CN213879636U - 一种开关电源pfc变换器的控制电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种开关电源PFC变换器的控制电路，包括输出电压反馈模块、电感电流过零检测模块，驱动模块、乘法器、比较器和RS触发器和分段正弦切换控制单元，输出电压反馈模块与乘法器电连接；乘法器与比较器的反相输入端电连接，比较器的正相输入端用于检测PFC变换器的开关管电流；比较器的输出端与RS触发器的R脚电连接；电感电流过零检测模块的输出端与RS触发器的S脚电连接；RS触发器的Q脚通过驱动模块与PFC变换器的开关管的栅极电连接，分段正弦切换控制单元的输入端用于采集输入整流电压信号，分段正弦切换控制单元的输出端与乘法器电连接。本实用新型能降低开关电源成本，提升开关电源的转换效率。

Description

一种开关电源PFC变换器的控制电路
技术领域
本实用新型涉及开关电源功率因数校正技术领域，具体涉及一种开关电源PFC 变换器的控制电路。
背景技术
开关电源通常设有PFC 变换器（功率因数校正电路）以提升用电效率，减少对电网的谐波污染。目前开关电源的PFC 变换器一般使用主动式的boost电路来实现功率因数校正，开关电源的PFC 变换器一般配设有相应的控制电路，目前开关电源的的PFC 变换器的控制电路一般基于以下二种控制模块设计：其一，CCM（电感电流连续）模式，CCM输入电流幅值最低，但是因PFC变换器中的续流二极管关断会有较大反向恢复电流，影响开关电源的效率和EMC（电磁兼容）性能，需要较高成本的半导体器件去降低反向恢复电流影响，产品成本较高；其二， CRM（电感电流临界连续）模式，CRM模式的PFC变换器中的续流二极管为零电流关断，无反向恢复问题，EMC特性好，产品成本较CCM模式的PFC变换器要低，因此目前在中小功率的开关电源产品中得到广泛应用。
目前中小功率开关电源采用CRM模式控制的PFC变换器及其控制电路如图1所示，PFC变换器100主要由滤波电容C1、电感L1、续流二极管S1、电阻R1、二极管D1以及电解电容C2组成。PFC变换器101通过整流桥BR1连接交流电源Vin。PFC变换器100的控制电路101则主要由输入整流电压信号采集模块1、输出电压反馈模块2、电感电流过零检测模块、驱动模块、乘法器M1、比较器B1和RS触发器TR1组成。其中，输入整流电压信号采集模块1用于采集交流电源Vin经整流桥BR1整流后的输入电压也即PFC变换器的输入电压信号，输出电压反馈模块2用于采集PFC变换器的输出电压信号Vo，电感电流过零检测模块用于检测电感L1的电流，驱动模块用于根据检测信号依次由乘法器M1、比较器B1和RS触发器TR1相应确定的控制信号控制PFC变换器100的续流二极管S1的通断。工作时，输出电压反馈模块2的输出与输入整流电压信号采集模块1的输出经乘法器M1相乘并作为电感电流/开关电流的峰值基准，通过比较器B1输出到RS触发器TR1的R脚输入端，当采样得到的电感电流/开关电流信号达到参考基准后，比较器输出高电平至RS触发器TR1的R脚，RS触发器TR1输出低电平关断开关管S1，此时RS触发器TR1的R脚复位为低电平，电感L1的电流下降，当电感L1的电流降至零时，电感电流过零检测模块输出高电平信号至RS触发器TR1的S脚，RS触发器TR1的输出置高，通过驱动模块实现PFC变换器100的开关管S1导通工作。此类中小功率开关电源采用CRM模式控制的PFC变换器的控制电路，可以实现PFC变换器100的开关管S1零电流开通和PFC续流二极管D1的零电流关断，效率较高，EMI特性较好；但是因CRM控制模式的电流纹波相比CCM模式要大许多，其电流峰值较高，增加了PFC变换器100中的电感L1以及功率半导体器件的电流应力，使得器件成本较高；而且输入电压越低，PFC变换器100的开关频率越高，相应的开关损耗也会越大。因此，开发能够降低PFC变换器中电感的磁芯尺寸和功率半导体器件的最大电流应力，从而相应降低开关电源成本并提升效率的PFC变换器的新的控制电路，显得必要。
实用新型内容
本实用新型的目的是：针对现有技术中存在的问题，提供一种结构改进的开关电源PFC 变换器的控制电路，采用该控制电路能够降低PFC 变换器输入过零附近的开关损耗，并降低PFC 变换器中的电感电流峰值应力，从而实现开关电源降本增效。
