阅读说明：本技术 用于计算开关时间的装置和方法 (Device and method for calculating switching time ) 是由 大竹修 古越隆一 于 2018-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明实施例提供一种用于计算开关时间的装置和方法。所述装置包括：数字计算器,所述数字计算器用于根据输出电压信号以及在开关元件的接通期间检测到的电感电流信号计算下一个接通时间,并且根据所述下一个接通时间、输入电压信号和所述输出电压信号计算下一个关闭时间；以及信号发生器,所述信号发生器用于根据所述下一个接通时间和所述下一个关闭时间生成用于控制所述开关元件的脉冲宽度调制信号。因此,本发明实施例提供一种数字控制方式,不仅能够减少部件的数量和降低成本,而且可以用简单的结构改进检测精度。(The embodiment of the invention provides a device and a method for calculating switching time. The device comprises: a digital calculator for calculating a next on-time from an output voltage signal and an inductor current signal detected during on-time of a switching element, and calculating a next off-time from the next on-time, an input voltage signal, and the output voltage signal; and a signal generator for generating a pulse width modulation signal for controlling the switching element according to the next on-time and the next off-time. Therefore, the embodiment of the invention provides a digital control mode, which not only can reduce the number of parts and reduce the cost, but also can improve the detection precision by using a simple structure.)

用于计算开关时间的装置和方法

技术领域

本发明实施例总体上涉及功率控制电路，尤其涉及一种用于计算开关时间的装置和方法

背景技术

为了进行谐波电流调节，通常将功率因数校正(PFC，Power Factor Correction)转换器添加到电源中。图1是示出了现有技术中PFC电路的示意图。如图1所示，PFC转换器100包括整流电路101，该整流电路101用于对从交流电源接收的交流电压进行整流；以及串联电路102，该串联电路102用于连接到该整流电路101，并且至少包括电感器1021和开关元件1022。

如图1所示，该PFC转换器100还可以包括电容器C1，二极管D1和电容器C2。如图1所示，可对输入电压信号(Vin)和输出电压信号(Vout)进行检测。此外，电流IL流过电感器1021并且在开关元件1022接通(ON，也可称为打开或导通等)时流过开关元件1022。此外还提供驱动信号(Vgs)来对开关元件1022进行控制。

图2是示出了现有技术中的另一种PFC电路的示意图，其中提供了一种模拟控制方式。如图2所示，驱动信号(Vgs)由模拟控制电路201提供。模拟控制电路201至少包括三个模拟比较器和一个乘法器；此外，需要独立配置相位调整电容器202和增益调整电阻器203，以进行相位调整或增益调整。因此，需要减少部件数量并降低成本。

图3是示出了现有技术中的另一种PFC电路的示意图，其中提供了模拟和数字组合的方式。如图3所示，驱动信号(Vgs)由模拟/数字控制电路301提供。模拟/数字控制电路301至少包括中央处理器(CPU)，脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation)电路和模拟比较器302。此外，模拟/数字控制电路301还可包括模数转换器(ADC，analog-digitalconverter)和数模转换器(DAC，digital-analog converter)。

与图2中的模拟控制方式相比，图3中提供了模拟和数字组合的方式。对于模拟和数字组合的方式，模拟比较器302将在开关元件303处检测到的电感电流IL_1与规定值进行比较，以控制开关元件303的接通/关闭(OFF，也可称为关断或截止等)。

参考文献1：US2012/0057382A1。

本节的内容引入了多个方面，这些方面是为了对本发明实施例更好地理解。因此，应在此方面阅读本节的陈述，且不应理解为是对哪些是现有技术或哪些不是现有技术的认可。

发明内容

发明人发现，对于模拟和数字组合的方式，需要在开关元件接通之后立即检测(或采样)电感电流，而此时浪涌电流通常由二极管D1的恢复电流产生，因此可能会发生检测错误的问题。

此外，对于模拟和数字组合的方式，模拟比较器被要求以在电感电流达到规定值时使开关元件关闭，因此元件数量和成本相对较高，需要进一步降低。

为了至少解决上述这些问题中的一部分，本发明提供方法、装置和器件。结合附图阅读下面对具体实施例的描述，应该能够理解本发明实施例的特征和优点，这些具体实施例通过实例描述了本发明实施例的原理。

