基于集成控制器的Buck型高功率因數(shù)變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及電源管理領(lǐng)域，為實現(xiàn)高功率因數(shù)，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于集成控制器的Buck型高功率因數(shù)變換器，包括：外圍電路：由四個二極管組成的整流橋，整流橋后并聯(lián)一個由兩個電阻串聯(lián)組成的分壓結(jié)構(gòu)；交流輸入電源正輸出端連接到一個二極管的負(fù)極，負(fù)輸出端經(jīng)過電流檢測電阻與MOS開關(guān)連接，MOS開關(guān)的另一端連接二極管的正極；二極管的正極連接降壓電感的一端；輸出負(fù)載并聯(lián)一個差分分壓結(jié)構(gòu)：兩電阻的中間節(jié)點連接到一個P型三級管的基極，高電平端經(jīng)發(fā)射極電阻后連接到次三極管的發(fā)射極，集電極經(jīng)過集電極電阻后連接到地，集電極與電阻之間的節(jié)點為輸出電壓反饋信號。本發(fā)明主要應(yīng)用于電源管理。
【專利說明】基于集成控制器的Buck型高功率因數(shù)變換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電源管理領(lǐng)域，尤其涉及功率因數(shù)校正電路的研究及其控制芯片的設(shè)計，適用于輸入部分與輸出部分沒有公共參考點的降壓型電路。具體講，涉及基于集成控制器的Buck型高功率因數(shù)變換器。
技術(shù)背景
[0002]在開關(guān)電源電路中，傳統(tǒng)的外部電源常常采用兩級的結(jié)構(gòu)來獲得穩(wěn)定的直流總線電壓和大范圍輸入電壓下的高效率。這對前端PFC變換器來說是一大挑戰(zhàn)。在低功耗應(yīng)用條件下，工作在臨界模式(BCM)下的升壓(Boost)變換器是一個節(jié)約成本的選擇。然而升壓型功率因數(shù)變換器(PFC)在低輸入電壓條件下的效率比高輸入電壓條件下低約2.5%。Boost變換器的高輸出電壓(典型值380V或400V)對前端PFC的開關(guān)與后級的直流變換器的一次側(cè)開關(guān)的開關(guān)損耗有不利影響。此外，由于Boost型變換器在輸出端使用了大的儲能電容，因此需要增加額外的元件來避免電流涌入的問題。相比之下，降壓(Buck)型轉(zhuǎn)換器有很多引人注目的優(yōu)點。首先，采用Buck拓?fù)淇梢栽谡麄€輸入電壓范圍內(nèi)獲得很高的效率。另外，Buck型轉(zhuǎn)換器開關(guān)的電壓應(yīng)力很低。但是由于Buck型拓?fù)湓谳斎腚妷旱陀谳敵鲭妷旱臅r間內(nèi)存在電流為零的情況，如圖1。因此，這一拓?fù)渥鳛镻FC變換器時總是不能獲得高的功率因數(shù)。
[0003]正是因為以上原因，基于Buck型變換器的控制芯片相對于其它類型變換器的芯片數(shù)量可謂是冰山一角。在如今的PFC電路中普遍使用開關(guān)技術(shù)，即在整流橋和濾波電容之間使用功率因數(shù)控制器，從電源獲取一個準(zhǔn)正弦波電流，與線電壓同步，可以獲得很好的功率因數(shù)。目前廣泛應(yīng)用于PFC控制的方法有兩種:固定頻率的平均電流模式和固定導(dǎo)通時間的臨界模式。第一種模式控制方法較為復(fù)雜，需要精密的控制芯片，并且需要很多的外圍元器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于集成控制器的Buck型高功率因數(shù)變換器，實現(xiàn)高功率因數(shù)。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于集成控制器的Buck型高功率因數(shù)變換器，包括:
[0005]外圍電路:由四個二極管組成的整流橋，整流橋后并聯(lián)一個由兩個電阻串聯(lián)組成的分壓結(jié)構(gòu)；交流輸入電源經(jīng)整流橋后，正輸出端連接到一個二極管的負(fù)極，負(fù)輸出端經(jīng)過電流檢測電阻與MOS開關(guān)連接，MOS開關(guān)的另一端連接二極管的正極；二極管的正極連接降壓電感的一端，輸出電容并聯(lián)在降壓電感的另一端與二極管的負(fù)極之間；輸出負(fù)載并聯(lián)一個差分分壓結(jié)構(gòu):兩個電阻串聯(lián)后并聯(lián)在輸出端，兩電阻的中間節(jié)點連接到一個P型三級管的基極，高電平端經(jīng)發(fā)射極電阻后連接到次三極管的發(fā)射極，集電極經(jīng)過集電極電阻后連接到地，集電極與電阻之間的節(jié)點為輸出電壓反饋信號；
[0006]集電極電阻電壓為INV，INV連接誤差放大器的正輸入端，固定直流電壓連接誤差放大器的負(fù)輸入端，誤差放大器的輸出端連接乘法器的一個輸入端，乘法的另一個輸入端連接整流橋后分壓電阻的輸出；乘法器的輸出端連接到一個比較器的正輸入端，電流檢測電阻與MOS開關(guān)之間的節(jié)點連接到這一比較器的負(fù)輸入端；降壓電感的耦合電感一端接地，另一端經(jīng)電阻后連接到另一個比較器的負(fù)輸入端，這一比較器的正輸入端經(jīng)電容連接到地；第一個比較器的輸出端連接到RS觸發(fā)器的復(fù)位端，第二個比較器的輸出端連接到RS觸發(fā)器的置位端；RS觸發(fā)器的輸出連接到MOS開關(guān)的控制端。
[0007]輸入電壓Vin由電阻分壓后得到MULT，輸出電壓經(jīng)過電阻分壓得到INV，INV連接到誤差放大器的反相輸入端，與基準(zhǔn)電壓的誤差信號經(jīng)過誤差放大器放大后的信號作為乘法器的一個輸入信號；乘法器的另一個輸入信號為MULT，因此，乘法器的輸出的波形的包絡(luò)是正弦波；乘法器的輸出作為電流比較器的參考信號，電流比較器的另一輸入信號為CS，因此能夠使輸入電流的包絡(luò)為正弦；電流比較器輸出到RS觸發(fā)器的置位端，控制開關(guān)Q每個周期的峰值電流；當(dāng)通過電感的電壓反向時，零電流檢測(ZCD)模塊輸出到RS觸發(fā)器的復(fù)位端，控制開通外部Q，使電路工作在電流臨界模式；每個開關(guān)周期開始時MOS開關(guān)導(dǎo)通，電感電流線性增加；然后將電感電流的檢測信號與參考信號進(jìn)行對比，當(dāng)電感電流檢測值等于電感電流參考值時，MOS開關(guān)關(guān)斷，電感電流減??；當(dāng)電感電流降為零時，MOS開關(guān)再導(dǎo)通,周而復(fù)始。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)特點與效果:
[0009]本發(fā)明在Buck型PFC變換器中使用了電流型控制芯片L6561，由于其對電流的整形效果好，大大提高了 Buck型PFC變換器的功率因數(shù)。L6561控制芯片從來沒有應(yīng)用到Buck型變換器中，在Buck型變換器越來越受到關(guān)注的今天，采用這種方法對電路進(jìn)行控制在提升電路性能的同時，也拓展了 Buck型變換器的應(yīng)用范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1Buck型功率因數(shù)變換器的輸入電壓與輸入電流波形；
