开关式功率转换器及对其输入电流进行整形的电路的制作方法

本实用新型总体上涉及与功率转换器一起使用的电流抑制电路。

背景技术：

电子设备(诸如手机、平板电脑、笔记本电脑等)使用电力来运行。由于开关模式功率转换器效率高、尺寸小以及重量轻，所以开关模式功率转换器通常被用于为许多当今的电子产品供电。传统的壁式插座提供高压交流。在开关式功率转换器中，高压交流(ac)输入被转换以通过能量传递元件向负载提供良好调节的直流(dc)输出。在运行中，将开关导通和关断以通过改变占空比(通常为开关的导通时间与总切换周期的比率)、改变切换频率，和/或改变开关模式功率转换器中的开关的每单位时间导通/关断脉冲的数量来提供所需的输出。

技术实现要素：

一种用于对开关式功率转换器的输入电流进行整形的电路，功率因数电路，包括：

输入端，所述输入端用于被耦接以接收经整流的线路信号；

输出端；

电阻，所述电阻被耦接以抵抗从所述输入端至所述输出端的电流流动，其中，所述电阻具有第一值；以及

开关，所述开关与所述电阻并联耦接，并被耦接以响应于通过所述输入端的所述电流流动而从不太导通的状态切换为较导通的状态，其中，所述较导通的状态是充分导通的，以将所述电流流动的一部分从所述电阻转移。

进一步地，所述开关被耦接以响应于所述电阻上的电压由于所述电流流动而上升到阈值以上，从所述不太导通的状态切换为所述较导通的状态。

进一步地，所述开关包括齐纳二极管，所述齐纳二极管与所述电阻并联耦接以箝制所述电阻上的电压。

进一步地，所述开关还包括与所述齐纳二极管串联耦接的第二齐纳二极管。

进一步地，所述第一齐纳二极管的正极耦接至所述第二齐纳二极管的正极。

进一步地，所述第一齐纳二极管的负极耦接至所述第二齐纳二极管的负极。

一种具有功率因数校正的开关式功率转换器，包括任一以上所述的电路。

进一步地，所述开关式功率转换器是反激式功率转换器(flyback power converter，回扫功率转换器)。

进一步地，所述电路的输入端耦接至所述开关式功率转换器的回流轨 (return rail)。

一种开关式功率转换器，包括：

整流器，所述整流器被耦接以接收输入线路信号并对所述输入线路信号进行整流；

能量传递元件，所述能量传递元件耦接在所述整流器与所述开关式功率转换器的输出端之间；

功率开关，所述功率开关耦接在所述整流器与所述能量传递元件之间；

电容，所述电容被耦接为由经整流的输入信号充电；以及

电路系统，所述电路系统被耦接以防止所述经整流的输入信号的一部分对所述电容充电，其中，当被耦接至所述开关式功率转换器的所述输出端的负载的功率需求较低时，被防止对所述电容充电的所述经整流的输入信号的所述部分较大，并且当被耦接至所述开关式功率转换器的所述输出端的负载的功率需求较高时，被防止对所述电容充电的所述经整流的输入信号的所述部分较小。

