专利名称：具有改善的功率因数和减少的能量存储的升压转换器的前馈系统和方法
具有改善的功率因数和减少的能量存储的升压转换器的前馈系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求2011年12月9日提交的美国临时申请S/N 61/569，013的权益，该申请的全部内容出于所有意图和目的通过引用结合于此。
参考以下描述以及附图将能更好地理解本发明的益处、特征以及优点，在附图中:图1是包括根据一个实施例实现的前端升压转换器的功率转换系统的简化方框图；图2是根据图1的升压转换器的一个实施例实现的升压转换器的简化示意方框图；图3是示出图2的升压转换器的操作的时序图；图4是根据本发明另一实施例实现的使用电流感测电路取代电流传感器的升压转换器的简化示意方框图；图5是根据本发明另一实施例实现的其中调节斜坡控制信号的斜率的升压转换器的简化示意方框图；图6-9示出使用具有根据本文描述的任何一种配置实现的升压转换器的图1的转换器的各种电子设备；以及图10是包括以与图8所示相同的方式配置的图1的转换器的电子设备的方框图，该转换器用于向一个或多个LED提供电流。详细说明参考以下描述以及附图将能更好地理解本发明的益处、特征以及优点。给出以下描述以使本领域普通技术人员能在特定应用及其需求的背景下实施和利用所提供的本发明。然而，优选实施例的多种修改对本领域普通技术人员将会很明显，而且可将本文所限定的一般原理应用于其它实施例。因此，本发明不旨在受限于本文中示出和描述的特定实施例，而应被给予与本文中公开的原理和新颖特征一致的最广范围。通过不连续电流模式(DCM)升压转换器获得高功率因数的传统技术要么对高电压下的输出进行调节，要么增加了控制复杂性。将输出电压调节至高于峰值AC输入电压(大约)两倍实现高功率因数和低输入电流失真，这是以高的组件负荷为代价的。若干传统方法使用前馈技术来改变线路周期上的开关器件的导通时间，以改善较低输出电压下的功率因数。然而，多数(即使不是全部)传统方法在控制器中使用精确的乘、除和/或求平方根功能。将这种复杂性加至控制器减少了工作在DCM中的PFC升压的最初吸引力。使升压输出电容器最小化是理想的。减少电容可降低成本、减小尺寸并增加转换器的工作寿命(允许用寿命更长的陶瓷电介质来取代电解电容器)。然而，减少升压输出电容使输出电压波纹增大。这是因为被编程以提供高功率因数的升压转换器将随AC输入变化的能量传递至输出电容器。高波纹电压能使输入电流失真并使功率因数劣化。需要提供一种简单的功率因数控制技术，这种技术不需要精确的乘、除或求平方根功能并以最小输出电容工作在中等输出电压电平下。这里披露了对于升压开关转换器的一种简单控制系统和方法，所述升压开关转换器获得高功率因数和低谐波失真并具有最小能量存储电容。该方法将升压电流信号注入控制器以改变开关器件在AC输入线路周期上的导通时间。图1是包括根据一个实施例实现的前端升压转换器107的功率转换系统100的简化方框图。交流电(AC)源101将输入AC电压VG提供给电压转换器103，该电压转换器103将经稳压的输出电压VO提供给负载105。转换器103包括升压转换器107，该升压转换器107接收VG并将输出直流(DC)电压VB提供给第二级转换器109。本公开主要涉及升压转换器107的实现。第二级转换器109将VB转换成较低的电压、经稳压的输出电压VO以向负载105提供功率。图2是可用作图1的升压转换器107的根据本发明的一个实施例实现的升压转换器200的简化示意方框图。AC源101将AC电压的正极信号和负极信号提供给全波桥式整流器BR的相应输入端子，该全波桥式整流器BR具有耦合至公共节点(COM)的负输出端子以及耦合至节点202的正输出端子，节点202提供经整流的电压VR。要注意COM代表具有合适的正、负或接地电压电平的公共或基准节点。也应注意，COM以简化形式图示出并也可代表给定实现的多个基准节点，所述给定实现例如为多个接地电平，比如信号接地、功率接地、机壳接地等。