CN105337485A - 功率因数校正电路、发光二极管驱动电路和照明设备 - Google Patents

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Abstract

提供一种升压型功率因数校正电路、发光二极管驱动电路和照明设备。该升压型功率因数校正电路包括：PFC控制器；受PFC控制器的输出控制的PFC开关；以及连接在PFC开关与地之间的等效可变电阻器。PFC控制器的反馈电流输入端连接到PFC开关和等效可变电阻器之间的节点。等效可变电阻器的电阻值受PFC电路的输出电压控制。在PFC电路工作于AC或CCG输入的情况下，电阻值保持恒定最小，而在PFC电路工作于ECG输入的情况下，电阻值随PFC电路的输出电压的减小而增大。根据本公开的升压型功率因数校正电路、发光二极管驱动电路和照明设备能够兼容AC、CCG和ECG供电。

Description

功率因数校正电路、发光二极管驱动电路和照明设备
技术领域
本发明涉及照明驱动领域，尤其涉及一种能够兼容交流市电、传统镇流器(CCG)和电子镇流器(ECG)的升压型功率因数校正电路、发光二极管驱动电路以及发光二极管照明设备。
背景技术
随着固态照明技术的兴起与不断改进，发光二极管(LED)因其具有高效、节能、寿命长、环保等特点，已成为现今照明工程的优选方案，并逐渐被应用于照明产品当中。促使人们关注LED照明技术的一个关键因素是其大大降低了能源的消耗，并可实现长期可靠的工作。
LED灯具，包括LED管灯，均采用直流驱动，无论是在交流市电直接供电，还是通过CCG或ECG供电的情况下，在交流市电、CCG和ECG与LED灯具之间都需要加一个电源适配器，即LED驱动电路。它的功能是把所提供的电源转换成适合LED的直流电。
为避免因使用LED灯具而导致功率因数下降并对电网造成谐波污染，在设计LED驱动电路，尤其是大功率LED驱动电路时，需要考虑功率因数校正(PFC)的问题。有源PFC电路是在输入整流桥与输出滤波电容之间加入一个升压电路，将输入电流校正成与输入电压相位相同且不失真的正弦波，使功率因数接近于1。有源PFC变换器后面跟随开关电源的DC-DC变换器，以提供适用于LED的直流电。
有源PFC变换器几乎全部采用升压型，主要原因是在输出功率一定时有较小的输出电流，从而可减小输出电容器的容量和体积，同时也可以减小升压电感元件的绕组线径。
当前，在市场中只可以得到兼容交流市电和CCG的诸如LEG管灯的LED照明设备，以及只能使用ECG供电的诸如LEG管灯的LED照明设备。在这种情况下，如何兼容交流市电、CCG以及种类繁多的ECG越来越得到关注。
发明内容
本公开的一个方面涉及一种升压型功率因数校正PFC电路，包括：PFC控制器；PFC开关，PFC开关受PFC控制器的输出的控制；和连接在PFC开关与地之间的等效可变电阻器，PFC控制器的反馈电流输入端连接到PFC开关和等效可变电阻器之间的节点，其中等效可变电阻器的电阻值受PFC电路的输出电压控制，其中，在PFC电路工作于AC或CCG输入的情况下，电阻值保持恒定最小，而在PFC电路工作于ECG输入的情况下，电阻值随PFC电路的输出电压的减小而增大。
根据本公开的一个实施例，PFC电路还可以包括采样电路，该采样电路可以被配置为根据PFC电路的输出电压生成与之成特定比例的电压，其中，等效可变电阻器可以包括金属氧化物场效应MOS晶体管，采样电路所生成的电压连接到该MOS晶体管的栅极，其中，等效可变电阻器的电阻值可以随着MOS晶体管的饱和导通、线性导通状态而变化。
根据本公开的一个实施例，MOS晶体管和采样电路可以被配置为：在PFC电路工作于AC或CCG输入的情况下，MOS晶体管工作证饱和导通状态。
根据本公开的一个实施例，MOS晶体管和采样电路可以被配置为：在PFC电路工作于ECG输入的情况下，MOS晶体管工作在线性导通状态。
根据本公开的一个实施例，等效可变电阻器还可以包括第一电阻器和第二电阻器，第一电阻器与MOS晶体管串联后再与第二电阻器并联。