本实用新型的技术方案是：本实用新型的开关电源PFC 变换器的控制电路，包括使用时用于采集PFC变换器的输出电压信号的输出电压反馈模块，用于检测PFC变换器的电感L1的电流的电感电流过零检测模块，用于驱动PFC变换器的开关管S1的驱动模块，以及乘法器M1、比较器B1和RS触发器TR1，输出电压反馈模块设有的输出端与乘法器M1的第一输入端电连接；乘法器M1的输出端与比较器B1的反相输入端电连接，比较器B1的正相输入端与PFC 变换器的开关管S1的发射极以及PFC 变换器具有的电阻R1的一端具有公共接点；比较器B1的输出端与RS触发器TR1的R脚电连接；电感电流过零检测模块的输出端与RS触发器TR1的S脚电连接；RS触发器TR1的Q脚与驱动模块的输入端电连接；驱动模块的输出端与PFC变换器的开关管S1的栅极电连接，其特征在于：上述控制电路还包括用于采集PFC 变换器的输入整流电压信号并向乘法器输出分段切换的电压基准信号的分段正弦切换控制单元，分段正弦切换控制单元设有的输入端用于采集输入整流电压信号，分段正弦切换控制单元设有的输出端与乘法器M1的第二输入端电连接。
进一步的方案是：上述分段正弦切换控制单元输入整流电压第一分压模块、输入整流电压第二分压模块、输入整流电压平均值采样模块、电子开关模块以及比较器B2；
上述输入整流电压第一分压模块设有输入整流电压信号采样端、第一采样信号输出端、第二采样信号输出端和接地端；输入整流电压第二分压模块设有采样信号输入端、输出端和接地端；输入整流电压平均值采样模块设有采样信号输入端、输出端和接地端；电子开关模块设有常闭端、常开端、控制端以及输出端；
输入整流电压第一分压模块的输入整流电压信号采样端即为上述的分段正弦切换控制单元的输入端，电子开关模块的输出端即为上述的分段正弦切换控制单元的输出端；输入整流电压第一分压模块的第一采样信号输出端、比较器B2的反相输入端、输入整流电压第二分压模块的采样信号输入端以及电子开关模块的常开端具有公共接点；输入整流电压平均值采样模块的采样信号输入端与输入整流电压第一分压模块的第二采样信号输出端电连接；输入整流电压平均值采样模块的输出端与比较器B2的正相输入端电连接；比较器B2的输出端与电子开关模块的控制端电连接；输入整流电压第一分压模块、输入整流电压第二分压模块、输入整流电压平均值采样模块各自的接地端均接电源地。
进一步的方案是：上述输入整流电压第一分压模块包括电阻R7、电阻R8和电阻R9；电阻R7的一端即为上述的输入整流电压第一分压模块的输入整流电压信号采样端，电阻R7的另一端与电阻R8的一端具有公共接点，该公共接点即为上述的输入整流电压第一分压模块的第一采样信号输出端；电阻R8的另一端与电阻R9的一端具有公共接点，该公共接点即为上述的输入整流电压第一分压模块的第二采样信号输出端；电阻R9的另一端即为上述的输入整流电压第一分压模块的接地端。
进一步的方案是：上述输入整流电压第二分压模块包括电阻R12和电阻R13；电阻R12的一端即为上述的输入整流电压第二分压模块的采样信号输入端；电阻R12的另一端与电阻R13的一端具有公共接点，该公共接点即为上述的输入整流电压第二分压模块的输出端；电阻R13的另一端即为上述的输入整流电压第二分压模块的接地端。
进一步的方案是：上述输入整流电压平均值采样模块包括电阻R10、电阻R11、电容C5和电容C6；电阻R10的一端即为上述的输入整流电压平均值采样模块的采样信号输入端；电阻R10的另一端、电容C5的一端以及电阻R11的一端具有公共接点；电阻R11的另一端与电容C6的一端具有公共接点，该公共接点即为上述的输入整流电压平均值采样模块的输出端；电容C5的另一端和电容C6的另一端具有公共接点，该公共接点即为上述的输入整流电压平均值采样模块的接地端。
进一步的方案是：上述电阻R10和电容C5组成第一级低通滤波器，电阻R11和电容C6组成第二级低通滤波器。
进一步的方案是：上述电子开关模块34为ISL76123型号的单刀双掷电子开关。
