专利名称：一种应用于功率因数校正器中的输出过压保护电路的制作方法
一种应用于功率因数校正器中的输出过压保护电路技术领域
本发明属于电子电路技术领域，涉及模拟集成电路，尤其是一种功率因数校正器中的输出过压保护电路，该电路应用于功率因数校正控制器中的输出过压保护。
背景技术：
输入为交流的开关电源是应用范围广、数量多的典型电力电子装置，其内部的输入整流滤波环节，大多是由二极管构成的不可控整流电路和电容滤波型电路组成的。正是由于这一环节，导致开关电源产生谐波污染和功率因数较低的问题。为了提高开关电源效率，减少电网污染，功率因数校正技术日益成为电源设计领域中的研究热点。
开关电源中，任何使输入电网电流为非正弦，或即是使正弦波和正弦输入电压不同相位，或使输入电流具有谐波的电路结构都会降低功率因数PF，从而产生功率损耗。功率因数校正控制器PFC使提高电子产品的功率因数、降低谐波干扰最有效的方法之一。图 1中的虚线表示输入端电网的桥式整流器的输出端电压波形，实线表示输入端电网的桥式整流器的输出端电流波形，如图所示，输入电流波形发生严重畸变，此时功率因数极低；图 2中的波形为使用功率因数校正控制器之后的输入端电压和电流波形，其中虚线表示输入端电网的桥式整流器的输出端电压波形，实线表示输入端电网的桥式整流器的输出端电流波形，此时电流波形严格跟随输入电压波形，功率因数接近于1。
但是目前，功率因数校正控制器中或者没有有效的输出过压保护功能，或者只有单一的静态过压保护功能。对于没有输出过压保护功能的功率因数校正控制器，很可能在输出电压超过额定值时烧毁内部电子元器件；对于只有单一的静态过压保护功能的功率因数校正控制器，在负载发生变化时，输出电压的瞬时升高超过额定值也很可能造成电子元器件的不可逆损坏。因此，在功率因数校正控制器的输出电压超过额定值时(静态或者动态)，保护电路对电子元器件提供有效保护，是目前亟待解决的难题。发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种功率因数校正器中的输出过压保护电路，该电路解决现有功率因数校正器中没有过压保护电路和只有单一静态过压保护电路的问题，提高功率因数校正器对于输出过压的瞬态响应能力。本发明通过在输出发生过压时控制逻辑电路关断功率管，从而对功率因数校正器及其外围电子元器件提供有效保护。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的
该种功率因数校正器中的输出过压保护电路，包括芯片外部补偿网络、芯片外部电阻分压网络、静态过压检测电路、动态过压检测电路和比较电路；所述芯片外部补偿网络接在芯片外部电阻分压网络和动态过压检测电路中间，该芯片外部补偿网络将动态过压信号转换为动态电流信号并输送至动态过压检测电路，所述动态过压检测电路检测该动态电流信号并最终产生动态过压信号DYOVP ；动态过压信号DYOVP输入给所述比较电路，比较电路将该动态过压信号DYOVP转换为电压并与基准电压进行比较，输出过压控制信号0VP，实现对输出的动态过压保护功能。
上述的芯片外部补偿网络由电阻R3、电容Cl和电容C2组成；电容Cl的一端作为芯片外部补偿网络的一端与电容C2的一端连接在一起；电容Cl的另一端与电阻R3连接在一起；电容C2的另一端与电阻R3的另一端连接在一起，作为芯片外部补偿网络的另一端并作为动态过压检测电路的输入端，此端也是误差放大电路的输出端C0MP。
上述的芯片外部电阻分压网络由电阻Rl和电阻R2组成；电阻Rl的一端与功率因数校正控制器的输出电压Vqut连接；电阻Rl的另一端和电阻R2的一端连接在一起并作为芯片外部补偿网络和静态过压检测电路的输入端；R2的另一端连接至地GND。
上述的静态过压检测电路包括差分输入级电路、中间放大电路、低箝位电路；所述差分输入级电路的同相输入端与芯片外部电阻分压网络的输出端相连，反相输入端与基准电压Vrefl相连，输出端连作为中间放大电路的输入端。
