CN102468745B - 具有误差反馈的功率因子控制器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有误差反馈的功率因子控制器及操作该功率因子控制器的方法。在该功率因子控制器中，通过至少两个误差反馈通道的并行组合来提供误差反馈。例如，通过提供至少两个误差反馈通道，可以将与例如具有较长时间常数的连续积分反馈环相关的稳定性和与例如采样保持误差反馈相关的快速瞬态响应相结合。

Description

具有误差反馈的功率因子控制器及其操作方法

技术领域

本发明涉及具有误差反馈的功率因子控制器(PFC)，以及操作该功率因子控制器的方法。

背景技术

PFC越来越广泛地用于针对从PC到适配器和照明的应用中的功率管理。为了实现对输出电压的控制，常规使用误差放大器。如下文将更详细地描述一样，放大实际输出DC电压与标称所需DC电压之间的误差，对其积分，将所产生的信号用于在功率因子控制器中调节电源的导通时间。积分时间常数典型较大，以避免系统的不稳定。

这种常规的误差反馈机制可以提供精确的输出电压稳态值。但是，较长的积分时间常数将导致对负载电流的瞬态变化产生较慢的响应，而这种较慢的瞬态响应是不理想的。

欧洲专利申请公开EP-A-0580237公开了具有改良误差反馈电路的功率因子校正电路，其中，采样保持电路与常规误差放大器串联连接，以改善瞬态响应。然而，对于精确的DC输出电压，必要的是：在干线半周期内的PFC输出电压等于稳态DC值的时刻进行采样；即是说，在干线的过零点期间或在干线的峰值电压处进行采样。因此，该误差反馈系统是不灵活的，具体地，因为其需要对干线电压的相位进行精确检测。

发明内容

本发明的目的在于提供PFC控制器，所述PFC控制器是灵活的，并且允许快速的瞬态响应。

根据本发明，提供了功率因子控制器，该功率因子控制器包括用于控制功率因子控制器的输出的误差反馈电路，其中，误差反馈电路包括至少是第一误差反馈通道和第二误差反馈通道的并行结构。功率因子控制器对诸如开关模式电源转换器或开关模式电源之类的功率管理系统领域尤其有益。而且，功率因子控制器可以兼具其它功能——例如具有干线隔离的回扫转换器，因为这种转换器还提供功率因子控制器功能。因此，术语“功率因子控制器”包括具有功率因子控制功能的任何电源转换器或任何电源转换器的具有功率因子控制功能的一部分。

在实施例中，第一误差反馈通道包括积分器，所述积分器被配置为对指示功率因子控制器的输出的信号与参考信号之间的差积分。积分器可以被配置为连续时间积分器。因此，误差反馈电路可以从连续积分受益，可以将所述连续积分与稳态高增益相集成，以确保较好的精确度。

在实施例中，第二误差反馈通道包括积分器，所述积分器被配置为周期性地对预定时间间隔内的指示功率因子控制器的输出的信号与参考信号之间的差进行积分。在实施例中，功率因子控制器适于与干线电源一起操作，并且周期性的积分具有与干线半周期相关联的周期。这种关联可以等于一个或多个干线半周期或部分干线半周期。

在实施例中，第一误差反馈通道被采样以提供样本，向第二误差反馈通道提供所述样本以确定用于对指示功率因子控制器的输出的信号与参考信号之间的差进行积分的初始值。

在另一实施例中，第二误差反馈通道包括采样保持电路，所述采样保持电路被配置为在预定时刻，对指示功率因子控制器的输出的信号与参考信号之间的差或所述差的缩放(scaled)版本进行周期性的采样。

在实施例中，功率因子控制器适于与干线电源一起操作，并且周期性的采样具有与干线半周期相关联的周期。这种关联可以等于一个或多个干线半周期或部分干线半周期。

在实施例中，误差反馈电路的输出包括第一误差反馈通道的输出与第二误差反馈通道的输出之和。备选地，所述和可以包括第一误差反馈通道和第二误差反馈通道中的至少一个误差反馈通道的相应输出的缩放版本。

