CN101299574B - 不需检测线电压的有源功率因子校正的方法和装置 - Google Patents

Abstract

不需检测线电压的有源功率因子校正的方法和装置，披露了使用脉冲频率调制(PFM)控制AC/DC变换器的功率因子校正装置。本发明不需要检测输入的交流线电压，只利用来自变换器的电流信号决定开关频率。开关频率随线电压变化，使得可以将变换器看成阻性载荷。通过使用PFM控制，电磁干扰(EMI)分散在一定范围上而不是被集中在几个频率上。因此，可以使用更小的EMI过滤器。由于开关频率随变换器的载荷降低，开关损耗也随着载荷降低。因此，可以在没有付加电路的情况下，实现满足功效标准，例如80 PLUS和Energy Star的要求。

Description

不需检测线电压的有源功率因子校正的方法和装置

技术领域

本发明涉及开关模式电源供应领域。更具体而言，本发明涉及利用脉冲频率调制控制AC/DC变换器的运作以获得高功率因子和轻载荷下的低备用功率而不需要检测线电压的方法和装置。

背景技术

现在所有连接交流电网的电源供应装置必须满足欧洲标准EN-61000-3-2或其它国家中类似的谐波限制。未来将会有进一步的需求以满足例如80PLUS和Energy Star(能源之星)的效率标准。能够满足EN-61000-3-2要求的现有技术可分成两类。

第一类(US4437146，US5134355，US5654880，US6900623，US2006/0158912)利用反馈回路检测AC整流后的电压并控制变换器的运作，使得由变换器的输入电流跟随AC整流后的电压变化。当AC网电压在大范围(例如从115AV到240VAC内)变动时，该类存在着反馈回路稳定性的问题。他们使用复杂的补偿电路确保稳定性，但易受AC网电压中的噪音和失真的影响。例如，现有技术US6900623检测AC网电压的RMS值并相应地调整回路增益。该类使用乘法器产生参考正弦信号。然而，具有能够在大输入信号下优良运行的乘法器是困难的，且该问题限制了可最佳获得的功率因子。

第二类(US5867379，US5742151)在不检测AC网电压的情况下使用非线性载波信号产生与第一类相同的控制信号。然而，它们仅适用于有限类型的变换器。

两类都使用脉冲宽度调制(PWM)来控制AC/DC变换器内的开关并存在着电磁干扰(EMI)集中的问题。现有技术对使用脉冲频率调制(PFM)或频率调制(FM)(而不是PWM控制)的优点进行了研究以缓和EMI问题，使得可以使用更小和更便宜的EMI过滤器。然而，上述现有技术使用专用单元来调整开关频率，而脉宽由另一单元控制。因此，令设计的复杂性倍增。

最后，为了满足例如80PLUS和Energy Star的功效标准，需要额外的电路驾驽这些功率因子控制器的正常控制，并降低轻载荷下的功率消耗。这意味着要有额外的电路和更复杂的控制以确保控制器在轻载荷模式和正常载荷模式之间顺畅地转换。

PFM方法是众所周知提供轻载荷模式和正常载荷模式之间顺畅转换的解决方案。然而，PFM方法不适合没有功率因子校正前级的传统单级AC/DC变换器，因为在中等载荷下的输出电压纹波较大。然而，对于具有功率因子校正器作为前级和DC/DC变换器作为第二级的双级AC/DC变换器来说，这不是个顾虑

因此，对将功率因子校正和PFM的功能合并成单一控制器以克服现有技术中的所有问题存在着需求。

发明内容

因此，本发明的目标是提供可以提高功率因子并降低AC/DC变换器的输入电流的谐波的功率因子控制装置。

本发明的另一目标是提供具有在轻载荷或无载荷情况下具有低功率消耗的功率因子控制装置。

本发明的另一目标是使用PFM以控制AC/DC变换器，使得变换器可以在轻载荷模式和正常载荷模式之间顺畅地过渡。

本发明的另一目标是提供能够提高AC/DC变换器的EMI性能的功率因子控制装置。

本发明的另一目标是提供能够在宽广的线输入电压范围内运行的功率因子控制装置。

本发明的另一目标是提供在其反馈回路中不使用乘法器的功率因子控制装置。

本发明的另一目标是提供其反馈回路中不检测线电压的功率因子控制装置。

本发明的另一目标是提供具有电流限制功能的功率因子控制装置。

本发明使用PFM控制AC/DC变换器。由于脉宽固定，线电流的积分和脉冲截止时间(pulse off time)的积分可以推演出简单的线性关系。因此，本发明仅需要简单的积分器计算脉冲截止时间。尽管本发明的基本概念假设了固定脉宽，所推演的等式和执行方案仅要求脉宽为不依赖脉冲截止时间的变量。因此，可以逐个周期地调整脉宽以限制最大电流或保持变换器在连续电流模式下工作。

