单IC驱动多路单级PFC并联电路及其工作方法

摘要

本发明实施例公开了单IC驱动多路单级PFC并联电路及其工作方法，该电路包括控制单元、主功率回路单元、电流检测单元以及平衡单元，主功率回路单元包括若干个变压器，变压器设有次级输出端以及初级输入端，若干个变压器的次级输出端连接有整流二极管，若干个变压器的初级输入端一端连接母线，若干个变压器的初级输入端另一端分别连接有Mos管，若干个Mos管的栅极分别与控制单元连接，若干个Mos管的源极与电流检测单元连接；若干个Mos管的漏极分别与平衡单元连接；平衡单元协调各个变压器所在的子功率回路信号的一致性。本发明实施例实现简化电路，节省制造成本，拓展单级反激拓扑应用功率范围；结合磁集成变压器，减少体积和提高效率。

权利要求

1.单IC驱动多路单级PFC并联电路，其特征在于，包括控制单元、主功率回路单元、电流检测单元以及平衡单元，所述主功率回路单元包括若干个变压器，所述变压器设有次级输出端以及初级输入端，若干个所述变压器的次级输出端连接有整流二极管，若干个所述变压器的初级输入端一端连接母线，若干个所述变压器的初级输入端另一端分别连接有Mos管，若干个所述Mos管的栅极分别与控制单元连接，若干个所述Mos管的源极分别与所述电流检测单元连接；若干个所述Mos管的漏极分别与所述平衡单元连接；主功率回路单元，用于在控制单元的驱动下，开通和关断所述Mos管，通过所述变压器实现能量变换；电流检测单元，用于检测所述Mos管的源极的电流信号提供给控制单元；平衡单元，用于协调各个所述变压器所在的子功率回路信号的一致性；还包括电压检测单元，所述电压检测单元与控制单元连接；所述电压检测单元，用于检测输出电压信号提供给控制单元；所述电压检测单元包括若干个所述变压器的其中一路的辅助绕组以及电阻分压器；所述平衡单元包括平衡电阻；所述电流检测单元包括检测电阻R13；

其中，主功率回路单元内的每个回路相对独立，每一路都拥有独立的变压器、Mos管、整流二极管以及平波电解电容，只在次级输出处汇合并联，初级侧通过平衡单元，一个电阻R7进行连接，并且全部电流流过共同的检测电阻R13，所有单元共用一个电压检测单元、一个供电单元、整流滤波单元，主功率回路单元由多于2路以上子单元组成时，只需要增加平衡单元电阻即可。

2.根据权利要求1所述的单IC驱动多路单级PFC并联电路，其特征在于，还包括所述整流滤波单元，所述整流滤波单元包括顺次连接的整流桥堆以及杂讯滤除元件，所述整流滤波单元的输入端连接交流电源，所述整流滤波单元的输出端连接母线。

3.根据权利要求1所述的单IC驱动多路单级PFC并联电路，其特征在于，还包括图腾扩流驱动单元，所述图腾扩流驱动单元分别与所述控制单元以及所述Mos管的栅极连接。

4.根据权利要求3所述的单IC驱动多路单级PFC并联电路，其特征在于，所述图腾扩流驱动单元包括第一开关元件。

5.根据权利要求4所述的单IC驱动多路单级PFC并联电路，其特征在于，所述第一开关元件包括三极管Q3，所述三极管Q3的基极与所述控制单元连接，所述三极管Q3的发射极与所述Mos管的栅极连接；所述三极管Q3的发射极与所述Mos管的栅极之间还连接有驱动电阻。

6.根据权利要求1所述的单IC驱动多路单级PFC并联电路，其特征在于，还包括供电单元；所述供电单元通过启动电阻与母线连接；所述供电单元与其中一个所述变压器的辅助绕组连接。

