CN102843039B - 一种控制电路及具有该控制电路的恒流源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制电路，用于对恒流源电路中的主电路进行控制，包括控制器、纹波生成电路和补偿电路；纹波生成电路用于获取与主电路中的变换器的输出电压成第一比例的电压信号，并分离出电压信号中的纹波信号；补偿电路用于采集主电路中的开关管的电流采样信号，并将纹波信号和电流采样信号叠加后送入控制器的电流采样输入端，作为控制器的电流采样输入信号；控制器接收补偿电路输出的电流采样输入信号，在电流采样输入信号达到电流阈值时控制开关管关断，在开关管的开关周期与电流持续时间成第二比例时控制开关管导通。本发明公开的控制电路，可以降低恒流源电路的总谐波失真、提高电路的功率因数。本发明还公开了一种恒流源电路。

Description

一种控制电路及具有该控制电路的恒流源电路

技术领域

本发明涉及恒流供电技术领域，尤其涉及一种控制电路以及具有该控制电路的恒流源电路。

背景技术

在电力电子技术领域，恒流源电路可以为电器设备提供稳定的电流，以驱动电器设备稳定运行。由于电器设备对功率因数和谐波的要求越来越高，为了得到高功率因数并降低输入电流的谐波畸变，在恒流源电路中引入了功率因数校正(PFC)技术。图1和图2为现有的两种恒流源电路，包括主电路和控制器，其中主电路包括输入支路和变换器。

在图1所示恒流源电路中，输入支路包括整流电路和第一电容C11，变换器包括电感L11、第一二极管D11、第二电容C12、第二二极管D12、开关管Q11、第一电阻R11、变压器T11、第三二极管D13和第三电容C13。其中：整流电路的正输出端通过第一电容C11接地，同时整流电路的负输出端接地；电感L11的一端作为恒流源电路的输入端、另一端连接至第二二极管D12的阳极，开关管Q11的第一端连接至第二二极管D12的阴极、第二端通过第一电阻R11接地，第一二极管D11的阳极连接至所述电感L11的一端、阴极通过第二电容C12接地，变压器T11原边绕组的同名端连接至第一二极管D11和第二电容C12的公共端、异名端连接至开关管Q11的第一端，变压器T11副边绕组的异名端连接至第三二极管D13的阳极、同名端连接至第三电容C13的一端，第三二极管D13的阴极与第三电容C13的另一端连接，该第三电容C13的两端作为恒流源电路的输出端。

在图2所示恒流源电路中，输入支路包括整流电路和第一电容C21，变换器包括电感L21、第一二极管D21、第二电容C22、第二二极管D22、开关管Q21、第一电阻R21、变压器T21、第三二极管D23和第三电容C23，在变压器T21的原边绕组设置有抽头。其中：整流电路的正输出端通过第一电容C21接地，同时整流电路的负输出端接地；电感L21的一端作为恒流源电路的输入端、另一端连接至第二二极管D22的阳极，第二二极管D22的阴极连接至变压器T21的抽头端，开关管Q21的第一端连接至变压器T21的异名端、第二端通过第一电阻R21接地，第一二极管D21的阳极连接至所述电感L11的一端、阴极通过第二电容C22接地，变压器T21原边绕组的同名端连接至第一二极管D21和第二电容C22的公共端，变压器T21副边绕组的异名端连接至第三二极管D23的阳极、同名端连接至第三电容C23的一端，第三二极管D23的阴极与第三电容C23的另一端连接，该第三电容C23的两端作为恒流源电路的输出端。

图1和图2所示恒流源电路中的主电路由控制器进行控制，该控制器检测流经开关管的电流信号，在流经开关管的电流达到一阈值时，控制开关管关断；同时，控制器检测变压器副边绕组的电流持续时间，在开关管的开关周期与该电流持续时间的比值达到一阈值时，控制开关管导通。

但是，申请人发现：图1和图2所示恒流源电路的总谐波失真(THD)较大，而功率因数(PF)较小。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种控制电路，该控制电路应用于现有的恒流源电路中，可以减小电路输入电流的畸变，使得电路的输入电流更好的跟随输入电压的变化，从而降低电路的总谐波失真，提高电路的功率因数。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种控制电路，用于对恒流源电路中的主电路进行控制，所述控制电路包括控制器、纹波生成电路和补偿电路；

