CN203387399U - 一种低待机功耗的有源功率因数校正模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低待机功耗的有源功率因数校正模块，其采用低功耗启动技术、全周期辅助供电技术、较小尺寸模块化封装设计及有源功率因数校正（APFC）技术。模块具有功率因数高、待机功耗小等特点，可以直接应用于传统开关电源中，解决了传统电源功率因数低及待机损耗大等问题。将整个控制电路封装在一个较小模块中，使其具有软启动、欠压保护、输入输出开环保护、过压保护、过流保护及过功率保护等功能。该模块只有两个输入和两个输出引脚，应用十分方便。

Description

一种低待机功耗的有源功率因数校正模块

技术领域

本实用新型涉及功率因数校正电路领域，具体为一种低待机功耗的有源功率因数校正模块。

背景技术

随着电力电子技术的发展，各种整流器和带有整流器的电力电子装置在各行各业中大量应用。这种采用桥式整流和大电容滤波的电路系统，输入电网电流是上升和下降很陡的窄脉冲，电流波形发生严重畸变，电流谐波含量较高，功率因数较低，只能达到0.5～0.7。

为提高供电线路功率因数，减少用电设备对电网的谐波污染，在用电设备中加入功率因数校正装置是必要的，虽然增加了一定的成本，但提高了电网电能的利用率，而且降低供电线路的建设成本。

待机时的能量消耗现象广泛存在于电器产品中，其总量更是不容忽视。根据研究显示，因电器待机而消耗的能量约占家庭用电量的1.5%，我国的待机功耗更是高于这个水平。

现有设备电源普遍存在待机功耗大，一般都在2～10瓦，有的电源产品使用节能芯片控制可以减少待机功耗，但增加电源设计复杂性，也增加了电源成本。目前，有很多公司生产专用的功率因数校正（PFC）芯片可以使用，但集成辅助供电且启动损耗小的有源功率因数校正模块比较少。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种低待机功耗的有源功率因数校正模块，该模块可以应用于大多数电子设备的供电电源中。

本实用新型所采用的技术方案为：

一种低待机功耗的有源功率因数校正模块，其特征在于：包括有有源功率因数校正电路、低功耗启动电路、全周期辅助供电电路；

所述有源功率因数校正电路包括整流桥、Boost变换器、型号为UCC28019A的PFC芯片；所述整流桥输入端引入交流，整流桥输出分为两路，每路均有分别一一接入整流桥输出端的两个输出线，两路整流桥输出分别接入Boost变换器和PFC芯片；所述Boost变换器包括升压电感L、二极管D、电阻和开关管Q，升压电感L一端接入整流桥第一路输出一个输出线上，升压电感L另一端接入二极管D阳极，电阻一端接入整流桥第一路输出另一个输出线上，电阻另一端、二极管D阴极作为Boost变换器输出，且Boost变换器输出之间接入有负载及并联在负载上的电容C，开关管Q漏极接入升压电感L与二极管D之间，开关管Q源极接入电阻作为Boost变换器输出的一端，开关管Q栅极接入PFC芯片；所述PFC芯片由乘法器、电流误差放大器CA、电压误差放大器VA、比较放大器U1构成，电压放大器VA一个输入端接入负载与电容C之间，电压放大器VA另一个输入端接入基准电压Vref，电压放大器VA输出端接入乘法器一个输入端，整流桥第二路输出的一个输出线接入乘法器另一个输入端，乘法器的输出端接入电流误差放大器CA的一个输入端，电流误差放大器CA的另一个输入端接入整流桥第二路输出的另一个输出线，电流误差放大器CA的输出端接入比较放大器U1一个输入端，比较放大器U1另一个输入端接入锯齿波信号，比较放大器U1的输出端接入Boost变换器中开关管Q的栅极；

所述低功耗启动电路包括开关管Q1、三极管Q2，开关管Q1的栅极通过电阻R2接入有源功率因数校正电路中整流桥的输出，开关管Q1的漏极通过启动电阻R1接入整流桥输出与电阻R2之间，开关管Q1的源极接入电压VCC，开关管Q1的源极还通过电容C2接地，三极管Q2的基极通过电阻R4接入全周期辅助供电电路，三极管Q2的基极还通过电阻R4接入一个二极管D1的阳极，二极管D1的阴极接入电压VCC，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的发射极与基极之间接有电阻R5，三极管Q2的集电极通过电阻R3接入开关管Q1栅极与电阻R2之间，三极管Q2的发射极与三极管Q2集电极上电阻R3之间还接入相互并联的电容C1、稳压二极管D2；

