CN100403629C - 开关电源的功率因数校正设备 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于开关电源的功率因数校正设备，包括转换器(20)和与所说的转换器(20)耦合以便从输入电网交流电压(Vin)获得在输出端子上的直流调节电压(Vout)的控制设备(100；200；300)。转换器(20)包括功率晶体管(M)，以及该控制设备(100；200；300)包括误差放大器(3)、至少一个电容器(C)和与所说的电容器(C)的第二端子耦合的所说的功率晶体管的驱动电路(4-6)，该误差放大器(3)在倒相端子上输入与所说的调节电压(Vout)成比例第一信号(Vr)和在非倒相端子上输入参考电压(Vref)，该电容器(C)具有与误差放大器(3)的倒相端子和输出端子(31)分别耦合的第一端子和第二端子。控制设备(100；200；300)包括置于所说的误差放大器(3)的输出端子(31)和所说的电容器(C)的第二端子之间的中断装置(SW)和控制装置(103；103；301-303)，该控制装置(103；103；301-303)能够启动所说的中断装置(SW)以便在比所说的控制设备(100；200；300)运行的时间周期(Tciclo)更短的至少一个时间周期(T)中控制在误差放大器(3)和所说的驱动电路(4-6)之间的连接的中断。

Description

开关电源的功率因数校正设备
技术领域
本发明涉及一种用于开关电源的功率因数校正设备。
背景技术
公知的是使用设备有源地校正在普遍用作计算机、电视、监视器等的电子设备中使用的和给荧光灯供电的开关电源的功率因数(PFC)，它是必须从外部电网中吸收几乎正弦的并且与电网电压同相的电流的开关预调节级。因此，实际型号的开关电源包括PFC和与PFC的输出连接的DC-DC转换器。
传统类型的开关电源包括DC-DC转换器和与电电网连接并由全波整流器二极管桥路和直接连接在下游的电容器构成的输入级以产生从交流正弦电网电压中导出的未调节的连续电压。电容器具有足够大的电容以使在它的端子上存在相对于连续电平相对较低的波动。该桥路的整流二极管仅对电网电压的每半个周期的一小部分导通，因为对于该周期的大部分，它的瞬时值低于在电容器的端子的电压。因此从电网吸收的电流将由一系列的窄脉冲构成，窄脉冲的幅值是所得的平均值的5-10倍。
这带来了值得注意的后果：从电网吸收的电流具有远高于在吸收正弦电流的情况下的峰值和有效值的峰值和有效值，由于与电网连接的所有的用户的几乎瞬时脉冲吸收的缘故，造成了电网电压失真，在三相系统的情况下，在中性导体中的电流增加并且电源系统的功率使用的可能性较低。事实上，脉冲电流波形具有许多奇数谐波，即使对输送给负载的功率没有影响，这些奇数谐波仍然对增加从电网吸收的有效电流有贡献，并且对增加功率耗散也有贡献。
这可以以功率因数(PF)和总谐波失真(THD)定量地表述，功率因数是在实际的功率(通过电源输送给负载的功率加上内部热消耗的功率)和视在功率(电网有效功率与吸收的有效功率的乘积)之间的比率，而总谐波失真通常是在与所有的高级谐波关联的能量和与主谐波关联的能量之间的百分率。通常，具有电容滤波器的电源具有包括在0.4和0.6之间的PF和高于100％的THD。
通过使PF接近1并且减小THD，置于在整流器桥路和DC-DC转换器的输入之间的PFC允许从电网吸收几乎正弦并且与电压同相的电流。
在附图1中，示意性地示出的预调节器PFC级包括升压变换器20和控制设备1，在这种情况下控制设备L6561通过STMicroelectronics S.p.A制造。升压变换器20包括具有作为输入的电网电压Vin的全波二极管整流桥路2、具有与二极管桥路2连接的一个端子和连接到地端的其它端子的电容器C1(它用作高频的滤波器)、与电容器C1的一个端子连接的电感器L、MOS功率晶体管M、二极管D，该MOS功率晶体管M具有与最下游的电感器L的端子连接的漏极端子并具有与连接到地端的电阻Rs连接的源极端子，该二极管D具有与电感器L和晶体管M的公共端子连接的阳极和与其另一端子接地的电容器Co连接的阴极。升压变换器20在电容器Co的端子上产生输出直流电压Vout，该电压Vout高于电网电压的最高峰值(对于欧洲电网或通用电源供电的系统通常为400V)。这个电压Vout将是与PFC连接的DC-DC转换器的输入电压。
