CN101860237A - 高功率因数恒流电路及电源 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于功率因数校正领域，提供了一种高功率因数恒流电路及电源，所述高功率因数恒流电路包括：电磁兼容模块，用于接收交流输入，抑制线路中的传导干扰并输出交流电；输入整流及滤波电路，用于将交流电整流成脉动直流；功率变换及功率因数校正电路，用于根据取样反馈信号，对所述脉动直流进行功率变换及功率因数校正；输出整流及滤波电路，用于对所述功率变换及功率因数校正电路输出的电流进行整流和滤波，改善输出波形；以及取样及放大电路，用于对所述输出整流及滤波电路输出的电压和电流进行取样，输出取样反馈信号。本发明实现了高功率因数恒流输出，减少了一级功率因数校正电路，简单可靠，成本低。

Description

高功率因数恒流电路及电源
技术领域
本发明属于功率因数校正领域，尤其涉及一种高功率因数恒流电路及电源。
背景技术
近年来，随着电子技术的发展，计算机等一些通信设备日益普及，并广泛应用于各种不同的领域，其中电网的谐波污染以及输入端功率因数低等问题显得日益突出。这些设备的内部需要一个将交流电转化为直流电的电源部分。在这个转换过程中，由于一些非线性元件的存在，导致输入的交流电压虽然是正弦的，但输入的交流电流却严重畸变，包含大量谐波，不但降低了输入电路的功率因数，而且对公共电力***产生污染，造成电路故障。显然，使用有效的校正技术把谐波污染控制在较小的范围已是当务之急。
为了限制电流波形畸变和谐波，使电磁环境更加干净，国内外都制订了限制电流谐波的有关标准，如IEC555-2、IEEC519、GB17625等。采用现代高频功率变换技术的功率因数校正(PFC)技术是解决谐波污染最有效的手段。为了减少谐波对交流电网的污染，这就必须对电源产品如UPS、高频开关整流电源等的输入电路进行功率因数校正，以最大限度减少谐波电流。功率因数校正的目的，就是采用一定的控制方法，使电源的输入电流跟踪输入电压，功率因数接近为1。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种高功率因数恒流电路，可以有效地减少谐波电流，改善电网的谐波污染以及输入端功率因数，简单可靠，成本低。
本发明实施例是这样实现的，一种高功率因数恒流电路，该高功率因数恒流电路包括：
电磁兼容模块，用于接收交流输入，抑制线路中的传导干扰；
输入整流及滤波电路，用于将所述电磁兼容模块输出的交流电整流成脉动直流；
功率变换及功率因数校正电路，用于根据取样反馈信号对所述脉动直流进行功率变换及功率因数校正；
输出整流及滤波电路，用于对所述功率变换及功率因数校正电路输出的电流进行整流和滤波，改善输出波形；以及
取样及放大电路，用于对所述输出整流及滤波电路输出的电压和电流进行取样，将取样反馈信号反馈给所述功率变换及功率因数校正电路。
本发明实施例的另一目的在于提供一种电源，包括上述高功率因数恒流电路。
本发明实施例提供的高功率因数恒流电路采用功率因数校正控制芯片，构成单端反激式拓扑电路，可以有效地减少谐波电流，改善电网的谐波污染以及输入端功率因数，实现了高功率因数恒流输出，同时减少了一级功率因数校正电路(DC-DC)，简单可靠，成本低。
附图说明
图1是本发明实施例提供的高功率因数恒流电路的电路原理图；
图2是图1所示高功率因数恒流电路中电磁兼容模块的电路结构图；
图3是图1所示高功率因数恒流电路中输入整流及滤波电路的电路结构图；
图4是图1所示高功率因数恒流电路中功率变换及功率因数校正电路的结构图；
图5是图1所示高功率因数恒流电路中输出整流及滤波电路的电路结构图；
图6是图1所示高功率因数恒流电路中取样及放大电路的电路结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例采用以功率变换及功率因数校正电路为核心的单端反激式拓扑电路，实现高功率因数恒流输出，减少了一级功率因数校正电路(DC-DC)。
图1示出了本发明实施例提供的高功率因数恒流电路的电路结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
该电路包括电磁兼容模块1、输入整流及滤波电路2、功率变换及功率因数校正电路3、输出整流及滤波电路4以及取样及放大电路5。
电磁兼容模块1接收交流输入，抑制线路中的传导干扰。
