CN2775928Y - 可矫正功率因素的开关电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可矫正功率因素的开关电源，其主要包括有变压器T1、脉宽控制芯片U1、开关管V1、对输出电压进行误差取样的取样电路U3及光耦隔离器U2，变压器第一初级线圈的第一端与地之间连接有一储能电容C3，所述开关管V1的漏极连接在变压器第一初级线圈的第二端，在该第一次级线圈的两端并连接一电容C2，该电容C2的第一端连接整流输入端，在整流输入端与该电容C2的第一端之间连接一升压电感L1，所述电容C2的第一端连接一整流二极管D1的正级，该整流二极管D1的负极连接该压器的第一初级线圈的第一端。本实用新型具有电路成本低、效率高的优点。

Description

可矫正功率因素的开关电源

技术领域

本实用新型涉及一种开关电源，特别涉及一种具有功率因素矫正功能的开关电源。

背景技术

目前市场上销售的很多家用电器，如：电视机、DVD、音响等设备，一般都使用开关式电源，以提高工作效率和适应电网输入电压不稳定的要求。随着家庭电器应用设备的增加，特别是整流设备的增加，电网的功率因数也急速下降，这是因为整流输出电路一般都连接有一个大容量储能电容，导致整流二极管的导通角变得很小，使功率因数大大降低。

这种因整流二极管导通角变小使功率因数降低的情况对电网的危害，比一般功率因数同样很低的感性负载危害更大。因为导通角小就意味着浪涌电流很大，而电网在瞬间能提供的电流是有限的，因此很容易使电网产生电压波动和频率闪烁，或者干扰其它用电设备，严重时还会使电网过载进行保护，同时浪涌电流还会产生高次谐波，通过电网干扰其它用电设备，以及增加电网损耗，降低效率。

因此，随着家庭电器应用设备的增加，为了使供电设备和用电设备更安全可靠，电网对电器设备的功率因数要求条件也要相应提高，因此，提高开关电源功率因数就是一个最有普遍意义的方法。

图1是普通电视机开关电源简化后的工作原理图，图中V1是电源开关管，一般选用场效应管；U1是脉冲调宽(或脉宽控制)电路，一般都用集成电路；电容C3是储能滤波电容，R1是起动电阻，刚开机的时候，输入电压通过R1对电容C4充电，待电容C4两端的电压达到8V以上时，U1开始工作，开关电源正常工作后，U1的工作电压转为由开关电源变压器输出供电，电容C4是U1工作电源的储能滤波电容；电阻R3、电容C2、二极管D3构成反电动势吸收电路；U2是光电耦合隔离电路，对变压器的初、次级电路起隔离作用；U3是取样放大电路，对输出电压进行误差取样。

为了输出电压稳定，一般电容C3储能滤波电容器的容量都很大，其两端纹波大约只有5～10％，因此流过整流电路的浪涌电流很大，如图2所示。当开关电源工作的时候，开关管V1受U1控制，不断地导通和截止，开关管V1导通的时候，电流通过开关变压器储存能量，开关管V1截止的时候，开关变压器向负载提供能量，因此这种开关电源也称反激式开关电源，或回扫式开关电源。

为了提高开关电源的功率因数，目前带有功率因素矫正(Power Factorcorrector，PFC)功能的开关电源已经开始被使用。图3是目前广泛使用的带有功率因素矫正功能的开关电源电原理图，图中专门有一个功率因素矫正电路(PFC电路)。这个PFC电路实际上也是一个开关电源，一个并联式升压开关电源，它把整流输入电压经过开关变换，升压到400V稳压输出，给下一级开关电源供电。由于PFC开关电源输入电压使用的滤波电容容量很小，因此它的功率因数很高，即电流的变化曲线与电压的变化曲线形状基本相同。但图3中的开关电源的缺点在于电路复杂，成本高，效率低。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：为了克服现有开关电源的PFC电路复杂、成本高的不足，而提供一种低成本且效率高的带功率因素矫正功能的新型开关电源。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案为：提供一种可矫正功率因素的开关电源，其主要包括有变压器T1、脉宽控制芯片U1、源极和栅极分别连接在该脉宽控制芯片U1第2脚和第4脚上的开关管V1、对输出电压进行误差取样的取样电路U3及连接在所取样电路U3和脉宽控制芯片U1的第3脚之间用于对变压器的初、次级电路进行隔离的光耦隔离器U2，该取样放大电路连接在变压器的次级，所述变压器第一初级的第一端与脉宽控制芯片的第一脚之间连接有一起动电阻R1，在该起动电阻R1的一端连接一二极管D3的负极，该二极管D3的正极连接变压器第二初级线圈的一端，所述起动电阻R1的连接二极管D3的一端与地之间连接有一储能滤波电容C4，变压器第一初级线圈的第一端与地之间连接有一储能电容C3，所述开关管V1的漏极连接在变压器第一初级线圈的第二端，在该第一次级线圈的两端并连接一电容C2，该电容C2的第一端连接整流输入端，在整流输入端与该电容C2的第一端之间连接一升压电感L1，所述电容C2的第一端连接一整流二极管D1的正级，该整流二极管D1的负极连接该压器的第一初级线圈的第一端。

