CN113315380B - 一种开关电源控制电路及系统，以及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种开关电源控制电路，用于驱动开关电源中的第一开关将输入电压转换为输出电压，所述控制电路包括:导通时间控制单元，所述导通时间控制单元接收第一信号和第二信号，所述第一信号表征一限流值，所述第二信号表征流经所述第一开关的电流，以根据第一信号和第二信号选择所述开关电源的工作模式；当流经第一开关的电流峰值小于所述第一参考电流值时，所述开关电源处于第一工作模式，所述导通时间控制单元根据所述流经第一开关的电流增加至所述第一参考电流值的时刻确定所述第一开关的关断时刻，以使得所述流经第一开关的电流峰值可以达到所述第一参考电流值。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路领域，特别涉及一种用于开关电源的控制电路、控制方法以及控制系统。
背景技术
在开关电源领域，目前比较常用的控制方式主要是电压控制模式、电流控制模式和固定导通时间控制模式(constant on time,简称COT)，其中COT控制具有优越的负载瞬态响应和简单的控制电路构成，被广泛使用。传统的COT控制方法中，在开关电源的输出电压小于参考信号时开关管被导通，而在导通时间到达预设值时开关管被关断。对于传统的COT控制开关电源而言，其开关频率会随着负载的减小而逐渐减小。在负载减轻时，开关频率可能被减小至落入音频范围(例如200Hz-20kHz)，从而引起音频噪声；另一方面，在输入电压增大时，固定导通时间会导致流经开关管的电流值增大，有发生过流的风险。在负载进一步减轻至轻载或空载状态，例如低于10％的额定负载时，需要控制开关损耗以提高开关电源整体的效率、降低待机功耗。为了避免音频噪声的产生，并维持较好的工作效率和安全性能，需要提出新的控制电路和控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于开关电源的控制电路、控制方法以及控制系统，以避免负载和输入电压发生变化时，在开关电源工作过程中产生人耳可听见的音频噪声，并减少开关电源的开关损耗，限制流经开关管的峰值电流，提升开关电源的性能。
根据本发明实施例的一种开关电源控制电路，用于驱动开关电源中的第一开关将输入电压转换为输出电压，其特征在于，所述开关电源控制电路包括:导通时间控制单元，所述导通时间控制单元接收第一信号和第二信号，所述第一信号表征一限流值，所述第二信号表征流经所述第一开关的电流，以根据第一信号和第二信号选择所述开关电源的工作模式；其中，所述导通时间控制单元比较所述流经第一开关的电流和根据所述限流值生成的第一参考电流值，当流经第一开关的电流小于所述第一参考电流值时，所述开关电源处于第一工作模式，所述导通时间控制单元根据所述流经第一开关的电流增加至所述第一参考电流值的时刻确定所述第一开关的关断时刻，以维持所述流经第一开关的电流值不低于所述第一参考电流值。
在一个实施例中，所述导通时间控制单元还接收第三信号，所述第三信号指示所述第一开关的关断时刻，当所述流经第一开关的电流峰值达到所述第一参考值，且小于根据所述限流值生成的第二参考电流值时，所述开关电源处于第二工作模式，所述导通时间控制单元根据所述第三信号确定所述第一开关的关断时刻。
根据本发明实施例的一种开关电源控制系统，所述开关电源控制系统包括开关元件、续流元件和储能元件，用于将一输入电压转换为输出电压，其特征在于，所述控制系统还包括:导通时间控制单元，所述导通时间控制单元接收第一信号和第二信号，所述第一信号表征一限流值，所述第二信号表征流经所述开关元件的电流，以根据第一信号和第二信号选择所述开关电源的工作模式；其中，所述导通时间控制单元比较所述流经第一开关的电流和根据所述限流值生成的第一参考电流值，当流经第一开关的电流小于所述第一参考电流值时，所述开关电源处于第一工作模式，所述导通时间控制单元根据所述流经开关元件的电流增加至所述第一参考电流值的时刻确定所述开关元件的关断时刻，以维持所述流经开关元件的电流值不低于所述第一参考电流值。
在一个实施例中，所述开关电源为隔离型开关电源，包括原边电路和副边电路，所述原边电路和所述副边电路分别连接不同的接地端，所述开关元件和所述导通时间控制单元均电性连接于所述原边电路，所述续流元件连接于所述副边电路。
在一个实施例中，所述导通时间控制单元还包括导通时间生成单元、限流单元和第二逻辑电路，所述开关电源为隔离型开关电源，包括原边电路和副边电路，所述原边电路和所述副边电路分别连接不同的接地端，所述开关元件、所述限流单元和所述第二逻辑电路均电性连接于所述原边电路，所述导通时间控制电路电性连接于所述副边电路。
根据本发明实施例的一种用于开关电源的控制方法，用于驱动开关电源中的第一开关将输入电压转换为输出电压，其特征在于，所述控制方法包括:
