一种级联电源电路及降频控制方法与流程

1.本发明实施例涉及电子技术领域，特别涉及一种级联电源电路及降频控制方法。


背景技术：

2.随着电源技术的持续发展，产品对电源的可靠性、稳定性以及高效性要求越来越高，除了不断提高系统效率外，相关参数指标更为关注，比如系统的掉电保持时间，主要是用于在大多数电子设备供电异常切断，电源系统需要维持一定时间的输出能量以保证电子设备对必要的数据进行保存和传输并切换到备用电源，因此，要求开关电源系统具有较长的掉电保持时间是非常有必要的。
3.请参考图1，其为公知的buck+推挽两级级联电路，母线电容c1将前级buck和后级推挽解耦，工作过程彼此基本不影响，前级buck的输出母线电压vbus以电压源的形式为后级推挽供电，形成电压馈电的工作方式。相比于高压输入段，低压输入段系统效率低，且掉电保持时间也小，因此，低压输入时效率以及掉电保持时间要满足要求必然要进行相关优化设计。经分析，此电源系统在输入电压vin发生掉落时，也需满足尽可能长的掉电保持时间(hold-up time)要求，则可以达到的掉电保持时间th为：
[0004][0005]
式中，c
in
表示输入电容c
in
的容值，v
in
为级联电路的输入电压，vbus2为母线电容c1电压跌出范围允许值，d
max
为前级buck电路的最大占空比，η表示系统效率，po表示输出功率。
[0006]
从式(1)也可以明显可以看出，在母线电容电压c1跌出范围允许值、输出功率po一定情况下，输入电容cin越大、输入电压vin越高、或系统效率越高、占空比越大时掉电保持时间越长，现有技术为了尽量加长掉电保持时间，在不考虑额外增加电路的情况下普遍均采取直接在输入电源处并联电解电容储能的方式(即输入电容c
in
采用电解电容)，虽然此种方式简单有效，但为了满足电源系统掉电保持时间指标要求，输入端需要较大电容值，势必增加电源模块体积及成本，影响系统效率，且宽输入电压范围电源系统中受到电容本身耐压值限制导致电容选型也存在一定困难。


技术实现要素：

[0007]
鉴于现有技术方案加长电源系统掉电保持时间需要妥协效率以及增加成本体积这一技术缺陷，本发明要解决的技术问题是提出一种降频控制方法，可实现pwm调制下无限接近100％占空比或者0％占空比的长时间维持输出电压稳定效果，可以扩宽输入电压范围，提高电源工作效率，在现有输入电容值基础上无需再额外并联电解电容即可进一步扩宽电源系统的掉电保持时间，降低电源成本和体积。
[0008]
为了解决上述技术问题，本发明提供一种级联电源电路，其包括：降压型级联电路
和控制电路；
[0009]
降压型级联电路包括前级降压电路和后级开关电源电路，前级降压电路包含用于接收级联电源电路的输入电压的输入端、用于提供调整输出电压的主开关管、同步开关管以及电感，输出电压作为后级开关电源电路的输入电压，后级开关电源电路包括：原边开关电路、变压器以及副边整流电路；
[0010]
控制电路设有用于检测同步开关管导通时间的检测电路，以及预设有同步开关管的导通时间阈值和开关频率阈值；
[0011]
控制电路用于控制后级开关电源电路中的原边开关电路，使得原边开关电路中的开关单元以固定频率工作；控制电路用于在检测电路检测到同步开关管的导通时间小于或等于预设的导通时间阈值时，控制前级降压电路中的主开关管和同步开关管的开关频率减少，并在主开关管和同步开关管的开关频率减少到小于或等于开关频率阈值时，控制主开关管保持开通以及控制同步开关管保持关断。
[0012]
优选地，降压型级联电路的输入电压工作范围下限无限逼近降压型级联电路的母线电压。
[0013]
优选地，控制前级降压电路中的主开关管和同步开关管的开关频率减少包括：控制前级降压电路中的主开关管以及同步开关管的开关频率跳变减小或者线性减小。
[0014]
优选地，原边开关电路为推挽电路、半桥电路、全桥电路或llc电路；副边整流电路为半波整流电路、全波整流电路、全桥整流电路或倍压整流电路。
[0015]
本发明还提供一种级联电源电路，其包括：升压型级联电路和控制电路；
[0016]