在实施例中，第一误差反馈通道和第二误差反馈通道中的至少一个误差反馈通道的输出包括用于调节所述输出中的至少一个输出的范围的偏移量信号。

根据本发明的另一方面，提供了开关模式电源转换器，所述开关模式电源转换器包括如上所述的功率因子控制器。

根据本发明的另一方面，提供了在以电压控制模式操作的功率因子控制器中提供误差反馈信号的方法，所述方法包括：通过将指示功率因子控制器的输出的信号与参考信号之间的差进行连续积分来提供第一通道误差反馈信号；提供第二通道误差反馈信号；以及根据第一通道误差反馈信号和第二通道误差反馈信号来确定误差反馈信号。

在实施例中，提供第二通道误差反馈信号包括：在预定时刻，对指示功率因子控制器的输出的信号与参考信号之间的差进行周期性的采样。

在其它实施例中，其中，提供第二通道误差反馈信号包括：周期性地对预定时间间隔内的指示功率因子控制器的输出的信号与参考信号之间的差进行积分。

通过本文所描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得明显，将参考本文所描述的实施例，对本发明的这些和其它方面进行阐述。

附图说明

仅以示例的方式参考附图描述本发明的实施例，其中，

图1是功率因子控制器的框图，所述功率因子控制器被配置用于在临界导通模式下操作并且具有常规的误差反馈电路；

图2示出了在临界导通模式下操作的功率因子控制器的时序图；

图3是用于功率因子控制器中的常规误差放大器的框图；

图4是示出了在具有常规误差放大器的PFC中对负载阶跃的响应的时序图；

图5是示出了在根据本发明实施例的具有误差反馈的PFC中对负载阶跃的响应的时序图；

图6示出了本发明第一实施例的框图；

图7示出了本发明第二实施例的框图；

图8示出了根据本发明实施例的误差放大器的框图；

图9示出了用于根据图8的误差放大器的定时器的时序图；

图10示出了根据本发明实施例的误差放大器的部分示意图；

图11示出了根据本发明另一实施例的误差放大器的部分示意图；

应该注意的是，附图是概略的，并且不是按照比例绘制。为了清楚起见，在附图中，以扩大或缩小尺寸的方式示出这些附图的部件的相对大小和比例。相同的参考标记一般用于指示修改实施例和不同实施例中的相应或相似特征。

具体实施方式

图1中示出了功率因子控制器1的框图，所述功率因子控制器1被配置用于在临界导通模式(BCM)下操作，并且具有常规的误差反馈电路。PFC 1具有桥式整流器10及分别位于桥式整流器10之前和之后的EMI滤波器11和12。桥式整流器向包括以13示出的线圈L、在14处的二极管D和在15处的电源开关M的升压转换器和电容器CL供电，以提供为负载提供电能的输出电压Vout，如图所示，所述负载汲取负载电流Iload。在每个变换周期中的自激振荡时间段期间，与线圈L结合的电容器Cr将导致电源开关的漏极电压的明确限定的振铃频率，以方便实现谷值切换。

控制电路20控制开关15。控制电路20包括开关驱动器22和谷值检测单元24，所述开关驱动器22的定时被T_on控制器23控制，所述谷值检测单元24具有与漏极电压Vdrain相关的输入。T_on控制器23将误差电压Ver作为输入。误差放大器基于输出电压Vout的K分之一缩放版本Vs(即Vout/k)得到误差电压Ver，所述误差放大器将Vs与参考电压Vref之间的差放大。

图2示出了图1中电路的时序图。附图从上面开始示出了通过电感器13的电感器电流I_L(也被称作线圈电流)、通过二极管14的二极管电流I_D和开关15两端的电压Vdrain。在每个转换周期，在Vdrain为低的时间段t_on导通开关15，电感器电流I_L从零升高到峰值。在时间段t_on的结尾处，关断开关15，漏极电压Vdrain升高到约Vout，电感器电流I_L下降并下落回零。当线圈电流下落到零时，Vdrain开始在基于线圈电感和开关15的漏极处的电容的时间段内振荡。根据公知的“谷值切换”原理，当漏极电压达到其振荡最小值时，再次导通开关15以重新启动下一转换周期。