检测流经所述第一开关的电流；
当流经第一开关的电流小于第一参考电流值时，所述开关电源处于第一工作模式，在第一工作模式下，根据所述流经第一开关的电流增加至所述第一参考电流值的时刻确定所述第一开关的关断时刻，以维持所述流经第一开关的电流值不低于所述第一参考电流值。
在一个实施例中，当所述流经第一开关的电流峰值达到第二参考电流值时，根据所述电流峰值达到所述第二电流参考值的时刻确定所述第一开关的关断时刻。
在一个实施例中，所述控制方法还包括：
当所述流经第一开关的电流峰值达到所述第一参考值，且小于根据所述限流值生成的第二参考电流值时，所述开关电源处于第二工作模式，根据一导通时间信号确定所述第一开关的关断时刻。
根据本发明的实施例，在负载较重的工作状态，采用变频控制模式，开关频率随着负载减轻而降低，开关的导通时间由检测的流经开关元件/储能元件的电流值决定，当开关频率降低至音频范围时进入锁频工作模式，通过自适应地调节开关导通的时间，将开关频率固定在高于音频范围的预设值，从而有效避免音频噪声的产生。在锁频工作模式中，通过调节开关导通的时间可以适应不同的输出负载，保持开关频率基本恒定和流经开关的电流不超过限定值。若负载继续减轻至轻载状态，达到最小导通时间限制，再回到变频控制模式，进一步降低开关损耗，提高效率。此时虽然开关频率有可能进入音频范围，但由于在轻载状态下，开关电源系统中能量较低，可以避免产生人耳可察觉的噪声，保证用户体验。根据本发明提供的控制电路和控制方法，在开关电源工作的全负载范围内可以有效避免音频噪声的产生，同时保持较高的效率、保证开关电源的安全工作。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的控制电路结构示意图；
图2为根据本发明另一实施例的控制电路结构示意图；
图3为根据本发明又一实施例的控制电路结构示意图；
图4为根据本发明又一实施例的控制电路结构示意图；
图5为根据本发明一实施例的导通时间生成单元结构示意图；
图6为根据本发明一实施例的导通时间生成单元电路结构示意图；
图7为根据本发明一实施例的控制系统结构示意图；
图8为根据本发明一实施例的主要波形示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种过压保护电路及方法、以及开关电源作进一步详细说明。根据下面说明书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常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。另外需要说明，本说明书中所指的“时间”、“导通时间长度”、“导通时间”均为时间段，也即一段时间的长度；“时刻”、“当……时”、“关断时刻”均为时间点，也即某一事件发生的时刻；“指示……的某个信号”表示以一个非零值的电平指示某个元件或某个模块进行相应动作；“……信号到达”表示某一信号的有效电平被后续模块或单元接收到。
图1为根据本发明一实施例的控制电路原理图，所述控制电路20用于控制开关电源10，所述开关电源10包括第一开关11，并通过第一开关11的导通与关断将输入电压Vin转换为输出电压Vout以驱动负载(未示出)，开关电源10可以为隔离/非隔离的AC-DC变换器，输出基本恒定的输出电压Vout，也可以为隔离/非隔离的DC-DC变换器，同样输出基本恒定的输出电压Vout。所述控制电路包括:导通时间控制单元21，产生指示第一开关关断时刻的信号Turnoff_S，关断时间控制单元23，产生指示第一开关开通时刻的信号Turnon_S，以及第一逻辑电路22；其中，导通时间控制单元21接收第一信号Ilimit和第二信号ICS，所述第一信号Ilimit表征一个限流值，可以是控制电路内部基准生成，也可以是从控制电路外部送入，所述第二信号ICS表征流经所述第一开关的电流值，通过检测得到。根据第二信号ICS的值进行判断，当所述流经第一开关的电流峰值小于第一参考电流值时，所述开关电源处于第一工作模式，由所述导通时间控制单元21根据所述第二信号ICS增加至所述第一参考电流值的时刻确定所述第一开关的关断时刻，以维持流经第一开关的电流峰值不低于所述第一参考电流值。在本实施例中，所述的第一参考电流值是与所述的限流值成比例的一个参考值，可以由第一信号Ilimit经过分压电路或者乘法器处理后得到。举例而言，当负载较轻时(比如负载电流低于额定输出电流的10％)，流经第一开关11的电流也较小，此时开关电源的开关损耗主要由开关的开关切换动作导致。在此工作模式下，通过控制第一开关11的导通时间延长至ICS升高至第一参考电流值的时刻，使得流经第一开关的电流峰值可以达到所述第一参考电流值，随着第一开关11的导通时间延长，开关频率相较于没有设置第一参考电流值的情况被适当降低，开关损耗随之降低，进而提升开关电源在轻载状态下的效率。另一方面，当负载较重时(也即开关电源的输出电流较大时)，流经第一开关的电流也较大，此时通过检测表征流经第一开关的电流的第二信号ICS，控制电路20可以判断出负载较重，需要限制负载电流，当负载变化时，采用变频控制方式以适应负载需求，负载减小则开关频率降低，减少传递至输出侧的能量；而当负载减小至预设值之下时，对应的开关频率降低至预设的参考频率，控制电路20固定开关频率于该参考频率，例如22-28kHz区间的一个值，避免产生音频噪声。
