CN109088536B - 改善谐波的有源功率因数校正电路、方法及驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改善谐波的有源功率因数校正电路、方法及驱动系统，包括：降压式变换模块；检测输出电流并产生补偿电压的输出电流检测模块；采集开关控制信号的占空比的占空比补偿模块；产生锯齿波的锯齿波发生模块，所述锯齿波的充电电流正比于所述开关控制信号的占空比；产生开关控制信号的开关信号产生模块。以所述开关控制信号的占空比对所述锯齿波的充电电流进行补偿，使得所述锯齿波的充电电流正比于所述开关控制信号的占空比，从而使功率开关管的导通时间反比于开关控制信号的占空比；进而减小输入电流的谐波分量。本发明的开关管的导通时间不再固定，而是随占空比的增大而减小，从而实现高功率因数以及低的总谐波及谐波分量。

Description

改善谐波的有源功率因数校正电路、方法及驱动系统

技术领域

本发明涉及电源管理领域，特别是涉及一种改善谐波的有源功率因数校正电路、方法及驱动系统。

背景技术

有源功率因数校正是指通过有源电路(主动电路)让输入功率因数提高，控制开关器件让输入电流波形跟随输入电压波形。相对于无源功率因数校正电路(被动电路)，有源功率因数校正电路结构更加复杂，功率因数的改善效果更好，因此，有源功率因数校正被广泛应用于电源管理领域。

在采用有源功率因数校正电路的LED驱动应用中，通常采用开关管固定导通时间的方法来实现高功率因数，这种方法有控制简单，外围器件少，也可以达到较高的功率因数。如图1所示，现有技术中的采用有源功率因数校正电路的LED驱动电路1包括：电压输入模块11、功率开关管M’、电阻R1’、电感L’、二极管D’、电阻R2’、电阻R3’、有源功率因数校正模块12、电容C2’、电阻R4’、LED负载、电容C3’。所述电压输入模块11包括整流桥和电容C1’；所述功率开关管M’的漏端连接于所述整流桥的第一输出端、源端连接所述电阻R1’的一端；所述电感L’连接于所述电阻R1’的另一端和所述电容C2’的上极板之间，所述电容C2’的下极板连接所述整流桥的第二输出端；所述电阻R4’及所述LED负载并联于所述电容C2’的两端；所述有源功率因数校正模块12连接于所述功率开关管M’与所述电阻R1’之间，还连接所述电容C3’的上极板，所述电容C3’的下极板接地；所述电阻R2’及所述电阻R3’对所述电感L’两端电压分压，并将分压信号输出到所述有源功率因数校正模块12，所述有源功率因数校正模块12据此产生所述功率开关管M’的控制信号。

所述电阻R1’上的峰值电流

其中，Ton为所述功率开关管M’的导通时间，L_L’为所述电感L’的电感量，V_in为所述电压输入模块11提供的输入电压，V_out为输出电压。因而整个系统的输入电流满足如下关系式：

从该式中可以看出，输入电流Iin和输出电压Vout强相关，所以输入电流含有较大的谐波分量。

如图2所示为所述采用有源功率因数校正电路的LED驱动电路1的工作波形示意图，由所述输入电流Iin的波形可知，其波形呈现类方波的形状，因此含有较大的谐波分量。

为了降低谐波分量，现有技术中，通常会在外围线路上增加RC补偿，如图3所示，电阻R5’及电容C3’串联构成RC补偿模块13，连接于所述电压输入模块11及所述电容C3’之间。但是，由于这两个器件都需要是高压器件，所以体积较大，成本较高，也无法集成至芯片内部；而且在不同的系统中，这两个器件的取值也不同，没有自适应的特点。

因此，如何在改善谐波的前提下，实现体积小、成本低、易集成等目的已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种改善谐波的有源功率因数校正电路、方法及驱动系统，用于解决现有技术中有源功率因数校正电路的输入电流谐波分量大的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种改善谐波的有源功率因数校正电路，所述改善谐波的有源功率因数校正电路至少包括：

降压式变换模块，输出电流检测模块、占空比补偿模块、锯齿波发生模块、补偿电容以及开关信号产生模块；

所述降压式变换模块，用于提供直流电；

所述输出电流检测模块的输入端连接于所述降压式变换模块的采样节点，用于对所述降压式变换模块的输出电流进行检测，所述输出电流检测模块的输出端连接所述补偿电容的上极板以形成补偿电压，所述补偿电容的下极板接地；