输入整流及滤波电路2将电磁兼容模块1输出的交流电整流成脉动直流。
功率变换及功率因数校正电路3根据取样及放大电路5输出的取样反馈信号，对输入整流及滤波电路2输出的脉动直流进行功率变换及功率因数校正。
输出整流及滤波电路4对功率变换及功率因数校正电路3输出的电流进行整流和滤波，改善输出波形，输出直流电。
取样及放大电路5对输出整流及滤波电路4输出的电压和电流进行取样，并将取样反馈信号反馈给功率变换及功率因数校正电路3，从而使输出整流及滤波电路4的输出达到恒流恒压。
图2是本发明实施例提供高功率因数恒流电路中电磁兼容模块的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
电磁兼容模块1包括电阻R1、R2，差模电容CX2、差模滤波电感L1和L1A、共模电容CY1、CY2和共模电感L2。
交流电入口接有保险丝F1、防雷击压敏电阻VR1和抗浪涌热敏电阻NTC。交流输入的L端依次通过保险丝F1、防雷击压敏电阻VR1和抗浪涌热敏电阻NTC后与交流输入的N端相连。
保险丝F1和防雷击压敏电阻VR1的接点定义为La，防雷击压敏电阻VR1和抗浪涌热敏电阻NTC的接点定义为Lb。
差模滤波电感L1的一端与点La相连，另一端接电阻R1，电阻R1的另一端与电阻R2相连，电阻R2的另一端接差模滤波电感L1A，差模滤波电感L1A的另一端与点Lb相连。
差模滤波电感L1与电阻R1的接点定义为Na，差模滤波电感L1A与电阻R2的接点定义为Nb。
差模电容CX2的一端接Na点，另一端接Nb点。
共模电容CY1的一端接Na点，另一端与共模电容CY2串联，共模电容CY2的另一端接Nb点，共模电容CY1与CY2的接点接地。
共模电感L2包括第一绕组和第二绕组，第一绕组接在Na点与输出端①之间，第二绕组接在Nb点与输出端②之间。
在电磁兼容模块1中，差模滤波电感L1、L1A和差模电容CX2能够有效地抑制线路中的差模干扰，共模电感L2及共模电容CY1、CY2能够有效地抑制线路中的共模干扰，从而使电磁兼容模块1能够有效地抑制线路中的传导干扰。
图3示出了本发明实施例提供的高功率因数恒流电路中输入整流及滤波电路的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
输入整流及滤波电路2包括4个二极管组成的桥式整流，电容C1、C2和电感L3。
桥式整流中二极管的异极接点分别与电磁兼容模块1的输出端①、②相连，共阳极接点接地，共阴极接点先通过电容C1接地，再依次通过电感L3和电容C2接地，电感L3和电容C2的接点为输入整流及滤波电路2的输出，设为③端。
在输入整流及滤波电路2中，交流电先经过桥式整流后变成脉动直流，再经过滤波电路输出。
图4示出了本发明实施例提供的高功率因数恒流电路中功率变换及功率因数校正电路的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
功率变换及功率因数校正电路3包括控制电路41、开关信号转换电路42、高频变压器43和共模电容CY3，其中：
控制电路41对接收的取样反馈信号进行处理，输出相应的PWM控制信号。
开关信号转换电路42根据控制电路41发出的PWM控制信号，将PWM控制信号转化为开关动作信号。
高频变压器43根据开关信号转换电路42输出的开关动作信号进行储能和释放能量，对输出参数进行调整。
共模电容CY3用于抑制线路中的共模干扰。
控制电路41包括功率因数校正控制芯片U1及***模块。
功率因数校正控制芯片U1是一个简单但是高效的功率因子校正电路，很大地提高了***的可靠性，例如采用功率因数校正芯片SA7527，其内置R/C滤波器，并自带电流感应电路，因此不需要外部R/C滤波器。此外还有特殊的防击穿电路。适用于电子镇流器和所需体积小，功耗低，***器件少的高密度电源。另外，输出驱动器钳位电路还可以限制功率MOS管的驱动阈值。
功率因数校正控制芯片U1的***模块包括工作电压模块411、误差放大器模块412和驱动输出模块413，其中：
工作电压模块411向功率因数校正控制芯片U1提供工作电压。
误差放大器模块412接收取样反馈信号，传输给功率因数校正控制芯片U1进行处理。
驱动输出模块413将功率因数校正控制芯片U1根据取样反馈信号产生的PWM控制信号输出。
工作电压模块411包括电阻R8、R9和R10，其中：