所述纹波生成电路用于获取与所述主电路中的变换器的输出电压成第一比例的电压信号，并分离出所述电压信号中的纹波信号；

所述补偿电路用于采集所述主电路中的开关管的电流采样信号，并将所述纹波信号和所述电流采样信号叠加后送入所述控制器的电流采样输入端，作为所述控制器的电流采样输入信号；

所述控制器接收所述补偿电路输出的电流采样输入信号，在所述电流采样输入信号达到电流阈值时，控制所述开关管关断，所述控制器检测所述主电路中的变压器副边绕组的电流持续时间，在所述开关管的开关周期与所述电流持续时间成第二比例时，控制所述开关管导通。

优选的，在上述控制电路中，所述纹波生成电路包括辅助绕组、第四二极管、第四电容和第五电容；

所述辅助绕组位于所述变压器的原边绕组侧，所述辅助绕组的同名端接地；

所述第四二极管的阳极连接至所述辅助绕组的异名端、阴极连接至所述第四电容的一端，所述第四电容的另一端连接至所述辅助绕组的同名端；

所述第五电容的一端连接至所述第四二极管和第四电容的公共端，所述第五电容的另一端输出所述纹波信号。

优选的，在上述控制电路中，所述纹波生成电路包括辅助绕组、第四二极管、第四电容、第二电阻、第三电阻和第五电容；

所述辅助绕组位于所述变压器的原边绕组侧，所述辅助绕组的同名端接地；

所述第四二极管的阳极连接至所述辅助绕组的异名端、阴极连接至所述第四电容的一端，所述第四电容的另一端连接至所述辅助绕组的同名端；

所述第二电阻和第三电阻串联后并联于所述第四电容的两端；

所述第五电容的一端连接至所述第二电阻和第三电阻的公共端，所述第五电容的另一端输出所述纹波信号。

优选的，在上述控制电路中，所述补偿电路包括第四电阻和第五电阻；

所述第四电阻的一端连接至所述开关管的第二端、另一端连接至所述控制器的电流采样输入端；

所述第五电阻的一端连接至所述第五电容的另一端、另一端连接至所述控制器的电流采样输入端。

一种恒流源电路，包括主电路和上述任一种控制电路。

由此可见，本发明的有益效果为：本发明公开的控制电路中，在控制器的电流采样输入端补偿一个纹波信号，从而为开关管的峰值电流补偿一个低频的纹波，该低频纹波使得原输入电流在峰值附近降低、在过零附近升高，即补偿后得到的输入电流更接近正弦波，减小了畸变程度，从而达到降低恒流源电路总谐波失真、提高电路的功率因数的目的。本发明同时公开了一种恒流源电路，通过对其控制电路进行改进，可以达到降低总谐波失真、提高电路的功率因数的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的一种恒流源电路的电路图；

图2为现有的另一种恒流源电路的电路图；

图3为图1和图2所示恒流源电路中输入电流和输入电压的波形图；

图4为本发明公开的一种控制电路的结构示意图；

图5为本发明公开的一种恒流源电路的电路图；

图6为本发明公开的另一种恒流源电路的电路图；

图7为经过补偿后的开关管的电流采样信号的波形图；

图8为经过补偿后的恒流源电路的输入电流的波形图；

图9为本发明公开的另一种恒流源电路的电路图。

具体实施方式

在图1所示恒流源电路中，当开关管Q11导通时，输入电流Iin依次流经电感L11、第二二极管D12和开关管Q11，变压器T11的原边绕组由第二电容C12供电，流过变压器T11原边绕组的电流It也流经开关管Q11，此时流经开关管Q11的电流Is包括了输入电流Iin和变压器T11的原边电流It；当开关管Q11关断时，电感L11经过第二二极管D12给第二电容C12充电，变压器T11通过副边绕组进行放电，为负载供电。

在图2所示恒流源电路中，当开关管Q21导通时，输入电流Iin依次流经电感L21、第二二极管D22、和变压器T21原边绕组的下半绕组与开关管Q21，变压器T21的原边绕组由第二电容C22供电，流过变压器T21原边绕组的电流It也流经开关管Q21，此时流经开关管Q21的电流Is包括了输入电流Iin和变压器T21的原边电流It；当开关管Q21关断时，电感L21经过第二二极管D22给第二电容C22充电，变压器T21通过副边绕组进行放电，为负载供电。

