专利名称：应用于功率因子校正器的频率控制系统及方法
技术领域：
本发明属于集成电路技术领域，涉及一种频率控制系统，尤其涉及一种应用于功率因子校正器的频率控制系统；同时，本发明还涉及一种应用于功率因子校正器的频率控制方法。
背景技术：
以开关电源为代表的各种电力电子设备给我们的工业生产和社会生活带来了极大的促进和进步，然而电源整机的谐波干扰和对电网的污染问题，很早就提出来了。但以前的电源数量少，它们的谐波干扰也较小，因而没有引起普遍的注意。近三十年以来，随着现代经济和技术的大发展，越来越多的电气设备加入电网，产生出大量的谐波分量又经过电 网串入其它电气设备，对计算机等重要电子设备的稳定工作造成了严重的电磁干扰。传统的AC/DC电能转换器和开关电源，在输入电路普遍采用了全桥二极管不控整流方式。虽然不控整流器电路简单可靠，但它们会从电网中吸取高峰值电流，使得输入端电流和交流电压均发生畸变。也就是说，大量的电气设备自身的稳压电源，其输入前置级电路实际上是一个峰值检波器，在高压电容滤波器上的充电电压，使得整流器的导通角大大缩小，电流脉冲变成了非正弦波的窄脉冲，因而在电网输入接口端产生失真很大的谐波尖峰干扰。如图I所示为一个典型的AC/DC电源转换器的输入电压和电流波形；其中，上方线条表示电压波形，下方线条表示电流波形。由于传统的稳压电源数量大增，其输入级不控整流器和高压大滤波电容产生的严重谐波电流干扰，已成为强噪声发射源，危害了电网的正常工作，使得220V交流电网输送线路上损耗剧增，浪费了大量的电能。开关电源的输入级峰值电流很高，使得网侧的功率因子下降到O. 5^0. 65，即视在功率远大于有用功率，电网质量严重受损。所以发达国家率先采用了多种功率因子校正(PFC, Power Factor Correction)方法,来实现“绿色能源”革命，并强制推行了国际标准ICE555-2、EN60555-2等，限制电子生产厂家入网电气设备的电流谐波值。当前最新的“能源之星”规范对所有外部用电设备的要求是75W以上强制使用PFC0照明领域的最新规范是15W以上强制使用PFC。所谓功率因子PF，指的是用有效功率除以视在功率的比值，功率因子值愈大，其电力利用率愈高。功率因子校正器的运作原理，是控制调整交流电电流输入的时间与波型，使其与直流电电压波型尽可能一致，让功率因子趋近于I.功率因子越低，代表电力效能越低，即越多电力会无形地消失、耗损掉。一般电子设备没有功率因子校正时，其功率因子只有约O. 5;而有PFC功能的电子设备，可以增加电力系统容量、稳定电流，减少电力浪费。图3中显示了一个外部用电设备前端采用了 PFC的输入电压和电流波形，从中可以看出，在交流电网端看来，PFC相当于将负载转换成纯阻抗形式，从而实现交流电流与电压完全同步，且都呈现正弦波，从而实现接近于I的功率因子。经过PFC处理后的用电设备在电网端输入电流的谐波分量大大减小，从而减小了对电网的污染，如图3所示。PFC功率因子校正线路可分为主动式(Active)、被动式(Passive)2种。被动式PFC由电感、电容等组合电路来降低谐波电流，输入电流为低频的50Hz到60Hz，需要大量的电感与电容，其功率因子校正仅达75°/Γ80%。主动式PFC使用控制线路及功率型开关组件，通过调整输入电流波型使其与输出电压波形尽可能相似，功率因子校正值近乎100%。整体来说，采用主动式PFC的电源的重量，比用笨重组件的被动式PFC产品轻巧许多，符合消费性电子产品轻薄设计趋势；且主动式PFC提高功率因子值可达95%以上，被动式PFC约只能改善至75%。采用主动式PFC比被动式PFC能节约更多的能源。目前主动式PFC的主流架构是采用升压结构，从交流线输入端先进行全桥整流，然后就是PFC升压级,之后就是后级电源,如图5所示。从图5中可以看出，PFC级包括一个升压电感、一个整流二极管、一个功率开关，和一个PFC控制器。其中最核心的是PFC控制器。目前实现主动式PFC的主要方法有平均电流控制法(Continuous Conduction Mode PFC, CCM PFC)、峰值电流控制法、临界导通模式控制法(Transition Mode PFC, TM PFC)、非线性负载控制法等。其中以CCM PFC和TM PFC应
