CN101741247B - 用于控制功率因数校正电路的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于控制功率因数校正(PFC)电路的方法和装置。公开了用在PFC转换器中的控制器。示例控制器包括耦合来接收响应于ac电压源大小的电压感测信号的积分器。ac电压源耦合到PFC转换器输入，PFC转换器耦合到能量传递元件(耦合到功率开关)。积分器还耦合来接收响应于功率开关接通时流于其中的电流的电流感测信号。积分器响应于电压感测信号和电流感测信号生成积分器输出信号。接通/关断逻辑耦合来驱动功率开关接通和关断以控制通过能量传递元件到耦合到PFC转换器输出的负载的能量传递。接通/关断逻辑耦合来在积分器输出信号达阈值时终止功率开关接通时间，积分器电路增益响应于电压感测信号被调节使得负载大小恒定时阈值独立于ac电压源大小基本恒定。

Description

用于控制功率因数校正电路的方法和装置
技术领域
本发明一般地涉及供电装置(power supply)，并且更具体而言，本发明涉及提供功率因数校正(power factor correction)的供电装置。
背景技术
一般使用供电装置来将由插座提供的交流(“ac”)电力转换成直流(“dc”)以供应给电气设备或负载。供电装置设计中的一个重要考虑是从ac电源汲取的输入电流相对于ac输入电压波形的形状和相位。市电ac源(mains ac source)的电压波形通常是正弦。然而，由于许多开关式供电装置向ac源呈现的非线性负载，供电装置从ac源汲取的电流的波形状不是正弦并且/或者与ac源电压波形不同相。这导致ac市电配电系统中的损耗增大，并且在世界上的许多地区现在在法律上或者自愿地要求强制供电装置制造商确保供电装置所汲取的电流是正弦并且与ac电压波形同相。
这样对输入电流波形进行的校正被称作功率因数校正(PFC)，并且通常要求专门设计来执行功率因数校正的到供电装置的输入级。如果输入ac电流和电压波形是正弦并且完美同相，则该供电装置的功率因数为1。换言之，经功率因数校正的输入向ac源提供了等价于在该ac源两端耦合了可变电阻的负载。由PFC级提供给ac源作为负载的电阻根据PFC级输出负载汲取的功率以ac源的rms电压的函数的形式而变化。随着输入电流相对于ac源电压的谐波失真和/或相位偏移增大，功率因数降低到低于1。功率因数需求一般要求功率因数大于0.9，并且还可能对于输入电流波形的谐波内容有要求。
增大供电装置的功率因数的常用方法包括使用升压转换器(boostconverter)或者返驰式转换器(flyback converter)来建立接近理想正弦形状并同时与ac源电压同相的输入电流波形。
发明内容
本发明的一个方面公开了一种用在功率因数校正PFC转换器中的控制器，包括：积分器，该积分器被耦合来接收响应于ac电压源的大小的电压感测信号(voltage sense signal)，该ac电压源耦合到所述PFC转换器的输入，所述PFC转换器耦合到能量传递元件，所述能量传递元件耦合到功率开关(power switch)，所述积分器还被耦合来接收响应于当所述功率开关接通时在所述功率开关中流动的电流的电流感测信号，所述积分器响应于所述电压感测信号和所述电流感测信号而生成积分器输出信号；以及接通/关断逻辑，该接通/关断逻辑被耦合来驱动所述功率开关接通和关断，以控制通过所述能量传递元件到耦合到所述PFC转换器的输出的负载的能量传递，所述接通/关断逻辑被耦合来在所述积分器输出信号达到一阈值时终止所述功率开关的接通时间，其中所述积分器电路的增益响应于所述电压感测信号而被调节，使得在所述负载的大小恒定时所述阈值独立于所述ac电压源的大小而基本恒定。
本发明的另一个方面公开了一种用在功率因数校正PFC转换器中的控制器，包括：积分器，该积分器被耦合来接收响应于ac电压源的大小的电压感测信号，该ac电压源耦合到所述PFC转换器的输入，所述PFC转换器耦合到能量传递元件，所述能量传递元件耦合到功率开关，所述积分器还被耦合来接收响应于当所述功率开关接通时在所述功率开关中流动的电流的电流感测信号，所述积分器响应于所述电压感测信号和所述电流感测信号而生成积分器输出信号；误差放大器，所述误差放大器被耦合来接收参考电压和响应于所述PFC转换器的dc输出电压的大小的反馈信号，所述误差放大器生成误差信号；接通/关断逻辑，该接通/关断逻辑被耦合来驱动所述功率开关接通和关断，以控制通过所述能量传递元件到耦合到所述PFC转换器的输出的负载的能量传递，所述接通/关断逻辑被耦合来在所述积分器输出信号的大小超过所述误差信号的大小时终止所述功率开关的接通时间，其中所述积分器电路的增益响应于所述电压感测信号，使得在所述负载的大小恒定时所述积分器输出信号在功率开关接通时间终止时的大小独立于所述ac电压源的大小而基本恒定。
本发明的一个方面公开了一种用在功率因数校正PFC转换器中的控制器，包括：积分器，该积分器的第一输入被耦合来接收响应于ac电压源的大小的电压感测信号，该ac电压源耦合到所述PFC转换器的输入，所述PFC转换器耦合到能量传递元件，所述能量传递元件耦合到功率开关；误差放大器，该误差放大器的第一输入被耦合来接收响应于所述PFC转换器的dc输出电压的大小的反馈信号，所述误差放大器的第二输入被耦合来接收参考信号，并且所述误差放大器的输出耦合到所述积分器的第二输入；比较器，该比较器的第一输入耦合到所述积分器的输出来接收积分器输出信号，所述比较器的第二输入被耦合来接收响应于所述功率开关接通时在所述功率开关中流动的电流和所述误差放大器的输出的第二信号；接通/关断逻辑，该接通/关断逻辑被耦合来驱动所述功率开关接通和关断，以控制通过所述能量传递元件到耦合到所述PFC转换器的输出的负载的能量传递，所述接通/关断逻辑被耦合来在所述第二信号的大小和所述积分器输出信号的大小为基本相等的值时终止所述功率开关的接通时间，其中所述积分器电路的增益响应于所述电压感测信号，使得在所述功率开关的接通时间期间所述积分器输出信号的变化率独立于所述ac电压源的大小而基本恒定。
