本公開整體涉及偏置電路，并且更具體地涉及參考電流源。

背景技術(shù)：

因?yàn)殡娫纯刂崎_關(guān)中的峰值電流自然與輸入電壓成比例，峰值電流控制或?qū)〞r(shí)間控制是常見形式的主電源控制。一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是容易測量和控制峰值電流和/或時(shí)間功率電平(電流和/或電壓)。通常，線電流與線電壓相關(guān)。盡管電流與電壓相關(guān)，然而，因?yàn)閭鬟f函數(shù)中存在線周期上非線性的因數(shù)，所以電流與電壓的關(guān)系不是成線性比例的。這種線性的缺失是產(chǎn)生失真的原因。失真可在某個(gè)工作范圍內(nèi)是可以接受的，但不是總體上可以接受的。

最小化由于失真產(chǎn)生的電流諧波是顧客在開發(fā)離線開關(guān)式電源(smps)中面臨的管制要求。在北美，管理機(jī)構(gòu)規(guī)定smps可產(chǎn)生的最大總諧波失真(thd)。歐盟實(shí)施en61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了對輸出線電流頻譜的限制。這兩組要求解決smps施加在ac電網(wǎng)上的非線性負(fù)載所導(dǎo)致的線電流諧波的產(chǎn)生。

大功率smps利用線電流的閉環(huán)控制，不惜增加成本、尺寸和復(fù)雜性來校正失真。此控制方法幾乎專用于升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹Ｗ罱凸β?、低成本?yīng)用的激增，使得開發(fā)可滿足各種諧波標(biāo)準(zhǔn)并且與多個(gè)轉(zhuǎn)換器拓?fù)湟黄鹄玫母咝詢r(jià)比控制方法和技術(shù)成為必要。具體地講，在低成本應(yīng)用中使用的驅(qū)動(dòng)器通常使用簡單的、非隔離的smps拓?fù)湟员闶瓜到y(tǒng)成本降到最低。這些系統(tǒng)無法承擔(dān)采用高功率smps所使用的傳統(tǒng)諧波校正技術(shù)的費(fèi)用，因?yàn)樵陔娐?、功耗方面上的成本、或甚至因?yàn)樵诘统杀緫?yīng)用中使用這些技術(shù)的實(shí)際成本較高。因此，需要一種簡單的低成本系統(tǒng)以及可在低成本應(yīng)用中使用的用于減少諧波的方法。

附圖說明

本領(lǐng)域技術(shù)人員參照附圖閱讀本說明書，可以更好地理解本發(fā)明，也可以顯而易見地認(rèn)識到本發(fā)明的多種特征和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中：

圖1為現(xiàn)有的cton發(fā)生器的示意圖。

圖2為示出圖1的cton發(fā)生器對通過定時(shí)電容器傳導(dǎo)的電流的電流響應(yīng)曲線ict的信號圖。

圖3為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的具有控制器的降壓升壓smps的局部示意性方框圖。

圖4為示出通過根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的smps的電感器的電流il的信號流圖。

圖5為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的控制器的cton發(fā)生器的示意圖。

圖6為示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的操作的一組三個(gè)信號圖。

圖7為示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的開關(guān)電源(smps)的方法的流程圖。

在不同附圖中使用相同的參考符號來指示相同或類似的元件。除非另有說明，否則詞語“耦接”及其相關(guān)動(dòng)詞形式包括直接連接以及通過本領(lǐng)域已知的方式的間接電連接兩者；而且除非另有說明，否則對直接連接的任一描述暗示采用適宜間接電連接形式的替代實(shí)施方式。