所述占空比补偿模块用于采集所述降压式变换模块的开关控制信号的占空比；

所述锯齿波发生模块连接于所述占空比补偿模块的输出端，用于根据所述开关控制信号的占空比产生锯齿波，使所述锯齿波的充电电流正比于所述开关控制信号的占空比；

所述开关信号产生模块连接于所述输出电流检测模块和所述锯齿波发生模块的输出端，以及所述降压式变换模块的过零检测点，用于根据所述补偿电压、所述锯齿波及所述降压式变换模块的过零检测信号产生所述开关控制信号，所述开关控制信号用于控制所述降压式变换模块中功率开关管的导通和关断。

优选地，所述降压式变换模块为BUCK电路或浮地BUCK电路。

更优选地，所述改善谐波的有源功率因数校正电路还包括工作电压产生模块，为所述输出电流检测模块、所述占空比补偿模块、所述锯齿波发生模块和所述开关信号产生模块提供工作电压；所述工作电压产生模块包括分压电阻及第一电容，所述分压电阻的一端连接所述降压式变换模块的电压输出端、另一端连接所述第一电容的上极板并输出所述工作电压，所述第一电容的下极板接地。

优选地，所述输出电流检测模块包括：采样滤波单元、基准电压产生单元和跨导放大器；

所述采样滤波单元连接于所述降压式变换模块的采样节点，用于对所述降压式变换模块的采样电压进行滤波；

所述基准电压产生模块用于产生一基准电压；

所述跨导放大器的第一输入端及第二输入端分别连接所述采样滤波单元及所述基准电压产生模块的输出端，用于将所述采样电压及所述基准电压的差值进行放大，并作用于所述补偿电容形成补偿电压。

优选地，所述锯齿波发生模块包括直流电源单元，充电电流控制单元、第二电容及开关管；

所述直流电源单元的正极连接所述充电电流控制单元、负极接地，用于提供直流电；

所述充电电流控制单元连接于所述直流电源单元的正极以及所述占空比补偿模块的输出端，根据所述开关控制信号的占空比调整所述锯齿波发生模块的充电电流；

所述第二电容的上极板连接于所述充电电流控制单元的输出端、下极板接地，用于储存电能；

所述开关管并联于所述第二电容的两端，当所述功率开关管导通时所述开关管关断；当所述功率开关管关断时所述开关管导通；用于控制所述储能电容的充放电。

优选地，所述开关信号产生模块包括：比较器、过零检测单元、开关信号控制单元以及驱动单元；

所述比较器的第一输入端及第二输入端分别连接所述输出电流检测模块及所述锯齿波发生模块的输出端，用于将所述锯齿波与所述补偿电压进行比较；

所述过零检测单元连接于所述降压式变换模块的过零检测点，用于检测所述降压式变换模块中的电感放电结束的时刻；

所述开关信号控制单元连接于所述比较器及所述过零检测单元的输出端，根据所述比较器及所述过零检测单元的输出信号产生所述开关控制信号；

所述驱动单元连接于所述开关信号控制单元的输出端，用于驱动所述功率开关管。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种改善有源功率因数校正电路谐波的方法，所述改善有源功率因数校正电路谐波的方法至少包括：

对输出电流的采样电流进行检测，并得到补偿电压，根据所述补偿电压限制锯齿波的峰值，根据功率开关管的开关控制信号限制所述锯齿波的充放电时间；

以所述开关控制信号的占空比对所述锯齿波的充电电流进行补偿，使得所述锯齿波的充电电流正比于所述开关控制信号的占空比，从而使功率开关管的导通时间反比于所述开关控制信号的占空比；进而减小输入电流的谐波分量。

优选地，进一步包括：将采样电流转化为采样电压，将所述采样电压与一基准电压的差值放大后以电流形式输出，并转化为电压，以形成补偿电压。

优选地，进一步包括：将所述锯齿波与所述补偿电压进行比较，产生与所述锯齿波的占空比一致的方波信号，当输出电流为零时所述开关控制信号为高电平，当所述输出电流不为零时所述方波信号作为所述开关控制信号。

优选地，所述输入电流满足如下关系式：

其中，I_{cs_pk}为采样电流的峰值，I_in为输入电流，V_in为输入电压，V_out为输出电压，Ton为导通时间，L_L1为电感的电感量，A为常数。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种LED驱动系统，所述LED驱动系统至少包括：

