CN1953307A - 用于强制开关电源单元内功率因数校正的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于强制开关电源单元内功率因数校正的装置，包括转换器(20)和与转换器(20)连接的控制装置(100)以便输出从输入交流干线电压(Vin)获得稳定的直流电压(Vout)，转换器(20)包括功率晶体管(M)而控制装置(100)包括：差分放大器(3)，差分放大器(3)的反相输入端上输入与调节过的电压(Vout)成正比的第一信号(Vr)；同相输入端输入基准电压(Vref)；与差分放大器(3)的输出端连接的功率晶体管(M)的驱动电路(4－7，10)，控制装置(100)包括适于产生表示有效输入电压的电流信号(It)的装置(42，C_ff，101，Rt，102)，电流信号(It)输入到差分放大器(3)反相输入端，以响应有效输入电压的变化来改变上述调节过的电压(Vout)。

Description

用于强制开关电源单元内功率因数校正的装置

技术领域

本发明涉及用于强制(forced)开关电源单元内功率因数校正的装置。

背景技术

一般知道为了用于在通常使用的像计算机、电视机、监控器等等之类电子设备中使用的强制开关电源单元和用于给荧光灯供电的有功功率因数校正(PFC)而使用的装置，所使用的装置是强制开关预调节级，其任务是从干线吸收也与干线电压同相的近似正弦电流。所以本类型的强制开关电源单元包括PFC以及与PFC输出端连接的直流电流转成直流电流的转换器、即DC-DC转换器。

传统类型的强制开关电源单元包括DC-DC转换器以及与配电干线连接由全波整流二极管电桥和由直接连接下游的电容器构成以便产生源于正弦干线交流电压的非调节直流电压的输入级。电容器的电容量如此之大，以致在其端上相对于连续电平有比较小的波纹。因而对于大多数周期来说，在干线电压的瞬时值低于电容器上的电压条件下，电桥中的整流二极管仅在干线电压中每个半周期的小区段内导通。结果是将由一连串幅度是所得到的平均值的5-10倍的窄脉冲构成被干线吸收的电流。

这就产生值得考虑的后果：与正弦电流吸收的情况相比被干线吸收的电流有非常大的峰值和效率，与网络连接的所有用户几乎同时发生脉冲吸收的影响使干线电压畸变，在三相系统的情况中，中性线内的电流大大增加而且对发电系统的高能动力资源的利用率是极低的。事实上，脉冲电流波形含大量奇次谐波，即使奇次谐波对输送到负载的功率没有产生影响，但是奇次谐波有助于增大被干线吸收的有效电流，因而成为增大电能损耗的原因之一。

在定量术语中，所有的定量术语既能用指定为在(电源单元对负载产生以热的形式在负载内消耗的)有效功率和表现功率(有效干扰电压与被吸收的有效电流的乘积)之间比率的功率因数(PF)，又能用一般指定为所有较高次谐波有关的电能和基波有关的电能之间百分比率的总谐波失真(THD)二者来表达。一般来说，装有电容滤波器的电源单元具有0.4-0.6PF和大于100％的THD。

设置在整流器电桥和DC-DC转换器输入之间的PFC容许从也与电压同相的近似正弦电流吸收，而使PF接近1并且降低THD。

在图1中示意表示包括直流-直流升压变换器20和控制装置1的预调节级PFC，在这样的情况中控制装置L4981由STMicroelectronicsS.P.A.生产。直流-直流升压变换器20包括在输入中具有干线电压Vin的全波二极管整流器电桥2、具有与二极管电桥2端连接的端的(起高频滤波器作用的)电容器1、与一个电容器C1端连接的电感L、具有与电感L后面下游端连接的漏极端和具有接地源端的MOS功率晶体管M、具有与电感L和晶体管M的共同端连接的正极以及与含另一接地端的电容器Co连接的负极的二极管。直流-直流升压(boost)变换器20在输出中产生在电容器Co上的直流Vout，直流电压Vout大于最大的干线峰值电压，对于用全欧电力网或用全世界输电线输送的系统来说，一般是400V。这个电压Vout将是与PFC连接的DC-DC转换器的输入电压。

