无需环路补偿的高pfc恒流控制装置及电压变换器的制造方法
【专利摘要】本发明公开一种无需环路补偿的高PFC恒流控制装置及电压变换器，该装置包括自动增益控制器，输入端为原边电压采样网络的交流输入电压采样信号，输出端输出与输入电压同频同相但幅值恒定的信号；峰值电流控制比较器，具有正、负输入端和输出端，负输入端与自动增益控制器的输出端相连，正输入端与原边电流感应电阻的正端相连;时钟信号发生器，输入端为辅助绕组电压采样网络的直流电压采样信号，输出端输出一个频率与直流采样电压成正比的时钟信号；触发器，用于接收时钟信号以及峰值电路控制比较器输出的比较信号，并基于时钟信号与比较信号来控制功率开关管的开启或关断。本发明无需光偶和环路补偿，即可实现高PFC和输出恒流控制。
【专利说明】无需环路补偿的高PFC恒流控制装置及电压变换器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及开关电源【技术领域】，更具体的说涉及一种无需环路补偿的高PFC恒流 控制装置，其可同时适用于隔离型反激式变换器、非隔离的升降压变换器以及非隔离的降 压变换器。
【背景技术】
[0002] LED的光特性通常都描述为电流的函数，而不是电压的函数，LED正向电压的微小 变化会引起较大的LED电流变化，从而引起电流的较大变化。所以，采用恒压源驱动不能保 证LED亮度的一致性，并且影响LED的可靠性、寿命和光衰。因此，LED通常都采用恒流源 驱动。
[0003] 出于安全的考虑，很多的LED灯具均要求LED驱动器具有隔离功能，即实现输出与 电网输入的电气隔离；在中小功率(小于150W)的应用中，反激式变换器是应用最为广泛的 隔离变换器，目前最通用的反馈方式是通过光耦对输出进行采样来反馈控制。但由于光耦 存在老化问题，故会影响电路的稳定性，同时亦弱化了电气隔离的强度。
[0004] 另一方面，电力电子的广泛应用给公共电网造成严重污染，无功功率日益受到重 视。为了减轻电力污染的危害程度，许多国家纷纷制定相应的标准，当功率超过一定值 (>5W)，必须满足高功率因数（PF>0. 9)。因此较大功率的LED驱动器需要采用功率因数校 正（Power Factor Correction,简称PFC)技术，来达到高PFC。其中，在本申请中所称的高 PFC，是指功率因数超过0. 9。
[0005] 目前，市面的控制方式几乎都是基于传统开关电源的环路控制方式，在不同的架 构下进行一些算法的变化，但都有一个共同的特点就是需要环路补偿才能达到系统稳定， 并且针对不同的应用场合，比如不同的功率，不同的外围架构，需要不同的环路补偿，这给 应用带来了不便。如图1所示，其为现有技术中反激式PFC恒流控制装置的示意图，该PFC 恒流控制装置的核心是一个恒流PFC控制器，该恒流PFC控制器设置在LED负载的驱动电 路中，从而起到高PFC以及恒流控制的作用。
[0006] 该驱动电路具有整流模块、输入电容Cin、原边电压采样网络Rl、R2、变压器T、功 率开关管Q1、原边电流感应电阻R0、副边整流二极管D1、输出电容Cout、输出LED负载L、辅 助绕组边整流二极管D2、辅助绕组电压采样网络R3、R4 ;该恒流PFC控制器中设置有一个单 独的补偿引脚，可以用来外接一个补偿电容Ccomp，在不同的应用条件下，需要调整这个补 偿电容Ccomp的容值来达到系统的稳定性；当然也有个别设计通过巧妙的控制方式不需要 环路补偿的，但由于其特定的控制方式使其通用性降低。
[0007] 除了环路补偿的不同以外，市面上还有单级和两级这两种方式来达到高PFC的恒 流系统，两级控制方式设计较为简单，但效率较低；单级控制方式设计较为复杂，但效率较 商。
[0008] 因此，研究一种通用的无需环路补偿的反激式单级高PFC恒流控制方式，不仅在 技术上是具有挑战性的工作，同时具有高集成度，低成本，高效率，通用性强的现实意义。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于提供一种无需环路补偿的高PFC恒流控制装置，其反馈环节基 于大信号的形式，去掉了传统形式的小信号闭合环路，进而在不需要环路补偿及相关的环 路稳定调试下，即可实现自动稳定。
[0010] 为了达成上述目的，本发明的解决方案是： 一种无需环路补偿的高PFC恒流控制装置，其中，包括： 自动增益控制器，输入端为原边电压采样网络的交流输入电压采样信号，输出端则输 出一个与输入电压同频同相但幅值恒定的信号； 峰值电流控制比较器，具有正输入端、负输入端以及输出端，该负输入端与自动增益控 制器的输出端相连，正输入端与原边电流感应电阻的正端相连； 时钟信号发生器，输入端为辅助绕组电压采样网络的直流电压采样信号，输出端则输 出一个频率与直流采样电压成正比的时钟信号； 触发器，用于接收时钟信号以及峰值电路控制比较器输出的比较信号，并基于时钟信 号与比较信号来控制功率开关管的开启或关断。