本发明的一个方面公开了一种控制功率因数校正PFC电路的方法，包括：感测ac电压源并且响应于此生成电压感测信号；响应于反馈信号而生成误差信号；使功率开关接通；利用具有响应于所述电压感测信号的增益的积分器对所述功率开关中的开关电流进行积分来生成积分器输出信号；以及在所述积分器输出信号达到所述误差信号时终止所述功率开关的接通时间。
本发明的一个方面公开了一种控制功率因数校正PFC电路的方法，包括：感测ac电压源并且响应于此生成电压感测信号；响应于反馈信号而生成误差信号；使功率开关接通；利用具有响应于所述电压感测信号的增益的积分器对所述误差信号进行积分来生成积分器输出信号；用所述误差信号减去开关电流感测信号与增益因数的乘积来生成第二误差信号；在所述积分器输出信号的大小大于所述第二误差信号时终止所述功率开关的接通时间。
附图说明
参考附图描述了本发明的非限定性并且非穷举实施例，其中除非另外指定否则相似的标号在所有图示中指示相似的部分。
图1示出了包括根据本发明的教导的示例控制器的升压转换器的示意图；
图2是示出了根据本发明的教导的示例控制器的功能框图；
图3是示出了根据本发明的教导的示例控制器的功能框图的一部分；
图4是用于说明根据本发明教导的示例控制器的操作的示例积分开关电流波形；
图5是用于说明根据本发明教导的示例控制器的操作的示例积分开关电流波形；
图6是根据本发明教导的输入电压传感器电路的一部分的示例；
图7示出了用于说明根据本发明教导的示例控制器的操作的误差电压对负载大小特性；
图8A是根据本发明教导的另一个控制器电路的一部分的功能框图；
图8B示出了包括根据本发明教导的另一个示例控制器的升压转换器的示意图；
图9示出了用于说明一个典型单周期控制(one cycle control)控制器电路的操作的电压对时间特性；
图10示出了根据本发明教导用于说明图8A和8B的功能框图的操作的电压对时间特性；
图11示出了包括根据本发明教导的示例控制器的返驰式转换器的示意图；
图12是示出了根据本发明教导用于控制功率因数校正电路的示例方法的流程图；以及
图13是示出了根据本发明教导用于控制功率因数校正电路的另一个示例方法的流程图。
具体实施方式
在本发明的一个方面中，这里用于说明目的而公开的方法和装置使用功率转换器(power converter)来提供对输入电流波形的功率因数校正。在下面的描述中，提供了许多具体细节，以便充分理解本发明。但是将清楚，对于本领域普通技术人员来说，不需要采用这些具体细节来实现本发明。为了避免模糊了本发明，未描述与实现方式相关的公知方法。
在整个说明书中，“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例或示例中。因此，在整个说明书中多处出现短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“在一个示例中”1或者“在示例中”不一定都指同一个实施例。特定的特征、结构或特性可以被例如组合到一个或多个实施例或示例中的任意适当组合和/或子组合中。
下面将描述，根据本发明教导的各种示例允许功率因数校正(PFC)转换器使用减少内部误差信号所要求的动态范围的控制技术。PFC控制器电路一般在具有非常宽的动态范围的误差信号的情况下操作来在宽负载和输入电压范围上工作。在功率转换电路的上下文中，误差信号是通过对反馈信号和内部参考电平之间的差值放大而得出并且用来控制功率转换器以减小该差值的信号。
例如，在PFC转换器中，转换器的输出电压一般被控制为不管负载状况如何都具有基本恒定的标称值。输出负载状况的任何变化都将趋向于使输出电压变化(例如，输出负载的突然增大将导致输出电压下降)，这又导致电压反馈信号变化，从而也导致误差信号变化。控制器响应于误差信号的这种变化修正功率转换器操作，以使输出电压回到其标称值。
在典型的控制电路中，在满输出负载和较低的输入电压(例如，交流85V)下工作的PFC转换器中产生5V的误差电压信号。然而，在输出负载为满负载的20％和高输入电压(例如，交流265V)时，误差电压信号值仅为125mV。在较轻负载状况时，误差电压信号甚至会更低。在这种宽信号范围下，难以在较宽的输入电压和负载范围上优化控制环路的稳定性和响应。此外，在极低值信号下操作可能导致电气噪声敏感，这在高电压、快速切换的波形产生显著的电气噪声的诸如PFC电路之类的应用中是一个顾虑。
根据本发明的教导，在一个示例中，响应于输入到功率转换器的输入电压的值的信号被耦合来调节积分器电路的增益，该积分器电路被耦合来对从在该转换器的功率开关中流动的电流而产生的电流信号进行积分。积分器电路的输出被与误差电压信号相比较来确定功率开关在每个开关周期中将被关断的时间。通过使积分器电路增益响应于功率转换器输入电压，在一个示例中，特定功率转换器输出负载状况的误差电压信号的值独立于功率转换器输入电压而基本保持恒定。这通过基本移除作为功率转换器输入电压的函数的任何变动而极大缩小了误差信号所要求的动态范围。
在一个示例中，因此误差信号值基本上与负载成比例，但是独立于功率转换器输入电压。具有与功率转换器负载大小成比例的信号是有用的，这使得需要关于功率转换器输出负载状况的信息的功能和特征可以利用这种信号作为控制输入。在一个示例中，可以使用基本上与功率转换器输出负载大小成比例的误差信号的特征是这样的特征，该特征使得功率转换器平均开关频率随着输出负载降低而降低。这种降低平均开关频率操作在轻负载或者待机状况下维持较高的功率转换器效率方面是有益的，这正成为诸如TV供电装置和个人计算机供电装置之类的许多应用的要求。