指示第一开关开通时刻的信号Turnon_S由关断时间控制单元23根据反映输出电压Vout的反馈检测电压信号Vfb和一个预设参考电压Vref来确定。Turnon_S信号和Turnoff_S信号经过第一逻辑电路22处理后，产生第一开关11的控制信号Gate_S，控制第一开关11的导通与关断。在根据本发明的一些实施例中，关断时间控制单元23也可依据其他信号判断第一开关11的开通时刻，例如依据固定频率的短脉冲信号，或者其他能够反映输出电压Vout的检测信号。在根据本发明的一些实施例中，所述开关频率信号fSW可以来源于第一开关11的控制信号Gate_S或者指示第一开关开通时刻的信号Turnon_S，或以上信号的组合。
结合电路原理的表达式将更清楚的阐释本发明的控制电路的有益效果。以BUCK电路为例，具体而言，流经第一开关的电流Ipeak可以表示为：
其中，L为开关电源中的储能电感值，Ton为第一开关11一个周期的导通时间长度。
结合开关电源传递能量的表达式：
其中，Po为开关电源提供给负载的能量，也即输出电压Vout和负载电流Io的乘积，f为开关频率。
由以上表达式可以看到，当开关频率f固定时，若负载发生变化，通过调整开关导通时间Ton可以快速响应负载变化，并且有效避免音频噪声的产生，结合较重载状态下的变频控制模式，可以在全负载范围保持较好的效率，提升开关电源整体性能。
进一步的，结合图2，在根据本发明的另一个实施例中，具体描述如何调整开关导通时间。如图2所示，当所述流经第一开关的电流峰值小于一预设电流值时，由所述导通时间控制单元21根据所述第一信号Ilimit和第二信号ICS改变所述第一开关的关断时刻，以维持流经第一开关的电流峰值不低于所述第一参考电流值。所述第一信号Ilimit表征一个限流值，可以是控制电路内部基准生成，也可以是从控制电路外部送入，所述第二信号ICS表征流经所述第一开关的电流值，通过检测得到。所述控制电路20包括导通时间生成单元26，输出导通时间信号Vcot_S指示所述第一开关11的关断动作。所述导通时间信号Vcot_S可以根据一个基准频率值和检测的第一开关11的开关频率值的差值生成，从而自适应地改变第一开关11的关断时刻；所述Vcot_S信号也可以是根据固定的导通时间生成，从而指示第一开关11经过相同的导通时间后关断。所述导通时间控制单元21还包括限流单元24和第二逻辑电路25，所述限流单元24接收所述第二信号ICS和一限流值Ilimit。当所述流经第一开关的峰值电流小于根据所述限流值生成的第一参考电流值时(也即轻载状况或者空载待机状况)，所述开关电源处于第一工作模式，所述限流单元24通过Vcsmin_S信号指示所述第二逻辑电路25，推迟所述第一开关的关断时刻，能量得以持续向输出端传输，使得变换器中电流升高，直到所述第二信号ICS的值上升至第一参考电流值。随着第一开关11的导通时间延长，开关频率相较于没有设置第一参考电流值的情况被适当降低，开关损耗随之降低，进而提升开关电源在轻载状态下的效率。当所述流经第一开关的峰值电流大于根据所述限流值生成的第一参考电流值，而小于根据所述限流值生成的第二参考电流值时，所述开关电源处于第二工作模式，其中所述第一参考电流值小于所述第二参考电流值。在第二工作模式下，所述第二逻辑电路25根据导通时间生成单元26产生的Vcot_S信号来确定所述第一开关11的关断时刻(也即确定第一开关11的导通时间)，使得第一开关11的导通时间保持不变，或者自适应的变化导通时间以保持开关频率不变。
具体而言，在本发明的一些实施例中，导通时间生成单元26，根据所述基准频率和所述开关频率的差值改变第一开关11的关断时刻(也即第一开关11的导通时间)的方法，可以是逐周期调整第一开关11的导通时间的长度，例如当所述开关频率高于所述基准频率，所述导通时间生成单元控制所述第一开关的关断时刻延后一个单位时间；当所述开关频率低于所述基准频率，所述导通时间生成单元控制所述第一开关的关断时刻提前一个单位时间，使得导通时间尽量平滑的进行调整，开关电源的工作状态稳定可控。在本发明的另一些实施例中，导通时间生成单元26，根据所述基准频率和所述开关频率的差值改变第一开关11的关断时刻(也即第一开关11的导通时间)的方法，也可以是逐周期依据所述基准频率和所述开关频率的差值，成比例的调整第一开关11的导通时间的长度，例如当所述开关频率高于所述基准频率，所述导通时间生成单元控制所述第一开关的关断时刻延后，延后的时间与所述基准频率和所述开关频率的差值成比例；当所述开关频率低于所述基准频率，所述导通时间生成单元控制所述第一开关的关断时刻提前，提前的时间与所述基准频率和所述开关频率的差值成比例，使得开关导通时间的调整更加快速，提升开关电源的性能。前述导通时间生成单元26调整开关导通时间的方法，当然也可以间隔周期进行，根据具体应用的需要，可以在导通时间控制单元21中进行设置。最终在开关电源10稳态工作时，使得第一开关的开关频率等于基准频率，从而有效避免音频噪声的产生。
