一种优化开关电源PF值和THDI的电路和开关电源的制作方法

本发明涉及开关电源的技术领域，更具体地说，涉及一种优化开关电源pf值和thdi的电路和开关电源。

背景技术：

开关电源以其高转换效率小体积的优点，越来越多的电子产品都使用开关电源作为供电装置，为了减小对电网的污染，最大化利用电网能量，减少无功损耗，行业标准越来越高，其中对功率因数(pf值)和电流谐波(thdi)的要求越来越高。

开关电源功率因数矫正线路大致经过以下几次阶段性的发展过程：

1、无功率因数矫正线路开关电源，电网电压直接整流后供给开关电源转化电路，由于平滑滤波电容的存在，导致功率因数很低(一般0.5-0.6)，电流谐波极高(总谐波含量一般100％以上)，输入电流峰值比很大(一般到3-4)，对电网污染严重，无功损耗大；

2、被动式功率因数矫正线路开关电源，比较常见的电感式或者电容填谷式线路，功率因数可优化到0.9以上，电流总谐波含量到30％左右，输入电流峰值比一般到2左右；

3、主动式功率因数矫正线路开关电源，采用主动控制芯片检测输入电压波形，芯片控制被动元件(开关管和电感，二极管等)使输入电流波形跟随电压波形，采用主动型的功率因数矫正线路控制方式可使产品功率因数提高到0.95以上，电流总谐波含量可降到20％以内，输入电流峰值比可做到1.5以内。主动型功率因数矫正线路工作方式根据输出pfc线路输出电压可分为升压型，降压型，升降压型，其中以升压型线路最为普遍；工作方式根据电感电流工作模式可分为连续型(一般用于500瓦以上功率级)，临界型和断续型(一般用于500瓦以下功率段)，其中临界型以其对电路元件的利用率和转换效率最高而成为主流线路。根据电器数量划分，其中500瓦以下功率段的开关电源大概占市场电源总数的90％以上。所以针对临界型pfc升压线路进行进一步优化具有很大的市场价值。

常规的临界型控制模式线路，由于输入端的emi滤波器和整流后的滤波电容的存在，会对输出电压信号产生一定程度上的相位平移，造成输入电流波形在交流过零点处产生畸变，导致pf值和thdi参数恶化。

因此，要改善pf值和thdi，就要想办法降低或者消除相位移动，改善交流过零点时的输入电流畸变。方法1是减小或者去掉emi滤波线路中的x电容和整流后的滤波电容(或电容组)，在实际产品研发中，这种方法改善pf值和thdi之后会带来线路传导干扰的问题，所以不具备市场价值。方法二是在后面控制线路中对过零点处进行补偿，以尽量降低前面滤波线路中电容带来的负面影响。

现有pfc控制芯片中部分有thdi优化功能，其原理是在芯片内部增加交流过零点时的驱动开通时间，以提升交流过零点时的输入电流，补偿过零点时的电流平台，以改善thdi特性，但是由于芯片内部补偿参数固定，而每个开关电源产品外部输入端电容量不统一，输入电压范围也不统一，导致这种补偿方式效果有限，达不到理想效果。因此，需要寻找一种优化线路，以达到有效优化pf值和thdi的效果。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种优化开关电源pf值和thdi的电路和开关电源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种优化开关电源pf值和thdi的电路，包括：

接收整流滤波信号、并根据所述整流滤波信号产生pfc电压信号和过零信号的pfc升压电路；

与所述pfc升压电路连接、接收所述过零信号并对所述过零信号进行检波处理，以输出矫正补偿信号的检波电路；

与所述检波电路连接、将所述矫正补偿信号与pfc控制电路产生的补偿信号进行叠加，以输出叠加信号的复合补偿电路；以及所述pfc控制电路；

所述pfc控制电路与所述pfc升压电路和所述复合补偿电路连接，用于接收所述pfc电压信号、所述过零信号和所述叠加信号，并根据所述pfc电压信号、所述过零信号和所述叠加信号输出用于调节开关电源的pf值和thdi的驱动信号。

在一个实施例中，所述pfc升压电路包括：pfc升压电感和pfc二极管；

所述pfc升压电感的第一端接收所述整流滤波信号，所述pfc升压电感的第二端连接所述pfc二极管的阳极，所述pfc升压电感的第三端接地，所述pfc升压电感的第四端连接所述检波电路的输入端和所述pfc控制电路的过零输入端，所述pfc二极管的阴极连接所述pfc控制电路的pfc检测端，并通过所述pfc二极管的阴极输出所述pfc电压信号。

