專利名稱：用于電子鎮(zhèn)流器的cmos功率因數(shù)校正控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及升壓型功率因數(shù)校正電路，尤其是一種用于電子鎮(zhèn)流器的CMOS功率 因數(shù)校正控制電路，是一種可與鎮(zhèn)流控制電路集成在一起的有源功率因數(shù)校正控制電路。
背景技術(shù)：
AC輸入電流諧波被認為是一種"電力公害"，為了減少非線性負載對交流電網(wǎng)產(chǎn)生
的諧波污染，國內(nèi)外已普遍對開關(guān)電源設(shè)備的輸入電流諧波提出了嚴格的限制標準，要求
提高輸入級的功率因數(shù)。例如歐盟最近頒布的《關(guān)于非定向家用電燈生態(tài)設(shè)計要求指令》中
要求功率在25W以上(包括25W)的電子節(jié)能燈的功率因數(shù)必須大于等于0. 9。 目前，應(yīng)用最普遍的有源功率因數(shù)校正電路是采用升壓型(Boost)電路，通過有
源控制電路使輸入電流跟隨輸入電壓的變化，達到提高輸入級功率因數(shù)的目的。 圖1是現(xiàn)有被普遍采用的有源功率因數(shù)校正電路原理圖。輸入交流電源經(jīng)電磁
干擾濾波電路(Electro Magnetic Interference,簡稱EMI)濾波后輸入到整流橋，整流橋
由4個二極管D1、D2、D3、D4連接構(gòu)成，該整流橋?qū)⑤斎氲慕涣麟娮儞Q為脈動的直流電作為
Boost電路的輸入，Boost電路由升壓電感L1、開關(guān)功率管M1、升壓二極管D5和輸出濾波電
容Cout連接構(gòu)成，脈動的直流電經(jīng)該Boost電路升壓變換成高壓直流電供給負載。有源控
制電路采用雙環(huán)控制電路，包括 平均電流型內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制(P麗)控制電路，該電路檢測輸入升壓電感LI的電流， 并將檢測結(jié)果與正弦電流樣本比較，然后輸出正弦脈寬調(diào)制(SP麗)信號控制主開關(guān)M1的 開通和關(guān)斷； 電壓反饋及外環(huán)控制電路，該電路檢測輸出電容Cout上的電壓，并使輸出電壓穩(wěn) 定，其輸出電壓誤差信號輸入到模擬信號運算電路中； 為達到校正輸入電流波形，使之正弦化并跟隨輸入電壓波形的目的，在雙環(huán)控制 電路的外環(huán)控制電路和內(nèi)環(huán)控制電路之間還需依次加入除法器電路和乘法器電路，同時還 需要加入輸入電壓平均值采樣電路和平方器電路，將前饋交流輸入電壓的平均值經(jīng)平方運 算后，輸入到除法器電路。外環(huán)控制電路的誤差輸出信號經(jīng)過除法運算，與交流輸入電壓平 均值的平方相除后，其輸出信號與前饋的輸入電壓瞬時值作乘法運算，形成供內(nèi)環(huán)控制電 路校正波形用的正弦電流樣本。 從上述圖1的功率因數(shù)校正電路的控制電路原理描述中可以看出，控制電路的模 擬信號運算較多，硬件實現(xiàn)較為復(fù)雜。內(nèi)環(huán)和外環(huán)為適應(yīng)環(huán)路穩(wěn)定和調(diào)節(jié)需要，都需要增加 補償校正電路，這使得設(shè)計和調(diào)試都變得困難。典型代表就是美國尤尼創(chuàng)(Unitrode)公司 的功率因數(shù)校正專用集成芯片UC3854。 