总体上来讲，本发明实施例提供了一种用于计算开关时间的装置和方法。期望能够减少部件的数量和降低成本，而且可以用简单的结构改进检测精度。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种用于计算开关时间的装置。该装置包括：数字计算器，该数字计算器用于根据输出电压信号和在开关元件的接通期间检测到的电感电流信号计算下一个接通时间，并且根据该下一个接通时间、输入电压信号和该输出电压信号计算下一个关闭时间；以及信号发生器，该信号发生器用于根据该下一个接通时间和该下一个关闭时间生成用于控制该开关元件的脉冲宽度调制信号。

在一个实施例中，该数字计算器还用于根据该电感电流信号的平均值以及接通时间计算积分值，并且根据该积分值和检测到的电感电流信号计算该下一个接通时间。

在一个实施例中，该数字计算器使用以下公式计算该下一个接通时间：T_on[n+1]＝Ver/Id[n]；其中，Ver表示第n+1个周期的接通时间期间的该电感电流信号的目标积分值并且基于该输出电压信号，Id[n]表示第n个周期的接通时间期间的该检测到的电感电流信号，T_on[n+1]表示第n+1个周期的接通时间。

在一个实施例中，该装置还可以包括：第一模数转换器，该第一模数转换器用于将该电感电流信号转换成数字值；第二模数转换器，该第二模数转换器用于将该输入电压信号转换成数字值；以及第三模数转换器，该第三模数转换器用于将该输出电压信号转换成数字值。

在一个实施例中，该装置还可以包括：电流检测电路，该电流检测电路用于在该开关元件的接通时间期间检测该电感电流信号；输入电压检测电路，该输入电压检测电路用于检测该输入电压信号；以及输出电压检测电路，该输出电压检测电路用于检测该输出电压信号。

在一个实施例中，该电流检测电路用于在该开关元件的接通时间期间检测该电感电流信号至少一次。

在一个实施例中，该电流检测电路用于在该接通时间的一半时检测该电感电流信号；并且该数字计算器用于根据在该接通时间的一半时检测到该电感电流信号确定该电感电流信号的平均值。

在一个实施例中，该数字计算器使用以下公式计算该积分值：Ver＝Id[n]×T_on[n]；其中，Ver表示第n+1个周期的接通时间期间的该电感电流信号的目标积分值并且基于该输出电压信号，Id[n]表示第n个周期的接通时间的一半时检测到的该电感电流信号，T_on[n]表示第n个周期的接通时间。

在一个实施例中，该数字计算器还用于根据该输入电压信号和该输出电压信号计算差分电压信号，并且根据该输出电压信号和参考电压信号计算误差电压信号。

在一个实施例中，该数字计算器还用于根据该下一个接通时间、该差分电压信号和该误差电压信号计算该下一个关闭时间。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种功率因素校正转换器，该功率因素校正转换器包括：整流电路，该整流电路用于对从交流电源接收的交流电压进行整流；串联电路，该串联电路用于连接到该整流电路，并且至少包括电感器和开关元件；电流检测电路，该电流检测电路用于在该开关元件的接通时间期间检测电感电流信号；输入电压检测电路，该输入电压检测电路用于检测输入电压信号；输出电压检测电路，该输出电压检测电路用于检测输出电压信号；以及开关控制电路，该开关控制电路用于控制该开关元件的接通/关闭。

该开关控制电路至少包括：数字计算器，该数字计算器用于根据该输出电压信号和在该开关元件的接通期间检测到的电感电流信号计算下一个接通时间，并且根据该下一个接通时间、该输入电压信号和该输出电压信号计算下一个关闭时间；以及信号发生器，该信号发生器用于根据该下一个接通时间和该下一个关闭时间生成用于控制该开关元件的脉冲宽度调制信号。