本实用新型具有积极的效果：本实用新型的开关电源PFC 变换器的控制电路，其通过设置分段正弦切换控制单元，将现有技术中输入整流电压信号采集模块输出电压直接送入乘法器的模式改变为经分段正弦切换控制单元选择性地送入乘法器，工作时本实用新型的控制电路既保留了现有技术中CRM控制模式的优点，同时利用分段正弦切换控制单元根据检测的输入整流电压的不同相应采用不同的开关电流基准信号，实现分阶段正弦基准参考控制方式，从而使得本实用新型的控制电路既可以降低开关电源PFC 变换器过零点附近的开关频率，减少电路的开关损耗，又可以降低输入电流峰值，降低PFC变换器储能电感的磁芯尺寸和功率半导体器件的最大电流应力，降低开关电源成本，提升开关电源的转换效率。
附图说明
图1为现有技术常用的一种开关电源PFC 变换器及其相应的控制电路的电原理图，图中还显示了PFC 变换器通过整流桥与交流电源的电连接关系。
图2为本实用新型的开关电源PFC 变换器的控制电路的电原理图，图中还显示其与PFC 变换器的电连接关系。
上述附图中的附图标记如下：
PFC变换器100，控制电路101；
输入整流电压信号采集模块1，输出电压反馈模块2，分段正弦切换控制单元3，输入整流电压第一分压模块31、输入整流电压第二分压模块32、输入整流电压平均值采样模块33，电子开关模块34。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
（实施例1）
见图2，本实施例的开关电源PFC 变换器的控制电路101，其主要由输出电压反馈模块2、分段正弦切换控制单元3、电感电流过零检测模块、驱动模块、乘法器M1、比较器B1和RS触发器TR1组成。
输出电压反馈模块2的输入端用于采集PFC变换器的输出电压信号Vo，输出电压反馈模块2的输出端与乘法器M1的第一输入端电连接；分段正弦切换控制单元3的输入端用于采集PFC 变换器100的输入整流电压信号，分段正弦切换控制单元3的输出端向乘法器M1输出分段切换的电压基准信号，分段正弦切换控制单元3的输出端与乘法器M1的第二输入端电连接；乘法器M1的输出端与比较器B1的反相输入端电连接，比较器B1的正相输入端与PFC变换器100的开关管S1的发射极和电阻R1具有的公共接点电连接；比较器B1的输出端与RS触发器TR1的R脚电连接；电感电流过零检测模块用于检测电感L1的电流，电感电流过零检测模块的输出端与RS触发器TR1的S脚电连接；RS触发器TR1的Q脚与驱动模块的输入端电连接；驱动模块的输出端与PFC变换器100的开关管S1的栅极电连接。
前述的输出电压反馈模块2、电感电流过零检测模块、驱动模块、乘法器M1、比较器B1和RS触发器TR1的结构、工作原理以及与PFC 变换器100的电连接关系均与现有技术相同，不作赘述。
仍见图2，分段正弦切换控制单元3主要由输入整流电压第一分压模块31、输入整流电压第二分压模块32、输入整流电压平均值采样模块33、电子开关模块34以及比较器B2组成。
输入整流电压第一分压模块31设有输入整流电压信号采样端、第一采样信号输出端、第二采样信号输出端和接地端；输入整流电压第二分压模块32设有采样信号输入端、输出端和接地端；输入整流电压平均值采样模块33设有采样信号输入端、输出端和接地端；电子开关模块34设有常闭端、常开端、控制端以及输出端。本实施例中，电子开关模块34优选采用型号为ISL76123的单刀双掷电子开关。
输入整流电压第一分压模块31的输入整流电压信号采样端即为前述的分段正弦切换控制单元3的输入端，电子开关模块34的输出端即为前述的分段正弦切换控制单元3的输出端；输入整流电压第一分压模块31的第一采样信号输出端、比较器B2的反相输入端、输入整流电压第二分压模块32的采样信号输入端以及电子开关模块34的常开端具有公共接点；输入整流电压平均值采样模块33的采样信号输入端与输入整流电压第一分压模块31的第二采样信号输出端电连接；输入整流电压平均值采样模块33的输出端与比较器B2的正相输入端电连接；比较器B2的输出端与电子开关模块34的控制端电连接；输入整流电压第一分压模块31、输入整流电压第二分压模块32、输入整流电压平均值采样模块33各自的接地端均接电源地。
作为一种具体实施方式，输入整流电压第一分压模块31主要由电阻R7、电阻R8和电阻R9组成，电阻R7的一端即为前述的输入整流电压第一分压模块31的输入整流电压信号采样端，也即前述的分段正弦切换控制单元3的输入端，电阻R7的另一端与电阻R8的一端具有公共接点，该公共接点即为前述的输入整流电压第一分压模块31的第一采样信号输出端；电阻R8的另一端与电阻R9的一端具有公共接点，该公共接点即为前述的输入整流电压第一分压模块31的第二采样信号输出端；电阻R9的另一端即为前述的输入整流电压第一分压模块31的接地端。