在節(jié)能燈鎮(zhèn)流器的應(yīng)用場合，不論是使用以上控制方法的專用的集成電路，還是 使用類似控制方法實現(xiàn)有功率因數(shù)校正的功率因數(shù)與鎮(zhèn)流控制組合集成電路，都因設(shè)計和 生產(chǎn)成本較高，從而增加電子節(jié)能燈的成本，影響了 "綠色照明"——用節(jié)能燈替代白熾燈 的推廣速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種用于電子鎮(zhèn)流器的CMOS功率因數(shù) 校正控制電路，它是一種簡單有效的，并可用CMOS工藝集成的有源功率因數(shù)校正控制電 路，便于和金鹵燈電子鎮(zhèn)流器控制電路、熒光燈電子鎮(zhèn)流器控制電路等氣體放電燈電子鎮(zhèn) 流器控制電路集成在一起，并復(fù)用鎮(zhèn)流器電路中的某些部件，從而降低控制電路的復(fù)雜性， 節(jié)省控制電路的設(shè)計和硬件成本。 本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種用于電子鎮(zhèn)流器的CMOS功率因數(shù)校正 控制電路，設(shè)有主功率電路和控制電路兩部分構(gòu)成的升壓型有源功率因數(shù)校正電路，其中， 主功率電路設(shè)有包括用于接收輸入交流電壓的電磁干擾濾波電路、用于將交流電壓轉(zhuǎn)換為 脈動直流電壓的整流橋、升壓型電路以及負載，交流電源經(jīng)過電磁干擾濾波電路后，輸入給 整流橋，整流橋?qū)⑤斎氲慕涣麟娮儞Q為脈動的直流電輸入到升壓型電路，經(jīng)升壓變換成高 壓直流電輸出給負載； 其特征在于設(shè)置一用于控制升壓型電路中開關(guān)功率管的開通或關(guān)斷，以使電感 電流達到預(yù)定波形的控制電路，該控制電路包括
脈沖信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生脈沖波； 梯形信號形成電路，用于檢測升壓型電路的輸入電壓和輸出電壓，并轉(zhuǎn)換成梯型 信號； 受梯形信號控制的脈寬調(diào)制與緩沖驅(qū)動電路，用于將梯型信號轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制信 號，驅(qū)動控制升壓型電路的開關(guān)功率管； 脈沖信號發(fā)生器的輸出端與梯形信號形成電路的脈沖信號接收端連接，梯形信號 形成電路的輸出端與受梯形信號控制的脈寬調(diào)制與緩沖驅(qū)動電路的輸入端連接，受梯形信 號控制的脈寬調(diào)制與緩沖驅(qū)動電路的輸出端與升壓型電路的開關(guān)功率管的柵極連接；梯形 信號形成電路的輸入電壓檢測端檢測升壓型電路的輸入電壓即整流橋的輸出電壓，梯形信 號形成電路的輸出電壓檢測端檢測升壓型電路的輸出電壓即負載兩端的電壓；脈沖信號 發(fā)生器的輸出信號輸入到梯形信號形成電路，梯形信號形成電路產(chǎn)生的梯型信號輸入到受 梯形信號控制的脈寬調(diào)制與緩沖驅(qū)動電路，受梯形信號控制的脈寬調(diào)制與緩沖驅(qū)動電路產(chǎn) 生的控制信號驅(qū)動升壓型電路的開關(guān)功率管，使電感電流的包絡(luò)波形跟隨輸入交流電壓波 形，完成功率因數(shù)校正，提供穩(wěn)定的直流母線電壓輸出。 