上述改善谐波的有源功率因数校正电路，以及连接于所述改善谐波的有源功率因数校正电路输出端的容性或阻性负载。

如上所述，本发明的改善谐波的有源功率因数校正电路、方法及驱动系统，具有以下有益效果：

本发明的改善谐波的有源功率因数校正电路、方法及驱动系统在原有控制方式的基础上，使锯齿波发生模块的充电电流与开通时的占空比相关，从而使开关管的导通时间不再固定，而是随占空比的增大而减小，从而实现高功率因数以及低的总谐波及谐波分量；本发明的控制方式省去了外围补偿电路，降低了系统成本，使电路更加小型化。

附图说明

图1显示为现有技术中的采用有源功率因数校正电路的LED驱动电路的结构示意图。

图2显示为现有技术中的采用有源功率因数校正电路的LED驱动电路的工作波形示意图。

图3显示为现有技术中的改善谐波的有源功率因数校正电路的结构示意图。

图4显示为本发明的改善谐波的有源功率因数校正电路的第一种结构示意图。

图5显示为本发明的锯齿波发生模块的结构示意图。

图6～图10显示为本发明的改善谐波的有源功率因数校正电路的另五种结构示意图。

图11显示为本发明的改善谐波的有源功率因数校正电路的工作波形示意图。

元件标号说明

1 有源功率因数校正电路的LED驱动电路

11 电压输入模块

12 有源功率因数校正模块

13 RC补偿模块

2 改善谐波的有源功率因数校正电路

21 降压式变换模块

211 电压输入单元

212 负载

22 输出电流检测模块

221 采样滤波单元

222 基准电压产生单元

223 跨导放大器

23 占空比补偿模块

24 锯齿波发生模块

241 充电电流控制单元

25 开关信号产生模块

251 比较器

252 过零检测单元

253 开关信号控制单元

254 驱动单元

26 工作电压产生模块

27 有源功率因数校正、采样及开关控制模块

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图4～图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图4所示，本发明提供一种改善谐波的有源功率因数校正电路2，所述改善谐波的有源功率因数校正电路2至少包括：

降压式变换模块21，输出电流检测模块22、占空比补偿模块23、锯齿波发生模块24、开关信号产生模块25以及工作电压产生模块26；

如图4所示，所述降压式变换模块21，用于提供直流电。

具体地，所述降压式变换模块21为浮地BUCK电路，包括电压输入单元211、功率开关管M、采样电阻R、输出电感L、第一电阻R1、第二电阻R2、续流二极管D以及输出电容Cout。

更具体地，所述电压输入单元211用于提供输入电压Vin，包括整流桥及并列于所述整流桥两端的稳压电容Cin，所述整流桥的第一输入端及第二输入端接收交流电压AC，用于对所述交流电压AC整流为直流的输入电压Vin，所述整流桥包括第一二极管D1’、第二二极管D2’、第三二极管D3’及第四二极管D4’；所述第一二极管D1’的阳极连接所述第四二极管D4’的阴极，并作为第一输入端；所述第二二极管D2’的阴极连接所述第一二极管D1’的阴极，并作为第一输出端；所述第三二极管D3’的阴极连接所述第二二极管D2’的阳极，并作为第二输入端；所述第四二极管D4’的阳极连接所述第三二极管D3’的阳极，并作为第二输出端；所述稳压电容Cin并联于所述整流桥的第一输出端及第二输出端之间，用于稳定所述输入电压Vin。所述功率开关管M的漏端连接于所述电压输入单元211的第一输出端，用于控制输出电流。所述采样电阻Rcs的一端连接于所述功率开关管M的源端，作为采样节点，用于对所述输出电流进行采样，并转化为采样电压。所述输出电感L连接于所述采样电阻Rcs的另一端及所述输出电容Cout之间，用于储存电能。所述第一电阻R1及所述第二电阻R2串联后并联于所述输出电感L的两端，所述第一电阻R1与所述第二电阻R2的中间节点作为过零检测点。所述输出电容Cout的上极板连接所述输出电感L、下极板连接所述电压输入单元211的第二输出端。所述续流二极管D的正极连接所述输出电容Cout的下极板、负极连接所述采样节点。

如图4所示，所述输出电流检测模块22连接于所述降压式变换模块21的采样节点，用于对所述降压式变换模块21的输出电流进行检测，所述输出电流检测模块21的输出端连接补偿电容Ccomp的上极板以形成补偿电压，所述补偿电容Ccomp的下极板接地。

