CN1753291B - 功率因数校正电路及其输出电压控制方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于根据输入电压来改变输出电压的功率因数校正电路及其输出电压控制方法。通过使用状态在预定的时间产生与增压电路的输出端子上的电压相对应的参考电压，直到输入AC电压被施加到增压电路之后的预定时间，在所述状态中在增压电路输出端子上的电压具有关于输入AC电压的信息。控制输出电压根据参考电压而产生。因此，无需任何附加设备就可以产生对应于输入AC电压的输出电压，并且降低了功率损耗。

Description

功率因数校正电路及其输出电压控制方法

技术领域

本发明涉及功率控制技术，特别是功率因数校正电路及其输出电压控制方法。

背景技术

相关申请的交叉引用

本发明要求2004年9月21日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2004-0075537的优先权和利益，其全部内容被并入在此以供参考。

由于电流谐波规则，大多数的开关电源(SMPS)使用功率因数校正电路，例如EN61000-3-2。SMPS将输入电压转换为至少一个DC输出电压，并且通常被用在例如移动电话和膝上型计算机中。在SMPS中使用功率因数校正电路，通过控制输入电流跟随输入电压来校正功率系数。也就是说，功率因数校正电路控制输入电流跟随外部输入电压，并且同时把输入AC电压转换为恒定的DC电压。

大多数的功率因数校正电路使用一个增压电路。通常，由于提供给家用设备的AC电压在110Vac和220Vac之间，所制造的功率因数校正电路覆盖了在85Vac和265Vac之间一个很宽的电压范围。用于功率因数校正电路的增压电路被设计为，其输出电压可以大于输入电压，因此增压电路的输出电压基本上接近400Vdc，从而当输入电压在从85Vac到265Vac的范围中时该增压电路可以工作。

然而，当输出电压被设计为400V而输出电压较低时会产生不想要的开关损耗。当开关关闭时，在功率因数校正电路中该开关处的电压被定义为输出电压，当输出电压很高时(即400Vdc)会产生由于开关而引起的不想要的开关损耗，即便所给出的是一个较低的输入电压。为了解决这一问题，功率因数校正电路采取方法，根据输入电压来改变输出电压。

美国专利5349284和6686725公开了用于根据输入电压改变输出电压的方法。美国专利5349284公开了一种方法，用于检测输入电压的峰值，与对应的输出电压相比较改变参考电压，并且因而根据输入电压改变输出电压。美国专利6686725公开了一种方法，用于根据输入电压的范围来使用两个输出电压。也就是说，当输入电压从85Vac到150Vac改变时，将输出电压设定为220Vdc，而当输入电压从150Vac到265Vac改变时将输出电压设定为400Vdc。

图1是在美国专利6686725中公开的传统功率因数校正电路的原理图。在该电路中，当输入电压的范围在85Vac和150Vac之间时，齐纳二极管ZD不会超过击穿电压，因而关闭。晶体管Q1也关闭。从而，输入到比较器5A的反相端子(-)的电压是通过被电阻器6和7分压而产生的，并且输出电压被确定为220Vdc。然而，当输入电压在150Vac和265Vac之间的范围内时，齐纳二极管ZD超过击穿电压，因而打开，并且因此晶体管Q1也被打开。从而，输入到比较器5A的反相端子(-)的电压也通过由电阻器6和7以及电阻器R7分压Vout而被降低，并且输出电压被确定为400Vdc。

然而，如图1所示，美国专利6686725的功率因数校正电路需要多个外部元件-例如，二极管D1、D3，电容器C1、C2、ZD、电阻器R6、R7，用于检测输入电压的开关，以使得输出电压可以随着输入电压改变。这些附加的元件增加了总成本。类似地，在美国专利5349284中公开的电路也需要许多的外部元件来检测输入电压，同样增加了总成本。

发明内容

根据本发明的一个实施例，一种功率因数校正电路及其输出电压控制方法通过检测输入电压来改变输出电压。该功率因数校正电路可以包含一个增压电路，增压电路具有一个与输入端子耦合的开关并且根据开关的操作提供输出电压到输出端子。功率因数校正电路还可以包含一个开关控制器，用于根据被提供到增压电路的输出端子的输出电压来产生一个参考电压，直到一个输入AC电压被施加到该增压电路的输入端子上之后的预定时间。该开关控制电路还根据所产生的参考电压以及被施加到增压电路的输入端子上的输入AC电压来控制开关。

