一种填谷电路和开关电源

技术领域

本申请涉及电源电路领域，特别是涉及一种填谷电路和开关电源。

背景技术

随着科技的进步和时代的发展，开关电源的功率等级越来越高，由此给公用电网带来的污染也越来越严重。目前国家对功率在75W以上的开关电源都有了更严格的功率因数要求，以达到优化公用电网质量、减小电网无功损耗的目的。为满足国标对功率因数要求，目前大部分开关电源都增加了提高功率因数的电路，即功率因数校正电路(PFC电路)。

一般的PFC电路主要有两种，一种为主动式PFC电路，也称有源式功率因数校正电路和被动式PFC电路，也称无源功率因数校正电路。

主动式PFC可以达到较高的功率因数——通常可达98％以上，但成本也相对较高、电路控制较为复杂且带有较强的电磁干扰。

被动式PFC一般分“电感补偿式”和“填谷式”。电感补偿式PFC电路的缺点主要是需要的电抗器体积大、笨重、效率低、价格贵，在很多要求小型化和低成本的场合都无法使用。填谷式PFC电路如图1所示，其由电容C11、电容C12、二极管D11、二极管D12、二极管D13构成填谷电路。在充电时电容C11、电容C12串联充电，放电时为电容C11、电容C12并联放电，整流桥后输出电压的谷值很低，从而使得整流桥导通角大幅增加，输入电流从尖峰脉冲变为接近于正弦波的波形，将功率因数提高到0.9左右。与传统的电感式无源功率因数校正电路相比，其优点是电路简单，功率因数补偿效果显著，并且在输入电路中不需要使用体积大、重量沉、价格贵的大电抗器。但是，由于上述填谷式PFC电路在充电时电容C11、电容C12串联充电，放电时为电容C11、电容C12并联放电，因此加在负载R1上的输出电压的最低值只有最高值的一半，所以负载R1上的电压纹波幅度大、波峰比高，在一些对纹波电压有要求的应用场合无法使用。

发明内容

基于此，本申请的目的在于，针对传统填谷电路输出电压纹波幅度较大的问题，提供一种改进的填谷电路，在保证PF值仍较高的情况下，能够减小输出电压纹波幅度。

一种填谷电路，用于连接整流电路与负载，包括第一单向导通元件、第二单向导通元件、第三单向导通元件、第四单向导通元件、第五单向导通元件以及第一充放电元件、第二充放电元件、第三充放电元件和第四充放电元件；

所述第一充放电元件的一端连接至所述填谷电路的正向输入端，所述第一充放电元件的另一端与所述第二单向导通元件的正极相连，所述第二单向导通元件的负极与所述第二充放电元件的一端相连，所述第二充放电元件的另一端连接至所述填谷电路的负向输入端；

所述第三充放电元件的一端连接至所述填谷电路的正向输入端，所述第三充放电元件的另一端与所述第四单向导通元件的正极相连，所述第四单向导通元件的负极与所述第四充放电元件的一端相连，所述第四充放电元件的另一端连接至所述填谷电路的负向输入端；

所述第一单向导通元件的正极连接至所述填谷电路的负向输入端，所述第一单向导通元件的负极与所述第一充放电元件的所述另一端相连；

所述第三单向导通元件的正极连接至所述第二单向导通元件的负极，所述第三单向导通元件的负极连接至所述第四单向导通元件的正极；

所述第五单向导通元件的正极与所述第四单向导通元件的负极连接，所述第五单向导通元件的负极连接至所述填谷电路的正向输入端；

所述第四充放电元件的一端通过所述第五单向导通元件连接至所述填谷电路的正向输出端，所述第四充放电元件的另一端连接至所述填谷电路的负向输出端。

本申请所述的填谷电路中，在充电时，所述第一充放电元件、所述第二单向导通元件和所述第二充放电元件与所述整流电路形成第一充电回路，所述第三充放电元件、所述第四单向导通元件和所述第四充放电元件与所述整流电路也形成第二充电回路；在放电时，所述第一充放电元件和所述第一单向导通元件与负载形成第一放电回路，所述第二充放电元件、所述第三单向导通元件和所述第三充放电元件与负载形成第二放电回路，所述第四充放电元件和所述第五单向导通元件与负载形成第三放电回路。本申请所述的填谷电路能有效提高输出电压的最低值，因此，本申请所述的填谷电路的输出电压的纹波幅度更小。

进一步地，还包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻与所述第二单向导通元件串联连接在所述第一充放电元件和所述第二充放电元件之间，所述第二电阻与所述第四单向导通元件串联连接在所述第三充放电元件和所述第四充放电元件之间。通过串联所述第一电阻、所述第二电阻降低在充电时所诉第一充放电元件、第二充放电元件、第三充放电元件和第四充放电元件上的峰值电流，使电流波形更为平缓，减小谐波分量，进一步提高PF值。