如图2和图3所示，所述开关电源工作于第一工作模式或第二工作模式，可以由一个信号或多个信号指示。如图2所示，限流单元24比较第二信号ICS和根据限流信号Ilimit生成的第一参考电流值及第二参考电流值，并输出信号Vcsmin_S，例如可以为具有不同电平的方波信号，通过上升沿和下降沿的设置指示第二信号ICS(即流经第一开关11的电流检测值)峰值到达第一参考电流值及第二参考电流值的时刻，并送入第二逻辑电路25进行判断所述开关电源工作于第一工作模式或第二工作模式。如图3所示，限流单元比较第二信号ICS和根据限流信号Ilimit生成的第一参考电流值及第二参考电流值，并输出信号Vcsmin_S和信号Vcsmax_S，分别指示第二信号ICS(即流经第一开关11的电流检测值)峰值到达第一参考电流值及第二参考电流值的时刻，并送入第二逻辑电路25进行判断所述开关电源工作于第一工作模式或第二工作模式。
结合图3和图4，可以对根据本发明的又一个实施例中，所述限流单元24的具体实现方式进行示例性说明。其中，所述限流单元24具体可以为比较器241和243，所述第二信号ICS接入比较器241和243的正端；所述限流信号Ilimit经比例电路242处理后接入比较器241的负端，作为第一参考电流值；所述限流信号Ilimit接入比较器243的负端，作为第二参考电流值。在其他实施例中，所述限流信号Ilimit也可以经过不同的比例电路处理后得到第一参考电流值和第二参考电流值，分别送入比较器241和243，需满足所述第一参考电流值小于所述第二参考电流值。若第二信号ICS(即流经第一开关11的电流检测值)峰值小于第一参考电流值，限流单元24的输出信号Vcsmin_S为低电平，反之为高电平。若第二信号ICS(即流经第一开关11的电流检测值)峰值小于第二参考电流值，限流单元24的输出信号Vcsmax_S为低电平，反之为高电平。所述第二逻辑电路25可以为逻辑与门251和逻辑或门252的组合，如图4所示，或者多个门器件的组合以实现相同的功能。
具体而言，第二逻辑电路25被配置为，当所述流经第一开关11的电流检测值峰值小于第一参考电流值时，第二逻辑电路25的输出信号Turnoff_S不依据所述导通时间生成单元26输出的Vcot_S信号进行改变，而是依据流经第一开关11的电流检测值上升至第一参考电流值的时刻进行改变，在此时刻到来之前保持第一开关导通，从而保证流经第一开关11的电流值可以达到第一参考电流值。随着第一开关11的导通时间延长，开关频率相较于没有设置第一参考电流值和相关逻辑电路的情况被适当降低，第一开关的开关损耗随之降低，进而提升开关电源在轻载状态和空载待机状态下的效率。当所述第二信号ICS峰值达到所述第一参考值，且小于根据所述限流值生成的第二参考电流值时，所述开关电源处于第二工作模式，所述导通时间控制单元根据所述指示第一开关11的关断动作的Vcot_S信号确定所述第一开关的关断时刻。如图4所示，在一个实施例中，所述第二逻辑电路25包括逻辑与门251和逻辑或门252。当限流单元24的输出信号Vcsmin_S为低电平，也即所述流经第一开关的电流峰值没有达到第一参考电流值时，所述与门251输出低电平；由于第二参考电流值高于第一电流值，所述比较器243的输出信号Vcsmin_S也为低电平，所述或门252输出低电平，指示第一开关关断，而导通时间生成单元26输出的Vcot_S信号不能改变或门252的输出信号。也即所述开关电源处于第一工作模式时，指示第一开关关断的信号Turnoff_S不依据所述Vcot_S信号进行改变，而是依据流经第一开关11的电流检测值上升至第一参考电流值的时刻进行改变。当限流单元24的输出信号Vcsmin_S为高电平，也即所述流经第一开关的电流峰值大于第一参考电流值时，所述与门251的输出由Vcot_S控制，此时若流经第一开关的电流峰值小于第二参考电流值，所述限流单元24的输出信号Vcsmax_S为低电平，此时所述开关电源处于第二工作模式，指示第一开关关断的信号Turnoff_S依据所述Vcot_S信号进行改变，也即第一开关的关断时刻由导通时间生成单元26输出的Vcot_S信号决定。当限流单元24的输出信号Vcsmax_S为高电平，也即所述流经第一开关的电流峰值大于第二参考电流值时(同时也必然有所述流经第一开关的电流峰值大于第一参考电流值)，所述指示第一开关关断的信号Turnoff_S为高电平，指示第一开关关断。由于引入了电流检测信号，特别在重载的工作状态下，并根据电流检测和比较的结果控制第一开关的关断时刻，还实现了逐开关周期限流的功能，可以保护开关等器件，避免发生损坏。