7.单IC驱动多路单级PFC并联电路的工作方法，所述工作方法使用了权利要求1至6任一项所述的单IC驱动多路单级PFC并联电路，其特征在于，包括：

控制单元驱动主功率回路单元内的Mos管关断时，若干个变压器形成一个等效变压器，将若干个变压器的初级输入端的电流汇集后由电流检测单元采集并输入至控制单元，当Mos管关断时，各个变压器反激向次级输出端传输能量，由平衡单元连接各变压器维持能量流动来协调平衡每一路所述变压器以维持近似同步的准谐振状态，等待所有变压器释放完能量后进入下一状态。

说明书

单IC驱动多路单级PFC并联电路及其工作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及单级PFC的驱动电路技术领域，尤其涉及单IC驱动多路单级PFC并联电路及其工作方法。

背景技术

[0002] 随着LED照明技术在道路照明中的普及，驱动电源设计彻底走向成熟，如何在完全竞争的市场现状里保持足够的竞争力就成为了各电源制造厂商关注的头号话题，在以往对灯光品质要求不高的道路照明领域，单级PFC(功率因数校正，Power Factor Correction)拓扑提供了一种廉价的选择，但因为开关器件电流应力过大以及变压器工艺难以克服的原因，单级PFC反激本身限制了在中大功率比如100W‑300W功率段的应用，而因此出现的多路独立式单级PFC反激并联，因为各个单元完全独立，随着路数的增多，不可避免的产生额外的倍增成本，比如IC、供电绕组及周边稳压、检测等等，成本高。而且当独立回路数增加到2路以上时，回路与回路之间会存在极强的扰动，影响驱动电源的稳定性。

[0003] 因此，有必要设计一种新的电路，实现简化电路和节约成本。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是提供单IC驱动多路单级PFC并联电路及其工作方法。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：提供单IC驱动多路单级PFC并联电路，包括控制单元、主功率回路单元、电流检测单元以及平衡单元，所述主功率回路单元包括若干个变压器，所述变压器设有次级输出端以及初级输入端，若干个所述变压器的次级输出端连接有整流二极管，若干个所述变压器的初级输入端一端连接母线，若干个所述变压器的初级输入端另一端分别连接有Mos管，若干个所述Mos管的栅极分别与控制单元连接，若干个所述Mos管的源极分别与所述电流检测单元连接；若干个所述Mos管的漏极分别与所述平衡单元连接；主功率回路单元，用于在控制单元的驱动下，开通和关断所述Mos管，通过所述变压器实现能量变换；电流检测单元，用于检测所述Mos管的源极的电流信号提供给控制单元；平衡单元，用于协调各个所述变压器所在的子功率回路信号的一致性。

[0006] 其进一步技术方案为：还包括电压检测单元，所述电压检测单元与控制单元连接；所述电压检测单元，用于检测输出电压信号提供给控制单元；所述电压检测单元包括若干个所述变压器的其中一路的辅助绕组以及电阻分压器。

[0007] 其进一步技术方案为：所述平衡单元包括平衡电阻。

[0008] 其进一步技术方案为：所述电流检测单元包括检测电阻R13。

[0009] 其进一步技术方案为：还包括所述整流滤波单元，所述整流滤波单元包括顺次连接整流桥堆以及杂讯滤除元件，所述整流滤波单元的输入端连接交流电源，所述整流滤波单元的输出端连接母线。

[0010] 其进一步技术方案为：还包括图腾扩流驱动单元，所述图腾扩流驱动单元分别与所述控制单元以及所述Mos管的栅极连接。

[0011] 其进一步技术方案为：所述图腾扩流驱动单元包括第一开关元件。

[0012] 其进一步技术方案为：所述第一开关元件包括三极管Q3，所述三极管Q3的基极与所述控制单元连接，所述三极管Q3的发射极与所述Mos管的栅极连接；所述三极管Q3的发射极与所述Mos管的栅极之间还连接有驱动电阻。