所述预定时间足以指示，当输入电压最初被施加到增压电路的输入端子上时在增压电路的输出端子上提供的输出电压对应于输入AC电压的预定范围。当被提供给增压电路的输出端子的输出电压落在第一电压范围内时，开关控制器产生第一参考电压。当被提供给增压电路的输出端子的输出电压落在一个大于第一电压范围的第二电压范围内时，开关控制器产生一个大于第一参考电压的第二参考电压。

根据本发明的另一实施例，提供一种用于在功率因数校正电路中控制输出电压的方法。该功率因数校正电路可以包括一个与输出端子耦合的开关和一个用于控制开关的开关控制器。功率因数校正电路根据开关控制器将输出电压提供给输出端子。该方法包括：检测增压电路的输出端子处的输出电压，直到输入AC电压被最初施加到输入端子之后的预定时间；产生与所检测的输出电压相对应的参考电压；以及对应于所产生的参考电压控制在输出端子处的输出电压。

所述预定时间足以确定，当输入电压最初被施加到增压电路的输入端子上时被提供给增压电路的端子上的输出电压对应于输入AC电压的预定范围。此外，产生参考电压的步骤还包括当所检测的输出电压落在第一电压范围内时，产生第一参考电压；当所检测的输出电压落在一个大于第一电压范围的第二电压范围内时，开关控制器产生一个大于第一参考电压的第二参考电压。

根据以下的附图、描述以及权利要求，本领域技术人员将很容易明白本发明的技术进步。

附图说明

为了更完整的理解本发明以及进一步的特征和优点，结合附图并参考以下的描述，其中

图1是传统的功率因数校正电路的原理图；

图2是根据本发明一个实施例的示例功率因数校正电路的原理图；

图3是在该功率因数校正电路最初启动时输出电压的示例波动的图；

图4是根据本发明一个实施例的示例功率因数校正电路的原理图。

具体实施方式

通过参考附图2至4可以更好地理解本发明的实施例及其优点。在各个附图中相似的参考标记被用于表示相似的和对应的部分。

附图2是根据本发明一个实施例的示例功率因数校正电路10的原理图。如所示的，功率因数校正电路10可以包括一个增压电路和一个开关控制器100，增压电路包括桥接二极管BD 12、电感器L1 14、开关Qsw 16、二极管D1 18、电容器C1 20。

桥接二极管BD 12整流外部AC电压并且输出一个全波整流电压Vbd。开关控制器100接收所检测的整流输入电压Vbd’和一个所检测的输出电压Vsense，以产生一个控制信号来打开/关闭开关Qsw 16。开关Qsw 16被开关控制器100的控制信号打开/关闭以便向增压电路的电容器C1 20输出一个恒定的DC电压。

在该例中，根据输入电压不同地确立由功率因数校正电路10的开关控制器100所产生的参考电压。因此产生不同的输出电压Vout，并且检测输入电压，不是使用附加电路，而是通过所检测的输出电压Vsense，以下将对之进行详细的描述。电压Vbd是对输入AC电压进行整流的桥接二极管BD 12的输出电压。

功率因数校正电路10还可以包括电阻器R1 22和R2 24，用于检测整流后的输入电压Vbd；以及电阻器R3 26和R4 28，用于检测输出电压Vout。电阻器R1 22和R2 24被串联耦合在桥接二极管BD 12的输出端子和地之间。电阻器R1 22和R2 24对电压Vbd分压，产生一个分压电压Vbd’.分压电压Vbd’被输入到开关控制器100。电阻器R3 26和R4 28被串联耦合在输出电压Vout和地之间，产生检测的输出电压Vsense。所检测的输出电压Vsense被输入到开关控制器100。在本例中，由桥接二极管BD 12整流的输入电压Vbd不被用于产生参考电压，而是使用开关控制器100来产生一个电流基准，以使得输入电流跟随输入电压的变化。

增压电路中的电感器L1 14的一侧与桥接二极管BD 12的输出端子耦合，另一侧与二极管D1 18的阳极耦合。二极管D1 18的阴极与电容器C1 20的端子耦合，电容器C1 20的另一端子接地。开关Qse 16的漏极被耦合到电感器L1 14和二极管D1 18之间的节点上，其源极接地。开关Qsw 16的栅极与开关控制器100的输出端子耦合。在一个实施例中，一个用于检测流经开关Qsw 16的电流的检测电阻器(在图2中未示出)被耦合在开关Qsw 16的源极和地之间，以便把所检测的电流输入到开关控制器100。开关Qsw 16可以是MOSFET(如所示的)，或者是任何其它类型的合适的开关，例如双极性晶体管。