上述的中间放大电路由三极管Q4和电容C3组成；所述三极管Q4的基极与电容C3 的一端连接在一起并与差分输入级的输出端相连；三极管Q4的集电极与电容C3的另一端连接在一起并与低箝位开关管Q3的发射极相连作为中间放大电路的输出端；该中间级放大器用于对差分输入级的输出信号进行二次放大。
上述的低箝位电路由三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3和电流偏置Ibias组成；所述三极管Ql发射极和三极管Q2的发射极接至电源VCC ；三极管Ql的基极和集电极连接在一起，该端与三极管Q3的集电极连接在一起；三极管Q2的集电极输出静态过压信号STOVP 至比较电路的输入一端；三极管Q3的基极与基准电压Vref2相连，Vref2即为误差放大器输出COMP的低箝位电压；三极管Q3的发射极与中间级放大电路的输出端相连；电流偏置 Ibias提供电路发生低箝位时需要镜像输出给STOVP的电流。
上述的动态过压检测电路包括:AB类推挽输出级电路和动态电流镜像电路；所述 AB类推挽输出级电路的输入端一端连至中间放大电路的输出端，另一输入端接偏置电路， 偏置电路为该AB类推挽输出级电路提供一恒流偏置；AB类推挽输出级电路的输出端接动态电流镜像电路的输入端，另一输出端为C0MP，此输出端与芯片外部补偿网络的输出端相连，因此COMP端也是动态过压检测电路输入端。
上述的AB类推挽输出级电路由三极管Q11、三极管Q12、三极管Q5、三极管Q7、三极管Q8、三极管Q9、电阻R4、电阻R6和电阻R8组成；所述三极管Qll的基极和集电极连接在一起，并与三极管Q12的基极和电阻R8的一端连接；电阻的另一端与三极管Q12的发射极相连，并且同时连至中间放大电路的输出端相连，三极管Q12的发射极同时与三极管Q8 的基极相连；三极管Qll的发射极和三极管Q12的集电极相连并与偏置电路连在一起，三极管Qll的发射极同时与三极管Q7的基极相连；电阻R4的一端连至电源VCC ；电阻R4的另一端与三极管Q5的发射极连在一起；三极管Q5的基极和集电极连在一起，同时连至三极管Q7的集电极和三极管Q6的基极；三极管Q7的发射极与三极管Q8的发射极连在一起作为AB类推挽输出级电路的输出端VC0MP，该端同时连至芯片外部补偿网络，芯片外部补偿网络会在动态过压发生时提供动态电流Ist至COMP ；三极管Q8的集电极与三极管Q9的基极、发射极连在一起，同时三极管Q9的基极与三极管QlO的基极相连；三极管Q9的发射极与电阻R6的一端连在一起；电阻R6的另一端连至地GND。
上述的动态电流镜像电路由电阻R5、电阻R7、三极管Q6和三极管QlO组成；所述电阻R5的一端连至电源VCC ；电阻R5的另一端与三极管Q6的发射极连在一起；三极管Q6 的基极与三极管Q5的基极相连并作为动态镜像电路的一个输入端；三极管Q6的集电极和三极管QlO的集电极连接在一起，该端为动态过压信号的输出端，也是比较电路的一个输入端；三极管QlO的基极与三极管Q9的基极连在一起；三极管QlO的发射极与电阻R7的一端相连；电阻R7的另一端连至地GND。
本发明与现有技术相比，具有以下优点
1.本发明对于输出电压有静态过压保护和动态过压保护两种过压保护模式，有效解决了现有功率因数校正控制器中没有有效的输出过压保护功能或者只有单一的静态过压保护功能的问题。
2.本发明利用芯片外部补偿网络实现动态过压信号的采样，不增加额外的电子元器件，在提高系统稳定性和可靠性的同时，不会增加任何成本。
3.本发明的提出的两种过压检测电路均集成于误差放大电路之中，该设计简化了电路并大大缩小实际版图面积。本发明在提高系统稳定性和可靠性的同时，能实现更多的成本节约和更小的芯片尺寸。