[0013] 其进一步技术方案为：还包括供电单元；所述供电单元通过启动电阻与母线连接；所述供电单元与其中一个所述变压器的辅助绕组连接。

[0014] 另外，本发明要解决的技术问题是还在于提供单IC驱动多路单级PFC并联电路的工作方法，包括：

[0015] 控制单元驱动主功率回路单元内的Mos管关断时，若干个变压器形成一个等效变压器，将若干个变压器的初级输入端的电流汇集后由电流检测单元采集并输入至控制单元，当Mos管关断时，各个变压器反激向次级输出端传输能量，由平衡单元连接各变压器维持能量流动来协调平衡每一路所述变压器以维持近似同步的准谐振状态，等待所有变压器释放完能量后进入下一状态。

[0016] 本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明通过设置控制单元、主功率回路单元、电流检测单元以及平衡单元，拓展了单级反激PFC拓扑的功率范围和应用领域，简化了电路设计，节省制造成本，主功率回路单元内采用同一个电流检测单元进行电流检测，在同一个控制单元的控制下，所有Mos管具有同样的导通时机和导通时间，保证了电流信号的一致性和有效性，采用平衡单元协调各子回路状态，保证了电压信号的一致性和有效性，多路设计可以允许不需要很大的变压器和大功率Mos管，只需要工艺允许的相对小的变压器和更易得的普通Mos管即可，而且不需要考虑Mos管分流平衡问题，具有广阔的应用前景；电路特有的严格同步性，允许磁集成变压器的使用，有效提高效率和减小体积。

[0017] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例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。

[0019] 图1为本发明实施例提供的单IC驱动多路单级PFC并联电路的示意性框图；

[0020] 图2为本发明实施例提供的单IC驱动多路单级PFC并联电路的具体电路原理图。

[0021] 图3为本发明实施例提供的一种用于磁集成的E‑I‑E型变压器的示意性结构图。

[0022] 图4为本发明实施例提供的三路及以上单级PFC并联时的平衡单元的接法示意图。

[0023] 图中标识说明：

[0024] 10、控制单元；20、主功率回路单元；30、电流检测单元；40、平衡单元；50、图腾扩流驱动单元；60、供电单元；70、电压检测单元；80、整流滤波单元。

具体实施方式

[0025] 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。

[0026] 应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

[0027] 还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

[0028] 还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

[0029] 请参阅图1，图1为本发明实施例提供的单IC驱动多路单级PFC并联电路的示意性框图。因为该电路具有严格的同步性，特别适合磁集成变压器。本发明实施例列举了如图3所示的一种E‑I‑E型变压器，其他类似的磁集成方法的应用都在本发明保护范围内。假设正常使用时需要独立的两个EI变压器，其中I片厚度与E片上面横部厚度相同；当使用磁集成技术时，两个变压器分别绕在上下两个芯柱上且所有对应绕组绕向相同，因为经过I片的磁链相反互相抵消，则中间只需要满足机械强度的薄的I片，允许两个绕组的不平衡磁链通过即可。这就大大减少了I片部分的磁损以及相当于两个I片厚度的变压器长度，具有明显的经济效果，更多路的磁集成变压器可以按照此思路叠加，而且，随着自动绕线技术的普及，这种变压器的绕组还可以同步绕制，在保证所有绕组的一致性之外，还大大简化了工艺和节省人工。

[0030] 单IC驱动多路单级PFC并联需要保证各个关键电信号，如电压、电流采样的一致性和有效性。因为各路元件工作状况及本身误差的影响以及元件温度，特别是次级二极管的VF在温度影响下的差异，导致不同单级电路之间的采样信号不同步，无法用其中一路的信号代表所有电路。解决这一问题，必须让所有电路建立一定的联系；一种选择是直接将所有相对应绕组直接并联，但由此带来的环流损耗以及EMI(电磁干扰，Electromagnetic Interference)问题以及实际布板的难度增加，都会使得这种选择不那么容易实现，特别是在两路以上的独立功率回路时；本实施例采用的多回路并联技术便于实现单IC驱动多路单级PFC。

