CN110266182A - 一种pfc输出电压自适应跟随控制器 - Google Patents

一种pfc输出电压自适应跟随控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种PFC输出电压自适应跟随控制器，其包括电压跟随模块、调节环路模块、功率信号处理模块和驱动脉冲产生模块；其中电压跟随模块，接收反映PFC输出电压的信号和调节环路模块输出信号，经比例运算、加法器产生电压跟随反馈信号；调节环路模块，接收电压跟随模块的输出信号，与基准Vref进行误差放大，经补偿网络产生补偿信号；功率信号处理模块，接收调节环路模块输出信号和功率调整信号,调节环路模块输出信号经功率处理模块调制后产生新的补偿信号；驱动脉冲产生模块接收新的补偿信号，实现对开关管的脉冲占空比及频率控制。本发明提出的PFC电压跟随控制器，结构简单，无需采样输入电压，动态性能好。

Description

一种PFC输出电压自适应跟随控制器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域中的开关电源技术，具体地，涉及一种BOOST功率因数校正电路(PFC)的输出电压自适应输入电压变化进行跟随控制的控制器。
背景技术
目前市场上大多数的电器设备所需电能的形式为直流电，需要将市电转换为直流电能，为了提高电源的功率因数，通常采用功率因数校正电路(Power Factor Correction，PFC)。PFC技术可以在交流转换为直流时提高电源对市电的利用率，即可以提高负载侧的功率因数，也可以降低输入谐波电流。开关电源、LED驱动等电源设计多已采用PFC技术，市电经整流之后，再通过PFC电路，转化为母线电压恒定输出的直流电，再供给后级的Flyback、LLC等DC-DC电路，如图1所示为两级式LED驱动电源，前级采用BOOST升压电路作为功率因数校正，其输出电压采用恒压控制，后级采用Flyback电路调节LED输出电流。
现有技术中，以BOOST电源拓扑设计的PFC电路输出电压均为一个固定值，且需高于最大输入电压峰值。由于电网电压的波动范围大，在输入电压处于较低电压时，输入与输出之间过高的压差对功率器件产生很大的应力，此应力会增加器件的损耗，增加电路的成本，降低电路的可靠性，以及影响电路的使用寿命。
发明内容
针对上述提到的现有技术的不足，本发明提供一种适用于BOOST升压变换器构成的PFC装置的电压跟随控制器，其采用PFC电压跟随模块，对控制电路调节环路模块输出的补偿信号进行实时检测，并根据检测结果调整输出电压，实现PFC输出电压自适应跟随输入电压变化，从而有效地降低了功率器件的应力，提高了电路的可靠性，同时提高电源整体的效率。进一步，当负载功率发生变化时，通过功率信号处理模块对调节环路输出的补偿信号进行处理，使得PFC装置的输出电压不受负载功率影响，较好地实现对输入电压的跟随控制。
一种PFC输出电压自适应跟随控制器，包括电压跟随模块、调节环路模块、功率信号处理模块和驱动脉冲产生模块；其中，
电压跟随模块，接收反映PFC输出电压的信号Vo_FB和调节环路模块输出信号Vcomp1，经比例运算、加法器产生电压跟随反馈信号FB；调节环路模块，接收电压跟随模块的输出信号FB，与基准Vref进行误差放大，经补偿网络产生补偿信号Vcomp1；功率信号处理模块，接收调节环路模块输出信号Vcomp1和功率调整信号Po_Signal,调节环路模块输出信号Vcomp1经功率调整信号Po_Signal调制后产生补偿信号Vcomp2；驱动脉冲产生模块接收补偿信号Vcomp2，产生开关管的驱动脉冲信号。
所述的电压跟随模块接收的环路调节模块输出信号Vcomp1由驱动脉冲产生模块的斜坡信号峰值经采样、保持和运算的方式获得的信号替换。