升压型级联电路包括前级升压电路和后级开关电源电路，前级升压电路包含用于接收级联电源电路的输入电压的输入端、用于提供调整后输出电压的主开关管、同步开关管以及电感，输出电压作为后级开关电源电路的输入电压，隔离开关电源电路包括：原边开关电路、变压器以及副边整流电路；
[0017]
控制电路设有用于检测主开关管导通时间的检测电路，以及预设有主开关管的导通时间阈值和开关频率阈值，控制电路用于控制后级开关电源电路中的原边开关电路，使得原边开关电路中的开关单元以固定频率工作；控制电路用于在检测电路检测到主开关管的导通时间小于或等于预设的导通时间阈值时，控制前级升压电路中主开关管和同步开关管的开关频率减少，并在主开关管和同步开关管的开关频率减少到小于或等于开关频率阈值时，控制前级升压电路中的主开关管保持关闭以及控制同步开关管保持导通。
[0018]
优选地，升压型级联电路的输入电压工作范围上限无限逼近升压型级联电路母线电压；
[0019]
优选地，控制前级升压电路中主开关管以及同步开关管的开关频率减少包括：控制前级升压电路中的主开关管以及同步开关管的开关频率跳变减小或者线性减小。
[0020]
本发明再提供一种用于级联电源电路中的降频控制方法，级联电源电路包括：前级电路和后级开关电源电路，其中，前级电路至少包括两个开关管，降频控制方法包括：
[0021]
检测级联电源电路的前级电路中开关管的导通时间；
[0022]
根据检测到的导通时间与预设的导通时间阈值的关系式、以及前级电路中的开关管的开关频率与预设的开关频率阈值的关系式，对级联电源电路的前级电路的工作模式进行控制，具体的：
[0023]
当导通时间小于或等于导通时间阈值，控制前级电路工作在降频模式；
[0024]
当前级电路中的开关管的开关频率小于或等于开关频率阈值fs_min时，控制前级电路时工作在直通模式，前级电路时工作在直通模式时，前级电路中的一个开关管保持导通，另一个开关管保持关闭。
[0025]
优选地，前级电路工作在降频模式时，经n次降频控制后，前级电路中开关管的开关频率从初始fs依次跳变减小为关系式中，k为系数，k为大于等于2的任意整数，n表示降频次数，n为大于等于1的整数。
[0026]
优选地，前级电路工作在降频模式时，前级电路中开关管的开关频率从初始fs线性减小为f
s-k
·
vin，关系式中，k为系数，k为大于等于2的任意整数，vin表示级联电源电路的输入电压。
[0027]
优选地，级联电源电路的后级开关电源电路中的开关单元以固定频率工作。
[0028]
需要特别说明的是，具有降压特性的级联电源电路，一般情况下输入电源电压需大于母线电容电压，而在上述级联电源电路的控制方法下，产品输入电源电压可无限逼近母线电容电压；此外，一般情况下，降压型产品设计时一般考虑最恶劣情况为高压满载工况，电源输入电压为最高值时，流过电感的峰值电流较大，电感也最容易饱和，效率方面也是高压输入效率低于低压输入效率，主要是因为低压输入时，电感峰值电流小，本身关断损耗小，交流导通损耗小，电感也不会发生饱和，因此，低压输入时本身并不是应用最恶劣情况，效率方面尚有很大优化空间，若在工作过程中开关频率有所降低，可以有效减小电感磁损、开关损耗以及驱动损耗，将进一步增加低压输入时系统效率，并进行了电感设计的最大利用；
[0029]
需要特别说明的是，具有升压特性的级联电源电路，一般情况下输入电源电压需小于母线电容电压，而在上述级联电源电路的控制方法下，产品输入电源电压可无限逼近母线电容电压；此外，一般情况下，升压型产品设计时一般考虑最恶劣情况为低压满载工况，电源输入电压为最低值时，流过电感的峰值电流较大，电感也最容易饱和，效率方面也是高压输入效率高于低压输入效率，主要是因为高压输入时，电感峰值电流小，本身关断损耗小，交流导通损耗小，电感也不会发生饱和，因此，高压输入时本身并不是应用最恶劣情况，效率方面尚有很大优化空间，若在工作过程中开关频率有所降低，可以有效减小电感磁损、开关损耗以及驱动损耗，将进一步增加高压输入时系统效率，并进行了电感设计的最大利用；