具體實(shí)施方式

傳統(tǒng)恒定導(dǎo)通時(shí)間(cton)控制結(jié)構(gòu)的成本低并且容易實(shí)現(xiàn)，以及可結(jié)合各種功率因數(shù)校正(pfc)轉(zhuǎn)換器拓?fù)?諸如升壓拓?fù)?、反激式拓?fù)?、降壓拓?fù)?、降?升壓拓?fù)?一起使用。此cton結(jié)構(gòu)的限制是其性能取決于拓?fù)洹＠?，降壓轉(zhuǎn)換器中的最小可實(shí)現(xiàn)總諧波失真(thd)性能是13％，并且取決于輸出電壓。盡管可針對一些設(shè)計(jì)和拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)良好的thd，cton控制結(jié)構(gòu)不滿足其他拓?fù)涞膖hd性能要求。由此，一些裝置已經(jīng)采用旨在整形輸入電流波形的“開環(huán)”參考信號。具有三角形參考信號的thd性能似乎可與具有cton的預(yù)期性能相當(dāng)，甚至略糟。然而，類似降壓轉(zhuǎn)換器的拓?fù)渲械墓ぷ鞣秶邢蕖ＴS多裝置采用倍增器和/或輸入電流的閉環(huán)控制。然而，倍增器需要大的硅管芯面積和外部部件以用于線電壓的感測和濾波，并且由此在許多實(shí)例中不是適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)cton發(fā)生器的示意圖。控制器10包括電流源12，其產(chǎn)生到定時(shí)電容器(ct)14的電流ict?？珉娙萜?4連接開關(guān)16。開關(guān)16是可選擇開關(guān)，并且在接收反向驅(qū)動(dòng)信號(drv)之后閉合。將電流源12連接到電容器14和開關(guān)16的節(jié)點(diǎn)還連接到比較器20的第一輸入以便接收vct。比較器20的第二輸入被連接以便接收閾值或比較電壓以用于與vct比較。比較器20的輸出生成驅(qū)動(dòng)開關(guān)16的反向驅(qū)動(dòng)信號。

圖2為示出圖1的cton發(fā)生器對通過定時(shí)電容器傳導(dǎo)的電流的電流響應(yīng)曲線ict的信號圖。可以看出，電流響應(yīng)曲線具有交替模式，其中固定周期的鋸齒形模式與表示等固定周期內(nèi)無電流的平坦線響應(yīng)曲線交替。發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到此模式可能導(dǎo)致輸出信號上無法接受的高諧波失真。

圖3為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的具有控制器的降壓升壓smps的局部示意性方框圖。輸入端子被連接以便接收將通過圖3的降壓升壓smps30增加的輸入電壓。開關(guān)32連接到輸入端子以便接收輸入信號，還連接到電感器34和二極管36的陰極端子。二極管36的陽極端子連接到電容器38和負(fù)載40。電感器34、電容器38和負(fù)載40的第二端部連接到作為“負(fù)”輸入端子的電路公共端或地面。另外，控制器42通過連接來產(chǎn)生到開關(guān)32的驅(qū)動(dòng)信號，以便基于輸出電壓驅(qū)動(dòng)該輸出電壓。

在操作中，控制器42生成驅(qū)動(dòng)信號以便選擇性地打開和閉合開關(guān)32，從而使得在電感器34兩端選擇性地出現(xiàn)輸入電壓。在電流il通過電感器34的線圈傳導(dǎo)時(shí)，該電感器生成場。當(dāng)開關(guān)32打開時(shí)，電感器34放電并且傳導(dǎo)通過電容器38，以在負(fù)載40兩端生成電壓輸出。相對的打開周期長度和閉合周期長度以及開關(guān)頻率是負(fù)載40兩端出現(xiàn)的輸出電壓的量值中的因數(shù)。

圖4為示出通過根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的smps的電感器的電流il的信號流圖?？梢钥闯?，信號流示出在on周期ton期間以及在off周期toff期間交替的鋸齒形模式。本文所公開的實(shí)施例的一個(gè)方面是ton的周期是可調(diào)整的，并且可能以減少諧波失真的方式來調(diào)節(jié)。如在圖4中可見，可縮短或增加從on周期ton和off周期toff的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。上文所公開的主題應(yīng)被視為示例性的而非限制性的，并且所附權(quán)利要求旨在涵蓋落在權(quán)利要求的真實(shí)范圍內(nèi)的所有此類修改、增強(qiáng)和其他實(shí)施例。