控制设备1必须通过反馈控制动作将输出电压Vout保持在恒定的值。控制设备1包括适合于将一部分输出电压Vout(它是由Vr＝R2＊Vout/(R2+R1)给定的电压Vr(其中电阻R1和R2彼此串联连接并且与电容器Co并联连接))与参考电压Vref(例如2.5V的值)进行比较的误差运算放大器3，并且它产生与它的差值成比例的误差信号。输出电压Vout表示在电网频率的两倍的频率上的并且叠加到连续值的波动。然而，如果通过包括至少一个电容器的适合的补偿网络相当大地减小误差放大器的带宽(通常它低于20Hz)以及如果假设在几乎固定的状态下操作，即如果输入有效电压和负载恒定，则这种波动将被极大地减小并且误差信号变得恒定。
误差信号Se发送给倍增器4，在倍增器4中它乘以作为通过二极管桥路2整流的电网电压的一部分的信号Vi。在倍增器4的输出中产生通过整流的正弦波给定的信号Sm，该整流的正弦波的宽度无疑取决于电网有效电压和误差信号Se。
信号Sm发送给PWM比较器5的非倒相输入，同时在倒相输入中应用在电阻Rs上产生的信号Srs。如果信号Srs和Sm相等则比较器5将信号发送给适合于驱动晶体管M的控制块6，并且在这种情况下切断它。这样，倍增器的输出信号Sm确定了晶体管M的峰值电流并通过整流的正弦波形成它的包络。在该级的输入中放置的滤波器消除了在整流频率上的分量并提供了从该电网中吸收的具有正弦波包络的形状的电流。控制块6包括适合于检测零电流并能够发送脉冲信号给OR(“或”)门8的块7，该OR门的其它输入端子与启动器10连接，该启动器适合于在启动时刻给OR门8发送信号；OR门8的输出信号S是置位复位触发器11的置位输入，该置位复位触发器11具有作为设备5的输出信号的另一输入R，并且具有输出信号Q。这个信号Q在驱动器12的输入上发送，该驱动器12控制晶体管M的接通和切断。
误差放大器3可以以两种不同的方式形成：作为电压放大器，其中输出电压与在输入端子上的电压之间的差值成比例，或者作为跨导放大器，它的输出电流与在输入端子上存在的电压之间的差值成比例。作为误差放大器的电压放大器的使用优选用于如在前述的设备L6561中的更高的噪声消除。
对于所有的闭环反馈控制系统，由于需要修改环路增益的传递函数以确保相同的环路的稳定性并且提供满意的动态操作，在PFC的情况下，通常通过修改误差放大器的频率响应来执行这些。通过使用电压放大器作为误差放大器，补偿网络包括在放大器3的输出和倒相输入之间的反馈中连接的至少一个电容器C。
在具有PFC的开关电源中的可能缺陷中的一种缺陷是电压控制环路的开路。
更通常的原因是，连接到高压的输出分压器的电阻R1的断开：在这种情况下该系统丢失了输出电压的信息，并且电阻R2易于使误差放大器的输入接地。这样，输出朝顶部不平衡，因此在最大可能的持续时间内控制晶体管M的接通。因此，输出电压增加，而没有对PFC供电的负载和PFC本身的破坏的控制。
如果使用误差放大器3，带有在输出和倒相输入之间连接的电容器C的补偿网络的存在决定了在电流流经电容器C的整个周期(即直到误差放大器3的输出可能增加)上倒相输入具有与其它的输入相同的电势。在输出到达它的动态范围的顶端时或说误差放大器高度饱和时，电流不流经电容器，倒相输入可能接地。
商业上可购买到集成的PFC，这种PFC具有针对电压控制环路的开路的保护。这种PFC中的解决方案包括增加与PFC的输出连接的另外的电阻性分压器(由彼此串联连接的电阻R1a和R2a构成)，这允许读取电压并使用另外的比较器28，该比较器28具有与参考电压Vth1连接的非倒相输入。在电阻1a断开时，在比较器28倒相输入上的电压超过电压Vth1，并且比较器28的输出29切断晶体管M。
这个解决方案具有的缺点在于，要求外部部件(带有除了电阻分压器之外的相应的无源部件的参考电压发生器和比较器)，或者，在集成形成的情况下，要求专用于这种功能的增加的管脚，该管脚设置在PFC的控制设备1内。最后还可能带来的问题是，缺乏可用的管脚，因此导致不可能集成这种功能。
发明内容
考虑到所描述的技术的状态，本发明的一个目的是提供一种能够克服上述缺点的用于开关电源的功率因数校正设备。