图1为没有使用功率因数校正器的输入电压和输入电流波形；
图2为使用功率因数校正器的输入电压和输入电流波形；
图3为本发明的电路结构图4为本发明的电路原理图。
具体实施方式
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的描述。
为了方便描述，本发明给出了应用于功率因数校正控制器中的输出过压保护电路的结构框图，如图3所示。本发明的输出电压保护电路包括芯片外部电阻分压网络、芯片外部补偿网络，静态过压检测电路、动态过压检测电路和比较电路，其特征在于芯片外部补偿网络接在芯片外部电阻分压网络和动态过压检测电路中间，该补偿网络将动态过压信号转换为动态电流信号并输送至动态过压检测电路，动态过压检测电路用于检测该动态电流信号并最终产生动态过压信号DYOVP ；动态过压信号DYOVP输入给比较电路，比较电路将该动态过压信号DYOVP转换为电压并与基准电压进行比较，输出过压控制信号0VP，实现对输出的动态过压保护功能。在本实施实例中，过压保护电路根据输出电压过压发生时间的短期行为与长期行为分别对功率因数校正控制器进行动态过压保护和静态过压保护。 参照图3，其具体方式为当功率因数校正控制器输出电压因负载变化等原因突然升高超过额定电压时，由于误差放大电路带宽很窄，其反馈输入端电压Vfb仍然稳定在基准源产生电路提供的基准电压，因此瞬态大电流会通过芯片外部补偿网络流入误差放大电路输出端 COMP,同时COMP端连接动态检测电路输入端，动态过压检测电路检测该瞬态大电流并输出动态过压信号DY0VP，比较电路将该电流信号转换为电压之后与基准电压进行比较输出过压信号0VP;如果功率因数校正控制器输出电压缓慢上升至超过额定电压值或者输出电压因负载变化等原因突然升高超过额定电压值，且上述情况均未在短时间内下降至正常输出电压，误差放大电路输出端发生低箝位，低箝位发生的同时会将基准源产生电路提供的一路基准电流镜像出去作为静态过压检测信号ST0VP，此信号作为比较电路的一个输入端，与比较电路内部的基准电流进行比较输出过压信号0VP。本发明无论对于发生动态过压还是静态过压，均输出过压信号0VP，进入逻辑电路，关断功率管。由于功率因数校正控制器中的误差放大电路带宽很窄，所以对于输出电压的瞬间超过额定电压值很难作出正确反应，本发明的动态过压保护有效解决了这一难题，提高了功率因数校正控制器对于输出过压的瞬态响应；同时如果输出电压一直处于超过额定电压值的稳态，静态过压检测电路可以提供有效输出，经过比较电路和逻辑电路，关断功率管。因此无论动态过压还是静态过压，本发明均可以作出正确反应，有效保护功率因数校正控制器及其外围电子元器件。
参照图3和图4，本发明各单元电路的结构及工作原理如下
芯片外部电阻分压网络连接在功率因数校正器输出端Vot和误差放大器差分输入级的输入端FB之间。当功率因数校正控制器输出电压缓慢上升至超过额定电压值或者输出电压因负载变化等原因突然升高超过额定电压值之后，且Vot上升至超过额定电压值后未下降至正常输出电压时，差分输入级输入端FB的电压Vfb持续为高，由于差分输入级的另一个输入端为由基准源产生电路提供的基准电压Vrefl，因此Vfb与Vrefl的差值信号会被放大，此时差分输入级的输出电压处于高电平。差分输入级的输出端连接到中间放大电路的输入端，即三极管Q4的基极；差分输入级的输出电压高于三极管Q4的阈值电压，同时三极管Q4的集电极被拉制低电平；由于三极管Q3的基极电压为基准源产生电路提供的基准电压Vref 2，当三极管Q4的基极被拉低之后，三极管Q3的基极(B)-发射极(E) (Vbe)电压超过三极管的导通压降，此时三极管Q3被打开；在三极管Q3和三极管Q4被同时打开的情况下，电压VCC至GND之间出现一条VCC-Ql-Q3-Q4-Ibias-GND的电流通路，此时由基准源产生电路提供的基准电流Ibias会流过三极管Q1，而三极管Ql和三极管Q2组成电流镜电路， 因此电流Ibias会被镜像并作为静态过压检测输出信号STOVP ；过压检测输出信号STOVP 进入比较电路，比较电路将该电流于比较电路内部的基准电流进行比较之后产生输出过压信号OVP，OVP信号进入逻辑电路并通过逻辑电路之后关断功率管。
