CN1906835B

CN1906835B - 功率因数改善电路及开关电源装置

Info

Publication number: CN1906835B
Application number: CN2005800018536A
Authority: CN
Inventors: 大坂升平
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2004-05-07
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2010-05-05
Anticipated expiration: 2025-04-11
Also published as: KR20060102346A; JP2005323437A; US20070164717A1; WO2005109617A1; JP3801184B2; KR100790184B1; CN1906835A

Abstract

具有：从电压检测端子a输入输出电压，根据输出电压使开关元件Q1导通/关断的控制电路(20)；在功率因数改善电路内发生了异常的情况下，检测异常，使开关元件停止，保持停止状态并输出保持信号的检测保持单元(23)、(24)；根据来自检测保持单元(23)、(24)的保持信号，将大于或等于规定电压的电压作为异常动作信号输出到电压检测端子a的异常动作信号输出单元(30)；根据来自异常动作信号输出单元(30)的异常动作信号，检测电压检测端子a的电压已大于或等于规定电压的情况，并将异常信号输出到负载电路(10)的异常信号检测单元(40)。

Description

功率因数改善电路及开关电源装置

技术领域

本发明涉及一种具有用于提高异常时的安全性的异常传达功能的功率因数改善电路，以及具有该功率因数改善电路和DC/DC转换器等负载电路的开关电源装置。

背景技术

图1表示现有开关电源装置的电路结构图。该开关电源装置具有功率因数改善电路，以及与该功率因数改善电路相连接的DC-DC转换器等负载电路10。功率因数改善电路将通过全波整流电路2对交流电源1的交流电源电压整流后得到的整流电压输入由电抗器3、开关元件Q1和电流检测电阻5构成的串联电路，通过用控制电路20a导通\关断开关元件Q1来改善交流电源1的功率因数，同时通过二极管6以及平滑电容器9得到直流的输出电压。在功率因数改善电路中具有平均电流模式方式和峰值电流模式方式。在此，对使用平均电流模式方式的情况进行说明。

在开关元件Q1的两端(漏极和源极之间)连接有二极管4。而且，在开关元件Q1的两端连接有由二极管6和平滑电容器9构成的串联电路，在平滑电容器9的两端连接有负载电路10，同时连接有由电阻7和电阻8构成的串联电路。

控制电路20a由集成电路(IC)构成，具有：控制单元21、输出电压检测单元22、过电压检测单元23、闩锁电路24。控制单元21对开关元件Q1进行导通/关断控制，来改善交流电源1的功率因数，例如具有乘法器211、电流检测单元212和脉冲宽度调制器213。电流检测电阻5检测流入电抗器3的电流。

输出电压检测单元22输入通过电阻7和电阻8分压而得到电压检测端子a的电压，对电压检测端子a的电压和基准电压的误差进行放大，生成误差电压并输出到乘法器211。乘法器211将来自输出电压检测单元22的误差电压和来自全波整流电路2的全波整流电压相乘，将乘法输出电压输出给电流检测单元212。

电流检测单元212对与电流检测电阻5检测出的输入电流成比例的电压和来自乘法器211的乘法输出电压间的误差进行放大，生成误差电压将该误差电压作为比较输入信号输出给脉冲宽度调制器213。

脉冲宽度调制器213输入三角波信号和来自电流检测单元212的比较输入信号，例如，在比较输入信号的值大于或等于三角波信号的值时生成为“导通”的脉冲信号，当比较输入信号的值小于三角波的值时生成为“关断”的脉冲信号，将该脉冲信号加载到开关元件Q1的门极上。

即，通过全波整流电路2对交流电源1的输入电压(交流电压)进行整流后得到的全波整流电压每半周期为正弦波波形.乘法器211输入来自全波整流电路2的半周期正弦波电压，另外，输入来自输出电压检测单元22的电压，将这两个电压相乘改变正弦波的大小来进行输出.电流检测单元212将来自全波整流电路2的半周期正弦波电压和由输入电流产生的与电流检测电阻5成比例的电压进行比较，并进行控制使输入电流成为半周期的正弦波.因此，可以使流入电流检测电阻5的输入电流成为每半个周期和交流电源1的输入电压波形相似的正弦波，从而可以改善功率因数.