本发明的创新特征是去除了控制AC/DC变换器的反馈回路中的乘法器。本发明的另一创新特征是去除了电流控制回路中的非线性载波。本发明的另一创新特征是将PFM结合到功率因子校正方法中。本发明的另一创新特征是将电流限制功能结合到PFM中使得控制电路更加简单。

本发明的优势在于仅使用了简单的积分器，使得可以获得理论上等如一的功率因子。本发明的另一优势在于与现有技术相比改善了传导EMI。本发明的另一优势在于受控的AC/DC变换器的开关损耗随载荷下降，因为在轻载荷下，开关频率降低。本发明的另一优势在于开关频率随变换器的载荷下降，使得在轻载荷时不需要额外的电路降低功率消耗。

因此，本发明具有许多相对于现有技术的改进。

基于本发明的目前最众所周知的模式和工业适用性的描述以及此处所描述的和在附图的几个图片中所示出的优选实施例，对于本领域的技术人员来说，本发明的上述和其它目标和优势将清楚易见。

附图说明

图1示出了本发明的实施例。

图2示出了根据本发明的函数产生器11的实施例。

图3示出了根据本发明的脉冲产生器12的实施例。

图4a示出了当受控的AC/DC变换器为升压变换器(boostconverter)时本发明的实施例。

图4b示出了根据本发明公式P＝k₁₁t₁-k₂₁q₁的图4a中的函数产生器11的实施例。

图4c示出了具有升压变换器的图4b的等效图。

图5a示出了当受控的AC/DC变换器为升压变换器时本发明的另一实施例。

图5b示出了根据本发明公式P＝k₁₂t₂-k₂₁q₁-k₂₂q₂的图5a中的函数产生器11的实施例。

图5c示出了具有升压变换器的图5b的等效图。

图6a示出了当受控的AC/DC变换器为反激式变换器时本发明的实施例。

图6b示出了根据本发明公式P＝k₁₁t₁+k₁₂t₂-k₂₁q₁的图6a中的函数产生器11的实施例。

图7a示出了当受控的AC/DC变换器为正激式变换器时本发明的实施例。

图7b示出了根据本发明公式P＝k₁₂t₂-k₂₁q₁的图7a中的函数产生器11的实施例。

图7c示出了具有正相变换器的图7b的等效图。

图8示出了本发明有电流限制功能的增强版的实施例。

图9示出了图8中的升压变换器具有和不具有电流限制功能时的输入电流。

具体实施方式

现有技术US5867379提出不检测线电压的功率因子校正的手段。现有技术的基本假设是脉冲导通时间(pulse on time)未知但开关周期固定。为了保持所推演的等式的因果性，相同的方法仅可以被应用到有限类型的开关变换器。然而，通过允许脉冲导通时间固定以及脉冲截止时间未知，可以在所有类型的变换器中保证所推演的等式的因果性。因此，使用了脉冲频率调制(PFM)，而不是PWM。直接的优势是所产生的等式是线性的，非常适合于使用简单积分器的硬件中的实施。该PFM方法是本发明的基础。

对于以连续电流模式运作的升压变换器来说，通过下列等式可以将电感电流I_L、输出电压V_o、目标输出电压V_r、整流线电压V_g、导通时间T₁、截止时间T₀进行关联，

$\frac{1}{T_1+T_0}\underset{0}{\overset{T_1+T_0}{\∫}}{I}_L\mathrm{dt}=\frac{k{V}_o{T}_0}{(T_1+T_0)}\⇒\underset{0}{\overset{T_1+T_0}{\∫}}{I}_L\mathrm{dt}=p(V_r-V_o)T_0=\mathrm{pe}{T}_0$

其中，k和p是依赖于电路组件的常数，e是误差电压。注意到T₁固定且T₀未知时，可以以使用简单积分器的硬件实现上述等式。确切的硬件实施方案将在本部分中后续显示的实施例中详细说明。