进一步地，所述电路系统包括任一以上所述的电路。

一种具有功率因数校正的反激式开关式功率转换器，所述功率转换器包括：

整流器，所述整流器被耦接以接收输入线路信号并对所述输入线路信号进行整流；

能量传递元件，所述能量传递元件耦接在所述整流器与所述开关式功率转换器的输出端之间；

功率开关，所述功率开关沿所述功率转换器的前向轨(forward rail)或回流轨之一耦接在所述整流器与所述能量传递元件之间；

电容，所述电容被耦接为由经整流的输入信号充电；以及

电阻和齐纳二极管，所述电阻和所述齐纳二极管沿所述功率转换器的所述前向轨或所述回流轨并联耦接。

一种具有功率因数校正的反激式开关式功率转换器，所述功率转换器包括：

整流器，所述整流器被耦接以接收输入线路信号并对所述输入线路信号进行整流；

能量传递元件，所述能量传递元件耦接在所述整流器与所述开关式功率转换器的输出端之间；

功率开关，所述功率开关沿所述功率转换器的前向轨或回流轨之一耦接在所述整流器与所述能量传递元件之间；

电容，所述电容被耦接为由经整流的输入信号充电；以及

电阻，所述电阻与一对齐纳二极管并联地耦接至所述整流器的输入端。

附图说明

参考下面的附图描述本实用新型的非限制性且非穷尽性的实施方案，其中，除非另有说明，贯穿各个视图中的相似的附图标记指代相似的部件。

图1例示出了根据本实用新型教导的与功率转换器一起使用的功率因数电路的一个实施例。

图2A例示出了根据本实用新型教导的经整流的电压、输入电容器电压和输入电流的时序图的一个实施例。

图2B例示出了根据本实用新型教导的使用图1的功率因数电路的经整流的电压、输入电容器电压和输入电流的时序图的一个实施例。

图3例示出了根据本实用新型教导的与功率转换器一起使用的功率因数电路的另一实施例。

图4A例示出了根据本实用新型教导的功率因数电路的一个实施例。

图4B例示出了根据本实用新型教导的功率因数电路的另一实施例。

贯穿附图中的多个视图，对应的参考字符指示对应的部件。技术人员将认识到，附图中的元件是为了简单和清楚而被示出的，并且附图中的元件不一定按比例绘制。例如，附图中的一些元件的尺寸相对于其他元件可以被放大，以帮助增进对本实用新型的各个实施方案的理解。而且，通常不描述在商业上可行的实施方案中有用或必需的普通但是公知的元件，以便较少地妨碍对本发明的这些不同实施方案的察看。

具体实施方式

在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本实用新型的透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员明了的是，不必需采用这些具体的细节来实践本实用新型。在其他情况下，为了避免使本实用新型模糊，未详细描述公知的材料或方法。

贯穿本说明书提到的“一个实施方案”、“实施方案”、“一个实施例”或“实施例”意味着结合该实施方案或实施例描述的特定的特征、结构或特性包括在本实用新型的至少一个实施方案中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实施方案中”、“在实施方案中”、“一个实施例”或““实施例”不一定全部都指代相同的实施方案或实施例。此外，特定的特征、结构或特性可以在一个或多个实施方案或实施例中以任何合适的组合和/或子组合进行组合。特定的特征、结构或特性可以包括在提供所描述的功能的集成电路、电子电路、组合逻辑电路或其他合适的部件中。另外，认识到，本文提供的附图是为了向本领域普通技术人员解释的目的，并且附图不一定按比例绘制。

本文描述了与开关式功率转换器一起使用以抑制输入电流的功率因数电路的实施例。具体而言，在许多情况下，开关式功率转换器的输入电流不过于迅速地而是保持相对低速地变化将会是有利的。例如，在可以在待机模式下的大部分时间运行的开关式功率转换器中，低的待机电流可以有益于增加功率因数。为了增加功率因数，可以使用磁性部件来降低均方根 (RMS)输入电流，但功率转换器的成本可能会显著地增加。

如本文所述的，功率因数电路可以被配置成在轻负载或无负载状况下降低浪涌输入电流，而不会在负载所需要的功率增加时阻碍输入电流。

为了说明，图1示出了示例性功率转换器100的功能框图。如所例示的，功率转换器100包括整流器103、输入电容器CF 108、箝位电路110、能量传递元件T1 151、能量传递元件T1 115的初级绕组112、能量传递元件T1 151的次级绕组114、输入回线(return，回路线)117、整流器D1 116、输入回线117、输出电容器CO 118、感测电路124、功率开关126、控制器 130、以及功率因数电路135。

图1还例示出了交流输入电压VAC 102、经整流的电压VRECT 107、输入电容器电压VDC108、输出电压119、输出电流IO 121、输出量UO 122、反馈信号UFB 125、电流感测信号127、漏电流ID 131、和负载120。

图1中所例示出的示例性开关模式功率转换器100以反激式配置耦接。反激式拓扑仅仅是可以受益于本实用新型教导的开关模式功率转换器的一个示例性拓扑。认识到，开关模式功率转换器的其他拓扑和配置也可以受益于本实用新型的教导。在一个实施例中，降压转换器拓扑、降压-升压拓扑和正激式转换器拓扑也可以起作用。另外，图1中所示的示例性功率转换器是隔离式功率转换器。应当认识到，非隔离式功率转换器也可受益于本实用新型的教导。