电阻R8与高电平HV+相连，高电平HV+即为输入整流及滤波电路2的输出端③，电阻R8、R9、R10依次串联于高电平HV+和功率因数校正控制芯片U1的引脚8之间。
高电平HV+依次经过电阻R8、R9、R10到功率因数校正控制芯片U1的引脚8。功率因数校正控制芯片U1的引脚8为工作电压引脚，分别经过并联的电容C5和电解电容C6与共模电容CY3相连，共模电容CY3的另一端接地。
误差放大器模块412包括光耦PC1，电阻R12、R13、R14、R15和电容C7、C8，其中：
取样及放大电路5采集的取样反馈信号通过光耦PC1反馈到控制电路41。功率因数校正控制芯片U1的引脚1为误差放大器输入引脚，取样反馈信号依次经过光耦PC1和电阻R12到功率因数校正控制芯片U1的引脚1，电阻R12的一端与光耦PC1的发射极相连，另一端连功率因数校正控制芯片U1的引脚1。
功率因数校正控制芯片U1的引脚2为误差放大器输出引脚，电容C8、C7串联于功率因数校正控制芯片U1的引脚2与引脚1之间，电阻R13与电容C8并联，电阻R14、R15并联后，一端与共模电容CY3的非接地端相连，另一端与光耦PC1的发射极相连。
驱动输出模块413包括电阻R18、R19、R20、R21、R22，二极管D3和电容C9，其中：
电阻R22、R21串联于功率因数校正控制芯片U1的引脚7和MOS管Q1的栅极之间。功率因数校正控制芯片U1的引脚7为驱动器输出引脚，其输出的PWM控制信号依次经电阻R22、R21到MOS管Q1的栅极。
二极管D3的阴极与功率因数校正控制芯片U1的引脚7相连，阳极与电阻R22和R21的接点相连。
电阻R20的一端与MOS管Q1的栅极相连，另一端与共模电容CY3的非接地端相连。
功率因数校正控制芯片U1的引脚4为PWM比较器输入引脚，电阻R19连接于MOS管Q1的源极和功率因数校正控制芯片U1的引脚4之间。
电阻R18的一端与MOS管Q1的源极相连，另一端与共模电容CY3非接地端相连。
电容C9的一端与功率因数校正控制芯片U1的引脚4相连，另一端与共模电容CY3的非接地端相连。
功率因数校正控制芯片U1的引脚3为乘法器输入引脚，高电平HV+依次经电阻R5、R6、R7到功率因数校正控制芯片U1的引脚3，电阻R11与电容C4并联后，一端与功率因数校正控制芯片U1的引脚3相连，另一端与共模电容CY3的非接地端相连。
功率因数校正控制芯片U1的引脚5为零电流检测输入引脚，经电阻R16与高频变压器TF1的4端相连，电阻R17的一端与功率因数校正控制芯片U1的引脚8相连，另一端与二极管D2的阴极相连，二极管D2的阳极与高频变压器TF1的4端相连。
功率因数校正控制芯片U1的引脚6与共模电容CY3的非接地端相连。
开关信号转换电路42以MOS管Q1为核心，其中：
MOS管Q1的漏极接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极依次经电容C3和电阻R3后接高电平HV+，电阻R4接在高电平HV+与二极管D1的阴极之间。
高频变压器43中高频变压器TF1包括第一初级线圈、第二初级线圈、第一次级线圈和第二次级线圈，其中：
第一初级线圈包括1端和2端，1端接高电平HV+，2端接开关信号转换电路42中MOS管Q1的漏极。
第二初级线圈包括3端和4端，3端接控制电路41中二极管D2的阳极，4端接共模电容CY3的非接地端。
第一次级线圈包括5端和6端，接输出整流及滤波电路4。
第二次级线圈包括7端和8端，7端接输出整流及滤波电路4，8端接地。
在上述电路结构中，功率因数校正控制芯片U1的引脚1接收取样及放大电路5反馈的信号，引脚7输出PWM控制信号给MOS管Q1的栅极，控制MOS管Q1的导通及关断时间，MOS管Q1的动作决定了高频变压器TF1工作在储能状态或释放能量状态，从而控制电路的输出参数，如此不断根据取样反馈信号发出控制信号，从而达到电路输出恒流恒压控制的目的。
图5示出了本发明实施例提供的高功率因数恒流电路中输出整流及滤波电路的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
输出整流及滤波电路4对输入的交流电进行整流，输出脉动直流，包括电阻R23、R41、R42，二极管D4，电解电容C10、C11、C12、C13、C14、C15和电容C24，其中：
电解电容C10、C11、C12、C13、C14、C15的正极相互连接，负极相互连接并接地。