在一个实施例中，该开关控制电路还可以包括：第一模数转换器，该第一模数转换器用于将该电感电流信号转换成数字值；第二模数转换器，该第二模数转换器用于将该输入电压信号转换成数字值；以及第三模数转换器，该第三模数转换器用于将该输出电压信号转换成数字值。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种用于计算开关时间的方法。该方法包括：根据输出电压信号和在开关元件的接通期间检测到的电感电流信号计算下一个接通时间；根据该下一个接通时间、输入电压信号和该输出电压信号计算下一个关闭时间；以及根据该下一个接通时间和该下一个关闭时间生成用于控制该开关元件的脉冲宽度调制信号。

在一个实施例中，该方法还可以包括：根据该电感电流信号的平均值以及接通时间计算积分值，并且根据该积分值和检测到的电感电流信号计算该下一个接通时间。

在一个实施例中，该方法还可以包括：根据该输入电压信号和该输出电压信号计算差分电压信号；以及根据该输出电压信号和参考电压信号计算误差电压信号。并且根据该下一个接通时间、该差分电压信号和该误差电压信号计算该下一个关闭时间。

根据本发明的各种实施例，数字计算器用于根据输出电压信号和在开关元件的接通期间检测到的电感电流信号计算下一个接通时间，并且根据该下一个接通时间、输入电压信号和该输出电压信号计算下一个关闭时间。因此，提供一种数字控制方式，不仅能够减少部件的数量和降低成本，而且可以用简单的结构改进检测精度。

附图说明

参照下面结合附图通过实例进行的具体描述，能够充分理解本发明各种实施例的前述和其它方面、特征和优点，在这些附图中，相同的附图标记或字母用于指明相同或等同的元素。示出这些附图用于便于更好地理解本发明实施例，且这些附图并不一定按比例绘制。在这些图中：

图1是示出了现有技术中PFC电路的示意图；

图2是示出了现有技术中的另一种PFC电路的示意图；

图3是示出了现有技术中的另一种PFC电路的示意图；

图4是示出了处于稳定状态的电感电流的示意图；

图5是示出了处于不稳定状态的电感电流的示意图；

图6是示出了本发明实施例的PFC转换器600的示意图；

图7是示出了电感器中电感电流的示意图；

图8是示出了来自信号发生器的驱动信号的示意图；

图9是示出了输入电压信号和输出电压信号的示意图；

图10是示出了本发明实施例的电感电流的示意图；

图11是示出了本发明实施例的计算开关时间的方法的示意图。

具体实施方式

以下将参考几个实例对本发明进行说明。应该理解的是，对这些实施例的描述仅是为了使本领域中的技术人员能够更好地理解并实施本发明，而并不是对本发明的范围进行限制。

应该理解的是，当一个元件“连接到”或“偶合到”或“接触到”另一个元件时，它可以直接与另一个元件连接或偶合或接触，而且可以有中间元件的出现。相反，当一个元件“直接连接到”或“直接偶合到”或“直接接触到”另一个元件时，不会有中间元件的出现。用于对元件之间的关系进行描述的其它词语(如“在…之间”与“直接在…之间”，以及“临近”与“直接临近”，等等)也应使用类似的方式进行解释。

本文中所使用的术语“第一”和“第二”是指不同的要素。单数形式“一”旨在也包括复数形式，除非另有明确的说明。本文中所使用的术语“包括”、“具有”和/或“包含”说明所陈述的特征、要素和/或成分的存在，但并不排除一个或多个其它特征、要素和/或成分和/或它们的组合的存在或增加。

本文中所使用的术语“基于”应理解为“至少部分地基于”。术语“覆盖”应理解为“至少部分地覆盖”。术语“一个实施例”和“实施例”应理解为“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”应理解为“至少另一个实施例”。其它限定，无论是显式的还是隐含的，均包括在以下的说明中。

在本发明中，除非另有限定，本文中所采用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义均与示例性实施例所属的领域中的技术人员所通常理解的含义相同。还应该理解的是，应将术语(如在常用词典中所限定的术语)解释为具有与它们在相关领域的背景下的含义一致的含义，而不应在理想化或过度正式的意义上进行解释，除非此处另有明确限定。