直流-直流升压变换器还包括检测电阻Rs，检测电阻Rs连接在晶体管M源端和二极管电桥2端之间靠近允许读出流过电感L电流的电路上。

控制装置1通过反馈控制作用必须使输出电压Vout保持在恒定数值上。控制装置1包括运算差分放大器(operational error amplifier)3，运算差分放大器3适用于把一部分输出电压Vout、也就是由Vr＝R2^*Vout/(R2+R1)(式中电阻R1和R2是相互串联连接并且与电容器Co并联连接)给出的电压Vr、与例如数值为2.5V的基准电压Vref比较，并且适用于产生与电压Vr和基准电压Vref之差成正比的差信号Se。输出电压Vout以干线频率二倍的频率呈现波纹而且叠加到直流数值上。然而通过使用包括至少一个电容器的适当补偿网络和假定几乎平稳而有规律地起作用而显著地减小差分放大器的频带幅度(一般低于20Hz)的时候，也就是在恒定的有效输入电压和输出负载的情况下，这种波纹会大大地衰减并且差信号会变得恒定。

把差信号Se送到乘法器4，在那里一部分由二极管电桥2整流的干线电压给出的信号Vi按比例放大差信号Se。在输入到乘法器4中也有在从倒换器平方电路部件41输出中的信号，电压信号Vrap是在倒换器平方电路部件41的输入端上，Vrap表示通过部件42获得的干线电压的有效值；在从部件41输出中的信号是1/Vrap²。

在乘法器4的输出端上有整流过的正弦曲线给出的电流信号Imolt，整流过的正弦曲线幅度取决于有效干线(mains)电压和取决于差信号Se。上述电流信号Imolt流过电阻Rm并且产生代表用于调制PWM的正弦曲线基准的电压。把上述电压信号以输入方式接到运算放大器6同相输入端，运算放大器6的反相输入端是接地的。考虑有效接地原理，用I_L表示在电阻Rs上流动的电流，我们得出 $I_L=\frac{R_m}{R_s}{I}_{\mathrm{molt}},$ 也就是电流I_L应该按整流过的正弦曲线展开。

把在从运算放大器输出中的信号以输入方式发送到比较器PWM5的反相输入端，比较器PWM5具有与振荡器7连接的同相输入端，振荡器7输送其频率决定预调节器工作频率的锯齿形信号。

如果在输入到比较器5中的一些信号是相同的，那末同一个比较器5把一个信号发送到适用于驱动晶体管M的控制部件10，而且在这样的情况下控制部件10使晶体管M关断。设置在输入级上的滤波器滤掉开关频率部分并且保证被干线吸收的电流具有正弦波包络线的形状。在从振荡器7输出中的另一个信号是由与锯齿信号的后沿弯曲部分相对应的一串脉冲构成的；上述信号是触发器置位复位11的置位输入S，触发器置位复位11具有另一个输入R、它是在比较器5的输出中的信号、并且具有输出信号Q。把信号Q以输入方式发送到驱动器12，驱动器12控制晶体管M的导通或关断。

只要直流-直流升压变换器起修正作用，则在输出中产生的电压总是大于输入电压。在其大部分典型的实施方式中，在预调节器PFC中，输出电压设定在大约400V，以致大于在其所有变化范围内(在全世界供电的情况中从124.5V到373.4V)的干线峰值电压。在另一种实施方式，所谓“增加电压跟随器”或者“跟踪增加电压”中，把输出电压调节在随有效输入电压而定的数值，然而总是大于峰值电压。

“跟踪升压(tracking boost)”逼近法提供一些优点：在相等频率时直流-直流升压变换器中的电感器的电感量是较低的，和低线路电压MOSFET中有效电流一样。特别是在用于高级笔记本的干线适配器中，因为这种逼近法可以使用较小的增加电压电感器所以不断获得成功。然而这种类型的直流-直流升压变换器带来了一些缺点，例如二极管输出损耗缯大、需要较大输出电容器和不可能为了恒定输入电压而使DC-DC转换器下游最佳化。

发明内容

鉴于所描述的情况，本发明的目的是为了提供一种用于强制开关电源单元内功率因数校正的装置。这种装置具有比一些已知装置电路结构更简单的电路结构。

根据本发明，通过一种用于在强制开关电源单元内功率因数校正的装置来达到这个目的，这种装置包括转换器和与上述转换器连接的控制装置以便在输出端上从输入交流干线电压获得稳定的直流电压，上述转换器包括功率晶体管而上述控制装置包括差分放大器，差分放大器具有在反相输入端上的输入中与上述调节过的电压成正比的第一信号和在同相输入端上的输入中的基准电压，与上述差分放大器的输出端连接的上述功率晶体管的驱动电路，特征在于上述控制装置包括适用于产生表示有效输入电压的电流信号的装置，上述电流信号是在上述差分放大器反相输入端上的输入内以响应有效输入电压变化，改变上述调节过的电压。