根据本发明，通过一种用于开关电源的功率因数校正设备实现这种目的，该功率因数校正设备包括转换器和与所说的转换器耦合以便在输出端子上从输入电网交流电压获得直流调节电压的控制设备，所说的转换器包括功率晶体管，以及所说的控制设备包括误差放大器、至少一个电容器和与所说的电容器的第二端子耦合的所说的功率晶体管的驱动电路，该误差放大器在倒相端子上输入与所说的调节电压成比例第一信号和在非倒相端子上输入参考电压，该电容器具有与所说的误差放大器的倒相端子和输出端子分别耦合的第一端子和第二端子，其特征在于所说的控制设备包括置于所说的误差放大器的输出端子和所说的电容器的第二端子之间的中断装置和控制装置，该控制装置能够启动所说的中断装置以便在比所说的控制装置运行的时间周期更短的至少一个时间周期中控制在误差放大器和所说的驱动电路之间的连接的中断。
优选所说的控制设备包括适合于将所说的第一信号的值与参考值进行比较的比较装置，在所说的误差放大器和所说的驱动电路之间的连接被中断时以及在所说的第一信号的值低于所说的参考信号的值时，所说的比较装置能够发送适合于使所说的功率晶体管和所说的控制设备停止的信号。
通过本发明可以形成用于开关电源的功率因数校正设备，在信号的值与输出电压成比例和PFC的控制设备的输入由于控制环路的开路而接地时，该功率因数校正设备可以保护PFC设备本身。
附图说明
通过下文对附图中的作为非限制性实例的实施例的详细描述，本发明的特征和优点将会清楚，其中：
附图1所示为根据已有技术的开关电源的PFC的电路示意图；
附图2所示为在电压环路为开路的情况下对在附图1的PFC的保护的已有技术的电路方案；
附图3所示为根据本发明的第一实施例的开关电源的PFC的电路示意图；
附图4所示为根据本发明的第一实施例的变型的开关电源的PFC的电路示意图；
附图5所示为根据本发明的第二实施例的开关电源的PFC的电路示意图。
具体实施方式
在附图3中，示出了根据本发明的第一实施例的开关电源的PFC的电路示意图；与附图1的电路等效的元件以相同的参考标号表示。PFC包括带有输入的电网电压Vin的全波二极管整流桥路2的转换器20、具有与二极管桥路2连接的一个端子和接地的另一个端子的电容器C1(用于对高频滤波)、与电容器C1的一个端子连接的电感器L、具有与最下游的电感器L的一个端子连接的漏极端子并具有与接地的电阻Rs连接的源极端子的MOS功率晶体管M、具有与电感器L和晶体管M的公共端子连接的阳极和与其另一端子接地的电容器Co连接的阴极的二极管D。升压变换器20在电容器Co的端子上产生高于电网电压的最高峰值(对于通过欧洲电网或通用电源供电的系统通常为400V)的输出直流电压Vout。这个电压Vout可以是与PFC连接的DC-DC转换器的输入电压。
PFC包括通过反馈控制动作能够保持输出电压Vout在恒定值的控制电路100。控制设备1包括适合于将一部分输出电压Vout(它是由Vr＝R2＊Vout/(R2+R1)给定的电压Vr(其中电阻R1和R2彼此串联连接并且与电容器Co并联连接))与参考电压Vref(例如2.5V的值)进行比较的误差运算放大器3，并且它产生与它的差值成比例的误差信号Se。输出电压Vout表示在电网频率的两倍的频率上的并且叠加到直流值的波动。然而，如果通过包括至少一个电容器的适合的补偿网络相当大地减小误差放大器的带宽(通常它低于20Hz)并且如果假设在几乎固定的状态下操作，即如果输入有效电压和负载恒定，则这种波动将被极大地减小并且误差信号变得恒定。
误差信号Se被发送给倍增器4，在倍增器4中它乘以作为通过二极管桥路2整流的电网电压的一部分的信号Vi。在倍增器4的输出中产生通过整流的正弦波给定的信号Sm，该整流的正弦波的宽度无疑取决于电网有效电压和误差信号Se。
信号Sm发送给PWM比较器5的非倒相输入，同时在倒相输入中应用在电阻Rs上产生的信号Srs。如果信号Srs和Sm相等则比较器5将信号R发送给属于用于控制晶体管M的切断的控制块6的置位复位触发器11。
控制块6包括适合于检测零电流并能够发送脉冲信号给OR门8的块7，该OR门的其它输入端子与启动器10连接，该启动器适合于在启动时刻给OR门8发送信号；OR门8的输出信号S是置位复位触发器11的置位输入，该置位复位触发器11具有作为设备5的输出信号的另一输入R，并且具有输出信号Q。这个信号Q发送给驱动器12的输入，该驱动器12控制晶体管M的接通和切断。
这样，倍增器的输出信号Sm确定了晶体管M的峰值电流并通过整流的正弦波形成它的包络。在该级的输入中放置的滤波器消除了在整流频率上的分量并提供了从该电网中吸收的具有正弦波包络的形状的电流。