为了说明，图1总地示出了根据本发明教导包括在功率转换器100中的示例控制器102的功能框图。在所示示例中，功率转换器100是升压转换器，其在功率转换器100的输入处接收ac线路电流IG 104和ac线路电压VG 106。一般地，ac线路电流IG 104和ac线路电压VG 106由配电系统(例如，电厂)通过电气插孔提供。如图所示，桥整流器108将ac线路电压VG 106转换成大小为VIN 110的基本上未被平流(unsmoothed)的dc输入电压波形101。在所示示例中，电容器112的值非常小，目的是为了滤除高频噪声电流，并且基本上不对经整流的电压波形101进行平流。
如图1的示例所示，示作电感器L1 114的储能元件一端被耦合到桥整流器108，另一端耦合到功率开关SW 118。在操作中，功率开关SW 118当开关118能导通电流时处于“接通”或者说“闭合”状态，而当开关118不能导通电流时处于“关断”或者说“开路”状态。在该示例中，输入回路120被耦合到功率开关SW 118。在操作中，当SW 118接通时电流流过储能元件114，而在功率开关SW 118关断期间的至少部分时间中电流流过储能元件114和输出二极管D1 128。因此，在所示示例中，根据本发明的教导，储能电感器L1 114响应于功率开关SW 118的开关而将能量传递到功率转换器100的输出。在该示例中，因此功率转换器100被耦合来将能量从ac电压源106传递到负载126，其中流经的能量的大小是负载的大小的函数，负载大小在一个示例中是输出电压VOUT 124和输出电流IOUT 150的函数。
如该示例所示，大电容(bulk capacitor)122被耦合来向负载126提供基本恒定的输出电压VOUT 124。在一个示例中，负载126可以是到dc-dc供电装置的输入。在图1的示例中，控制器102接收输入电压信号UVIN130，输入电压信号UVIN 130代表输入电压VIN 110。在该示例中，dc输入电压110是响应于ac输入电压106的大小的。如图所示，控制器还接收功率开关电流感测信号UIIN 164。更具体而言，诸如变流器、或者耦合到功率开关118的分立感测电阻器两端的电压、或者在功率开关118接通或者导通时在功率开关两端产生的电压信号、或者功率开关118的感测型FET(senseFET)元件、或者功率开关118的感测型FET部分之类的电流感测电路可被用来生成响应于功率开关电流ISW 134的电流感测信号164。在图1的示例中，控制器102还接收输出电压信号UVOUT 136，该输出电压信号UVOUT 136代表输出电压VOUT 124。根据本发明的示例教导，感测信号UVIN 130、UIIN 164和UVOUT 136可以是电压或电流形式的。
在一个示例中，控制器102响应于输入电压信号UVIN 130、输入电流信号UIIN 164和输出电压信号UVOUT 136而输出对功率开关SW 118的开关进行控制的开关信号USW 119，以便调整输出电压VOUT 124并将dc输入电流IIN 111控制为与dc输入电压VIN 110(也称作“输入电压VIN 110”)成比例。更具体而言，在所示示例中，控制器102通过控制开关SW 118的每个开关周期来调整输出电压VOUT 124并控制dc输入电流IIN 111。一个开关周期被定义为开关接通的时间段和随后开关关断的时间段。例如，一个开关周期可包括开关SW 118能导通的接通时间段和随后开关SW 118不能导通的关断时间段。在另一个示例中，一个开关周期可包括开关SW118不能导通的关断时间段和随后开关SW 118能导通的接通时间段。接通时间可定义为开关周期期间开关SW 118导通的时间段，而关断时间可定义为开关周期期间开关SW 118未导通的时间段。
在图1的示例中，控制器102包括功率开关接通/关断逻辑156和开关关断时间控制电路151等电路块。根据本发明的教导，控制器102包括电压传感器电路160和开关接通时间控制电路152。电路块152包括积分器电路154、误差放大器153和比较器169，比较器169将功率开关关断信号163耦合到功率开关接通/关断逻辑块156。在一个示例中，开关关断时间控制电路块151将功率开关接通信号161耦合到功率开关接通/关断逻辑块156来开始下一个功率开关118开关周期时段。
在图1的示例中，积分器电路154的输入耦合来接收电流感测信号164和电压感测信号159，并且提供输出信号157，该输出信号157耦合到比较器169的一个输入。控制器102被耦合来在积分器输出信号157达到一阈值时终止功率开关118的接通时间。在一个示例中，该阈值是误差放大器153的输出信号158的值。在该示例中，积分器电路154的增益响应于电压感测信号159，使得在负载126的大小基本恒定时输出信号157的阈值独立于输入电压106的大小而基本恒定。
在图1的示例中，输入电压感测信号159不表示任意时刻的即时输入电压VIN 110，而是一个一般在输入ac电压的多个半周期时段(Tm 133)上保持基本恒定的值，例如，rms电压值、平均电压值或峰值电压值。Vin传感器电路160因此被耦合来生成响应于输入电压源电压106的峰值电压值、平均电压值或rms电压值之一的电压感测信号。应当注意到，在其他示例中，电压传感器160和输入电压轨189之间的用来感测输入电压110的连接188不是必要的。在这些情形中，可通过测量功率开关118的占空比或者通过测量功率开关118的接通时间期间功率开关118中电流上升的斜率来导出输入电压110的值。这些技术可用来在不需要连接188的情况下感测输入电压110，并导出输入电压的峰值、rms或平均值。