在一个实施例中，还包括：设置在所述pfc升压电路的第一输出端与所述pfc控制电路的pfc检测端之间的分压电路；

所述分压电路，用于对所述pfc电压信号进行分压处理，并输出分压信号至所述pfc控制电路的pfc检测端。

在一个实施例中，所述分压电路包括：第二电阻和第三电阻；

所述第二电阻的第一端连接所述pfc二极管的阴极，所述第二电阻的第二端连接所述第三电阻的第一端，所述第三电阻的第二端接地，所述第二电阻的第二端和所述第三电阻的第一端的连接端还连接所述pfc控制电路的pfc检测端；

所述第二电阻的第二端和所述第三电阻的第一端的连接端输出所述分压信号。

在一个实施例中，所述检波电路包括：检波二极管和检波电容；

所述检波二极管的阳极连接所述pfc升压电路的第二输出端，所述检波二极管的阴极连接所述检波电容的第一端，所述检波电容的第二端接地；

所述检波二极管的阴极和所述检波电容的第一端的连接端还连接至所述复合补偿电路的输入端；

所述检波二极管的阴极和所述检波电容的第一端的连接端输出所述矫正补偿信号。

在一个实施例中，所述复合补偿电路包括：第六电容、第六电阻、第四电阻、第三电容和第五电容；

所述第六电容的第一端作为所述复合补偿电路的输入端连接所述检波电路的输出端，所述第六电容的第二端连接所述第六电阻的第一端，所述第六电阻的第二端连接所述第四电阻的第一端、所述第五电容的第一端以及所述pfc控制电路的补偿信号检测端；

所述第四电阻的第二端连接所述第三电容的第一端，所述第三电容的第二端和所述第五电容的第二端接地。

在一个实施例中，所述复合补偿电路包括：第六电容、第四电阻、第三电容和第五电容；

所述第六电容的第一端作为所述复合补偿电路的输入端连接所述检波电路的输出端，所述第六电容的第二端连接所述第四电阻的第一端、所述第五电容的第一端以及所述pfc控制电路的补偿信号检测端；

所述第四电阻的第二端连接所述第三电容的第一端，所述第三电容的第二端和所述第五电容的第二端接地。

在一个实施例中，所述复合补偿电路包括：第六电阻、第四电阻、第三电容和第五电容；

所述第六电阻的第一端作为所述复合补偿电路的输入端连接所述检波电路的输出端，所述第六电阻的第二端连接所述第四电阻的第一端、所述第五电容的第一端以及所述pfc控制电路的补偿信号检测端；

所述第四电阻的第二端连接所述第三电容的第一端，所述第三电容的第二端和所述第五电容的第二端接地。

在一个实施例中，还包括：驱动管和下拉电阻；

所述驱动管的控制端连接所述pfc控制电路的驱动信号输出端，所述驱动管的第一端连接所述pfc二极管的阳极，所述驱动管的第二端通过所述下拉电阻接地；

所述驱动管的控制端接收所述pfc控制电路输出的驱动信号，并根据所述驱动信号调节所述开关电源的pf值和thdi。

本发明还提供一种开关电源，包括：整流滤波电路以及以上所述的优化开关电源pf值和thdi的电路；

所述整流滤波电路的输入端接收交流信号，所述整流滤波电路的输出端与所述优化开关电源pf值和thdi的电路的输入端连接，用于对所述交流信号进行整流滤波处理，并输出整流滤波信号至所述优化开关电源pf值和thdi的电路；所述优化开关电源pf值和thdi的电路根据所述整流滤波信号输出驱动信号以调节开关电源的pf值和thdi。

实施本发明的优化开关电源pf值和thdi的电路，具有以下有益效果：该优化开关电源pf值和thdi的电路包括：接收整流滤波信号、并根据整流滤波信号产生pfc电压信号和过零信号的pfc升压电路；与pfc升压电路连接、接收过零信号并对过零信号进行检波处理，以输出矫正补偿信号的检波电路；与检波电路连接、将矫正补偿信号与pfc控制电路产生的补偿信号进行叠加，以输出叠加信号的复合补偿电路；以及pfc控制电路；pfc控制电路与pfc升压电路和复合补偿电路连接，用于接收pfc电压信号、过零信号和叠加信号，并根据pfc电压信号、过零信号和叠加信号输出用于调节开关电源的pf值和thdi的驱动信号。本发明可以有效优化开关电源的pf值和thdi，可适用于不同的开关电源产品，适用范围广，实用性强。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例提供的优化开关电源pf值和thdi的电路的原理框图；