在另一技术方案中，在电容C2的两端并联有整流二极管D2，且该整流二极管D2的正极连接电容C2的第一端。

在再一技术方案中，所述升压电感L1为一带抽头的变压器式电感，在该电感的抽头与变压器T1的第一初级线圈的第二端之间串接有整流二极管D2，且所述整流二极管D2的正极连接该升压电感L1的抽头。

在所述变压器的次级线圈的一端与地之间串接有二极管D4及电容C5，且该二极管D4的正极该所述变压器的次级线圈连接，该二极管D4的负极引出电压输出端。

本实用新型的有益效果在于：由于变压器T1初级线圈漏感产生的反电动势可以通过电容C2反馈回路被吸收，因此本实用新型省去了现有的电视机的开关电源中的反电动势吸收回路，并且较一般带PFC开关电源，还省去了一个电源开关管，以及一个脉冲调宽控制、驱动电路。本实用新型具有电路成本低、效率高的优点。

附图说明

图1是现有电视机的开关电源的工作原理图。

图2是图1中输入电压及电流脉冲的波形示意图。

图3是现有电视机的带PFC电路的开关电源的原理框图。

图4是本实用新型第一实施例的工作原理图。

图5及图6是图4的分解图。

图7是本实用新型第一实施例的波形图。

图8是本实用新型的第二实施例的工作原理图。

具体实施方式

请参照图4所示，为本实用新型第一实施例的工作原理图。其揭示了一种带有功率因素矫正功能的新型开关电源。其主要包括有变压器T1、脉宽控制芯片U1、源极和栅极分别连接在该脉宽控制芯片U1第2脚和第4脚上的开关管V1、对输出电压进行误差取样的取样电路U3及连接在所取样电路U3和脉宽控制芯片U1的第3脚之间用于对变压器的初、次级电路进行隔离的光耦隔离器U2，该取样放大电路连接在变压器的次级，所述变压器第一初级的第一端与脉宽控制芯片的第一脚之间连接有一起动电阻R1，在该起动电阻R1的一端连接一二极管D3的负极，该二极管D3的正极连接变压器第二初级线圈的一端，所述起动电阻R1的连接二极管D3的一端与地之间连接有一储能滤波电容C4，变压器第一初级线圈的第一端与地之间连接有一储能电容C3，所述开关管V1的漏极连接在变压器第一初级线圈的第二端，在该第一次级线圈的两端并连接一电容C2，该电容C2的第一端连接整流输入端，在整流输入端与该电容C2的第一端之间连接一电感L1，所述电容C2的第一端连接一二极管D1的正级，该二极管D1的负极连接该压器的第一初级线圈的第一端。在电容C2的两端并接有二极管D2，且该二极管D2的正极连接电容C2的第一端。

与图1不同之处主要是多了一个升压电感L1，和两个整流二极管D1、D2。C1也是一个滤波电容，但它的容量很小，电容两端的波纹与输入电压的包络基本保持一致，即输入电压与电流的相位基本保持一致，因此它基本不会影响整流电路的导通角。

图4的工作原理可以用图5、图6、图7来说明。

图5中，当电源开关管V1导通时，整流输入电压通过开关管V1加到电感L1和整流二极管D2串联的回路上，相当于整流输入电压基本被加到电感L1的两端，使电感L1中有电流iL通过，电流iL会在电感线圈L1中建立磁场，把电能转化成磁能储存于L1之中。此时在L1中储存的能量W为：

$W=\frac{1}{2}{\mathrm{LI}}^2---\left(1\right)$

式中W为功或磁场能量，L为L1的电感量，I是流过L1的电流(即时值)。

当电源开关管V1截止关闭时，电感L1中储存的磁能量会转变为反电动势e，e的大小由下式决定：

                e＝Ldi/dt                            (2)

或：               e＝dΨ/dt                         (3)

式中e为电感L1产生的反电动势，L为L1的电感量，di/dt为电流变化率；Ψ/dt为电感线圈的磁通变化率。

当电源开关管V1截止关闭时，电感L1产生的反电动势e的极性正好与输入电压相同，两个电压串联通过整流二极管D1向储能滤波电容C3进行充电，如图6所示，电流仍用iL来表示。同时，开关电源变压器T1初级线圈的漏感也会产生反电动势，反电动势的方向正好与输入电压的方向相反，因此T1初级线圈漏感产生的反电动势可通过一个电容C2反馈给输入电源，以提高工作效率。

但电容C2的容量又不能取得过大，过大了反馈给输入电源的能量过大，就不只是开关电源变压器T1初级线圈漏感产生的反电动势了，而是开关电源变压器T1初级线圈储存能量的一部分。

