本領(lǐng)域中用于讀出開關(guān)中 電流的幾種方法中的任何一種都可提供電流讀出信號134。在圖5的示例電源中，輸入電流 讀出信號134是電流Is 565，其代表開關(guān)Sl 118中的電流Id 595的值。在圖5的示例電 源中，當開關(guān)Sl 118為閉合時，電流Id 595與dc輸入電流Iin 114相同。圖5的示例電源500中的控制器585將輸入電壓讀出信號UKEeT136作為電流Ikect 590來接收，該電流代表已整流輸入電SVkect 112的峰值。電容器C2 510通過二極管505 充電至已整流電壓Vkect 112的峰值。電容器C2 510通過電阻器Rl 515放電，其放電速率 允許電流Ikect 590在半個ac線周期IY期間的變化是可忽略的。因此，圖5的示例電源500 中的示例控制器585響應(yīng)于已整流輸入電壓Vkect 112的峰值。在圖5的示例電源500中，開關(guān)Sl 118的切換在次級繞組530中產(chǎn)生脈動電流。 次級繞組530中的電流被二極管D1540整流并且被電容器C3 545濾波，以產(chǎn)生一個基本直 流的輸出電壓I 126和一個輸出電流Itj 135，所述輸出電壓和輸出電流被提供給圖5中未 示出的一個負載。圖5的示例電源500中的耦合電感Tl 535包括一個偏置繞組550。偏置繞組550 中的電流被二極管555整流并且被電容器570濾波，以產(chǎn)生一個基本直流的電壓Vb 570，其 代表輸出電壓Vtj 126。圖5的示例電源500中的控制器585通過反饋電阻器Rfb 580將輸出電壓讀出信 號Uqsense 138作為反饋電流Ifb 575來接收，其代表輸出電壓Vq 126。利用針對輸入電流讀 出信號Uin 134、輸入電壓讀出信號Ukect 138以及輸出電壓讀出信號Uqsense 138而描述的這 些輸入，圖5的示例電源500中的控制器585以與圖1的示例控制器132相同的方式運行。圖6是用于控制電源以產(chǎn)生高功率因子連同已調(diào)節(jié)的輸出電流的方法的流程圖。在步驟605開始之后，在步驟615對輸入電壓和輸出電壓進行讀出。步驟620為 積分步驟設(shè)置初始值。接下來，在步驟625將開關(guān)閉合，從而允許輸入電流流動。當該開關(guān) 為閉合時，在步驟630對輸入電流進行讀出。在步驟635，用所讀出的輸入電壓與所讀出的輸出電壓的比率對所讀出的輸入電流進行縮放。在步驟640生成時延斜波信號。
在步驟645，已縮放的輸入電流被積分。在步驟650，已縮放的輸入電流的積分被 與時延斜波相比較。如果已縮放的輸入電流的積分小于時延斜波信號，則輸入電流被允許 繼續(xù)流動，而積分行為在步驟625至650繼續(xù)。如果已縮放的輸入電流的積分不小于時延 斜波信號，則在步驟655輸入電流終止，且該過程轉(zhuǎn)到步驟615繼續(xù)。
權(quán)利要求
電源控制器，包括第一輸入，其待被耦合以接收輸入電壓讀出信號，該信號代表所述電源的dc輸入電壓；第二輸入，其待被耦合以接收輸出電壓讀出信號，該信號代表所述電源的dc輸出電壓；第三輸入，其待被耦合以接收輸入電流讀出信號，該信號代表所述電源的輸入電流；時延斜波發(fā)生器，其被耦合以生成時延斜波信號；輸入電荷控制信號發(fā)生器，其被耦合以響應(yīng)于所述輸入電流讀出信號的積分以及所述輸入電壓讀出信號與所述輸出電壓讀出信號的比率，來生成輸入電荷控制信號；以及驅(qū)動信號發(fā)生器，其被耦合以接收所述時延斜波信號和所述輸入電荷控制信號并且調(diào)節(jié)所述電源的輸出，其中，該驅(qū)動信號發(fā)生器響應(yīng)于所述輸入電荷控制信號和所述時延斜波信號而產(chǎn)生驅(qū)動信號，該驅(qū)動信號待被耦合以控制所述電源的開關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述時延斜波信號包括多個分段的線性段。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制器，其中所述多個分段的線性段包括基本零斜率的第一 段，隨之是具有有限的線性斜率的第二段。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，還包括振蕩器，該振蕩器被耦合以生成時鐘信號，其 中所述時延斜波信號是響應(yīng)于該時鐘信號而生成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述輸入電荷控制信號發(fā)生器還包括積分器， 該積分器被耦合以對所述輸入電流讀出信號進行積分，從而生成輸入電荷信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制器，其中所述輸入電荷控制信號發(fā)生器還包括算術(shù)運算 器電路，該算術(shù)運算器電路被耦合以對所述輸入電壓讀出信號、所述輸出電壓讀出信號和 所述輸入電荷信號進行乘、除或縮放運算，從而生成所述輸入電荷控制信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述輸入電荷控制信號發(fā)生器還包括算術(shù)運算 器電路，該算術(shù)運算器電路被耦合以對所述輸入電壓讀出信號、所述輸出電壓讀出信號和 所述輸入電流讀出信號進行乘、除或縮放運算，從而生成已縮放的電流信號，該已縮放的電 流信號響應(yīng)于所述輸入電流讀出信號乘以所述輸入電壓讀出信號與所述輸出電壓讀出信 號的比率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制器，其中所述已縮放的電流信號是所述輸入電流讀出 信號乘以所述輸入電壓讀出信號與所述輸出電壓讀出信號的比率所得的乘積，該乘積進一 步被乘以縮放因子。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制器，其中所述輸入電荷控制信號發(fā)生器還包括積分器， 該積分器被耦合以對所述已縮放的電流信號進行積分，從而生成所述輸入電荷控制信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述驅(qū)動信號發(fā)生器產(chǎn)生所述驅(qū)動信號，該驅(qū) 動信號待被耦合以控制所述電源的開關(guān)從而調(diào)節(jié)所述電源的輸出電流。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述開關(guān)和所述控制器被集成到單個單片集 成器件中。
