CN101299573A - 有源功率因子校正的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于有源功率因子校正的方法和装置，披露了使用脉冲频率调制(PFM)控制AC/DC变换器的功率因子校正方法和装置。AC/DC变换器的平均输入电流与参考正弦信号相比较，误差被用于决定开关频率。开关频率随着正弦参考信号变化，使得变换器模拟阻性载荷。通过使用PFM控制，电磁干扰(EMI)分散在一定范围上而不是被集中在几个频率上。因此，可以使用更小的EMI过滤器。由于开关频率随变换器的载荷降低，转换损耗也随着载荷降低。因此，可以在没有附加电路的情况下，实现满足功效标准，例如80PLUS和Energy Star的要求。

Description

有源功率因子校正的方法和装置
技术领域
本发明涉及开关式电源供应领域。更具体而言，本发明涉及利用脉冲频率调制来控制AC/DC变换器的运作以获取高功率因子和轻载荷下的低备用功率。
背景技术
现在所有连接交流电网的电源供应装置必须满足欧洲标准EN-61000-3-2或其它国家中类似的谐波限制。未来将会有进一步的需求以满足例如80PLUS和Energy Star(能源之星)的效率标准。能够满足EN-61000-3-2要求的现有技术可分成两类。
第一类(US4437146，US5134355，US5654880，US6900623，US2006/0158912)利用反馈回路检测整流后的AC电压并控制变换器的运作，使得由变换器的输入电流跟随整流后的AC电压变化。当AC线电压在大范围(例如从115AV到240VAC内)变动时，该类存在着反馈回路稳定性的问题。他们使用复杂的补偿电路确保稳定性，但易受整流AC电压中的噪音和失真的影响。例如，现有技术US6900623检测AC线电压的RMS值并相应地调整回路增益。
第二类(US5867379，US5742151)在不检测整流AC电压的情况下，使用非线性载波信号产生与第一类相同的控制信号。该类的问题是受控的开关式变换器只适含在连续电流模式下运行。当变换器的载荷末达全载荷的时候，变换器可能进入不连续电流模式。因而变换器的功率因子不能被保持或接近一。但第一类不存在该问题。
两类都使用脉冲宽度调制(PWM)来控制变换器内的开关并存在着EMI集中的问题。现有技术对使用脉冲频率调制(PFM)或频率调制(FM)(而不是PWM控制)的优点进行了研究以缓和电磁干扰(EMI)问题，使得可以使用更小和更便宜的EMI过滤器。然而，上述现有技术使用专用单元来调整开关频率，而脉宽由另一单元控制，令设计的复杂性倍增。
最后，为了满足例如80PLUS和Energy Star的功效标准，需要额外的电路驾驽这些功率因子控制器的正常控制并降低轻载荷下的功率消耗。这意味着要有额外的电路和更复杂的控制以确保控制器在轻载荷模式和正常载荷模式之间顺畅地转换。
PFM方法是众所周知提供轻载荷模式和正常载荷模式之间顺畅转换的解决方案。然而，PFM方法不适合没有功率因子校正前级的传统的单级AD/DC变换器，因为在中等载荷下的输出电压纹波较大。然而，对于具有功率因子校正器作为前级和DC/DC变换器作为第二级的双级AC/DC变换器来说，这不是个顾虑。
因此，对将功率因子校正和PFM的功能合并成单一控制器以克服现有技术中的所有问题存在着需求。
发明内容
因此，本发明的目标是提供控制AC/DC变换器的功率因子控制装置。
本发明的另一目标是提供可以改善AC/DC变换器的EMI性能的功率因子控制装置。
本发明的另一目标是提供具有在轻载荷或无载荷情况下具有低功率消耗的功率因子控制装置。
本发明的另一目标是提供能够在宽广的输入电压范围内运行的功率因子控制装置。