图2是本发明实施例提供的优化开关电源pf值和thdi的电路的电路原理图；

图3是本发明整流滤波信号和驱动信号的波形图；

图4是本发明过零信号的波形图；

图5是本发明检波信号的波形图；

图6是未改善前的输入电压和电流波形图；

图7是本发明矫正补偿信号与pfc控制电路产生的补偿信号叠加波形示意图；

图8是本发明改善后的输入电压和电流的波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决现有的临界型控制线路存在的问题，本发明提供了一种优化开关电源pf值和thdi的电路，该电路可以通过外部电路对芯片的工作方式进行补偿，以达到优化开关电源的pf值和thdi的目的。其中，该优化开关电源pf值和thdi的电路可以应用于不同类型的开关电源，在优化pf值和thdi时，不受不同类型开关电源的输入端电容量及输入电压范围的影响，可以达到很好的优化效果，适用范围广。进一步地，本发明优化开关电源pf值和thdi的电路所适用的开关电源包括但不限于led驱动电源等家用电器的供电电源。

具体的，参考图1，为本发明实施例提供的优化开关电源pf值和thdi的电路的原理框图。

如图1所示，该优化开关电源pf值和thdi的电路包括：接收整流滤波信号、并根据整流滤波信号产生pfc电压信号和过零信号的pfc升压电路11；与pfc升压电路11连接、接收过零信号并对过零信号进行检波处理，以输出矫正补偿信号的检波电路12；与检波电路12连接、将矫正补偿信号与pfc控制电路14产生的补偿信号进行叠加，以输出叠加信号的复合补偿电路13；以及pfc控制电路14；pfc控制电路14与pfc升压电路11和复合补偿电路13连接，用于接收pfc电压信号、过零信号和叠加信号，并根据pfc电压信号、过零信号和叠加信号输出用于调节开关电源的pf值和thdi的驱动信号。可以理解地，通过pfc电压信号、过零信号和叠加信号，可以达到矫正pfc控制电路14的控制模式的目的，从而控制pfc控制电路14输出的驱动信号，以达到优化输入电流信号畸变失真和相移，改善pf值和thdi的目的。

进一步地，本发明实施例中，该优化开关电源pf值和thdi的电路还可以包括：设置在pfc升压电路11的第一输出端与pfc控制电路14的pfc检测端之间的分压电路15。其中，该分压电路15，用于对pfc电压信号进行分压处理，并输出分压信号至pfc控制电路14的pfc检测端。

可以理解地，由于pfc升压电路11所输出的pfc电压信号高达300多伏或以上，而pfc控制电路14中的芯片对于如此高压是无法承受的，所以，当pfc控制电路14需要对pfc升压电路11所输出的pfc电压信号进行检测时，需要先进行降压处理，因此，通过设置该分压电路15可以达到对pfc电压信号进行降压处理的目的，进而将pfc电压信号的电压降低至pfc控制电路14可接受的范围后，再传送至pfc控制电路14的pfc检测端。

可选的，本发明实施例中，该分压电路15可以通过电阻实现，且由于pfc电压信号的电压较高，因此，所采用的电阻阻值相对较高，以达到真正降低电压的效果。可以理解地，该分压电路15所采用的电阻的具体数量及阻值可根据实际电路的分压要求确定，本发明不作具体限定。

下面以一个具体的实施例对本发明的优化开关电源pf值和thdi的电路进行说明。

如图2所示，为本发明优化开关电源pf值和thdi的电路一优选实施例的电路原理图。

具体的，如图2所示，该实施例中，pfc升压电路11包括：pfc升压电感l1和pfc二极管d5。

pfc升压电感l1的第一端接收整流滤波信号，pfc升压电感l1的第二端连接pfc二极管d5的阳极，pfc升压电感l1的第三端接地，pfc升压电感l1的第四端连接检波电路12的输入端和pfc控制电路14的过零输入端，pfc二极管d5的阴极连接pfc控制电路14的pfc检测端，并通过pfc二极管d5的阴极输出pfc电压信号。

该实施例中，分压电路15包括：第二电阻r2和第三电阻r3。

第二电阻r2的第一端连接pfc二极管d5的阴极，第二电阻r2的第二端连接第三电阻r3的第一端，第三电阻r3的第二端接地，第二电阻r2的第二端和第三电阻r3的第一端的连接端还连接pfc控制电路14的pfc检测端。其中，第二电阻r2的第二端和第三电阻r3的第一端的连接端输出分压信号。