为了在PFC转换器中以稳定状态运行，需要流过PFC转换器的电感器的电感电流IL是稳定的。图4是示出了处于稳定状态的电感电流(IL)的示意图。如图4所示，I1可以等于(或几乎等于)I3。图5是示出了处于不稳定状态的电感电流(IL)的示意图。如图5所示，I2不等于I4。

在本发明实施例中，提供一种数字控制方式来用简单的结构进行稳定的控制。

实施例的第一方面

本发明实施例提供一种计算开关时间的装置。图6是示出了本发明实施例的PFC转换器600的示意图。

如图6所示，PFC转换器600包括：整流电路601，用于对从交流电源接收的交流电压进行整流；串联电路602，用于连接到整流电路601，至少包括电感器6021和开关元件6022；电流检测电路603，用于在开关元件6022的接通期间检测电感电流信号(例如，在开关元件6022的源极或漏极对电感电流进行采样)；输入电压检测电路604，用于检测输入电压信号(Vin)；输出电压检测电路605，用于检测输出电压信号(Vout)。

如图6所示，PFC转换器600还包括：开关控制电路606，用于控制开关元件6022的接通/关闭(ON/OFF)。开关控制电路606至少包括：数字计算器6061，用于根据该输出电压信号和在开关元件6022的接通期间检测到的电感电流信号计算下一个接通时间，并且根据该下一个接通时间、该输入电压信号和该输出电压信号计算下一个关闭时间；以及信号发生器6062，用于根据该下一个接通时间和该下一个关闭时间生成用于控制开关元件6022的脉冲宽度调制(PWM)信号。

如图6所示，开关控制电路606还可以包括：第一模数转换器(ADC)6063，用于将该电感电流信号转换为数字值；第二模数转换器(ADC)6064，用于将该输入电压信号转换为数字值；以及第三模数转换器(ADC)6065，用于将该输出电压信号转换为数字值。

如图6所示，开关控制电路606还可以包括：驱动器6066，用于根据来自信号发生器6062的PWM信号驱动开关元件6022。

应当理解的是，在图6中的一些组件或元件作为示例进行了示出。然而，本发明并不仅限于此；例如，可以调整这些组件或元件的连接或位置，和/或，可以省略一些组件或元素。

此外，可以添加图6中未示出的一些组件或元件，而在图6中示出但并未说明的组件或元件，例如C1、C2、D1和电阻，可参考相关技术。例如，交织电路和/或无桥电路可以作为一些示例被使用。

在一个实施例中，数字计算器6061还用于根据电感电流信号的平均值和接通时间计算积分值(integral value)，并且根据该积分值和检测到的电感电流信号计算下一个接通时间。

例如，数字计算器6061可以使用以下公式计算该下一个接通时间：T_on[n+1]＝Ver/Id[n]；其中，Ver表示第n+1个周期的接通时间期间的该电感电流信号的目标积分值并且基于该输出电压信号，Id[n]表示第n个周期的接通时间期间的该检测到的电感电流信号，T_on[n+1]表示第n+1个周期的接通时间。

以下将示例性对原理进行描述，以更好地理解本发明。

图7是示出了电感器6021中电感电流(IL)的示意图，图8是示出了来自信号发生器6062的驱动信号(Vgs)的示意图，图9是示出了输入电压信号(Vin)和输出电压信号(Vout)的示意图。

为了PFC转换器在运行期间是稳定的，I1需要等于(或几乎等于)I3，因此，

需要满足：

Ton:Toff＝(Vout-Vin):Vin；则，

Ton×Vin＝Toff×(Vout-Vin)。

假设Ton×Vin＝A且Toff×(Vout-Vin)＝A,则Ton＝A/Vin且Toff＝A/(Vout-Vin)。

若该PFC转换器在正常状态下运行，则，Vin∝Vin_avr×IL，∝表示一种比例关系，Vin_avr表示Vin的平均值。因此，

Ton＝A/(B(Vin_avr×IL))；Toff＝A/(Vout-Vin)。

此外，Ver用作反馈信号来对该输出电压信号进行控制，并且Ver是基于输出电压信号的(或者它可以依赖于该输出电压信号和/或该反馈信号)。例如，Ton＝Ton0×Ver，Toff＝Toff0×(B－C×Ver)。这样就可以设置增益和频率变化幅度。然后，假设D＝A/B；E＝A×B,F＝A×C/D，