上述脈沖信號發(fā)生器可采用555電路構(gòu)成，也可以是其他的振蕩電路；梯形信號 形成電路含一個耦合電容， 一個采樣電容， 一個輸入電壓采樣電阻， 一個輸出電壓采樣電阻 及一個穩(wěn)壓管；其中，耦合電容的一端作為脈沖信號采樣端與脈沖信號發(fā)生器的輸出端連 接，耦合電容另一端與采樣電容的一端、輸入電壓采樣電阻的一端、輸出電壓采樣電阻的一 端以及穩(wěn)壓管的陰極連接在一起作為梯形信號形成電路的輸出端，采樣電容的另一端及穩(wěn) 壓管的陽極均接地；輸入電壓采樣電阻的另一端與升壓型電路的輸入端連接，輸出電壓采 樣電阻的另一端與升壓型電路的輸出端連接； 梯形信號形成電路中，一個電容起耦合作用，將脈沖信號發(fā)生器輸出的脈沖信號 耦合至采樣點；另一個電容起采樣作用，在采樣周期內(nèi)，該電容被充電，當脈沖信號下降沿 到來后，采樣電容被刷新，并開始下一個采樣周期；一個電阻作為Boost電路輸入端電壓采樣電阻，檢測到的電壓通過該電阻對采樣電容充電，梯型信號的上升斜率與所采樣得到的
電壓有關(guān)，電壓越高，斜率越大。另一個電阻作為Boost電路輸出端電壓采樣電阻，檢測到
的電壓通過該電阻對采樣電容充電，梯型信號上升的斜率與所采樣得到的電壓有關(guān)，電壓
越高，斜率越大；穩(wěn)壓管在采樣完成后將采樣電容的電壓穩(wěn)定在一定值。 受梯形信號控制的脈寬調(diào)制與緩沖驅(qū)動電路含一個電壓比較器及一個緩沖驅(qū)動
器；其中電壓比較器的一個輸入端與參考電壓連接，另一個輸入端與梯形信號形成電路的
輸出端連接，電壓比較器的輸出端與緩沖驅(qū)動器的輸入端連接，緩沖驅(qū)動器的輸出端與升
壓型電路的開關(guān)功率管柵極連接。 本發(fā)明的優(yōu)點及顯著效果 本發(fā)明采用全CMOS工藝器件，易于實現(xiàn)，成本低。 本發(fā)明作為有源功率因數(shù)校正方法，可以獲得與無源功率因數(shù)校正相比更高的功 率因數(shù)。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)采用雙環(huán)控制的有源功率因數(shù)校正電路相比，不必使用繁雜的 模擬信號運算電路，如乘法器電路等，可以全部采用CMOS工藝實現(xiàn)，容易與鎮(zhèn)流控制電路 工藝兼容，因此可以大大降低設(shè)計和生產(chǎn)成本。 本發(fā)明的一個應(yīng)用實例是，可用于將其與鎮(zhèn)流控制電路集成在同一芯片上，只需 增加很小的芯片面積即可實現(xiàn)具有有源功率因數(shù)校正的鎮(zhèn)流控制，因此可以顯著降低具有 APFC功能的電子整流器的成本。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)功率因數(shù)校正電路的原理圖；
圖2為本發(fā)明的功率因數(shù)校正電路的原理框圖；
圖3為圖2的具體電路實施例圖； 圖4為當交流電源的輸入電壓在0點附近時，在圖3中的功率因數(shù)校正電路的限 定點上的信號波形； 圖5為當交流電源的輸入電壓在O與峰值之間的某一點時，在圖3中的功率因數(shù) 校正電路的限定點上的信號波形； 圖6為當交流電源的輸入電壓在峰值附近時，在圖3中的功率因數(shù)校正電路的限 定點上的信號波形。
具體實施例方式