进一步的，参考图5，在一个实施例中，所述Vcot_S信号可以根据一个基准频率值和检测的第一开关11的开关频率值的差值生成，从而自适应地改变第一开关11的关断时刻。所述导通时间生成单元26包括频率误差信号生成单元261，接收所述第一开关的开关频率检测信号fSW和一基准频率信号fref，以生成频率误差信号Δf，表征所述基准频率信号和所述开关频率检测信号的差值；导通时间调整量生成单元262，接收所述频率误差信号Δf，并根据所述频率误差信号Δf生成导通时间调整量ΔTon，表征导通时间在本周期需要调整的值；计时器电路263，根据所述导通时间调整量ΔTon，改变导通时间信号Vcot_S。
当所述导通时间生成单元26根据所述基准频率信号fref和第一开关11的开关频率检测信号fSW改变导通时间信号Vcot_S时，具体的操作方式可以为：当所述第一开关的开关频率高于所述基准频率，所述导通时间生成单元26控制定时器将第一开关的关断时刻延后一个单位时间；当所述第一开关的开关频率低于所述基准频率，所述导通时间生成单元26控制定时器将第一开关的关断时刻提前一个单位时间。所述单位时间可以根据定时器的计时步长来确定。此外，也可以设置为第一开关11的关断时刻提前/延后的时间与开关频率检测值和基准频率的差值正相关。
在本发明的一种示例性实施例中，如图6所示，提供所述导通时间生成单元26的一种具体电路实施方式。
图6提供所述导通时间生成单元26的一种具体电路实施方式，使得第一开关11的关断时刻提前/延后的时间与开关频率和基准频率的差值正相关。具体而言，如图6所示，所述导通时间生成单元26可以包括开关Q1、电容C1和电流源I1构成的计时电路，所述计时电路检测上一开关周期的开关频率对应的电压信号，所述开关频率对应的电压信号和基准频率信号对应的电压信号经过OTA(跨导放大器：operational transconductanceamplifier)生成与输入的两个电压信号的差值成比例的电流信号，所述电流信号经由开关Q4周期性地给电容C3进行充电，并将电容C3的电压接入比较器Comp1的负输入端，所述电容C3的电压表征导通时间调整量ΔTon和调整前的导通时间Ton之和，且所述导通时间调整量ΔTon与开关频率和基准频率的差值Δf成正比，另一方面，第一信号fSW指示电流源I2、开关Q2和电容C2组成的计时电路生成对应于开关频率的电压信号，并输出至比较器Comp1的正端，比较器Comp1输出的信号经过边沿检测后生成由窄脉冲构成的Vcot_S信号，对应第一开关11的调整后的关断时刻。
所述频率误差信号生成单元261和计时器电路263还可以采用其他已知的定时电路、计时电路等实现方式，例如数字化的计时电路，所述导通时间调整量生成单元262还可以采用其他已知的逻辑电路、数字电路等组合实现。导通时间生成单元26能实现根据开关频率和基准频率的差值调整第一开关的关断时刻之功能即可，例如当计时时间达到根据开关频率和基准频率的差值设置的导通时间后，所述定时器输出一个短脉冲，指示第一开关的关断时刻。通过自适应的调节开关导通的时间，将开关频率固定在预设值，从而有效避免音频噪声的产生。
继续参考图1，本发明提供的控制电路还包括关断时间控制单元23，所述关断时间控制单元23可以为如图4所示的比较器，比较器正端接收表征开关电源输出电压Vout的反馈信号Vfb，负端接收一个基准电压信号Vref，并对所述反馈信号Vfb和基准电压信号Vref进行比较，当反馈信号Vfb低于基准电压信号Vref时，所述比较器23输出高电平，指示第一开关11开通，使得输出电压回升。所述关断时间控制单元还可以采用其他本领域技术人员已知的模拟或者逻辑电路的组合实现，也可以接收其他表征输出电压Vout的信号进行判断，能够实现在输出电压Vout低于一个预期值时指示开通第一开关11的功能即可。
如图4所示，所述第一逻辑电路22可以为例如RS触发器，具体而言，指示第一开关开通时刻的信号Turnon_S接入RS触发器的S端，指示第一开关关断时刻的信号Turnoff_S接入RS触发器的R端，在RS触发器的输出端Q端产生第一开关11的控制信号Gate_S，指示第一开关11开通或关断。值得注意的是，在图5和图6所示的导通时间生成单元26的具体实施例中，根据具体实现方式的选择，可以在各单元的输入端和/或输出端设置边沿检测电路。