另外，控制电路20a在电压检测端子a检测通过电阻7和电阻8分压得到的电压，根据检测出的电压控制开关元件Q1的导通/关断以使输出电压恒定。由此，对负载电路10提供稳定的直流电压。

然后，对这样构成的开关电源装置的动作进行说明。首先，当开关元件Q1导通时，电流沿以下路径流动：全波整流电路2→电抗器3→开关元件Q1→电流检测电阻5→全波整流电路2，能量蓄积在电抗器3中。该电流随时间的经过线性地增大。

然后，当开关元件Q1从导通状态变为关断状态时，由于在电抗器3中感生的电压，开关元件Q1的电压上升。另外，由于开关元件Q1变为关断，流入开关元件Q1的电流变为零。另外，电流沿以下路径流动：电抗器3→二极管6→平滑电容器9，对负载电路10提供直流电压。

在此，在由任何原因导致在功率因数改善电路中发生异常，并由于该异常导致输出电压上升的情况下，由电阻7和电阻8分压得到的电压，即电压检测端子a的电压上升。过电压检测单元23检测电阻7和电阻8分压所得到的电压，来检测该电压已上升的情况。控制单元21通过来自过电压检测单元23的过电压检测信号，使开关元件Q1停止，同时使闩锁电路24动作，闩锁电路24通过闩锁信号保持开关元件Q1的停止状态。

另外，在异常过热时，过热检测单元(未图示)还检测异常过热，向控制单元21发送过热检测信号，控制单元21使开关元件Q1停止，同时使闩锁电路24动作，闩锁电路24通过闩锁信号保持开关元件Q1的停止状态。

另外，如图1所示，功率因数改善电路通常由升压斩波电路构成，因此当开关元件Q1为停止状态时，虽然不进行升压动作，但把由全波整流电路2和平滑电容器9对交流电源1的交流电压进行整流平滑后得到的直流电压提供给负载电路10。

另外，作为与此相关的技术，在特开2003-264979号公报中记载的开关电源控制用半导体装置在无法得到用于控制开关元件的开关动作的反馈信号，没有了来自控制端子的电流的情况下，使开关动作停止并保持该停止状态，防止开关电源装置的损坏。

具体地说，如图2所示，该装置设有控制端子开路时保护电路110，当向控制端子126的反馈信号被切断，来自控制端子126的电流消失时，使控制端子126的电压上升到规定的电压值来使过电压保护电路108动作，使用过电压保护电路108使开关动作停止并保持该停止状态。

发明内容

但是，图1所示的功率因数改善电路即使在通过闩锁电路24起到保护功能，开关元件Q1处于停止的状态下，如上所述，由输入电压决定的电压也被提供给负载电路10。作为一般常用的例子，当假设交流输入电压为AC85V至AC264V，功率因数改善电路的输出电压为380V进行动作的情况时，在功率因数改善电路正常动作时，平滑电容器9为DC380V。另一方面，当功率因数改善电路停止时，在交流输入为AC100V的情况下，平滑电容器9为DC140V左右，在交流输入为AC200V的情况下，平滑电容器9为DC280V。

另外，虽然在功率因数改善电路的后级连接的负载电路10不在DC140V进行动作，但充分考虑其在DC280V进行动作的情况.这样，根据输入电压，负载电路10有时不停止而继续动作.

