專利名稱：有源功率因子校正的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)式電源供應(yīng)領(lǐng)域。更具體而言，本發(fā)明涉及利用
脈沖頻率調(diào)制來控制AC/DC變換器的運(yùn)作以獲取高功率因子和輕載 荷下的低備用功率。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在所有連接交流電網(wǎng)的電源供應(yīng)裝置必須滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN-61000-3-2或其它國(guó)家中類似的諧波限制。未來將會(huì)有進(jìn)一步的需 求以滿足例如80 PLUS和Energy Star (能源之星)的效率標(biāo)準(zhǔn)。能 夠滿足EN-61000-3-2要求的現(xiàn)有技術(shù)可分成兩類。
第 一 類(US4437146, US5134355, US5654880, US6900623, US2006/0158912)利用反饋回路檢測(cè)整流后的AC電壓并控制變換器 的運(yùn)作，使得由變換器的輸入電流跟隨整流后的AC電壓變化。當(dāng)AC 線電壓在大范圍(例如從115 AV到240 VAC內(nèi))變動(dòng)時(shí)，該類存在著 反饋回路穩(wěn)定性的問題。他們使用復(fù)雜的補(bǔ)償電路確保穩(wěn)定性，但易 受整流AC電壓中的噪音和失真的影響。例如，現(xiàn)有技術(shù)US6900623 檢測(cè)AC線電壓的RMS值并相應(yīng)地調(diào)整回路增益。
第二類(US5867379， US5742151)在不檢測(cè)整流AC電壓的情況 下，使用非線性載波信號(hào)產(chǎn)生與第一類相同的控制信號(hào)。該類的問題 是受控的開關(guān)式變換器只適含在連續(xù)電流模式下運(yùn)行。當(dāng)變換器的栽 荷末達(dá)全載荷的時(shí)候，變換器可能進(jìn)入不連續(xù)電流模式。因而變換器 的功率因子不能被保持或接近一。但第一類不存在該問題。
兩類都使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)來控制變換器內(nèi)的開關(guān)并存在 著EMI集中的問題?，F(xiàn)有技術(shù)對(duì)使用脈沖頻率調(diào)制(PFM)或頻率調(diào)制 (FM)(而不是PWM控制)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了研究以緩和電磁千擾(EMI)問題，使得可以使用更小和更便宜的EMI過濾器。然而，上述現(xiàn)有技 術(shù)使用專用單元來調(diào)整開關(guān)頻率，而脈寬由另一單元控制，令設(shè)計(jì)的 復(fù)雜性倍增。
最后，為了滿足例如80PLUS和Energy Star的功效標(biāo)準(zhǔn)，需 要額外的電路駕駑這些功率因子控制器的正?？刂撇⒔档洼p載荷下 的功率消耗。這意味著要有額外的電路和更復(fù)雜的控制以確?？刂破?在輕載荷模式和正常載荷模式之間順暢地轉(zhuǎn)換。
PFM方法是眾所周知提供輕載荷模式和正常載荷模式之間順暢 轉(zhuǎn)換的解決方案。然而，PFM方法不適合沒有功率因子校正前級(jí)的傳 統(tǒng)的單級(jí)AD/DC變換器，因?yàn)樵谥械容d荷下的輸出電壓紋波較大。 然而，對(duì)于具有功率因子校正器作為前級(jí)和DC/DC變換器作為第二 級(jí)的雙級(jí)AC/DC變換器來說，這不是個(gè)顧慮。
因此，對(duì)將功率因子校正和PFM的功能合并成單一控制器以克 服現(xiàn)有技術(shù)中的所有問題存在著需求。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目標(biāo)是提供控制AC/DC變換器的功率因子控制裝置。
本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供可以改善AC/DC變換器的EMI性能 的功率因子控制裝置。
本發(fā)明的另 一 目標(biāo)是提供具有在輕載荷或無載荷情況下具有低 功率消耗的功率因子控制裝置。
本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供能夠在寬廣的輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn)行的 功率因子控制裝置。