申请人发现：在图1和图2所示恒流源电路中，利用控制器对主电路进行控制的过程中，电路的输入电流Iin和输入电压Vin之间的波形关系如图3所示，由图3可以看到，输入电流Iin发生畸变，不能很好的跟随输入电压Vin的变化，因此导致电路的总谐波失真(THD)较大，而功率因数(PF)较小。

本发明公开了一种控制电路，该控制电路应用于现有的恒流源电路中，可以降低电路的总谐波失真，提高电路的功率因数。

技术思想为：减小恒流源电路中输入电流的畸变，使得电路的输入电流更好的跟随输入电压的变化，从而降低电路的总谐波失真，提高电路的功率因数。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

参见图4，图4为本发明公开的一种控制电路的结构示意图。该控制电路用于对图1和图2所示的恒流源电路中的主电路进行控制，该控制电路包括控制器41、纹波生成电路42和补偿电路43。其中：

纹波生成电路42用于获取与恒流源电路中变换器的输出电压成第一比例的电压信号，并分离出该电压信号中的纹波信号。恒流源电路中变换器的输出电压即为变压器副边绕组的输出电压，在变压器副边绕组输出的直流电压中包含了一个交流成分，该交流成分即为纹波信号。

补偿电路43用于采集流经开关管的电流采样信号，并将纹波生成电路42生成的纹波信号和该电流采样信号叠加后送入控制器41的电流采样输入端，该叠加后的信号作为控制器41的电流采样输入信号。

控制器41包括电流采样输入端、电压采样输入端和输出端，其中，电压采样输入端用于检测恒流源主电路中变压器副边绕组的电流持续时间，电流采样输入端与补偿电路43的输出端连接、用于接收补偿电路43输出的电流采样输入信号，输出端与恒流源主电路中的开关管的控制端连接。控制器41接收补偿电路43输出的电流采样输入信号，在电流采样输入信号达到电流阈值时，控制该开关管关断，控制器还检测恒流源主电路中的变压器副边绕组的电流持续时间，在开关管的开关周期与电流持续时间成第二比例时，控制开关管导通。

下面结合具体实施例对控制电路的结构和控制过程进行详细说明。

参见图5，控制电路包括控制器、纹波生成电路和补偿电路，其中，纹波生成电路包括辅助绕组、第四二极管D54、第四电容C54和第五电容C55，补偿电路包括第四电阻R54和第五电阻R55。

恒流源电路的主电路包括输入支路和变换器。输入支路包括整流电路和第一电容C51。变换器包括电感L51、第一二极管D51、第二电容C52、第二二极管D52、开关管Q51、第一电阻R51、变压器T51、第三二极管D53和第三电容C53。其中，整流电路的正输出端通过第一电容C51接地，同时整流电路的负输出端接地；电感L51的一端作为恒流源电路的输入端、另一端连接至第二二极管D52的阳极，开关管Q51的第一端连接至第二二极管D52的阴极、第二端通过第一电阻R51接地，第一二极管D51的阳极连接至电感L51的一端、阴极通过第二电容C52接地，变压器T51原边绕组的同名端连接至第一二极管D51和第二电容C52的公共端、异名端连接至开关管Q51的第一端，变压器T51副边绕组的异名端连接至第三二极管D53的阳极、同名端连接至第三电容C53的一端，第三二极管D53的阴极与第三电容C53的另一端连接，该第三电容C53的两端作为恒流源电路的输出端。

控制电路与主电路的连接关系为：辅助绕组位于变压器T51的原边绕组侧，辅助绕组的同名端接地，辅助绕组的输出电压与副边绕组的输出电压成预设比例，通过调整辅助绕组的线圈匝数可以调整该预设比例；第四二极管D54的阳极连接至辅助绕组的异名端、阴极连接至第四电容C54的一端，第四电容C54的另一端连接至辅助绕组的同名端；第五电容C55的一端连接至第四二极管D54和第四电容C54的公共端、另一端连接至第五电阻R55的一端，该第五电阻R55的另一端连接至控制器的电流采样输入端；第四电阻R54的一端连接至开关管Q51的第二端、另一端连接至控制器的电流采样输入端；控制器的输出端连接至开关管Q51的控制端，控制器的电压采样输入端连接至变压器T51的副边绕组。

在变压器T51的副边绕组输出的直流电压信号中包含了交流成分，辅助绕组设置在变压器T51原边绕组侧，通过第四二极管D54和第四电容C54的整流滤波，产生与副边绕组输出电压幅值成比例的电压信号，该电压信号作为纹波生成电路的输入信号Vf。之后，第五电容C55将输入信号Vf中的直流分量去除，输出交流分量，该交流分量就是输入信号Vf的纹波信号Ic，输出的纹波信号Ic通过第五电阻R55和流经开关管Q51的电流采样信号Is叠加，作为控制器的电流采样输入信号。