即，与开关电源装置中发生何种异常无关，开关电源装置有时继续动作。另外，如此在输入电压高的情况下，基于功率因数改善电路的动作·停止的平滑电容器9的电压不大幅度地变化，所以难以确认功率因数改善功能正常工作。

另一方面，在图2所示的开关电源控制用半导体装置中，在向控制端子的反馈信号被切断的情况下，使电压上升来使过电压保护电路动作，使用过电压保护电路使开关元件的开关动作停止，并保持停止状态。这与在图1所示的功率因数改善电路中发生异常的情况下，过电压检测单元23检测电压上升，控制单元21使开关元件Q1停止，闩锁电路24保持开关元件Q1的停止状态的情况相对应。因此，在图2所示的技术中，尽管可以停止功率因数改善电路并保持停止状态，但存在无法停止图1所示的开关电源装置的负载电路的动作这样的问题。

本发明是为解决上述问题而提出的，目的在于提供在功率因数改善电路中发生异常而停止的情况下，能够向负载电路输出异常信号的功率因数改善电路，以及提供可以通过接收来自该功率因数改善电路的异常信号使负载电路停止，来提高安全性的开关电源装置。

本发明的开关电源装置，具有功率因数改善电路和与该功率因数改善电路相连接的负载电路，所述功率因数改善电路是把通过整流电路对交流电源的交流电源电压进行整流后而得到的整流电压输入由电抗器和开关元件组成的串联电路，通过所述开关元件进行导通和关断来改善所述交流电源的功率因数，同时得到直流的输出电压的电路，其中，所述功率因数改善电路具有：从电压检测端子输入所述输出电压，根据该输出电压使所述开关元件导通和关断的控制单元；在功率因数改善电路内发生了异常的情况下，保持使所述开关元件关断的关断状态、并输出保持信号的检测保持单元；根据来自该检测保持单元的保持信号，将大于或等于规定电压的电压作为异常动作信号输出到所述电压检测端子的异常动作信号输出单元；以及根据来自该异常动作信号输出单元的所述异常动作信号，检测所述电压检测端子的电压已大于或者等于所述规定电压的情况，并输出异常信号的异常信号检测单元，所述负载电路根据来自所述功率因数改善电路内的所述异常信号检测单元的所述异常信号而关断。

附图说明

图1是表示开关电源装置的现有例1的电路结构图。

图2是表示开关电源装置的现有例2的电路结构图。

图3是表示本发明的实施方式的开关电源装置的电路结构图。

图4是表示在本发明的实施方式的开关电源装置中设置的异常动作信号输出单元的构成例1的图。

图5是表示在本发明的实施方式的开关电源装置中设置的异常动作信号输出单元的构成例2的图。

图6是表示在本发明的实施方式的开关电源装置中设置的异常动作信号输出单元的构成例3的图。

图7是表示在本发明的实施方式的开关电源装置中设置的异常信号检测单元的构成例1的图.

图8是表示在本发明的实施方式的开关电源装置中设置的异常信号检测单元的构成例2的图。

图9是表示作为在本发明的实施方式的开关电源装置中设置的负载电路的具体例子的DC/DC转换器的电路结构图。

具体实施方式

以下，参照附图，详细地说明本发明的开关电源装置的1个实施方式。

图3是表示本发明的1个实施方式的开关电源装置的电路结构图。该开关电源装置特征为：相对于图1所示的开关电源装置，还追加了异常动作信号输出单元30和异常信号检测单元40。

此外，由于其它的结构和图1所示的开关电源装置的结构相同，所以对相同部分标记相同的符号，省略其详细说明。

闩锁电路24在保持开关元件Q1的停止状态的同时，将闩锁信号输出到异常动作信号输出单元30。异常动作信号输出单元30设置在由集成电路(IC)构成的控制电路20内，根据来自闩锁电路24的闩锁信号，将大于或者等于规定电压的电压作为异常动作信号输出到电压检测端子a。

异常信号检测单元40根据来自异常动作信号输出单元30的异常动作信号，检测电压检测端子a的电压变得大于或者等于规定电压的情况，将异常信号输出到负载电路10来通知负载电路功率因数改善电路出现异常的情况。负载电路10根据来自异常信号检测单元40的异常信号停止。