节点202稱合至电感器L的一端，电感器L的另一端稱合至节点204,节点204进一步耦合至二极管D的阳极以及金属氧化物半导体、场效应管(MOSFET) Q的漏极。要理解，可使用任何其它合适的受控开关器件来实现Q。二极管D的阴极耦合至输出节点206，输出节点206形成电压VB。输出节点206进一步耦合至第二级转换器109的输入，耦合至输出电容器CO的一端，并通过具有增益K的增益装置212耦合至组合器或求和装置203的负输入端子。当需要直接感测输出电压VB时，可省去增益装置212。增益K是依赖于具体实现的任意值，并可具有小于I的值以减小所感测电压的电压值。在一个实施例中，增益装置K可以是简单的分压器，例如包括串联耦合在节点206和COM之间的一对电阻器，所述分压器具有耦合至求和装置203的负输入端子的中间节点。电容器CO的另一端耦合至C0M，并且求和装置203具有接收基准电压VERF的正输入端子。VREF代表VB的目标电压电平，其中求和装置203工作以从VREF中减去VO以形成误差电压VERR。求和装置203的输出将VERR提供给积分装置205的输入。积分装置205具有将经积分的误差电压VCMPl (或补偿电压)提供给另一组合器或求和装置207的正输入的输出，组合器或求和装置207在其负输入接收电压VIL并在其输出将经调节的补偿电压VCMP2提供给比较器209的非反相⑴输入。由斜坡发生器214产生的斜坡电压RAMP被提供给比较器209的反相㈠输入，比较器209的输出耦合至驱动器211的输入。驱动器211的输出耦合至MOSFET 211的栅极。输入电流IG流过电压源101和桥式整流器BR，相应的电流IL流过电感器L并且输出电流IB通过二极管D流至输出节点206。电流感测器201感测电流IL并基于IL形成电压VIL。求和装置207从VCMPl减去VIL以形成VCMP2。要注意，电流IL是IG的经整流版本。
求和装置207、斜坡发生器214和比较器209总地构成升压转换器200的脉冲控制器216，用于形成被提供给驱动器211以控制Q的切换的脉冲控制信号。脉冲控制器216如本文所述地基于补偿电压VCMPl和VIL形成脉冲信号。在本文描述的每种配置中，电感器L、开关Q、二极管D和电容器CO总地构成升压转换器的升压级。桥式整流器BR和电感器L、开关Q和二极管D是在外部提供的，并且剩下的组件可设置在控制器集成电路(IC)或芯片上。在升压转换器操作中，比较器209基于VCMP2和RAMP的电压电平的比较控制Q的切换。在一个实施例中，RAMP具有合适的频率水平，该频率水平在每个切换周期期间以适当的速率向上斜变并随后复位至低。当RAMP在每个切换周期开始时复位至低时，其落在VCMP2之下，这使Q导通，由此使IL增加。当RAMP到达或甚至超出VCMP2时，比较器209使Q截止并使流过电感器L的电流IL流过二极管D以产生输出升压电流IB。工作在不连续电流模式(DCM)下的升压转换器对于在低功率场合下提供高输入功率因数是有吸引力的。DCM —般意味着流过电感器L的电流在工作频率的每个周期内变为零。DCM升压转换器的主要吸引力是控制的简单性。以恒定导通时间调制开关器件Q使峰值电感器电流跟随经整流的AC线路电压。然而，如果输出电压过低，则线路电流可能变得失真。DCM升压转换器的低劣功率因数的原因可追溯到电感器续电流。在切换间隔上取平均的输入电流IG是在Q的导通时间期间的平均电感器电流I 和平均电感器续电流IB之和，或IG=IW+IB。导通时间电流遵循下面的方程(I):
权利要求
1.一种升压转换器的控制器，其中所述升压转换器包括电感器、功率开关、二极管和输出电容器，所述电感器、功率开关、二极管和输出电容器耦合在一起以将经整流的AC输入电压转换成输出DC电压，所述控制器包括: 第一节点，所述第一节点用于接收指示所述输出DC电压的输出感测信号； 第二节点，所述第二节点用于接收指示流过所述电感器的电流的升压电流感测信号；第一组合器，所述第一组合器基于所述输出感测信号和基准信号之间的差来提供误差信号; 积分 器，所述积分器对所述误差信号积分并提供作为其指示的补偿信号；以及脉冲控制器，所述脉冲控制器提供脉冲控制信号来控制所述功率开关以在不连续导通模式下运作所述升压转换器，其中所述脉冲控制器基于所述补偿信号与斜坡信号的比较形成所述脉冲控制信号，并进一步基于所述升压电流感测信号在经整流的AC输入电压的周期上调节所述脉冲控制信号。