控制电路100也包括比较器101，该比较器101在它的倒相输入端子上具有电压信号Vr和在它的非倒相端子上具有参考电压Vth。比较器的输出与AND(“与”)门102的一个输入连接，在该AND门102的另一输入上存在受PWM比较器5的输出信号控制的单稳多谐振荡器103的输出信号。可替换地，多谐振荡器103可以通过信号P启动，该信号P是否定的信号Q，它是触发器11的输出上的信号。AND门102的输出与置位复位触发器104连接。
开关SW置于误差放大器3的输出端子和与误差放大器3的输出耦合的电容器C的端子之间，并被控制为在比较器5将复位信号R发送给触发器11的时间周期T中中断信号Se到模拟倍增器的信号流。时间周期T是在控制设备100的每个操作循环中发生的较小的持续时间周期，例如1微秒，对于每个周期Tciclo，它包括MOS晶体管M的接通时间Ton和相同晶体管M的切断时间Toff。
这样，通过使倍增器4的输入端子从误差放大器3的输出端子断开，如果电阻R1断开，则在误差放大器3的倒相输入端子上的电压Vr立即接地。比较器101检测这种操作状态并给AND门102发送信号，该AND门102启动能够发送输出信号Fault(即触发器104的信号Q)的触发器104，这通过作用置于电源电压VDD和属于控制设备100的电路之间的开关50而中断控制电路100的电源；这确定了切断PFC。
在附图4中，示出了根据本发明的第一实施例的变型的开关电源的PFC的电路示意图。PFC包括转换器20和类似于在附图3中的控制电路100的控制电路200，但控制电路200包括置于开关SW和模拟倍增器4之间并通过PWM比较器的输出端子驱动的保持采样设备201。在发射复位信号R时，设备201存储误差放大器3的输出信号Se的值。这样，在可以降低由开关SW的打开引起的在正常操作中在倍增器4中可能感应的干扰。
在附图5中，示出了根据本发明的第二实施例的开关电源的PFC的电路示意图。PFC包括转换器20和类似于在附图3中的控制电路100的控制电路300，但控制电路300包括能够测量由误差放大器3提供的电流Se并置于开关SW的下游的倍增器4的输入和补偿电容器C之间的设备301。所说的电流Se与在设备301内的参考电流比较，如果电流Se高于参考电流，则它将信号S发送给输出，该信号S与通过PWM比较器5发送的复位信号R组合确定了开关SW打开。更具体地，控制电路300也包括置位复位触发器302和AND门303，该置位复位触发器302的置位信号是设备301的信号S，复位信号是多谐振荡器102的输出信号；该AND门303的输入为触发器302的输出信号Q，多谐振荡器103的否定的输出信号控制开关SW，因此开关SW不再受多谐振荡器103的输出信号直接控制。触发器302可以避免开关的振荡。
因此，只有在电流Se高于在设备301内的参考电流时，通过控制电路300，开关SW打开由单稳多谐振荡器103确定的具有预定持续时间的时间周期T，例如1微秒，这里时间周期T短于控制设备300运行的时间周期的时间周期Tciclo。
在附图3、4和5中提供的所有电路结构中，属于控制电路100、200和300的所示的电路部件都集成在相同的芯片上。

Claims (10)

1.用于开关电源的功率因数校正设备，包括转换器(20)和与所说的转换器(20)耦合以便在输出端子上从输入电网交流电压(Vin)获得直流调节电压(Vout)的控制设备(100；200；300)，所说的转换器(20)包括功率晶体管(M)，以及所说的控制设备(100；200；300)包括误差放大器(3)、至少一个电容器(C)和与所说的电容器(C)的第二端子耦合的所说的功率晶体管(M)的驱动电路(4-6)，该误差放大器(3)在倒相端子上输入与所说的调节电压(Vout)成比例的第一信号(Vr)和在非倒相端子上输入参考电压(Vref)，该电容器(C)具有分别与所说的误差放大器(3)的倒相端子和输出端子(31)耦合的第一端子和第二端子，其特征在于所说的控制设备(100；200；300)包括置于所说的误差放大器(3)的输出端子(31)和所说的电容器(C)的第二端子之间的中断装置(SW)和控制装置(103；103；301-303)，该控制装置(103；103，301-303)能够启动所说的中断装置(SW)以便在比所说的控制设备(100；200；300)运行的时间周期更短的至少一个时间周期(T)中控制在误差放大器(3)和所说的驱动电路(4-6)之间的连接的中断。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于所说的控制设备(100；200；300)包括适合于将所说的第一信号(Vr)的值与参考值(Vth)进行比较的比较装置(101)，在所说的误差放大器(3)和所说的驱动电路(4-6)之间的连接被中断时以及在所说的第一信号(Vr)的值低于所说的参考信号(Vth)的值时，所说的比较装置(101)能够发送适合于使所说的功率晶体管(M)和所说的控制设备(100；200；300)停止的信号(Fault)。
