CN110380603A - 一种带输入功率限制功能的pfc电路 - Google Patents

Abstract

一种带输入功率限制功能的PFC电路，包括PFC功率电路、PFC控制电路，PFC控制电路内部有一个乘法器模块，乘法器的两个输入端分别为MULT和COM，其中，即时线电压整流后再经过分压得到的电压VMULT，差分放大器的输出端的电压VCOM，乘法器输出的信号Vcs作为电流比较器的参考信号；电压VCOM的上限值为Vuc，内部参考电压为VREF，信号Vcs为因子K、因子(VCOMP‑VREF)、因子VMULT相乘后得到；因子(VCOMP‑VREF)的最大值为(Vuc‑VREF)，精确控制因子K、上限值Vuc、内部参考电压VREF，对于一个确定的因子VMULT，信号Vcs的最大值是确定的。VMULT用于PFC电路的输入功率控制。

Description

一种带输入功率限制功能的PFC电路

技术领域

本发明涉及电源控制技术领域，尤其涉及一种带输入功率限制功能的PFC电路。

背景技术

电网中的电流谐波的危害已经众所周知，它不仅会影响电网供电质量，造成电能浪费，还会使设备发热、损耗增大，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁，造成重大经济损失。自镇流荧光灯、电子镇流器等照明产品使用时也会产生大量谐波，尤其在大面积使用时，其危害性不可小觑。

中国国家标准对谐波含量有严格要求，中国国家标准对于25W以上和不高于25W的自镇流荧光灯的谐波要求不同，对25W以上自镇流荧光灯的要求比25W及以下的自镇流荧光灯高很多。

由于谐波含量丰富，普通自镇流荧光灯的功率因数变得很低。功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)技术是一种提高自镇流荧光灯功率因数的有效方法。功率因数校正电路分为无源PFC(Passive PFC)电路和有源PFC(Active PFC，APFC)电路。

无源PFC电路的特点是电路简单，成本较低，对线路的功率因数会有一定的提升，有的甚至可高达0.95，但滤波效果较差，难以实现低谐波的要求，往往还会影响到系统的其他参数，一般适用于25W以下自镇流荧光灯电路。

APFC电路基于功率因数控制器IC，利用开关器件的切换，并搭配无源元件，使系统从市电汲取的电流波形与电压波形相一致，从而消除电流波形畸变和相位畸变，获得近似于1的高功率因数，也可大大降低谐波失真。APFC电路结构远比无源PFC复杂，需使用控制IC，在系统前端通常单独组成1级电路，成本较高。但由于其在高频下工作，电感元件的体积小，重量轻。随着PFC控制IC价格的不断降低，APFC已经得到广泛应用。

对于25W以上自镇流荧光灯，可以通过APFC技术来提升功率因数，从而改善各次电流谐波值。

对于电网中的其他用电设备，比如电动汽车充电机、弧焊电源、通信电源等，输入功率通常会达到数千瓦甚至更高，这些设备也需要通过APFC技术来提升功率因数、减小电流谐波。

APFC中起关键性作用的是APFC控制器。国内外比较具有代表性的APFC控制器有FAN7527B、L6561/L6562、NCP1601A/B、IR1150等。

L6562A是意法半导体公司的PFC控制器，图1取自L6562A的芯片说明书，该芯片说明书详细说明了L6562A的工作原理和使用方法，关于L6562A的技术细节这里不再赘述。图1为采用芯片L6562A作为控制器的APFC电路原理图。50赫兹的输入交流电经过保险丝F1和整流桥P1，在C1上得到100赫兹的半波电压，经过BOOST电路，在电容C6上得到输出电压Vo。输出电压Vo经过分压电阻R11、R12，在并联电阻R13、R13B上得到输出电压Vo的反馈电压，送入到控制芯片L6562A的第一脚，即内部差分放大器反向输入端INV，经过L6562A内部由差分放大器构成的PI调节器的调节作用，保持输出电压Vo的稳定。

L6562A内部有一个乘法器模块，乘法器有两个输入端：第一个输入端为MULT，输入的信号是即时线电压整流后再经过分压得到的电压VMULT，第二个输入端为COM，输入的信号是差分放大器的输出端的电压VCOM，通常，在稳态的情况下，VCOM为一个包含一定100赫兹交流分量的缓慢变化的直流电平，乘法器输出波形的包络是一个整流后的正弦波。乘法器输出的信号被作为电流比较器的参考信号，电流比较器的输出用来控制MOSFET每个周期的峰值电流。