所述全周期辅助供电电路包括二极管D3、二极管D4、稳压二极管D5、电感L2、电容C3、电容C4、电容C5，Boost变换器中升压电感L的辅助绕组分别抽出作为输出，辅助绕组一端输出分别接入二极管D3阳极、二极管D4阴极，二极管D3阴极接入电感L2一端，二极管D3阴极还通过串联的电容C3、电容C4接地，二极管D4阳极接地，辅助绕组另一端输出接入电容C3、电容C4之间，电感L2另一端作为全周期辅助供电电路输出接入低功耗启动电路中三极管Q2基极上的电阻R4，电感L2另一端还通过相互并联的稳压二极管D5、电容C5接地。

所述的一种低待机功耗的有源功率因数校正模块，其特征在于：有源功率因数校正电路中，整流桥的输入端接入有差模滤波器和共模滤波器，交流通过差模滤波器、共模滤波器送入整流桥。

本实用新型采用了低功耗启动技术、全周期辅助供电技术、有源功率因数校正（APFC）技术，并可采用较小尺寸模块化封装设计。

本实用新型具有以下优点：

1、启动电路简单可靠，电路损耗小。

2、辅助供电电路设计简单，直接从升压电感取电，辅助供电稳定。

3、模块封装尺寸小，其具有软启动、欠压保护、输入输出开环保护、过压保护、过流保护及过功率保护等功能。可以直接应用电源设备中，后级拓扑电路可以选择正激、反激及半桥等形式。

4、工作电压范围宽，输出电压恒定，功率因数高（大于0.99），谐波失真度小（小于10%），可以应用于400瓦以下电器电源设计。

附图说明

图1是传统启动电路图。

图2是本实用新型低功耗启动电路图。

图3是本实用新型全周期辅助供电电路图。

图4是本实用新型有源功率因数校正电路原理框图。

图5是本实用新型应用电路原理图。

具体实施方式

如图2-图5所示。一种低待机功耗的有源功率因数校正模块，包括有有源功率因数校正电路、低功耗启动电路、全周期辅助供电电路；

有源功率因数校正电路包括整流桥201、Boost变换器202、型号为UCC28019A的PFC芯片203；整流桥201输入端引入交流，整流桥201输出分为两路，每路均有分别一一接入整流桥201输出端的两个输出线，两路整流桥201输出分别接入Boost变换器202和PFC芯片203；Boost变换器202包括升压电感L、二极管D、电阻和开关管Q，升压电感L一端接入整流桥201第一路输出一个输出线上，升压电感L另一端接入二极管D阳极，电阻一端接入整流桥201第一路输出另一个输出线上，电阻另一端、二极管D阴极作为Boost变换器202输出，且Boost变换器202输出之间接入有负载及并联在负载上的电容C，开关管Q漏极接入升压电感L与二极管D之间，开关管Q源极接入电阻作为Boost变换器输出的一端，开关管Q栅极接入PFC芯片203；PFC芯片203由乘法器、电流误差放大器CA、电压误差放大器VA、比较放大器U1构成，电压放大器VA一个输入端接入负载与电容C之间，电压放大器VA另一个输入端接入基准电压Vref，电压放大器VA输出端接入乘法器一个输入端，整流桥201第二路输出的一个输出线接入乘法器另一个输入端，乘法器的输出端接入电流误差放大器CA的一个输入端，电流误差放大器CA的另一个输入端接入整流桥201第二路输出的另一个输出线，电流误差放大器CA的输出端接入比较放大器U1一个输入端，比较放大器U1另一个输入端接入锯齿波信号，比较放大器U1的输出端接入Boost变换器202中开关管Q的栅极；

低功耗启动电路包括开关管Q1、三极管Q2，开关管Q1的栅极通过电阻R2接入有源功率因数校正电路中整流桥的输出，开关管Q1的漏极通过启动电阻R1接入整流桥输出与电阻R2之间，开关管Q1的源极接入电压VCC，开关管Q1的源极还通过电容C2接地，三极管Q2的基极通过电阻R4接入全周期辅助供电电路，三极管Q2的基极还通过电阻R4接入一个二极管D1的阳极，二极管D1的阴极接入电压VCC，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的发射极与基极之间接有电阻R5，三极管Q2的集电极通过电阻R3接入开关管Q1栅极与电阻R2之间，三极管Q2的发射极与三极管Q2集电极上电阻R3之间还接入相互并联的电容C1、稳压二极管D2；