然后，对这样构成的开关电源装置的动作进行说明。这里，直到功率因数改善电路发生异常状态和进行闩锁动作之前，与图1所示的开关电源装置相同，因此省略此之前的说明。

首先，由于异常闩锁电路24进行动作来保持开关元件Q1的停止状态，同时将闩锁信号输出给异常动作信号输出单元30。异常动作信号输出单元30接收闩锁信号，使电压检测端子a的电位上升到达到或者超过规定的电压，并保持该电压。

异常动作信号输出单元30具体地由图4至图6所示的电路结构构成。在图4所示的异常动作信号输出单元30a中，电压源Vcc经过晶体管等开关31与电压检测端子a相连接。当功率因数改善电路为异常状态时，接收来自闩锁电路24的闩锁信号，开关31导通，从电压源Vcc将电压施加在电压检测端子a上，使电压检测端子a的电压上升。电压源Vcc可以使用用于驱动控制电路20的电源电压、或用于生成由具有误差放大器221的输出电压检测单元22所使用的基准电压Ref1的作为基础的基准电压等、在控制电路20内部使用的基准电压。

在图5所示的异常动作信号输出单元30b中，电压源Vcc通过电流限制电阻32和开关31与电压检测端子a相连接。当功率因数改善电路为异常状态时，接收来自闩锁电路24的闩锁信号，开关31导通，从电压源Vcc通过电流限制电阻32向电压检测端子a施加电压，使电压检测端子a的电压上升。

在图6所示的异常动作信号输出单元30c中，电压源Vcc通过恒定电流源33和开关31与电压检测端子a相连接.当功率因数改善电路为异常状态时，接收来自闩锁电路24的闩锁信号，开关31导通，从电压源Vcc通过恒定电流源33向电压检测端子a施加电压，使电压检测端子a的电压上升.

此外，功率因数改善电路异常时应该上升的电压检测端子a的电压可以是异常信号检测单元40能够检测到不同于通常情况程度的电压或大于该程度的电压。满足由异常信号检测单元40的电路结构所决定的识别能力就可以，特别地，对于使电压超过通常动作状态电压多少伏特，达到过电压检测值或超过过电压检测值等没有限制。

根据图4至图6的结构，当功率因数改善电路为异常状态，从闩锁电路24输出闩锁信号时，通过异常动作信号输出单元30使电压检测端子a的电位上升。

然后，异常信号检测单元40检测电压检测端子a的电位已达到或者超过规定电压的情况来向负载电路10输出异常信号，向负载电路10通知功率因数改善电路的异常。

图7和图8表示异常信号检测单元40的构成例。图7所示的异常信号检测单元40在电压检测端子a和地之间连接由齐纳二极管41、电阻42和电阻43构成的串联电路，晶体管44的基极与电阻42和电阻43的连接点相连，晶体管44的集电极经过端子b与负载电路10相连接，晶体管44的发射极接地。

根据图7所示的结构，当功率因数改善电路为异常状态，电压检测端子a的电压上升，该电压超过齐纳二极管41的击穿电压时，齐纳二极管41被击穿。这样，电流沿以下路径流动：电压检测端子a→齐纳二极管41→电阻42→电阻43→大地。因此，晶体管44导通，晶体管44的集电极大致变为零电压(低电平)。根据该低电平的异常信号，向负载电路10通知功率因数改善电路的异常状态。负载电路10接收异常信号停止动作。

另外，在图8所示的异常信号检测单元40中，比较器45的非反转端子与电压检测端子a相连接，基准电压Ref2与比较器45的反转端子相连接，在比较器45的输出端，输出端子b经由二极管D与负载电路10相连接。设定基准电压Ref2在通常状态下高于电压检测端子a的电压，且低于由于异常电压检测端子a的电压上升后的电压。

根据图8所示的结构，在通常状态下，基准电压Ref2高于电压检测端子a的电压，因此比较器45的输出例如为高电平。另一方面，当功率因数改善电路为异常状态，电压检测端子a电压上升并高于基准电压Ref2时，比较器45的输出反转，成为低电平，并通过该低电平的异常信号向负载电路10通知功率因数改善电路的异常状态。