如上所述，PFC转换器电路的一个目的可描述为向输入ac源提供基本呈阻性(resistive)的负载。因此，在正弦输入ac电压周期的半周期时段Tm 133上，输入电流IIN 111也应当是基本上正弦的，并且与输入的经整流后电压波形101同相。由于输出电压124被利用大电容器122来平流，所以误差放大器153的输出信号158和反馈电压信号136在多个功率开关118开关周期上基本不变化。此外，由于在一个ac半周期时段Tm 133上电压感测信号159也基本恒定，如上所述，所以积分器电路154最大输出信号在一个ac半周期上也应当基本上恒定。电流I在时间上的积分提供了如下式(1)的电荷Q：
Q = ∫ 0 T I × dt - - - ( 1 )
因此在图1的控制器示例中，每个功率开关118接通时间的电荷在输入ac半周期时段Tm 133上基本恒定。相反，由于电流等于每单位时间的电荷，为了使输入电流IIN 111基本正弦变化，总体功率开关118开关频率因此要随图1中的经整流后电压波形101而变。在该示例中，这是关断时间控制电路151的功能。根据本发明的教导，功率开关的开关时段因此一般在输入ac电压106为最低值时最大(最低开关频率)，并且在输入市电的半波周期期间根据即时电压的大小而变化，从而提供了基本正弦的输入电流IIN 111。
在图1的示例转换器电路中，对于给定大小的负载126和相应的负载电流150，输出功率基本恒定。然而，如果输入电压VG 106增大，输入电流IG 104将由于转换器100呈现给ac源106的模仿电阻必须增大以维持恒定的输出功率而降低。由于功率Power＝V2/R，所以转换器100呈现给ac源的有效电阻R必须以输入电压VG 106的平方函数的形式增大。为了独立于输入电压而维持基本恒定的误差放大器158输出信号，使积分器154的增益与输入电压106的输入峰值/rms或平均值的平方成比例变化来确保尽管在输入电压VG 106增大时输入电流IIN 111较低，在功率开关118接通时间终止时积分器输出电压独立于输入电压VG 106而基本恒定。注意，在控制器102的实际实现中，电压感测信号159可以近似输入电压信号130的平方函数。在一个示例中，电压感测信号159是对输入电压信号130的平方函数的分段线性近似。
在一个示例中，功率开关118和控制器102被集成为单个封装中的两个硅管芯来作为混合电路。在另一个示例中，功率开关118和控制器102被集成在单片硅管芯中。在又一个示例中，功率开关118和控制器102在分离的封装中的分离的硅管芯中。
图2总地示出了控制器202的示例功能框图200，控制器202在一个示例中与图1的控制器102有多个共同的方面。根据本发明的教导，控制器202包括电压传感器电路260和开关接通时间控制电路252。开关接通时间控制电路252包括积分器电路254、误差放大器253和比较器269，比较器269将功率开关关断信号263耦合到功率开关接通/关断逻辑块256。在一个示例中，开关关断时间控制电路块251将功率开关接通信号262耦合到功率开关接通/关断逻辑块256来开始下一个功率开关218开关周期时段。积分器电路254被耦合来接收电流感测信号264，电流感测信号264在一个示例中是由功率开关218的感测型FET元件280生成的。积分器电路254还被耦合来接收电压感测信号259。
在每个功率开关218接通时间的开始，信号255使晶体管241接通的动作使积分器电路电容器240重置，其中信号255在一个示例中等价于图1中的信号155。积分器电容器240随后在功率开关218的接通时段期间被电流源234充电。根据本发明的教导，电流源234电流的值响应于电流感测信号264和电压感测信号259二者。当积分器电路254的输出信号257超过误差信号VERR 258的阈值时，比较器269输出电压下降，并且功率开关接通/关断逻辑块256终止功率开关218的接通时段。如参考图1所述，积分器电路的增益根据输入电压信号230的峰值/rms或平均值的平方而被增大，以便在功率开关218接通时间终止时维持积分器电路的输出信号257基本恒定。在一个示例中，积分器电容器240的值为10pF，并且由电压感测信号259引入的增益因数在1到17.5μA/A的范围中。
再参考图2，在该示例中，误差电压信号VERR 258还被用来使功率开关的开关周期时段以输出转换器负载的函数的形式变化。根据本发明的教导，误差电压信号VERR 258独立于到其中使用了控制器202的转换器(例如，图1中的转换器100)的输入电压。误差电压因此基本上仅是负载的函数。通过将误差电压信号VERR 258应用到关断时间控制电路块251并且产生随误差电压VERR 258降低(即，随输出负载下降)而使比较器228的同相输入上的电压增大的信号VERR’284。这样作的效果是增大功率开关218的关断时间从而增大了开关周期。应当理解在其他实施例中，信号284的电压可以在误差电压信号VERR 258的值的一个范围内保持恒定而在另一个范围内变动，使得功率开关218的平均开关频率在某一负载范围内保持恒定而对于另一负载范围则变动。此外，还应理解，可以使平均功率开关218开关频率以负载的函数的形式步进或非线性。