[0030]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0031]
(1)相较于现有技术，本发明通过降频控制方法可增加前级降压电路或前级升压电路的占空比调节上限或下限，进一步扩宽了系统输入电压范围；进行了电感设计的最大利用，可减小电感磁损、开关损耗以及交流导通损耗，提高效率；
[0032]
(2)为了满足电源系统掉电保持时间指标要求，不采取给输入电源端并联更大的电解电容方式，本发明通过一种降频控制方法，可以明显扩宽电源系统掉电保持时间，减小电源系统成本以及体积；
[0033]
(3)电源系统在低温环境时输入电容容值有所减小，电源系统的掉电保持时间较常温下有所减小，本发明从控制角度解决了由于外部环境影响导致的掉电保持时间过小需
要妥协增加输入电容值的问题。
附图说明
[0034]
图1为现有buck+推挽两级级联电路原理图；
[0035]
图2为本发明提供的一种降频控制方法的流程示意图；
[0036]
图3为本发明第一实施例中提供的级联电源电路示意图；
[0037]
图4为本发明第一实施例跳变降频工作时序图；
[0038]
图5为本发明第一实施例线性降频工作时序图；
[0039]
图6为本发明第二实施例中提供的级联电源电路示意图；
[0040]
图7为本发明第二实施例跳变降频工作时序图；
[0041]
图8为本发明第二实施例线性降频工作时序图；
[0042]
上述附图并不限制本发明构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
[0043]
图2为本发明中提供的一种降频控制方法的流程示意图，具体的可应用于具有降压特性的级联电源电路和具有升压特性的级联电源电路。
[0044]
通过控制电路产生前级电路(为降压型级联电路或升压型级联电路)中开关管的驱动信号，并实时监测对应开关管的导通时间ton，当检测到对应开关管的导通时间ton小于等于设定的导通时间阈值ton_min时，触发降频控制；在进行降频控制时，控制前级电路中开关管的开关频率减少，开关频率减少的方式包括：方案一和方案二，方案一为按照跳变减小方式进行降频，方案二为按照线性减小的方式进行降频。
[0045]
在输入电压vin无限逼近前级电路的母线电压vbus过程中，按照跳变减小方式进行降频，第一次触发降频后的开关频率将变为降频前开关频率的1/k1(比如1/2,1/3
…
)；第二次降频后的开关频率将变为降频前开关频率的1/k2(比如1/2,1/3
…
)，以此类推，n次降频控制后，前级电路中开关管的开关频率将由初始fs跳变为其中，k为系数，k为大于等于2的任意正整数，n表示降频次数，n为大于等于1的正整数；按照线性减小的方式进行降频，在触发降频控制后，前级电路中开关管的开关频率从初始开关频率fs线性减小变为f
s-k
·
vin，其中，关系式中，其中，k为系数，k为大于等于2的任意整数，vin表示输入电压，在循环降频控制过程中，当检测到降频后的开关频率小于等于设定的开关频率fs_min时，进入直通模式，一个开关管常通，另一个开关管常关，由降频模式控制以及直通模式共通决定控制级联电源电路的开关管驱动信号。
[0046]
第一实施例
[0047]
请参考图3，图3为本发明第一实施例中提供的级联电源电路示意图，包括前级降压电路301、后级隔离开关电源电路302(以下称为后级开关电源电路)以及控制电路；前级降压电路301包括输入电源正、输入电源地、输入电容cin、主开关管s1、同步开关管s2、电感l以及母线电容c1；后级开关电源电路包括原边开关电路、副边整流电路及连接原边开关电路和副边整流电路的变压器。
[0048]
输入电容cin的一端连接输入电源vin和主开关管s1的一端，且同时作为前级降压电路301的输入正和级联电源电路的输入正，主开关管s1的另一端同时连接同步开关管s2的一端和电感l的一端，电感l的另一端和母线电容c1的一端连接在一起作为前级降压电路301的输出正，母线电容c1的另一端和同步开关管s2的另一端、输入电容cin的另一端连接在一起同时作为前级降压电路301的输入电源地、输出电源地和级联电源电路的输入地；后级开关电源电路302的输入正连接前级降压电路的输出正，后级开关电源电路302的输入负连接降压电路301的输入电源地，后级开关电源电路302的输出正作为级联电源电路的输出正，后级开关电源电路302的输出负作为级联电源电路的输出负。