由于本发明所以根据比已知一些装置性能性的“跟踪升压”实施方式制造一种在强制开关电源单元内用于功率因数校正的装置是可以实现的。

从在附图中作为非限制实施例说明其实施方式的下面详细描述，本发明的特点和优点会显而易见。

附图说明

图1是根据已知技术用于强制开关电源单元的PFC的电路图；

图2是根据本发明实施方式用于强制开关电源单元的PFC的电路图；

图3表示根据对本发明实施方式的一种派生在图2电路中齐纳二极管区域使用的装置。

具体实施方式

图2表示根据本发明第一实施方式用于强制开关电源单元的PFC的电路图；和图1中电路相同的元件将用相同的标记表示。PFC包括装有在输入中具有干线电压Vin的全波二极管整流器电桥2的转换器20；具有与二极管电桥2端连接的端的电容器C1(对高频起滤波器作用)；与电容器C1端连接的电感L；具有与电感L后面的下游端连接的漏极端并且具有接地的源端的MOS功率晶体管M；具有与电感L和晶体管M的共同端连接的正极以及与具有另一端接地的电容器Co连接的负极的二极管D。直流-直流升压变换器20在输出中产生在电容器Co上的直流电压Vout，Vout大于最大干线峰值电压，对用欧洲电力网或者用全世界输电线供电的系统来说一般是400V。这样的电压Vout将是与PFC连接的DC-DC转换器的输入电压。

直流-直流升压变换器20也包括连接在晶体管M源端和二极管电桥2中一个端之间的检测电阻Rs，检测电阻Rs靠近能够读出流过电感器L的电流的电路。

PFC包括适用于通过反馈控制作用使输出电压Vout保持在恒定值上的控制电路100。控制电路100包括差分放大器3，差分放大器3适用于一部分输出电压Vout、也就是由Vr＝R2^*Vout/(R2+R1)(式中电阻R1和R2是相互串联连接并且与电容器Co并联连接)给出的电压Vr、与例如数值为2.5V的基准电压Vref比较，并且适用于产生与电压Vr和基准电压Vref之差成正比的差信号Se。输出电压Vout以干线频率二倍的频率呈现波纹而且叠加到直流数值上。通过使用包括至少一个电容器的适当补偿网络和假定几乎平稳而有规律地起作用来显著地减小差分放大器的频带幅度(一般低于20Hz)的时候，也就是在恒定的有效输入电压和输出负载的情况下，这种波纹会大大地衰减并且差信号会变得恒定。

差信号Se被送到乘法器4，在这里乘以信号Vi，信号Vi是由二极管电桥2整流的干线电压的一部分形成的。在乘法器4的输入中也有在从倒换器平方电路部件(inverter-squarer)41输出中的信号，电压信号Vrap是在倒换器平方电路部件41的输入端上，Vrap表示通过部件42获得的干线电压的有效值。在替换方面能够由与上述干线电压成正比的电流给出信号Vi，通过部件42用一个电阻与整流过的干线适当连接来获得上述信号Vi。

在乘法器4的输出端上有整流过的正弦曲线给出的电流信号Imolt，整流过的正弦曲线的幅度取决于信号Vi的幅度、差信号Se和在部件41的输出中并且等于1/Vrap²的信号。代表用于PWM调制的正弦曲线基准的上述电流信号Imolt流过电阻Rm并且在其端上产生电压信号。把上述电压信号以输入方式配置到运算放大器6同相输入端，运算放大器6的反相输入端是接地的。考虑有效接地原理，同相输入端的电压也应当是等于零，所以用I_L表示在电阻Rs上流动的电流，我们得出 $I_L=\frac{R_m}{R_s}{I}_{\mathrm{molt}}$ ；电流I_L应该像电流Imolt那样展开，也就是像整流过的正弦曲线那样。

把在从运算放大器6输出中的信号以输入方式发送到比较器PWM5的反相输入端，比较器PWM5具有与振荡器7连接的同相输入端，振荡器7输送其频率决定预调节器工作频率的锯齿形信号。

如果在输入到比较器5中的一些信号是相同的，那末同一个比较器5把一个信号发送到适用于驱动晶体管M的控制部件10，而且在这样的情况下控制部件使晶体管M关断。设置在输入级上的滤波器滤掉开关频率部分并且保证被干线吸收的电流具有正弦波包路线的形状。在从振荡器7输出中的另一个信号是由与锯齿信号的后沿弯曲部分相对应的一串脉冲构成的，也是触发器置位复位11中的置位输入S，触发器置位复位11具有另一个输入R、它是在比较器5的输出中的信号、并且具有输出信号Q。把信号Q以输入方式发送到驱动器12，驱动器12控制晶体管M的导通或关断。