根据本公开的一个实施例，PFC控制器可以将由反馈电流输入端接收的信号与PFC电路中设定的特定阈值进行比较，当信号的值达到特定阈值时，使PFC开关断开，并且，当信号的值为0时，使PFC开关闭合。
根据本公开的一个实施例，特定阈值可以与PFC电路的输入电压相关。
根据本公开的一个实施例，特定阈值可以与PFC电路的输出电压相关。
本公开的一个方面涉及一种用于发光二极管的驱动电路。该驱动电路包括根据本公开的升压型PFC电路。
本公开的一个方面涉及一种发光二极管照明设备。该发光二极管照明设备包括根据本公开的发光二极管驱动电路。
根据本公开的技术实现的升压型PFC电路、包括该升压型PFC电路的发光二极管驱动器以及使用该驱动器的诸如发光二极管管灯的发光二极管照明设备实现了AC市电直接供电、CCG供电以及各种ECG供电情况的兼容。
附图说明
参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。在附图中，相同的或对应的技术特征或部件将采用相同或对应的附图标记来表示。
图1是例示当前使用的发光二极管驱动电路的示意性电路图。
图2是例示根据本公开实施例的升压型PFC电路的示意性电路图。
图3是例示根据本公开实施例的等效可变电阻器的示例性电路图。
图4是例示根据本公开实施例的LED驱动电路的示例性电路图。
图5的(a)和(b)是分别例示PFC电路工作于AC(或CCG)输入以及ECG输入的情况下，电流反馈信号与特定阈值的比较与开关管Q1的导通和断开的关系的波形图。
具体实施方式
以下参照按照本发明实施例的设备的框图、电路图等描述本发明。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。本文中所用的术语，仅仅是为了描述特定的实施例，而不意图限定本发明。
图1是例示现有技术中使用的发光二极管驱动电路10的示意性电路图，其中，发光二极管驱动电路10包括升压型PFC电路100。
在图1所示的实例中，由交流市电Vac直接向驱动电路10供电。交流电流在经由诸如桥式整流器的整流器11整流后被提供给升压型(boost)PFC电路100。升压型PFC电路100对输入电流的相位进行校正，从而使功率因数接近于1。PFC电路100之后跟随着DC-DC变换器12。DC-DC变换器12提供适用于LED的直流电。
升压型PFC电路100包括：由电感器L1、续流二极管D1、开关管Q1、电容器C1组成的升压电路，由电阻器R1和R2组成的用于采样PFC电路100的输出电压的分压电路，用于对流经开关管Q1的电流进行采样的电阻器Ri，以及用于通过对开关管Q1的导通和断开进行控制来校正功率因数的PFC控制器101。
当PFC控制器101进行控制使得开关管Q1导通时，电流流过电感器L1。在电感器L1未饱和前，电流线性增加，电能以磁能的形式储存在电感器L1中。此时，电容器C1放电，以为负载(包括DC-DC变换器12和LED等的后续电路)提供能量。当PFC控制器101进行控制使得开关管Q1断开时，电感器L1的两端产生自感电动势，以保持电流方向不变。从而，电感器L1两端的自感电动势和经整流器整流的电源电压串联向电容器C1和负载供电。
根据通过由电阻器R1和R2构成的采样电路对PFC电路100的输出电压进行采样而获得的反馈电压Vref、以及通过电阻器Ri对在开关管Q1导通时流经开关管Q1的电流Imos进行采样而获得的电流反馈信号Iref，PFC控制器101对开关管Q1的导通和断开进行控制。由于具体控制逻辑已被本领域技术人员公知，这里不再进行详细描述。
现有升压型PFC电路的优点是：输入电流完全连续，并且在整个输入电压的正弦周期内都可以调制，因此可以获得很高的功率因数；电感电流即为输入电流，容易调节；输入电流连续，开关管的电流峰值较小，对输入电压变化适应性强，等等。