[0011]圖2電路整體結(jié)構(gòu)圖；
[0012]圖3電路工作過程示意圖；
[0013]圖4仿真電路中輸入電壓與輸入電流波形。
【具體實施方式】
[0014]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0015]I拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):
[0016]外圍電路如圖2，包括一個單相交流電源Vac，由四個二極管組成的整流橋，整流橋后并聯(lián)一個由兩個電阻串聯(lián)組成的分壓結(jié)構(gòu)。交流輸入電源經(jīng)整流橋后，正輸出端連接到一個二極管的負(fù)極，負(fù)輸出端經(jīng)過電流檢測電阻與MOS開關(guān)連接，MOS開關(guān)的另一端連接二極管的正極。二極管的正極連接降壓電感的一端，輸出電容并聯(lián)在降壓電感的另一端與二極管的負(fù)極之間。輸出負(fù)載并聯(lián)一個差分分壓結(jié)構(gòu):兩個電阻串聯(lián)后并聯(lián)在輸出端，兩電阻的中間節(jié)點連接到一個P型三級管的基極，高電平端經(jīng)一個電阻后連接到次三極管的發(fā)射極，集電極經(jīng)過一個電阻后連接到地，集電極與電阻之間的節(jié)點為輸出電壓反饋信號。
[0017]2、L6561簡化的主體部分如下:輸出電壓反饋信號INV、輸入端電壓基準(zhǔn)信號MULT、開關(guān)電流檢測信號CS、電感零電流檢測信號ZCD。整個系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2。上述外圍電路的輸出電壓經(jīng)分壓后的反饋信號為連接到INV，INV連接誤差放大器的正輸入端，
2.5V固定直流電壓連接誤差放大器的負(fù)輸入端,誤差放大器的輸出端連接乘法器的一個輸入端，乘法的另一個輸入端連接整流橋后分壓電阻的輸出。乘法器的輸出端連接到一個比較器的正輸入端，電流檢測電阻與MOS開關(guān)之間的節(jié)點連接到這一比較器的負(fù)輸入端。降壓電感的耦合電感一端接地，另一端經(jīng)電阻后連接到另一個比較器的負(fù)輸入端，這一比較器的正輸入端經(jīng)電容連接到地。第一個比較器的輸出端連接到RS觸發(fā)器的復(fù)位端，第二個比較器的輸出端連接到RS觸發(fā)器的置位端。RS觸發(fā)器的輸出連接到MOS開關(guān)的控制端。
[0018]主要工作過程:
[0019]輸入電壓Vin由電阻分壓后得到MULT，輸出電壓經(jīng)過電阻分壓得到INV，INV連接到誤差放大器的反相輸入端，與基準(zhǔn)電壓的誤差信號經(jīng)過誤差放大器放大后的信號作為乘法器的一個輸入信號。乘法器的另一個輸入信號為MULT，因此，乘法器的輸出的波形的包絡(luò)是正弦波。乘法器的輸出作為電流比較器的參考信號，電流比較器的另一輸入信號為CS，因此能夠使輸入電流的包絡(luò)為正弦。電流比較器輸出到RS觸發(fā)器的置位端，控制開關(guān)Q每個周期的峰值電流。當(dāng)通過電感的電壓反向時，ZCD (零電流檢測)模塊輸出到RS觸發(fā)器的復(fù)位端，控制開通外部Q，使電路工作在電流臨界模式。
[0020]基于以上分析，整體電路的大致工作過程如下:控制芯片L6561生成電感電流參考信號，每個開關(guān)周期開始時MOS開關(guān)導(dǎo)通，電感電流線性增加如圖3 Ca)粗線所示路徑。然后將電感電流的檢測信號與參考信號進(jìn)行對比，當(dāng)電感電流檢測值等于電感電流參考值時，MOS開關(guān)關(guān)斷，電感電流減小,如圖3 (b)粗線所示路徑。當(dāng)電感電流降為零時，MOS開關(guān)再導(dǎo)通,周而復(fù)始。