功率转换器100从未经调节的输入电压向负载120提供输出功率。在一个实施方案中，输入电压是交流输入电压VAC 102。在另一实施方案中，输入电压是经整流的交流输入电压，诸如经整流的电压VRECT 107。整流器 103输出经整流的电压VRECT 107。在一个实施方案中，整流器103可以是桥式整流器。整流器103还耦接至能量传递元件T1 151。在本实用新型的一些实施方案中，能量传递元件T1 115可以是耦合电感器。在其他实施方案中，能量传递元件T1 115可以是变压器。在其他实施方案(包括非隔离式功率转换器)中，能量传递元件可以是电感器。在图1的实施例中，能量传递元件T1 115包括两个绕组，即初级绕组112和次级绕组114。然而，应当认识到，其他能量传递元件可以具有多于两个的绕组。在图1的实施例中，初级绕组112可以被视为输入绕组，并且次级绕组114可以被视为输出绕组。初级绕组112还耦接至功率开关126，该功率开关然后还耦接至输入回线117。

另外，箝位电路110在图1的实施例中被例示为耦接在能量传递元件T1 115的初级绕组112上。如所示的，输入电容器CF 108也可以耦接在初级绕组112上。

能量传递元件T1 151的次级绕组114耦接至整流器D1 116。在图1 的实施例中，整流器D1 116是二极管。输出电容器CO 118和负载120二者在图1中均被示为耦接至整流器D1 116。

功率转换器100还包括用于调节输出的电路系统。在图1中，输出被表示为输出量UO 122。通常，输出量UO 122可以是输出电压VO 119、输出电流IO 121、或两者的组合。感测电路124被耦接以感测输出量UO 122 并且提供表示输出量UO 122的反馈信号UFB 131。反馈信号UFB 125可以是电压信号或电流信号。在一些实施例中，感测电路124可以从包括在能量传递元件T1 115中的附加绕组感测输出量UO 122。

在一些实施例中，控制器130可以与感测电路124电流隔离。例如，可以使用设备诸如光耦合器、电容器或磁耦合在以不同地为参考的控制器 130和感测电路124之间传送信号。在一些情况下，感测电路124可以利用分压器来从功率转换器100的输出感测输出量U0122。

功率因数电路135包括电流整形电阻器R2 134和第一齐纳二极管 VR1 136。在一个实施例中，功率因数电路135沿功率转换器的回流轨耦接至整流器电路103的负端子105。在其他实施例中，功率因数电路135 可以沿功率转换器的前向轨耦接至正端子104(参见例如图3)。

在运行中，图1的开关式功率转换器100从未经调节的输入诸如交流输入电压VAC102向负载120提供输出功率。整流器电路104被耦接以输出经整流的电压VRECT 107。输入电容器CF 108过滤来自功率开关S1 126 的高频电流。对于具有功率因数校正(PFC)的功率转换器，输入电容器 CF 108具有相对小的电容，使得施加到能量传递元件T1 115的电压基本上遵循经整流的电压VRECT 107。在这些情况下，输入电容器CF 108的值允许输入电容器CF108上的电压在输入线路电压的每个半线路循环期间基本上达到零。换句话说，输入电容器CF 108上的电压基本上遵循交流输入电压VAC 102的大小(magnitude，幅度)。

在开关式功率转换器100中，能量传递元件T1 115在初级绕组112 和次级绕组114之间传递能量。箝位电路110耦接在初级绕组112上以限制功率开关S1 126上的最大电压。功率开关S1 126响应于驱动信号129 而断开或闭合。要理解，闭合的开关传导电流并被认为是“导通的”，而通过断开的开关的电流传导被限制并且该开关被认为是“关断的”。在运行中，功率开关S1 126的切换在整流器D1 116处产生脉动电流。整流器 D1 116中的电流由输出电容器CO 118过滤，以在负载120处产生经调节的输出电压VO 119、经调节的输出电流IO 121，或经调节的两者的组合。