电解电容C10连接二极管D4的阴极，二极管D4的阳极接功率变换及功率因数校正电路3中变压器TF1第一次级线圈的5端和电阻R23的一端，电阻R23的另一端经电容C9接电解电容C11的正极。
电阻R41的一端接地，另一端为LED-，电容C24的一端接电容C15的正极，另一端接LED-，电阻R42的一端接LED-，另一端接电容C15的正极，电容C15的正极为LED+，LED+为④输出端，LED-为⑤输出端。
图6示出本发明实施例提供的高功率因数恒流电路中取样及放大电路的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
取样及放大电路5包括运算放大器U3及***电路，所述***电路包括光电耦合器U2A，电阻R24～R40，电容C16～C23，二极管D5、D15、D16以及稳压管Z2。
运算放大器U3的引脚1分别接电容C18、电阻R30的一端，电容C18的另一端接电阻R31的一端，电阻R31的另一端接运算放大器U3的引脚2，电阻R30另一端接二极管D15的阴极。二极管D15的阳极接二极管D16的阳极，二极管D16的阴极与电阻R40的一端相连，电阻R40的另一端接运算放大器U3的引脚7。
运算放大器U3的引脚2分别接电阻R29和电容C19的一端，电阻R29的另一端与电阻R28串联后接输出整流及滤波电路4的④输出端，电容C19的另一端接运算放大器U3的引脚3。
运算放大器U3的引脚2还与电阻R34的一端连接，电阻R34的另一端接地，电阻R35与电阻R34并联。
运算放大器U3的引脚3与电阻R32的一端相连，电阻R32的另一端接电阻R24，电阻R24的另一端接二极管D5的阴极，二极管D5的阳极与功率变换及功率因数校正电路3中高频变压器TF1第二次级线圈的7端相连。
运算放大器U3的引脚3还与电阻R33的一端相连，电阻R33的另一端接运算放大器U3的引脚5。
运算放大器U3的引脚4接地。
运算放大器U3的引脚5与电容C23的一端相连，电容C23的另一端接地。
运算放大器U3的引脚5还与电阻R36的一端相连，电阻R36的另一端接地，电阻R37与电阻R36并联。
运算放大器U3的引脚6分别接电容C22、电阻R38、电阻R39的一端，电容C22的另一端接地，电阻R38的另一端接输出整流及滤波电路4的⑤输出端，电阻R39的另一端接电容C21，电容C21的另一端接运算放大器U3的引脚7。
运算放大器U3的引脚8接电容C20、电阻R26的一端，电容C20的另一端接地，电阻R26的另一端接稳压管Z2的阴极，稳压管Z2的阳极分别接电阻R27、电容C16的一端，电阻R27、电容C16的另一端接地。
稳压管Z2的阴极分别接电解电容C17的正极和电阻R25，电解电容C17的负极接地，电阻R25的另一端与光电耦合器U2A的引脚1相连，光电耦合器U2A的引脚2连接二极管D15和D16的共阳接点。
运算放大器U3对电压和电流取样，通过光电耦合器U2A将信号反馈到功率因数校正控制芯片U1，功率因数校正控制芯片U1根据取样反馈信号进行调节，从而使输出达到恒流恒压。
本发明实施例可以应用在电源产品如UPS，高频开关整流电源等中，可以最大限度减少谐波电流。
由上述可知，在本发明实施例提供的高功率因数恒流电路中，交流市电入口接有保险丝F1、抗浪涌热敏电阻VR1和防雷击压敏电阻NTC，对电路起到保护作用。电磁兼容模块1可以抑制线路中的传导干扰。差模滤波电感L1、L1A和差模电容CX2能够有效地抑制线路中的差模干扰，共模电感L2及共模电容CY1、CY2能够有效地抑制线路中的共模干扰。
电磁兼容模块1的输出经过由4个二极管组成的输入整流及滤波电路2，将交流变成脉动直流，脉动直流经过由功率因数校正控制芯片U1和MOS管、高频变压器组成的单端反激式变换电路。输出端通过运算放大器U3对电压和电流取样，通过光电耦合器U2A将信号反馈到功率因数校正控制芯片U1的脚1上，实现对PWM占空比的调节，从而使输出达到恒流恒压。
另外，功率因数校正控制芯片U1还有功率因数校正的作用，在输入交流市电在100V-240V的范围内时，PF＞0.9。
本发明实施例提供的高功率因数恒流电路采用功率因数校正控制芯片，构成单端反激式拓扑电路，可以有效地减少谐波电流，改善电网的谐波污染以及输入端功率因数，实现了高功率因数恒流输出，同时减少了一级功率因数校正电路(DC-DC)，简单可靠，成本低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高功率因数恒流电路，其特征在于，所述高功率因数恒流电路包括：