[0049]
后级开关电源电路302中的原边开关电路可以是推挽电路、半桥电路、全桥电路、llc电路等工作在固定开关频率的电路；副边整流电路可以是半波整流电路、全波整流电路、全桥整流电路，也可以是倍压整流电路。
[0050]
控制电路中具体进行本发明降频控制，请参考图4为本发明第一实施例跳变降频工作时序图，结合图2所示的降频控制方法流程，第一实施例具体控制方法如下：
[0051]
前级降压电路的开关频率为fs，当输入电压从vin1逐渐减小时，实时检测同步开关管s2的导通时间t
on2
，当同步开关管s2的导通时间t
on2
达到其预设值t
on2_min
(导通时间阈值)时，触发降频以控制前级降压电路中的主开关管s1以及同步开关管s2的开关频率跳变为此时对应输入电压为vin2，则同步开关管s2的导通时间变为2t
on2_min
；当输入电压从vin2逐渐减小时，同步开关管s2的导通时间将从2t
on2_min
再一次逐渐减小，当再一次检测到同步开关管s2的导通时间t
on2
达到其预设值t
on2_min
，触发降频以控制前级降压电路中的主开关管s1以及同步开关管s2的开关频率跳变为此时对应输入电压为vin3，则同步开关管s2的导通时间再次变为2t
on2_min
；当输入电压从vin3逐渐减小时，同步开关管s2的导通时间将从2t
on2_min
再一次逐渐减小，当再一次检测到同步开关管s2的导通时间t
on2
达到其预设值t
on2_min
，触发降频以控制前级降压电路中的主开关管s1以及同步开关管s2的开关频率跳变为此时对应输入电压为vin4，则同步开关管s2的导通时间再次变为2t
on2_min
，以此类推，直至输入电压逐渐减小可无限逼近母线电压vbus，达到无限逼近100％占空比输出效果，在此降频控制过程中，若是主开关管s1和同步开关管s2变化后的开关频率小于设定的开关频率fs_min时，主开关管s1常通，同步开关管s2常关，此时输入电压可工作在母线电压vbus，且由于开关频率的降低，可进一步降低驱动损耗，开关损耗、以及电感磁损，提高系统效率，主开关管s1的占空比达到无限逼近100％，系统效率的提高也可大幅度增加系统掉电保持时间。
[0052]
根据上述控制方法，若是级联电源电路的输入电压vin＝24-36v，母线电压vbus＝24v，前级降压电路初始开关频率fs＝350khz，设置触发降频条件同步开关管s2的导通时间t
on2
达到其预设值t
on2_min
＝200ns，设置主开关管s1和同步开关管s2的最小开关频率fs_min＝30khz，根据vbus＝d*vin，计算过程忽略死区时间等影响，整个控制过程开关频率与输入电压对应关系如下表所示：
[0053][0054]
由上表可以看出，随着输入电压的减小，检测前级降压电路中同步开关管s2的导通时间减小触发降频条件设置值200ns时，开关频率每次以1/2倍率减小，当降压电路的开关频率由350khz一直减小至43.75khz时，此时对应输入电压vin4＝24.21v，主开关管s1的占空比可达到99.13％，无限逼近100％占空比输出，直到再触发一次降频主开关管s1和同步开关管s2的开关频率跳变为21.9khz时小于设置的主开关管s1和同步开关管s2的最小开关频率30khz，此时进入直通模式，主开关管s1常通，同步开关管s2常关。
[0055]
若是未引入降频控制方法，级联电源电路的母线电压vbus＝24v，母线电容电压跌出范围允许值vbus2＝21.6v，前级降压电路开关频率fs＝350khz，同步开关管s2预设的能够发出的最小导通时间ton2_min＝200ns，则控制电路可pwm调制发出的最大占空比若输入电压vin为30v时发生掉电，输入电压减小至vbus/d
max1