图3总地示出了根据本发明的教导例如图1和2中示出的在上面讨论的控制器的电路块的一些示例。电路300包括积分器电路354、误差放大器353和比较器369。误差放大器353的第一输入被耦合来接收反馈信号336，该反馈信号336响应于功率转换器的dc输出电压(在一个示例中其可以是图1中的电压124)的大小。误差放大器353的第二输入被耦合来接收参考电压333，参考电压333在一个示例中可以是图1中的电压133。误差放大器353的输出被耦合以将误差信号358施加到比较器369的第一输入。积分器电路354的第一输入被耦合来接收电流感测信号364，该电流感测信号364响应于在功率开关接通时该功率开关中流经的电流，该功率开关在一个示例中可以是图1中的功率开关118或图2中的功率开关218。积分器电路354的第二输入被耦合来接收电压感测信号359，该电压感测信号359响应于ac输入电压的大小，在一个示例中该电压感测信号359可以是图1中的电压感测信号159，该电压感测信号159响应于图1中的输入电压106。积分器354的输出被耦合来将积分器输出信号357施加到比较器369的第二输入。
在图3中的电路块被应用到图1和2中的控制器102或202的示例中，控制器被耦合来在积分器输出信号357超过误差信号358的阈值大小时终止图1和2中的功率开关118或218的接通时间。在一个示例中，积分器电路354的增益响应于电压感测信号359，使得当负载的大小恒定时，在功率开关接通时间终止时的积分器输出信号357的大小独立于ac输入电压的大小而基本恒定。根据本发明的教导，在一个示例中，积分器电路354的增益以电压感测信号359的平方的形式变化，该电压感测信号359在一个示例中与输入电压(例如，图1中的电压106)成线性比例。在另一个示例中，电压感测信号359与输入电压(例如，图1中的电压106)的平方成比例，并且积分器电路354的增益与电压感测信号359成线性比例。
图4和5总地示出了示例积分器输出信号波形，在一个示例中这些波形可以在恒定负载电流(例如，图1中的IOUT 150)的情况下来自图1、2和3中的积分器154、254或354。
如图所示，图4示出了输入电压(例如图1中的VG 106)值较低(例如，交流85-115V)时的示例积分器输出信号波形。图5示出了输入电压(例如图1中的VG 106)值较高(例如，交流230V)时的示例积分器输出信号波形。在图5中示出的示例中，尽管上面参考图1讨论了较高输入电压时的较低功率开关电流，但是例如图1、2和3中的积分器电路154、254或354的调整后的增益导致了在功率开关接通时间Ton 571的结束时的积分器输出的大小，该大小基本上与图4中的波形457在接通时间Ton471结束时的大小相等。换言之，误差信号458和558独立于输入电压而基本相同或恒定，在一个示例中输入电压可以是图1中的输入电压VG106。
图6总地示出了在一个示例中等价于图1和2中的电压传感器电路160和260的一部分的电压传感器电路的一部分的一个示例。在图6的示例电路的情形中，输出信号696仅是输入信号630的峰值，该输入信号630在一个示例中等价于图1和2中的信号130和230。在一个示例中，输出信号696被平方来形成图1和2中的电压感测信号159和259。其他电路实现方式可以提供响应于输入信号630的rms或平均值的输出信号，同时仍旧从本发明的教导获益。应当理解，在其他示例中，电路660可以在图1和2中的控制器电路102和202的外部。
图7总地示出了示例误差信号电压对负载大小特性。特性770和771示出了在未从本发明的教导获益的示例控制器中作为负载大小798的函数的典型误差电压758特性，其中图1、2和3中的块154、254和354所示类型的积分器改为不接收与转换器输入ac电压(例如图1中的106)的平方基本成比例的电压感测信号。在特性770和771的示例中，误差信号在相同负载状况但是在不同输入电压状况下变化极大。另一方面，在例如从本发明的教导获益的控制电路(例如图1和2中的控制器102和202)中，作为负载大小的函数，特性772和773是也在不同输入电压状况下的示例误差电压特性。在该示例中，显然对于给定负载大小798的误差信号电压758的值基本独立于输入电压，因为特性772和773基本一致。
图8A、8B、9和10示出了用来提高另一种功率因数控制方案(通常称作“单周期控制”)的本发明的教导的优点。在许多文本中给出了利用该“单周期控制”控制方案的控制器的细节。以下两篇示例参考文献给出了这种类型的控制器的功能的完整描述：International Rectifier公司在APEC 05会议上提交的“One Cycle Control IC Simplifies PFC Designs”和International Rectifier公司的Application Note AN-1077。
图8A中示出了采用了本发明教导的“单周期控制”控制器的关键电路块，而图8B示出了根据本发明教导的功率转换器800中包括的示例功率控制器802的功能框图。除输入电压感测信号859之外，图8A中示出的每个电路元件在上述参考文献(International Rectifier公司在APEC 05会议上提交的“One Cycle Control IC Simplifies PFC Designs”)中都出现过。
对引入输入电压感测信号859(其在一个示例中可如图8B所示从输入电压信号380得到)的改进与上面参考图1和2中的控制器102和202讨论的类似。应当注意到，在其他示例中，电压传感器860和输入电压轨889之间的用来感测输入电压的连接888不是必要的。在这些情形中，可通过测量功率开关818的占空比或者通过测量功率开关818的接通时间期间功率开关818中电流上升的斜率来导出输入电压的值。这些技术可用来在不需要连接888的情况下感测输入电压并导出输入电压的峰值、rms或平均值。