具体地，在本实施例中，所述输出电流检测模块22包括：采样滤波单元221、基准电压产生单元222以及跨导放大器223。

更具体地，所述采样滤波单元221连接于所述降压式变换模块21的采样节点(所述功率开关管M1的源端)，用于对所述降压式变换模块21的采样电压进行滤波。所述基准电压产生模块222用于产生一基准电压。所述跨导放大器223的第一输入端及第二输入端分别连接所述采样滤波单元221及所述基准电压产生模块222的输出端，用于将所述采样电压及所述基准电压的差值进行放大，并作用于所述补偿电容Ccomp形成补偿电压，在本实施例中，所述跨导放大器223的正相输入端连接所述基准电压产生模块222、反相输入端连接所述采样滤波单元221，在实际使用中，可通过增加反相器改变输入或输出端的连接关系，实现相同的逻辑关系，在此不一一赘述。根据虚短原理，所述采样电压被稳定于所述基准电压处。

如图4所示，所述占空比补偿模块23用于采集所述降压式变换模块21的开关控制信号的占空比。

具体地，所述开关控制信号V_GATE的占空比

其中，Ton为所述功率开关管M的导通时间，Toff为所述功率开关管M的关断时间，Vout为输出电压，Vin为输入电压。在本实施例中，所述开关控制信号V_GATE的占空比Duty可以直接从所述开关信号产生模块25的输出端获取，也可根据所述开关控制信号V_GATE的占空比Duty的表达式从输入电压与输出电压的关系上获取，任意可获取所述开关控制信号V_GATE的占空比Duty的电路均适用于本发明，不以本实施例为限，在此不一一赘述。

如图4所示，所述锯齿波发生模块24连接于所述占空比补偿模块23的输出端，用于根据所述开关控制信号V_GATE的占空比Duty产生锯齿波STW，使所述锯齿波STW的充电电流正比于所述开关控制信号V_GATE的占空比Duty。

具体地，如图5所示，所述锯齿波发生模块24包括直流电源单元DC，充电电流控制单元241、第二电容C2及开关管Q。所述直流电源单元DC的正极连接所述充电电流控制单元241、负极接地，用于提供直流电；所述充电电流控制单元241连接于所述直流电源单元DC的正极以及所述占空比补偿模块23的输出端，根据所述开关控制信号V_GATE的占空比Duty调整所述锯齿波发生模块24的充电电流Icharge，使所述锯齿波发生模块24的充电电流Icharge正比于所述开关控制信号V_GATE的占空比Duty；所述第二电容C2的上极板连接于所述充电电流控制单元241的输出端、下极板接地，用于储存电能；所述开关管Q并联于所述第二电容C2的两端，当所述第一功率开关管M1导通时所述开关管Q关断，当所述第一功率开关管M2关断时所述开关管Q导通，用于控制所述第二电容C2的充放电。

如图4所示，所述开关信号产生模块25连接于所述输出电流检测模块22和所述锯齿波发生模块24的输出端，以及所述降压式变换模块21的过零检测点，用于根据所述补偿电压、所述锯齿波及所述降压式变换模块21的过零检测信号产生所述开关控制信号V_GATE，所述开关控制信号V_GATE用于控制所述降压式变换模块21中所述功率开关管M的导通和关断。

具体地，所述开关信号产生模块25包括：比较器251、过零检测单元252、开关信号控制单元253以及驱动单元254。

更具体地，所述比较器251的第一输入端及第二输入端分别连接所述输出电流检测模块22及所述锯齿波发生模块24的输出端，用于将所述锯齿波与所述补偿电压进行比较，在本实施例中，所述比较器251的正相输入端连接所述输出电流检测模块22的输出端、反相输入端连接所述锯齿波发生模块24的输出端，在实际使用中，可通过增加反相器改变输入或输出端的连接关系，实现相同的逻辑关系，在此不一一赘述。所述过零检测单元252连接于所述降压式变换模块21的过零检测点，用于检测所述降压式变换模块21中的电感放电结束的时刻；所述开关信号控制单元253连接于所述比较器251及所述过零检测单元252的输出端，根据所述比较器251及所述过零检测单元252的输出信号产生所述开关控制信号V_GATE；所述驱动单元254连接于所述开关信号控制单元253的输出端，用于驱动所述功率开关管M。

如图4所示，所述工作电压产生模块26为所述输出电流检测模块22、所述占空比补偿模块23、所述锯齿波发生模块24、所述开关信号产生模块25提供工作电压VCC。

具体地，所述工作电压产生模块26包括分压电阻R3及第一电容C1，所述分压电阻的一端连接所述电压输入单元的第一输出端(电压输出端)、另一端连接所述第一电容C1的上极板并输出所述工作电压VCC，所述第一电容C1的下极板接地。