装置42包括运算放大器43和具有与放大器43输出端连接的正极的二极管44。在直流电压降实际上等于零的情况下在二极管44负极和运算放大器43反相输入端之间的反馈保证装置像一种理想二极管那样起作用。放大器43具有与电阻R3和R4共同端连接的同相输入端并且装置42包括连接在二极管44的负极和地之间的电容器C_ff，电容器C_ff端上会有等于施加在运算放大器43同相输入端上峰值电压的电压。电阻R_ff容许朝电容器的地放电因此为了减小有效输入电压能够调整在端上的电压；这种放电在每个干线半周期的区段中必须是极微的，因此在其端上的电压尽可能接近一个直流电压。在以上所述的一些限制和考虑能够以集成型式获得的电容数值和电阻数值的情况下只能够把电阻R_ff集成在实现控制装置100的芯片内而电容C_ff必须是分立型的。缓冲器101的输入端得到电压Vrap以使电容C_ff不再进一步放电；在缓冲器101的输出端和地之间连接电阻Rt，这就限定电流等于电压Vrap除以上述电阻。因此由下列公式得出流过电阻Rt的电流It：

$\mathrm{It}=\frac{\mathrm{Vrap}}{\mathrm{Rt}}=\frac{\mathrm{KpVpk}}{\mathrm{Rt}}=\sqrt{2}\frac{\mathrm{KpVac}}{\mathrm{Rt}},$

式中用V_pk表示在预调节器输入端上的峰值电压数值，用Vac表示其有效数值和用Kp表示分配比率R4/(R3+R4)。由电流镜102以分配比率Ks在内部反射由缓冲器101的输出级输送的电流It并且吸收这样所获得的电流，以便修正输出电压Vout的调节。实际上电流It改变在差分放大器3反相输入端上的总电流，这就使得上述输出电压Vout与有效输入电压值成正比。输出电压的容许偏差取决于有关Ks的容许偏差，为了把有关Ks的容许偏差减小到最低程度，选择Ks＝1是最简便的。在结点INV上应用电流平衡公式我们可以写出：

$\frac{\mathrm{Vout}-\mathrm{Vref}}{R1}=\frac{\mathrm{Vref}}{R2}+\mathrm{It}=\frac{\mathrm{Vref}}{R2}+\sqrt{2}\frac{\mathrm{Kp}}{\mathrm{Rt}}\mathrm{Vac},$

使上式相对于Vout分解，给出

$\mathrm{Vout}=\mathrm{Vref}(1+\frac{R1}{R2})+\sqrt{2}\mathrm{Kp}\frac{R1}{\mathrm{Rt}}\mathrm{Vac},$

并且正如所希望的那样，我们达到了输出电压根据输入电压的偏差而变化。此外，如果没有连接Rt，则电流调节等于零而所以我们获得了有效的在固定输出电压上按惯例增加电压。

最后，我们装有与缓冲器101的同相输入端连接的齐纳二极管Dz，这就限制了在适当选择的数值Vz时施加到缓冲器101输入端的最大电压，因此，如果输入电压超过最大特定值，则输出电压不可能有任何进一步的增加，这样就保护增压二极管、输出电容和转换器下游免受风险。

在图3中，根据本发明派生实施方式表示在图2电路中的齐纳二极管Dz的工作区内使用的装置200。以单位增益配置的缓冲器201中的反相输入端得到电压Vrap，在其同相输入端上产生电压Vz。缓冲器201的输出是在缓冲器101同相输入端的输入中，缓冲器201的输出可以表示为下面公式：

$\frac{\mathrm{Vrap}-\mathrm{Vz}}{R}=\frac{\mathrm{Vz}-\mathrm{Vt}}{R}$

从上式我们得出Vt＝2Vz-Vrap

由下面公式得出电流It：

$\mathrm{It}=\frac{\mathrm{Vt}}{\mathrm{Rt}}=\frac{2\mathrm{Vz}-\sqrt{2}\mathrm{KpVac}}{\mathrm{Rt}};$

以单位比率在内部反射电流It以使有关上述比率的容许偏差减小到最低程度并且用引线INV输送像这样获得的电流，以便修正输出电压Vout的调节。在结点INN上应用电流平衡公式我们可以列出：