下面描述应用到利用“单周期控制”方案的控制器的关键电路块来提供功率转换器(例如，图8B中所示类型的升压转换器)中的功率因数校正功能的本发明教导的优点。示例控制器802在一个示例中包括积分器电路854、误差放大器853和比较器869。如图8A中的示例电路中所示，误差放大器853的第一输入被耦合来接收响应于功率转换器的dc输出电压的大小的反馈信号836。误差放大器853的第二输入被耦合来接收参考电压833。误差放大器853的输出被耦合到积分器电路854的第一输入，积分器电路854的第二输入被耦合来接收响应于ac电压的大小的电压感测信号859。
在一个示例中，电压感测信号与施加到其中使用了控制器802的功率转换器800的输入的ac电压806的大小的平方成比例。积分器电路854的输出被耦合来将积分器输出信号857施加到比较器869的第一输入。比较器869的第二输入被耦合来接收响应于下述信号的信号：误差放大器853的输出VERR 858，以及通过在功率开关接通时感测功率开关中流动的电流而生成的信号864。
注意，例如如作为替换的电流传感器887位置所示，“单周期控制”控制器通常感测转换器中流动的输入电流。然而，在功率开关818的接通时间期间，由电流感测元件886和887所感测的电流基本相同。对于本发明的教导，由于响应于功率开关的接通时间期间流动的电流的电流感测信号被控制器802使用，所以可以感测功率转换器800输入电流811或功率开关电流834。在一个示例中，功率开关818如图8B的升压转换器中所示被耦合。将注意到也可以使用其他功率转换器拓扑，如后面参考图11所述。
在图8A和8B的示例中，电流感测信号864通过增益级865被处理，以生成经放大的信号878，该信号878被从VERR信号858中减去。所得到的信号879被施加到比较器电路869的第二输入。因此施加到比较器869的第二输入的信号是响应于误差信号858和电流感测信号864两者的。
图8A的电路块801是该“单周期控制”控制器(例如控制器802)的一部分，该控制器被耦合来在比较器869的第二输入信号879的大小和积分器输出信号857的大小为基本相等的值时终止功率开关818的接通时间。积分器电路854的增益响应于电压感测信号859，使得在功率开关的接通时间期间积分器输出信号的改变率独立于ac输入电压(该ac输入电压在一个示例中是VG 806)的大小而基本恒定。
应用到“单周期控制”方案的本发明的优点还在图9和10中被示出。具体而言，图9示出了输入电压感测信号859未被施加到积分器854的标准“单周期控制”方案中的示例特性。图9示出了两组曲线，一组针对低电压线(low line，LL)、一组针对高电压线(high line，HL)，分别对应于到PFC功率转换器的低和高输入ac电压。
低ac输入电压下的误差信号VERRLL 958与高ac输入电压下的误差信号VERRHL 915相差很大。这是因为取决于ac输入电压，经积分的误差信号输出波形957和918极其不同。为了在高输入ac电压下实现正确的功率开关接通时间TonHL 917，误差信号915在高电压线处与其在低电压线处的值相比必须被降低很多。
与之相比，图10示出了在引入了图8中的电压感测信号859的情况下根据本发明教导的电路产生的示例曲线。如图所示，误差信号858现在可以保持恒定，从而使得在功率开关的接通时间期间积分器输出信号1057的变化率或斜率独立于ac输入电压806的大小而基本恒定。根据本发明教导，现在可以在不要求误差信号改变的情况下维持正确的功率开关接通时间TonHL 917。
本发明的教导被应用到“单周期控制”方案的优点与被应用到前面参考图1和2讨论的控制器的优点类似，即误差信号动态范围被极大地缩小，这在输入ac电压和输出负载变动状况下改善了控制环响应和稳定性。另外，误差信号1058是负载的函数，并且可用于例如提供作为负载的函数的功率开关开关周期时段变化，从而提高使用了该控制器的功率转换器的轻负载效率。
图11总地示出了利用根据本发明教导的控制器的另一个示例功率控制器配置1100。在图11所示示例中，该功率转换器拓扑是返驰式转换器。返驰式转换器1100可用作PFC转换器级，并且可提供输入和输出负载1124之间的隔离，这在某些应用中可能是有益的。图11中的虚线示出了反馈信号1136的路径中的隔离。控制电路1102与图1和2中的控制器有许多共同的方面。在一个示例中，与图1和2中的控制器102和202相比对内部控制电路的仅有的修改在于开关关断时间控制电路块1151。出此不同之外，功率开关1118接通时间控制电路1152基本所有方面都与控制电路块152和252相同。在操作中，在功率开关1118接通时电流在储能元件1114绕组1115中流动，而在功率开关1118关断期间的至少部分时间中电流在储能元件1116绕组和输出二极管D1 1128中流动。因此在功率开关1118的接通时间期间电流在能量传递元件1114的至少一个绕组1115中流动，而在功率开关1118关断期间的至少部分时间中电流在能量传递元件1114的至少一个绕组1116和输出二极管1128中流动。
应当理解，上面参考图8A、8B、9和10描述的根据本发明教导修改的“单周期控制”控制器也可以用于与图11中的示例类似的返驰式转换器配置。
尽管为了说明目的上面仅描述了升压和返驰式转换器拓扑，但是应当理解本发明的教导可应用到适用于功率因数校正的许多其他拓扑，例如根据本发明教导的降压-升压转换器、降压转换器、SEPIC转换器等。
图12是总地示出根据本发明教导用于控制功率因数校正电路的示例方法的流程图。在处理块1210中，感测转换器输入电压并生成响应于该电压的峰值或rms或平均值的信号。更具体而言，在该示例中，所生成的信号与输入电压的峰值/rms或平均值的平方成比例。接下来，在处理块1211中，生成响应于反馈信号的误差信号。在处理块1212中，功率开关118被接通。在处理块1213中，响应于功率开关电流的信号(例如信号164)被积分器电路(例如积分器154)积分器，该积分器电路的增益一部分是由在块1210中生成的输入电压信号的值设置的。在判决块1214中，将积分器输出信号与误差信号相比较。如果积分器输出信号不大于误差信号，则在处理块1213中继续进行积分。但是，如果积分器输出信号大于误差信号，则在块1215中关断功率开关(例如功率开关118)并重置积分器电路。在判决块1216中，判断功率开关关断时间是否结束。如果结束，则流程图返回到块1210。