如图4所示，在本实施例中，所述输出电容Cout的两端并联连接输出电阻Rout及LED负载，以形成LED驱动系统，其他需要负载也适用于本发明，在此不一一赘述。

实施例二

本实施例提供一种改善谐波的有源功率因数校正电路，与实施例一的改善谐波的有源功率因数校正电路结构类似，不同之处在于，本实施例中的降压式变换模块21的结构与实施例一不同，本实施例中的降压式变换模块21为BUCK电路，通常按照芯片接地点与输入接地点(整流桥负端)是否是共同接地点来区分，如果是共同接地点则称之为BUCK，如果不是共同接地点则称之为浮地BUCK。

如图6所示，所述降压式变换模块21包括电压输入单元211、输出电容Cout、变压器T1、第三电阻R3、第四电阻R4、功率开关管M、续流二极管D以及采样电阻Rcs。

具体地，所述电压输入单元211的第二输出端接地，用于提供输入电压，其结构与实施例一中的电压输入单元211相同，在此不一一赘述。

具体地，所述输出电容Cout的上极板连接所述电压输入单元211的第一输出端。

具体地，所述变压器T1的原边连接于所述输出电容Cout的下极板与所述功率开关管M的漏端之间、副边与串连的第三电阻R3和第四电阻R4并联，所述第三电阻R3与所述第四电阻R4的中间节点作为过零检测点；在本实施例中，所述变压器T1的原边相当于输出电感，所述变压器T1的副边感应所述原边上的电流，以辅助后续电路对所述原边上的电流进行检测。

具体地，所述功率开关管M的源端连接所述采样电阻Rcs后接地，所述功率开关管M与所述采样电阻Rcs的连接结点作为采样节点。

具体地，所述续流二极管D的阳极连接所述功率开关管M的漏端、阴极连接所述输出电容Cout的上极板。

其他模块的结构及作用都相同，在此不一一赘述。

在实际应用中，可使用任意AC/DC降压类的拓扑结构来代替本发明中的降压式变换模块21，在此不一一赘述。

实施例三

本实施例提供一种改善谐波的有源功率因数校正电路，与实施例一及实施例二的改善谐波的有源功率因数校正电路结构类似，不同之处在于，本实施例中的降压式变换模块21的结构与实施例一及实施例二不同。

具体地，如图7所示，为了简化外围电路，将所述输出电流检测模块22、所述占空比补偿模块23、所述锯齿波发生模块24、所述开关信号产生模块25、所述工作电压产生模块26、功率开关管M以及采样电阻Rcs集成于同一模块(有源功率因数校正、采样及开关控制模块27)。

如图7所示，本实施例中所述降压式变换模块21包括电压输入单元211、输出电容Cout及输出电感L。所述电压输入单元211的第一输出端连接所述输出电容Cout的上极板；所述负载212并联于所述输出电容Cout的两端；所述输出电感L连接于所述输出电容Cout的下极板与所述有源功率因数校正、采样及开关控制模块27之间；所述有源功率因数校正、采样及开关控制模块27还连接所述输出电容Cout的上极板及所述电压输入单元211的第二输出端，在实施例一及实施例二的基础上，本领域技术人员可以根据所述降压式变换模块21的不同结构找到对应的采样节点、过零检测点，所述有源功率因数校正、采样及开关控制模块27的具体连接关系在此不一一赘述。所述有源功率因数校正、采样及开关控制模块27还可与所述输出电容Cout及所述输出电感L的中间结点连接，用于检测输出电压。在本实施例中，所述降压式变换模块21可以是BUCK电路，也可以是浮地BUCK电路，视具体电路结构而定。

本发明可用于非隔离恒流或恒压，可以设计成用于容性或阻性的负载，所述负载212包括但不限于直流风扇，小家电，LED。

实施例四

本实施例提供一种改善谐波的有源功率因数校正电路，与实施例一～三的改善谐波的有源功率因数校正电路结构类似，不同之处在于，本实施例中的降压式变换模块21的结构与实施例一～三不同。

如图8所示，本实施例中，所述降压式变换模块21包括电压输入单元211、输出电容Cout及输出电感L。所述输出电感L连接于所述电压输入单元211的第一输出端及所述输出电容Cout的上极板之间；所述输出电容Cout的下极板连接所述有源功率因数校正、采样及开关控制模块27；所述负载212并联于所述输出电容Cout的两端；所述有源功率因数校正、采样及开关控制模块27还连接所述电压输入单元211的第一输出端及所述电压输入单元211的第二输出端，在实施例一及实施例二的基础上，本领域技术人员可以根据所述降压式变换模块21的不同结构找到对应的采样节点、过零检测点，所述有源功率因数校正、采样及开关控制模块27的具体连接关系在此不一一赘述。所述有源功率因数校正、采样及开关控制模块27还可与所述输出电容Cout及所述输出电感L的中间结点连接，用于检测输出电压。在本实施例中，所述降压式变换模块21可以是BUCK电路，也可以是浮地BUCK电路，视具体电路结构而定。