控制电路20感测PFC的输出电压(Vout)，控制电路20控制在每个转换周期中电源开关15的导通时间(t_on)(即开关闭合的时间)，使得Vout总是能达到期望值，而不考虑负载电流Iload。一旦输出电压Vout稳定，那么对于固定负载电流来说，t_on将是常数。在控制电路20中，首先在模块25处用大于1的因子k(即k＞1)将Vout分压，将产生的信号Vs与参考电压Vref相比较，误差放大器26对二者的差进行处理，其输出电压Ver被用于调节导通时间t_on。典型为方波的t_on控制器23的输出被用于驱动开关驱动器22，以控制开关15导通和关断时刻的定时。向t_on控制器23输出脉冲的谷值检测电路感测与漏极电压Vdrain相关的信号，其中，感测出谷值使得t_on控制器23再次驱动驱动器，以启动下一转换周期。

图3中示出了用于功率因子控制器中的常规误差放大器的框图，所述常规放大器例如常规用于控制电路20中。误差放大器包括跨导放大器31，所述跨导放大器31具有跨导gm、作为Vout的因子K的缩放版本的第一输入Vs和作为参考电压的第二输入Vref。将跨导放大器31的输出提供给积分器32，所述积分器32的输出提供误差电压Ver。

选择跨导放大器31和积分器32中的至少一个具有高电压增益，使得PFC输出电压达到由Vref和因子K确定的精确DC稳态值Vre。因此，PFC调节其输出电压Vout以达到所需稳态值Vre。然而，由于较大的积分时间常数，误差放大器将导致对负载电流变化产生较慢的瞬态响应。图4是示出了在具有常规误差放大器的PFC中，对这种负载阶跃的响应的时序图。附图在上方的图中示出了负载电流Iload中的阶跃，在下方的图中示出了相继发生的输出电压Vout中的变化。显而易见的是Vout经历较轻微的阻尼振荡，并且直到经过了若干干线周期之后，Vout才会稳定在其原始值Vre。如果要降低积分时间常数以增加阻尼和减少稳定时间，那么整个PFC系统将倾向于变得不稳定。为了重新稳定系统，必要的是降低误差放大器的电压增益；然而，这会使得PFC输出的DC电压不太精确。

图5中示出了对负载电流中的阶跃的改良响应。再次示出了负载电流(Iload)中的阶跃；但是在这种情况下，输出电压Vout中的瞬变明显较短。为了实现这种改良的瞬态响应并同时保持稳态精确性，提供具有多通道误差反馈的误差放大器。换句话说，通过并行连接的两个或多个误差反馈通道测量缩放的PFC输出电压。典型地，在一个通道中，利用大积分时间常数对缩放的PFC输出电压Vs与参考电压Vref之间的差进行连续积分。在第二通道中，例如，可以以离散的相对短的时间间隔对缩放的PFC输出电压Vs与参考电压Vref之间的差进行积分。备选地而非限制地，在第二通道中，可以将采样保持电路用于在特定时刻对缩放的PFC输出电压Vref与参考电压Vref之间的差或所述差的缩放版本进行采样。对两个通道的输出进行处理，并且产生信号Ver，所述信号Ver用于控制传送到负载的电流。作为在较短离散时间间隔期间积分或在特定时刻采样的结果，Vout将非常快速地稳定在所需值，并且由于具有高增益的连续积分误差信号的反馈，所以还能确保精确的稳态值，从而实现如图5所示的快速响应曲线。