$\frac{\mathrm{Vout}-\mathrm{Vref}}{R1}+\mathrm{It}=\frac{\mathrm{Vref}}{R2},$

代入上面推导出的It表达式并且相对于Vout分解，从该公式我们推导出：

$\mathrm{Vout}=\mathrm{Vref}(1+\frac{R1}{R2})-2\frac{R1}{\mathrm{Rt}}\mathrm{Vz}+\sqrt{2}\mathrm{Kp}\frac{R1}{\mathrm{Rt}}\mathrm{Vac}.$

最后，可以观察到，用这种技术产生的电流越小，输出电压就会越大。对于It＝0显然会得到最大值而因此反射内在正电流，我们就自然而然地获得It≥0和对所产生的输出电压的必然限制，在这样的情况下没有必要使用齐纳二极管。

在替换方面，装置42能够只包含为形成低通滤器而连接的元件RC。

而且在替换方面，能够用电流读出干线电压，所以装置42可以是在电容C_ff上输出的电流的一种简单电流镜；或者必须包含电流一电压转换器，其中把产生的电压施加到运算放大器43同相输入端。

Claims (9)

1.一种用于在强制开关电源单元内功率因数校正的装置，包括：转换器(20)和与上述转换器(20)连接的控制装置(100)，以便在输出端上从输入交流干线电压(Vin)获得稳定的直流电压(Vout)，上述转换器(20)包括功率晶体管(M)，而上述控制装置(100)包括：差分放大器(3)，上述差分放大器(3)具有在反相输入端上的输入中与上述调节过的电压(Vout)成正比的第一信号(Vr)和在同相输入端上的输入中的基准电压(Vref)，与上述差分放大器(3)的输出端连接的上述功率晶体管(M)的驱动电路(4-7，10)，其特征在于：上述控制装置(100)包括适于产生表示有效输入电压的电流信号(It)的装置(42，C_ff，101，Rt，102)，上述电流信号(It)是在上述差分放大器(3)反相输入端上的输入，以响应有效输入电压的变化来改变上述调节过的电压(Vout)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：适于产生表示有效输入电压的电流信号(It)的上述装置(42，C_ff，101，Rt，102)包括：电路(42)，适于提供表示有效输入电压的电压信号(Vrap)；和电阻(Rt)，在其端子上出现上述电压信号(Vrap)而在其内流过代表有效输入电压的上述电流信号(It)。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：包括适于整流上述输入电压(Vin)的装置(2)，上述电路(42)包括至少一个二极管(44)和一个电容器(Cff)，上述二极管(44)具有与上述整流装置(2)连接的正极和与上述电容器(Cff)连接的负极。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于上述电路(42)包括运算放大器(43)，该运算放大器(43)具有：与上述整流装置(2)连接的同相输入端、与上述二极管(44)的正极连接的输出端、和与上述二极管(44)的负极连接的反相输入端。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：适于产生表示有效输入电压的电流信号(It)的上述装置包括：设置在上述电路(42)和上述电阻器(Rt)之间的缓冲器(101)，以及适于反射在上述电阻(Rt)内流过的上述电流信号(It)并且适于把上述电流信号(It)输送到差分放大器(3)反相输入端的电流镜(101)。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于适于产生表示有效输入电压的电流信号(It)的上述装置包括：适于将上述电阻(Rt)端子上施加的电压信号数值限制在预定值的装置(DZ，200)。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：适于将上述电阻(Rt)端子上施加的电压信号数值限制在预定值的上述装置包括：设置在上述电阻(Rt)端子上的齐纳二极管(Dz)，将所施加电压信号数值限制在预定数值。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于适于将上述电阻(Rf)端上施加电压信号数值限制在预定数值的上述装置(200)包括：运算放器(201)，它具有与上述电路(42)输出端连接的反相输入端、与另一基准电压(Vz)连接的同相输入端、以及与上述电阻(Rt)一端连接并且通过另一电阻与上述反相输入端连接的输出端。

9.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：上述控制装置(100)包括：适于在输出中给出代表有效输入电压的上述信号(Vrap)的倒数平方的另一电路(41)，

上述驱动电路(4-7，10)包括：乘法器(4)，与上述差分放大器(3)连接并且适于将从上述差分放大器(3)和从上述另一电路(41)输出中的信号(Se)与在从上述整流装置(2)输出中的信号成正比的电压信号(Vi)相乘；运算放大器(6)，其二个输入端中的一个输入从乘法器(4)输出的信号而在另一个输入端上输入有另一个基准电压；比较器(5)，适于将从上述运算放大器(6)输出信号与振荡器(7)的输出信号比较；与上述比较器(5)的输出端连接并且适于产生上述功率晶体管(M)的驱动信号的控制装置(10)。