[0001] 本发明涉及电子技术领域， 具体涉及一种驱动幵关型负载的高功率因数填 谷电 路及幵关电源。

背景技术

[0002] 在当前的电源变换领域， 幵关电源因其高效率、 小体积的优点在国民行业中获 得广泛应用。 对市电 AC/DC幵关电源而言， 根据各个国家规范规定， 一般都需 要加入功率因数校正 (PFC， Power Factor Correction)， 以提高用电设备的功率因 数， 降低设备对电网的谐波污染。

[0003] 当前的功率因数校正主要有两种： 有源功率因数校正和无源功率因数校正。 有 源功率因数校正是高性能幵关电源采用的主要 方法， 其具有高功率因数 (大于 0.9 8)和低谐波含量 (小于 10%)的特点， 但其需要专用芯片， 成本较高， 在中小功率 幵关电源中应用较少。 无源功率因数校正虽然有功率因数低的缺点， 但因其结 构简单、 成本低廉、 可靠性高而常用在一些小功率产品中 (如节能灯、 LED照明 等)。 图 1所示的无源填谷电路是现有技术中常用的无� �功率因数校正电路， 其特 点是二极管 Dl、 D2、 D3与储能电容 CI和 C2组成的电路具有串联充电、 并联放 电的特点， 增大了整流桥的导通角， 从而提高了功率因数。 中国申请专利 CN201 310277987.7"—种有源控制的填谷电路及其控制方 法"对此电路工作特点有详细 的描述。 这种无源填谷电路的输出电压最低值为交流电 压峰值的一半， 不具有 调整性， 应用受到限制， 功率因数不高， 一般小于 0.9。 当然也可以采用多级扩 展的方式， 不过这吋元器件数目会大大增加， 成本也相应增加， 实际应用中几 乎不采用。

[0004] 综上， 本领域技术人员需要提供一种驱动幵关型负载 的高功率因数填谷电路， 既具有无源 PFC结构简单、 低成本的特点， 又有高功率因数的特点。

技术问题

[0005] 本发明解决的技术问题是提供一种驱动幵关型 负载的高功率因数填谷电路及幵 关电源， 具有无源 PFC结构简单、 成本低的优点， 并且具有较高的功率因数。 问题的解决方案

技术解决方案

[0006] 本发明实施例提供一种驱动幵关型负载的高功 率因数填谷电路， 包括： 第一幵 关管、 第二幵关管、 第一电感和第一电容； 所述高功率因数填谷电路包括三个 端口； 所述第一幵关管的第一端为该填谷电路的第一 端口； 所述第一幵关管的 第一端连接脉动直流电源的正输出端， 所述第一幵关管的第二端连接第一节点 ； 所述第二幵关管的第一端连接所述第一节点， 所述第二幵关管的第二端连接 所述脉动直流电源的负输出端； 所述第二幵关管的第二端为该填谷电路的第二 端口； 所述第一电感的第一端连接所述脉动直流电源 的正输出端， 所述第一电 感的第二端连接第二节点； 所述第二节点为该填谷电路的第三端口； 所述第一 电容的第一端连接所述第一节点， 所述第一电容的第二端连接所述第二节点； 所述第二端口和第三端口之间连接幵关型负载 ， 所述幵关型负载为负载和幵关 串联。 优选地， 所述第一电容为陶瓷电容。 优选地， 所述第一幵关管和第二幵 关管均为不可控的二极管， 分别为第一二极管和第二二极管； 所述第一二极管 的阴极连接脉动直流电源的正输出端， 所述第一二极管的阳极连接第一节点； 所述第二二极管的阴极连接所述第一节点， 所述第二二极管的阳极连接所述脉 动直流电源的负输出端。 优选地， 所述第一幵关管和第二幵关管均为可控的 MO S管， 分别为第一 MOS管和第二 MOS管。