作为优选，所述PFC输出电压的信号Vo_FB由PFC输出电压经过电阻分压网络获得。
作为优选，所述功率调整信号Po_Signal由反映负载功率的PWM信号、模拟电压信号给定或产生。
作为优选，驱动脉冲产生模块采用现有PFC控制技术的集成控制芯片的类似结构。
作为优选，PFC控制技术的集成控制芯片的类似结构，包括电压模式控制时的恒导通控制、电流模式控制时的输入电流峰值控制。
本发明应用于负载功率恒定的系统时，功率处理模块省略。
本发明的有益效果在于：本发明提出的PFC电压跟随控制器，结构简单，无需采样输入电压，动态性能好。采用成熟的BOOST升压变换器实现PFC，通过增加简单的电压跟随电路，实现PFC电压自适应输入电压跟随变化，从而有效地降低了功率器件的应力，提高了电路的可靠性。同时提高电源整体的效率。本发明的PFC电压跟随控制器同时适用于变换器工作在电压和电流模式下，适用范围不受限制。此外，PFC电压跟随控制器可以进一步集成为单芯片，进一步降低电路成本。
附图说明
图1为传统恒定导通时间控制的示意图；
图2为临界导通模式电感电流波形；
图3为本发明的电压跟随控制器框图与BOOST升压变换器构成的PFC装置连接示意图；
图4为基于图3所示连接示意图构成的本发明第一具体实施例；
图5为基于图3所示连接示意图构成的本发明第二具体实施例；
图6为基于图3所示连接示意图构成的本发明第三具体实施例；
图7为本发明的电压跟随控制器与BOOST变换器构成的直流-直流变换装置控制框图。
具体实施方式
本发明提出的PFC电压跟随控制器，对于变换器工作在电压模式或电流模式条件下皆适用，所述电压模式或电流模式对于本专业技术领域属于公知技术。
首先对本发明提出的PFC电压跟随的原理进行分析。
当BOOST升压变换器应用于电压模式时，电感电流波形IL在临界导通模式下如图2所示。在电压模式下，由于每半个工频周期的波形相同，因此可以以半个工频周期进行分析。
每一个开关周期内开关管的导通时间Ton和关断时间Toff的关系由伏秒平衡原理决定，有：
其中，Vac是输入电压的有效值，Vout是BOOST输出直流电压。
交流输入电流为：
其中，Lm是BOOST变换器升压电感，ω为输入电压角频率。
从式(2)中可以看到，如果使电感导通时间Ton保持恒定，则电源输入的平均电流与电压成正比，Boost升压变换器能够实现PFC的功能。
根据开关管导通时间Ton和输入电压Vac、输出功率Po之间的关系可以做出如下推导：
从式(3)中可以看到，如果负载保持不变，导通时间Ton仅与输入电压相关，即在一定输入电压下，Ton为定值，因此可以实现高功率因数。
现有技术中，采用恒定导通时间控制的BOOST型PFC基本原理如图1所示。由图可知，导通时间Ton由补偿信号Vcomp值决定。因此，由式(3)可知，补偿信号Vcomp反映了输入电压的值。
本发明提出的电压跟随原理是：采样Vcomp，并按照一定的比例k与输出电压反馈信号Vo_FB相加，得到新的反馈信号：
FB＝Vo_FB+kVcomp (4)
FB即为误差放大器的反馈端新的反馈信号，因此可以得到BOOST输出直流电压为：
其中，Vref是内置电压基准，kv是BOOST变换器输出电压采样系数。
从式(5)中可以看到，BOOST输出直流电压为一个跟随输入电压变化的值。进一步的详细描述将在实施例中给出。
当输入电压为直流电压时的直流-直流变换器，假定输入电压为Vdc，则式(3)变为：
可见，如果负载保持不变，Ton同样仅与输入电压相关，而Vcomp的值同样可以反映输入电压，因此上述电压跟随的方法同样可用。
此方法适用于电压模式控制下的电流临界连续模式或断续模式。
此方法同样适用于BOOST升压变换器的电流模式控制，具体原理不再赘述，进一步的描述将在实施例中给出。