进一步地，该实施例中，检波电路12包括：检波二极管d6和检波电容c7。

检波二极管d6的阳极连接pfc升压电路11的第二输出端，检波二极管d6的阴极连接检波电容c7的第一端，检波电容c7的第二端接地；检波二极管d6的阴极和检波电容c7的第一端的连接端还连接至复合补偿电路13的输入端。其中，检波二极管d6的阴极和检波电容c7的第一端的连接端输出矫正补偿信号。

进一步地，如图2所示，该初实施例中，复合补偿电路13包括：第六电容c6、第六电阻r6、第四电阻r4、第三电容c4和第五电容c5。

第六电容c6的第一端作为复合补偿电路13的输入端连接检波电路12的输出端，第六电容c6的第二端连接第六电阻r6的第一端，第六电阻r6的第二端连接第四电阻r4的第一端、第五电容c5的第一端以及pfc控制电路14的补偿信号检测端。第四电阻r4的第二端连接第三电容c4的第一端，第三电容c4的第二端和第五电容c5的第二端接地。

当然，可以理解地，在其他一些实施例中，复合补偿电路13可以包括：第六电容c6、第四电阻r4、第三电容c4和第五电容c5。

第六电容c6的第一端作为复合补偿电路13的输入端连接检波电路12的输出端，第六电容c6的第二端连接第四电阻r4的第一端、第五电容c5的第一端以及pfc控制电路14的补偿信号检测端；第四电阻r4的第二端连接第三电容c4的第一端，第三电容c4的第二端和第五电容c5的第二端接地。

或者，在其他一些实施例中，复合补偿电路13包括：第六电阻r6、第四电阻r4、第三电容c4和第五电容c5。

第六电阻r6的第一端作为复合补偿电路13的输入端连接检波电路12的输出端，第六电阻r6的第二端连接第四电阻r4的第一端、第五电容c5的第一端以及pfc控制电路14的补偿信号检测端；第四电阻r4的第二端连接第三电容c4的第一端，第三电容c4的第二端和第五电容c5的第二端接地。

即本发明实施例中，复合补偿电路13中的第六电容c6和第六电阻r6可以同时存在，也可以只用其中一个，可根据实际需求增减调整。

进一步地，如图2所示，该优化开关电源pf值和thdi的电路还包括：驱动管m1和下拉电阻r1。

驱动管m1的控制端连接pfc控制电路14的驱动信号输出端，驱动管m1的第一端连接pfc二极管d5的阳极，驱动管m1的第二端通过下拉电阻r1接地；驱动管m1的控制端接收pfc控制电路14输出的驱动信号，并根据驱动信号调节开关电源的pf值和thdi。

进一步地，pfc控制电路14包括pfc控制芯片，pfc控制芯片包括误差放大器，其中，pfc控制电路14的pfc检测端为图2中的pfc控制芯片的误差放大器的fb引脚，pfc控制电路14的过零输入端为图2中的pfc控制芯片的误差放大器的zcd引脚，pfc控制电路14的补偿信号检测端为图2中的pfc控制芯片的误差放大器的comp引脚，pfc控制电路14的驱动信号输出端为图2中的pfc控制芯片的误差放大器的pfc-drive引脚。

如图2所示，交流信号(市电)经过整流桥整流后，在电容c1的两端产生整流滤波信号，该整流滤波信号为脉动电压，该脉动电压经过pfc电感l1和pfc二极管d5后，把电压升高到预设的电压点(即pfc电压信号)，而由pfc控制芯片输出的驱动信号通过控制驱动管m1的开关动作，为电感储能，其中，驱动信号和整流滤波信号的波形如图3所示。

图3中，虚线为市电经过整流后输出的脉动电压，实线为根据市电输入情况在一个交流周期内的驱动管m1的驱动信号，该驱动信号由pfc控制芯片根据过零信号(zcd信号)、分压信号和叠加信号决定。同时，在pfc升压电感l1的辅助绕组上同步产生一路过零信号，该过零信号直接传送至pfc控制芯片的过零输入端，用于检测pfc升压电感l1的续流情况，该过零信号具有反激特性，其具体波形如图4所示。

由图4的波形图可以看出，过零信号具有包络走势与市电输入电压同步的特性，因此，利用过零信号的包络走势与市电输入电压同步的特性，把过零信号经过检波二极管d6和检波电容c7检波，还原出一路与整流滤波信号反相的脉动信号(即矫正补偿信号)，其具体波形如图5所示，该矫正补偿信号可用于矫正补偿pfc控制芯片的控制模式，以优化输入电流信号畸变失真和相移，达到改善pf值和thdi的目的。