Ton＝A×Ver/(B(Vin_avr×IL))＝D×Ver/(Vin_avr×IL)；

Toff＝A×(B－C×Ver)/(Vout-Vin)

＝(A×B－A×C×Ver)/(Vout-Vin)

＝(A×B－(A×C/D)×D×Ver)/(Vout-Vin)

＝(E－F×D×Ver)/(Vout-Vin)。

其中，Ver被视为控制参数，并且利用这种参数可以实现增益控制。因此，其可视为

则，

Ton＝Ver/(Vin_avr×IL)，

Toff＝(E－F×Ver)/(Vout-Vin)。

因此，本发明实施例中的T_on[n+1]＝Ver/Id[n]是可实现的。可以考虑增益和频率的变化来确定如E和F这些参数。

在一个实施例中，该电流检测电路603用于在该开关元件6022的接通时间期间检测该电感电流信号至少一次。

例如，电流检测电路603用于在接通时段(或接通时间)的一半(1/2)时检测该电感电流信号；并且数字计算器6061用于根据在接通时段的一半(1/2)时检测到的电感电流信号确定电感电流信号的平均值。

图10是示出了本发明实施例的电感电流的示意图。如图10所示，在T_on[n]/2的时刻(如图10中的A所示)对该电感电流信号进行采样，作为该电感电流信号的平均值Id[n]。数字计算器6061可以使用以下公式计算该积分值：

Ver＝Id[n]×T_on[n]；

其中，Ver表示第n+1个周期的接通时间期间的该电感电流信号的目标积分值并且基于该输出电压信号，Id[n]表示第n个周期的接通时间的一半时检测到的该电感电流信号，T_on[n]表示第n个周期的接通时间。

应该理解的是，时刻T_on[n]/2是本发明实施例的一个实例。但本发明并不仅限于此；例如，本发明中还可以使用时刻T_on[n]/3或时刻T_on[n]/4。

在本发明实施例中，电流检测电路603可以用于在一个周期期间检测电感电流信号一次。即，第一模数转换器6063可以用于在一个周期内对信号进行一次采样而不是采样多次，因此，可以降低功耗和成本，而并不需要改善模数转换器的性能。

在一个实施例中，数字计算器6061还用于根据该输入电压信号和该输出电压信号计算差分电压信号，并根据该输出电压信号和参考电压信号计算误差电压信号。此外，数字计算器6061还用于根据下一个接通时间、该差分电压信号和该误差电压信号计算下一个关闭时间。

因此，数字计算器6061可以根据来自第一模数转换器603、第二模数转换器604和第三模数转换器605的信号计算T_on[n+1]和T_off[n+1]，然后向信号发生器6062输出信号(例如16比特)。

在一个实施例中，开关控制电路606可以配置在集成电路(IC)或芯片中，但本发明不限于此。在开关控制电路606中并不要求采用模拟比较器，这样就可以减少元件数量并降低成本；此外，在接通时间期间检测(或采样)电感电流，并且预先计算下一个接通/关闭时间，因此可以提高检测精度。

应该理解的是，上述实例或实施例是为了说明本发明而并非对本发明实施例进行限制。本领域中的技术人员应该理解，在本发明实施例的范围内可以有多种其它实施方式或示例。

从上述实施例中可知，数字计算器用于根据输出电压信号和在开关元件的接通期间检测到的电感电流信号计算下一个接通时间，并且根据该下一个接通时间、输入电压信号和该输出电压信号计算下一个关闭时间。因此，提供一种数字控制方式，不仅能够减少部件的数量和降低成本，而且可以用简单的结构改进检测精度。