用最为广泛，其中CCM PFC通常应用在300W以上的系统中，而TM PFC广泛地应用在500W以下的系统中。由于本发明涉及临界导通模式即TM PFC，下面简单介绍一下TM PFC0 TM PFC的体系架构如图6所示。TM PFC的控制系统相对来说比较简单。主要包括一个零电流检测器(Z⑶，zerocurrent detector),一个模拟乘法器,一个误差放大器EA(Error amplifier),等等,如图6所示。其实现功率因子校正的原理很简单，通过将EA反馈环路带宽设计在10-20HZ，导致工作时EA输出基本为恒定电平。系统通过将整流正弦波信息引入芯片，以控制升压电感电流的包络，从而实现功率因子校正功能。系统每次触发新的开关周期是由ZCD完成，ZCD侦测升压电感电流的信息，一旦降到零，即开启新的开关周期，如图7所示。临界导通模式TM PFC的系统频率会随着输入电压、负载大小、升压电感，以及交流整流正弦波相角变化而变化。可以证明，TM PFC的频率的理论表达式为
权利要求
1.一种应用于功率因子校正器的频率控制系统，其特征在于，所述系统包括 零电流检测器Z⑶、模拟乘法器、误差放大器、电流检测比较器、频率校正器； 所述误差放大器的输出端连接模拟乘法器的一个输入端，模拟乘法器的输出端连接电流检测比较器的一个输入端，电流检测比较器的输出端连接频率校正器的一个输入端，零电流检测器ZCD的输出端连接频率校正器的一个输入端； 所述零电流检测器ZCD用以检测功率因子校正器PFC的升压电感的电流，当升压电感电流降到零时，触发新的开关周期； 所述模拟乘法器的接收信号包括来自整流桥后的交流整流电压，以及来自所述误差放大器的输出信号； 所述模拟乘法器输出的电压控制电流检测比较器，从而控制开关周期的关断； 所述频率校正器接收零电流监测器ZCD的输出、电流检测比较器输出和模拟乘法器的输入电压MULT电压，频率校正器输出PFC功率管控制信号，补偿或者校正PFC电源系统的开关频率。
2.根据权利要求I所述的应用于功率因子校正器的频率控制系统，其特征在于 所述频率校正器包括RS触发器、可调计时器、逻辑或门； 所述可调计时器接收MULT电压和清零信号，清零信号来自于输出PFC功率管控制信号的逻辑取反信号； 所述可调计时器的输出信号接入逻辑或门的一个输入端，电流检测比较器的输出信号接入逻辑或门的另一个输入端； 所述逻辑或门的输出信号接入RS触发器的一个输入端，所述零电流检测器ZCD的输出信号接入RS触发器的一个输入端。
3.根据权利要求I所述的应用于功率因子校正器的频率控制系统，其特征在于 所述频率校正器包括RS触发器、可调计时器、逻辑或门； 所述可调计时器接收MULT电压和清零信号，清零信号来自于输出PFC功率管控制信号; 所述可调计时器的输出信号接入逻辑或门的一个输入端，所述零电流检测器ZCD的输出信号接入逻辑或门的另一个输入端； 所述逻辑或门的输出信号接入RS触发器的一个输入端，电流检测比较器的输出信号接入RS触发器的一个输入端。
4.根据权利要求2或3所述的应用于功率因子校正器的频率控制系统，其特征在于 所述可调计时器包括恒定电流源(11)，第一电容(Cl)，清零开关(SI)及其控制输入信号，一个带迟滞的比较器或者施密特触发器，参考电压(Vth)，可调电流源(12); 所述第一电容(Cl)、清零开关(SI)并联，恒定电流源(Il)的一端连接带迟滞的比较器或者施密特触发器的正极、第一电容(Cl)的第一端、可调电流源(12)的第一端；可调电流源(12)的第二端连接第一电容(Cl)的第二端；参考电压(Vth)接入带迟滞的比较器或者施密特触发器的负极； 所述模拟乘法器接收的交流整流电压为“馒头波”电压，所述可调电流源(12)受“馒头波”电压的调制； 在“馒头波”电压位于谷底时，可调电流源(12)最小，第一电容(Cl)的净充电电流最大，从而充电时间最快，相当于增加了 PFC电源系统最低钳位频率； 在“馒头波”位于谷顶时，可调电流源(12)最大，第一电容(Cl)的净充电电流最小，从而充电时间最慢，相当于降低了 PFC电源系统最低钳位频率。