L6562A内部有一个电流比较器，电流比较器通过一个电流检测电阻(MOS开关管源极串联电阻)获取一个电压信号，通过与乘法器的输出信号进行比较，来决定外部MOSFET的关断时间。

图2为芯片L6562A的VMULT、VCOM与Vcs的关系图。乘法器的关系式为：Vcs＝k*(VCOMP-2.5)*VMULT，(公式中的*代表乘法)，乘法器的输出Vcs作为电流检测引脚上的参考电压。

在L6562A的芯片说明书中，可以查询乘法器的参数；其中，VCOMP的上限值的典型值为5.7V，最小值5.3V，最大值6V；VCOMP的下限值的典型值为2.25V，最小值2.1V，最大值2.4V；在VMULT＝1V、VCOMP＝4V的情况下，K的典型值是0.38，最小值0.32，最大值0.44；VREF＝2.5V，芯片说明书的插图显示，在-20摄氏度到100摄氏度的范围内，VREF的相对误差的绝对值小于千分之二。

经过L6562A内部由差分放大器构成的PI调节器的调节作用，保持输出电压Vo的稳定，差分放大器的输出端的电压VCOM是动态调节的结果。

如果输入交流电压变化导致VMULT变化，或者，输出负载变化导致输出电压Vo变化，或者，因子K发生变化，这些变化都通过PI调节器的动态调节作用，从而在动态过程结束后，最终得到稳定的VCOMP。举个例子，输入交流电压不变，输出负载不变，VREF＝2.5V也是不变的，因子K在PFC工作100分钟后，从最初的0.3缓慢变化到0.4，那么，如果最初的VCOMP＝3.3V，则根据公式Vcs＝K*(VCOMP-2.5)*VMULT，工作100分钟后的VCOMP＝3.1V。

L6562A采用的是临界导通模式控制。L6562A内部有一个电流比较器，电流比较器通过一个电流检测电阻(MOS开关管源极串联电阻)获取一个电压信号，通过与乘法器的输出信号进行比较，来决定外部MOSFET的关断时间；另外，L6562A利用外部提供的ZCD信号来决定外部MOSFET的开通时间。

MOSFET的开关状态与电感电流的峰值和平均值的关系如图3所示，电感电流峰值为电感电流平均值的两倍，电感电流峰值由乘法器的输出信号Vcs与MOS开关管源极串联电阻共同决定。

输入交流电整流后的电流有小部分流过整流桥后面的滤波电容C1，大部分流过PFC电感；滤波电容C1的电压与电流有90度的相位差，C1只是存储能量而极少消耗能量；所以，如果暂不考虑输入整流桥和输入滤波器等器件的损耗，PFC的输入功率为输入交流电整流后的电压与电感电流平均值相乘。

即时线电压也就是输入交流电压。

图1中，VMULT为即时线电压整流后再经过分压得到的电压，设Vinp为即时线电压整流后的电压，则VMULT可以表示为Kv*Vinp，Kv与分压电阻R1、R2、R3有关，Kv＝R3/(R1+R2+R3)，电感电流平均值可以表示为Ki*Vcs，Ki与MOS开关管源极串联电阻R9、R10有关，Ki＝0.5*(R9+R10)/(R9*R10)。

PFC的输入功率可以表示为：

Pin＝Vinp*Ki*Vcs (1)

由于

Vcs＝K*(VCOMP-2.5)*VMULT (2)

所以

Pin＝Kv*Ki*K*(VCOMP-2.5)*Vinp*Vinp (3)

或者

Pin＝Ki*K*(VCOMP-2.5)*VMULT*VMULT/Kv (4)

一般的大功率电源通常分为两级，前级是PFC电路，后级是一个DC/DC变换器，比如LLC变换器；后级的DC/DC变换器通常都有输出短路保护和输出功率限制电路，从而保证DC/DC变换器不会过载；由于DC/DC变换器连接到PFC电路，所以只要保证DC/DC变换器不会过载，PFC电路的输出功率也不会出现过载的情况，这样也就意味着PFC电路的输入功率被限制了。

考虑下面的例子：PFC电路的输入交流电为50赫兹，电压从150V到300V变化，输出功率为300W，暂不考虑损耗，那么，输入交流电的电流在输入电压150V的时候为2A，在输入电压300V的时候为1A。

那么，PFC电路中的功率器件，包括输入端的保险丝、整流桥、EMI滤波器等，耐压会按照输入交流电压为300V来设计，功率器件的电流则按照输入交流电流为2A来设计；设计完成后根据不同器件的特性加入一定的余量最终选择器件型号。