实施例的第二方面

本发明实施例提供一种用于计算开关时间的方法。对应的装置606和PFC转换器600在实施例的第一方面已经进行了描述，与实施例的第一方面相同的内容不再进行描述。

图11是示出了本发明实施例的计算开关时间的方法的示意图。如图11所示，该方法1100包括：

步骤1101：根据输出电压信号和在开关元件的接通期间检测到的电感电流信号计算下一个接通时间；

步骤1102：根据该下一个接通时间、输入电压信号和该输出电压信号计算下一个关闭时间；以及

步骤1103：根据该下一个接通时间和该下一个关闭时间生成用于控制该开关元件的脉冲宽度调制信号。

值得注意的是，以上图11仅对本发明实施例进行了示意性说明，但本发明不限于此。例如可以适当地调整各个步骤之间的执行顺序，此外还可以增加其他的一些步骤或者减少其中的某些步骤。本领域的技术人员可以根据上述内容进行适当地变型，而不仅限于上述附图11的记载。

在一个实施例中，该方法1100还可以包括：根据该电感电流信号的平均值以及接通时间计算积分值，并且根据该积分值和检测到的电感电流信号计算该下一个接通时间。

例如，使用以下公式计算该下一个接通时间：T_on[n+1]＝Ver/Id[n]；其中，Ver表示第n+1个周期的接通时间期间的该电感电流信号的目标积分值并且基于该输出电压信号，Id[n]表示第n个周期的接通时间期间的该检测到的电感电流信号，T_on[n+1]表示第n+1个周期的接通时间。

在一个实施例中，可以在该开关元件的接通时间期间对该电感电流信号进行至少一次检测。例如，在接通时间的一半时检测该电感电流信号；并且根据在接通时间的一半时检测到的电感电流信号确定电感电流信号的平均值。

例如，可以使用以下公式计算该积分值：Ver＝Id[n]×T_on[n]；其中，Ver表示第n+1个周期的接通时间期间的该电感电流信号的目标积分值并且基于该输出电压信号，Id[n]表示第n个周期的接通时间的一半时检测到的该电感电流信号，T_on[n]表示第n个周期的接通时间。

在一个实施例中，该方法还可以包括：根据该输入电压信号和该输出电压信号计算差分电压信号，并且根据该输出电压信号和参考电压信号计算误差电压信号。根据该下一个接通时间、该差分信号和该误差信号计算该下一个关闭时间。

从上述实施例中可知，数字计算器用于根据输出电压信号和在开关元件的接通期间检测到的电感电流信号计算下一个接通时间，并且根据该下一个接通时间、输入电压信号和该输出电压信号计算下一个关闭时间。因此，提供一种数字控制方式，不仅能够减少部件的数量和降低成本，而且可以用简单的结构改进检测精度。

此外，尽管本领域中的技术人员可能做出很大的努力，并且在可用的时间、目前的技术和经济方面的考虑的驱使下有多种设计方面的选择，但他们在本文中所公开的理念和原理的指导下，能够容易地通过极少的实验生成这些软件指令和程序以及集成电路(IC)。

总之，本发明的各种实施例可以在软件或专用电路、硬件、逻辑或它们的任意组合中实施。一些方面可以在硬件中实施，而另一些方面可以在由控制器、微处理器或其它计算设备执行的固件或软件中实施。

虽然通过框图、流程图或使用其它形象化表示方式，对本发明实施例进行了图示和描述，但应该理解的是，本文中所描述的块、装置、系统或方法可以在硬件、软件、固件、专用电路或逻辑、通用硬件或控制器或其它计算设备或它们的组合中实施，而并不限于这些示例。

此外，虽然以具体顺序对这些操作进行了描述，但这并不应理解为要求以所示出的具体顺序或者先后顺序来执行这些操作，或者执行示出的这些所有的操作来达到所希望的结果。在某些情况下，多任务处理和平行处理是有益的。

同样，虽然以上的描述中包含了几种具体实施方式的细节，但不应将这些细节解释为是对本发明的范围的限制，而应解释为是具体实施例的特定特征的描述。在独立的实施例的上下文中所描述的某些特征，也可以在单独的实施例中组合起来实施。相反，在单独的实施例的上下文中所描述的各种特征，也可以在多个实施例中以单独或适当的组合方式实施。

虽然用结构性特征和/或方法论行为特有的语言对本发明进行了描述，但应理解在权利要求书中所限定的本发明不必仅限于上述特定特征或行为。相反，公开以上所描述的这些特定特征和行为作为实施这些权利要求的示例形式。