负载电路10通过异常信号检测单元40监视输出电压检测端子，在由于功率因数改善电路中产生异常，端子电压产生了上升或减小的变化时，安全地停止动作。例如，作为负载电路10在使用了DC/DC转换器的情况下，即使在功率因数改善电路中发生异常而停止，也会由交流电源1经由全波整流电路2和二极管6在平滑电容器9中产生直流电压。通过该直流电压，DC/DC转换器可以继续动作，但通过来自异常动作检测单元40的异常信号停止动作。

在图1所示的开关电源装置中，在没有异常动作信号输出单元30以及异常信号检测单元40的情况下，当停止功率因数改善电路时，通常，在平滑电容器9中产生的电压降低，因而DC/DC转换器以低电压进行动作，流过较大的电流。在该状态下发生效率恶化等问题，由元件的发热等引起的元件应力增大，在最坏的情况下可能会导致元件的破损。

另一方面，在设置有异常动作信号输出单元30以及异常信号检测单元40的本发明的开关电源装置中，当功率因数改善电路停止时，也可以使DC/DC转换器停止，因此，可以简单地构成能提高安全性的开关电源装置.

另外，在功率因数改善电路为异常状态，电压检测端子a的电位上升了的情况下，通过闩锁电路24保持该状态，因此保持异常动作检测单元30的信号状态。当接收到异常动作检测单元30的异常动作检测信号，负载电路一侧停止时，不需要在负载电路10中保持停止状态。

另外，在由控制电路20构成的控制IC上安装异常动作信号输出单元30，将异常动作信号输出单元30的异常动作信号输出给用于输出电压检测单元22的电压检测端子a，因此可以共用电压检测端子a。即，由于不需要另外设置信号用端子，所以无需改变封装，易于向控制IC追加功能。

此外，由控制IC构成的控制电路20的端口例如具有：与电压源Vcc相连接的端口P1、接地的端口P2、与电压检测端子a相连接的端口P3、与全波整流电路的输出端相连接的端口P4、与电流限制电阻5相连接的端口P5，因为可以共用端口P3，所以不需要增加端口数量，可以简单地实现IC化。

(DC/DC转换器的电路构成例)

图9是DC/DC转换器的电路结构图，该DC/DC转换器是设置在本发明的1个实施方式的开关电源装置中的负载电路的具体例子。在图9中，在平滑电容器9上连接由变压器T的一次线圈P1、MOSFET等构成的开关元件Q3和电阻60构成的串联电路。在变压器T的一次线圈P1的两端连接由二极管63和电阻61构成的串联电路，电容器62与电阻61并联地连接。

另外，在变压器T的二次线圈P2上连接了由二极管64以及平滑电容器65构成的整流平滑电路。该整流平滑电路对在变压器T中感生的电压进行整流平滑，将直流电压输出给负载67。在平滑电容器65的两端连接有由光电耦合器PC1的光电二极管和齐纳二极管66组成的串联电路。当负载67的输出电压达到或者超过齐纳二极管66的击穿电压(基准电压)时，光电耦合器PC1的光电二极管导通，电流流入与IC70相连接的光电耦合器PC1的光电晶体管，减小在开关元件Q3上施加的脉冲的导通宽度，由此控制输出电压为恒定电压。

在IC70上施加电压源Vcc，IC70将控制信号输出给开关元件Q3的门极，由此来导通/关断开关元件Q3控制输出电压为恒定电压。

另外，在电压源Vcc和地之间连接有电容器51，同时连接有由电阻52、电阻53和晶体管44构成的串联电路。晶体管44，电压检测端子a、齐纳二极管41、电阻42和电阻43构成图7所示的异常信号检测单元40。

另外，在电压源Vcc和地之间连接有由晶体管Q2、电阻54和电阻55构成的串联电路，晶体管Q2的基极与电阻52和电阻53的连接点相连接。电阻54和电阻55的连接点与IC70的SS端子相连接，电容器56与电阻55并联地连接。

在如上构成的DC-DC转换器中，当通过来自电压源Vcc的电压IC70动作时，通过来自IC70的控制信号开关元件Q3导通，电流从平滑电容器9通过变压器T的一次线圈P1流至开关元件Q3。该电流随时间经过线性增大。

然后，开关元件Q3从导通状态变为关断状态.此时，在变压器T的一次线圈P1中感生的励磁能量中，漏电感的励磁能量经由二极管63蓄积在电容器62中.因此，通过变压器T的一次线圈P1的漏电感和电容器62形成电压共振，开关元件Q3的电压上升.