感测电路124感测功率转换器100的输出量UO 123以向控制器130 提供反馈信号UFB 125。反馈信号UFB 125可以为电压信号或电流信号。反馈信号UFB 125向控制器130提供关于输出量UO 123的信息。另外，控制器130接收表示功率开关S1 126中的开关电流ID 131的电流感测输入信号127。开关电流ID 131可以以各种方式被感测。例如，开关电流ID 131可以被感测为分立电阻器上的电压，或者被感测为当晶体管导通时晶体管上下降的电压。响应于各种系统输入，控制器130输出驱动信号129 来操作开关S1 126，以将输出量UO 123基本上调节至所需的值。在一个实施方案中，驱动信号129可以是具有可变的持续时间的高的区段和低的区段的矩形脉冲波形。通常，高的区段将驱动开关S1 126进入闭合的、较导通的“导通”状态，并且低的区段将驱动开关S1 126进入断开的、不太导通的“关断”状态。在另一实施方案中，驱动信号129可以包括具有基本上固定的持续时间的高(或导通)脉冲，并且可以通过每单位时间的导通脉冲数量的变化被调节。

在轻负载或无负载状况下，峰值输入电流或均方根(rms)输入电流 IIN 106不应超过例如由监管标准或具体应用设计要求限定的峰值输入电流。功率因数电路135抑制输入电流IIN 106的浪涌，以满足这种监管标准或设计要求。

具体而言，如前所述，整流器103可以被实施为桥式整流器。桥式整流器包括在不同时刻正向偏置的二极管。即，桥式整流器中的不同二极管在其相应正极上的电压比电容器电压VDC 111大(二极管压降)时将正向偏置。这允许输入电流IIN 106流过二极管并对输入电容器CF 108充电。当相应正极上的电压比电容器电压VDC 111小(二极管压降以上)时，二极管反向偏置，并且输入电流IIN 106不流过该二极管。

功率因数电路135在轻负载或无负载状况下通过抵抗输入电流IIN 106 的一部分的流动以及通过降低输入电容器CF 108被充电至的电压来抑制输入电流IIN 106的浪涌。具体而言，电流整形电阻器134和输入电容器 CF 108二者均耦接至输入回线117。每当输入电流IIN 106流动时，电流整形电阻器134抵抗输入电流IIN 106的一部分，并且经整流的电压VRECT 107 的一部分降在电流整形电阻器134上。作为该电流下降的结果，输入电容器CF 108被充电至的电压降低，并且桥式整流器中的二极管的正极上的电压在线路循环内更快地上升到比输入电容器CF 108高(二极管压降)。此外，电流整形电阻器134抵抗由该较低电压驱动的输入电流IIN 106的一部分的流动。因此，输入电流IIN 106的初始大小减小，并且线路循环的其中输入电流IIN 106流动的部分增加。

虽然电流整形电阻器134可以有利地在轻负载或无负载状况下抑制输入电流IIN106的浪涌，但是不期望电流整形电阻器134在高负载状况下抵抗电流流动。具体而言，电流整形电阻器134所消耗的功率与输入电流IIN 106的通过电流整形电阻器134的部分的平方成比例。当负载状况改变使得要求功率转换器100递送增加的功率量时，输入电流IIN 106的增加可能被电流整形电阻器134阻碍。

然而，功率因数电路135包括解决该问题的齐纳二极管136。具体而言，齐纳二极管136与电流整形电阻器R2 136并联设置，并且在达到击穿时，齐纳二极管用作允许电流绕开电流整形电阻器R2 136的开关。齐纳二极管136的击穿电压箝制电流整流电阻器R2 134上的电压，并且对电流整形电阻器134的功率消耗设置上限。结果，减小了电流整形电阻器 R2 134在轻负载或无负载状况之外对输入电流IIN 106的影响。

图2A例示出了没有功率因数电路135的功率转换器的经整流的电压、输入电容器的电压和输入电流的波形。经整流的电压VAC 207通常是正整流的正弦波形。经整流的电压包括一系列由相邻过零点划分的半线路循环TAC/2 240和由两个连续的半线路循环形成的全线路循环TAC 241。