圖5為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的控制器的cton發(fā)生器的示意圖?？刂破?2包括產(chǎn)生到電流源54的控制信號“d”的調(diào)節(jié)器52，該電流源54產(chǎn)生到定時(shí)電容器14(ct)的電流d*ict?？珉娙萜?4連接開關(guān)16。開關(guān)16是可選擇開關(guān)，并且在接收反向驅(qū)動(dòng)信號(drv)之后閉合。將電流源54連接到電容器14和開關(guān)16的節(jié)點(diǎn)還連接到比較器20的第一輸入。比較器20的第二輸入被連接以便接收閾值或比較電壓。比較器20的輸出生成驅(qū)動(dòng)開關(guān)16的反向驅(qū)動(dòng)信號。調(diào)節(jié)器52還被連接以便接收反向驅(qū)動(dòng)信號，并且該調(diào)節(jié)器是可操作的，從而確定調(diào)節(jié)因數(shù)。調(diào)節(jié)器52所產(chǎn)生的控制信號“d”用于縮短或延長電流源54的電流量值，以便增加或減少定時(shí)電容器14的充電周期。通過在定時(shí)約束允許時(shí)延長充電周期，減少輸出信號的thd。

圖5的電路通過調(diào)整定時(shí)電容器的充電時(shí)間的占空比來減少thd，以便與正弦輸入電壓相對應(yīng)。為了清楚說明，平均輸入電流由下式給出：

通過代入ipeak

可以看出，占空比d示出為平均輸入電流中的倍增因數(shù)。占空比不是恒定的，其相對于線電壓而變化。因此，占空比成為失真源，從而防止平均輸入電流與sin(ωt)成正比。

盡管占空比通常是指開關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間除以周期，它也是介于0與1之間的標(biāo)量。如果開關(guān)元件處于導(dǎo)通持續(xù)周期的十分之一，那么占空比為10％。在開關(guān)轉(zhuǎn)換器的平均表示中，我們以這種方式表示占空比而不是“導(dǎo)通時(shí)間÷周期”的方式。在此，“d”作為實(shí)際“導(dǎo)通時(shí)間÷周期”的標(biāo)量表示，用于調(diào)節(jié)給定時(shí)電容器充電的電流源。電流源未通過開關(guān)元件來打開/關(guān)閉，而是被d的標(biāo)量值調(diào)節(jié)。

d的值完全取決于輸入電壓和輸出電壓。確切方程取決于轉(zhuǎn)換器類型(即降壓、降壓-升壓等)?？刂破骰谳斎腚妷汉洼敵鲭妷?、或那些電壓的一些線性表示計(jì)算d的值。直接測量輸入電壓和輸出電壓可能并不方便。

對于降壓-升壓拓?fù)?、反激式拓?fù)浜蛃epic拓?fù)洌?，占空比如下?/p>

因此，

因?yàn)榭蓽y量vin和vout的定標(biāo)表示，可計(jì)算出占空比。

重新參見圖1，其為簡化的現(xiàn)有的cton發(fā)生器。電流源ict給定時(shí)電容器ct充電，并且針對補(bǔ)償電壓vcomp所設(shè)置的閾值比較電容器上的電壓。在δv是vcomp的情況下，導(dǎo)通時(shí)間由電容器狀態(tài)方程確定。作為低帶寬信號的vcomp在線周期的持續(xù)時(shí)間保持相對恒定，迫使ton中也保持相對恒定。因此，

通過將(e)結(jié)合到(c)中，我們得到：

如上所述，由于平均輸入電流不再與正弦輸入電壓成比例，因此方程中的乘數(shù)“d”導(dǎo)致失真?？赏ㄟ^估計(jì)隨后的開關(guān)周期的占空比，并且隨后以估計(jì)的占空比調(diào)節(jié)充電電流，從而消除占空比乘數(shù)。這樣，ict也是相對于占空比可變的，從而消除占空比乘數(shù)并且將平均輸入電流固定為與sin(ωt)成比例，這因此減少或消除thd。

重新參見圖5，因此，調(diào)節(jié)器52通過接收反向驅(qū)動(dòng)信號估計(jì)占空比以便估計(jì)隨后的占空比。因此，調(diào)節(jié)器52產(chǎn)生到電流源54的控制信號“d”，以便減少或增加使得定時(shí)電容器tc的充電時(shí)間匹配輸入信號占空比所必需的電流電平。