但是，现有升压型PFC电路仅适用于直接由AC市电或通过CCG供电的情况。针对当前越来越广泛使用的各种类型的ECG，由于其具有与AC市电和CCG不同的电流和电压输出特性，无法使用现有的升压型PFC电路。换句话说，上面结合图1所描述的升压型PFC电路100无法兼容通过ECG对照明设备进行供电的情况。
本公开致力于提供一种能够兼容AC市电、CCG和各种ECG供电的、能够提供较高功率因数的升压型PFC电路、LED驱动器以及基于LED的照明设备。
图2是例示根据本公开实施例的升压型PFC电路200的示意性电路图。升压型PFC电路200包括：PFC控制器201，以及开关管Q1(PFC开关的实例)。开关管Q1受PFC控制器201的输出的控制。在图2所示的实例中，开关管Q1是N沟道MOS管。本领域技术人员能够了解：开关管Q1也可以由其它类型的半导体开关管实现，例如P沟道MOS管。PFC控制器201的输出连接到开关管Q1的栅极，以对开关管Q1的导通和关断进行控制。PFC控制器201可以根据设计需要选用市面上可以获得的各种PFC控制芯片。
使用AC市电或CCG进行供电与使用ECG进行供电时，升压型PFC电路的输出电压Vout的值显著不同。在使用AC市电或CCG进行供电时，PFC电路的输出电压Vout的值在400V左右；而在使用ECG进行供电时，输出电压Vout的值依据不同类型的ECG在200V至220V左右的范围。因此，根据由于输出电压Vout的变化而引起的反馈到PFC控制器201的反馈电压和反馈电流的变化，PFC控制器201可以自适应地确定所使用的供电类型(AC、CCG或ECG)，从而自适应地调整对开关管Q1的控制。然而，由于ECG存在许多不同的类型，而使用不同类型的ECG所获得的输出电压Vout存在更加精细(相比于400V到200V的变动范围)的变动范围，诸如200V至300V(甚至200V到220V)，所以，在本公开的技术中对电流反馈信号进行了进一步地调整，以反映出输出电压Vout的较小的变动。
根据图2的实施例，升压型PFC电路200还包括：连接在开关管Q1与地(图中未示出)之间的等效可变电阻器Rs。PFC控制器201的反馈电流输入端连接到开关管Q1和等效可变电阻器Rs之间的节点。等效可变电阻器Rs的电阻值受PFC电路200的输出电压Vout的控制，使得：在PFC电路200工作于AC或CCG输入的情况下，Rs的电阻值保持恒定最小；而在PFC电路工作于ECG输入的情况下，Rs的电阻值随PFC电路200的输出电压Vout的减小而增大。
在图2所示的实施例中，例示而非限制地，由电阻器R3、R4和R5构成了PFC电路200的输出电压Vout的采样电路。其中，电阻器R4和R5之间的节点的电压被作为反馈电压Vref提供到PRC控制器201。电阻器R3和R4之间的节点的电压被作为等效可变电阻器Rs的控制电压。该控制电压与PFC电路200的输出电压Vout的比例为R3/(R3+R4+R5)。
相似于PFC电路100，PFC电路200还包括电感器L1、二极管D1、电容器C1等，这里省略其详细描述。
等效可变电阻器Rs可以以本领域已知的各种压控可变电阻器来实现。例如，等效可变电阻器Rs可以包括金属氧化物场效应MOS晶体管。可以将输出电压Vout的采样电路所生成的电压连接到MOS晶体管的栅极，以对MOS晶体管的饱和导通、线性导通、截止等工作状态进行控制。由于MOS晶体管在饱和导通时，电阻近似为零，而在线性导通状态，电阻也发生线性变化，因而等效可变电阻器Rs的电阻值也将随着MOS晶体管的饱和导通、线性导通状态而变化。
下文中，以图3中所示的等效可变电阻器Rs为例来进行详细描述。图3是例示根据本公开实施例的等效可变电阻器Rs的示例性电路图。等效可变电阻器Rs包括：电阻器R7、R6和MOS晶体管Q2。其中，电阻器R6与MOS晶体管Q2串联，然后与电阻器R7并联。其中，电阻器R6与R7之间的节点以及电阻器R7与MOS晶体管Q2之间的节点分别与MOS晶体管Q1和地连接。采样电路对PFC输出电压Vout进行采样获得的采样电压Vout’被施加于MOS晶体管Q2的栅极，以对MOS晶体管Q2的工作状态进行控制。在图3的实施例中，MOS晶体管Q2采用的是N沟道MOS晶体管。本领域技术人员可以理解，也可以通过对电路进行适当调整来使用P沟道MOS晶体管。