参考图3示出的本发明的电压跟随控制器框图与BOOST升压变换器构成的PFC装置连接示意图。所述BOOST升压变换器包括：整流桥BD、输入电容Cin、升压电感Lm、高速开关管Q1、峰值电流采样电阻Rcs、续流二极管D、输出储能电容Cbulk、输出电压采样电阻RFB1和RFB2。
整流桥BD的其中两端于输入交流电源连接，整流桥BD的另外两端与输入电容Cin两端连接，输入电容Cin的一端连接升压电感Lm的其中一端，输入电容Cin的另一端连接地，升压电感Lm的另一端连接高速开关管Q1的漏极和续流二极管D的阳极，高速开关管Q1的源极连接峰值电流采样电阻Rcs的一端，峰值电流采样电阻Rcs的另一端连接地，续流二极管D的另一端连接输出储能电容Cbulk的一端和输出电压采样电阻RFB1的一端，输出储能电容Cbulk的另一端连接地，输出电压采样电阻RFB1另一端连接输出电压采样电阻RFB1的一端，输出电压采样电阻RFB2的另一端连接地。
参照图3示出的本发明的电压跟随控制器100框图，本发明的电压跟随控制器100包括：调节环路模块101、电压跟随模块102、功率信号处理模块103和驱动脉冲产生模块104。
调节环路模块101接所述电压跟随模块102的输出端，用于接收反馈信号FB与其内部基准进行误差放大，经补偿网络产生补偿信号Vcomp1。
电压跟随模块102包括接PFC输出电压采样端和所述调节环路模块101的输出端，用于接收输出电压信号Vo_FB和补偿信号Vcomp1，经比例运算、加法器等产生电压跟随反馈信号FB。
功率信号处理模块103接所述调节环路模块101输出端和功率调整信号，用于接收补偿信号Vcomp1和反映功率调整的信号Po_Signal，调节环路模块输出信号Vcomp1经功率调整信号Po_Signal调制，经RC滤波产生补偿信号Vcomp2。
驱动脉冲产生模块104接所述功率信号处理模块103的输出端，用于产生导通时间Ton受Vcomp2控制的驱动脉冲信号。
图4为基于图3所示连接示意图构成的本发明第一具体实施例，BOOST升压变换器工作在电压模式。
参考图4所示具体实施例，其中：
调节环路模块101由运算放大器U1、内置基准Vref、电容C5、电容C6和电阻R3组成。其中运算放大器的反相输入端接收电压跟随模块102的输出信号FB，运算放大器的同相输入端接内置基准Vref，运算放大器的输出端接电容C5的一端和电容C6的一端，电容C5的另一端接地，电容C6的另一端接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接地。电容C5、电容C6和电阻R3构成了补偿网络，运算放大器U1的输出经补偿网络得到补偿信号Vcomp1。
电压跟随模块102由加法器1021和比例器1022组成。其中加法器1021的一个输入端接收输出电压反馈信号Vo_FB，加法器1021的另一个输入端接比例器1022的输出端，加法器1021的输出端接调节环路模块101的运算放大器U1的反相端，比例器1022的输入端接调节环路模块101的运算放大器U1的输出端、C5的一端和电容C6的一端。比例器1022对补偿信号Vcomp1进行比例运算，得到kVcomp，加法器1021将输出电压反馈信号Vo_FB和比例运算结果kVcomp相加，从而实现公式(4)的功能。
功率信号处理模块103由开关S1、开关S2、反相器U4、电阻R6和电容C7构成。其中开关S1的一端接调节环路模块101的运算放大器U1的输出端，开关S1的另一端接开关S2的一端和电阻R6的一端，S1的控制端接收功率调整信号Po_Signal，反相器U4的输入端接收功率调整信号Po_Signal，反相器U4的输出端接S2的控制端接，S2的另一端接地，电阻R6的另一端接电容C7的一端，电容C7的另一端接地，反相器U4、开关S1和开关S2、电阻R6和电容C7组成的RC滤波电路构成对补偿信号Vcomp1的调制电路。