這樣，所描述的實(shí)施例通?？紤]開關(guān)電源(smps)，其包括被連接以便接收電壓的輸入、以及連接到輸入以便選擇性地連接和斷開輸入電壓的開關(guān)。電感器連接到開關(guān)以便傳導(dǎo)電流，并且在開關(guān)閉合以及連接輸入電壓時(shí)生成電荷?？刂破鞅慌渲脼槟軌蛏煽刂菩盘栆员愦蜷_和閉合開關(guān)。為了改善thd，控制器包括調(diào)節(jié)電流源、與調(diào)節(jié)電流源串聯(lián)的電容元件、以及跨電容元件耦接的可選擇開關(guān)，其中當(dāng)開關(guān)由于從調(diào)節(jié)電流源流過電容元件的電流而打開時(shí)，電容元件兩端出現(xiàn)電壓vct。耦接到接收電壓vct和參考電壓的比較器生成反向驅(qū)動(dòng)信號，以便驅(qū)動(dòng)跨定時(shí)電容器耦接的開關(guān)。

反向驅(qū)動(dòng)信號實(shí)質(zhì)上是重置信號，該重置信號使定時(shí)電容器短路以使它放電，并且每當(dāng)所接收的電壓vct大于或等于閾值電壓時(shí)重置系統(tǒng)?？刂破鬟€包括調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器估計(jì)隨后的占空比周期并且調(diào)節(jié)電流ict，以使得定時(shí)電容器的充電時(shí)間匹配預(yù)期的占空比周期。充電時(shí)間與隨后的占空比周期越匹配，thd將越低。圖5實(shí)施例的一個(gè)方面是調(diào)節(jié)電流源被調(diào)節(jié)以便驅(qū)動(dòng)電流，該電流特征在于對應(yīng)于流過電感器的電流信號的占空比的最大電流值百分比。因此，調(diào)節(jié)電流源被調(diào)節(jié)以便給電容元件充電來近似地與流過電感器的電流信號的占空比的“on”部分相對應(yīng)。

因此，開關(guān)電源可包括：電感器、被配置為能夠選擇性地通過輸入信號給電感器供能的開關(guān)、以及被連接以便遞送控制信號來選擇性地打開和閉合開關(guān)的控制電路，其中控制電路被配置為能夠基于控制信號的預(yù)期占空比調(diào)節(jié)閉合開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)通時(shí)間被反比地調(diào)節(jié)到開關(guān)的預(yù)期工作占空比。作為另外一種選擇，導(dǎo)通時(shí)間被反比地調(diào)節(jié)到開關(guān)的預(yù)期工作占空比乘以(1-d)。隨后的開關(guān)周期的占空比可以是估計(jì)的占空比，其例如針對隨后的開關(guān)周期基于先前占空比的測量值，或基于先前占空比的連續(xù)運(yùn)行平均值。

圖6為示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的操作的一組三個(gè)信號圖。參見6(a)、6(b)和6(c)，人們可觀察定時(shí)電容器14的不同充電周期。

圖7為示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的開關(guān)電源(smps)的方法的流程圖。圖7的方法開始于接收輸入電壓(100)，并且選擇性地連接到和斷開來自電感器(102)的輸入電壓。因此，該方法包括在連接輸入電壓時(shí)，在占空比部分期間生成電感器中的電荷(104)。所描述的實(shí)施例的一個(gè)方面是修改定時(shí)電容器的充電時(shí)間，以便匹配電感器或輸入信號的占空比。因此，該方法包括估計(jì)將流過電感器的隨后信號的占空比(106)，以及調(diào)節(jié)電流源來產(chǎn)生控制電容元件的充電時(shí)間，以便對應(yīng)于隨后占空比的估計(jì)占空比(108)。在一個(gè)實(shí)施例中，此方法包括調(diào)節(jié)電流源以便驅(qū)動(dòng)電流，該電流特征在于對應(yīng)于流過電感器的電流信號的占空比的最大電流值百分比。在另一個(gè)實(shí)施例中，此方法包括調(diào)節(jié)電流源以便給電容元件充電來近似地與流過電感器的電流信號的占空比的“on”部分相對應(yīng)。另外，方法包括選擇性地使控制電容元件短路，其中當(dāng)控制電容元件未短路時(shí)，電容元件兩端出現(xiàn)電壓vct(110)。此步驟可包括比較電壓vct與閾值電壓來生成反向驅(qū)動(dòng)信號以便選擇性地使控制電容元件短路(112)。最后，該方法包括控制器生成控制信號以用于選擇性地連接到和斷開來自電感器的輸入電壓(114)。