全周期辅助供电电路包括二极管D3、二极管D4、稳压二极管D5、电感L2、电容C3、电容C4、电容C5，Boost变换器中升压电感L的辅助绕组分别抽出作为输出，辅助绕组一端输出分别接入二极管D3阳极、二极管D4阴极，二极管D3阴极接入电感L2一端，二极管D3阴极还通过串联的电容C3、电容C4接地，二极管D4阳极接地，辅助绕组另一端输出接入电容C3、电容C4之间，电感L2另一端作为全周期辅助供电电路输出接入低功耗启动电路中三极管Q2基极上的电阻R4，电感L2另一端还通过相互并联的稳压二极管D5、电容C5接地。

有源功率因数校正电路中，整流桥的输入端接入有差模滤波器和共模滤波器，交流通过差模滤波器、共模滤波器送入整流桥。

传统的启动电路如图1所示。为了保证芯片正常启动，电阻R选择要适中（需考虑功耗问题）。当芯片启动后，输出电压上升到设定电压（一般大于380V），芯片供电由辅助绕组供电，电阻R上消耗较大的功率，这是待机最主要的功耗。

如图2所示。上电启动时，图4中整流桥201输出电压通过电阻R2对电容C1充电，直至电容两端电压高于开关管的门槛电压（Vgs），开关管Q1导通。稳压管D2保护Vgs不大于15V，整流桥输出电压通过电阻R1快速对电容C2充电，直至图4中芯片203正常工作（芯片供电电压为VCC）。模块直流输出电压迅速升高到390V，辅助绕组开始对芯片供电。三极管Q2导通，使得Vgs低于门槛电压，开关管Q1断开。这时控制电路由辅助绕组供电，由大电阻R2来承担高压，由于电阻R2取10MΩ，这样启动电阻损耗很小。

在待机情况下，由于环路电流几乎为零，开关损耗和电感线圈及磁芯损耗可以忽略不计，只有电阻R2消耗功率，其两端最大电压为（375V-VCC），电阻上消耗的功率约为14毫瓦。而传统启动电路，在最大输入电压情况下，在启动电阻R1上消耗的功率为1.3瓦，在待机情况下，忽略开关管及线路损耗，其待机功耗明显大于本设计功耗。

如图3所示。辅助供电绕组由升压电感抽出，设整流桥输出电压为U_IN、升压电感两端电压为U_L、直流输出电压为U_O，设升压电感初级和次级匝比为n、辅助绕组两端电压为U_F。

如图4所示，当开关管Q导通时，升压电感L左端为正，辅助绕组上端为正。这时，辅助绕组通过D3给C3充电，升压电感L两端电压为：

$U_L=U_{\mathrm{IN}}$

辅助绕组两端电压为：

$U_F=\frac{U_L}{n}=\frac{U_{\mathrm{IN}}}{n}$

当开关管Q关断时，升压电感L右端为正，辅助绕组下端为正。这时，辅助绕组通过D4给C4充电。电感L两端电压为：

$U_L=U_O-U_{\mathrm{IN}}$

辅助绕组两端电压为：

$U_F=\frac{U_L}{n}=\frac{U_O-U_{\mathrm{IN}}}{n}$

在一个开关周期内，电容C3和C4两端电压叠加的电压为U_A，其值为：

$U_A=(\frac{U_{\mathrm{IN}}}{n}-U_{D3})+(\frac{U_O-U_{\mathrm{IN}}}{n}-U_{D4})=\frac{U_O}{n}-U_{D3}-U_{D4}=\frac{U_O}{n}-2U_{D3}$

式中：U_D3、U_D3为二极管D3和D4的管压降，两个二极管相同，U_D3=U_D4。

C5两端电压近视为U_A，由此可见，只要确定输出电压和匝比即可得到辅助绕组电压，不需要额外的稳压管对该辅助电压进行稳压，从而减少电源损耗，稳压管D5防止电压过充。

如图4所示。该电路主要包括整流桥201、Boost变换器202和PFC芯片203（本实用新型选用TI公司UCC28019A芯片）。工作原理：单相交流电经过整流桥后得到100Hz/120Hz的单相双半波正弦电压信号，然后对全波直流电压进行Boost变换。整流桥输出电压的检测信号和电压误差放大器输出信号的乘积产生基准电流信号，此基准电流信号与电感电流采样信号经电流误差放大器比较放大后输出，然后与锯齿波比较后，输出PWM信号驱动开关管Q。当开关管Q导通，二极管D反向截止，输入电压通过整流桥后加在输入电感L上，电感电流上升，上升速度与输入电压成正比；当开关管Q截止，D导通，电感L通过二极管给电容C充电。