本發(fā)明的另 一 目標(biāo)是提供適合于在連續(xù)電流模式以及不連續(xù)電 流模式下運(yùn)行的變換器的功率因子控制裝置。
發(fā)明了 一種新型的功率因子校正器。將正弦參考信號(hào)與來自受控 制的變換器的所檢測(cè)電流相比較。將差饋送給低通濾波器并將輸出與 斜坡信號(hào)相比較。比較器的輸出用于控制脈沖產(chǎn)生器的頻率。產(chǎn)生器的輸出脈沖控制受控制的變換器內(nèi)部的開關(guān)。
本發(fā)明的主要?jiǎng)?chuàng)新特征是使用脈沖頻率調(diào)制來控制AC/DC變換 器。脈沖產(chǎn)生器輸出的脈寬固定并相應(yīng)調(diào)節(jié)脈沖頻率以獲得高功率因 子。
本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)是比現(xiàn)有技術(shù)改善了傳導(dǎo)EMI。
另 一優(yōu)勢(shì)在于本發(fā)明在其內(nèi)電流控制回路中具有低通過濾器，使 得整流AC電壓中的諧波和噪音對(duì)其性能幾乎沒有影響。
本發(fā)明的另一優(yōu)勢(shì)是AC/DC變換器的切換損失隨著栽荷而降 低，這是因?yàn)榍袚Q頻率隨著栽荷而降低。
因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有許多改進(jìn)。
基于本發(fā)明的目前最眾所周知的模式和工業(yè)適用性的描述以及 此處所描述的和在附圖的幾個(gè)圖片中所示出的優(yōu)選實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng) 域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明的上述和其它目標(biāo)和優(yōu)勢(shì)將清楚易見。


圖1示出了當(dāng)受控的AC/DC變換器為升壓變換器(boost converter)時(shí)本發(fā)明的實(shí)施例。
圖2通過顯示根據(jù)本發(fā)明的圖1中的示例的升壓變換器的不同節(jié) 點(diǎn)處的模擬波形，示出了功率因子校正器的運(yùn)行。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明脈沖截止時(shí)間可以通過輸入信號(hào)延長(zhǎng)的 脈沖產(chǎn)生器的實(shí)施例。
圖4示出了當(dāng)受控的AC/DC變換器為反激式變換器時(shí)本發(fā)明的 實(shí)施例。
圖5示出了本發(fā)明有電流限制功能的增強(qiáng)阪的實(shí)施例。 圖6示出了圖5中升壓變換器具有和不具有電流限制功能時(shí)的輸 入電流。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在通過下列實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述。上述實(shí)施例不是為了限制本發(fā)明的范疇而僅是為了闡明本發(fā)明。實(shí)施例中所描述的所有特征 和組合對(duì)于本發(fā)明來說不必是重要的。
參照附圖的圖l-6可以最好地理解本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例及其優(yōu) 勢(shì)。相同的數(shù)字用于各附圖的相同的以及對(duì)應(yīng)的部分。
圖1示出了當(dāng)受控的AC/DC變換器為升壓變換器時(shí)本發(fā)明的實(shí) 施例。功率因子校正裝置10包括加法器101、平均過濾器102、斜坡 信號(hào)產(chǎn)生器103、比較器104和脈沖產(chǎn)生器105。比較器12產(chǎn)生誤差 信號(hào)VERR，然后乘法器11為裝置產(chǎn)生正弦電流參考信號(hào)IRFF。通 過誤差信號(hào)VERR設(shè)定正弦電流參考信號(hào)的水平。然而，可以使用其 它的裝置(例如見US2006/0158912)以產(chǎn)生電流參考信號(hào)。
該裝置輸入一個(gè)電流參考信號(hào)IREF、 一個(gè)跟升壓變換器所輸入 的電流成正比信號(hào)IFB并且輸出控制信號(hào)G以控制升壓變換器的開 關(guān)。