2.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述脉冲控制器包括: 第二组合器，所述第二组合器基于所述补偿信号和所述升压电流感测信号之间的差来提供经调节的补偿信号； 斜坡发生器，所述斜坡发生器产生所述斜坡信号；以及 比较器，所述比较器将所述斜坡信号与所述经调节的补偿信号作比较并提供作为其指示的所述脉冲控制信号。
3.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，还包括电流传感器，所述电流传感器用于感测所述电感器电流并提供作为其指示的所述升压电流感测信号。
4.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，还包括: 感测放大器，所述感测放大器包括接收第一感测信号的输入，所述第一感测信号指示经整流的AC输入电压，并包括提供作为其指示的第二感测信号的输出；以及 采样器，所述采样器基于所述脉冲控制信号对所述第二感测信号进行采样并提供作为其指示的所述升压电流感测信号，其中所述采样器在所述升压转换器的续流间隔内进行采样并以经采样值的平均值提供所述升压电流感测信号。
5.如权利要求4所述的控制器，其特征在于，还包括: 采样开关，所述采样开关设置在所述第一组合器和所述积分器之间并受脉冲信号控制；以及 采样装置，所述采样装置对于AC输入电压的每次过零在所述脉冲信号上提供一脉冲。
6.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述脉冲控制器包括: 斜坡发生器，所述斜坡发生器产生所述斜坡信号并包括斜率调节输入，所述斜率调节输入接收所述升压电流感测信号以调节所述斜坡信号的斜率；以及 比较器，所述比较器将所述斜坡信号与所述补偿信号作比较并提供作为其指示的所述脉冲控制信号。
7.—种电子设备,包括: 整流器，所述整流器对输入AC电压整流以提供经整流的电压； 升压级，所述升压级作用以将所述经整流的电压转换成输出DC电压；以及 控制器，所述控制器包括:第一输入，所述第一输入接收作为所述输出DC电压的指示的输出感测信号； 第二输入，所述第二输入用于接收指示流过所述升压级的电流的升压电流感测信号；第一组合器，所述第一组合器基于所述输出感测信号和基准信号之间的差来提供误差信号; 积分器，所述积分器对所述误差信号积分并提供作为其指示的补偿信号；以及脉冲控制器，所述脉冲控制器提供脉冲控制信号来控制所述功率开关以在不连续导通模式下运作所述升压级，其中所述脉冲控制器基于所述补偿信号与斜坡信号的比较形成所述脉冲控制信号，并进一步基于所述升压电流感测信号在所述输入AC电压的周期上调节所述脉冲控制信号。
8.如权利要求7所述的电子设备，其特征在于，所述升压级包括: 电感器，所述电感器包括接收所述经整流电压的第一端并包括第二端； 功率开关，所述功率开关包括耦合在所述电感器的所述第二端与公共节点之间的电流端子，并包括基于所述脉冲控制信号接收一控制信号的控制端子； 二极管，其阳极耦合至所述电感器的所述第二端，而其阴极耦合至形成所述输出DC电压的输出节点；以及 耦合在所述输出节点和所述公共节点之间的电容器。
9.如权利要求7所述的电子设备，其特征在于，还包括: 第二级转换器，所述第二级转换器将所述输出DC电压转换至经稳压的DC电压；以及 DC负载，所述DC负载接收所述经稳压的DC电压。
10.如权利要求 9所述的电子设备，其特征在于，所述DC负载包括至少一个发光二极管。
11.如权利要求9所述的电子设备，其特征在于，还包括线路调光器，所述线路调光器将所述输入AC电压转换成被提供给所述整流器的经AC导电角调制的电压。