利用相同的原则，可以推演出不同变换器和所检测电流的不同组合的等式。将其总结在下列表格中。

表1

在上述表格中，有些等式具有约等号(～)，因为这些等式涉及线输入电流在开关期间大致恒定不变的假设并假定它所检测电流与线输入电流近似。在这些等式涉及的实例中，所产生的功率因子将是比较差的。变量g(t)在T₁间隔期间等于1，在T₀间隔期间等于2。

有些组合具有两个等式。一个源自T₁为常数的假设，另一个假设T₁为可跟随峰值电流变化的变量。这一特征可以用于电流限制，使得峰值电流被限界。该电流限制特征具有许多优点。

对于任何的功率因子校正器来说，最大的开关电流与最大的线电压成反比。由于规则规定功率因子校正器将在从90VAC到270VAC线输入电压下运作，开关的规格必须高于90VAC下的峰值电流。那么，当变换器在220VAC下运行时，开关的规格将变得超多。然而，如果在低线输入电压下可以容忍低等级的功率因子，我们可以限制开关的峰值电流，例如具有平的顶部的近似正弦波形。通过限制峰值电流，我们可以使用更低的规格和更低成本的开关。电流限制也可保持变换器在整个线输入电压范围内以连续电流模式运作。在连续电流模式下，线输入电流脉动将更小且可以使用更小的EMI线过滤器。因此，可变脉宽和可变频调制器是有利的。

表中的有些条目是空的，这是因为对应的组合与其它选择相比不具有优点。因此，不对上述组合进行本发明的应用例证。如果愿意的话，可以利用相同的推导原则填写空余条目。此处所披露的本发明适用于所有类型的变换器和所有类型的所检测电流，对于本领域的技术人员来说是显而易见的。

现在将通过下列的实施例描述本发明。该实施例目的不是要限制本发明的范畴，而仅是为了阐明本发明。对于本发明来说，实施例中所描述的所有特征和组合未必是基本的。

上述表格中的等式的结论是当T₁固定时，硬件的简单实施方案看起来是有可能的。所有的等式至多要求4个积分器以便以硬件实现。通过仔细的简化，甚至可以使用2个积分器执行功能。因此，用脉冲频率调制的方案实现等式是自然的并具有上述所列的所有优点。

通过参照附图的图1-9可以最好地理解本发明的优选实施例及其优点。相同的数字用于各附图的相同的和对应的部分。

图1单独示出了不包括AC/DC变换器的本发明的实施例。该装置输入受控的AC/DC变换器的输入电流的经比例化的信号I_fb，并输出控制信号G控制AC/DC变换器。该装置形成电流回路以确保由AC/DC变换器输入的电流跟随线电压，有效输入电阻由信号er设定。信号er由电路14产生，该电路14将来自AC/DC变换器载荷端的信号vo与参考水平进行比较。信号U(是一组信号)用于配置装置以与不同类型的变换器一起运作。

该装置包括两个函数产生器11a和11b、脉冲产生器12、触发器13和反馈电路14。电路14将变换器载荷端处的信号与参考水平进行比较以产生信号er。函数产生器11a和11b反相运作且接收信号I_fb、er、U和ck或bck和输出信号Pa和Pb。当ck或bck高时，相关函数产生器被重设(reset)，并且输出Pa或Pb为低。当ck或bck低时，接收函数产生器开始计算等式P＝k₁₁t₁+k₁₂t₂-k₂₁q₁-k₂₂q₂。起初(刚刚在重设后)时，P低。过了一会儿，信号P变高且激活脉冲产生器12。脉冲产生器12开始在信号P的上升沿产生固定宽度的脉冲，然后输出信号G持续在一段最小时间间隔内保持低位。如果P保持低位，G将继续保持低位。触发器13产生反相信号ck和bck以在G的交替周期处重设函数产生器11a和11b。门15合并11a和11b的输出以形成信号P。