实施例五

本实施例提供一种改善谐波的有源功率因数校正电路，与实施例一～四的改善谐波的有源功率因数校正电路结构类似，不同之处在于，本实施例中的降压式变换模块21的结构与实施例一～四不同。

如图9所示，本实施例中，所述降压式变换模块21包括电压输入单元211、输出电容Cout及输出电感L。所述有源功率因数校正、采样及开关控制模块27连接于所述电压输入单元211的第一输出端；所述输出电感L连接于所述有源功率因数校正、采样及开关控制模块27及所述输出电容Cout的上极板之间；所述输出电容Cout的下极板连接所述电压输入单元211的第二输出端；所述负载212并联于所述输出电容Cout的两端；所述有源功率因数校正、采样及开关控制模块27还连接所述输出电容Cout的下极板，在实施例一及实施例二的基础上，本领域技术人员可以根据所述降压式变换模块21的不同结构找到对应的采样节点、过零检测点，所述有源功率因数校正、采样及开关控制模块27的具体连接关系在此不一一赘述。所述有源功率因数校正、采样及开关控制模块27还可与所述输出电容Cout及所述输出电感L的中间结点连接，用于检测输出电压。在本实施例中，所述降压式变换模块21可以是BUCK电路，也可以是浮地BUCK电路，视具体电路结构而定。

实施例六

本实施例提供一种改善谐波的有源功率因数校正电路，与实施例一～五的改善谐波的有源功率因数校正电路结构类似，不同之处在于，本实施例中的降压式变换模块21的结构与实施例一～五不同。

如图10所示，本实施例中，所述降压式变换模块21包括电压输入单元211、输出电容Cout及输出电感L。所述有源功率因数校正、采样及开关控制模块27连接于所述电压输入单元211的第一输出端；所述输出电容Cout的上极板连接所述有源功率因数校正、采样及开关控制模块27；所述输出电感L连接于所述输出电容Cout的下极板及所述电压输入单元211的第二输出端之间；所述负载212并联于所述输出电容Cout的两端；所述有源功率因数校正、采样及开关控制模块27还连接所述电压输入单元211的第二输出端，在实施例一及实施例二的基础上，本领域技术人员可以根据所述降压式变换模块21的不同结构找到对应的采样节点、过零检测点，所述有源功率因数校正、采样及开关控制模块27的具体连接关系在此不一一赘述。所述有源功率因数校正、采样及开关控制模块27还可与所述输出电容Cout及所述输出电感L的中间结点连接，用于检测输出电压。在本实施例中，所述降压式变换模块21可以是BUCK电路，也可以是浮地BUCK电路，视具体电路结构而定。

在实际应用中，任意降压变换电路(BUCK电路或浮地BUCK电路)均适用于本发明的降压式变换模块21，包括但不限于本实施例所列举的六种实施方式。

实施例七

如图4～图11所示，本发明还提供一种改善有源功率因数校正电路谐波的方法，所述改善有源功率因数校正电路谐波的方法至少包括：

对输出电流的采样电流进行检测，并得到补偿电压，根据所述补偿电压限制锯齿波的峰值，根据功率开关管的开关控制信号限制所述锯齿波的充放电时间；

以所述开关控制信号的占空比对所述锯齿波的充电电流进行补偿，使得所述锯齿波的充电电流正比于所述开关控制信号的占空比，从而使功率开关管的导通时间反比于所述开关控制信号的占空比；进而减小输入电流的谐波分量。

具体地，如图4～图11所示，随着交流电压V_AC的升高，所述稳压电容Cin上的电压Vcin逐渐升高，在初始阶段，由于所述输出电容Cout给所述稳压电容Cin供电，因此所述稳压电容Cin上的电压Vcin保持在一恒定值，不会下降至零。所述采样电阻Rcs对输出电流进行采样，并将采样电流Ics转化为采样电压，所述输出电流检测模块22将所述采样电压与一基准电压比较，两者的差值放大后以电流形式输出，并储存于所述补偿电容Ccomp上转化为电压，以形成补偿电压。