图6示出了本发明第一实施例的框图。框图示出了多通道误差放大器60。多通道误差放大器包括连续时间积分器61提供的连续时间积分通道和离散时间积分器62提供的离散时间积分通道。连续时间积分器61和离散时间积分器62都具有缩放电压信号Vs和参考电压Vref作为输入。向信号处理单元63提供连续时间积分器和离散时间积分器中每一个的输出。信号处理单元组合输出，并且可以进一步处理信号以获得输出Ver，传输输出Ver作为到图1中所示t_on控制单元23的输入(替代Ver)。因此，多通道误差放大器60代替图1的(单通道)误差放大器26。

图7示出了本发明第二实施例的框图。框图示出了多通道误差放大器70。多通道误差放大器包括连续时间积分器61提供的连续时间积分通道和采样保持电路72提供的采样保持通道。连续时间积分通道61和采样保持通道72都具有缩放电压信号Vs和参考电压Vref作为输入。向信号处理单元73提供连续时间积分器和采样保持单元中每一个的输出。信号处理单元73组合输出，并且可以进一步处理信号以获得输出Ver，传输输出Ver作为到图1中所示t_on控制单元23的输入。

图8示出了刚参考图6描述的根据本发明第一实施例的误差放大器的框图。如图8所示，连续时间积分通道81包括在83处的第一跨导放大器gm1和在84处的第一积分器的串联结构。离散时间积分通道82包括在85处的第二跨导放大器gm2和第二积分器86的串联结构。然而，第二跨导放大器85与第二积分器86之间的串联连接可通过开关87进行开关控制。通过定时器88控制开关87的导通时间。

图8中以框图形式示出的电路操作如下：在连续时间积分通道81中，跨导放大器83将电压差(Vs-Vref)转换为电压控制的电流，积分器84对该电流进行连续积分。在离散时间积分通道82中，跨导放大器85也将电压差(Vs-Vref)转换为电压控制的电流，但是仅在附图中标记为“启动”的周期性短脉冲期间，即在定时器88控制下闭合开关87期间，才对该电流进行积分。在附图中标记为“重置”的另一周期性短脉冲期间，通过也在定时器88的控制之下的第二开关89将两个通道的输出连接在一起。图9示出了定时器88的示例时序图，其中示出了：短脉冲具有相同频率Vin，短脉冲“启动”紧跟在短脉冲“重置”之后。在其它实施例中，短时间脉冲可以具有与Vin不匹配的另一频率。“启动”和“重置”脉冲可以具有10μs量级的持续时间，而信号Vin的周期时间是干线周期的一半，典型地是约10ms。

图10示出了根据本发明实施例的误差放大器的部分示意图，其中示出了可以通过在104处的电容器Cin1以及包括具有本地负反馈的运算放大器105的电压缓冲器来实现第一积分器84，而可以通过在106处的第二电容器Cin2来实现第二积分器86。第一积分器84包括缓冲器但第二积分器86不包括缓冲器，因为在脉冲“重置”期间应该直接通过开关89将第一积分器84的输出传输到第二积分器86的输出。

图11示出了根据本发明另一实施例的误差放大器110的框图。在该实施例中，连续时间积分通道116包括运算放大器111、电容器C1和相应的输入缩放电阻器R1，所述运算放大器111、电容器C1和相应的输入缩放电阻器R1放大Vs与Vref之间的差，并对其积分。所示出的下方路径包括采样保持通道117。该通道包括前置放大器，所述前置放大器包括运算放大器112、输入电阻器R3和本地反馈电阻器R4，并且放大Vs与Vref之间的差。通过采样开关113对采样保持电容器Cs上的该放大输出采样，采样开关113为了该目的而短暂闭合。通过包括运算放大器114和本地负反馈的缓冲器对输出进行缓冲。这种缓冲是有用的，以确保采样保持电容器Cs没有负载。

对于信号处理118，通过缩放电阻器R5和R2组合两个通道，并且通过运算放大器115和电阻器R6形成本地反馈环。通过R2和R5的电流由于本地反馈环而被其自身的电阻和相应通道的输出电压明确限定，并且一起流向R6以产生两个误差反馈通道的加权和。