[0031] 请参阅图1，上述的单IC驱动多路单级PFC并联电路，包括控制单元10、主功率回路单元20、电流检测单元30以及平衡单元40；主功率回路单元20包括若干个变压器，变压器设有次级输出端以及初级输入端，若干个所述变压器的次级输出端连接有整流二极管，若干个所述变压器的初级输入端一端连接母线，若干个所述变压器的初级输入端另一端分别连接有Mos管，若干个所述Mos管的栅极分别与控制单元10连接，若干个所述Mos管的源极与电流检测单30元连接；若干个所述Mos管的漏极分别与平衡单元40连接；主功率回路单元20，用于在控制单元的驱动下，开通和关断所述Mos管，通过所述变压器实现能量变换，具体是通过若干个变压器向次级输出能量；电流检测单元30，用于检测所述Mos管的源极的电流信号提供给控制单元；平衡单元40，用于协调各个所述变压器所在的子功率回路信号的一致性；具体地，平衡单元40，用于连接各变压器以维持微弱的能量流动来协调每一路所述变压器以维持近似同步的准谐振状态，等待所有变压器释放完能量后进入下一状态。

[0032] 请参阅图2，图2是本发明实施例提供的单IC驱动多路单级PFC并联电路的具体电路原理图，具体是展示了两路单级PFC并联的情况，本实施例提供的是两个变压器的并联，若干个变压器包括变压器T1以及变压器T2，该变压器T1的次级输出端以及变压器T2的次级输出端经过各自的整流二极管后并联，上述的Mos管包括Mos管Q1和Mos管Q6，该变压器T1的初级输入端与Mos管Q1的漏极连接，变压器T2的初级输入端与Mos管Q6的漏极连接，具体地，上述的Mos管Q1的漏极与变压器T1的初级输入端之间还连接有整流二极管D4、尖峰吸收电容C2以及泄放电阻R5，上述的Mos管Q6的漏极与变压器T2的初级输入端之间还连接有整流二极管D3、尖峰吸收电容C3以及泄放电阻R6。

[0033] 在一实施例中，上述的平衡单元40包括平衡电阻。

[0034] 在本实施例中，请参阅图2，上述的平衡电阻包括电阻R7，上述的电阻R7的一端连接在整流二极管D4与Mos管Q1的漏极之间，电阻R7的另一端连接在整流二极管D3以及Mos管Q6的漏极之间。

[0035] 在一实施例中，请参阅图2，上述的电流检测单元30包括检测电阻R13。

[0036] 主功率回路单元20内的每个回路相对独立，每一路都拥有独立的变压器、Mos管、整流二极管以及平波电解电容，只在次级输出处汇合并联，初级侧通过平衡单元40，一个电阻R7进行连接，并且全部电流流过共同的检测电阻R13(电流检测单元30)。所有单元共用一个电压检测单元70、一个供电单元60、整流滤波单元80，大大简化了之前独立电路并联。主功率回路单元20由多于2路以上子单元组成时，只需要增加平衡单元40电阻即可，比如增加到3路，如图4所示，其接法是用3个电阻分别接到3个Mos管的漏极，电阻的另一端接到一起连接成星型接法即可。其原理是，为保证信号的统一性，需要借助平衡单元40将电路间彼此联结，当其中一路的能量反激释放完成后，另一路就可以通过平衡单元40提供一定的能量给它，而电阻R7的存在限制了环流的大小，保证仅提供很微弱的能量给之前能量释放完成的单元维持住反激的状态，等待其他支路反激释放能量完成，当所有能量释放完成时，整体进入QR(准谐振，Quasi Resanent)模式，这就保证了电压信号采样的统一，而在反激储能阶段，因为导通时间相同，可以看成一个等效的电感处理，所以电流采样电阻上的电流信号，可以完全代表所有单元的电流信号，多单元时原理与此完全一样。

[0037] 另外，请参阅图2，上述的电流检测单元30还包括滤波电阻R13和滤波电容C7，该滤波电容C7的一端接地，另一端连接在检测电阻R13与控制单元10之间，起到滤波的作用。