此模块主要是针对负载功率可调的系统，以两级式LED调光系统为例，当后级进行调光时，补偿信号Vcomp1会随着功率的减小而减小，从而使得式(4)中kVcomp的值减小，导致式(5)中的输出电压在输入电压变化时只在非常窄的区间内变化，不能够很好的实现电压跟随功能。因此，引入功率信号处理模块。在本实施例中，功率调整信号Po_Signal为PWM脉冲信号。当输出功率Po发生变化时，如果产生的功率调整信号Po_Signal的占空比Dpo_signal成正比关系，则可得到Dpo_signal＝Po/Pomax，其中Pomax为额定的额最大输出功率。功率调整信号Po_Signal对开关S1和开关S2进行控制，实现对补偿信号Vcomp1的选通控制。因此，经电阻R6和电容C7构成的滤波器之后产生补偿信号Vcomp2与补偿信号Vcomp1的对应关系为：Vcomp2＝Dpo_signal·Vcomp1＝Po·Vcomp1/Pomax。进一步，由于导通时间Ton与Vcomp2成正比关系，因此可以得到Ton＝k1·Po·Vcomp1/Pomax，k1为Ton与Vcomp2的比例系数，k1为常数。将Ton＝k1·Po·Vcomp1/Pomax代入公式(3)可以得到Vcomp1仅与Pomax相关，而不随输出功率Po变化。进一步，根据调节环路特性可知，Vcomp1不随输出功率变化，也就表示BOOST升压变换器的输出电压不受负载影响。因此，引入功率信号处理模块之后，BOOST升压变换器的输出电压不再受负载影响，可以很好地实现对输入电压的跟随。
驱动脉冲产生模块104由比较器U2、RS触发器U3、电流源Iramp、电容C8和开关S3组成。其中比较器U2的反相端接收功率信号处理模块103的输出信号Vcomp2，比较器U2的同相端接电流源Iramp的正端、电容C8的一端和开关S3的一端，比较器U2的输出端接RS触发器U3的R端，RS触发器U3的S端接置位信号ZCD，RS触发器U3的Q端输出驱动脉冲信号VGS，RS触发器U3的QN端输出与驱动脉冲信号VGS互补的信号，电流源Iramp的负端接电容C8的另一端、开关S3的另一端和地，开关S3的控制端接RS触发器U3的QN端。电流源Iramp、电容C8和开关S3构成了斜坡信号产生电路，其输出信号RAMP与补偿信号Vcomp2进行比较，产生开关管的驱动脉冲信号，控制开关管的导通时间Ton和开关频率。
本发明的电压跟随控制器同样适用于电压模式下的电流断续模式。
本发明所述实施例中调节环路模块的运算放大器U1也可以采用电压型运算放大器，补偿网络一端接运算放大器输出，另一端接运算放大器的反相输入端。
本发明所述实施例中电压跟随模块102的补偿电压采样并不限于实施例中的方式，还可以进行调整进行同样的效果，例如另一种可选的实施方式如下：采样驱动脉冲产生模块104的斜坡信号产生电路，对其RAMP信号进行峰值采样保持，经运算得到与Vcomp1等效的反馈信号。
本发明所述实施例中功率信号处理模块103并不限于实施例中的方式，根据功率调整信号Po_Signal的形式做出调整，实施例中的结构适用于Po_Signal为PWM信号，当Po_Signal为模拟电压信号时，应在功率信号处理模块103增加模拟信号转PWM信号电路，可以获得同样效果。
图5为基于图3所示连接示意图构成的本发明第二具体实施例，BOOST升压变换器工作在电压模式。
图5所示实施例与图4所示实施例的区别在于功率信号处理模块103的实现不同，在本实施例中，功率调整信号Po_Signal可以为PWM脉冲信号或模拟信号。功率信号处理模块103包括电阻R7和电容C8构成的滤波器以及乘法器U6，电阻R7的一端接收功率调整信号Po_Signal，电阻R7的另一端接电容C8的一端和乘法器U6的一个输入端，电容C8的另一端接地，乘法器U6的另一端接调节环路模块101的输出端，接收补偿信号Vcomp1，乘法器U6的输出端接驱动脉冲产生模块104的输入端，输出补偿信号Vcomp2。当功率调整信号Po_Signal为模拟信号，电阻R7和电容C8构成的滤波器不起作用，其输出信号与功率调整信号Po_Signal相同；而当功率调整信号Po_Signal为PWM脉冲信号，电阻R7和电容C8构成的滤波器将该脉冲信号滤波成直流模拟信号送入乘法器。