图13是总地示出了根据本发明教导用于控制功率因数校正电路的另一个示例方法的流程图。在处理块1310中，感测转换器输入电压并生成响应于该电压的峰值或rms或平均值的信号。更具体而言，在该示例中，所生成的信号与输入电压的峰值/rms或平均值的平方成比例。接下来，在处理块1311中，生成响应于反馈信号的误差信号。在处理块1312中，功率开关(例如功率开关118)被接通。在处理块1313中，积分器电路(例如积分器电路854)对该误差信号(例如误差信号858)进行积分，其中该积分器电路的增益一部分是由在块1310中生成的输入电压信号的值设置的。在处理块1314中，将电流感测信号与增益因数相乘，并用在块1311中生成的误差信号减去该乘积来生成第二误差信号。在判决块1315中，将积分器输出信号与第二误差信号相比较。如果积分器输出信号不大于第二误差信号，则在处理块1313中继续对第一误差信号进行积分。但是，如果积分器输出信号大于第二误差信号，则在块1316中关断功率开关并重置积分器电路。在判决块1317中，判断功率开关关断时间是否结束。在其结束时，流程图返回到块1310。
上面对本发明的说明性示例的描述(包括摘要中描述的内容)不是穷举的，并且不限于所公开的具体形式。尽管在这里为了说明目的描述了本发明的特定实施例和示例，但是在不脱离本发明的宽广精神和范围的情况下可以作出各种等价修改。
这些修改可根据上面的具体描述对本发明的示例作出。权利要求中所用的术语不应被解释为将本发明限制为说明书中公开的具体实施例和权利要求书。相反，该范围要由权利要求书整体确定，权利要求应当根据已有的权利要求解释规则进行。因此说明书和附图应当是说明性的而非限制性的。

Claims (35)

1.一种用在功率因数校正PFC转换器中的控制器，包括：
积分器，该积分器被耦合来接收响应于ac电压源的ac周期期间的峰值、rms值或平均值的电压感测信号，所述ac电压源耦合到所述PFC转换器的输入，所述PFC转换器耦合到能量传递元件，所述能量传递元件耦合到功率开关，所述积分器还被耦合来接收响应于当所述功率开关接通时在所述功率开关中流动的电流的电流感测信号，所述积分器响应于所述电压感测信号和所述电流感测信号而生成积分器输出信号；以及
接通／关断逻辑，该接通／关断逻辑被耦合来驱动所述功率开关接通和关断，以控制通过所述能量传递元件到耦合到所述PFC转换器的输出的负载的能量传递，所述接通／关断逻辑被耦合来在所述积分器输出信号达到一阈值时终止所述功率开关的接通时间，其中所述积分器电路的增益响应于所述电压感测信号而被调节，使得在所述负载的大小恒定时所述阈值独立于所述ac电压源的大小而基本恒定。
2.如权利要求1所述的控制器，其中所述控制器和功率开关作为混合电路被集成在单个封装中。
3.如权利要求1所述的控制器，其中所述控制器和功率开关被单片集成在单个管芯上。
4.如权利要求1所述的控制器，其中所述电流感测信号是从由所述功率开关的感测型FET元件所生成的信号导出的。
5.如权利要求1所述的控制器，其中所述电流感测信号是从在耦合到所述功率开关的感测电阻器两端生成的电压信号导出的。
6.如权利要求1所述的控制器，其中所述电流感测信号是从在所述功率开关处于接通状态中时在所述功率开关两端生成的电压信号导出的。
7.如权利要求1所述的控制器，其中所述电流感测信号是从在所述功率开关处于接通状态中时由所述功率开关的感测型FET部分所生成的感测型FET信号导出的。
8.如权利要求1所述的控制器，其中所述功率转换器是升压转换器，并且所述能量传递元件是电感器。
9.如权利要求1所述的控制器，其中所述功率转换器是返驰式转换器，并且所述能量传递元件是变压器。
10.如权利要求1所述的控制器，还包括电压传感器，所述电压传感器被耦合来接收响应于所述ac电压源的大小的输入电压信号，该ac电压源耦合到所述PFC转换器的输入，所述PFC转换器耦合到所述能量传递元件，所述能量传递元件耦合到所述功率开关，所述电压传感器生成响应于所述输入电压信号的电压感测信号。
11.如权利要求1所述的控制器，还包括误差放大器，所述误差放大器被耦合来接收参考电压和响应于所述PFC转换器的dc输出电压的大小的反馈信号，其中所述阈值是所述误差放大器的输出值。
12.如权利要求11所述的控制器，还包括比较器，所述比较器接收来自所述误差放大器的所述阈值和所述积分器输出信号，其中所述比较器的输出被耦合以使得所述接通／关断逻辑在所述积分器输出信号达到所述阈值时终止所述功率开关的接通时间。
13.如权利要求1至12中任何一项所述的控制器，其中所述电压感测信号不表示任意时刻的即时输入电压，而是一般在多个半周期时段上保持基本恒定的值。
14.一种用在功率因数校正PFC转换器中的控制器，包括：
积分器，该积分器被耦合来接收响应于ac电压源的ac周期期间的峰值、rms值或平均值的电压感测信号，所述ac电压源耦合到所述PFC转换器的输入，所述PFC转换器耦合到能量传递元件，所述能量传递元件耦合到功率开关，所述积分器还被耦合来接收响应于当所述功率开关接通时在所述功率开关中流动的电流的电流感测信号，所述积分器响应于所述电压感测信号和所述电流感测信号而生成积分器输出信号；
误差放大器，所述误差放大器被耦合来接收参考电压和响应于所述PFC转换器的dc输出电压的大小的反馈信号，所述误差放大器生成误差信号；