这时候，如果不限制输入功率，当输入电压降低到100V，那么输入交流电的电流为3A，才能保证PFC的输出功率为300W。这会导致输入端的保险丝、整流桥、EMI滤波器等器件由于过流而损坏。

为了防止输入电压下降导致输入电流上升，可以采用多种方法。

比如，输入电压降低到某一个数值Vin-low，就会触发一个迟滞比较器来关断PFC电路及其后面的DC/DC变换器，直到输入电压上升到另一个数值Vin-high，迟滞比较器会重新打开PFC电路及其后面的DC/DC变换器。

这个方法的问题是，当输入电压在Vin-low与Vin-high之间变化的时候，不能保证电路正常工作。

另一个方法是，当输入电压降低到某一个数值Vin-low并进一步降低的时候，控制电路会产生一个比例信号，按照输入电压的比例关系降低后面的DC/DC变换器的输出功率，从而降低了PFC的输入功率与输入电流。

这个方法的问题是控制电路的设计比较复杂，当DC/DC变换器是电气隔离的，还涉及到控制信号的精确的隔离传输。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种带输入功率限制功能的PFC电路，以解决现有技术中PFC电路在低输入电压条件下的输入电流控制问题，技术方案如下：

一种带输入功率限制功能的PFC电路，包括PFC功率电路、PFC控制电路，PFC控制电路内部有一个乘法器模块，乘法器的两个输入端分别为MULT和COM，其中，即时线电压整流后再经过分压得到的电压VMULT，差分放大器的输出端的电压VCOM，乘法器输出的信号Vcs作为电流比较器的参考信号；电压VCOM的上限值为Vuc，内部参考电压为VREF，信号Vcs为因子K、因子(VCOMP-VREF)、因子VMULT相乘后得到；因子(VCOMP-VREF)的最大值为(Vuc-VREF)，精确控制因子K、上限值Vuc、内部参考电压VREF，对于一个确定的因子VMULT，信号Vcs的最大值是确定的。

VMULT用于PFC电路的输入功率控制。

优选的，所述因子K等于0.5，因子K的相对误差的绝对值小于百分之一；优选的，所述上限值Vuc为5.5V，上限值Vuc的相对误差的绝对值小于百分之一；优选的，所述内部参考电压VREF为2.5V，内部参考电压VREF的相对误差的绝对值小于百分之一。

VMULT可以表示为Kv*Vinp，电感电流平均值可以表示为Ki*Vcs，内部参考电压为VREF，公式3重写为：

Pin＝Kv*Ki*K*(VCOMP-VREF)*Vinp*Vinp (5)

公式4重写为：

Pin＝Ki*K*(VCOMP-VREF)*VMULT*VMULT/Kv (6)

输入功率的最大值可以表示如下：

Pin-max＝Kv*Ki*K*(Vuc-VREF)*Vinp*Vinp (7)

Pin-max＝Ki*K*(Vuc-VREF)*VMULT*VMULT/Kv (8)

由公式7，精确控制因子K、上限值Vuc、内部参考电压VREF，由于参数Kv与Ki也是固定值，对于任意一个即时线电压整流后的电压Vinp，也就是对于任意一个交流输入电压，都有对应的输入功率的最大值。

公式8与公式7含义相同，公式8表明，PFC的控制芯片通过检测MULT脚的电压来控制输入功率。

附图说明

图1为采用芯片L6562A作为控制器的APFC电路原理图。

图2为芯片L6562A的VMULT、VCOM与Vcs的关系图。

图3为MOSFET的开关状态与电感电流的峰值和平均值的关系图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

实施例

图1为采用芯片L6562A作为控制器的APFC电路原理图。图2为芯片L6562A的VMULT、VCOM与Vcs的关系图。图3为MOSFET的开关状态与电感电流的峰值和平均值的关系图。

仍然考虑这个的例子：PFC电路的输入交流电为50赫兹，电压从150V到300V变化，输出功率为300W，暂不考虑损耗，PFC电路的输入功率与输出功率相等，那么，输入交流电的电流在输入电压150V的时候为2A，在输入电压300V的时候为1A。

这时候，如果不限制输入功率，当输入电压降低到100V，那么输入交流电的电流为3A，才能保证PFC的输出功率为300W。这会导致输入端的保险丝、整流桥、EMI滤波器等器件由于过流而损坏。