12.電源控制器，包括第一輸入，其待被耦合以接收輸入電壓讀出信號，該信號代表所述電源的dc輸入電壓；第二輸入，其待被耦合以接收輸出電壓讀出信號，該信號代表所述電源的dc輸出電壓；第三輸入，其待被耦合以接收輸入電流讀出信號，該信號代表所述電源的輸入電流； 時延斜波發(fā)生器，其被耦合以生成時延斜波信號；積分器，其被耦合以對所述輸入電流讀出信號進行積分，以生成輸入電荷信號； 算術(shù)運算器電路，其被耦合以響應(yīng)于所述輸入電荷信號以及所述輸入電壓讀出信號與 所述輸出電壓讀出信號的比率，來生成輸入電荷控制信號；以及驅(qū)動信號發(fā)生器，其被耦合以接收所述時延斜波信號和所述輸入電荷控制信號并且調(diào) 節(jié)所述電源的輸出，其中，該驅(qū)動信號發(fā)生器響應(yīng)于所述輸入電荷控制信號和所述時延斜 波信號而產(chǎn)生驅(qū)動信號，該驅(qū)動信號待被耦合以控制所述電源的開關(guān)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的控制器，其中所述時延斜波信號包括多個分段的線性段。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的控制器，其中所述多個分段的線性段包括基本零斜率的第 一段，隨之是具有有限的線性斜率的第二段。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的控制器，還包括振蕩器，該振蕩器被耦合以生成時鐘信號， 其中所述時延斜波信號是響應(yīng)于該時鐘信號而生成的。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的控制器，其中所述驅(qū)動信號發(fā)生器產(chǎn)生所述驅(qū)動信號，該 驅(qū)動信號待被耦合以控制所述電源的開關(guān)從而調(diào)節(jié)所述電源的輸出電流。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的控制器，其中所述開關(guān)和所述控制器被集成到單個單片集 成器件中。
18.電源控制器，包括第一輸入，其待被耦合以接收輸入電壓讀出信號，該信號代表所述電源的dc輸入電壓；第二輸入，其待被耦合以接收輸出電壓讀出信號，該信號代表所述電源的dc輸出電壓；第三輸入，其待被耦合以接收輸入電流讀出信號，該信號代表所述電源的輸入電流； 時延斜波發(fā)生器，其被耦合以生成時延斜波信號；算術(shù)運算器，其被耦合以響應(yīng)于所述輸入電流讀出信號以及所述輸入電壓讀出信號與 所述輸出電壓讀出信號的比率，來生成已縮放的電流信號；積分器，其被耦合以對所述已縮放的電流信號進行積分，以生成輸入電荷控制信號；以及驅(qū)動信號發(fā)生器，其被耦合以接收所述時延斜波信號和所述輸入電荷控制信號并且調(diào) 節(jié)所述電源的輸出，其中，該驅(qū)動信號發(fā)生器響應(yīng)于所述輸入電荷控制信號和所述時延斜 波信號而產(chǎn)生驅(qū)動信號，該驅(qū)動信號待被耦合以控制所述電源的開關(guān)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的控制器，其中所述時延斜波信號包括多個分段的線性段。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的控制器，其中所述多個分段的線性段包括基本零斜率的第 一段，隨之是具有有限的線性斜率的第二段。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的控制器，還包括振蕩器，該振蕩器被耦合以生成時鐘信號， 其中所述時延斜波信號是響應(yīng)于該時鐘信號而生成的。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的控制器，其中所述已縮放的電流信號是所述輸入電流讀出信號乘以所述輸入電壓讀出信號與所述輸出電壓讀出信號的比率所得的乘積，該乘積進 一步被乘以縮放因子。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的控制器，其中所述驅(qū)動信號發(fā)生器產(chǎn)生所述驅(qū)動信號，該 驅(qū)動信號待被耦合以控制所述電源的開關(guān)從而調(diào)節(jié)所述電源的輸出電流。
24.根據(jù)權(quán)利要求18所述的控制器，其中所述開關(guān)和所述控制器被集成到單個單片集 成器件中。
全文摘要
示例控制器，包括第一、第二和第三輸入；時延斜波發(fā)生器；以及驅(qū)動信號發(fā)生器。所述第一、第二和第三輸入被耦合，以分別接收輸入電壓讀出信號、輸出電壓讀出信號以及輸入電流讀出信號。所述驅(qū)動信號發(fā)生器被耦合，以接收由輸入電荷控制信號發(fā)生器所生成的輸入電荷控制信號以及由時延斜波發(fā)生器所生成的時延斜波信號。所述輸入電荷控制信號是響應(yīng)于所述輸入電流讀出信號的積分乘以所述輸入電壓讀出信號與所述輸出電壓讀出信號的比率而生成的，其中所述驅(qū)動信號發(fā)生器響應(yīng)于所述輸入電荷控制信號和所述時延斜波信號而產(chǎn)生驅(qū)動信號，該驅(qū)動信號被耦合，以控制電源的開關(guān)從而調(diào)節(jié)該電源的輸出。
文檔編號H02M3/335GK101908829SQ201010188450
公開日2010年12月8日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月2日
發(fā)明者R·S·圣特-皮埃爾 申請人:電力集成公司