接通／关断逻辑，该接通／关断逻辑被耦合来驱动所述功率开关接通和关断，以控制通过所述能量传递元件到耦合到所述PFC转换器的输出的负载的能量传递，所述接通／关断逻辑被耦合来在所述积分器输出信号的大小超过所述误差信号的大小时终止所述功率开关的接通时间，其中所述积分器电路的增益响应于所述电压感测信号，使得在所述负载的大小恒定时所述积分器输出信号在功率开关接通时间终止时的大小独立于所述ac电压源的大小而基本恒定。
15.如权利要求14所述的控制器，其中所述控制器和功率开关作为混合电路被集成在单个封装中。
16.如权利要求14所述的控制器，其中所述控制器和功率开关被单片集成在单个管芯上。
17.如权利要求14所述的控制器，其中所述电流感测信号是从由所述功率开关的感测型FET元件所生成的信号导出的。
18.如权利要求14所述的控制器，其中所述电流感测信号是从在耦合到所述功率开关的感测电阻器两端生成的电压信号导出的。
19.如权利要求14所述的控制器，其中所述电流感测信号是从在所述功率开关处于接通状态中时在所述功率开关两端生成的电压信号导出的。
20.如权利要求14所述的控制器，其中所述功率转换器是升压转换器，并且所述能量传递元件是电感器。
21.如权利要求14所述的控制器，其中所述功率转换器是返驰式转换器，并且所述能量传递元件是变压器。
22.如权利要求14所述的控制器，还包括电压传感器，所述电压传感器被耦合来接收响应于所述ac电压源的大小的输入电压信号，该ac电压源耦合到所述PFC转换器的输入，所述PFC转换器耦合到所述能量传递元件，所述能量传递元件耦合到所述功率开关，所述电压传感器生成响应于所述输入电压信号的电压感测信号。
23.如权利要求14所述的控制器，还包括比较器，所述比较器接收所述误差信号和所述积分器输出信号，其中所述比较器的输出被耦合以使得所述接通／关断逻辑在所述积分器输出信号的大小超过所述误差信号的大小时终止所述功率开关的接通时间。
24.如权利要求14至23中任何一项所述的控制器，其中所述电压感测信号不表示任意时刻的即时输入电压，而是一般在多个半周期时段上保持基本恒定的值。
25.一种用在功率因数校正PFC转换器中的控制器，包括：
积分器，该积分器的第一输入被耦合来接收响应于ac电压源的ac周期期间的峰值、rms值或平均值的电压感测信号，所述ac电压源耦合到所述PFC转换器的输入，所述PFC转换器耦合到能量传递元件，所述能量传递元件耦合到功率开关；
误差放大器，该误差放大器的第一输入被耦合来接收响应于所述PFC转换器的dc输出电压的大小的反馈信号，所述误差放大器的第二输入被耦合来接收参考信号，并且所述误差放大器的输出耦合到所述积分器的第二输入；
比较器，该比较器的第一输入耦合到所述积分器的输出来接收积分器输出信号，所述比较器的第二输入被耦合来接收响应于所述功率开关接通时在所述功率开关中流动的电流和所述误差放大器的输出的第二信号；
接通／关断逻辑，该接通／关断逻辑被耦合来驱动所述功率开关接通和关断，以控制通过所述能量传递元件到耦合到所述PFC转换器的输出的负载的能量传递，所述接通／关断逻辑被耦合来在所述第二信号的大小和所述积分器输出信号的大小为基本相等的值时终止所述功率开关的接通时间，其中所述积分器的增益响应于所述电压感测信号，使得在所述功率开关的接通时间期间所述积分器输出信号的变化率独立于所述ac电压源的大小而基本恒定。
26.如权利要求25所述的控制器，其中所述控制器和功率开关作为混合电路被集成在单个封装中。
27.如权利要求25所述的控制器，其中所述控制器和功率开关被单片集成在单个管芯上。
28.如权利要求25所述的控制器，其中所述电流感测信号是从由所述功率开关的感测型FET元件所生成的信号导出的。
29.如权利要求25所述的控制器，其中所述电流感测信号是从在耦合到所述功率开关的感测电阻器两端生成的电压信号导出的。
30.如权利要求25所述的控制器，其中所述电流感测信号是从在所述功率开关处于接通状态中时在所述功率开关两端生成的电压信号导出的。
31.如权利要求25所述的控制器，其中所述功率转换器是升压转换器，并且所述能量传递元件是电感器。
32.如权利要求25所述的控制器，其中所述功率转换器是返驰式转换器，并且所述能量传递元件是变压器。
33.如权利要求25至32中任何一项所述的控制器，其中所述电压感测信号不表示任意时刻的即时输入电压，而是一般在多个半周期时段上保持基本恒定的值。
34.一种控制功率因数校正PFC电路的方法，包括：
感测ac电压源并且响应于此生成电压感测信号；
响应于反馈信号生成误差信号；
使功率开关接通；
利用具有响应于所述电压感测信号的增益的积分器对所述功率开关中的开关电流进行积分来生成积分器输出信号；
响应于所述电压感测信号来调节所述增益，使得当负载的大小恒定时，所述积分器输出信号达到所述误差信号时的值独立于所述ac电压源的ac周期期间的峰值、rms值或平均值而基本恒定；以及
在所述积分器输出信号达到所述误差信号时终止所述功率开关的接通时间。
35.一种控制功率因数校正PFC电路的方法，包括：
感测ac电压源并且响应于此生成电压感测信号；
响应于反馈信号而生成误差信号；
使功率开关接通；
利用具有响应于所述电压感测信号的增益的积分器对所述误差信号进行积分来生成积分器输出信号；
响应于所述电压感测信号来调节所述增益，使得在所述功率开关的接通时间期间所述积分器输出信号的变化率独立于所述ac电压源的ac周期期间的峰值、rms值或平均值而基本恒定；
用所述误差信号减去开关电流感测信号与增益因数的乘积来生成第二误差信号；以及
在所述积分器输出信号的大小大于所述第二误差信号时终止所述功率开关的接通时间。
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