＝25.81v时还可实现母线电压24v输出，但由于此时控制电路已pwm调制发出其最大占空比，因此随之输入电压的继续跌落，母线电压vbus将从24v开始减小直至跌出允许值21.6v，即在输入掉电到vbus2/d
max1
＝23.22v时母线电压已跌出范围允许值vbus2；根据背景技术中的系统掉电保持时间th为：
[0056][0057]
在输入电压vin＝25v时，输入电容cin＝2000uf，输出功率po＝400w，系统典型效率η＝95％时，未引入降频控制方法时dmax＝93％，母线电容电压跌出范围允许值vbus2＝21.6v，代入公式(2)则此时系统掉电保持时间t
h1
＝7.5ms。
[0058]
若是引入降频控制方法，前级降压电路开关频率fs＝350khz，同步开关管s2预设
导通时间ton2_min＝200ns，母线电容电压跌出范围允许值vbus2＝21.6v，则控制电路可pwm调制发出的最大占空比若发生输入电压vin掉电，同样在输入电压vin掉电时，输入电压减小至vbus/d
max1
＝25.81v时触发降频控制后开关频率变为1/2fs＝175khz，则此时对应控制电路可pwm调制发出的最大占空比随之输入电压的继续跌落，输入电压减小至vbus/d
max1
＝24.87v时再次触发降频控制后开关频率变为1/2*1/2fs＝87.5khz，则此时对应控制电路可pwm调制发出的最大占空比随之输入电压的继续跌落还可再次触发降频控制，以此类推，由此可说明在降压型电路中由于引入降频控制可增大占空比调节上限从93％直至无限逼近100％占空比输出；若以降频两次为例，开关频率从350khz依次降到175khz和87.5khz，同样在输入电压vin＝25v时，输入电容cin＝2000uf，输出功率po＝400w，系统典型效率η＝95％时，引入降频控制方法时dmax＝97.22％，代入公式(2)则此时系统掉电保持时间t
h2
＝18.35ms，则引入降频控制方法后，系统掉电保持至少增大一倍。
[0059]
此外，从式(2)也可以看出，引入降频控制方法后，由于降频可以提高系统效率也可以进一步增大系统掉电保持时间，若是在同等掉电保持时间指标要求下，输入电容cin取值可进一步减小，节省成本。
[0060]
与上述工作过程类似，同样基于图3所示级联电源电路示意图，包含降频模式和直通模式，仅降频控制具体特征有所不同，图5为本发明第一实施例线性降频工作时序图，具体控制方法如下：
[0061]
前级降压电路的开关频率为fs，当输入电压从vin1逐渐减小时，实时检测主开关管s2的导通时间t
on2
，当同步开关管s2的导通时间t
on2
达到其预设值t
on2_min
时，此时对应输入电压vin2，输入电压从vin2再一次开始减小时触发降频条件控制前级降压电路中的主开关管s1以及同步开关管s2的开关频率线性降频，直至输入电压减小至逼近母线电压vbus，此时主开关管s1以及同步开关管s2的开关频率降低至f
s-k
·
vin，其中k表示系数取值。
[0062]
根据上述控制方法，若是级联电源电路的输入电压vin＝24.1-36v，母线电压vbus＝24v，前级降压电路初始开关频率fs＝350khz，设置主开关管s1和同步开关管s2的预设开关频率fs_min＝30khz，系统参数设置时希望输入电压vin＝24.1v时开关频率fs1＝43.75khz，设置触发降频条件主开关管s2的导通时间t
on2
达到其预设值t
on2_min
＝200ns时，根据vbus＝d*vin，计算过程忽略死区时间等影响，当主开关管s1和同步开关管s2工作在350khz时，则控制电路pwm调制可发出的最大占空比即输入电压从36v减小至vbus/d
max1
＝25.81v时触发降频控制后开关频率将线性减小，直至输入电压vin＝24.1v时开关频率fs1＝43.75khz，此时控制电路pwm调制可发出的最大占空比则输入电压范围最小值经过线性降频后的开关频率满足表
达式f
s1
＝350khz-12.71
·
vin，可以明显看出此时对应主开关管s1的占空比可达到99.13％，也达到了无限逼近100％占空比输出效果，若是主开关管s1和同步开关管s2的开关频率继续减小到30khz时，此时进入直通模式，主开关管s1常通，同步开关管s2常关。