[0038] 多路设计可以允许不需要很大的变压器和大功率Mos管，只需要工艺允许的相对小的变压器和更易得的普通Mos管即可，而且不需要考虑Mos管分流平衡问题，具有广阔的应用前景；电路特有的严格同步性，允许磁集成变压器的使用，有效提高效率和减小体积。

[0039] 在一实施例中，请参阅图1，上述的单IC驱动多路单级PFC并联电路，还包括图腾扩流驱动单元50，图腾扩流驱动单元50分别与控制单元10以及Mos管的栅极连接。

[0040] 单个控制单元10并不能驱动多个Mos管，通过设置图腾扩流驱动单元50对电流进行扩流后，实现同时驱动多个独立回路的Mos管。

[0041] 在一实施例中，上述的图腾扩流驱动单元50包括第一开关元件。

[0042] 具体地，请参阅图2，上述的第一开关元件包括三极管Q3，三极管Q3的基极与控制单元10连接，三极管Q3的发射极与Mos管的栅极连接。

[0043] 另外，上述的三极管Q3的发射极与Mos管的栅极之间还连接有驱动电阻。

[0044] 三极管Q3的基极与控制单元10之间连接有电阻R8，三极管Q3的集电极与电源连接，上述的驱动电阻包括电阻R5、R11、R10、R9，其中，电阻R5与电阻R11连接，电阻R11与Mos管Q1的栅极连接；电阻R10与电阻R9连接，电阻R9与Mos管Q6的栅极连接。

[0045] 另外，上述的图腾扩流驱动单元50还包括三极管Q2以及三极管Q5，三极管Q2的发射极与电阻R5连接，三极管Q2的集电极与检测电阻R13连接；三极管Q5的发射极与电阻R10连接，三极管Q5的集电极与检测电阻R13连接；三极管Q2的基极与三极管Q5的基极分别与控制单元10连接。

[0046] 在一实施例中，请参阅图1，上述的单IC驱动多路单级PFC并联电路还包括供电单元60以及电压检测单元70，供电单元60通过启动电阻R4与母线连接，所述供电单元与其中一个变压器的辅助绕组连接。在本实施例中，供电单元60输入侧与变压器T1的辅助绕组连接。

[0047] 在一实施例中，请参阅图1，上述的单IC驱动多路单级PFC并联电路还包括电压检测单元70。电压检测单元70与控制单元10连接，所述电压检测单元70，用于检测输出电压信号提供给控制单元20；所述电压检测单元70包括若干个所述变压器的其中一路的辅助绕组以及电阻分压器，在本实施例中，电压检测单元70与变压器T1的辅助绕组连接，但不限于变压器T1的辅助绕组，可以是若干变压器中任一个的对应绕组如T2B连接。

[0048] 在本实施例中，请参阅图2，上述的电压检测单元70包括电压采样电阻R1，上述的电压采样电阻R1的一端连接辅助绕组，一端连接有并联的电阻R2以及电容C1；上述电阻R2和电容C1的并联的另一端接信号地。

[0049] 在本实施例中，请参阅图2，上述的供电单元60包括与电源连接的三极管Q9，上述的三极管Q9的发射极与电源之间连接有二极管D2，电源与变压器的初级输入端之间连接有电阻R4，上述的电源还连接有电解电容EC2，且三极管Q9的基极还连接有稳压二极管ZD1，三极管Q9的集电极与信号地之间并联有电解电容EC1，三极管Q9的集电极与基极之间连接有电阻R3，三极管Q9的集电极连接有二极管D1，二极管D1还连接有变压器T1的辅助绕组T1B。二极管D1亦可连接变压器T2的辅助绕组T2B，按布线的方便程度可以自由选择。供电单元60起到启动与线性稳压供电的作用。