由于功率因数校正控制器中的误差放大电路带宽很窄，当输出电压Vot在瞬间超过额定电压值时，误差放大电路的反馈端电压Vfb仍然等于基准电压Vref 1，因此对于Vqut瞬时超过额定电压值，无法通过静态过压检测电路进行检测，即无法通过静态过压检测电路提供稳定而可靠的输出过压保护。
在稳态情况下，芯片外部电阻分压网络Rl和R2的调节使得功率因数校正控制器的输出电压Vqut为额定电压值。如果忽略纹波成分，通过Rl的电流为IK1，等于通过R2的电流为Ik2，考虑到误差放大电路差分输入级的反相输入端为基准电压Vrefl，因此误差放大电路的反馈端电压Vfb等于基准电压Vrefl，所以Γ r Vrefl T Vom-VreflηΛ
Im=^- = Im=。υτ m(1)
如果由于负载变化使功率因数校正控制器的输出电压有一个很大的变化量Δ VO > 0，反馈端电压Vfb将会通过误差放大器的局部反馈保持在Vrefl。因此，通过R2的电流将继续维持在Vref 1/R2，但是通Rl的电流将会变成
权利要求
1.一种应用于功率因数校正器中的输出过压保护电路，其特征在于包括芯片外部补偿网络、芯片外部电阻分压网络、静态过压检测电路、动态过压检测电路和比较电路；所述芯片外部补偿网络接在芯片外部电阻分压网络和动态过压检测电路中间，该芯片外部补偿网络将动态过压信号转换为动态电流信号并输送至动态过压检测电路，所述动态过压检测电路检测该动态电流信号并最终产生动态过压信号STOVP ；动态过压信号DYOVP输入给所述比较电路，比较电路将该动态过压信号DYOVP转换为电压并与基准电压进行比较，输出过压控制信号0VP，实现对输出的动态过压保护功能。
2.根据权利要求1所述的输出过压保护电路，其特征在于所述的芯片外部补偿网络由电阻R3、电容Cl和电容C2组成；电容Cl的一端作为芯片外部补偿网络的一端与电容C2 的一端连接在一起；电容Cl的另一端与电阻R3连接在一起；电容C2的另一端与电阻R3的另一端连接在一起，作为芯片外部补偿网络的另一端并作为动态过压检测电路的输入端， 此端也是误差放大电路的输出端C0MP。
3.根据权利要求1所述的输出过压保护电路，其特征在于所述的芯片外部电阻分压网络由电阻Rl和电阻R2组成；电阻Rl的一端与功率因数校正控制器的输出电压Vqut连接； 电阻Rl的另一端和电阻R2的一端连接在一起并作为芯片外部补偿网络和静态过压检测电路的输入端；R2的另一端连接至地GND。
4.根据权利要求1所述的输出过压保护电路，其特征在于所述的静态过压检测电路包括差分输入级电路、中间放大电路、低箝位电路；所述差分输入级电路的同相输入端与芯片外部电阻分压网络的输出端相连，反相输入端与基准电压Vrefl相连，输出端连作为中间放大电路的输入端。
5.根据权利要求4所述的输出过压保护电路，其特征在于所述的中间放大电路由三极管Q4和电容C3组成；所述三极管Q4的基极与电容C3的一端连接在一起并与差分输入级的输出端相连；三极管Q4的集电极与电容C3的另一端连接在一起并与低箝位开关管Q3 的发射极相连作为中间放大电路的输出端；该中间级放大器用于对差分输入级的输出信号进行二次放大。
