CN203151369U - 一种降低thd、提高功率因数的电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种降低THD、提高功率因数的电路，主要用于AC-DC电源、荧光灯驱动、LED驱动等领域及其他反激模式工作的系统，包括导通时间Ton产生电路，在导通时间Ton产生电路中包括将占空比D信号反馈到控制回路中的电路，能够实现输入电流Iin的平均值和电网电压Vin成正比关系，降低THD、提高功率因数，同时兼容反激模式工作系统的控制回路，易于应用和实现。

Description

一种降低THD、提高功率因数的电路

技术领域

本实用新型涉及一种降低THD、提高功率因数的电路，主要用于AC-DC电源、荧光灯驱动、LED驱动等领域及其他反激模式工作的系统中实现降低THD、提高功率因数的功能。 

背景技术

功率因数PF为系统中有功功率与视在功率的比值。 

其中，φ为电流基波与电压的信号的相位差；THD为总谐波失真。 

功率因数PF低会造成干扰电网电压和系统损耗增大的危害。 

有源功率因素校正电路广泛应用于电源、荧光灯驱动、LED驱动等领域，实现提高功率因数的功能。有源功率因素校正电路主要是通过让输入电流Iin的平均值I_av和电网电压Vin成正比关系以降低总谐波失真THD来实现提高功率因数的功能。 

I_av∝Vin   （2）； 

对于输入电流Iin的平均值I_av可以表示为： 

$I_{\mathrm{av}}=\frac{1}{2}\×I_{\mathrm{pk}}\×D=\frac{1}{2}\×\frac{\mathrm{Vin}}{L}\×\mathrm{Ton}\×D---\left(3\right);$

其中，I_pk为变压器原边电流Ip的峰值；D为系统开关工作的占空比；Ton为系统开关工作的导通时间；L为变压器的原边电感。 

当I_pk×D正比于电网电压Vin，即T_on×D为常数时，则可实现输入电流Iin的平均值I_av和电网电压Vin成正比关系，提高系统的功率因数。 

图1为固定导通时间Ton的有源功率因素校正电路的结构框图。如公式3所示，由于导通时间Ton固定，变压器原边电流Ip的斜率和电网电压Vin成正比关系，从而使变压器原边电流Ip的峰值I_pk和电网电压Vin成正比关系，进而使输入电流Iin的平均值I_av随电网电压Vin的变化而正向变化。实现有源功率因素校正控制。但是，占空比D随电网电压Vin的增加而减小，输入电流Iin的平均值I_av和电网电压Vin不成正比关系。 

如图4所示，固定导通时间Ton的有源功率因素校正电路只保证变压器原边电流Ip的峰值I_pk和电网电压Vin成正比关系，并不能保证输入电流Iin的平均值I_av和电网电压Vin成正比关系，无法实现较高的功率因数PF。一般固定导通时间Ton的有源功率因素校正电路总谐波失真THD只能做到25%左右，功率因数PF为93%左右。 

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种降低THD、提高功率因数的电路，实现输入电流Iin的平均值I_av和电网电压Vin成正比关系，并且兼容反激模式工作系统的控制回路。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是： 

一种降低THD、提高功率因数的电路，包括导通时间Ton产生电路，其特征在于：在导通时间Ton产生电路中包括将占空比D信号反馈到控 制回路中的电路。将占空比D作为信号反馈到控制回路中，实现输入电流Iin的平均值I_av和电网电压Vin成正比关系。 

优选地，该降低THD、提高功率因数的电路包括电流检测电阻Rsns、反馈电路、运放AMP1、补偿电容Ccomp、logic电路模块、驱动电路模块、功率管Mhv和由整流桥、变压器T1、电容Cin和Cout以及负载组成的外围电路，所述电流检测电阻Rsns连接反馈电路，反馈电路连接运放AMP1，运放AMP1连接导通时间Ton产生电路，导通时间Ton产生电路连接logic电路模块，logic电路模块连接驱动电路模块，驱动电路模块连接功率管，功率管连接外围电路和电流检测电阻Rsns。 