本发明的另一目标是提供适合于在连续电流模式以及不连续电流模式下运行的变换器的功率因子控制装置。
发明了一种新型的功率因子校正器。将正弦参考信号与来自受控制的变换器的所检测电流相比较。将差馈送给低通滤波器并将输出与斜坡信号相比较。比较器的输出用于控制脉冲产生器的频率。产生器的输出脉冲控制受控制的变换器内部的开关。
本发明的主要创新特征是使用脉冲频率调制来控制AC/DC变换器。脉冲产生器输出的脉宽固定并相应调节脉冲频率以获得高功率因子。
本发明的优势是比现有技术改善了传导EMI。
另一优势在于本发明在其内电流控制回路中具有低通过滤器，使得整流AC电压中的谐波和噪音对其性能几乎没有影响。
本发明的另一优势是AC/DC变换器的切换损失随着载荷而降低，这是因为切换频率随着载荷而降低。
因此，与现有技术相比，本发明具有许多改进。
基于本发明的目前最众所周知的模式和工业适用性的描述以及此处所描述的和在附图的几个图片中所示出的优选实施例，对于本领域的技术人员来说，本发明的上述和其它目标和优势将清楚易见。
附图说明
图1示出了当受控的AC/DC变换器为升压变换器(boostconverter)时本发明的实施例。
图2通过显示根据本发明的图1中的示例的升压变换器的不同节点处的模拟波形，示出了功率因子校正器的运行。
图3示出了根据本发明脉冲截止时间可以通过输入信号延长的脉冲产生器的实施例。
图4示出了当受控的AC/DC变换器为反激式变换器时本发明的实施例。
图5示出了本发明有电流限制功能的增强阪的实施例。
图6示出了图5中升压变换器具有和不具有电流限制功能时的输入电流。
具体实施方式
现在通过下列实施例对本发明进行描述。上述实施例不是为了限制本发明的范畴而仅是为了阐明本发明。实施例中所描述的所有特征和组合对于本发明来说不必是重要的。
参照附图的图1-6可以最好地理解本发明的优选实施例及其优势。相同的数字用于各附图的相同的以及对应的部分。
图1示出了当受控的AC/DC变换器为升压变换器时本发明的实施例。功率因子校正装置10包括加法器101、平均过滤器102、斜坡信号产生器103、比较器104和脉冲产生器105。比较器12产生误差信号VERR，然后乘法器11为装置产生正弦电流参考信号IRFF。通过误差信号VERR设定正弦电流参考信号的水平。然而，可以使用其它的装置(例如见US2006/0158912)以产生电流参考信号。
该装置输入一个电流参考信号IREF、一个跟升压变换器所输入的电流成正比信号IFB并且输出控制信号G以控制升压变换器的开关。
加法器101将电流参考信号IREF与信号IFB进行比较并输出信号IERR。平均电路102衰减信号IERR中的高频成分并输出信号Q。该信号Q决定了控制信号G的脉冲频率。在来自脉冲产生器105的每一固定宽度脉冲之后，来自斜坡产生器103的信号RAMP开始倾斜向上。当斜坡信号低于Q信号时，比较器104的输出信号EN保持低且脉冲产生器被保持在脉冲截止(pulse-off)模式下。当这一斜坡信号高于Q信号时，脉冲产生器105给重新启动并再次产生另一脉冲。脉冲产生器105具有最小脉冲截止时间(pulse off time)，即，最小的振荡周期和最大的占空比，若在最小期间结束之前斜坡信号大于Q信号，脉冲产生器将保持在脉冲截止模式下直到该最小周期结束。当脉冲产生器105被再次启动时，斜坡信号产生器将被重设(reset)并在固定宽度脉冲之后开始新的周期。
图2示出了信号Q、RAMP、EN和G之间的关系。
图3示出了脉冲产生器105的实施例。脉冲产生器105的输出具有固定脉冲宽度以及最小脉冲截止时间，即，最小的振荡周期和最大的占空比。当信号EN从低升到高时脉冲产生器开始产生固定宽度脉冲，然后输出信号持续在一段最小时间间隔内保持低位。可以通过将EN保持为低将脉冲截止时间延长。当在最小脉冲截止时间之后EN仍旧高时，脉冲产生器105将以新脉冲G开始一个新周期。