[0021]本發(fā)明在以上分析的基礎(chǔ)上，對一個輸入220V (50Hz)，輸出80V，65W的降壓型電路進(jìn)行分析。輸入電流整形后的波形如圖4。
[0022]經(jīng)計算后，此功率因數(shù)變換器的功率因數(shù)為:93.11%。
[0023]電源轉(zhuǎn)換效率為:96.28%ο
【權(quán)利要求】
1.一種基于集成控制器的Buck型高功率因數(shù)變換器，其特征是，包括: 外圍電路:由四個二極管組成的整流橋，整流橋后并聯(lián)一個由兩個電阻串聯(lián)組成的分壓結(jié)構(gòu)；交流輸入電源經(jīng)整流橋后，正輸出端連接到一個二極管的負(fù)極，負(fù)輸出端經(jīng)過電流檢測電阻與MOS開關(guān)連接，MOS開關(guān)的另一端連接二極管的正極；二極管的正極連接降壓電感的一端，輸出電容并聯(lián)在降壓電感的另一端與二極管的負(fù)極之間；輸出負(fù)載并聯(lián)一個差分分壓結(jié)構(gòu):兩個電阻串聯(lián)后并聯(lián)在輸出端，兩電阻的中間節(jié)點連接到一個P型三級管的基極，高電平端經(jīng)發(fā)射極電阻后連接到次三極管的發(fā)射極，集電極經(jīng)過集電極電阻后連接到地，集電極與電阻之間的節(jié)點為輸出電壓反饋信號； 集電極電阻電壓為INV，INV連接誤差放大器的正輸入端，固定直流電壓連接誤差放大器的負(fù)輸入端，誤差放大器的輸出端連接乘法器的一個輸入端，乘法的另一個輸入端連接整流橋后分壓電阻的輸出；乘法器的輸出端連接到一個比較器的正輸入端，電流檢測電阻與MOS開關(guān)之間的節(jié)點連接到這一比較器的負(fù)輸入端；降壓電感的耦合電感一端接地，另一端經(jīng)電阻后連接到另一個比較器的負(fù)輸入端，這一比較器的正輸入端經(jīng)電容連接到地；第一個比較器的輸出端連接到RS觸發(fā)器的復(fù)位端，第二個比較器的輸出端連接到RS觸發(fā)器的置位端；RS觸發(fā)器的輸出連接到MOS開關(guān)的控制端。
2.如權(quán)利要求1所述的基于集成控制器的Buck型高功率因數(shù)變換器，其特征是，輸入電壓Vin由電阻分壓后得到MULT，輸出電壓經(jīng)過電阻分壓得到INV，INV連接到誤差放大器的反相輸入端，與基準(zhǔn)電壓的誤差信號經(jīng)過誤差放大器放大后的信號作為乘法器的一個輸入信號；乘法器的另一個輸入信號為MULT，因此，乘法器的輸出的波形的包絡(luò)是正弦波；乘法器的輸出作為電流比較器的參考信號，電流比較器的另一輸入信號為CS，因此能夠使輸入電流的包絡(luò)為正弦；電流比較器輸出到RS觸發(fā)器的置位端，控制開關(guān)Q每個周期的峰值電流；當(dāng)通過電感的電壓反向時，零電流檢測(ZCD)模塊輸出到RS觸發(fā)器的復(fù)位端，控制開通外部Q，使電路工作在電流臨界模式；每個開關(guān)周期開始時MOS開關(guān)導(dǎo)通，電感電流線性增加；然后將電感電流的檢測信號與參考信號進(jìn)行對比，當(dāng)電感電流檢測值等于電感電流參考值時，MOS開關(guān)關(guān)斷，電感電流減??；當(dāng)電感電流降為零時，MOS開關(guān)再導(dǎo)通，周而復(fù)始。
【文檔編號】H02M1/42GK103944425SQ201410129690
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】高靜, 朱萌, 徐江濤, 史再峰, 姚素英 申請人:天津大學(xué)