作为优选方案，所述导通时间Ton产生电路包括： 

用于实现对内部基准电压VrefA进行斩波的开关M1和M2； 

用于对开关控制信号DRV进行逻辑反相的反相器inv1； 

用于对基准电压VrefA斩波后的信号VrefAsw进行滤波的电阻R1和电容C1； 

用于将滤波后的随占空比D变化的基准电压DVrefA信号转换成电流信号的V-I转换电路； 

用于充放电以产生导通时间Ton的电容Ccap； 

用于对开关控制信号DRV进行逻辑反相的反相器inv2； 

用于对Ccap进行放电的开关M3；以及 

用于产生导通时间结束信号TonEnd的比较器CMP2。 

作为优选方案，所述开关管M1、M2和M3可采用PMOS管、NMOS管、PNP管或NPN管。 

作为优选方案，用于对基准电压VrefA斩波后的信号VrefAsw进行滤波的滤波电路可以采用一级或多级电阻电容串并联实现，也可采用有源滤波电路实现。 

当电网电压Vin变化时，虽然占空比D随电网电压Vin的增加而减小，但由于导通时间Ton和占空比D成反比，从而保证T_on×D保持不变， 继而实现输入电流Iin的平均值I_av和电网电压Vin成正比关系，降低THD、提高功率因数。本实用新型总谐波失真THD可以做到5%左右，功率因数PF为99%左右。 

本实用新型的有益效果是：与现有技术相比，本实用新型所述降低THD、提高功率因数的电路，其优点在于：首先，实现输入电流Iin的平均值I_av和电网电压Vin成正比关系，降低THD、提高系统的功率因数；其次，兼容反激模式工作系统的控制回路，易于应用和实现。 

附图说明

图1是固定导通时间Ton的有源功率因素校正电路的结构框图； 

图2是将占空比D信号反馈到控制回路中的电路的结构框图； 

图3是本实用新型中的降低THD、提高功率因数的电路的一种电路连接图； 

图4是固定导通时间Ton的有源功率因素校正电路的工作波形； 

图5是本实用新型中的降低THD、提高功率因数的电路的工作波形图； 

图6是本实用新型中的降低THD、提高功率因数的电路的实现电路各节点的工作波形图。 

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型做进一步说明。 

以反激结构的有源功率因素校正电路例，如图2所示，降低THD、提高功率因数的电路的结构框图，本实用新型在导通时间Ton产生电路模块增加占空比D信号的反馈电路，从而实现输入电流Iin的平均值I_av和电网电压Vin成正比关系，降低THD、提高功率因数。 

如图2所示的将占空比D信号反馈到控制回路中的电路的具体工作原理为： 

反馈控制信号通过反馈电路和运放AMP1产生用于控制导通时间Ton的直流电压信号Vcomp，在系统正常工作时，直流电压信号Vcomp保持不变，不随电网电压Vin变化。导通时间Ton产生模块产生的导通时间Ton大小为： 

$\mathrm{Ton}=\frac{K\×\mathrm{Vcomp}}{D}---\left(4\right);$

其中，D为系统开关工作的占空比；Vcomp为Vcomp点的电压值；K为常数。 

导通时间Ton产生模块的输出TonEnd经过logic模块和驱动电路控制功率管Mhv的导通与关断，实现系统的控制。 

输入电流Iin的平均值I_av为： 

$I_{\mathrm{av}}=\frac{1}{2}\×\frac{\mathrm{Vin}}{L}\×\mathrm{Ton}\×D$ $=\frac{1}{2}\×\frac{\mathrm{Vin}}{L}\×\frac{K\×\mathrm{Vcomp}}{D}\×D$ $=\frac{K\×\mathrm{Vcomp}}{2\×L}\×\mathrm{Vin}\∝\mathrm{Vin}---\left(5\right);$