[0063]
需要说明的是：开关管采用金属氧化物半导体晶体管(mosfet)，但是，其它类型的电控开关器件，例如，双极性晶体管(bjt)以及绝缘栅型晶体管(igbt)等开关管也均可以作为本实施例的开关管。
[0064]
第二实施例
[0065]
请参考图6，图6为本发明第二实施例中提供的级联电源电路示意图；包括前级升压电路、后级隔离开关电源电路(以下称为后级开关电源电路)以及控制电路；前级升压电路包括输入电源正、输入电源地、输入电容cin、主开关管s1、同步开关管s2、电感l、母线电容c1；后级开关电源电路包括原边开关电路、变压器及副边整流电路。
[0066]
其中，输入电容cin的一端连接输入电源vin和电感l的一端，且同时作为升压电路的输入正和级联电源电路的输入正，电感l的另一端同时连接主开关管s1的一端和同步开关管s2的一端，同步开关管s2的另一端和母线电容c1的一端连接在一起作为前级升压电路的输出正，母线电容c1的另一端和主开关管s1的另一端、输入电容cin的另一端连接在一起同时作为前级升压电路的输入电源地、输出电源地和级联电源电路的输入地。
[0067]
后级开关电源电路包括原边开关电路、变压器及副边整流电路；其中，原边开关电路可以是推挽电路、半桥电路、全桥电路、llc电路等工作在固定开关频率的电路；副边整流电路可以是半波整流电路、全波整流电路、全桥整流电路，也可以是倍压整流电路。
[0068]
控制电路中具体进行本发明降频控制，请参考图7为本发明第一实施例跳变降频工作时序图，结合图2所示的一种降频控制方法流程，第二实施例具体控制方法如下：
[0069]
通过控制电路产生前级升压电路中主开关管s1和同步开关管s2的驱动信号开关频率，当输入电压从vin1逐渐升高时，实时检测主开关管s1的导通时间t
on1
，当主开关管s1的导通时间t
on1
达到其预设值t
on1_min
时，触发降频以控制前级升压电路中的主开关管s1以及同步开关管s2的开关频率跳变为此时对应输入电压为vin2，则主开关管s1的导通时间变为3t
on1_min
；当输入电压从vin2逐渐增加时，主开关管s1的导通时间将从3t
on1_min
再一次逐渐减小，当再一次检测到主开关管s1的导通时间t
on1
达到其预设值t
on1_min
，触发降频以控制前级降压电路中的主开关管s1以及同步开关管s1的开关频率跳变为此时对应输入电压为vin3，则同步开关管s2的导通时间再次变为2t
on1_min
；当输入电压从vin3逐渐增加时，主开关管s1的导通时间将从2t
on1_min
再一次逐渐减小，当再一次检测到主开关管s1的导通时间t
on1
达到其预设值t
on1_min
，触发降频以控制前级升压电路中的主开关管s1以及同步开关管s2的开关频率跳变为此时对应输入电压为vin4，则主开关管s1的导通时间再次变为2t
on1_min
，以此类推，随着输入电压vin的增大实现降频控制，直至输入电压vin无限逼近母线电容电压vbus，达到无限逼近0％占空比输出效果，在此降频控制过程中，若是主开关管s1和同步开关管s2变化后的开关频率小于设定的最小开关频率fs_min时，主开关管s1常关，同步开关管s2常通，此时输入电压可工作在母线电压vbus，且由于开关频率的降
低，可进一步降低驱动损耗，开关损耗、以及电感磁损，提高系统效率。
[0070]
根据上述控制方法，若是级联电源电路系统输入电压vin＝9-24v，母线电压vbus＝24v，前级升压电路初始开关频率fs＝350khz，设置主开关管s1和同步开关管s2的最小开关频率fs_min＝30khz，设置触发降频条件主开关管s1的导通时间t
on1
达到其最小值t
on1_min
＝200ns时，根据d＝(vbus-vin)/vbus，计算过程忽略死区时间等影响，整个控制过程开关频率与输入电压对应关系如下表所示：
[0071][0072]