所述占空比补偿模块23采集所述开关控制信号V_GATE的占空比Duty，以采集所述开关控制信号V_GATE的占空比Duty调整所述锯齿波STW的充电电流，使所述锯齿波STW的充电电流正比于所述开关控制信号V_GATE的占空比Duty，并以所述开关控制信号V_GATE控制所述锯齿波STW的充放电时间，以产生所述锯齿波STW。

将所述锯齿波STW与所述补偿电压进行比较，产生与所述锯齿波STW的占空比一致的方波信号，当输出电感L上的电流为零时所述开关控制信号V_GATE为高电平，当所述输出电感L上的电流不为零时所述方波信号作为所述开关控制信号V_GATE。最终，所述输入电流Iin满足如下关系式：

其中，I_{cs_pk}为采样电流的峰值，I_in为输入电流，V_in为输入电压，V_out为输出电压，Ton为导通时间，L_L为输出电感的电感量，A为常数。由此可见，当输入电压Vin和输出电压Vout相差较大时，输入电流Iin和输入电压Vin强相关，输入电流Iin中的谐波分量也较少。图7为所述改善谐波的有源功率因数校正电路2的工作波形示意图，由所述输入电流Iin的波形可知，其波形呈现类正弦波的形状，因此谐波分量大大减少。

本发明的改善谐波的有源功率因数校正电路、方法及驱动系统在原有控制方式的基础上，使锯齿波发生模块的充电电流与开通时的占空比相关，从而使开关管的导通时间不再固定，而是随占空比的增大而减小，从而实现高功率因数以及低的总谐波及谐波分量；本发明的控制方式省去了外围补偿电路，降低了系统成本，使电路更加小型化。

综上所述，本发明提供一种改善谐波的有源功率因数校正电路、方法及驱动系统，包括：降压式变换模块；检测输出电流并产生补偿电压的输出电流检测模块；采集开关控制信号的占空比的占空比补偿模块；产生锯齿波的锯齿波发生模块，所述锯齿波的充电电流正比于所述开关控制信号的占空比；产生开关控制信号的开关信号产生模块。对输出电流的采样电流进行检测，并得到补偿电压，根据所述补偿电压限制锯齿波的峰值，根据功率开关管的开关控制信号限制所述锯齿波的充放电时间；以所述开关控制信号的占空比对所述锯齿波的充电电流进行补偿，使得所述锯齿波的充电电流正比于所述开关控制信号的占空比，从而使功率开关管的导通时间反比于所述开关控制信号的占空比；进而减小输入电流的谐波分量。本发明的改善谐波的有源功率因数校正电路、方法及驱动系统在原有控制方式的基础上，使锯齿波发生模块的充电电流与开通时的占空比相关，从而使开关管的导通时间不再固定，而是随占空比的增大而减小，从而实现高功率因数以及低的总谐波及谐波分量；本发明的控制方式省去了外围补偿电路，降低了系统成本，使电路更加小型化。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种改善谐波的有源功率因数校正电路，其特征在于，所述改善谐波的有源功率因数校正电路至少包括：

降压式变换模块、输出电流检测模块、占空比补偿模块、锯齿波发生模块、补偿电容以及开关信号产生模块；

所述降压式变换模块，用于提供直流电；

所述输出电流检测模块的输入端连接于所述降压式变换模块的采样节点，用于对所述降压式变换模块的输出电流进行检测，所述输出电流检测模块的输出端连接所述补偿电容的上极板以形成补偿电压，所述补偿电容的下极板接地；

所述占空比补偿模块用于采集所述降压式变换模块的开关控制信号的占空比；

所述锯齿波发生模块连接于所述占空比补偿模块的输出端，用于根据所述开关控制信号的占空比产生锯齿波，使所述锯齿波的充电电流正比于所述开关控制信号的占空比；

所述开关信号产生模块连接于所述输出电流检测模块和所述锯齿波发生模块的输出端，以及所述降压式变换模块的过零检测点，用于根据所述补偿电压、所述锯齿波及所述降压式变换模块的过零检测信号产生所述开关控制信号，所述开关控制信号用于控制所述降压式变换模块中功率开关管的导通和关断；

其中，所述锯齿波发生模块包括直流电源单元、充电电流控制单元、第二电容及开关管；所述直流电源单元的正极连接所述充电电流控制单元、负极接地，用于提供直流电；所述充电电流控制单元连接于所述直流电源单元的正极以及所述占空比补偿模块的输出端，根据所述开关控制信号的占空比调整所述锯齿波发生模块的充电电流；所述第二电容的上极板连接于所述充电电流控制单元的输出端、下极板接地，用于储存电能；所述开关管并联于所述第二电容的两端，当所述功率开关管导通时所述开关管关断；当所述功率开关管关断时所述开关管导通；用于控制所述第二电容的充放电。