图2示出了根据本发明的函数产生器11的实施例。函数产生器11接收信号I_fb、er、ck1、ck0和U并根据以下等式产生信号P：

P＝k₁₁t₁+k₁₂t₂-k₂₁q₁-k₂₂q₂其中

q₁是源自AC/DC变换器的所检测电流信号I_fb的积分，

q₂是q₁的积分，

t₁是设定受控的AC/DC变换器的有效输入电阻的控制信号e_r的积分；

t₂是t₁的积分，

k₁₁...k₂₂是系数，由信号U，开关S6...S10，和电阻器r₁...r₇，控制，依受控的变换器的类型而变化。

函数产生器11主要包括4个积分单元和1个比较器。每个积分单元具有电压控制的电流源和电容器。左手边上的两个积分单元将代表来自AC/DC变换器的电流信号的信号进行积分并产生q₁及其积分q₂。右手边上的两个积分单元产生斜坡信号t₁及其积分t₂。t₁的积分器的增益可以通过信号U和时钟信号ck1编程。比较器101将来自积分单元的所选择的信号进行比较并输出信号P。开关S2-S5在适当时间重设q₁、q₂、t₁和t₂的状态。积分单元可以利用ck0在整个周期重设或通过ck1在固定宽度脉冲G期间重设。前者意味着积分在时间零开始，后者意味着积分在时间T₁后开始。这由对单元102进行配置以将单个开关与ck1或ck0信号或其反向的信号相连的信号U决定。在重设状态中，输出被禁止(disabled)，P等于零。

本领域技术人员容易想到当需要具有复杂的传递函数的变换器时，包括更多的积分器以处理更高阶的积分的本发明的扩展。例如，函数产生器可以根据以下等式产生信号P：

P＝k₁₁t₁+k₁₂t₂+...+k_1nt_n-k₂₁q₁-k₂₂q₂-...-k_2nq_n

系数k₁₁，...，k_2n由输入各个积分单元的一组信号U配置。相应地，可以具有计算电压q₁的积分单元和n个对电压q_i-1进行积分以计算电压q_i的积分单元，积分开始时间可由信号控制。可以具有计算电压t₁的积分单元和n个对电压t_i-1进行积分以计算电压t_i的积分单元，积分的开始时间可由信号控制，其中i＝2～n，n为大于或等于2的整数。

图3示出了根据本发明脉冲产生器12的实施例。脉冲产生器12的输出具有固定的脉宽和最小的脉冲截止时间，即最小的振荡周期和最大的占空比。当信号EN由地升到高时脉冲产生器开始产生固定宽度的脉冲，然后输出信号持续在一段最小时间间隔内保持低位。可以通过使EN保持低位而延长脉冲截止时间。当在最小脉冲截止时间后EN仍旧为高时，脉冲产生器12将以新的脉冲开始新的周期。

图4a示出了当受控的AC/DC变换器为升压变换器时本发明的应用，且I_fb信号为经比例化后的电感电流。对于该应用，通过U配置函数产生器11以根据以下公式产生信号P：

P＝k₁₁t₁-k₂₁q₁

图4b示出了根据本发明的这一应用中的函数产生器11的实施例。通过等效导线替代单元102，积分t₁在ck1之后开始。图4c示出了根据本发明与升压变换器一起的等效图。

图5a示出了当受控的AC/DC变换器为升压变换器时本发明的另一实施例，且I_fb信号为经比例化后的二极管电流。对于该应用，通过U配置函数产生器11以根据以下公式产生信号P：

P＝k₁₂t₂-k₂₁q₁-k₂₂q₂。

由于在固定宽度脉冲期间二极管电流为零，所有的积分t₁、t₂、q₁和q₂可以在ck1后开始，图1中所示的功率因子校正装置可以进一步被简化成图5a中所示的装置。图5b示出了根据本发明的这一应用中的函数产生器11的实施例。图5c示出了根据本发明的与升压变换器一起的等效图。

图6a示出了当受控的AC/DC变换器为反激式变换器时本发明的实施例，且I_fb信号为经比例化后的开关电流。对于该应用，通过U配置函数产生器11以根据以下公式产生信号P：

P＝k₁₂t₂-k₂₂q₂

图6b示出了针对公式P＝k₁₂t₂-k₂₂q₂的图6a中的函数产生器11的实施例。积分t₂在ck1后开始。可以通过ck1对信号t₁的积分器的增益进行编程。当ck1高时，增益为1。当ck1低时，增益为2。

图7a示出了当受控的AC/DC变换器为正激式变换器时本发明的实施例，且I_fb信号为经比例化后的开关电流。对于该应用，通过U配置函数产生器11以根据以下公式产生信号P：

P＝k₁₂t₂-k₂₂q₁。

图7b示出了当公式为P＝k₁₂t₂-k₂₂q₁时图7a中的函数产生器11的实施例。由于在T₀期间开关电流为零，所有的积分器在T₁和T₀均可处于工作状态。图7c示出了与正激式变换器一起的等效图。