开关控制器100可以包含一个脉冲宽度调制(PWM)电路120、一个乘法器140、一个放大器Amp1 150以及参考电压产生器160。

该参考电压产生器160可以包括一个比较器Amp2 164，后者具有一个反相端子(-)，用于接收所检测的输出电压Vsense，和一个非反相端子(+)，用于接收参考电压Vref1。比较器Amp2 164对这两个电压进行比较。参考电压产生器160还可以包括一个电压产生器162，用于根据比较器Amp2 164的输出来产生一个参考电压Vref2或者Vref3。

更具体地，当所检测的输出电压Vsense大于参考电压Vref1时比较器Amp2 164输出一个低信号，当所检测的输出电压Vsense小于参考电压Vref1时比较器Amp2 164输出一个高信号。当比较器Amp2 164输出高信号时电压产生器162输出参考电压Vref2，当比较器Amp2 164输出低信号时电压产生器162输出参考电压Vref3。对于本领域技术人员来说电压产生器162的实施方式及其操作是公知技术。

图3是一个示例波形图，表示当功率因数校正电路100初始启动时输出电压的波动。在本例中，参考电压Vref2被设定为小于参考电压Vref3。参考电压产生器160响应于从时间T1(AC输入电压被最初施加到功率因数校正电路的时刻)到时间T2(切换开关Qsw 16的时刻)所检测的输出电压Vsense，而输出参考电压Vref2或者Vref3。在时间T2之后，当开关Qsw 16被切换为输出DC电压时参考电压产生器160输出参考电压Vref2或者Vref3。

放大器Amp1 150通过反相端子(-)接收所检测的输出电压Vsense，并且通过非反相端子(+)接收参考电压Vref2或者Vref3，并且比较这两个电压来输出一个对应电压。乘法器140将放大器Amp1150的输出乘以所检测的全波整流电压Vbd(由电阻器R1和R2所检测到的)，并且输出一个输出到PWM电路120。在本例中，乘法器140的输出与全波整流电压具有相同的格式，并且被PWM电路120用作电流基准。PWM电路120比较由乘法器140输出的电流基准和流经开关Qsw 16的电流，并且产生栅极信号来打开/关闭开关Qsw 16。PWM电路120将栅极信号输出到开关Qsw 16的栅极端子。

参考附图2和附图3，现在将描述功率因数校正电路的操作。在附图3中，时间T1表示最初施加功率因数校正电路10的输入AC电压的时刻，时间T2表示当开关Qsw 16开始工作时的时刻。时间T1和T2之间的输出电压Vout具有输入AC电压的峰值电压(

)。也就是说，由于开关Qsw 16从时间T1到T2不工作，因此整流电压Vbd通过电感器L1 14和二极管D1 18对电容器C1 20充电。电容器C1 20被充电至峰值电压(

)。

此外，在开关Qsw 16开始工作之后输出电压Vout达到期望的DC输出电压。因此，从时间T1到时间T2的输出电压Vout是用于确定输入AC电压所属范围的信息。功率因数校正电路10无需附加的外部电路，使用这一信息来确定输入电压的范围。此外，在时间T2之后的预定时刻所测量的电压可以被用作输出电压Vout，以指示关于输入AC电压的信息，因为，在开关Qsw 16开始工作之后输出电压会逐渐改变。

具体而言，根据从T1到T2的输出电压Vout来确定输入AC电压是在从80Vac到150Vac的范围内还是在从150Vac到256Vac的范围内。然后根据所述确定来设定输出电压Vout。在本例中，Vac表示输入AC电压的平方根均值，并且全波整流电压Vbd的峰值电压对应于峰值电压(

)，因为全波整流电压Vbd是通过对输入AC电压进行全波整流而产生的。

从T1到T2的峰值电压(

)被电阻器R3 26和R4 28所检测到，并且所检测的电压Vsense被输入到比较器Amp2 164的反相端子。当输入AC电压在从80Vac到150Vac的范围内时，所检测的电压Vsense具有一个值Vsense1。当输入AC电压在从150Vac到250Vac的范围内时，所检测的电压Vsense具有一个值Vsense2。提供各种方法用于在电压为Vsense1的情况下，以及在电压Vsense为值Vsense2的情况下改变输出电压Vout。以下将分别描述这些方法。

