专利名称：功率因数校正电路及其输入前馈补偿电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及开关电源技术，尤其涉及一种功率因数校正电路及其输入前馈补偿电路。
背景技术：
由于目前大多数用电设备中存在非线性元件和储能元件，因此会使输入交流电流波形发生严重畸变，导致网侧输入功率因数很低。为了满足国际标准IEC61000-3-2的谐波要求，必须在这些用电设备中加入功率因数校正(PFC)装置。为了抑制工频纹波从而获得较高的功率因数，传统PFC电路的控制环路的带宽通常设置的比较低，较低的环路带宽会导致PFC电路的动态响应速度较慢。以高功率因数LED驱动器(恒流输出)为例，当输入电压有较大波动时，由于调节环路的输出电平Vcomp变化较慢，使得输出电流Io有较大的过冲或跌落，如图1所示，从而人眼看到的LED灯光具有较明显的闪烁。一些具有恒功率控制功能的PFC电路往往采用输入电压前馈的方法来实现恒功率控制，并且相对输入电压变化时的动态响应有一定的改善，如图2所示。主要包括交流电压源201、整流桥202、功率电路203、比例电路204、低通滤波器205、比例电路206、比例电路207、PWM调制器208、电流环209、乘法器210、比例电路211、电压环212。其中，功率电路203包括电感L、二极管D、开关管M和电容C，电容C配置为和负载&并联。然而图2所示的控制电路中，其输入电压前馈是通过采集输入电压的平均值实现的，采集输入电压Vin的平均值引入的低通滤波器205降低了环路的响应速度，因此，对输入的动态响应改善有限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种功率因数校正电路及其输入前馈补偿电路，能够解决输入电压突变造成输出电压或电流较大波动的问题。为解决上述技术问题，本发明提供了一种功率因数校正电路的输入前馈补偿电路，包括峰值获取模块，获取输入电压的峰值或者反映所述输入电压的峰值的信号；与所述峰值获取模块相连的取反电路，产生与所述输入电压的峰值变化趋势相反的直流信号；与所述取反电路相连的叠加电路，将所述直流信号与功率因数校正电路的控制电路中的误差放大网络的输出信号叠加。根据本发明的一个实施例，所述输入电压为经由功率因数校正电路中整流桥整流之后的电压信号。根据本发明的一个实施例，所述峰值获取模块包括比例电路，接收所述输入电压并对其幅值进行调节；
与所述比例电路相连的峰值获取电路，获取幅值调节后的输入电压的峰值。根据本发明的一个实施例，所述峰值获取电路包括偏置电压源；运算放大器，其正输入端连接所述比例电路的输出端；比较器，其正输入端连接所述偏置电压源的正输入端，其负输入端连接所述运算放大器的正输入端；二级管，其阳极连接所述运算放大器的输出端，其阴极连接所述运算放大器的负输入端；第一电容，其第一端连接所述运算放大器的负输入端，其第二端接地；反相器，其输入端连接所述运算放大器的输出端；前沿获取电路，其输入端连接所述反相器的输出端；第一开关，其第一端连接所述第一电容的第一端，其第二端连接所述第二电容的第二端，其控制端连接所述比较器的输出端；第二开关，其第一端连接所述运算放大器的正输入端，其控制端连接所述前沿获取电路的输出端；第二电容，其第一端连接所述第二开关的第二端，其第二端接地，所述第二电容的第一端作为所述峰值获取电路的输出端。根据本发明的一个实施例，所述前沿获取电路采用RC电路和逻辑电路实现。根据本发明的一个实施例，所述峰值获取电路包括谷底时间检测电路，其输入端连接所述比例电路的输出端，用于检测所述输入电压的谷底时间，产生脉冲信号以定位所述输入电压的谷底时间；延时电路，其输入端连接所述谷底时间检测电路的输出端，对所述脉冲信号进行延时；采样保持电路，与所述比例电路和延时电路的输出端相连，在延时后的脉冲信号控制下对幅值调节后的输入电压进行采样；比例放大电路，其输入端与所述采样保持电路的输出端相连，其输出端作为所述峰值获取电路的输出端。根据本发明的一个实施例，所述采样保持电路包括第三开关，其控制端连接所述延时电路的输出端，其第一端连接所述比例电路的输出端，其第二端连接所述比例放大电路的输入端；第三电容，其第一端连接所述第三开关的第二端，其第二端接地。根据本发明的一个实施例，所述取反电路包括减法器，其正输入端接收预设的直流电压，其负输入端连接所述峰值获取模块的输出端，其输出端输出所述直流信号。