根据本公开的实施例，可以对MOS晶体管Q2以及采样电路(在图2的示例中，电阻器R3、R4和R5的电阻值)进行配置，使得在PFC电路工作于AC或CCG输入的情况下，MOS晶体管Q2工作在饱和导通状态。从而，使得等效可变电阻器Rs的阻值固定且最小，即，阻值为(R6+R7)/R6R7。
进一步地，还可以对MOS晶体管Q2和采样电路进行配置，使得在PFC电路工作于ECG输入的情况下(通常PFC电路的输出电压在200V至300V之间)，MOS晶体管Q2工作在线性导通状态。从而，使得等效可变电阻器Rs的阻值随着MOS晶体管Q2的电阻的线性变化而变化。
图4是例示根据本公开实施例的LED驱动电路40的示例性电路图。发光二极管驱动电路40包括：根据本公开实施例的升压型PFC电路400、整流器11、以及DC-DC变换器12等。
发光二极管驱动电路40既可以由交流市电直接供电，也可以通过CCG或各种类型的ECG进行供电。所供电力在经由诸如桥式整流器的整流器11整流后被提供给升压型(boost)PFC电路400。升压型PFC电路400对输入电流的相位进行校正，从而使功率因数接近于1。PFC电路400之后跟随着DC-DC变换器12，以向LED提供适用的直流电。
升压型PFC电路400包括：由电感器L1、续流二极管D1、开关管Q1、电容器C1组成的升压电路；用于通过对开关管Q1的导通和断开进行控制来校正功率因数的PFC控制器401；由电阻器R6、R7和MOS晶体管Q2组成的用于对流经开关管Q1的电流进行采样的等效可变电阻器Rs；以及由电阻器R3、R4和R5组成的用于采样PFC电路400的输出电压的分压电路，其中，可以使用电阻器R3和R4之间的采样电压对MOS晶体管Q2的导通和关断进行控制，而电阻器R4和R5之间的采样电压作为反馈电压Vref反馈给PFC控制器401。
在根据本公开的实施例中，PFC控制器401可以将由反馈电流输入端接收的电流反馈信号Iref(Iref＝Rs*Imos)与PFC电路中设定的特定阈值Th进行比较，当信号Iref的值达到特定阈值Th时，使开关管Q1断开，并且，当信号Iref的值为0时，使开关管Q1再次导通。
图5的(a)和(b)是分别例示出PFC电路工作于AC(或CCG)输入以及ECG输入的情况下，电流反馈信号Iref与特定阈值Th的比较与开关管Q1的栅极控制信号的关系的波形图。
图5的(a)的波形图例示出PFC电路工作于AC或CCG输入的情况下，电流反馈Iref与特定阈值Th的比较与开关管Q1的栅极控制信号(即开关管Q1的导通或关断)的关系。当PFC电路工作于AC或CCG输入的情况下，等效可变电阻器Rs被调整到最小值。例如，在图4所示的示例中，MOS晶体管Q2饱和导通。
在一些实施例中，特定阈值Th可以与PFC电路的输入电压Vin相关。例如，Th＝K*Vin。其中，K可以是常数，或者，K可以与PFC电路的输出电压相关。例如，可以通过对电压反馈信号Vref、预先设定的比较电压和/或电流反馈信号Iref进行比较、加减等运算来确定K的值。
在PFC电路工作于AC或CCG输入的情况下，PFC控制器可以根据电流反馈信号Iref和电压反馈信号Vref来控制开关管Q1的工作频率，从而从AC或CCG的输入中得到适当的功率，以实现最优的功率因数。
在如图5的(a)可以看出，开关管Q1以可变的工作频率进行工作。当信号Iref的值达到特定阈值Th(K*Vin)时，开关管Q1断开；而当信号Iref的值下降到0时，开关管Q1再次导通。
图5的(b)波形图例示出PFC电路工作于ECG输入的情况下，电流反馈Iref与特定阈值Th的比较与开关管Q1的栅极控制信号(即开关管Q1的导通或关断)的关系。当PFC电路工作于ECG输入的情况下，等效可变电阻器Rs的阻值线性变化，并且随着PFC电路的输出电压的减小而增大。例如，在图4所示的示例中，MOS晶体管Q2根据其栅极电压的变化工作在线性导通状态。换句话说，等效可变电阻器Rs的阻值根据不同的ECG类型(不同的输出电压)而改变。