进一步，电阻R7和电容C8构成的滤波器也可由外部电路产生，在此情况下，功率调整信号Po_Signal仅为模拟信号。
本发明的电压跟随控制器同样适用于BOOST升压变换器的电流模式，图6示出基于图3所示连接示意图构成的本发明第三具体实施例。
图6所示实施例在图4的基础上对驱动脉冲产生模块104进行了调整，删去了原有的斜坡信号产生电路，增加了乘法器U5、输入电压采样信号V_ac和峰值电流信号CS，补偿信号Vcomp2和输入电压采样信号V_ac经乘法器U5得到新的补偿信号Vcomp3，峰值电流信号CS作为新的斜坡信号和补偿信号Vcomp3进行比较，控制开关管的导通时间Ton和开关频率。
图6示出基于图3所示连接示意图构成的本发明第三具体实施例中，功率信号处理模块103同样可以采用图5所示本发明第二具体实施例的结构，这里不再详细描述。
本发明同样适用于没有功率因数校正功能的直流-直流升压变换器，如图7所示。输入源为直流电压源，而不再是交流电源。
优选的，本发明上述实施例中功率信号处理模块103在负载功率固定的系统中可以省去。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种PFC输出电压自适应跟随控制器，其特征在于：包括电压跟随模块、调节环路模块、功率信号处理模块和驱动脉冲产生模块；
其中电压跟随模块，接收反映PFC输出电压的信号Vo_FB和调节环路模块输出信号Vcomp1，经比例运算、加法器产生电压跟随反馈信号FB；调节环路模块，接收电压跟随模块的电压跟随反馈信号FB，与基准Vref进行误差放大，经补偿网络产生补偿信号Vcomp1；功率信号处理模块，接收调节环路模块输出信号Vcomp1和功率调整信号Po_Signal,调节环路模块输出信号Vcomp1经功率调整信号Po_Signal调制后产生补偿信号Vcomp2；驱动脉冲产生模块接收补偿信号Vcomp2，产生开关管的驱动脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的一种PFC输出电压自适应跟随控制器，其特征在于：所述PFC输出电压的信号Vo_FB由PFC输出电压经过电阻分压网络获得。
3.根据权利要求1所述的一种PFC输出电压自适应跟随控制器，其特征在于：电压跟随模块接收的环路调节模块输出信号Vcomp1由驱动脉冲产生模块的斜坡信号峰值经采样、保持和运算的方式获得的信号替换。
4.根据权利要求1所述的一种PFC输出电压自适应跟随控制器，其特征在于：所述功率调整信号Po_Signal由反映负载功率的PWM信号、模拟电压信号给定或产生。
5.根据权利要求1所述的一种PFC输出电压自适应跟随控制器，其特征在于：驱动脉冲产生模块采用现有PFC控制技术的集成控制芯片的类似结构。
6.根据权利要求5所述的一种PFC输出电压自适应跟随控制器，其特征在于：PFC控制技术的集成控制芯片的类似结构，包括电压模式控制时的恒导通控制、电流模式控制时的输入电流峰值控制。
7.根据权利要求1所述的一种PFC输出电压自适应跟随控制器，其特征在于：应用于负载功率恒定的系统时，功率信号处理模块省略。
8.根据权利要求1所述的一种PFC输出电压自适应跟随控制器，其特征在于：所述控制器还适用于输入电压为直流电压时的直流-直流变换器。
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