[0050] 在一实施例中，请参阅图1，上述的单IC驱动多路单级PFC并联电路还包括整流滤波单元80，整流滤波单元80包括顺次连接的整流桥堆以及杂讯滤除元件，所述整流滤波单元80的输入端连接交流电源，所述整流滤波单元80的输出端连接母线。

[0051] 上述的整流滤波单元80可以为但不局限于整流滤波器。

[0052] 在一实施例中，请参阅图2，上述的控制单元10包括主控芯片U1，该主控芯片U1的型号为SY5882A，但不局限于SY5882A。

[0053] 对单级PFC而言有两个关键信号：电压反馈信号，除了控制过压点之外，还反映反激的时长，与电流反馈信号一起控制输出电流；电流反馈信号，即主回路里流过的电流信号，与电压信号一起控制输出电流；多路单级PFC并联是指有多个功率回路，包括独立的变压器，Mos管、整流二极管、电容，电容实际是并联在一起的。虽然是多个功率回路的控制过程，但是只用了一个控制芯片，需要保证采样到的信号能代表所有功率回路的工作状态；多个变压器并联成一个等效变压器，等效电感就是各个变压器的初级电感并联；各回路的Mos管的源极接一起，共用同一个釆样电阻，这样就保证了电流信号的有效性；反激完成时，平衡单元40的存在，保证了电压信号的一致性和有效性，因为是同一个控制单元10控制，具有同样的导通时机和导通时间，进而保证了电流信号的一致性。

[0054] 整个电路的工作原理如下：

[0055] 当主控芯片U1发出驱动信号时，先经过图腾扩流驱动单元50进行扩流，同时驱动各个独立回路的初级侧的Mos管，因为每个变压器所在的回路各自独立，不存在分流不均的情况。同理，关断时通过图腾柱下管同步关断各Mos管。因为开关时间同步，各回路的变压器一起相当于一个等效变压器，其初级电感由各分立变压器初级电感并联组成，把各变压器初级电流汇集到一起通过同一检测电阻R13采集，就相当于采集等效变压器的初级电流；当Mos管关断后，各变压器所在的回路开始反激向次级传输能量，因为元件的差异，包括变压器电感，二极管压降VF，以及不同位置温度的影响，各个变压器各自反激维持的时间会不同，若不加控制，部分回路会提前释放完能量进入下一状态，此时平衡单元40开始发挥作用，通过平衡单元40的互联，未完成能量释放的单元会提供部分能量给已完成的单元维持状态，等待所有单元释放完能量；同时，平衡单元40的存在，限制了提供的功率的大小，防止形成较大的环流造成不必要的损失以及产生可能的振荡。当所有单元能量释放完成后，开始步调一致进入下一工作状态，这就保证了电压采样信号的一致性。

[0056] 所有子功率回路具有严格的同步性，若干个变压器可以按照特定的方式进行磁集成，如图3所示，进一步减少体积和增加效率。

[0057] 上述的一种多路单级PFC的单IC驱动电路，通过设置控制单元10、主功率回路单元20、电流检测单元30以及平衡单元40，拓展了单级反激PFC拓扑的功率范围和应用领域，简化了电路设计，节省制造成本，主功率回路单元20内采用同一个电流检测单元30进行电流检测，在同一个控制单元10的控制下，所有Mos管具有同样的导通时机和导通时间，保证了电流信号的一致性和有效性，采用平衡单元40协调各子回路状态，采用平衡单元40平衡反激的能力，保证了电压信号的一致性和有效性，多路设计可以允许不需要很大的变压器和大功率Mos管，只需要工艺允许的相对小的变压器和更易得的普通Mos管即可，而且不需要考虑Mos管分流平衡问题，具有广阔的应用前景；电路特有的严格同步性，允许磁集成变压器的使用，有效提高效率和减小体积。

[0058] 需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，上述一种多路单级PFC的单IC驱动电路的工作方法的具体实现过程，可以参考前述一种多路单级PFC的单IC驱动电路实施例中的相应描述，为了描述的方便和简洁，在此不再赘述。

[0059] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。