当电流采样输入信号(即纹波信号Ic和电流采样信号Is的叠加)达到电流阈值Ipk时，控制器通过其输出端向开关管发送控制其关断的驱动信号，此时电感L51经过第二二极管D52和变压器T51的原边绕组给第二电容C52充电，变压器T51副边绕组通过第三二极管D53向第三电容C3释放能量；当控制器检测到开关管的开关周期与变压器T51副边绕组的电流持续时间成第二比例时，控制器通过其输出端向开关管发送控制其导通的驱动信号，此时，输入电流Iin依次流经电感L51、第二二极管D52和开关管Q51，变压器T51的原边绕组由第二电容C52供电，流过变压器T51原边绕组的电流It也流经开关管Q51。

通过比对本发明上述公开的控制电路和现有的控制器，可以发现：

现有技术中，仅仅是将流经开关管的电流采样信号送入控制器，当电流采样信号达到电流阈值Ipk时，控制器会控制开关管关断，因此，流经开关管的电流峰值包络线如图7中的Ipk所示。

本发明中是将流经开关管的电流采样信号Is和纹波信号Ic叠加，作为控制器的电流采样输入信号，当所述电流采样输入信号达到电流阈值Ipk时，控制器才会控制开关管关断，因此，实际流经开关管的电流采样信号Is的峰值包络线如图7中所示。通过图7可以看到，在任意时刻，电流采样信号Is和纹波信号Ic之和等于电流阈值Ipk，相当于为开关管Q51的电流峰值补偿了一个低频的纹波。

本发明公开的控制电路中，在控制器的电流采样输入端补偿一个纹波信号，从而为开关管Q51的峰值电流补偿一个低频的纹波，该低频纹波使得原输入电流在峰值附近降低、在过零附近升高(如图8所示，在图8中Iin为未进行补偿时的输入电流，Ix为叠加在开关管Q51上的低频纹波，Iin’为补偿后的输入电流)，即补偿后得到的输入电流更接近正弦波，减小了畸变程度，从而达到降低恒流源电路总谐波失真、提高电路的功率因数的目的。

实施中，控制电路中的纹波生成电路还可以为其他结构，请参见图6。该纹波生成电路包括辅助绕组、第四二极管D54、第四电容C54、第二电阻R52、第三电阻R53和第五电容C55。

其中，辅助绕组位于变压器T51的原边绕组侧；第四二极管D54的阳极连接至辅助绕组的异名端、阴极连接至第四电容C54的一端，第四电容C54的另一端连接至辅助绕组的同名端；第二电阻R52和第三电阻R53串联后并联于第四电容C54的两端；第五电容C55的一端连接至第二电阻R52和第三电阻R53的公共端。

输入控制器电流采样输入端的电流信号的幅值不能过高，在图6所示恒流源电路中的纹波生成电路，进一步设置了第二电阻R52和第三电阻R53，当辅助绕组产生的输入电压Vf较高时，通过第二电阻R52和第三电阻R53的分压作用，可以降低最终输入控制器电流采样输入端的电流信号的幅值。

上述实施例中的控制器41可以通过采用集成芯片实现，如iw3620和AP3766。

上述对控制电路结构和功能的描述都是结合图1所示恒流源电路中的主电路进行的。需要说明的是，本发明上述公开的各个控制电路同样适用于图2所示恒流源电路中的主电路。下面结合图9进行说明，图9为本发明公开的另一种恒流源电路的电路图。

该恒流源电路包括主电路和控制电路。

主电路包括输入支路和变换器。输入支路包括整流电路和第一电容C91，变换器包括电感L91、第一二极管D91、第二电容C92、第二二极管D92、开关管Q91、第一电阻R91、变压器T91、第三二极管D93和第三电容C93，在变压器T91的原边绕组设置有抽头。其中，整流电路的正输出端通过第一电容C91接地，同时整流电路的负输出端接地；电感L91的一端作为恒流源电路的输入端、另一端连接至第二二极管D92的阳极，第二二极管D92的阴极连接至变压器T91的抽头端，开关管Q91的第一端连接至变压器T91的异名端、第二端通过第一电阻R91接地，第一二极管D91的阳极连接至所述电感L91的一端、阴极通过第二电容C92接地，变压器T91原边绕组的同名端连接至第一二极管D91和第二电容C92的公共端，变压器T91副边绕组的异名端连接至第三二极管D93的阳极、同名端连接至第三电容C93的一端，第三二极管D93的阴极与第三电容C93的另一端连接，该第三电容C93的两端作为恒流源电路的输出端。