当电源开关管V1受脉冲调宽电路控制，不断地导通和截止时，升压电感L1和开关电源变压器T1同时一起工作，也相当于两个开关电源一起同步工作。一个由L1组成的开关电源通过D1不断地向储能滤波电容C3充电；另一个由T1组成的开关电源通过变压器的次级和D4不断地向储能滤波电容C5充电，和向负载提供功率输出。

由于开关电源不但对输出电压有很好的稳定作用，对输入电压也有很强的调控能力(即电压调整率)，因此电源开关管V1导通和截止的占空比(等于脉冲宽度τ与脉冲周期T之比)也会跟随输入电压作周期性地变化，如图7所示。

图7中，τ1表示开关管V1导通，输入电压对电感L1加电，L1处于充电储存能量状态，τ2表示开关管V1关断，电感L1产生反电动势对C3充电，L1处于释放储存能量状态，即：当τn为奇数时，输入电压对电感L1充电储能，τn为偶数时，电感L1产生反电动势对储能滤波电容C3充电。

根据调宽开关电源输出电压与调宽脉冲占空比(等于脉冲宽度τ与脉冲周期T之比)的关系，图7中，当输入电压较低时，开关管V1的导通时间大于关闭时间，而当输入电压较高时，开关管V1的导通时间小于关闭时间。流过L1的电流可以看成是按线性规律变化的三角波。

图7中，IIN是输入电流的波形(数学期望值)，IL是流过电感L1的电流波形，VIN是输入电压波形，VL是电感L1输出端的电压波形，Vout是电容C3两端的电压，大约为400V左右。由图7看出，输入电流与输入电压的波形基本相同，因此，这种开关电源的功率因数很高，如电路参数选择合适，其数值很连接近1。但在实际应用中也不要片面追求高功率因数，一般Vout输出电压越高功率因数也越高，但Vout输出电压过高会降低开关电源的可靠性。

在图8中，是将图4中的电感L1改为一个带抽头的变压器式电感，这样，变换抽头的位置就可以改变电压输出。

另外，改变电感L1输出电压还有另一种方法，就是把二极管D2取消，并把电容C2的容量加大，使电容C2也成为电感L1充放电回路中的一个主要角色，改变电容C2的大小就可以改变L1输出电压的大小。不过电容C2加大以后，会吸收变压器T1的储存能量，因此变压器T1的储存能量相应地也要增大。

在图4或图8的电路中，由于变压器T1初级线圈漏感产生的反电动势可以通过电容C2反馈回路被吸收，因此图1和图3中的反电动势吸收回路可以省去。与图3相比，图4或图8电路比一般带PFC开关电源，还省去了一个电源开关管，以及一个脉冲调宽控制、驱动电路，因此图4或图8电路的开关电源电路成本比一般带PFC开关电源低很多。

图4或图8带功率因数矫正功能的新型开关电源电路可以普遍应用于一般最大功率为200W以下的电视机、DVD、数字功放，以及其它电器设备中。

Claims (4)

1.一种可矫正功率因素的开关电源，其主要包括有变压器T1、脉宽控制芯片U1、源极和栅极分别连接在该脉宽控制芯片U1第2脚和第4脚上的开关管V1、对输出电压进行误差取样的取样电路U3及连接在所取样电路U3和脉宽控制芯片U1的第3脚之间用于对变压器的初、次级电路进行隔离的光耦隔离器U2，该取样放大电路连接在变压器的次级，所述变压器第一初级的第一端与脉宽控制芯片的第一脚之间连接有一起动电阻R1，在该起动电阻R1的一端连接一二极管D3的负极，该二极管D3的正极连接变压器第二初级线圈的一端，所述起动电阻R1的连接二极管D3的一端与地之间连接有一储能滤波电容C4，变压器第一初级线圈的第一端与地之间连接有一储能电容C3，所述开关管V1的漏极连接在变压器第一初级线圈的第二端，在该第一次级线圈的两端并连接一电容C2，该电容C2的第一端连接整流输入端，其特征在于：在整流输入端与该电容C2的第一端之间连接一升压电感L1，所述电容C2的第一端连接一整流二极管D1的正级，该整流二极管D1的负极连接该压器的第一初级线圈的第一端。

2.如权利要求1所述的可矫正功率因素的开关电源，其特征在于：在电容C2的两端并联有整流二极管D2，且该整流二极管D2的正极连接电容C2的第一端。

3.如权利要求1所述的可矫正功率因素的开关电源，其特征在于：所述升压电感L1为一带抽头的变压器式电感，在该电感的抽头与变压器T1的第一初级线圈的第二端之间串接有整流二极管D2，且所述整流二极管D2的正极连接该升压电感L1的抽头。

4.如权利要求1至3任一项所述的可矫正功率因素的开关电源，其特征在于：在所述变压器的次级线圈的一端与地之间串接有二极管D4及电容C5，且该二极管D4的正极该所述变压器的次级线圈连接，该二极管D4的负极引出电压输出端。

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