作为一种具体实施方式，输入整流电压第二分压模块32主要由电阻R12和电阻R13组成，电阻R12的一端即为前述的输入整流电压第二分压模块32的采样信号输入端；电阻R12的另一端与电阻R13的一端具有公共接点，该公共接点即为前述的输入整流电压第二分压模块32的输出端；电阻R13的另一端即为前述的输入整流电压第二分压模块32的接地端。
作为一种具体实施方式，输入整流电压平均值采样模块33主要由电阻R10、电阻R11、电容C5和电容C6组成。电阻R10的一端即为前述的输入整流电压平均值采样模块33的采样信号输入端；电阻R10的另一端、电容C5的一端以及电阻R11的一端具有公共接点；电阻R11的另一端与电容C6的一端具有公共接点，该公共接点即为前述的输入整流电压平均值采样模块33的输出端；电容C5的另一端和电容C6的另一端具有公共接点，该公共接点即为前述的输入整流电压平均值采样模块33的接地端。其中，电阻R10和电容C5组成第一级低通滤波器，电阻R11和电容C6组成第二级低通滤波器。
本实施例的开关电源PFC 变换器的控制电路101，其工作原理简述如下：
本实施例的开关电源PFC 变换器的控制电路101，其与现有技术中常见的CRM控制模块的开关电源PFC 变换器的控制电路将采样的输入整流电压信号直接送到乘法器M1中不同，本实施例的控制电路101送入乘法器M1的是经过分段正弦切换控制单元3处理后输出的分段正弦切换控制信号。
分段正弦切换控制单元3工作时对输入整流电压信号涉及第一至第三共3个分压系数k1、k2和k3，其中：
k1＝(R8+R9)/(R7+R8+R9)；
k2＝R13/(R12+R13)；
k3＝R9/(R7+R8+R9)。
将输入整流电压第一分压模块31的第一采样信号输出端输出的电压值记为U1；输入整流电压平均值采样模块33输出的电压值记为U2，则：
U1＝│Vin│×k1，式中， Vin为PFC变换器100输入的正弦电压，k1为第一分压系数；
U2＝k3×2×Vm/π，式中，Vm为PFC变换器100输入的正弦电压Vin的幅值，k3为第三分压系数。
使用中，分段正弦切换控制单元3中的比较器B2将U1与U2进行比较：
当U1≤U2时，比较器B2输出高电平，电子开关模块34得电动作，接通电子开关模块34的常开端，此时送入乘法器M1的电压信号为输入整流电压第一分压模块31的第一采样信号输出端输出的电压信号（具体为k1×Vm×sinθ，θ为Vin的相角）作为开关电流的基准信号经乘法器M1的第二输入端送入乘法器M1；
当U1＞U2时，比较器B2输出低电平，电子开关模块34常闭端复位，此时送入乘法器M1的电压信号为输入整流电压第一分压模块31的第一采样信号输出端输出的电压信号再经输入整流电压第二分压模块32分压后的电压信号（具体为k1×k2×Vm×sinθ，k2为第二分压系数）作为开关电流的基准信号经乘法器M1的第二输入端送入乘法器M1。
本实施例的开关电源PFC 变换器的控制电路101，通过设置分段正弦切换控制单元3，在PFC变换器100的输入电压实时值较低时，控制电路101采用较高的正弦基准信号，使得PFC变换器100的电感L1的电流峰值也变得较高，根据伏秒积守恒公式，可知开关周期Ts变大；根据开关损耗与开关周期成反比关系，可得输入电压实时值较低时开关损耗降低，因此能够节能；当负载相同条件下，其电感电流在过零点附近较高，PFC电路在该区间传递的能量占比也变大，根据能量守恒，PFC电路在在输入电压峰值点，所需传递的能量占比降低，因此电感电流峰值也相应降低。