加法器101將電流參考信號(hào)IREF與信號(hào)IFB進(jìn)行比較并輸出信 號(hào)IERR。平均電路102衰減信號(hào)IERR中的高頻成分并輸出信號(hào)Q。 該信號(hào)Q決定了控制信號(hào)G的脈沖頻率。在來自脈沖產(chǎn)生器105的 每一固定寬度脈沖之后，來自斜坡產(chǎn)生器103的信號(hào)RAMP開始傾 斜向上。當(dāng)斜坡信號(hào)低于Q信號(hào)時(shí)，比較器104的輸出信號(hào)EN保持 低且脈沖產(chǎn)生器被保持在脈沖截止(pulse-off)模式下。當(dāng)這一斜坡 信號(hào)高于Q信號(hào)時(shí)，脈沖產(chǎn)生器105給重新啟動(dòng)并再次產(chǎn)生另一脈沖。 脈沖產(chǎn)生器105具有最小脈沖截止時(shí)間(pulse off time )，即，最小 的振蕩周期和最大的占空比，若在最小期間結(jié)束之前斜坡信號(hào)大于Q 信號(hào)，脈沖產(chǎn)生器將保持在脈沖截止模式下直到該最小周期結(jié)束。當(dāng) 脈沖產(chǎn)生器105被再次啟動(dòng)時(shí)，斜坡信號(hào)產(chǎn)生器將被重設(shè)(reset)并 在固定寬度脈沖之后開始新的周期。
圖2示出了信號(hào)Q、 RAMP、 EN和G之間的關(guān)系。 圖3示出了脈沖產(chǎn)生器105的實(shí)施例。脈沖產(chǎn)生器105的輸出具 有固定脈沖寬度以及最小脈沖截止時(shí)間，即，最小的振落周期和最大 的占空比。當(dāng)信號(hào)EN從低升到高時(shí)脈沖產(chǎn)生器開始產(chǎn)生固定寬度脈沖，然后輸出信號(hào)持續(xù)在一段最小時(shí)間間隔內(nèi)保持低位?？梢酝ㄟ^將
EN保持為低將脈沖截止時(shí)間延長(zhǎng)。當(dāng)在最小脈沖截止時(shí)間之后EN 仍舊高時(shí)，脈沖產(chǎn)生器105將以新脈沖G開始一個(gè)新周期。
升壓變換器的平均輸入電流將總是大于本發(fā)明中的參考電流。這 一超出值由信號(hào)Q代表。當(dāng)電壓誤差VERR增加時(shí)，參考正弦信號(hào) IREF的水平將升高，而信號(hào)Q將降低，且脈沖截止時(shí)間將變得更短 以增加有效占空比和升壓變壓器的輸入電流，并且增加輸出電壓以降 低誤差。
在本實(shí)施例中，乘法器可以如現(xiàn)有技術(shù)US2006/0158912中那樣 由同步于VSIN的正弦脈沖產(chǎn)生器替代。
圖4示出了當(dāng)受控的AC/DC變換器為反激式變換器時(shí)本發(fā)明的 實(shí)施例。可以看出將本發(fā)明應(yīng)用到反激式變換器是簡(jiǎn)單的并且對(duì)于本 領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。
圖5示出了具有電流限制特征的本發(fā)明的實(shí)施例。脈沖產(chǎn)生器 106具有與圖3中的產(chǎn)生器的相同特征并且加上將迫使產(chǎn)生器進(jìn)入脈 沖截止模式的重設(shè)輸入。電流限制單元107具有脈沖上升邊緣遮沒功 能，使得電流限制功能在直到脈沖G的上升沿之后的短間隔之前不開 始。這確保了即使所檢測(cè)電流大于最大的所允許的界限脈沖G的寬度 不會(huì)過小。如果在脈沖G的遮沒間隔(banking interval)之后，所檢 測(cè)電流大于臨界水平，脈沖R被輸出以重設(shè)產(chǎn)生器13。升壓變壓器 的開關(guān)將立即被關(guān)斷。
圖6示出了圖5中的升壓變壓器的輸入電流。中間的白線是平均 值。頂部的波形是沒有電流限制的情況。底部的波形是具有電流限制 功能的情況。電流的峰值被限界，但平均電流保持正弦波。
盡管已經(jīng)通過升壓變壓器的示例的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述， 應(yīng)當(dāng)理解的是可以將本發(fā)明應(yīng)用到其它類型的變換器，例如，正激式、 Cuk或類似的變換器。在不偏離由權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的范疇 的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以進(jìn)行將本發(fā)明使用在其它類型的變
換器上所需要的變更和替代。
權(quán)利要求