其中，D为系统开关工作的占空比；Ton为系统开关工作的导通时间；L为变压器的原边电感；Vcomp为Vcomp点的电压值；K为常数。 

如图5所示本实用新型中的降低THD、提高功率因数的电路的工作波形图，输入电流Iin的平均值I_av和电网电压Vin成正比关系，降低THD、提高功率因数。 

本实用新型所述降低THD、提高功率因数的一种电路连接图如图3所示。导通时间Ton产生模块实现受占空比D控制的导通时间Ton的具体工作原理为： 

当开关控制信号DRV为高电平时，开关M1导通，开关M2关断，信号VrefAsw等于信号VrefA。反之，当开关控制信号DRV为低电平时，开关M2导通，开关M1关断，信号VrefAsw等于0V。经过R1和C1滤波后，产生正比于占空比D的基准电压信号DVrefA，各节点的工作波形如图6所示。基准电压信号DVrefA经过V-I转换电路转换为电容充放电电流Icap，大小为： 

$\mathrm{Icap}=\frac{D\×\mathrm{VrefA}}{R}---\left(6\right);$

其中，R为V-I转换电路的转换阻抗。 

在每个工作周期功率管Mhv导通时，驱动信号DRV为高，M3关断，电容充放电电流Icap对电容Ccap进行充电，当电容Ccap的电压大于Vcomp点的电压时，TonEnd信号变为高，驱动信号DRV变为低，使功率管Mhv关断，同时M3导通对电容Ccap进行放电。产生的导通时间Ton为： 

$\mathrm{Ton}=\frac{\mathrm{Ccap}\×\mathrm{Vcomp}}{\mathrm{Icap}}=\frac{\mathrm{Ccap}\×R}{\mathrm{VrefA}}\×\frac{\mathrm{Vcomp}}{D}---\left(7\right);$

其中，D为系统开关工作的占空比；Icap为电容充放电电流；VrefA为比较器CMP2的基准参考电压。 

导通时间Ton与Vcomp呈正比，与占空比D呈反比。实现占空比D对导通时间Ton的控制。 

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。任何不超出本实用新型实质精神范围的实用新型创造，包括但不限于电阻实现方式（如R1采用普通电阻或MOS电阻等）的改变、对元器件的类型或型号的替换（如将M1、M2和M3等替换成三极管等）、 电路局部构造的变更（如滤波电路采用有源滤波电路或无源滤波电路等），以及其他非实质性的替换、变形或修改，均落入本实用新型保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种降低THD、提高功率因数的电路，包括导通时间Ton产生电路，其特征在于：在导通时间Ton产生电路中包括将占空比D信号反馈到控制回路中的电路。

2.根据权利要求1所述的降低THD、提高功率因数的电路，其特征在于：包括电流检测电阻Rsns、反馈电路、运放AMP1、补偿电容Ccomp、logic电路模块、驱动电路模块、功率管Mhv和由整流桥、变压器T1、电容Cin和Cout以及负载组成的外围电路，电流检测电阻Rsns连接反馈电路，反馈电路连接运放AMP1，运放AMP1连接导通时间Ton产生电路，导通时间Ton产生电路连接logic电路模块，logic电路模块连接驱动电路模块，驱动电路模块连接功率管，功率管连接外围电路和电流检测电阻Rsns。

3.如权利要求1或2所述的降低THD、提高功率因数的电路，其特征在于：所述导通时间Ton产生电路包括：

用于实现对内部基准电压VrefA进行斩波的开关M1和M2；

用于对开关控制信号DRV进行逻辑反相的反相器inv1；

用于对基准电压VrefA斩波后的信号VrefAsw进行滤波的电阻R1和电容C1；

用于将滤波后的随占空比D变化的基准电压DVrefA信号转换成电流信号的V-I转换电路；

用于充放电以产生导通时间Ton的电容Ccap；

用于对开关控制信号DRV进行逻辑反相的反相器inv2；

用于对Ccap进行放电的开关M3；以及

用于产生导通时间结束信号TonEnd的比较器CMP2。

4.如权利要求3所述的降低THD、提高功率因数的电路，其特征在于：

所述开关管M1、M2和M3可采用PMOS管、NMOS管、PNP管或NPN管。

5.如权利要求3所述的降低THD、提高功率因数的电路，其特征在于：

用于对基准电压VrefA斩波后的信号VrefAsw进行滤波的滤波电路可以采用有源滤波电路实现。

6.如权利要求3所述的降低THD、提高功率因数的电路，其特征在于：

所述用于对基准电压VrefA斩波后的信号VrefAsw进行滤波的滤波电路可以采用多级电阻、电容串并联构成。

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