12.如权利要求7所述的电子设备，其特征在于，所述脉冲控制器包括: 第二组合器，所述第二组合器基于所述补偿信号和所述升压电流感测信号之间的差来提供经调节的补偿信号； 斜坡发生器，所述斜坡发生器产生所述斜坡信号；以及 比较器，所述比较器将所述斜坡信号与所述经调节的补偿信号作比较并提供作为其指示的所述脉冲控制信号。
13.如权利要求7所述的电子设备，其特征在于，还包括: 感测电阻器，所述感测电阻器耦合至所述整流器，所述感测电阻器提供一感测电压；感测放大器，所述感测放大器包括接收所述感测电压的输入并包括提供作为其指示的经放大的感测电压的输出；以及 采样器，所述采样器基于所述脉冲控制信号对所述放大的感测电压进行采样并提供作为其指示的所述升压电流感测信号，其中所述采样器在所述升压级的续流间隔期间进行采样并在所述升压级的功率间隔期间保持一平均采样值。
14.如权利要求13所述的电子设备，其特征在于，还包括: 采样装置，所述采样装置对于所述输入AC电压的每次过零在脉冲信号上提供一脉冲；以及采样开关，所述采样开关设置在所述第一组合器和所述积分器之间并受所述脉冲信号控制。
15.如权利要求7所述的电子设备，其特征在于，所述脉冲控制器包括: 斜坡发生器，所述斜坡发生器产生所述斜坡信号并包括斜率调节输入，所述斜率调节输入接收所述升压电流感测信号以调节所述斜坡信号的斜率；以及 比较器，所述比较器将所述斜坡信号与所述补偿信号作比较并提供作为其指示的所述脉冲控制信号。
16.一种控制将经整流的AC输入电压转换至输出DC电压的升压转换器的方法，所述方法包括: 基于所述输出DC电压相对于电压基准电平之间的差提供误差信号； 对所述误差信号进行积分，并提供作为其指示的补偿信号； 产生斜坡控制信号； 基于所述斜坡控制信号与所述补偿信号的比较提供脉冲控制信号，从而使所述升压转换器工作在不连续的导通模式下；以及 基于升压电流感测信号在经整流的AC输入电压的周期上调节所述脉冲控制信号，所述升压电流感测信号指示流过所述升压转换器的输出电感器的电流。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述调节脉冲控制信号包括从所述补偿信号减去所述升压电流感测信号并提供经调节的补偿信号，所述经调节的补偿信号与所述斜坡信号作比较。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述调节所述脉冲控制信号包括使用所述升压电流感测信号来调节所述斜坡信号的斜率。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括: 感测流过所述输出电感器的电流，并提供电流感测信号； 放大所述电流感测信号 并提供经放大的感测信号；以及 在所述升压转换器的续流间隔期间对所述经放大的感测信号进行采样，从而以采样值的平均值提供所述升压电流感测信号。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括基于所述AC输入电压的频率切换所述误差信号。
全文摘要
本发明涉及具有改善的功率因数和减少的能量存储的升压转换器的前馈系统和方法。具体披露了一种升压转换器的控制器及控制方法。该控制器包括第一节点，用于接收指示输出DC电压的输出感测信号；第二节点，用于接收指示流过升压转换器的电感器的电流的升压电流感测信号；第一组合器，该第一组合器基于输出感测信号和基准信号之间的差提供误差信号；积分器，该积分器对误差信号进行积分并提供作为其指示的补偿信号；以及脉冲控制器，该脉冲控制器提供一脉冲控制信号以控制功率开关在DCM下运作升压转换器。脉冲控制器基于补偿信号与斜坡信号的比较形成脉冲控制信号，并基于升压电流感测信号在经整流的AC输入电压的周期上进一步调节脉冲控制信号。
文档编号H02M1/42GK103166490SQ20121036715
公开日2013年6月19日 申请日期2012年9月28日 优先权日2011年12月9日
发明者M·M·瓦尔特斯 申请人:英特赛尔美国有限公司