1.一種功率因子校正控制裝置，與AC/DC變換器相連以模擬輸入功率在線的阻性載荷，其中變換器提供與由交流電網(wǎng)所輸入的電流成正比的檢測(cè)信號(hào)IFB以及與其載荷成正比的正弦信號(hào)IREF，并且接收開關(guān)信號(hào)G，變換器的輸出功率與開關(guān)信號(hào)的占空比成正比，該功率因子校正控制裝置包括加法器，接收檢測(cè)信號(hào)IFB，用于將所述檢測(cè)信號(hào)與來自變換器的正弦信號(hào)IREF進(jìn)行比較而產(chǎn)生誤差信號(hào)IERR；平均單元，被耦合到加法器，用于平均化信號(hào)IERR并由此產(chǎn)生信號(hào)Q；斜坡信號(hào)產(chǎn)生器，當(dāng)變換器的開關(guān)信號(hào)G從高降到低時(shí)開始產(chǎn)生斜坡信號(hào)RAMP；比較器，接收來自平均單元的信號(hào)Q和來自斜坡信號(hào)產(chǎn)生器的信號(hào)RAMP，用于將信號(hào)Q與信號(hào)RAMP進(jìn)行比較而產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)EN；以及脈沖產(chǎn)生器，被耦合到比較器，用于當(dāng)來自比較器的觸發(fā)信號(hào)從低升到高時(shí)產(chǎn)生變換器的所述開關(guān)信號(hào)G。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的功率因子校正控制裝置，其中所述脈沖產(chǎn) 生器在觸發(fā)信號(hào)從低升到高時(shí)輸出固定寬度的脈沖，然后輸出信號(hào)持 續(xù)在一段最小時(shí)間間隔內(nèi)保持低位。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的功率因子校正控制裝置，其中所述脈沖產(chǎn) 生器的觸發(fā)信號(hào)若在所述最小時(shí)間間隔的末端保持高位，脈沖產(chǎn)生器 會(huì)產(chǎn)生新的固定寬度的脈沖并再次保持關(guān)閉 一段最小時(shí)間間隔。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2的功率因子校正控制裝置，其中所述脈沖產(chǎn) 生器的觸發(fā)信號(hào)若在在所述最小時(shí)間間隔的末端處為低位時(shí)，脈沖產(chǎn) 生器將保持關(guān)閉直至觸發(fā)信號(hào)由低變高。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2的功率因子校正控制裝置，其中所述脈沖產(chǎn) 生器具有重設(shè)輸入，當(dāng)重設(shè)輸入為高時(shí)，產(chǎn)生器的輸出被重設(shè)為低。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的功率因子校正控制裝置，進(jìn)一步包括用于 電流限制的比較器，用于將來自變換器的所述檢測(cè)信號(hào)IFB與臨界水 平進(jìn)行比較，其中接收來自脈沖產(chǎn)生器的開關(guān)信號(hào)的所述比較器在從 開關(guān)信號(hào)的上升沿的短延遲之后開始比較，并且當(dāng)信號(hào)IFB超出所述 臨界值時(shí)將重設(shè)信號(hào)R輸出到脈沖產(chǎn)生器。
全文摘要
用于有源功率因子校正的方法和裝置，披露了使用脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制AC/DC變換器的功率因子校正方法和裝置。AC/DC變換器的平均輸入電流與參考正弦信號(hào)相比較，誤差被用于決定開關(guān)頻率。開關(guān)頻率隨著正弦參考信號(hào)變化，使得變換器模擬阻性載荷。通過使用PFM控制，電磁干擾(EMI)分散在一定范圍上而不是被集中在幾個(gè)頻率上。因此，可以使用更小的EMI過濾器。由于開關(guān)頻率隨變換器的載荷降低，轉(zhuǎn)換損耗也隨著載荷降低。因此，可以在沒有附加電路的情況下，實(shí)現(xiàn)滿足功效標(biāo)準(zhǔn)，例如80PLUS和Energy Star的要求。
文檔編號(hào)H02M1/42GK101299573SQ20081008225
公開日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2008年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月4日
發(fā)明者吳錫偉 申請(qǐng)人:蜜蜂工房半導(dǎo)體有限公司