專利名稱：有源功率因子校正的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及開關式電源供應領域。更具體而言，本發明涉及利用
脈沖頻率調制來控制AC/DC變換器的運作以獲取高功率因子和輕載 荷下的低備用功率。
背景技術：
現在所有連接交流電網的電源供應裝置必須滿足歐洲標準 EN-61000-3-2或其它國家中類似的諧波限制。未來將會有進一步的需 求以滿足例如80 PLUS和Energy Star (能源之星)的效率標準。能 夠滿足EN-61000-3-2要求的現有技術可分成兩類。
第 一 類(US4437146, US5134355, US5654880, US6900623, US2006/0158912)利用反饋回路檢測整流后的AC電壓并控制變換器 的運作，使得由變換器的輸入電流跟隨整流后的AC電壓變化。當AC 線電壓在大范圍(例如從115 AV到240 VAC內)變動時，該類存在著 反饋回路穩定性的問題。他們使用復雜的補償電路確保穩定性，但易 受整流AC電壓中的噪音和失真的影響。例如，現有技術US6900623 檢測AC線電壓的RMS值并相應地調整回路增益。
第二類(US5867379， US5742151)在不檢測整流AC電壓的情況 下，使用非線性載波信號產生與第一類相同的控制信號。該類的問題 是受控的開關式變換器只適含在連續電流模式下運行。當變換器的栽 荷末達全載荷的時候，變換器可能進入不連續電流模式。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制(PWM)來控制變換器內的開關并存在 著EMI集中的問題。現有技術對使用脈沖頻率調制(PFM)或頻率調制 (FM)(而不是PWM控制)的優點進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，上述現有技 術使用專用單元來調整開關頻率，而脈寬由另一單元控制，令設計的 復雜性倍增。
最后，為了滿足例如80PLUS和Energy Star的功效標準，需 要額外的電路駕駑這些功率因子控制器的正常控制并降低輕載荷下 的功率消耗。這意味著要有額外的電路和更復雜的控制以確保控制器 在輕載荷模式和正常載荷模式之間順暢地轉換。
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 轉換的解決方案。然而，PFM方法不適合沒有功率因子校正前級的傳 統的單級AD/DC變換器，因為在中等載荷下的輸出電壓紋波較大。 然而，對于具有功率因子校正器作為前級和DC/DC變換器作為第二 級的雙級AC/DC變換器來說，這不是個顧慮。
因此，對將功率因子校正和PFM的功能合并成單一控制器以克 服現有技術中的所有問題存在著需求。
發明內容
因此，本發明的目標是提供控制AC/DC變換器的功率因子控制裝置。
本發明的另一目標是提供可以改善AC/DC變換器的EMI性能 的功率因子控制裝置。
本發明的另 一 目標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。
本發明的另一目標是提供能夠在寬廣的輸入電壓范圍內運行的 功率因子控制裝置。
本發明的另 一 目標是提供適合于在連續電流模式以及不連續電 流模式下運行的變換器的功率因子控制裝置。
發明了 一種新型的功率因子校正器。將正弦參考信號與來自受控 制的變換器的所檢測電流相比較。將差饋送給低通濾波器并將輸出與 斜坡信號相比較。比較器的輸出用于控制脈沖產生器的頻率。產生器的輸出脈沖控制受控制的變換器內部的開關。
本發明的主要創新特征是使用脈沖頻率調制來控制AC/DC變換 器。脈沖產生器輸出的脈寬固定并相應調節脈沖頻率以獲得高功率因 子。
本發明的優勢是比現有技術改善了傳導EMI。
另 一優勢在于本發明在其內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其性能幾乎沒有影響。
本發明的另一優勢是AC/DC變換器的切換損失隨著栽荷而降 低，這是因為切換頻率隨著栽荷而降低。
因此，與現有技術相比，本發明具有許多改進。
基于本發明的目前最眾所周知的模式和工業適用性的描述以及 此處所描述的和在附圖的幾個圖片中所示出的優選實施例，對于本領 域的技術人員來說，本發明的上述和其它目標和優勢將清楚易見。
圖1示出了當受控的AC/DC變換器為升壓變換器(boost converter)時本發明的實施例。
圖2通過顯示根據本發明的圖1中的示例的升壓變換器的不同節 點處的模擬波形，示出了功率因子校正器的運行。
圖3示出了根據本發明脈沖截止時間可以通過輸入信號延長的 脈沖產生器的實施例。
圖4示出了當受控的AC/DC變換器為反激式變換器時本發明的 實施例。
圖5示出了本發明有電流限制功能的增強阪的實施例。 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的輸 入電流。
具體實施例方式
現在通過下列實施例對本發明進行描述。上述實施例不是為了限制本發明的范疇而僅是為了闡明本發明。實施例中所描述的所有特征 和組合對于本發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明的優選實施例及其優 勢。相同的數字用于各附圖的相同的以及對應的部分。
圖1示出了當受控的AC/DC變換器為升壓變換器時本發明的實 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 信號產生器103、比較器104和脈沖產生器105。比較器12產生誤差 信號VERR，然后乘法器11為裝置產生正弦電流參考信號IRFF。通 過誤差信號VERR設定正弦電流參考信號的水平。然而，可以使用其 它的裝置(例如見US2006/0158912)以產生電流參考信號。