參看圖2，本發(fā)明設(shè)有EMI濾波電路1、整流橋2、Boost電路3、負載4，以上構(gòu)成主 功率電路，交流電源經(jīng)過EMI電磁干擾濾波電路1后，輸入給整流橋2，整流橋?qū)⑤斎氲慕涣?電變換為脈動的直流電輸入到升壓型Boost電路3，經(jīng)升壓變換成高壓直流電輸出給負載 4;脈沖信號發(fā)生器5、梯形信號形成電路6、受梯形信號控制的脈寬調(diào)制與緩沖驅(qū)動電路7， 以上構(gòu)成有源控制電路取代現(xiàn)有技術(shù)采用雙環(huán)控制電路； 參看圖3，整流橋2包括4個二級管D1、D2、D3、D4 ;Boost電路3包括輸入濾波電 容Cin、升壓電感Ll 、開關(guān)功率管Ml 、升壓二極管D5和輸出濾波電容Cout ;梯形信號形成電 路6包括輸入電壓檢測電阻Rl、輸出電壓檢測電阻R2、脈沖信號輸入耦合電容Cl、采樣電
5容C2和穩(wěn)壓管Zl。受梯形信號控制的脈寬調(diào)制與緩沖驅(qū)動電路7包括電壓比較器和緩沖 驅(qū)動器。EMI濾波器1的輸入端接交流電源。EMI濾波器1的一個輸出端、二級管D1的陽 極及二極管D3的陰極相互連接于節(jié)點nl ;EMI濾波器1的另一個輸出端、二級管D2的陽極 及二極管D4的陰極相互連接于節(jié)點n2 ;二極管D1的陰極、二極管D2的陰極、Boost電路的 輸入濾波電容Cin的一端、升壓電感Ll的一端及輸入采樣電阻Rl的一端相互連接于節(jié)點 n3 ;二極管D3的陽極、二極管D4的陽極、Boost電路輸入濾波電容Cin的另一端、開關(guān)功率 管M1的源極、Boost電路的輸出電容Cout的一端、負載4的一端、采樣電容C2的一端及穩(wěn) 壓管Zl的陽極相互連接于節(jié)點n4， n4作為接地端；升壓電感Ll的另一端、開關(guān)功率管Ml 的漏極及升壓二級管D5的陽極相互連接于節(jié)點n5 ;升壓二級管D5的陰極、Boost電路的輸 出濾波電容Cout的另一端、輸出采樣電阻R2的一端及負載4的另一端相互連接于節(jié)點n6 ; 脈沖信號發(fā)生器的輸出端、耦合電容C1的一端相互連接于節(jié)點n7 ;C1的另一端、輸入采樣 電阻R1的另一端、輸出采樣電阻R2的另一端、采樣電容C2的另一端、穩(wěn)壓管Z1的陰極及 電壓比較器的反相輸入端相互連接于節(jié)點n8;電壓比較器的同相輸入端與參考電壓Vref 相互連接于節(jié)點n9 ;電壓比較器的輸出端與緩沖驅(qū)動器的輸入端相互連接于節(jié)點n10 ;緩 沖驅(qū)動器的輸出端與開關(guān)功率管M1的柵極相互連接于節(jié)點nll。 本發(fā)明的工作原理脈沖信號發(fā)生器5產(chǎn)生一個固定頻率、固定占空比的脈沖信 號。當脈沖信號為高電平時，穩(wěn)壓管Z1將采樣電容C2的電壓箝位在其穩(wěn)壓電壓。該穩(wěn)壓 電壓高于電壓比較器的參考電壓Vref，緩沖驅(qū)動器輸出為低電平。當脈沖信號的下降沿到 來時，經(jīng)脈沖信號輸入耦合電容C1耦合，使得采樣電容C2的電壓向負方向跳變，跳變后的 電壓低于電壓比較器的參考電壓，電壓比較器輸出翻轉(zhuǎn)，緩沖驅(qū)動器輸出為高電平。
