[发明专利]具有功率因子校正和恒流输出的单级电源

说明书

技术领域

本发明总体上涉及电源，更具体而言，本发明涉及用于对电源的输出作调节的控制电路。

背景技术

在典型的开关模式(switched-mode)电源应用中，ac-dc电源从普通的ac插座接收介于100伏特和240伏特rms(均方根)之间的输入。该电源中的开关被控制电路接通和断开以提供已调节的输出，该输出可适于向例如用于照明的发光二极管(LED)提供电流。该已调节的输出典型地是已调节的dc电流，而该LED处的电压典型地小于40伏。

向LED提供已调节的电流的ac-dc电源典型地必须满足对功率因子、流电隔离(galvanic isolation)和效率的要求，如下文所解释的。设计者面临以最低成本提供满意方案的挑战。

该插座提供ac电压，该ac电压具有符合振幅(magnitude)、频率和谐波内容(harmonic content)标准的波形。然而，从该插座引出的电流是由接收该ac电压的电源的特性所确定的。在许多应用中，监管机构为可从ac插座引出的电流的特定特性设置了标准。例如，一个标准可对ac电流的特定频率分量的振幅设置限制。在另一个实施例中，一个标准可根据插座提供的功率的量来限制该电流的rms值。功率在本语境中是指能量被消耗的速率，典型地以单位瓦特来计量。

所有这些针对ac电流的标准的总体目标是为了降低分配ac功率的系统上的负荷，该系统有时也被称作电力网(power grid)。处于ac电压的基频以外的频率的电流分量——有时也被称作谐波分量——不做有用功，但是电力网必须具有足以提供它们的容量，且必须耐受与它们相关的损耗。谐波分量通常使理想电流波形失真，以使其具有比递送所需功率所必需的高得多的最大值。如果电力网不具有足以提供谐波分量的容量，则电压的波形将在与电流的失真波形的峰值相重合的时候降到不可接受的值。最期望的ac电流具有处于ac电压的基频的单个频率分量。理想电流将具有这样的rms值，其等于来自插座的功率的值除以电压的rms值。换句话说，当电流具有理想特性时，rms电压与rms电流的乘积将等于来自插座的功率。

功率因子(power factor)是ac电流与理想状态的接近程度的度量。功率因子就是，来自插座的功率除以rms电流与rms电压的乘积。功率因子为100％是理想的。具有除了ac电压的基频之外的频率分量的电流将产生小于100％的功率因子，因为这样的分量增加了rms值却对输出功率无贡献。ac电压的基频在世界上的不同地区典型地是50Hz或60Hz。例如，ac电压的基频在北美和台湾是标称60Hz，而在欧洲和中国则是50Hz。

由于接收ac电压的电源确定了ac电流的特性，所以电源常常在其输入处使用专用的有源电路，以维持高的功率因子。在其输入处仅使用普通无源整流器电路的电源典型地具有低的功率因子，在某些实施例中小于50％，然而典型地需要基本大于90％的功率因子，以满足输入电流的标准，例如国际电工委员会(IEC)标准IED 61000-3-2。虽然某些地区的监管机构可推行这些标准，但消费设备制造商常常自发地将他们的产品设计为满足或超越功率因子标准，以实现竞争优势。因此，例如用于LED的ac-dc电源典型地必须包括功率因子校正。

安全机构通常要求电源在输入和输出之间提供流电隔离(galvanic isolation)。流电隔离防止dc电流在电源的输入和输出之间流动。换句话说，施加在具有流电隔离的电源的输入端和输出端之间的高的dc电压将不会在该电源的输入端和输出端之间产生dc电流。对流电隔离的要求是电源成本的一个因素。

具有流电隔离的电源必须维持一个隔离屏障(isolationbarrier)，该隔离屏障将输入与输出在电学上隔离。能量必须被传递穿过隔离屏障才能将功率提供到输出，且在许多情况下，反馈信号形式的信息被传递穿过隔离屏障以对输出进行调节。流电隔离典型地是用电磁和电光器件实现的。电磁器件——诸如变换器(transformer)和耦合电感(coupled inductor)——通常被用于在输入和输出之间传递能量以提供输出功率，而电光器件通常被用于在输出和输入之间传递信号以控制输入和输出之间的能量传递。

一个为具有流电隔离的ac-dc电源提供高功率因子的普通方案使用两级功率转换：没有流电隔离的一级对ac输入电流塑形以维持高的功率因子，从而为功率转换的第二级提供中间输出，所述第二级具有带控制电路的流电隔离以调节最终输出。使用不止一级的功率转换增加了系统的成本和复杂度。