升压变换器的平均输入电流将总是大于本发明中的参考电流。这一超出值由信号Q代表。当电压误差VERR增加时，参考正弦信号IREF的水平将升高，而信号Q将降低，且脉冲截止时间将变得更短以增加有效占空比和升压变压器的输入电流，并且增加输出电压以降低误差。
在本实施例中，乘法器可以如现有技术US2006/0158912中那样由同步于VSIN的正弦脉冲产生器替代。
图4示出了当受控的AC/DC变换器为反激式变换器时本发明的实施例。可以看出将本发明应用到反激式变换器是简单的并且对于本领域的技术人员来说是显而易见的。
图5示出了具有电流限制特征的本发明的实施例。脉冲产生器106具有与图3中的产生器的相同特征并且加上将迫使产生器进入脉冲截止模式的重设输入。电流限制单元107具有脉冲上升边缘遮没功能，使得电流限制功能在直到脉冲G的上升沿之后的短间隔之前不开始。这确保了即使所检测电流大于最大的所允许的界限脉冲G的宽度不会过小。如果在脉冲G的遮没间隔(banking interval)之后，所检测电流大于临界水平，脉冲R被输出以重设产生器13。升压变压器的开关将立即被关断。
图6示出了图5中的升压变压器的输入电流。中间的白线是平均值。顶部的波形是没有电流限制的情况。底部的波形是具有电流限制功能的情况。电流的峰值被限界，但平均电流保持正弦波。
尽管已经通过升压变压器的示例的实施例对本发明进行了描述，应当理解的是可以将本发明应用到其它类型的变换器，例如，正激式、Cuk或类似的变换器。在不偏离由权利要求书所限定的本发明的范畴的情况下，本领域的技术人员可以进行将本发明使用在其它类型的变换器上所需要的变更和替代。

Claims (6)

1.一种功率因子校正控制装置，与AC/DC变换器相连以模拟输入功率在线的阻性载荷，其中变换器提供与由交流电网所输入的电流成正比的检测信号IFB以及与其载荷成正比的正弦信号IREF，并且接收开关信号G，变换器的输出功率与开关信号的占空比成正比，该功率因子校正控制装置包括：
加法器，接收检测信号IFB，用于将所述检测信号与来自变换器的正弦信号IREF进行比较而产生误差信号IERR；
平均单元，被耦合到加法器，用于平均化信号IERR并由此产生信号Q；
斜坡信号产生器，当变换器的开关信号G从高降到低时开始产生斜坡信号RAMP；
比较器，接收来自平均单元的信号Q和来自斜坡信号产生器的信号RAMP，用于将信号Q与信号RAMP进行比较而产生触发信号EN；以及
脉冲产生器，被耦合到比较器，用于当来自比较器的触发信号从低升到高时产生变换器的所述开关信号G。
2.根据权利要求1的功率因子校正控制装置，其中所述脉冲产生器在触发信号从低升到高时输出固定宽度的脉冲，然后输出信号持续在一段最小时间间隔内保持低位。
3.根据权利要求2的功率因子校正控制装置，其中所述脉冲产生器的触发信号若在所述最小时间间隔的末端保持高位，脉冲产生器会产生新的固定宽度的脉冲并再次保持关闭一段最小时间间隔。
4.根据权利要求2的功率因子校正控制装置，其中所述脉冲产生器的触发信号若在在所述最小时间间隔的末端处为低位时，脉冲产生器将保持关闭直至触发信号由低变高。
5.根据权利要求2的功率因子校正控制装置，其中所述脉冲产生器具有重设输入，当重设输入为高时，产生器的输出被重设为低。
6.根据权利要求1的功率因子校正控制装置，进一步包括用于电流限制的比较器，用于将来自变换器的所述检测信号IFB与临界水平进行比较，其中接收来自脉冲产生器的开关信号的所述比较器在从开关信号的上升沿的短延迟之后开始比较，并且当信号IFB超出所述临界值时将重设信号R输出到脉冲产生器。
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