采樣電容C2的電壓向負方向跳變后即為新的一個采樣周期的開始，此后輸入電 壓采樣電阻Rl檢測Boost電路3的輸入電壓(即整流橋2的輸出電壓)，該電壓通過采樣 電阻Rl對采樣電容C2充電；輸出采樣電阻R2檢測Boost電路3的輸出電壓(即負載兩 端的電壓)，該電壓通過采樣電阻R2對采樣電容C2充電，使采樣電容的電壓在每個采樣周 期，自負向跳變后的初始電壓向上升(采樣電容負向跳變后的初始電壓低于電壓比較器參 考電壓)。它們有如下關(guān)系 1、采樣電容C2的電壓上升的斜率與整流橋2輸出端在該采用周期內(nèi)的電壓有關(guān) 電壓越高，充電越快，使得控制器輸出的控制信號的占空比越小；電壓越低，充電越慢，使得 控制器輸出的控制信號的占空比越大。 2、采樣電容的電壓上升的斜率與Boost電路的輸出端在該采用周期內(nèi)的電壓有 關(guān)電壓越高，充電越快，使得控制器輸出的控制信號的占空比越小；電壓越低，充電越慢， 使得控制器輸出的控制信號的占空比越大。 當采樣電容電壓上升至高于電壓比較器參考電壓時，電壓比較器輸出再次翻轉(zhuǎn)， 緩沖驅(qū)動器輸出為低電平。 該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了兩種功能，如圖4，圖5，圖6所示。圖4、5、6中，上圖均為脈沖信號 發(fā)生器輸出波形，中圖實線均為為采樣電容C2的電壓波形，虛線均為為電壓比較器參考電 壓Vref，下圖均為脈沖驅(qū)動器輸出波形。 1、在交流電源的輸入電壓從零按正弦規(guī)律變化到峰值過程中，開關(guān)控制信號(控 制器輸出信號)的占空比逐漸減小，在輸入電壓峰值附近，開關(guān)控制信號的占空最小，此后
6占空比又隨輸入電壓的減小而逐漸增大，周而復(fù)始，從而使交流電源輸入的電流的波形跟 隨輸入電壓的波形。 2、當輸出電壓變高時，對采樣電容C2的充電電流變大，電壓上升斜率變大，從而 使開關(guān)控制信號的占空比減?。划斴敵鲭妷鹤兊?，采樣電容的充電電流變小，電壓上升斜率 變小，從而使開關(guān)控制信號的占空比增大，這樣使得直流輸出電壓穩(wěn)定在一定的范圍。
本發(fā)明簡化了現(xiàn)有功率因數(shù)校正電路中的有源控制電路，不必使用繁雜的模擬信 號運算電路和復(fù)雜的采樣電路，可以全部用CMOS工藝實現(xiàn)，不必采用雙極型工藝或BiCMOS 工藝，降低了電路的設(shè)計和生產(chǎn)成本。例如可將本電路集成在鎮(zhèn)流控制芯片中，可復(fù)用鎮(zhèn)流 器中的脈沖信號，這樣就可以在基本上不增加成本的基礎(chǔ)上實現(xiàn)具有有源功率校正功能的 電子鎮(zhèn)流器專用集成電路。當然，本電路方法也可用于需要有源功率因數(shù)校正功能的其他 功率集成電路。
權(quán)利要求
一種用于電子鎮(zhèn)流器的CMOS功率因數(shù)校正控制電路，設(shè)有含主功率電路和控制電路兩部分構(gòu)成的升壓型有源功率因數(shù)校正電路，其中，主功率電路設(shè)有包括用于接收輸入交流電壓的電磁干擾濾波電路、用于將交流電壓轉(zhuǎn)換為脈動直流電壓的整流橋、升壓型電路以及負載，交流電源經(jīng)過電磁干擾濾波電路后，輸入給整流橋，整流橋?qū)⑤斎氲慕涣麟娮儞Q為脈動的直流電輸入到升壓型電路，經(jīng)升壓變換成高壓直流電輸出給負載；其特征在于設(shè)置一用于控制升壓型電路中開關(guān)功率管的開通或關(guān)斷，以使電感電流達到預(yù)定波形的控制電路，該控制電路包括脈沖信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生脈沖波；梯形信號形成電路，用于檢測升壓型電路的輸入電壓和輸出電壓，并轉(zhuǎn)換成梯型信號；受梯形信號控制的脈寬調(diào)制與緩沖驅(qū)動電路，用于將梯型信號轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制信號，驅(qū)動控制升壓型電路的開關(guān)功率管；脈沖信號發(fā)生器的輸出端與梯形信號形成電路的脈沖信號接收端連接，梯形信號形成電路的輸出端與受梯形信號控制的脈寬調(diào)制與緩沖驅(qū)動電路的輸入端連接，受梯形信號控制的脈寬調(diào)制與緩沖驅(qū)動電路的輸出端與升壓型電路的開關(guān)功率管的柵極連接；梯形信號形成電路的輸入電壓檢測端檢測升壓型電路的輸入電壓即整流橋的輸出電壓，梯形信號形成電路的輸出電壓檢測端檢測升壓型電路的輸出電壓即負載兩端的電壓；脈沖信號發(fā)生器的輸出信號輸入到梯形信號形成電路，梯形信號形成電路產(chǎn)生的梯型信號輸入到受梯形信號控制的脈寬調(diào)制與緩沖驅(qū)動電路，受梯形信號控制的脈寬調(diào)制與緩沖驅(qū)動電路產(chǎn)生的控制信號驅(qū)動升壓型電路的開關(guān)功率管，使電感電流的包絡(luò)波形跟隨輸入交流電壓波形，完成功率因數(shù)校正，提供穩(wěn)定的直流母線電壓輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于電子鎮(zhèn)流器的CMOS功率因數(shù)校正控制電路，其特征在 于脈沖信號發(fā)生器采用555電路構(gòu)成；梯形信號形成電路含一個耦合電容，一個采樣電 容，一個輸入電壓采樣電阻，一個輸出電壓采樣電阻及一個穩(wěn)壓管；其中，耦合電容的一端 作為脈沖信號采樣端與脈沖信號發(fā)生器的輸出端連接，耦合電容另一端與采樣電容的一 端、輸入電壓采樣電阻的一端、輸出電壓采樣電阻的一端以及穩(wěn)壓管的陰極連接在一起作 為梯形信號形成電路的輸出端，采樣電容的另一端及穩(wěn)壓管的陽極均接地；輸入電壓采樣 電阻的另一端與升壓型電路的輸入端連接，輸出電壓采樣電阻的另一端與升壓型電路的輸 出端連接；受梯形信號控制的脈寬調(diào)制與緩沖驅(qū)動電路含一個電壓比較器及一個緩沖驅(qū)動器；其 中電壓比較器的一個輸入端與參考電壓連接，另一個輸入端與梯形信號形成電路的輸出端 連接，電壓比較器的輸出端與緩沖驅(qū)動器的輸入端連接，緩沖驅(qū)動器的輸出端與升壓型電 路的開關(guān)功率管柵極連接。
全文摘要
一種用于電子鎮(zhèn)流器的CMOS功率因數(shù)校正控制電路，設(shè)有包括用于接收輸入交流電壓的電磁干擾濾波電路、用于將交流電壓轉(zhuǎn)換為脈動直流電壓的整流橋、升壓型電路以及負載，交流電源經(jīng)過電磁干擾濾波電路后，輸入給整流橋，整流橋?qū)⑤斎氲慕涣麟娮儞Q為脈動的直流電輸入到升壓型電路，經(jīng)升壓變換成高壓直流電輸出給負載；其特征在于設(shè)置一用于控制升壓型電路中開關(guān)功率管的開通或關(guān)斷，以使電感電流達到預(yù)定波形的控制電路取代現(xiàn)有技術(shù)采用雙環(huán)控制的有源控制電路，使電感電流的包絡(luò)波形跟隨輸入交流電壓波形，完成功率因數(shù)校正，提供穩(wěn)定的直流母線電壓輸出。
文檔編號H05B41/36GK101742801SQ200910262849
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者夏曉娟, 孫偉鋒, 孫大有, 時龍興, 蘇鵬飛, 陸生禮 申請人:東南大學(xué)