图8示出了具有电流限制特征的本发明的实施例。脉冲产生器12具有将迫使产生器进入脉冲截止(pulse-off)模式的重设输入。电流限制单元16具有确保脉冲具有最小宽度的脉冲上升边缘遮没功能。在脉冲G的遮没间隔(banking interval)后，如果所检测电流高于参考水平，输出脉冲R以重设产生器12。开关将被立即关断。图9中的波形是图8中的升压变换器在90VAC下运作的线输入电流。中间的白线是平均值。顶端的波形是没有电流限制的情况。底端的波形是电流限制功能被激活的情况。电流的峰值受到限界，平均电流变成斩切的正弦波。然而，谐波仍旧很好地处于欧洲标准EN-61000-3-2允许的范围内。

尽管已经通过升压变换器、反激式变换器、正激式变换器和SEPIC的实例实施例和等效图描述了本发明，应当理解的是可以将本发明应用到其它类型的变换器，例如，Cuk或Zeta变换器或类似的变换器。这从上面等式的表格看是显而易见的。

在不偏离由权利要求书所限定的本发明的范畴的情况下，本领域的技术人员可以进行将本发明使用在其它类型的变换器上所需要的变更和替代。尤其是，当认为需要具有复杂的传递函数的变换器时，包括更多的积分器以处理更高阶的积分的本发明的扩展对于本领域的技术人来说是轻而易举和显而易见的。

Claims (8)

1.一种功率因子校正控制装置，与AC/DC变换器耦合以模拟输入功率线上的阻性载荷，包括：

电流检测装置，用于检测由AC/DC变换器输入的电流；

比较装置，用于检测与AC/DC变换器的输出电压相关的信号并且将其与参考水平进行比较以计算电压e_r；

函数产生装置，包括多个积分单元，对所检测电流和电压e_r进行多重积分以产生信号P；

重设装置，用于在指定的时间分别重设所述多个积分单元；以及

脉冲产生装置，用于产生固定宽度脉冲G以在从函数产生装置接收信号P时控制AC/DC变换器。

2.根据权利要求1的功率因子校正控制装置，其中函数产生装置包括

第一积分单元，用于对所检测电流进行积分以计算电压q₁；

n-1个第二积分单元，每一个用于对电压q_i-1进行积分以计算电压q_i，i＝2～n，n为大于或等于2的整数；

第三积分单元，用于对电压e_r进行积分以计算电压t₁；

n-1个第四积分单元，每一个用于对电压t_i-1进行积分以计算电压t_i，i＝2～n，n为大于或等于2的整数；

函数产生单元，用于利用来自第一、第二、第三和第四积分单元的信号根据公式P＝k₁₁t₁+k₁₂t₂+...+k_1nt_n-k₂₁q₁-k₂₂q₂-...-k_2nq_n产生信号P，系数k₁₁，...，k_2n由输入各个积分单元的一组信号U配置；

其中上述积分的开始时间都能由信号U控制。

3.根据权利要求1的功率因子校正控制装置，其中脉冲产生装置在信号P从低升到高时产生固定宽度的脉冲，然后输出信号持续在一段最小时间间隔内保持低位。

4.根据权利要求2的功率因子校正控制装置，其中AC/DC变换器为升压变换器，所检测电流为经比例化后的电感电流，通过信号U配置函数产生装置以根据公式P＝k₁₁t₁-k₂₁q₁产生信号P。

5.根据权利要求2的功率因子校正控制装置，其中AC/DC变换器为升压变换器，所检测电流为经比例化后的二极管电流，通过信号U配置函数产生装置以根据公式P＝k₁₂t₂-k₂₁q₁-k₂₂q₂产生信号P。

6.根据权利要求2的功率因子校正控制装置，其中AC/DC变换器为反激式变换器，所检测电流为经比例化后的开关电流，通过信号U配置函数产生装置以根据公式P＝k₁₂t₂-k₂₂q₂产生信号P。

7.根据权利要求2的功率因子校正控制装置，其中AC/DC变换器为正激式变换器，所检测电流为经比例化后的开关电流，通过信号U配置函数产生装置以根据公式P＝k₁₂t₂-k₂₂q₁产生信号P。

8.根据权利要求1的功率因子校正控制装置，还包括电流限制装置，将来自AC/DC变换器的所述检测电流与临界水平进行比较，并且当所述检测电流超出所述临界水平时将重设信号R输出到脉冲产生装置。

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