5.一种应用于功率因子校正器的频率控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤 通过一零电流检测器ZCD检测功率因子校正器PFC的升压电感的电流，当升压电感电流降到零时，触发新的开关周期； 通过一模拟乘法器接收来自整流桥后的整流电压以及来自所述误差放大器的输出信号，其输出的电压信号接入至一电流检测比较器； 电流检测比较器根据模拟乘法器输出的电压信号控制开关周期的关断； 频率校正器接收零电流监测器ZCD的输出、电流检测比较器输出和模拟乘法器的输入电压MULT电压，输出PFC功率管控制信号，补偿或者校正PFC电源系统的开关频率。
6.根据权利要求5所述的应用于功率因子校正器的频率控制方法，其特征在于 所述频率校正器包括RS触发器、可调计时器、逻辑或门； 所述可调计时器接收MULT电压和清零信号，清零信号来自于输出PFC功率管控制信号的逻辑取反信号； 所述可调计时器的输出信号接入逻辑或门的一个输入端，电流检测比较器的输出信号接入逻辑或门的另一个输入端； 所述逻辑或门的输出信号接入RS触发器的一个输入端，所述零电流检测器ZCD的输出信号接入RS触发器的一个输入端。
7.根据权利要求5所述的应用于功率因子校正器的频率控制方法，其特征在于 所述频率校正器包括RS触发器、可调计时器、逻辑或门； 所述可调计时器接收MULT电压和清零信号，清零信号来自于输出PFC功率管控制信号; 所述可调计时器的输出信号接入逻辑或门的一个输入端，所述零电流检测器ZCD的输出信号接入逻辑或门的另一个输入端； 所述逻辑或门的输出信号接入RS触发器的一个输入端，电流检测比较器的输出信号接入RS触发器的一个输入端。
8.根据权利要求6或7所述的应用于功率因子校正器的频率控制方法，其特征在于 所述可调计时器包括恒定电流源(11 )，第一电容(Cl )，清零开关(SI)及其控制输入信号，一个带迟滞的比较器或者施密特触发器，参考电压(Vth)，可调电流源(12); 所述第一电容(Cl)、清零开关(SI)并联，恒定电流源(Il)的一端连接带迟滞的比较器或者施密特触发器的正极、第一电容(Cl)的第一端、可调电流源(12)的第一端；可调电流源(12)的第二端连接第一电容(Cl)的第二端；参考电压(Vth)接入带迟滞的比较器或者施密特触发器的负极； 所述模拟乘法器接收的交流整流电压为“馒头波”电压，所述可调电流源(12)受“馒头波”电压的调制； 在“馒头波”电压位于谷底时，可调电流源(12)最小，第一电容(Cl)的净充电电流最大，从而充电时间最快，相当于增加了 PFC电源系统最低钳位频率；在“馒头波”位于谷顶时，可调电流源(12)最大，第一电容(Cl)的净充电电流最小，从而充电时间最慢，相当于降低了 PFC电源系统最低钳位频率。
全文摘要
本发明揭示了一种应用于功率因子校正器的频率控制系统及方法，所述系统包括零电流检测器、模拟乘法器、误差放大器、电流检测比较器、频率校正器；所述误差放大器的输出端连接模拟乘法器的一个输入端，模拟乘法器的输出端连接电流检测比较器的一个输入端，电流检测比较器的输出端连接频率校正器的一个输入端，零电流检测器的输出端连接频率校正器的一个输入端。本发明提出的应用于功率因子校正器的频率控制系统及方法，通过实时监测AC输入电压，来补偿或者校正系统的开关频率，从而达到降低系统总谐波失真THD，同时提高功率因数PF值的目的。
文档编号H02M1/42GK102801301SQ20121031679
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者叶俊, 林官秋, 李茂 , 职春星 申请人:佛山市南海赛威科技技术有限公司