2.根据权利要求1所述的改善谐波的有源功率因数校正电路，其特征在于：所述降压式变换模块为BUCK电路。

3.根据权利要求1或2所述的改善谐波的有源功率因数校正电路，其特征在于：所述改善谐波的有源功率因数校正电路还包括工作电压产生模块，为所述输出电流检测模块、所述占空比补偿模块、所述锯齿波发生模块和所述开关信号产生模块提供工作电压；所述工作电压产生模块包括分压电阻及第一电容，所述分压电阻的一端连接所述降压式变换模块的电压输出端、另一端连接所述第一电容的上极板并输出所述工作电压，所述第一电容的下极板接地。

4.根据权利要求1所述的改善谐波的有源功率因数校正电路，其特征在于：所述输出电流检测模块包括：采样滤波单元、基准电压产生单元和跨导放大器；

所述采样滤波单元连接于所述降压式变换模块的采样节点，用于对所述降压式变换模块的采样电压进行滤波；

所述基准电压产生单元用于产生一基准电压；

所述跨导放大器的第一输入端连接所述采样滤波单元的输出端，第二输入端连接所述基准电压产生单元的输出端，用于将所述采样电压及所述基准电压的差值进行放大，并作用于所述补偿电容形成补偿电压；其中，所述跨导放大器的第一输入端为正相输入端，第二输入端为反相输入端；或者所述跨导放大器的第一输入端为反相输入端，第二输入端为正相输入端。

5.根据权利要求1所述的改善谐波的有源功率因数校正电路，其特征在于：所述开关信号产生模块包括：比较器、过零检测单元、开关信号控制单元以及驱动单元；

所述比较器的第一输入端连接所述输出电流检测模块的输出端，第二输入端连接所述锯齿波发生模块的输出端，用于将所述锯齿波与所述补偿电压进行比较；其中，所述比较器的第一输入端为正相输入端，第二输入端为反相输入端；或者所述比较器的第一输入端为反相输入端，第二输入端为正相输入端；

所述过零检测单元连接于所述降压式变换模块的过零检测点，用于检测所述降压式变换模块中的电感放电结束的时刻；

所述开关信号控制单元连接于所述比较器及所述过零检测单元的输出端，根据所述比较器及所述过零检测单元的输出信号产生所述开关控制信号；

所述驱动单元连接于所述开关信号控制单元的输出端，用于驱动所述功率开关管。

6.一种改善有源功率因数校正电路谐波的方法，基于如权利要求1～5任意一项所述的改善谐波的有源功率因数校正电路，其特征在于，所述改善有源功率因数校正电路谐波的方法至少包括：

对输出电流的采样电流进行检测，并得到补偿电压，根据所述补偿电压限制锯齿波的峰值，根据功率开关管的开关控制信号限制所述锯齿波的充放电时间；

以所述开关控制信号的占空比对所述锯齿波的充电电流进行补偿，使得所述锯齿波的充电电流正比于所述开关控制信号的占空比，从而使功率开关管的导通时间反比于所述开关控制信号的占空比；进而减小所述改善谐波的有源功率因数校正电路的输入电流的谐波分量。

7.根据权利要求6所述的改善有源功率因数校正电路谐波的方法，其特征在于：进一步包括：将采样电流转化为采样电压，将所述采样电压与一基准电压的差值放大后以电流形式输出，并转化为电压，以形成补偿电压。

8.根据权利要求6所述的改善有源功率因数校正电路谐波的方法，其特征在于：进一步包括：将所述锯齿波与所述补偿电压进行比较，产生与所述锯齿波的占空比一致的方波信号，当输出电流为零时所述开关控制信号为高电平，当所述输出电流不为零时所述方波信号作为所述开关控制信号。

9.根据权利要求6所述的改善有源功率因数校正电路谐波的方法，其特征在于：所述输入电流满足如下关系式：

其中，I_{cs_pk}为采样电流的峰值，I_in为输入电流，V_in为输入电压，V_out为输出电压，Ton为功率开关管的导通时间，L_L1为电感的电感量，A为常数。

10.一种驱动系统，其特征在于，所述驱动系统至少包括：

如权利要求1～5任意一项所述的改善谐波的有源功率因数校正电路，以及连接于所述改善谐波的有源功率因数校正电路输出端的容性或阻性负载。

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