通过阅读本公开，其它的变型和修改对于本领域技术人员来说是显而易见的。这种变型和修改可以包括功率因子控制器领域已知的并且可以用来替代或补充本文已经描述的特征的等同物和其他特征。

具体地，显而易见的是本公开并不限于临界导通模式PFC，而是还包括在连续传导模式下操作的PFC电路，以及诸如回扫转换器、SEPIC转换器和类似物之类的实现PFC功能的其它技术。

尽管所附权利要求涉及特征的具体组合，但是应该理解的是，本发明公开的范围还包括任何新特征、或本文所明显或不明显公开的特征的任何新组合、或本发明的任何衍生物，而不论其是否涉及与任何权利要求中所要求的发明相同的发明，并且不论其是否与本发明解决了任何相同的技术问题或所有相同的技术问题。

也可以在单个实施例中以组合的方式提供在独立实施例上下文中描述的特征。相反地，为了简洁起见，也可以独立地或以任何适当的子组合的形式提供单个实施例上下文中描述的不同特征。

申请人从而声明：在本申请或从其获得的任何其它申请进行期间，可以用这些特征和/或这些特征的组合构成新权利要求。

为了完整性的目的，还声明：术语“包括”不排除其它元件或步骤，在不特别指明对象数量时不排除多个对象的情况，以及权利要求中的参考标记不应该解释为限制权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种功率因子控制器，包括用于控制功率因子控制器的输出的误差反馈电路，其中，误差反馈电路包括至少第一误差反馈通道和第二误差反馈通道的并行结构，

其中第一误差反馈通道包括误差放大器和积分器，所述积分器被配置为对指示功率因子控制器的输出的信号与参考信号之间的差进行积分；

其中，第二误差反馈通道包括积分器或采样保持电路，所述积分器被配置为周期性地对预定时间间隔内的指示功率因子控制器的输出的信号与所述参考信号之间的差进行积分，所述采样保持电路被配置为在预定时刻，对指示功率因子控制器的输出的信号与所述参考信号之间的差进行周期性的采样。

2.如权利要求1所述的功率因子控制器，其中所述积分器被配置为连续时间积分器。

3.如权利要求1所述的功率因子控制器，适于与干线电源一起操作，其中，周期性的积分具有与干线半周期相关联的周期。

4.如权利要求1所述的功率因子控制器，其中，第一误差反馈通道被采样以提供样本，向第二误差反馈通道提供所述样本以确定用于对指示功率因子控制器的输出的信号与参考信号之间的差进行积分的初始值。

5.如权利要求1所述的功率因子控制器，适于与干线电源一起操作，其中，周期性的采样具有与干线半周期相关联的周期。

6.如前述权利要求中任一项所述的功率因子控制器，其中，误差反馈电路的输出包括第一误差反馈通道的输出与第二误差反馈通道的输出之和。

7.如权利要求6所述的功率因子控制器，其中，所述和包括第一误差反馈通道和第二误差反馈通道中的至少一个误差反馈通道的相应输出的缩放版本。

8.如权利要求6所述的功率因子控制器，其中，第一误差反馈通道和第二误差反馈通道中的至少一个误差反馈通道的输出包括用于调节所述第一误差反馈通道和第二误差反馈通道的输出中的至少一个输出的范围的偏移量信号。

9.一种开关模式电源转换器，包括如前述权利要求中任一项所述的功率因子控制器。

10.一种在以电压控制模式操作的功率因子控制器中提供误差反馈信号的方法，所述方法包括：

通过将指示功率因子控制器的输出的信号与参考信号之间的差进行连续积分来提供第一通道误差反馈信号，第一误差反馈通道包括误差放大器和积分器；

提供第二通道误差反馈信号；以及

根据第一通道误差反馈信号和第二通道误差反馈信号来确定误差反馈信号；

其中，提供第二通道误差反馈信号包括：在预定时刻，对指示功率因子控制器的输出的信号与所述参考信号之间的差进行周期性的采样，或周期性地对预定时间间隔内的指示功率因子控制器的输出的信号与所述参考信号之间的差进行积分。