现在考虑利用公式7来限制低输入交流电压下的输入功率。暂不考虑PFC电路的损耗，设置输入电压150V的时候的最大输入功率为300W，则根据公式7，有

300＝Kv*Ki*K*(Vuc-VREF)*150*150 (9)

优选的，K＝0.5，Vuc＝5.5V，VREF＝2.5V，则

300＝Kv*Ki*1.5*150*150

选择MOS开关管源极串联电阻，使得Ki＝6，则

Kv＝0.00148

在图1中，如果选择R1和R2都是1MΩ，则R3＝7.4KΩ。

这样，在参数K＝0.5，Vuc＝5.5V，VREF＝2.5V，Ki＝6，Kv＝0.00148的条件下，交流输入电压为150V的时候，PFC的输入功率为300W；当输入交流电压小于150V的时候，由于差分放大器的输出电压VCOM已经到达上限值，不能增大，根据公式7，输入功率的最大值会小于300W，而且输入功率的最大值与输入交流电压的平方成正比，输入功率的最大值随着输入交流电压的下降会衰减很快；当输入交流电压大于150V的时候，差分放大器的输出电压VCOM会降低，从而保持PFC的输出功率为300W。

这样就实现了PFC的控制芯片通过检测MULT脚的电压来控制输入功率。

现有的PFC控制芯片，因子K、上限值Vuc、内部参考电压VREF等参数与芯片的设计和生产工艺相关，通常这些参数的变化范围比较宽，精度低，不适合用于低输入电压下PFC功率控制。

本申请提出的一种带输入功率限制功能的PFC电路，包括PFC功率电路、PFC控制电路，PFC控制电路内部有一个乘法器模块，乘法器的两个输入端分别为MULT和COM，其中，即时线电压整流后再经过分压得到的电压VMULT，差分放大器的输出端的电压VCOM，乘法器输出的信号Vcs作为电流比较器的参考信号；电压VCOM的上限值为Vuc，内部参考电压为VREF，信号Vcs为因子K、因子(VCOMP-VREF)、因子VMULT相乘后得到；因子(VCOMP-VREF)的最大值为(Vuc-VREF)，精确控制因子K、上限值Vuc、内部参考电压VREF，对于一个确定的因子VMULT，信号Vcs的最大值是确定的。

优选的，所述因子K等于0.5，因子K的相对误差的绝对值小于百分之一；优选的，所述上限值Vuc为5.5V，上限值Vuc的相对误差的绝对值小于百分之一；优选的，所述内部参考电压VREF为2.5V，内部参考电压VREF的相对误差的绝对值小于百分之一。

通过选择合适的参数Kv与Ki，即可达到如下目的：VMULT用于PFC电路的输入功率控制。

综上所述，本发明具有结构合理、性能稳定的特点。

本说明书所述的仅是本申请的较佳的具体实施方式，用于说明本申请的技术方案，而非对本申请的限制，凡本领域的技术人员依据本申请的构思做出了一些调整和改变而得到的技术方案，仍为本申请的要义所在，皆应在本申请的范围之内。

Claims (5)

1.一种带输入功率限制功能的PFC电路，包括PFC功率电路、PFC控制电路，其特征在于，PFC控制电路内部有一个乘法器模块，乘法器的两个输入端分别为MULT和COM，其中，即时线电压整流后再经过分压得到的电压VMULT，差分放大器的输出端的电压VCOM，乘法器输出的信号Vcs作为电流比较器的参考信号；电压VCOM的上限值为Vuc，内部参考电压为VREF，信号Vcs为因子K、因子(VCOMP-VREF)、因子VMULT相乘后得到；因子(VCOMP-VREF)的最大值为(Vuc-VREF)，精确控制因子K、上限值Vuc、内部参考电压VREF，对于一个确定的因子VMULT，信号Vcs的最大值是确定的。

2.根据权利要求1所述的一种带输入功率限制功能的PFC电路，其特征在于，VMULT用于PFC电路的输入功率控制。

3.根据权利要求1或2所述的一种带输入功率限制功能的PFC电路，其特征在于，优选的，所述因子K等于0.5，因子K的相对误差的绝对值小于百分之一。

4.根据权利要求1或2所述的一种带输入功率限制功能的PFC电路，其特征在于，优选的，所述上限值Vuc为5.5V，上限值Vuc的相对误差的绝对值小于百分之一。

5.根据权利要求1或2所述的一种带输入功率限制功能的PFC电路，其特征在于，优选的，所述内部参考电压VREF为2.5V，内部参考电压VREF的相对误差的绝对值小于百分之一。