由图5的(b)可以看出，当信号Iref的值(Rs*Imos)达到特定阈值Th(K*Vin)时，开关管Q1断开；而当信号Iref的值降低到0时，开关管Q1再次导通。从而升压型PFC电路能够从ECG获得适当的功率，以实现最优的功率因数。
由于通常会在整流器的输出侧并联滤波电容器(图中未示出)，滤波电容器能够滤除ECG输出的高频正弦波(其频率例如是40KHz)，因而，在使用ECG进行供电的情况下，升压型PFC电路400的输入几乎为恒定值的电压。如图5的(b)所示，在K取常数时，阈值Th＝K*Vin也为恒定值。因而，开关管Q1将以固定的(例如50Khz)的频率导通和关断。
需要注意的是：在ECG供电的情况下，虽然PFC控制器(例如是各种PFC控制芯片)的峰值电流控制功能一直保持在可触发状态，但是由于PFC电路的输出电压只有200V至300V左右，而不是由交流市电或CCG供电时的400V左右，所以，可以禁止PFC控制器的PFC功能。
根据本公开实施例的升压型PFC电路、包括该升压型PFC电路的发光二极管驱动器以及使用该驱动器的诸如发光二极管管灯的发光二极管照明设备能够实现AC市电直接供电、CCG供电以及各种ECG供电情况的兼容。
在前面的说明书中参照特定实施例描述了本发明。然而本领域的普通技术人员理解，在不偏离如权利要求书限定的本发明的范围的前提下可以进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种升压型功率因数校正PFC电路，包括：
PFC控制器；
PFC开关，所述PFC开关受所述PFC控制器的输出的控制；和
连接在所述PFC开关与地之间的等效可变电阻器，所述PFC控制器的反馈电流输入端连接到所述PFC开关和所述等效可变电阻器之间的节点，
其中，所述等效可变电阻器的电阻值受所述PFC电路的输出电压控制，其中在所述PFC电路工作于交流市电或传统镇流器输入的情况下，所述电阻值保持恒定最小，而在所述PFC电路工作于电子镇流器输入的情况下，所述电阻值随所述PFC电路的输出电压的减小而增大。
2.根据权利要求1所述的PFC电路，还包括采样电路，被配置为根据所述PFC电路的输出电压生成与之成特定比例的电压，其中，所述等效可变电阻器包括金属氧化物场效应MOS晶体管，所述采样电路所生成的电压连接到所述MOS晶体管的栅极，其中，所述等效可变电阻器的电阻值随着所述MOS晶体管的饱和导通、线性导通状态而变化。
3.根据权利要求2所述的PFC电路，其中，所述等效可变电阻器还包括第一电阻器和第二电阻器，所述第一电阻器与所述MOS晶体管串联后再与所述第二电阻器并联。
4.根据权利要求3所述的PFC电路，其中，所述MOS晶体管和所述采样电路被配置为：在所述PFC电路工作于交流市电或传统镇流器输入的情况下，所述MOS晶体管工作在饱和导通状态。
5.根据权利要求3或4所述的PFC电路，其中，所述MOS晶体管和所述采样电路被配置为：在所述PFC电路工作于电子镇流器输入的情况下，所述MOS晶体管工作在线性导通状态。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的PFC电路，其中，
所述PFC控制器将由所述反馈电流输入端接收的信号与所述PFC电路中设定的特定阈值进行比较，当所述信号的值达到所述特定阈值时，使所述PFC开关断开，并且，当所述信号的值为0时，使所述PFC开关闭合。
7.根据权利要求6所述的PFC电路，其中，所述特定阈值与所述PFC电路的输入电压相关。
8.根据权利要求7所述的PFC电路，其中，所述特定阈值与所述PFC电路的输出电压相关。
9.一种用于发光二极管的驱动电路，包括根据权利要求1至8中任一项所述的升压型PFC电路。
10.一种发光二极管照明设备，包括根据权利要求9所述的驱动电路。
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