该实施例中，优化开关电源pf值和thdi的电路的具体工作原理为：过零信号经过检波二极管d6和检波电容c7检波后输出的矫正补偿信号经过第六电容c6和第六电阻r6耦合到pfc控制芯片的误差放大器的comp引脚(补偿引脚)，该补偿引脚为pfc控制芯片内部的误差放大器的输出端，用于接第三电容c3、第四电阻r4和第五电容c5，以改善误差放大器的工作带宽和相位补偿，以提高电路的稳定性，该补偿引脚输出的补偿信号为一个直流信号叠加轻微的脉动信号，脉动频率为市电输入频率的2倍，与市电整流后的脉动电压频率相等，该补偿信号中的直流成分可以反映带电源带负载情况，负载越生，则电压越高，同时pfc控制芯片输出的驱动信号的占空比也越高。

进一步地，检波后的矫正补偿信号经过第六电容c6和第六电阻r6耦合到pfc控制芯片的误差放大器的comp引脚与pfc控制芯片输出的补偿信号叠加，第六电容c6和第六电阻r6与第三电容c3、第四电阻r4和第五电容c5组成的复合补偿电路13，在市电过零点部分对应补偿信号的最高点，组合叠加后的叠加信号导致pfc控制芯片的补偿信号检测端在市电过零点时刻有一个比原来信号更高的控制信号，进而使得pfc控制芯片输出的驱动信号占空比进一步提高，从而使输入电流波形在过零点时也有一定的电流输入，改善过输入电流过零眯平台，从而优化thdi。

进一步地，矫正补偿信号可以在一定程度上补偿相移，且由于输入端多个电容的存在，导致整个负载偏容性，使电流波形轻微超前电压波形，而新的过零信号的加入，使得在穿越市电过零点之后，随着输入信号正弦上升，检波后的矫正补偿信号反方向正弦下降，此下降走势会叠加到pfc控制芯片的误差放大器的comp引脚，控制输入电流的超前爬升走势，在正弦90度角之后，则向反方向补偿；随着输入信号正弦下降，检波后的矫正补偿信号反方向正弦上升，此上升走势会叠加到pfc控制芯片的误差放大器的comp引脚，控制输入电流的超前下降走势，综合使得超前的电流信号推挤到更小的相移角度，从而改善pf值。

参考图6、图7和图8，图6中虚线为输入电流(ac-i)波形，实线输入电压(ac-v)波形；图7中，虚线为矫正补偿信号(comp1)，实线为pfc控制芯片中的误差放大器输出的补偿信号(comp)；图8中，虚线为输入电流(ac-i)波形，实线输入电压(ac-v)波形。由图8中可以看出，本发明通过复合补偿后可有效补偿过零点时的电流平台，改善输入电流的thdi特性。

进一步地，本发明从pfc升压电感l1的辅助绕组的反激正弦包络信号中提取出反相于市电整流后的整流滤波信号的过零信号，该过零信号经过检波后输出矫正补偿信号，该矫正补偿信号通过阻容的方式叠加到pfc控制芯片的误差放大器的comp引脚，通过提升交流输入过零点时驱动管m1的驱动信号信号占空比的方法，达到提高pf值和降低输入电流谐波含量的目的，并通过反相正弦采样的方式动态调节pfc控制芯片的误差放大器的comp引脚的信号的方法，改善交流输入电流与电压差的方式，提高pf值和降低输入电流谐波含量。

进一步地，本发明还提供一种开关电源，该开关电源包括：整流滤波电路以及本发明实施例公开的优化开关电源pf值和thdi的电路。

所述整流滤波电路的输入端接收交流信号，所述整流滤波电路的输出端与所述优化开关电源pf值和thdi的电路的输入端连接，用于对所述交流信号进行整流滤波处理，并输出整流滤波信号至所述优化开关电源pf值和thdi的电路；所述优化开关电源pf值和thdi的电路根据所述整流滤波信号输出驱动信号以调节开关电源的pf值和thdi。

具体的，整流滤波电路如图2中所示，包括：二极管d1、二极管d2、二极管d3和二极管d4组成的整流桥以及滤波电容c1。交流信号(市电)经过整流桥整流后，在滤波电容c1的两端产生整流滤波信号，该整流滤波信号经过pfc升压电感l1输入至优化开关电源pf值和thdi的电路。

以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。