3.根据权利要求1或2的设备，其特征在于所说的至少一个时间周期(T)由所述控制设备的每个操作循环的预定持续时间周期构成。
4.根据权利要求3的设备，其特征在于所说的转换器(20)包括整流二极管电路(2)，以及所说的驱动电路(4-6)包括与所说的误差放大器(3)耦合并适合于将所说的误差放大器(3)和所说的电容器(C)的输出信号(Se)和与所说的整流二极管电路(2)的输出信号成比例的信号(Vi)相乘的倍增器(4)、能够将倍增器(4)的输出信号(Sm)与在所说的功率晶体管(M)中流动的电流成比例的另外的信号(Srs)进行比较的比较器(5)，所说的控制装置(103)与所说的比较器(5)的输出连接并在所说的倍增器(4)的输出信号(Sm)的值等于与在所说的功率晶体管(M)中流动的电流成比例的所说的另外的信号(Srs)的值时启动。
5.根据权利要求4的设备，其特征在于所说的控制装置(103)由单稳多谐振荡器构成，在启动时，它能够发送脉冲信号以启动所说的中断装置(SW)。
6.根据权利要求5的设备，其特征在于包括与所说的倍增器(4)、电容器(C)的第二端子和所说的比较器(5)的输出连接的采样装置(201)，并且该采样装置适合于在所说的控制装置(103)启动时存储误差放大器(3)和电容器(C)的输出信号(Se)的值。
7.根据权利要求1或2的设备，其特征在于所说的至少一个时间周期(T)由预定持续时间周期构成，并且在误差放大器(3)和电容器(C)的输出信号(Se)的值高于预定值时发生。
8.根据权利要求7的设备，其特征在于所说的转换器(20)包括带有整流二极管电路(2)的输入级，以及所说的驱动电路(4-6)包括与所说的误差放大器(3)耦合并适合于将所说的误差放大器(3)和所说的电容器(C)的输出信号(Se)和与所说的整流二极管电路(2)的输出信号成比例的信号(Vi)相乘的倍增器(4)、能够将倍增器(4)的输出信号(Sm)与在所说的功率晶体管(M)中流动的电流成比例的另外的信号(Srs)进行比较的比较器(5)，所说的控制装置(103，301-303)包括单稳多谐振荡器(103)和检测装置(301)，该单稳多谐振荡器(103)与所说的比较器(5)的输出连接并在所说的倍增器(4)的输出信号(Sm)的值等于与在所说的功率晶体管(M)中流动的电流成比例的所说的另外的信号(Srs)的值时启动，该检测装置(301)能够检测流经电容器(C)的电流值并将所说的流经电容器(C)的电流值与参考电流进行比较以在所说的流经电容器的电流高于所说的参考电流时发送输出信号，在所说的单稳多谐振荡器(103)启动时所说的检测装置的所说的输出信号能够启动所说的中断装置(SW)。
9.根据权利要求6或8的设备，其特征在于所说的控制设备(100；200；300)包括适合于将所说的第一信号(Vr)的值与参考信号(Vth)进行比较的比较装置(101)和AND门(102)，在所说的误差放大器(3)和所说的驱动电路(4-6)之间的连接被中断时以及在所说的第一信号(Vr)的值低于所说的参考信号(Vth)的值时，所说的比较装置(101)能够发送适合于使所说的功率晶体管(M)和所说的控制设备(100；200；300)停止的信号(Fault)，该AND门(102)的输入为所说的单稳多谐振荡器(103)的输出信号和所说的比较装置(101)的输出信号，所说的AND门(102)的输出信号是置位复位触发器(104)的置位信号，该置位复位触发器(104)的输出信号是所说的适合于使所说的功率晶体管(M)和所说的控制设备(100；200；300)停止的信号(Fault)。
10.根据权利要求9的设备，其特征在于所说的控制装置(103；301-303)、所说的中断装置(SW)和所说的比较装置(101)都集成在其中形成了控制设备(100；200；300)的相同芯片上。
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