当所检测的电压Vsense是Vsense1时，比较器Amp2 164比较参考电压Vref1和所检测的电压Vsense1，并且输出一个高信号。在本例中，参考电压Vrefl被用作预定的基准，来确定输入AC电压是在从80Vac到150Vac的范围内还是在从150Vac到250Vac的范围内。当比较器Amp2 164输出高信号时，参考电压产生器162产生一个低电压Vref2，并将之输出到放大器Amp1 150。

在本例中，由参考电压产生器162从时间T1到T2产生的参考电压Vref2在时间T2之后不再变化。参考电压Vref2被输入到放大器Amp1 150的非反相端子(+)。放大器Amp1 150比较所检测的电压Vsense1和参考电压Vref2，并且输出对应的值。乘法器140将放大器Amp1150的输出同电压Vbd’相乘，并且为PWM电路120提供电流基准，PWM电路120使用该电流基准来控制是打开还是关闭开关Qsw 16。根据PWM电路120的打开/关闭控制信号来打开或者关闭开关Qsw 16，使得输入电流跟随输入电压，并且输出电压变成与参考电压Vref2相对应的DC电压Vout1。因此，当输入AC电压在从80Vac到150Vac的范围内时输出对应的电压Vout1。

当所检测的电压Vsense是Vsense2时，比较器Amp2 164比较参考电压Vref1和所检测的电压Vsense2，并且输出低信号。在本例中，当从比较器Amp2 162输出低信号时，电压产生器162产生电压Vref3(其大于电压Vref1)并且输出电压Vref3到放大器Amp1 150的非反相端子(+)。在本例中，如附图3所示，从时间T1到T2由参考电压产生器160产生的参考电压Vref3在时间T2之后不再改变，因为在时间T2之后或者在时间T2后的预定时间之后所检测的电压Vsense不再提供关于输入AC电压的范围的信息。

参考电压Vref3被输入到放大器Amp1 150的非反相端子(+)。放大器Amp1 150将所检测的电压Vsense2同参考电压Vref 3进行比较，并且输出对应的值。在本例中，乘法器140将放大器Amp1 150的输出和电压Vbd’相乘，以施加一个电流基准给PWM电路120。PWM电路120使用电流基准来确定是打开还是关闭开关Qsw 16。根据PWM电路120的打开/关闭控制信号来打开或者关闭开关Qsw 16，使得输入电流跟随输入电压，并且输出电压Vout输出与参考电压Vref3相对应的DC电压Vout2，其大于Vout1。因此，当输入AC电压在从150Vac到250Vac的范围内时输出对应的电压Vout2。

当施加外部输入AC电压时，检测输出电压Vsense，直到预定的时间(例如时间T2)。这使得电压产生器162通过使用关于输入AC电压的信息来产生参考电压(Vref2或者Vref3)，从而产生与输入AC电压相对应的输出电压Vout。这不需要任何附加的设备，并且通过产生与输入AC电压相对应的输出电压Vout而降低了功率损耗。

尽管以上已经描述了在检测整流AC电压Vbd的情况下的功率因数校正电路，本发明也可以施加到一个不检测整流Ac电压Vbd的功率因数校正电路中。也就是说，本发明还可以被施加到功率因数校正电路以控制输入电流，从而使之跟随输入电压的幅度。

附图4是根据本发明一个实施例的示例功率因数校正电路110的原理图。换言之，附图4是不检测整流的AC电压的示例功率因数校正电路的原理图。

尽管附图4所示的功率因数校正电路的配置和操作与附图2的相似，但是附图4所示的示例功率因数校正电路110没有检测全波整流AC电压，因此没有乘法器140。也就是说，输入AC电压是在80Vac到150Vac的范围内还是在150Vac到256Vac的范围内是通过在时间T1到T2给出的输出电压Vout来确定的，并且参考电压产生器160根据所确定的输入AC电压来输出参考电压Vref2或者Vref3之一。同样，PWM电路120通过使用放大器Amp1150的输出，无需接收整流AC电压就能控制开关Qsw 16的切换。

如所述的，当施加外部输入AC电压时，通过使用关于输入AC电压的信息，输出电压产生参考电压直到预定的时间，从而产生与输入AC电压相对应的输出电压。这不需要附加设备并且通过产生与输入AC电压相对应的输出电压Vout降低了功率损耗。