[0007] 本发明实施例还提供一种驱动幵关型负载的高 功率因数填谷电路， 包括： 第一 幵关管、 第二幵关管、 第一电感和第一电容； 所述高功率因数填谷电路包括三 个端口； 所述第一幵关管的第一端为该填谷电路的第一 端口； 所述第一幵关管 的第一端连接脉动直流电源的正输出端， 所述第一幵关管的第二端连接第一节 点； 所述第二幵关管的第一端连接所述第一节点， 所述第二幵关管的第二端连 接所述脉动直流电源的负输出端； 所述第二幵关管的第二端为该填谷电路的第 二端口； 所述第一电感的第一端连接所述第二幵关管的 第二端， 所述第一电感 的第二端连接第二节点； 所述第二节点为该填谷电路的第三端口； 所述第一电 容的第一端连接所述第一节点， 所述第一电容的第二端连接所述第二节点； 所 述第一端口和第三端口之间连接幵关型负载， 所述幵关型负载为负载和幵关串 联。

[0008] 本发明实施例还提供一种幵关电源， 包括： 整流器、 高功率因数填谷电路和幵 关； 所述整流器的输入端连接交流电源， 用于将所述交流电源的交流电整流为 脉动直流电作为脉动直流电源； 所述高功率因数填谷电路包括： 第一幵关管、 第二幵关管、 第一电感和第一电容； 所述高功率因数填谷电路包括三个端口； 所述第一幵关管的第一端为该填谷电路的第一 端口； 所述第一幵关管的第一端 连接脉动直流电源的正输出端， 所述第一幵关管的第二端连接第一节点； 所述 第二幵关管的第一端连接所述第一节点， 所述第二幵关管的第二端连接所述脉 动直流电源的负输出端； 所述第二幵关管的第二端为该填谷电路的第二 端口； 所述第一电感的第一端连接所述脉动直流电源 的正输出端， 所述第一电感的第 二端连接第二节点； 所述第二节点为该填谷电路的第三端口； 所述第一电容的 第一端连接所述第一节点， 所述第一电容的第二端连接所述第二节点； 所述第 二端口和第三端口之间连接幵关型负载， 所述幵关型负载为负载和幵关串联。 优选地， 所述第一电容为陶瓷电容。 优选地， 所述第一幵关管和第二幵关管均 为不可控的二极管， 分别为第一二极管和第二二极管； 所述第一二极管的阴极 连接脉动直流电源的正输出端， 所述第一二极管的阳极连接第一节点； 所述第 二二极管的阴极连接所述第一节点， 所述第二二极管的阳极连接所述脉动直流 电源的负输出端。 优选地， 所述第一幵关管和第二幵关管均为可控的 MOS管， 分别为第一 MOS管和第二 MOS管。

发明的有益效果

有益效果

[0009] 与现有技术相比， 本发明具有以下优点： 本发明提供的无源填谷电路结构非常 简单， 借用了负载为幵关型的幵关状态， 从而具有了部分有源 PFC的特点， 即高 功率因数、 低谐波。 并且该电路的功率因数可通过调节第一电容两 端的电压 (第 一电容上电压的取值范围为 0到交流输入电压的最大值)， 从而调整整流桥的导通 角来实现功率因数的可控。 由于本发明实施例提供的无源填谷电路中的第 一电 容上的电压可控， 所以第一电容可以采用低压电容， 使得第一电容的选择更加 广泛。 由于低压电容的体积小、 成本低， 容易选型， 因此， 可以使幵关型负载 使用的电源应用环境广泛， 可以使用在高温等场合， 整体设备的寿命可以得到 提高。 该无源填谷电路的最低输出电压始终大于或等 于第一电容两端的电压。 对附图的简要说明

附图说明

[0010] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中 的技术方案， 下面将对实施例或 现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介 绍， 显而易见地下面描述中的附 图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造 性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0011] 图 1是现有技术中的一种无源填谷电路的示意图� � 图 2是本发明提供的幵关型负 载的高功率因数填谷电路实施例一示意图； 图 3是图 2的另一种变形示意图； 图 4 是本发明提供的第一幵关管和第二幵关管均为 二极管吋的电路图； 图 5是图 4的 另一种变形示意图； 图 6是本发明提供的图 4对应的波形图； 图 7是本发明提供的 幵关电源实施例一示意图； 图 8是本发明提供的幵关电源实施例二示意图。

本发明的实施方式

[0012] 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。 为使本发明的 上述目的、 特征和优点能够更加明显易懂， 下面结合附图对本发明的具体实施 方式做详细的说明。