根据本发明的一个实施例，所述叠加电路包括加法器，其第一输入端连接所述取反电路的输出端，其第二输入端接收所述控制电路中的误差放大网络的输出信号。本发明还提供了一种功率因数校正电路包括以上任一项所述的输入前馈补偿电路。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明实施例的输入前馈补偿电路，通过获取输入电压峰值的变化量或能够体现输入电压峰值变化量的电参数，加以反相后得到与输入电压峰值变化趋势相反的直流信号，将该直流信号直接叠加在控制环路的误差放大网络的输出端，从而避开了控制环路缓慢的调节过程，实现了输出电压或输出电流地快速调节，当输入电压突变时，输出电压或电流波动较小或无波动。尤其在输出负载为LED灯时，在输入电压波动时，LED灯无闪烁问题。
图1是现有技术中的一种PFC电路在输入电压发生突变时的输出电流及控制环输出的动态波形；图2是现有技术中一种采用传统前馈控制的PFC电路的电路原理图；图3是本发明实施例的输入前馈补偿电路的电路原理图；图4是图3所示的输入前馈补偿电路的工作波形图；图5是图3中的峰值获取电路的第一具体实施例的电路图；图6是图5所示的峰值获取电路的工作波形图；图7是图3中的峰值获取电路的第二具体实施例的电路图；图8是图7所示的峰值获取电路的工作波形图；图9示出了本发明实施例的功率因数校正电路的电路图；图10是图9所示功率因数校正电路的工作波形图。
具体实施例方式下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。参考图3和图4，图4示出了图3中的输入前馈补偿电路的工作波形。本实施例的输入前馈补偿电路主要包括峰值获取模块31、取反电路304、叠加电路305。其中，峰值获取模块31连接功率因数校正电路中的整流桥的输出端，获取输入电压的峰值。本领域技术人员应当理解，峰值获取模块31还可以获取反映输入电压的峰值的信号，或者获取反映输入电压峰值变化量的电参数。需要说明的是，本文中“输入电压的峰值”并非指的是严格意义上的输入电压的峰值点的电压信号，还包括输入电压在峰值点两侧的预设范围内的电压信号，即峰值附近处的电压信号，例如峰值点提前预设范围内的电压信号，或者峰值点滞后预设范围内的电压信号。取反电路304与峰值获取模块31相连，产生与输入电压的峰值变化趋势相反的直流信号。叠加电路305与取反电路304相连，将取反电路304输出的直流信号与功率因数校正电路的控制电路中的误差放大网络300的输出信号Vcomp叠加，该叠加电路305的输出端可以连接后级控制电路。其中，误差放大网络300是PFC电路的控制电路(或控制环路)的一部分，其可以包括比较器Ua、参考电压源Vref和电容Cl，比较器Ua的负输入端接收反馈电压FB，比较器Ua的正输入端连接参考电压源Vref的正端，参考电压源Vref的正端接地，电容Cl的第一端连接比较器U的输出端，第二端接地。进一步而言，作为一个非限制性的例子，峰值获取模块31可以包括比例电路301和峰值获取电路302。其中，比例电路301接收输入电压|Vac|并对其幅值进行调节。例如，比例电路301可以将主电路整流桥输出的电压|Vac|进行比例缩小，以满足控制电路的电压幅值的要求。峰值获取电路302与比例电路301相连，获取幅值调节后的输入电压的峰值 KX I Vac_pk I。取反电路304可以采用减法器来实现，其正输入端接收预设的直流电压Vdc，其负输入端连接峰值获取电路302的输出端，其输出端输出直流信号Vdc-KX |Vac_pk|，该直流信号的变化趋势与输入电压的峰值变化趋势相反。例如该直流电压Vdc可以由直流电压源303提供，直流电源303的正端连接减法器304的正输入端，直流电源303的负端接地。当然，本领域技术人员应当理解，还可以采用其他适当的电路来实现取反电路304，只需要输出的信号与输入信号变化趋势相反即可。叠加电路305可以采用加法器来实现，其第一端连接减法器304的输出端，第二端接收误差放大网络300的输出信号Vcomp，其输出端连接后级控制电路，输出修正后的误差放大信号Vcomp’，以实现对输入电压变化的动态响应的补偿。修正的误差放大信号Vcomp’可以表示为Vcomp，=Vcomp+Vdc-KX Vac_pk。