尽管已经详细描述了本发明及其优点，但是可以理解能够在不背离附加的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下在其中作出各种变化、替代和改造。也就是说，包含在本申请中的讨论被用作一个基本的描述。应当理解，这些具体的讨论不可能明确地描述所有可能的实施例；其隐含了许多变更方式。不可能充分解释本发明的一般特征，也不可能明确地表示出每个特征和元件是怎样在实际上代表一个更广泛的功能或者是大量变体以及等价元件。同样，他们都隐含地包含在本说明书中。本发明是以面向设备的术语进行描述的，该设备的每个元件都隐含地执行一项功能。这些描述以及术语都不被用来限制权利要求的范围。

Claims (8)

1.一种功率因数校正电路，包括：

增压电路，其具有一个与输入端子耦合的开关，并且根据该开关的操作向输出端子提供输出电压；以及

一个开关控制器，用于根据被提供给增压电路的输出端子的输出电压来产生参考电压A，直到输入AC电压被施加到增压电路的输入端子之后的预定时间，并且根据所产生的参考电压A和施加到增压电路的输入端子的输入AC电压来控制开关，

其中开关控制器包括：

第一比较器，用于在预定时间比较一个与提供给增压电路的输出端子的输出电压相对应的电压和一个预定的参考电压B；

参考电压产生器，用于根据第一比较器的输出而产生所述参考电压A；

第一放大器，用于比较由参考电压产生器产生的参考电压A和与增压电路所提供的输出电压相对应的电压；

乘法器，用于将第一放大器的输出和一个与施加到增压电路的输入端子上的输入AC电压相对应的电压相乘；以及

脉冲宽度调制电路，用于根据乘法器的输出来控制开关。

2.权利要求1所述的功率因数校正电路，其中所述预定时间足以确定：当输入AC电压被施加到增压电路的输入端子上时在增压电路的输出端子上提供的输出电压对应于输入AC电压的预定范围。

3.权利要求1所述的功率因数校正电路，其中当被提供给增压电路的输出端子的输出电压落在第一电压范围内时，开关控制器产生第一参考电压A，并且当被提供给增压电路的输出端子的输出电压落在一个大于第一电压范围的第二电压范围内时，开关控制器产生一个大于第一参考电压A的第二参考电压A。

4.权利要求1所述的功率因数校正电路，还包括：

串联耦合在增压电路的输入端子和地之间的第一电阻器和第二电阻器；以及

串联耦合在增压电路的输出端子和地之间的第三电阻器和第四电阻器，

其中在第一和第二电阻器之间的连接点处的电压被施加给乘法器，并且在第三和第四电阻器之间的连接点处的电压被施加给第一放大器和第一比较器。

5.一种用于在功率因数校正电路中控制输出电压的方法，所述功率因数校正电路包括一个与增压电路的输出端子耦合的开关和一个用于控制所述开关的开关控制器，该功率因数校正电路根据开关控制器的控制将输出电压提供给所述增压电路的输出端子，该方法包括：

检测在增压电路的输出端子处的输出电压直到输入AC电压被最初施加给输入端子之后的预定时间；

根据所检测的输出电压产生参考电压A；以及

根据所产生的参考电压A来控制在输出端子处的输出电压，

其中产生所述参考电压A包括：

在预定时间比较一个与提供给增压电路的输出端子的输出电压相对应的电压和一个预定的参考电压B并输出一第一比较器电压；以及

根据所述第一比较器电压产生所述参考电压A，

其中控制所述输出电压包括：

比较所产生的参考电压A和与增压电路所提供的输出电压相对应的电压并输出一第二比较器电压；

将所述第二比较器电压和一个与施加到增压电路的输入端子上的输入AC电压相对应的电压相乘；以及

根据乘法器的输出来控制开关。

6.权利要求5所述的方法，其中预定时间足以用来确定：当输入AC电压被最初施加给增压电路的输入端子时被提供给增压电路输出端子的输出电压对应于该输入AC电压的一个预定范围。

7.权利要求5所述的方法，其中产生参考电压包括：

当所检测的输出电压落在第一电压范围内时产生第一参考电压A，

以及当所检测的输出电压落在一个比第一电压范围更大的第二电压范围内时产生一个比第一参考电压A更大的第二参考电压A。

8.权利要求7所述的方法，其中当产生第一参考电压A时第一输出电压被提供作为输出电压，并且当产生第二参考电压A时比第一输出电压更大的第二输出电压被提供作为输出电压。

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