前述根据本发明的各实施例的控制电路，在应用于开关电源时可以有不同的设置方式，和开关电源共同构成控制系统。所述开关电源控制系统包括开关元件11、续流元件12和储能元件13。例如在隔离型的反激式变换器中，导通时间控制单元21(包括其各组成单元)和第一开关11均电性连接于开关电源10的原边电路，所述关断时间控制单元23和导通时间生成单元26电性连接于开关电源10的副边电路，关断时间控制单元23产生的指示第一开关开通的信号Turnon_S经由例如OOK(开关键控：on-off-keying)的调制方式，通过电磁耦合的传输方式隔离地传送给原边的控制电路，并与原边的导通时间控制单元21协同控制第一开关11。在另一些实施例中，例如在隔离型的反激式变换器中，如图7所示，原边电路和副边电路由图中虚线分隔，开关元件11连接于所述原边电路，续流元件12为连接于所述副边电路的二极管或开关管，储能元件13为变压器T1,同时提供原副边电路间的隔离。所述限流单元24和所述第二逻辑电路25电性连接于所述原边电路，所述关断时间控制单元23和所述导通时间生成单元26电性连接于副边电路，关断时间控制单元23从副边电路接收表征输出电压Vout的Vfb信号，并产生指示开关元件11开通的信号Turnon_S，连同导通时间生成单元26产生的信号Vcot_S，经过例如OOK的调制方式和例如电磁耦合的传输方式，经由隔离传输电路27隔离地传送给原边的控制电路，所述Vcot_S信号和所述限流单元24的输出信号Vcsmin_S和/或Vcsmax_S,在所述第二逻辑电路25的控制下协同产生指示开关元件11关断的信号Turnoff_S,并和隔离地传输至原边电路的指示开关元件11开通的信号Turnon_S共同作用，经过第一逻辑电路22的处理产生最终的控制信号Gate_S，通过驱动电路而控制开关元件11动作。上述的设置使得需要进行检测动作的单元尽量靠近所检测的信号来源，可以减少噪声对信号的干扰，提高信号检测和传输过程的可靠性。所述隔离传输电路27可以是分别将关断时间控制单元23产生的指示第一开关开通的信号Turnon_S和导通时间生成单元26产生的信号Vcot_S进行调制之后隔离地传输给原边电路，再进行解调；也可以是先将关断时间控制单元23产生的指示第一开关开通的信号Turnon_S和导通时间生成单元26产生的信号Vcot_S进行逻辑处理，合成为一个信号，再经过调制之后隔离地传输给原边电路，再进行解调，通过对合成信号的上升沿检测和下降沿检测，分别在原边获取对应的信号，进行下一步操作。根据具体应用的需要，例如关断时间控制单元23检测信号的选择不同，或是限流单元24检测信号的选择不同等等，可以调整本发明控制电路的各组成单元在隔离型变换器中的连接方式，还可以选择隔离传输电路27的电磁耦合结构，例如耦合线圈、耦合电容等等，在此不再赘述。前述的开关电源10可以为隔离/非隔离的AC-DC变换器，输出基本恒定的输出电压Vout，也可以为隔离/非隔离的DC-DC变换器，同样输出基本恒定的输出电压Vout，并不限于反激式拓扑或Buck拓扑。
为了提高集成度、方便使用者，并减少控制信号受到的干扰，前述各实施例中提供的控制电路，也可以与受控的开关器件共同组成控制系统，更可以共同进行封装，其工作机制与前述相同或相似，在此不再赘述。
图8为根据本发明一实施例的主要波形示意图，参考图8和图4，可以更加全面地理解控制电路20中各主要信号的作用机制。在图8所示的各个工作模式中，假设输入电压不变，负载电流的变化导致了工作模式的切换。当反馈信号Vfb降低至基准电压信号Vref时，关断时间控制单元23的输出信号Turnon_S输出一短脉冲，指示第一开关11开通。导通时间控制单元21的工作情况可以分为三种，如图8(a)所示，为第一工作模式，此时流经第一开关的电流检测信号ICS始终小于第一参考电流，所述第一参考电流值可以为例如0.3*Ilimit，则所述限流单元24输出的Vcsmin_S信号为低电平，所述控制信号Gate_S依据所述电流检测信号ICS的值上升至第一参考电流值的时刻，确定所述第一开关的关断时刻，对应于波形一中控制信号Gate_S变为低电平的时刻；如图8(b)所示，为第二工作模式，当电流检测信号ICS的峰值达到第一参考电流值(例如0.3*Ilimit)且小于第二参考电流值(例如Ilimit)时，所述限流单元24输出的Vcsmin_S信号变为高电平，而Vcsmax_S信号仍为低电平，此时当Vcot_S信号变为高电平时，导通时间控制单元21输出的Turnoff_S信号才会变为高电平，进而指示所述第一开关的关断时刻，也即在此工作模式下，由导通时间信号Vcot_S决定第一开关的关断时刻；如图8(c)所示，当电流检测信号ICS的峰值达到第二参考电流值(例如Ilimit)时，Vcsmax_S信号变为高电平，导通时间控制单元21输出的Turnoff_S信号随之变为高电平，进而指示所述第一开关的关断时刻。从图8(a)、(b)和(c)中可以看到，随着负载电流的增大，第一开关的开关频率分阶段变化，当负载较轻或者是空载待机状态下，开关频率随负载电流的减小而减小，以降低开关损耗，提高整体效率；当负载进入中载或重载状态，开关电源进入锁频工作模式或者采用COT控制，以避免音频噪声，同时稳定输出电压；当负载过重时，第一开关的关断时刻根据限流控制方式决定，以保护电路元件，控制损耗。