最初，在每个半线路循环期间，输入电流IIN 206在桥式整流器中的二极管的正极上的电压上升到比电容器电压VDC 211高(二极管压降)之前具有相对小的值(为了说明的目的，被示出为零)。一旦在时刻t1发生以上情况，输入电流IIN 206快速地上升以对输入电容器充电一充电时间 TCH1 245。在没有功率因数电路135的情况下，电流整形电阻器R2 136不抵抗该电流流动。在时刻t2，桥式整流器中的二极管的正极上的电压下降到比电容器电压VDC 211低(二极管压降以上)，且输入电容器停止充电。输入电流IIN 206返回至相对低的值(为了说明的目的，再次被示出为零)。

取决于电路的细节，输入电流IIN 206的峰值可以上升到峰值电流阈值IPK以上，如图2A中示意性表示的。峰值电流阈值IPK可以例如通过监管标准或具体应用设计要求来确定。

图2B例示出了包括功率因数电路的功率转换器诸如图1中的功率转换器100的经整流的电压、输入电容器的电压和输入电流的波形。例如，在一种情况下，功率转换器100可以包括电阻为20千欧姆的电流整形电阻器R2 134。

再次，经整流的电压VAC 207通常是正整流的正弦波形，其包括一系列由相邻过零点划分的半线路循环TAC/2 240和由两个连续的半线路循环形成的全线路循环TAC 241。

最初，在每个半线路循环期间，桥式整流器中的二极管的正极上的电压比电容器电压VDC 211低(二极管压降以上)，并且输入电流IIN 206基本为零。在时刻t1，桥式整流器中的二极管中的一个的正极上的电压上升到比电容器电压VDC 211高(二极管压降)，输入电流IIN 206流动，并且输入电容器开始充电。由于输入电容器CF108被充电至的电压降低，所以在每个半线路循环中，输入电流IIN 206更早地开始流动。

在电流整形电阻器R2 134抵抗上述流动的情况下，输入电流IIN 206 的大小减小。输入电流IIN 206继续对输入电容器充电一充电时间TCH2 246。由于输入电容器CF 108被充电至的电压相对较低，输入电流IIN 206 在每个半线路循环中继续流动到更晚，并且充电时间TCH2 246具有比图 2A中的为TCH1 245的充电时间更长的持续时间。在时刻t2，电容器电压 VDC 211停止充电，因为桥中的二极管中的一个的正极上的电压下降到比电容器电压VDC211低(二极管压降以上)，并且输入电流IIN 206返回至相对低的值(为了说明的目的，再次被示出为零)。

因此，峰值输入电流可以保持低于峰值电流阈值。图3例示出了具有功率因数电路335的示例性功率转换器300的功能框图。功率因数电路 335是与图1中描述的电路类似的电路。然而，在图3中，功率因数电路 335沿功率转换器300的前向轨耦接至整流器103的正端子104。

图4A例示出了功率转换器的替代功率因数电路。具体而言，功率因数电路435提供与上述功率因数电路135、335相同的功能。

功率因数电路435包括电阻器R2 434、第一齐纳二极管VR1 436、和第二齐纳二极管VR2 437。第一齐纳二极管VR1 436的负极被耦接至第二齐纳二极管VR2 437的负极。电流整流电阻器R2 434被耦接至第一齐纳二极管VR1 436的正极和第二齐纳二极管VR2 437的正极。相对于功率因数电路135、335，附加的齐纳二极管对于交流电压的正摆幅(swing) 和负摆幅二者提供相同的功能。

图4B例示出了用于功率转换器的功率因数电路445的替代布置。

所例示的本实用新型的实施例的以上描述，包括摘要中所描述的内容，不旨在是穷尽性的或限于所公开的确切形式。虽然出于说明的目的在本文中描述了本实用新型的具体实施方案和实施例，但是在不脱离本实用新型的较广泛的精神和范围的情况下，可以进行各种等同的修改。实际上，认识到，具体的示例性的电压、电流、频率、功率范围值、时间等都是为了解释的目的而提供的，并且根据本实用新型的教导也可以在其他实施方案和实施例中采用其他值。

得益于以上详细描述，可以对本实用新型的实施例进行这些修改。所附权利要求中使用的术语不应被解释为将本实用新型限制于说明书和权利要求书中所公开的具体实施方案。相反地，范围将完全由所附权利要求确定，所附权利要求应根据既定的权利要求解释原则进行解释。