可通過硬件和軟件的各種組合來實(shí)現(xiàn)方框和電路元件，并且軟件部件可存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中以用于被至少一個(gè)處理器執(zhí)行。此外，圖7中示出的方法也可由指令來控制，該指令存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中并且由至少一個(gè)處理器執(zhí)行。圖7中示出的操作中的每一步操作可對應(yīng)于存儲(chǔ)在非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中或計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中的指令。在各種實(shí)施例中，非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)包括：磁盤或光盤存儲(chǔ)裝置、諸如閃存的固態(tài)存儲(chǔ)裝置、或一個(gè)或多個(gè)其他非易失性存儲(chǔ)器裝置。存儲(chǔ)在非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中的計(jì)算機(jī)可讀指令可以是源代碼、匯編語言代碼、目標(biāo)代碼或可由一個(gè)或多個(gè)處理器解譯和/或執(zhí)行的其他指令格式。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，開關(guān)電源(smps)的控制器包括：調(diào)節(jié)電流源、與調(diào)節(jié)電流源串聯(lián)的電容元件、跨電容元件耦接的可選擇開關(guān)，其中當(dāng)可選擇開關(guān)由于從調(diào)節(jié)電流源流過電容元件的電流而打開時(shí)，電容元件兩端出現(xiàn)電壓vct；以及被耦接以便接收電壓vct的比較器。

根據(jù)此實(shí)施例的一個(gè)方面，比較器被耦接以便接收用于與電壓vct比較的閾值電壓。比較器還可被配置為能夠每當(dāng)電壓vct大于或等于閾值電壓時(shí)產(chǎn)生重置信號。

根據(jù)另一個(gè)方面，調(diào)節(jié)電流源被調(diào)節(jié)以便驅(qū)動(dòng)電流，該電流特征在于對應(yīng)于流過smps的電感器的電流信號的占空比的最大電流值百分比。

根據(jù)又另一個(gè)方面，調(diào)節(jié)電流源被調(diào)節(jié)以便給電容元件充電來近似地與流過電感器的電流信號的占空比的“on”部分相對應(yīng)。

根據(jù)又一個(gè)方面，調(diào)節(jié)電流源被調(diào)節(jié)以便對應(yīng)于流過smps的電感器的電流信號的隨后占空比的估計(jì)占空比。

在另一個(gè)實(shí)施例中，在開關(guān)電源(smps)中接收輸入電壓。輸入電壓選擇性地連接到電感器以及從電感器斷開。當(dāng)連接輸入電壓時(shí)，在占空比部分期間在電感器中生成電荷。生成控制信號以用于選擇性地連接到和斷開來自電感器的輸入電壓。生成控制信號還包括：調(diào)節(jié)控制電容元件的電流源，選擇性地使控制電容元件短路，其中在控制電容元件未短路時(shí)電容元件兩端出現(xiàn)電壓vct，以及比較電壓vct與閾值電壓來生成反向驅(qū)動(dòng)信號以便選擇性地使控制電容元件短路。

根據(jù)此實(shí)施例的一個(gè)方面，每當(dāng)電壓vct大于或等于閾值電壓時(shí)產(chǎn)生重置信號。

根據(jù)另一個(gè)方面，電流源被調(diào)節(jié)以便驅(qū)動(dòng)電流，該電流特征在于對應(yīng)于流過電感器的電流信號的占空比的最大電流值百分比。

根據(jù)又另一個(gè)方面，電流源被調(diào)節(jié)以便給控制電容元件充電來近似地與流過電感器的電流信號的占空比的導(dǎo)通部分相對應(yīng)。

根據(jù)又一個(gè)方面，電流源還被調(diào)節(jié)以便對應(yīng)于隨后占空比的估計(jì)占空比。

根據(jù)又另一個(gè)方面，估計(jì)將流過電感器的隨后信號的占空比。

根據(jù)又另一個(gè)方面，電流源被調(diào)節(jié)，以使得電容元件的充電時(shí)間基本上匹配隨后信號的估計(jì)占空比。

因而，在法律允許的最大程度上，本發(fā)明的范圍應(yīng)該由以下權(quán)利要求書及其等價(jià)內(nèi)容所容許的最寬泛解釋所確定，并且不應(yīng)受到前述詳細(xì)說明的約束或限制。