由上表可以看出，随着输入电压的减小，检测前级升压电路中主开关管s1的导通时间减小触发降频条件设置值200ns时，开关频率以1/3或者1/2的倍率减小，当升压电路的开关频率由350khz一直减小至29.17khz时，此时主开关管s1和同步开关管s2的开关频率跳变为29.17khz时小于设置的主开关管s1和同步开关管s2的最小开关频率30khz，无限逼近0％占空比输出，此时进入直通模式，主开关管s1常关，同步开关管s2常通。
[0073]
与上述工作过程类似，同样基于图6所示级联电源电路示意图，包含降频模式和直通模式，仅降频控制具体特征有所不同，图8为本发明第二实施例线性降频工作时序图，具体控制方法如下：
[0074]
前级升压电路的开关频率为fs，当输入电压从vin1逐渐升高时，实时检测主开关管s1的导通时间t
on1
，当主开关管s1的导通时间t
on1
达到其预设值t
on1_min
时，此时对应输入电压vin2，输入电压从vin2再一次开始减小时触发降频条件控制前级升压电路中的主开关管s1以及同步开关管s2的开关频率线性降频，直至输入电压升高至逼近母线电压vbus，此时主开关管s1以及同步开关管s2的开关频率降低至f
s-k
·
vin，k为系数，k为大于等于2的任意整数。
[0075]
根据上述控制方法，若是级联电源电路的输入电压vin＝9-24v，母线电压vbus＝24v，前级升压电路初始开关频率fs＝350khz，设置主开关管s1和同步开关管s2的预设开关频率fs_min＝30khz，系统参数设置时希望输入电压vin＝24v时开关频率fs1＝29.17khz，设置触发降频条件主开关管s1的导通时间t
on1
达到其预设值t
on1_min
＝200ns时，根据d＝(vbus-vin)/vbus，计算过程忽略死区时间等影响，当主开关管s1和同步开关管s2工作在
350khz时，则控制电路pwm调制可发出的最小占空比即输入电压从9v增大至vbus-d
min1
*vbus＝22.32v时触发降频控制后开关频率将线性减小，直至输入电压vin＝24v时开关频率fs1＝29.17khz，此时控制电路pwm调制可发出的最小占空输入电压范围最大值经过线性降频后的开关频率满足表达式f
s1
＝350khz-13.45
·
vin，由于预设的希望输入电压vin＝24v时开关频率fs1＝29.17khz小于预设的主开关管s1和同步开关管s2的最小开关频率fs_min＝30khz，则主开关管s1将保持常关，同步开关管s2将保持常通，因此，前级升压电路的开关频率经过线性降频后可以达到主开关管s1的占空比无限逼近0％占空比输出效果。
[0076]
需要说明的是：开关管采用金属氧化物半导体晶体管(mosfet)，但是，其它类型的电控开关器件，例如，双极性晶体管(bjt)以及绝缘栅型晶体管(igbt)等开关管也均可以作为本实施例的开关管。

技术特征：
1.一种级联电源电路，其特征在于，包括：降压型级联电路和控制电路；所述降压型级联电路包括前级降压电路和后级开关电源电路，所述前级降压电路包含用于接收所述级联电源电路的输入电压的输入端、用于提供调整输出电压的主开关管、同步开关管以及电感，所述输出电压作为所述后级开关电源电路的输入电压，所述后级开关电源电路包括：原边开关电路、变压器以及副边整流电路；所述控制电路设有用于检测所述同步开关管导通时间的检测电路，以及预设有所述同步开关管的导通时间阈值和开关频率阈值；所述控制电路用于控制所述后级开关电源电路中的所述原边开关电路，使得所述原边开关电路中的开关单元以固定频率工作；所述控制电路用于在所述检测电路检测到所述同步开关管的所述导通时间小于或等于预设的所述导通时间阈值时，控制所述前级降压电路中的所述主开关管和所述同步开关管的开关频率减少，并在所述主开关管和所述同步开关管的开关频率减少到小于或等于所述开关频率阈值时，控制所述主开关管保持开通以及控制所述同步开关管保持关断。2.如权利要求1所述的级联电源电路，其特征在于：所述降压型级联电路的输入电压工作范围下限无限逼近所述降压型级联电路的母线电压。3.