电路采用双闭环控制方式，电流环作为内环，将输入电压波形采样作为输入到电流的波形给定，以乘法器的输出作为参考，直接控制升压电感的平均电流，迫使电感电流跟踪电流给定，使输入电流正弦化，减小输入电流谐波，并跟随输入电压相位。电压环作为外环，可实现输出电压的稳定。通过芯片203及外围元器件构成APFC控制电路，驱动开关管Q的导通和关断，使输入电流平均值自动跟踪全波直流电压、电网输入端的电流波形逼近正弦波，且保持输出电压稳定，从而实现恒压输出和提高功率因数的目的。

如图5所示。模块外形尺寸为60*60*30（mm）。1和2脚为交流输入端（可以工作在85～265VAC），为了电源有更好的电磁兼容性，在交流输入端需加入必要的差模滤波和共模滤波器件，3和4脚为模块输出端（输出电压为390V，3脚为正，4脚为负），在输出端应接有大的储能电容。

Claims (2)

1.一种低待机功耗的有源功率因数校正模块，其特征在于：包括有有源功率因数校正电路、低功耗启动电路、全周期辅助供电电路；

所述有源功率因数校正电路包括整流桥、Boost变换器、型号为UCC28019A的PFC芯片；所述整流桥输入端引入交流，整流桥输出分为两路，每路均有分别一一接入整流桥输出端的两个输出线，两路整流桥输出分别接入Boost变换器和PFC芯片；所述Boost变换器包括升压电感L、二极管D、电阻和开关管Q，升压电感L一端接入整流桥第一路输出一个输出线上，升压电感L另一端接入二极管D阳极，电阻一端接入整流桥第一路输出另一个输出线上，电阻另一端、二极管D阴极作为Boost变换器输出，且Boost变换器输出之间接入有负载及并联在负载上的电容C，开关管Q漏极接入升压电感L与二极管D之间，开关管Q源极接入电阻作为Boost变换器输出的一端，开关管Q栅极接入PFC芯片；所述PFC芯片由乘法器、电流误差放大器CA、电压误差放大器VA、比较放大器U1构成，电压放大器VA一个输入端接入负载与电容C之间，电压放大器VA另一个输入端接入基准电压Vref，电压放大器VA输出端接入乘法器一个输入端，整流桥第二路输出的一个输出线接入乘法器另一个输入端，乘法器的输出端接入电流误差放大器CA的一个输入端，电流误差放大器CA的另一个输入端接入整流桥第二路输出的另一个输出线，电流误差放大器CA的输出端接入比较放大器U1一个输入端，比较放大器U1另一个输入端接入锯齿波信号，比较放大器U1的输出端接入Boost变换器中开关管Q的栅极；

所述低功耗启动电路包括开关管Q1、三极管Q2，开关管Q1的栅极通过电阻R2接入有源功率因数校正电路中整流桥的输出，开关管Q1的漏极通过启动电阻R1接入整流桥输出与电阻R2之间，开关管Q1的源极接入电压VCC，开关管Q1的源极还通过电容C2接地，三极管Q2的基极通过电阻R4接入全周期辅助供电电路，三极管Q2的基极还通过电阻R4接入一个二极管D1的阳极，二极管D1的阴极接入电压VCC，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的发射极与基极之间接有电阻R5，三极管Q2的集电极通过电阻R3接入开关管Q1栅极与电阻R2之间，三极管Q2的发射极与三极管Q2集电极上电阻R3之间还接入相互并联的电容C1、稳压二极管D2；

所述全周期辅助供电电路包括二极管D3、二极管D4、稳压二极管D5、电感L2、电容C3、电容C4、电容C5，Boost变换器中升压电感L的辅助绕组两端分别抽出作为输出，辅助绕组一端输出分别接入二极管D3阳极、二极管D4阴极，二极管D3阴极接入电感L2一端，二极管D3阴极还通过串联的电容C3、电容C4接地，二极管D4阳极接地，辅助绕组另一端输出接入电容C3、电容C4之间，电感L2另一端作为全周期辅助供电电路输出接入低功耗启动电路中三极管Q2基极上的电阻R4，电感L2另一端还通过相互并联的稳压二极管D5、电容C5接地。

2.根据权利要求1所述的一种低待机功耗的有源功率因数校正模块，其特征在于：有源功率因数校正电路中，整流桥的输入端接入有差模滤波器和共模滤波器，交流通过差模滤波器、共模滤波器送入整流桥。

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