[0011] 进一步，该自动增益控制器具有第一运算放大器、固定电阻、可变电阻、计数器以 及第一比较器，该第一运算放大器的正输入端与原边电压采样网络相连，该第一运算放大 器的负输入端通过固定电阻而与电源地相连，该第一运算放大器的负输入端还通过可变电 阻而与第一运算放大器的输出端相连，该第一比较器的负输入端与第一运算放大器的输出 端相连，该第一比较器的正输入端与第一标准电压相连，该第一比较器的输出端与计数器 的输入端相连，该计数器的输出端则与可变电阻相连以调节可变电阻的大小。
[0012] 进一步，该时钟信号发生器具有第二运算放大器、第二比较器、第一 M0S管、第二 M0S管、第三M0S管、第四M0S管、第一电容以及第七电阻，该第二运算放大器的正输入端与 辅助绕组电压采样网络相连，该第二运算放大器的输出端与第一 M0S管的栅极相连，该第 一 M0S管还与第二运算放大器的负输入端和第七电阻相连，该第七电阻另外一端则与电源 地相连，该第二M0S管和第三M0S管组成1:1的镜像电流源，该第二比较器的输出端为时钟 端，该第四M0S管的栅极与第二比较器的输出端相连，源极与第二比较器的正输入端相连， 漏极与电源地相连；该第三M0S管的漏极通过第一电容而与电源地相连，该第二比较器的 负输入端连接有第二标准电压。
[0013] 进一步，所述触发器为RS触发器，具有R端、S端以及Q端，该S端与时钟信号发 生器的输出端相连，R端与峰值电流控制比较器的输出端相连，Q端则与功率开关管的栅极 控制端相连以控制功率开关管的开启关断。
[0014] 本发明还提供一种电压变换器，其包括根据前述任一项所述的高PFC恒流控制装 置，以及 整流模块，用于接收交流输入电压，并对所述交流输入电压进行整流； 原边电压采样网络，用于对所述整流模块所整流的交流输入电压进行采样，以生成所 述交流输入电压米样信号； 电压变换模块，其用于接收所述被整流的交流输入电压，并且与功率开关管以及原边 电流感应电阻串联连接，所述电压变换模块在所述功率开关管的控制下向负载提供输出电 压。
[0015] 进一步，所述电压变换模块是反激式变换模块，其包括变压器，输出二极管以及输 出电容。变压器主级侧正端与母线VIN相连，其负端与功率管的漏级相连；变压器次级侧正 端与LED负端及输出电容负端相连，其正端与输出二极管阳极相连，输出电容正端与二极 管阴极相连；变压器辅助侧正端与主级侧大地相连，其负端与辅助侧二极管阳极相连。
[0016] 进一步，所述电压变换模块是升降压式变换模块，其包括变压器，续流二极管，辅 助二极管以及输出电容。变压器主级侧正端与母线VIN及输出电容负端相连，其负端与功 率管漏极及续流二极管阳极相连，输出电容正端与二极管阴极相连；变压器辅助侧正端与 大地相连，其负端与辅助二极管相连。
[0017] 采用上述结构后，本发明涉及一种无需环路补偿的高PFC恒流控制装置，其通过 让自动增益控制器输出一个与输入电压同频同相但幅值恒定的信号，如此确保了电压信号 和电流信号之间能具有相同相位，进而确保了高功率因数；同时通过设置峰值电流控制比 较器、RS触发器以及时钟信号发生器，并且让时钟信号发生器输出一个频率与直流采样电 压成正比的时钟信号，如此可形成一恒流源。
[0018] 与现有技术相比，本发明的优势在于：本发明无需光偶和环路补偿，即可同时实现 高PFC和输出恒流控制，并且系统稳定；同时由于本发明采用单级控制方式，减少了外围元 器件，节省了成本与空间，达到了小型化的目的；另外，发明的原理通用性强，不仅适用于反 激式变换器，还可适用于升降压变换器和降压变换器。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1为现有技术中的反激式PFC恒流控制装置的示意图； 图2为本发明一个实施例的反激式高PFC恒流控制装置的电路示意图； 图3为图2中自动增益控制器具体实施例的电路示意图； 图4为图2中时钟信号发生器具体实施例的电路示意图； 图5为基于本发明控制方式所描绘的交流输入电压、功率开关管控制信号、主级侧电 流和次级侧电流波形的示意图； 图6为本发明应用于非隔离的升降压变换器的电路示意图。
[0020] 图中： 反激式变换器 100 桥式整流模块 1 高PFC恒流控制装置2 自动增益控制器 21 计数器 211 峰值电流控制比较器22 时钟信号发生器 23 RS触发器 24。
【具体实施方式】
[0021] 为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐 述。