电磁兼容模块，用于接收交流输入，抑制线路中的传导干扰；
输入整流及滤波电路，用于将所述电磁兼容模块输出的交流电整流成脉动直流；
功率变换及功率因数校正电路，用于根据取样反馈信号对所述脉动直流进行功率变换及功率因数校正；
输出整流及滤波电路，用于对所述功率变换及功率因数校正电路输出的电流进行整流和滤波，改善输出波形；以及
取样及放大电路，用于对所述输出整流及滤波电路输出的电压和电流进行取样，将取样反馈信号反馈给所述功率变换及功率因数校正电路。
2.如权利要求1所述的高功率因数恒流电路，其特征在于，所述电磁兼容模块采用差模电容和差模滤波电感抑制线路中的差模干扰，采用共模电容和共模电感抑制线路中的共模干扰。
3.如权利要求1所述的高功率因数恒流电路，其特征在于，所述功率变换及功率因数校正电路包括：
控制电路，用于根据所述取样反馈信号输出相应的PWM控制信号；
开关信号转换电路，用于将所述PWM控制信号转化为开关动作信号；
高频变压器，用于根据所述开关动作信号进行储能和释放能量，对输出参数进行调整；以及
共模电容CY3，用于抑制线路中的共模干扰。
4.如权利要求3所述的高功率因数恒流电路，其特征在于，所述控制电路包括一功率因数校正控制芯片及***模块；
所述***模块包括：
工作电压模块，用于向所述功率因数校正控制芯片提供工作电压；
误差放大器模块，用于接收所述取样反馈信号，传输给所述功率因数校正控制芯片进行处理；以及
驱动输出模块，用于输出所述功率因数校正控制芯片根据取样反馈信号产生的PWM控制信号。
5.如权利要求4所述的高功率因数恒流电路，其特征在于，所述工作电压模块包括电阻R8、电阻R9和电阻R10，其中：
所述电阻R8、R9、R10依次串联于高电平和所述功率因数校正控制芯片的工作电压引脚之间。
6.如权利要求4所述的高功率因数恒流电路，其特征在于，所述误差放大器模块包括光耦PC1，电阻R12、R13、R14、R15和电容C7、C8，其中：
所述电阻R12的一端与所述光耦PC1的发射极相连，另一端接所述功率因数校正控制芯片的误差放大器输入引脚；
所述电容C8、C7串联于所述功率因数校正控制芯片的误差放大器输出引脚与输入引脚之间；
所述电阻R13与所述电容C8并联；
所述电阻R14、R15并联后，一端与所述共模电容CY3的非接地端相连，另一端与所述光耦PC1的发射极相连。
7.如权利要求4所述的高功率因数恒流电路，其特征在于，所述开关信号转换电路包含有MOS管Q1；
所述驱动输出模块包括电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22，二极管D3和电容C9，其中：
所述电阻R22、R21串联于所述功率因数校正控制芯片的驱动器输出引脚和MOS管Q1的栅极之间；
所述二极管D3的阴极与所述功率因数校正控制芯片的驱动器输出引脚相连，阳极与所述电阻R22和R21的接点相连；
所述电阻R20的一端与所述MOS管Q1的栅极相连，另一端与所述共模电容CY3的非接地端相连；
所述电阻R19连接于所述MOS管Q1的源极和所述功率因数校正控制芯片的PWM比较器输入引脚之间；
所述电阻R18的一端与所述MOS管Q1的源极相连，另一端与所述共模电容CY3的非接地端相连；
所述电容C9一端与所述功率因数校正控制芯片的PWM比较器输入引脚相连，另一端接所述共模电容CY3的非接地端。
8.如权利要求7所述的高功率因数恒流电路，其特征在于，所述开关信号转换电路进一步包括二极管D1、电容C3、电阻R3和电阻R4；
所述MOS管Q1的漏极接所述二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极依次经所述电容C3和所述电阻R3后接高电平HV+，所述电阻R4接在高电平HV+与所述二极管D1的阴极之间。
9.如权利要求1所述的高功率因数恒流电路，其特征在于，所述取样及放大电路包括一运算放大器及***电路。
10.一种电源，包括高功率因数恒流电路，其特征在于，所述高功率因数恒流电路为权利要求1至9中任一项权利要求所述的高功率因数恒流电路。
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