根据本发明的实施例，当开关的导通时间小于或等于一预设最小导通时间(对应于第一参考电流值)，通常表示负载过轻，开关电源中的电流很小，此时退出锁频模式，采用变频控制方式，虽然可能会导致开关频率降低至音频范围，但由于在轻载状态下，开关电源系统中能量较低，音频噪声的分贝值较低，可以避免产生人耳可察觉的噪声，保证用户体验。且此时开关切换过程中的损耗相较于开关的导通损耗更为显著，因而降低开关频率也有助于减少损耗、提高效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的控制系统而言，由于与实施例公开的控制电路相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见控制电路部分说明即可。另外，对于实施例公开的控制方法而言，也可与控制电路、控制系统部分的说明互相参见。
上述描述仅是对本发明一些较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何不超出本发明技术方案的变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (17)
1.一种开关电源控制电路，用于驱动开关电源中的第一开关将输入电压转换为输出电压，其特征在于，所述开关电源控制电路包括:
导通时间控制单元，所述导通时间控制单元接收第一信号和第二信号，所述第一信号表征一固定的限流值，所述第二信号表征流经所述第一开关的电流，以根据第一信号和第二信号选择所述开关电源的工作模式；其中，
所述导通时间控制单元比较流经所述第一开关的电流和根据所述限流值生成的固定的第一参考电流值，当流经第一开关的电流峰值小于所述第一参考电流值时，所述开关电源处于第一工作模式，所述导通时间控制单元根据流经所述第一开关的电流增加至所述第一参考电流值的时刻确定所述第一开关的关断时刻，且所述第一开关在所述关断时刻到来之前保持导通，以使得流经所述第一开关的电流峰值达到所述第一参考电流值；
所述导通时间控制单元还接收第三信号，所述第三信号指示所述第一开关的关断时刻，当流经所述第一开关的电流峰值达到所述第一参考电流值，且小于根据所述限流值生成的第二参考电流值时，所述开关电源处于第二工作模式，所述导通时间控制单元根据所述第三信号确定所述第一开关的关断时刻。
2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述导通时间控制单元包括导通时间生成单元，接收一开关频率检测信号和一基准频率信号，并根据所述基准频率信号和所述开关频率检测信号的差值，生成所述第三信号，使得所述基准频率信号和所述开关频率检测信号的差值减小，其中，所述开关频率检测信号表征所述第一开关的开关频率，所述基准频率信号对应于一目标频率值。
3.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述导通时间控制单元包括导通时间生成单元，根据一预设的参考值生成所述第三信号，使得所述第一开关的开关频率不变。
4.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述第一参考电流值小于所述第二参考电流值。
5.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述导通时间控制单元包括限流单元，所述限流单元接收所述第一信号和所述第二信号，并生成第一限流信号和第二限流信号，其中，所述第一限流信号指示流经所述第一开关的电流值升高至所述限流值的时刻，所述第二限流信号指示流经所述第一开关的电流值升高至所述第一参考电流值的时刻。
6.如权利要求5所述的控制电路，其特征在于，所述限流单元包括第一比较单元和第二比较单元，所述第一比较单元接收所述第一信号和所述第二信号，当流经所述第一开关的电流值大于所述限流值时，生成第一限流信号；所述第二比较单元接收与所述第一参考电流值和所述第二信号，当流经所述第一开关的电流值大于所述第一参考电流值时，生成第二限流信号。
7.如权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述导通时间生成单元包括：
频率误差信号生成单元，接收所述开关频率检测信号和所述基准频率信号，以生成表征所述基准频率信号和所述开关频率检测信号之差值的频率误差信号；