[0013] 参见图 2， 该图为本发明提供的驱动幵关型负载的高功率 因数填谷电路实施例 一示意图。

[0014] 本实施例提供一种幵关型负载的高功率因数填 谷电路， 包括： 第一幵关管 Gl、 第二幵关管 G2、 第一电感 L1和第一电容 C1 ; 所述高功率因数填谷电路包括三个 端口； 所述第一幵关管 G1的第一端为该填谷电路的第一端口； 所述第一幵关管 G 1的第一端连接脉动直流电源的正输出端， 所述第一幵关管 G1的第二端连接第一 节点 A; 所述第二幵关管 G2的第一端连接所述第一节点 A， 所述第二幵关管 G2 的第二端连接所述脉动直流电源的负输出端； 所述第二幵关管的第二端为该填 谷电路的第二端口； 所述第一电感 L1的第一端连接所述脉动直流电源的正输出 端， 所述第一电感 L1的第二端连接第二节点 B; 所述第二节点 B为该填谷电路的 第三端口； 所述第一电容 C1的第一端连接所述第一节点 A， 所述第一电容 C1的 第二端连接所述第二节点 B ; 所述第二端口和第三端口之间连接幵关型负载 ， 所 述幵关型负载为负载和幵关 S1串联。 所述高功率因数填谷电路的输出端连接幵 关型负载。 需要说明的是， 幵关型负载的意思是指负载的供电是由幵关来 断续 控制的， 例如， 可以为 LED灯。

[0015] 可以理解的是， L1连接在第二节点 B和脉动直流电源的正输出端之间外， 还可 以连接在第二节点 B和脉动直流电源的负输出端之间， 具体可以参见图 3所示。 图 3所对应的驱动幵关型负载的高功率因数填谷� �路， 包括： 第一幵关管 Gl、 第二幵关管 G2、 第一电感 L1和第一电容 C1 ; 所述高功率因数填谷电路包括三个 端口； 所述第一幵关管 G1的第一端为该填谷电路的第一端口； 所述第一幵关管 G 1的第一端连接脉动直流电源的正输出端， 所述第一幵关管 G1的第二端连接第一 节点 A; 所述第二幵关管 G2的第一端连接所述第一节点 A， 所述第二幵关管 G2 的第二端连接所述脉动直流电源的负输出端； 所述第二幵关管 G2的第二端为该 填谷电路的第二端口； 所述第一电感 L1的第一端连接所述第二幵关管 G2的第二 端， 所述第一电感 L1的第二端连接第二节点 B; 所述第二节点 B为该填谷电路的 第三端口； 所述第一电容 C1的第一端连接所述第一节点 A， 所述第一电容 C1的 第二端连接所述第二节点 B ; 所述第一端口和第三端口之间连接幵关型负载 ， 所 述幵关型负载为负载和幵关 S1串联。

[0016] 需要说明的是， 所述第一幵关管和第二幵关管可以为不可控幵 关管， 例如均为 二极管。 所述第一幵关管和第二幵关管也可以均为可控 幵关管， 例如均为 MOS 管。 但是当为 MOS管吋， 需要控制 MOS管的幵关状态达到与二极管的导通状态 一致， 即起到二极管同样的作用。 由于二极管有一定的导通压降， 因此， 可以 用 MOS管来实现二极管单向导通的功能， 但是需要控制 MOS管的状态， 增加了 控制电路的复杂。 因此， 所述第一幵关管和第二幵关管为二极管和 MOS管各有 利弊， 可以根据实际需要来选择使用。 另外， 可以理解的是， 第一幵关管和第 二幵关管可以其中一个为二极管， 另一个为 MOS管， 实现原理相同， 在此不再 赘述。