如权利要求1所述的级联电源电路，其特征在于：控制所述前级降压电路中的所述主开关管和所述同步开关管的开关频率减少包括：控制所述前级降压电路中的所述主开关管以及所述同步开关管的开关频率跳变减小或者线性减小。4.如权利要求1所述的级联电源电路，其特征在于：所述原边开关电路为推挽电路、半桥电路、全桥电路或llc电路；所述副边整流电路为半波整流电路、全波整流电路、全桥整流电路或倍压整流电路。5.一种级联电源电路，其特征在于，包括：升压型级联电路和控制电路；所述升压型级联电路包括前级升压电路和后级开关电源电路，所述前级升压电路包含用于接收所述级联电源电路的输入电压的输入端、用于提供调整后输出电压的主开关管、同步开关管以及电感，所述输出电压作为所述后级开关电源电路的输入电压，所述隔离开关电源电路包括：原边开关电路、变压器以及副边整流电路；所述控制电路设有用于检测所述主开关管导通时间的检测电路，以及预设有所述主开关管的导通时间阈值和开关频率阈值，所述控制电路用于控制所述后级开关电源电路中的所述原边开关电路，使得所述原边开关电路中的开关单元以固定频率工作；所述控制电路用于在所述检测电路检测到所述主开关管的所述导通时间小于或等于预设的所述导通时间阈值时，控制所述前级升压电路中主开关管和所述同步开关管的开关频率减少，并在所述主开关管和所述同步开关管的开关频率减少到小于或等于所述开关频率阈值时，控制所述前级升压电路中的所述主开关管保持关闭以及控制所述同步开关管保持导通。6.如权利要求5所述的级联电源电路，其特征在于：所述升压型级联电路的输入电压工作范围上限无限逼近所述升压型级联电路母线电压。7.如权利要求5所述的级联电源电路，其特征在于：控制所述前级升压电路中主开关管以及所述同步开关管的开关频率减少包括：控制所述前级升压电路中的所述主开关管以及所述同步开关管的开关频率跳变减小或者线性减小。8.一种用于级联电源电路中的降频控制方法，所述级联电源电路包括：前级电路和后
级开关电源电路，其中，所述前级电路至少包括两个开关管，其特征在于，所述降频控制方法包括：检测所述级联电源电路的前级电路中开关管的导通时间；根据检测到的所述导通时间与预设的导通时间阈值的关系式、以及所述前级电路中的所述开关管的开关频率与预设的开关频率阈值的关系式，对所述级联电源电路的前级电路的工作模式进行控制，具体的：当所述导通时间小于或等于所述导通时间阈值时，控制所述前级电路工作在降频模式；当所述前级电路中的所述开关管的开关频率小于或等于开关频率阈值时，控制所述前级电路时工作在直通模式，所述前级电路时工作在直通模式时，所述前级电路中的一个所述开关管保持导通，另一个所述开关管保持关闭。9.如权利要求8所述的降频控制方法，其特征在于：所述前级电路工作在降频模式时，经n次降频控制后，所述前级电路中的所述开关管的开关频率从初始fs次跳变减小为其中，k为系数，k为大于等于2的任意正整数，n表示降频次数，n为大于等于1的正整数。10.如权利要求9所述的降频控制方法，其特征在于：所述前级电路工作在降频模式时，所述前级电路中开关管的开关频率从初始fs线性减小为f
s-k
·
vin，其中，k为系数，k为大于等于2的任意整数，vin表示级联电源电路的输入电压。11.如权利要求8所述的降频控制方法，其特征在于：所述级联电源电路的后级开关电源电路中的开关单元以固定频率工作。

技术总结
本发明涉及电子技术领域，公开了一种级联电源电路及其控制方法，级联电源电路包括降压型级联电路和控制电路，或者升压型级联电路和控制电路，控制电路根据检测前级电路中开关管导通时间和开关频率使前级电路工作在降频模式和直通模式，可实现控制前级电路中开关管的开关频率跳变减小或者线性减小，可持续性增大前级降压电路或升压电路中的占空比调节上限或下限，最终可以有效扩宽产品输入电压范围，从而提高系统效率，大幅度增加系统掉电保持时间，从而带来体积和成本的降低。从而带来体积和成本的降低。从而带来体积和成本的降低。


技术研发人员：宋亚亚 卢鹏飞
受保护的技术使用者：广州金升阳科技有限公司
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/8/5