控制电路包括控制器、纹波生成电路和补偿电路，其中，纹波生成电路包括辅助绕组、第四二极管D54、第四电容C54和第五电容C55，补偿电路包括第四电阻R54和第五电阻R55。辅助绕组位于变压器T91的原边绕组侧，辅助绕组的同名端接地，辅助绕组的输出电压与副边绕组的输出电压成预设比例，通过调整辅助绕组的线圈匝数可以调整该预设比例；第四二极管D54的阳极连接至辅助绕组的异名端、阴极连接至第四电容C54的一端，第四电容C54的另一端连接至辅助绕组的同名端；第五电容C55的一端连接至第四二极管D54和第四电容C54的公共端、另一端连接至第五电阻R55的一端，该第五电阻R55的另一端连接至控制器的电流采样输入端；第四电阻R54的一端连接至开关管Q91的第二端、另一端连接至控制器的电流采样输入端；控制器的输出端连接至开关管Q91的控制端，控制器的电压采样输入端连接至变压器T91的副边绕组。

当然，图9中的控制电路也可以采用图6中的控制电路进行替换。

本发明还公开了恒流源电路，该恒流源电路包括如图1或图2中示出的主电路，还包括控制电路，该控制电路为本发明前文所述的任意一种控制电路。本发明公开的恒流源电路可以达到降低总谐波失真、提高电路的功率因数的目的。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本领域技术人员可以理解，可以使用许多不同的工艺和技术中的任意一种来表示信息、消息和信号。例如，上述说明中提到过的消息、信息都可以表示为电压、电流、电磁波、磁场或磁性粒子、光场或以上任意组合。

Claims (5)

1.一种控制电路，用于对恒流源电路中的主电路进行控制，其特征在于，所述控制电路包括控制器、纹波生成电路和补偿电路；

所述纹波生成电路用于获取与所述主电路中的变换器的输出电压成第一比例的电压信号，并分离出所述电压信号中的纹波信号；

所述补偿电路用于采集所述主电路中的开关管的电流采样信号，并将所述纹波信号和所述电流采样信号叠加后送入所述控制器的电流采样输入端，作为所述控制器的电流采样输入信号；

所述控制器接收所述补偿电路输出的电流采样输入信号，在所述电流采样输入信号达到电流阈值时，控制所述开关管关断，所述控制器检测所述主电路中的变压器副边绕组的电流持续时间，在所述开关管的开关周期与所述电流持续时间成第二比例时，控制所述开关管导通。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述纹波生成电路包括辅助绕组、第四二极管、第四电容和第五电容；

所述辅助绕组位于所述变压器的原边绕组侧，所述辅助绕组的同名端接地；

所述第四二极管的阳极连接至所述辅助绕组的异名端、阴极连接至所述第四电容的一端，所述第四电容的另一端连接至所述辅助绕组的同名端；

所述第五电容的一端连接至所述第四二极管和第四电容的公共端，所述第五电容的另一端输出所述纹波信号。

3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述纹波生成电路包括辅助绕组、第四二极管、第四电容、第二电阻、第三电阻和第五电容；

所述辅助绕组位于所述变压器的原边绕组侧，所述辅助绕组的同名端接地；

所述第四二极管的阳极连接至所述辅助绕组的异名端、阴极连接至所述第四电容的一端，所述第四电容的另一端连接至所述辅助绕组的同名端；

所述第二电阻和第三电阻串联后并联于所述第四电容的两端；

所述第五电容的一端连接至所述第二电阻和第三电阻的公共端，所述第五电容的另一端输出所述纹波信号。

4.根据权利要求2或3所述的控制电路，其特征在于，所述补偿电路包括第四电阻和第五电阻；

所述第四电阻的一端连接至所述开关管的第二端、另一端连接至所述控制器的电流采样输入端；

所述第五电阻的一端连接至所述第五电容的另一端、另一端连接至所述控制器的电流采样输入端。

5.一种恒流源电路，包括主电路和控制电路，其特征在于，所述控制电路为权利要求1至4中任一项所述的控制电路。