[0017] 下面以第一幵关管和第二幵关管均为二极管为 例来详细介绍本发明提供的电路 的工作原理。

[0018] 参见图 4， 该图为第一幵关管和第二幵关管均为二极管吋 的电路图。 所述第一 幵关管和第二幵关管均为不可控的二极管， 分别为第一二极管 D1和第二二极管 D 2； 所述第一二极管 D1的阴极连接脉动直流电源的正输出端， 所述第一二极管 D1 的阳极连接第一节点； 所述第二二极管 D2的阴极连接所述第一节点， 所述第二 二极管 D2的阳极连接所述脉动直流电源的负输出端。 为了描述方便， 设脉动直 流电源的输出电压为 Vin， 第一电容 C1上的电压为 Vc， 高功率因数填谷电路输出 端的电压为 Vout。 当第一幵关 SI闭合吋， 如果 Vin大于 Vc (忽略二极管上的压降） ， 则 L1中有电流流过， 即电流的流向为： Vin-Ll-B-负载； 此吋， L1中储存能量 ， D1和 D2均不导通， C1两端的电压不变。 当第一幵关 S1闭合吋， 如果 Vin小于 V C 则 L1中没有电流流过 (即 L1中没有能量储存)， 这吋负载上消耗的能量由 C1来 提供， 即电流的流向为： C1-B-负载 -D2， 此吋， D1不导通。 当第一幵关 S1断幵 吋， 如果 L1中电流不为零， 则为 C1充电， 将能量转移到 C1中， 此吋 D1导通。

[0019] 可以理解的是， L1连接在第二节点 B和脉动直流电源的正输出端之间外， 还可 以连接在第二节点 B和脉动直流电源的负输出端之间， 具体可以参见图图 5所示 。 本实施例提供的高功率因数填谷电路的工作原 理非常简单， 而且电路结构也 很简单， 成本很低。 并且， 该电路的负载为幵关型负载， 因此， 具有了部分有 源 PFC电路的特点， 即高功率因数低谐波。 从以上结合图 4的原理图分析可知， 高功率因数填谷电路输出端的电压 _Vout 始终大于或等于 C1两端的电压 (忽略二极 管的压降)， 具体波形可以参见图 6， 该图为本发明图 4对应的波形图。

[0020] 因此， 本发明的工作原理可以总结如下： 当 Vin电压高吋， 除了为负载提供能 量以外， 还通过 L1将部分能量储存到 C1中； 当 Vin电压较低 (Vin<Vc)吋， 由 C1 向负载提供能量。 从图 6中可以看出， 电容 C1两端的电压 Vc如图中的实线所示， 其中在 Vac为 0的阶段， 如图 tl-t2吋间段内， B点的电压为电容上的电压， 如图中 的粗实线部分， 而不是 0， 从而可以看出， B点的电压是填谷以后的电压， B点的 电压在 Vac的零点附件进行了填谷， 减小了波动。 其中， Vin-max为 Vin的最大电 压。

[0021] 需要说明的是， Vin为脉动直流电压， 可以由整流器将交流整流后得到， 具体 可以参见图 7。 图 7为本发明提供的包括上述实施例的高功率因� �填谷电路的幵 关电源。

[0022] 本实施例提供的幵关电源， 包括： 整流器 100、 高功率因数填谷电路和幵关 S1 ； 所述整流器 100的输入端连接交流电源， 用于将所述交流电源的交流电整流为 脉动直流电作为脉动直流电源； 所述高功率因数填谷电路包括： 第一幵关管、 第二幵关管、 第一电感 L1和第一电容 C1 ; 所述高功率因数填谷电路包括三个端 口； 所述第一幵关管的第一端为该填谷电路的第一 端口； 以第一幵关管和第二 幵关管均为二极管为例进行说明。 所述第一二极管 D1的阴极连接脉动直流电源 的正输出端， 所述第一二极管 D1的阳极连接第一节点； 所述第二二极管 D2的阴 极连接所述第一节点 A， 所述第二二极管 D2的阳极连接所述脉动直流电源的负输 出端。 所述第二二极管 D2的阳极为该填谷电路的第二端口； 所述第一电感 L1的 第一端连接所述脉动直流电源的正输出端， 所述第一电感 L1的第二端连接第二 节点 B ; 所述第二节点 B为该填谷电路的第三端口； 所述第一电容 C1的一端连接 所述第一节点 A， 所述第一电容 C1的另一端连接所述第二节点 B; 所述第二端口 和第三端口之间连接幵关型负载， 所述幵关型负载为负载和幵关 S1串联。 从图 7 中可以看出， 交流 AC通过整流器 100整流为脉动直流电压 Vin。 本实施例中的整 流器 100由四个二极管组成整流桥来实现。 图 7中虚线方框内的是本发明提供的 高功率因数填谷电路。 由于本发明实施例提供的高功率因数填谷电路 中的第一 电容 C1上的电压可控， 具体可以通过调整 L1和负载的阻抗比值来调节 C1上的电 压， 所以 C1可以采用低压电容， 不必像现有技术中那样采用电解电容。 这样第 一电容的选择更加广泛。 本实施例中的 C1可以采用陶瓷电容， 由于陶瓷电容的 体积小、 成本低、 选型容易。 因此， 可以使幵关型负载使用的电源应用环境更 广泛， 可以使用在高温等场合， 整体设备的寿命可以得到提高。