当然，本领域技术人员应当理解，可以采用其他具有叠加功能的电路来实现叠加电路305。参考图5，作为一个直接获取输入电压峰值的非限制性的例子，峰值获取电路302可以包括偏置电压源Vbias、运算放大器Ub、比较器Uc、二极管Dxl、第一电容CxU反相器Ud、前沿获取电路51、第一开关Sxl、第二开关Sx2、第二电容Cx2。比例电路301 (图3)的输出端连接运算放大器Ub的正输入端；运算放大器Ub的负输入端接二极管Dxl的阴极、第一电容Cxl的第一端和第一开关Sxl的第一端,运算放大器Ub的输出端接二极管Dxl的阳极，第一电容Cxl的第二端接地，第一开关Sxl的第二端接地；的正端接比较器Uc的负输入端；比较器Uc的正输入端接偏置电压源Vbias的正端，偏置电压源Vbias的负端接地，比较器Uc的负输入端接运算放大器Ub的正输入端，比较器Uc的输出端接第一开关Sxl的控制端；反相器Ud的输入端接运算放大器Ub的输出端，反相器Ud的输出端接前沿获取电路51的输入端，前沿获取电路51的输出端接第二开关Sx2的控制端，第二开关Sx2的第一端接运算放大器Ub的正输入端，第二开关Sx2的第二端接第二电容Cx2的第一端，并作为峰值获取电路302的输出端，第二电容Cx2的另一端接地。其中，前沿获取电路52可以采用RC电路和逻辑电路实现。图5所示的峰值获取电路302的工作波形如图6所示，其主要工作过程如下运算放大器Ub和二极管Dxl形成峰值检波电路，用于检测输入信号A的峰值；比较器Uc用于产生复位信号，在每个周期内，比较器Uc产生的复位信号在输入信号A的谷底将峰值检波电路检出的输入峰值信号B进行复位，以便于检测下一周期的输入信号峰值；在t(Ttl区间，由于输入信号A幅值是单调上升的，运算放大器Ub和二极管Dxl构成的峰值检波电路输出的信号B跟随输入信号A变化；在tl时刻，输入信号A达到了峰值，之后输入信号A开始下降，运算放大器Ub的正输入端信号小于其负输入端信号，运算放大器Ub起到比较器的作用，输出电平产生一个由高电平到低电平的跳变，此跳变信号反映了输入电压信号A的峰值位置；因此只需将运算放大器Ub的输出信号E进行反相得到信号F，经前沿获取电路51取出信号F的前沿得到第二开关Sx2的控制信号G ;由图6可见，控制信号G的高电平前沿与输入电压信号A的峰值位置一致，利用控制信号G将第二开关Sx2导通一小段区间，在第二电容Cx2上得到输入信号A峰值的电平信号，并在第二开关Sx2关断后，该电平信号被保持；偏置电压源Vbias为一设定的电平信号,用于与输入信号A进行比较,在输入信号A的谷底处，当输入信号A低于偏置电压源Vbias幅值，比较器Uc输出高电平使得第一开关Sxl导通，将第一电容Cxl上保持的电压B放电到零，从而实现了对电压B的复位。由上述峰值获取电路302的具体实施例的工作过程可知，峰值获取电路302的主要工作原理是运算放大器Ub、二极管Dxl、第一开关Sxl和第一电容Cxl构成前级电路，第二开关Sx2和第二电容Cx2构成后级电路，反相器Ud和前沿获取电路用来在输入信号峰值处产生后级电路的采样信号，比较器Uc用来产生前级输出信号的复位信号；前级电路获取输入信号的峰值，并通过在输入信号峰值处用开关将获取的输入信号的峰值传递给后级电路并保持，之后前级电路的输出信号被复位，等待获取输入信号下一个周期的峰值。参考图7，作为一个间接获取输入电压峰值的非限制性的例子，峰值获取电路302可以包括谷底时间检测电路701、延时电路702、采样保持电路703和比例放大电路704。比例电路301 (图3)的输出端连接谷底时间检测电路701的输入端，谷底时间检测电路701的输出端接延时电路702的输入端，延时电路702的输出端接采样保持电路703中的第三开关Sx3的控制端，第三开关Sx3的第一端接比例电路301 (图3)的输出端，第三开关Sx3的第二端接采样保持电路703的第三电容Cx3的第一端和比例放大电路704的输入端，第三电容Cx3的第二端接地，比例放大电路704的输出端即为峰值获取电路302的输出端。图1所示的峰值获取电路302的工作波形如图8所示，其主要工作过程如下谷底时间检测电路701检测输入电压的谷底时间，并输出一个脉冲信号H用于定位所检测到的输入电压的谷底时间；延时电路702将谷底时间检测电路701输出的脉冲信号H进行延时预设的角度Td从而得到采样保持电路703的采样信号I，在该采样信号I的控制下，采样保持电路703并对第三开关Sx3第一端的输入信号进行采样。假定第三开关Sx3第一端的输入信号是比较纯正的正弦半波，周期为T，输入峰值为k I Vac_pk I ,则可以得到