导通时间调整量生成单元，接收所述频率误差信号，并根据所述频率误差信号生成表征导通时间在本周期需要调整的值的导通时间调整量；
计时器电路，根据所述导通时间调整量，生成所述第三信号。
8.如权利要求7所述的控制电路，其特征在于，当所述频率误差信号表明所述开关频率高于所述目标频率值，所述导通时间调整量使得所述计时器电路将所述第一开关的关断时刻延后；当所述频率误差信号表明所述开关频率低于所述目标频率值，所述导通时间调整量使得所述计时器电路将所述第一开关的关断时刻提前；所述导通时间调整量根据所述频率误差信号而生成。
9.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括关断时间控制单元，所述关断时间控制单元接收表征所述输出电压的第四信号，并将所述第四信号与一基准电压信号进行比较，产生指示第一开关开通时刻的信号。
10.如权利要求9所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括第一逻辑电路，所述第一逻辑电路接收指示第一开关关断时刻的信号和指示第一开关开通时刻的信号，产生所述第一开关的控制信号。
11.一种开关电源控制系统，所述开关电源控制系统包括开关元件、续流元件和储能元件，用于将一输入电压转换为输出电压，其特征在于，所述控制系统还包括:
导通时间控制单元，所述导通时间控制单元接收第一信号和第二信号，所述第一信号表征一固定的限流值，所述第二信号表征流经所述开关元件的电流，以根据第一信号和第二信号选择所述开关电源的工作模式；其中，
所述导通时间控制单元比较流经所述开关元件的电流和根据所述限流值生成的固定的第一参考电流值，当流经开关元件的电流峰值小于所述第一参考电流值时，所述开关电源处于第一工作模式，所述导通时间控制单元根据流经所述开关元件的电流增加至所述第一参考电流值的时刻确定所述开关元件的关断时刻，且所述开关元件在所述关断时刻到来之前保持导通，以维持流经所述开关元件的电流峰值不低于所述第一参考电流值；
所述导通时间控制单元还接收第三信号，所述第三信号指示所述开关元件的关断时刻，当流经所述开关元件的电流峰值达到所述第一参考电流值，且小于根据所述限流值生成的第二参考电流值时，所述开关电源处于第二工作模式，所述导通时间控制单元根据所述第三信号确定所述开关元件的关断时刻。
12.如权利要求11所述的控制系统，其特征在于，所述开关电源为隔离型开关电源，包括原边电路和副边电路，所述原边电路和所述副边电路分别连接不同的接地端，所述开关元件和所述导通时间控制单元均电性连接于所述原边电路，所述续流元件电性连接于所述副边电路。
13.如权利要求11所述的控制系统，其特征在于，所述导通时间控制单元包括：
导通时间生成单元，生成一第三信号，所述第三信号指示所述开关元件的关断时刻；
限流单元，所述限流单元接收所述第一信号和所述第二信号，并生成第一限流信号和第二限流信号，其中，所述第一限流信号指示流经所述开关元件的电流值升高至所述限流值的时刻，所述第二限流信号指示流经所述开关元件的电流值升高至所述第一参考电流值的时刻；
第二逻辑电路，接收所述第一限流信号、第二限流信号和第三信号，若所述第二逻辑电路接收到所述第三信号时，还未接收到所述第一限流信号，则等待所述第一限流信号到达时，指示所述开关元件进行关断。
14.如权利要求13所述的控制系统，其特征在于，所述开关电源为隔离型开关电源，包括原边电路和副边电路，所述原边电路和所述副边电路分别连接不同的接地端，所述开关元件、所述限流单元和所述第二逻辑电路均电性连接于所述原边电路，所述导通时间控制电路电性连接于所述副边电路。
15.如权利要求11所述的控制系统，其特征在于，所述开关电源为非隔离型开关电源。
16.一种开关电源控制方法，用于驱动开关电源中的第一开关交替性地开通和关断，以将输入电压转换为输出电压，其特征在于，所述控制方法包括:
检测流经所述第一开关的电流；
当流经第一开关的电流峰值小于根据固定的限流值生成的固定的第一参考电流值时，所述开关电源处于第一工作模式，在第一工作模式下，根据流经所述第一开关的电流增加至所述第一参考电流值的时刻确定所述第一开关的关断时刻，且所述第一开关在所述关断时刻到来之前保持导通，以维持流经所述第一开关的电流峰值不低于所述第一参考电流值；
当流经所述第一开关的电流峰值达到所述第一参考电流值，且小于根据所述限流值生成的第二参考电流值时，所述开关电源处于第二工作模式，在第二工作模式下，根据一导通时间信号确定所述第一开关的关断时刻。
17.如权利要求16所述的控制方法，其特征在于，当流经所述第一开关的电流值达到第二参考电流值时，根据流经所述第一开关的电流值达到所述第二参考电流值的时刻确定所述第一开关的关断时刻。
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