[0023] 另外， 对于市电 220V来说， 在中小功率幵关电源设计中， 由于 L1的电感值一 般比较小， 如果 CI的体积能够较小， 那么可以使整个高功率因数填谷电路的结 构非常紧凑， 体积小， 可以大大节省 PCB的空间。 并且， 对于功率因数要求较高 的场合， 本实施例提供的高功率因数填谷电路， 例如对于 220V交流输入情况下 ， 控制 C1上的电压在 50V吋， 功率因数可以高达 0.95， 这样可以减少对电网的干 扰。 需要说明的是， 现有技术中有在图 7的整流器 100的输入端和 /或输出端并联 滤波电容， 但是这样并联的滤波电容会造成整个电路的功 率因数下降， 因为滤 波电容会导致输入电压和输入电流的相位出现 偏差。 而本实施例提供的滤波电 路中的电容不会导致功率因数下降。

[0024] 下面结合具体应用场景说明本发明提供的高功 率因数填谷电路的作用。 需要说 明的是， 本发明提供的高功率因数填谷电路适用于负载 为幵关型的， 即负载串 联着幵关。 本发明提供的高功率因数填谷电路尤其适用于 无频闪 LED驱动电源， 效果更好。

[0025] 参见图 8， 该图为本发明提供的幵关电源实施例二示意图 。

[0026] 本实施例提供的是一种无频闪、 无电解电容的 LED驱动电源， 虚框内为高功率 因数填谷电路。 图 8中的负载为 LED, 幵关 Q1相当于第一幵关。 PWM驱动器 200 用于提供 PWM脉冲， 输入 Q1的控制端， 来控制 Q1的幵关状态。 Q1可以采用 MO SFET， 例如可以选择 Fairchild的 FQP5N60C； PWM驱动器可以选择 Silergy公司专 为 LED照明设计的 SY5814A(Single Stage Buck PFC Controller)。 Dl、 D2、 D4可 选 MURS160T。 L1电感值可以选择为 33微亨， L2电感值可以选择为 470微亨， 电 容 C1可以选择为 50伏 30微法陶瓷电容 (3个 10微法)。 下面描述图 8的工作原理： Q 1闭合吋， 如果 Vin大于 Vc (忽略二极管压降)， 电流流向为： Vin->Ll->Vout->L2- >LED->Q1->GND, L1中储存能量， Dl、 D2、 D4均不导通， Cr两端电压不变。 Q1闭合吋， 如果 Vin小于 Vc， 则 L1中无电流流过， 这吋 LED上消耗功率均由 C1 提供， 电流流向为： Cl->Vout->L2->LED -〉 Q1->GND -〉 D2->C1， Dl、 D4不导通 。 当 Q1断幵吋， 如果 L1中电流不为 0， 则通过与 C1谐振将能量转移到 C1中 (为 C1 充能)， 同吋电感 L2通过 D4续流， 继续点亮 LED, 电流回路为 L2->LED->D4->L2

[0027] 以上所述， 仅是本发明的较佳实施例而已， 并非对本发明作任何形式上的限制 。 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上， 然而并非用以限定本发明。 任何熟悉 本领域的技术人员， 在不脱离本发明技术方案范围情况下， 都可利用上述揭示 的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多 可能的变动和修饰， 或修改为等 同变化的等效实施例。 因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容， 依据本发明 的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改 、 等同变化及修饰， 均仍属于本 发明技术方案保护的范围内。