权利要求
1.一种功率因数校正电路的输入前馈补偿电路，其特征在于，包括 峰值获取模块，获取输入电压的峰值或者反映所述输入电压的峰值的信号； 与所述峰值获取模块相连的取反电路，产生与所述输入电压的峰值变化趋势相反的直流号; 与所述取反电路相连的叠加电路，将所述直流信号与功率因数校正电路的控制电路中的误差放大网络的输出信号叠加。
2.根据权利要求1所述的输入前馈补偿电路，其特征在于，所述输入电压为经由功率因数校正电路中整流桥整流之后的电压信号。
3.根据权利要求1所述的输入前馈补偿电路，其特征在于，所述峰值获取模块包括 比例电路，接收所述输入电压并对其幅值进行调节； 与所述比例电路相连的峰值获取电路，获取幅值调节后的输入电压的峰值。
4.根据权利要求3所述的输入前馈补偿电路，其特征在于，所述峰值获取电路包括 偏置电压源； 运算放大器，其正输入端连接所述比例电路的输出端； 比较器，其正输入端连接所述偏置电压源的正输入端，其负输入端连接所述运算放大器的正输入端； 二级管，其阳极连接所述运算放大器的输出端，其阴极连接所述运算放大器的负输入端; 第一电容，其第一端连接所述运算放大器的负输入端，其第二端接地； 反相器，其输入端连接所述运算放大器的输出端； 前沿获取电路，其输入端连接所述反相器的输出端； 第一开关，其第一端连接所述第一电容的第一端，其第二端连接所述第二电容的第二端，其控制端连接所述比较器的输出端； 第二开关，其第一端连接所述运算放大器的正输入端，其控制端连接所述前沿获取电路的输出端； 第二电容，其第一端连接所述第二开关的第二端，其第二端接地，所述第二电容的第一端作为所述峰值获取电路的输出端。
5.根据权利要求4所述的输入前馈补偿电路，其特征在于，所述前沿获取电路采用RC电路和逻辑电路实现。
6.根据权利要求3所述的输入前馈补偿电路，其特征在于，所述峰值获取电路包括 谷底时间检测电路，其输入端连接所述比例电路的输出端，用于检测所述输入电压的谷底时间，产生脉冲信号以定位所述输入电压的谷底时间； 延时电路，其输入端连接所述谷底时间检测电路的输出端，对所述脉冲信号进行延时； 采样保持电路，与所述比例电路和延时电路的输出端相连，在延时后的脉冲信号控制下对幅值调节后的输入电压进行采样；比例放大电路，其输入端与所述采样保持电路的输出端相连，其输出端作为所述峰值获取电路的输出端。
7.根据权利要求6所述的输入前馈补偿电路，其特征在于，所述采样保持电路包括第三开关，其控制端连接所述延时电路的输出端，其第一端连接所述比例电路的输出端，其第二端连接所述比例放大电路的输入端； 第三电容，其第一端连接所述第三开关的第二端，其第二端接地。
8.根据权利要求1所述的输入前馈补偿电路，其特征在于，所述取反电路包括 减法器，其正输入端接收预设的直流电压，其负输入端连接所述峰值获取模块的输出端，其输出端输出所述直流信号。
9.根据权利要求1所述的输入前馈补偿电路，其特征在于，所述叠加电路包括 加法器，其第一输入端连接所述取反电路的输出端，其第二输入端接收所述控制电路中的误差放大网络的输出信号。
10.一种功率因数校正电路，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的输入前馈补偿电路。
全文摘要
本发明提供了一种功率因数校正电路及其输入前馈补偿电路，所述输入前馈补偿电路包括峰值获取模块，获取输入电压的峰值或反映所述输入电压的峰值的信号；与所述峰值获取模块相连的取反电路，产生与所述输入电压的峰值变化趋势相反的直流信号；与所述取反电路相连的叠加电路，将所述直流信号与功率因数校正电路的控制电路中的误差放大网络的输出信号叠加。本发明能够在输入电压突变时将输入电压的变化信息直接叠加到控制电路调节环的输出，从而避开了较慢的调节环路，解决输入电压突变造成输出电压或电流有较大波动的问题。
文档编号H02M1/42GK103066827SQ20121059103
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者谢小高, 叶美盼, 吴建兴 申请人:杭州士兰微电子股份有限公司