該裝置輸入一個電流參考信號IREF、 一個跟升壓變換器所輸入 的電流成正比信號IFB并且輸出控制信號G以控制升壓變換器的開 關。
加法器101將電流參考信號IREF與信號IFB進行比較并輸出信 號IERR。平均電路102衰減信號IERR中的高頻成分并輸出信號Q。 該信號Q決定了控制信號G的脈沖頻率。在來自脈沖產生器105的 每一固定寬度脈沖之后，來自斜坡產生器103的信號RAMP開始傾 斜向上。當斜坡信號低于Q信號時，比較器104的輸出信號EN保持 低且脈沖產生器被保持在脈沖截止(pulse-off)模式下。當這一斜坡 信號高于Q信號時，脈沖產生器105給重新啟動并再次產生另一脈沖。 脈沖產生器105具有最小脈沖截止時間(pulse off time )，即，最小 的振蕩周期和最大的占空比，若在最小期間結束之前斜坡信號大于Q 信號，脈沖產生器將保持在脈沖截止模式下直到該最小周期結束。當 脈沖產生器105被再次啟動時，斜坡信號產生器將被重設(reset)并 在固定寬度脈沖之后開始新的周期。
圖2示出了信號Q、 RAMP、 EN和G之間的關系。 圖3示出了脈沖產生器105的實施例。脈沖產生器105的輸出具 有固定脈沖寬度以及最小脈沖截止時間，即，最小的振落周期和最大 的占空比。當信號EN從低升到高時脈沖產生器開始產生固定寬度脈沖，然后輸出信號持續在一段最小時間間隔內保持低位。可以通過將
EN保持為低將脈沖截止時間延長。當在最小脈沖截止時間之后EN 仍舊高時，脈沖產生器105將以新脈沖G開始一個新周期。
升壓變換器的平均輸入電流將總是大于本發明中的參考電流。這 一超出值由信號Q代表。當電壓誤差VERR增加時，參考正弦信號 IREF的水平將升高，而信號Q將降低，且脈沖截止時間將變得更短 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。
在本實施例中，乘法器可以如現有技術US2006/0158912中那樣 由同步于VSIN的正弦脈沖產生器替代。
圖4示出了當受控的AC/DC變換器為反激式變換器時本發明的 實施例。可以看出將本發明應用到反激式變換器是簡單的并且對于本 領域的技術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明的實施例。脈沖產生器 106具有與圖3中的產生器的相同特征并且加上將迫使產生器進入脈 沖截止模式的重設輸入。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電流大于最大的所允許的界限脈沖G的寬度 不會過小。如果在脈沖G的遮沒間隔(banking interval)之后，所檢 測電流大于臨界水平，脈沖R被輸出以重設產生器13。升壓變壓器 的開關將立即被關斷。
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。
盡管已經通過升壓變壓器的示例的實施例對本發明進行了描述， 應當理解的是可以將本發明應用到其它類型的變換器，例如，正激式、 Cuk或類似的變換器。在不偏離由權利要求書所限定的本發明的范疇 的情況下，本領域的技術人員可以進行將本發明使用在其它類型的變
換器上所需要的變更和替代。
權利要求
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所輸入的電流成正比的檢測信號IFB以及與其載荷成正比的正弦信號IREF，并且接收開關信號G，變換器的輸出功率與開關信號的占空比成正比，該功率因子校正控制裝置包括加法器，接收檢測信號IFB，用于將所述檢測信號與來自變換器的正弦信號IREF進行比較而產生誤差信號IERR；平均單元，被耦合到加法器，用于平均化信號IERR并由此產生信號Q；斜坡信號產生器，當變換器的開關信號G從高降到低時開始產生斜坡信號RAMP；比較器，接收來自平均單元的信號Q和來自斜坡信號產生器的信號RAMP，用于將信號Q與信號RAMP進行比較而產生觸發信號EN；以及脈沖產生器，被耦合到比較器，用于當來自比較器的觸發信號從低升到高時產生變換器的所述開關信號G。
2. 根據權利要求1的功率因子校正控制裝置，其中所述脈沖產 生器在觸發信號從低升到高時輸出固定寬度的脈沖，然后輸出信號持 續在一段最小時間間隔內保持低位。
3. 根據權利要求2的功率因子校正控制裝置，其中所述脈沖產 生器的觸發信號若在所述最小時間間隔的末端保持高位，脈沖產生器 會產生新的固定寬度的脈沖并再次保持關閉 一段最小時間間隔。
4. 根據權利要求2的功率因子校正控制裝置，其中所述脈沖產 生器的觸發信號若在在所述最小時間間隔的末端處為低位時，脈沖產 生器將保持關閉直至觸發信號由低變高。
5. 根據權利要求2的功率因子校正控制裝置，其中所述脈沖產 生器具有重設輸入，當重設輸入為高時，產生器的輸出被重設為低。
6.根據權利要求1的功率因子校正控制裝置，進一步包括用于 電流限制的比較器，用于將來自變換器的所述檢測信號IFB與臨界水 平進行比較，其中接收來自脈沖產生器的開關信號的所述比較器在從 開關信號的上升沿的短延遲之后開始比較，并且當信號IFB超出所述 臨界值時將重設信號R輸出到脈沖產生器。
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相比較，誤差被用于決定開關頻率。開關頻率隨著正弦參考信號變化，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頻率上。因此，可以使用更小的EMI過濾器。由于開關頻率隨變換器的載荷降低，轉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，實現滿足功效標準，例如80PLUS和Energy Star的要求。
文檔編號H02M1/42GK101299573SQ20081008225
公開日2008年11月5日 申請日期2008年2月29日 優先權日2007年3月4日
發明者吳錫偉 申請人:蜜蜂工房半導體有限公司