以上实施例是对本实用新型的具体实施方式的说明，而非对本实用新型的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本实用新型的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种开关电源PFC变换器的控制电路，包括使用时用于采集PFC变换器的输出电压信号的输出电压反馈模块，用于检测PFC变换器的电感L1的电流的电感电流过零检测模块，用于驱动PFC变换器的开关管S1的驱动模块，以及乘法器M1、比较器B1和RS触发器TR1，输出电压反馈模块设有的输出端与乘法器M1的第一输入端电连接；乘法器M1的输出端与比较器B1的反相输入端电连接，比较器B1的正相输入端与PFC 变换器的开关管S1的发射极以及PFC变换器具有的电阻R1的一端具有公共接点；比较器B1的输出端与RS触发器TR1的R脚电连接；电感电流过零检测模块的输出端与RS触发器TR1的S脚电连接；RS触发器TR1的Q脚与驱动模块的输入端电连接；驱动模块的输出端与PFC变换器的开关管S1的栅极电连接，其特征在于：所述控制电路还包括用于采集PFC 变换器的输入整流电压信号并向乘法器输出分段切换的电压基准信号的分段正弦切换控制单元，分段正弦切换控制单元设有的输入端用于采集输入整流电压信号，分段正弦切换控制单元设有的输出端与乘法器M1的第二输入端电连接。
2.根据权利要求1所述的开关电源PFC变换器的控制电路，其特征在于：所述分段正弦切换控制单元输入整流电压第一分压模块、输入整流电压第二分压模块、输入整流电压平均值采样模块、电子开关模块以及比较器B2；
所述输入整流电压第一分压模块设有输入整流电压信号采样端、第一采样信号输出端、第二采样信号输出端和接地端；输入整流电压第二分压模块设有采样信号输入端、输出端和接地端；输入整流电压平均值采样模块设有采样信号输入端、输出端和接地端；电子开关模块设有常闭端、常开端、控制端以及输出端；
输入整流电压第一分压模块的输入整流电压信号采样端即为所述的分段正弦切换控制单元的输入端，电子开关模块的输出端即为所述的分段正弦切换控制单元的输出端；输入整流电压第一分压模块的第一采样信号输出端、比较器B2的反相输入端、输入整流电压第二分压模块的采样信号输入端以及电子开关模块的常开端具有公共接点；输入整流电压平均值采样模块的采样信号输入端与输入整流电压第一分压模块的第二采样信号输出端电连接；输入整流电压平均值采样模块的输出端与比较器B2的正相输入端电连接；比较器B2的输出端与电子开关模块的控制端电连接；输入整流电压第一分压模块、输入整流电压第二分压模块、输入整流电压平均值采样模块各自的接地端均接电源地。
3.根据权利要求2所述的开关电源PFC变换器的控制电路，其特征在于：所述输入整流电压第一分压模块包括电阻R7、电阻R8和电阻R9；电阻R7的一端即为所述的输入整流电压第一分压模块的输入整流电压信号采样端，电阻R7的另一端与电阻R8的一端具有公共接点，该公共接点即为所述的输入整流电压第一分压模块的第一采样信号输出端；电阻R8的另一端与电阻R9的一端具有公共接点，该公共接点即为所述的输入整流电压第一分压模块的第二采样信号输出端；电阻R9的另一端即为所述的输入整流电压第一分压模块的接地端。
4.根据权利要求2所述的开关电源PFC变换器的控制电路，其特征在于：所述输入整流电压第二分压模块包括电阻R12和电阻R13；电阻R12的一端即为所述的输入整流电压第二分压模块的采样信号输入端；电阻R12的另一端与电阻R13的一端具有公共接点，该公共接点即为所述的输入整流电压第二分压模块的输出端；电阻R13的另一端即为所述的输入整流电压第二分压模块的接地端。
5.根据权利要求2所述的开关电源PFC变换器的控制电路，其特征在于：所述输入整流电压平均值采样模块包括电阻R10、电阻R11、电容C5和电容C6；电阻R10的一端即为所述的输入整流电压平均值采样模块的采样信号输入端；电阻R10的另一端、电容C5的一端以及电阻R11的一端具有公共接点；电阻R11的另一端与电容C6的一端具有公共接点，该公共接点即为所述的输入整流电压平均值采样模块的输出端；电容C5的另一端和电容C6的另一端具有公共接点，该公共接点即为所述的输入整流电压平均值采样模块的接地端。
6.根据权利要求5所述的开关电源PFC变换器的控制电路，其特征在于：所述电阻R10和电容C5组成第一级低通滤波器，电阻R11和电容C6组成第二级低通滤波器。
7.根据权利要求2～6任一所述的开关电源PFC变换器的控制电路，其特征在于：所述电子开关模块为ISL76123型号的单刀双掷电子开关。
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