[0022] 如图2所示，其为本发明涉及一种无需环路补偿的高PFC恒流控制装置2应用在 反激式变换器100中的示意图，该反激式变换器100包括桥式整流模块1、输入电容Cin，变 压器T，功率开关管Q1，原边电流感应电阻R0,原边电压采样电阻网络Rl，R2,副边整流二 极管D1，输出电容Cout，输出LED负载，辅助绕组边整流二极管D2,辅助绕组电压采样网络 R3, R4, Caux。
[0023] 本发明涉及的无需环路补偿的高PFC恒流控制装置2,包括自动增益控制器21、峰 值电流控制比较器22、时钟信号发生器23和RS触发器24。
[0024] 该自动增益控制器21的输入端为原边电压采样网络的交流输入电压采样信 号，在本实施例中，该自动增益控制器21与原边电压采样网络相连，其连接点的电压 为
【权利要求】
1. 一种无需环路补偿的高PFC恒流控制装置，其特征在于，包括： 自动增益控制器，输入端为原边电压采样网络的交流输入电压采样信号，输出端则输 出一个与输入电压同频同相但幅值恒定的信号； 峰值电流控制比较器，具有正输入端、负输入端以及输出端，该负输入端与自动增益控 制器的输出端相连，正输入端与原边电流感应电阻的正端相连； 时钟信号发生器，输入端为辅助绕组电压采样网络的直流电压采样信号，输出端则输 出一个频率与直流采样电压成正比的时钟信号； 触发器，用于接收时钟信号以及峰值电路控制比较器输出的比较信号，并基于时钟信 号与比较信号来控制功率开关管的开启或关断。
2. 如权利要求1所述的无需环路补偿的高PFC恒流控制装置，其特征在于，该自动增益 控制器具有第一运算放大器、固定电阻、可变电阻、计数器以及第一比较器，该第一运算放 大器的正输入端与原边电压采样网络相连，该第一运算放大器的负输入端通过固定电阻而 与电源地相连，该第一运算放大器的负输入端还通过可变电阻而与第一运算放大器的输出 端相连，该第一比较器的负输入端与第一运算放大器的输出端相连，该第一比较器的正输 入端与第一标准电压相连，该第一比较器的输出端与计数器的输入端相连，该计数器的输 出端则与可变电阻相连以调节可变电阻的大小。
3. 如权利要求1所述的无需环路补偿的高PFC恒流控制装置，其特征在于，该时钟信 号发生器具有第二运算放大器、第二比较器、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS 管、第一电容以及第七电阻，该第二运算放大器的正输入端与辅助绕组电压采样网络相连， 该第二运算放大器的输出端与第一 MOS管的栅极相连，该第一 MOS管还与第二运算放大器 的负输入端和第七电阻相连，该第七电阻另外一端则与电源地相连，该第二MOS管和第三 MOS管组成1:1的镜像电流源，该第二比较器的输出端为时钟端，该第四MOS管的栅极与 第二比较器的输出端相连，源极与第二比较器的正输入端相连，漏极与电源地相连；该第三 MOS管的漏极通过第一电容而与电源地相连，该第二比较器的负输入端连接有第二标准电 压。
4. 如权利要求1所述的无需环路补偿的高PFC恒流控制装置，其特征在于，所述触发器 为RS触发器，具有R端、S端以及Q端，该S端与时钟信号发生器的输出端相连，R端与峰 值电流控制比较器的输出端相连，Q端则与功率开关管的栅极控制端相连以控制功率开关 管的开启关断。
5. -种电压变换器，包括根据权利要求1-4中任一项所述的高PFC恒流控制装置，以及 整流模块，用于接收交流输入电压，并对所述交流输入电压进行整流； 原边电压采样网络，用于对所述整流模块所整流的交流输入电压进行采样，以生成所 述交流输入电压米样信号； 电压变换模块，其用于接收所述被整流的交流输入电压，并且与功率开关管以及原边 电流感应电阻串联连接，所述电压变换模块在所述功率开关管的控制下向负载提供输出电 压。
6. 根据权利要求5所述的电压变换器，其特征在于，所述电压变换模块是反激式变换 模块，其包括变压器，输出二极管以及输出电容，其中，变压器主级侧正端与母线相连，其负 端与功率管的漏级相连；变压器次级侧正端与LED负端及输出电容负端相连，其正端与输 出二极管阳极相连，输出电容正端与二极管阴极相连；变压器辅助侧正端与主级侧大地相 连，其负端与辅助侧二极管阳极相连。
7.根据权利要求5所述的电压变换器，其特征在于，所述电压变换模块是升降压式变 换模块，其包括变压器，续流二极管，辅助二极管以及输出电容，其中，变压器主级侧正端与 母线及输出电容负端相连，其负端与功率管漏极及续流二极管阳极相连，输出电容正端与 二极管阴极相连；变压器辅助侧正端与大地相连，其负端与辅助二极管相连。
【文档编号】H02M1/42GK104124862SQ201310154927
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年4月28日 优先权日:2013年4月28日
【发明者】吴超, 郑鹏峰 申请人:矽恩微电子(厦门)有限公司