此外，通过调整电容器62的值和电阻61的值，可以减小开关元件Q3关断时的减幅振荡波形。另外，由于一次线圈P1和二次线圈P2彼此反相，所以当开关元件Q3关断时，电流流入二极管64对负载67提供直流电压。

在此，当功率因数改善电路中发生异常时，异常信号检测单元40将异常信号输出给DC-DC转换器。即，当在电压检测端子a上施加大于或等于规定电压的电压时，晶体管44导通。此时，电流沿以下路径流动：电压源Vcc→电阻52→电阻53→晶体管44→地。这样，晶体管Q2导通，电流沿以下路径流动：电压源Vcc→晶体管Q2→电阻54→电阻55→地，同时电容器56被充电。当电容器56的电压上升时，IC70停止动作，进入闩锁状态。此时，由于IC70不向开关元件Q3输出控制信号，因此开关元件Q3的导通/关断动作被停止。

如通过上述说明所得知的那样，根据本发明，在开关电源装置内发生了异常的情况下，检测保持单元检测该异常，使开关元件停止并保持该停止状态，异常动作信号输出单元根据来自检测保持单元的保持信号，将大于或者等于规定电压的电压作为异常动作信号输出给电压检测端子，因此可以使负载电路得知电源装置出现异常的情况。

另外，根据本发明，在功率因数改善电路内发生了异常的情况下，检测保持单元使开关元件停止并保持该停止状态，异常动作信号输出单元根据保持信号将大于或者等于规定电压的电压作为异常动作信号输出给电压检测端子，因此可以使负载电路得知功率因数改善电路出现异常的情况。

而且，根据本发明，控制单元、检测保持单元以及异常动作信号输出单元被设置在集成电路中，异常动作信号输出单元的异常动作信号被输出给用于控制单元的电压检测端子，因此没必要另外设置信号用端子，所以不需要改变封装，易于向集成电路追加功能。

而且，根据本发明，负载电路根据来自功率因数改善电路内的异常信号检测单元的异常信号停止，因此可以提供能提高安全性的开关电源装置。

工业应用性

本发明可应用于DC-DC转换器、AC-DC转换器等的开关电源装置。

Claims

1.一种开关电源装置，具有功率因数改善电路和与该功率因数改善电路相连接的负载电路，在所述功率因数改善电路中把通过整流电路对交流电源的交流电源电压进行整流后而得到的整流电压输入由电抗器和开关元件组成的串联电路，通过所述开关元件进行导通和关断来改善所述交流电源的功率因数，同时得到直流的输出电压，其特征在于，

所述功率因数改善电路具有：

从电压检测端子输入所述输出电压，根据该输出电压使所述开关元件导通和关断的控制单元；

在功率因数改善电路内发生了异常的情况下，保持使所述开关元件关断的关断状态、并输出保持信号的检测保持单元；

根据来自该检测保持单元的保持信号，将大于或等于规定电压的电压作为异常动作信号输出到所述电压检测端子的异常动作信号输出单元；以及

根据来自该异常动作信号输出单元的所述异常动作信号，检测所述电压检测端子的电压已大于或者等于所述规定电压的情况，并输出异常信号的异常信号检测单元，

所述负载电路根据来自所述功率因数改善电路内的所述异常信号检测单元的所述异常信号而关断。

2.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，所述控制单元、所述检测保持单元以及所述异常动作信号输出单元被设置在集成电路中。