[发明专利]准谐振控制装置和方法及其开关稳压器

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及开关稳压技术，具体涉及对开关稳压器进行准谐振控制的装置和方法、以及使用该装置的开关稳压器。

背景技术

如今，许多电子设备需要直流电压供电，通常通过电源适配器获得交流电压，通过整流桥和开关电源将交流电压转换为所需的直流供电电压。

开关电源通常采用变压器或电感作为储能元件。例如在反激变换器中即采用变压器作为储能元件，开关电耦接至变压器的原边，控制电路控制该开关的导通与关断，使能量交替地在变压器中被存储或被传递到变压器的副边。变压器的副边经过滤波器在输出电容两端产生输出电压，该输出电压即为反激变换器的直流输出电压。直流输出电压的增大与减小与传递到负载的功率大小相反，负载增大会导致直流输出电压减小，而负载减小则会导致直流输出电压增大。通常情况下，直流输出电压被反馈至控制电路以使开关电源能补偿负载的变化。

开关电源的控制方式很多，主要分为定频控制和变频控制两类，其中以定频控制最为常用，但定频控制下的开关电源开关损耗大，且其效率会随负载和输入电压变化而变化。变频控制则克服了这些缺点。最常用且较高效的变频控制为准谐振控制(Quasi-Resonant Control)，图1为准谐振控制开关稳压电路的波形图。准谐振控制中，开关电源工作在临界模式下，当流过储能元件的电流下降至零后，储能元件和开关的寄生电容开始谐振，当开关两端的谐振电压在其最小电压值时开关被导通(通常被称为谷底开通)，从而减小开关损耗。当流过开关的电流大于与输出电压相关的反馈信号时开关被关断，从而达到调节输出电压的目的。

由上可知，在准谐振QR控制下的开关电源中，负载越小，开关的导通时间和关断时间越小，开关频率越大。在轻载和高输入电压情况下，开关频率会过高而导致严重的电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)，不仅降低电网质量，还影响与开关电源相连或位于开关电源附近的电子设备的正常工作，甚至会对无线电波和电视信号造成干扰。因此，为了限制系统的开关频率处于合理值(通常是125k-150k)，常用方法是设定最小关断时长，以使开关的关断时间足够长。在每个开关周期，只有到达在最小关断时长之后的最小电压(谷底)时刻才导通开关，从而既限制了开关频率又保持了谷底开通的优势。

在传统QR控制中，只设定一个最小关断时长。当最小电压所处时刻(或称谷底时刻)与该最小关断时长的结束时刻非常接近时，容易出现开关频率的跳变，从而产生音频噪声。图2示出了当最小电压所处时刻与最小关断时长Tmin的结束时刻非常接近时的波形图。如图2所示，在第一周期，第一谷底时刻和第二谷底时刻出现在最小关断时长Tmin结束之前，因此要等待到第三谷底时刻才能导通开关。在下一周期，由于在实际应用中总会存在许多扰动或噪声，导致第二谷底时刻略微晚了一点，紧接在最小关断时长Tmin的结束时刻之后。则在第二谷底时刻进行开关。事实上这使得该周期的时间段更短，开关频率出现变化。因为第二周期的时间段更短，该周期所传递的平均电流比第一周期的大，这使得来自输出的反馈要求在下一周期传递更少的电流。因此，下一周期的峰值电流减小了一点，以平衡总体平均电流。在第三周期，减少的峰值电流使得第二谷底时刻来得更早，再次使得该周期的第二谷底时刻在最小关断时长Tmin之前来到，系统等待到第三谷底时刻才又能够进行开关。在这种情况下，即使负载和输入不变，由于系统中扰动的存在，开关关断时长也会变化，这样的变化会导致开关频率在几个开关周期内跳变，从而引起音频噪声。

针对传统单个最小关断时长的开关稳压器中存在的开关频率跳变和音频噪声问题，提出了一些解决方案，主要通过改变最小关断时长来实现。一种方法是使用两个最小关断时长，每次最小电压所处时刻接近一个最小关断时长时，将下一周期的最小关断时长切换到另一个，以使最小电压所处时刻与最小关断时长的终点时刻之间保持足够裕量，避免系统中扰动引起的最小电压所处时刻变化导致开关频率的跳变，防止音频噪声的产生。但是，该方法只能使用两个最小关断时长，设计不灵活，极大限制了其应用范围。实际应用中，对于两个最小关断时长的设置也要求十分精确和严格，否则由于系统可能存在的扰动和噪声，两个最小关断时长之间的切换也可能无法避免开关频率的跳变，导致可靠性变差。

发明内容

本发明的目的是提供了一种对开关稳压器进行准谐振控制的装置和方法。