6.根据权利要求4所述的输出过压保护电路，其特征在于所述的低箝位电路由三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3和电流偏置Ibias组成；所述三极管Ql发射极和三极管Q2的发射极接至电源VCC ；三极管Ql的基极和集电极连接在一起，该端与三极管Q3的集电极连接在一起；三极管Q2的集电极输出静态过压信号STOVP至比较电路的输入一端；三极管Q3 的基极与基准电压Vref2相连，Vref2即为误差放大器输出COMP的低箝位电压；三极管Q3 的发射极与中间级放大电路的输出端相连；电流偏置Ibias提供电路发生低箝位时需要镜像输出给STOVP的电流。
7.根据权利要求1所述的输出过压保护电路，其特征在于所述的动态过压检测电路包括AB类推挽输出级电路和动态电流镜像电路；所述AB类推挽输出级电路的输入端一端连至中间放大电路的输出端，另一输入端接偏置电路，偏置电路为该AB类推挽输出级电路提供一恒流偏置；AB类推挽输出级电路的输出端接动态电流镜像电路的输入端，另一输出端为C0MP，此输出端与芯片外部补偿网络的输出端相连，因此COMP端也是动态过压检测电路输入端。
8.根据权利要求7所述的输出过压保护电路，其特征在于所述的AB类推挽输出级电路由三极管Q11、三极管Q12、三极管Q5、三极管Q7、三极管Q8、三极管Q9、电阻R4、电阻R6和电阻R8组成；所述三极管Qll的基极和集电极连接在一起，并与三极管Q12的基极和电阻 R8的一端连接；电阻的另一端与三极管Q12的发射极相连，并且同时连至中间放大电路的输出端相连，三极管Q12的发射极同时与三极管Q8的基极相连；三极管Qll的发射极和三极管Q12的集电极相连并与偏置电路连在一起，三极管Qll的发射极同时与三极管Q7的基极相连；电阻R4的一端连至电源VCC ；电阻R4的另一端与三极管Q5的发射极连在一起；三极管Q5的基极和集电极连在一起，同时连至三极管Q7的集电极和三极管Q6的基极；三极管Q7的发射极与三极管Q8的发射极连在一起作为AB类推挽输出级电路的输出端VC0MP， 该端同时连至芯片外部补偿网络，芯片外部补偿网络会在动态过压发生时提供动态电流Ist 至COMP ；三极管Q8的集电极与三极管Q9的基极、发射极连在一起，同时三极管Q9的基极与三极管QlO的基极相连；三极管Q9的发射极与电阻R6的一端连在一起；电阻R6的另一端连至地GND。
9.根据权利要求7所述的输出过压保护电路，其特征在于所述的动态电流镜像电路由电阻R5、电阻R7、三极管Q6和三极管QlO组成；所述电阻R5的一端连至电源VCC ；电阻 R5的另一端与三极管Q6的发射极连在一起；三极管Q6的基极与三极管Q5的基极相连并作为动态镜像电路的一个输入端；三极管Q6的集电极和三极管QlO的集电极连接在一起， 该端为动态过压信号的输出端，也是比较电路的一个输入端；三极管QlO的基极与三极管 Q9的基极连在一起；三极管QlO的发射极与电阻R7的一端相连；电阻R7的另一端连至地 GND。
全文摘要
本发明公开了一种应用于功率因数校正器中的输出过压保护电路，包括芯片外部补偿网络、芯片外部电阻分压网络、静态过压检测电路、动态过压检测电路和比较电路；芯片外部补偿网络接在芯片外部电阻分压网络和动态过压检测电路中间，芯片外部补偿网络将动态过压信号转换为动态电流信号并输送至动态过压检测电路，动态过压检测电路检测该动态电流信号并最终产生动态过压信号DYOVP；动态过压信号DYOVP输入给所述比较电路，比较电路将动态过压信号DYOVP转换为电压并与基准电压进行比较，输出过压控制信号OVP，实现动态过压保护功能。其解决现有功率因数校正器中没有过压保护电路和只有单一静态过压保护电路的问题，提高功率因数校正器对于输出过压的瞬态响应能力。
文档编号H02M1/42GK102497093SQ201110358789
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月11日 优先权日2011年11月11日
发明者代国定, 卢晶, 欧健, 薛超耀, 马晓辉 申请人:无锡华润上华科技有限公司