进一步地，所述第一电阻和所述第二电阻为热敏电阻。

进一步地，所述第一单向导通元件、第二单向导通元件、第三单向导通元件、第四单向导通元件、第五单向导通元件均为二极管。

进一步地，所述第一充放电元件、第二充放电元件、第三充放电元件、第四充放电元件均为电容。

本申请实施例还提供了一种开关电源，包括供电电源、整流电路以及上述任意一项所述的填谷电路，所述供电电源通过所述整流电路和所述填谷电路与负载连接。

进一步地，所述开关电源还包括共模电感，所述供电电源经过共模电感与所述整流电路的输入端相连。通过所述共模电感可以过滤开关电源中共模的电磁干扰信号。

进一步地，所述开关电源还包括防浪涌电路和/或滤波电路，所述供电电源经过防浪涌电路和/或滤波电路与所述整流电路的输入端相连。

进一步地，所述整流电路为桥式整流电路。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本申请。

附图说明

图1为传统的填谷电路的示意图；

图2是本申请实施例1的填谷电路的示意图；

图3是本申请实施例2的填谷电路的示意图；

图4是本申请的填谷电路的输出电压波形图；

图5是传统填谷电路与本申请的填谷电路的输出电压波形仿真对比图；

图6为本申请实施例3的开关电源的示意图。

具体实施方式

实施例1

参考图2，其为本申请实施例1的填谷电路的示意图。本申请实施例1提供了一种填谷电路101，用于连接整流电路100与负载102，包括第一单向导通元件D1、第二单向导通元件D2、第三单向导通元件D3、第四单向导通元件D4、第五单向导通元件D5以及第一充放电元件C1、第二充放电元件C2、第三充放电元件C3和第四充放电元件C4；

所述第一充放电元件C1的一端连接至所述填谷电路101的正向输入端，所述第一充放电元件C1的另一端与所述第二单向导通元件D2的正极相连，所述第二单向导通元件D2的负极与所述第二充放电元件C2的一端相连，所述第二充放电元件C2的另一端连接至所述填谷电路101的负向输入端；

所述第三充放电元件C3的一端连接至所述填谷电路101的正向输入端，所述第三充放电元件C3的另一端与所述第四单向导通元件D4的正极相连，所述第四单向导通元件D4的负极与所述第四充放电元件D4的一端相连，所述第四充放电元件D4的另一端连接至所述填谷电路101的负向输入端；

所述第一单向导通元件D1的正极连接至所述填谷电路101的负向输入端，所述第一单向导通元件D1的负极与所述第一充放电元件C1的所述另一端相连；

所述第三单向导通元件D3的正极连接至所述第二单向导通元件D2的负极，所述第三单向导通元件D3的负极连接至所述第四单向导通元件D4的正极；

所述第五单向导通元件D5的正极与所述第四单向导通元件D4的负极连接，所述第五单向导通元件D5的负极连接至所述填谷电路101的正向输入端；

所述第四充放电元件C4的一端通过所述第五单向导通元件D5连接至所述填谷电路101的正向输出端，所述第四充放电元件C4的另一端连接至所述填谷电路101的负向输出端。

其中，所述单向导通元件是指单向导电、反向截止的元件，例如二极管。在一个实施例中，所述第一单向导通元件、第二单向导通元件、第三单向导通元件、第四单向导通元件、第五单向导通元件均为二极管。

所述充放电元件是指能够进行充电和放电的元件，例如电容。在本实施例中，所述第一充放电元件、第二充放电元件、第三充放电元件、第四充放电元件均为电容。

本申请的填谷电路有效的提高了输出电压最低值，因此，本申请所述的填谷电路的输出电压的纹波幅度更小。

以下，对本实施例所述的填谷电路的电路原理进行说明：

在充电过程中，所述填谷电路101的第一条充电路径为：DB→C1→D2→C2→DB；第二条充电路径为：DB→C3→D4→C4→DB。

在放电过程中，所述填谷电路101的第一条放电路径为：C1→R1→D1；第二条放电路径为：C4→D5→R1；第三条放电路径为：C2→D3→C3→R1。

假设所述整流电路100的输入电压为V，当输入电压达到峰值Vmax时，对充放电元件C1～C4的充电同步达到峰值，此时VC3+VC4＝Vmax，VC1+VC2＝Vmax，其中VC1、VC2、VC3、VC4对应为充电达到峰值时充放电元件C1～C4的电压值；而当所述填谷电路101的输入电压下降到最低值时，充放电元件C1～C4进入放电稳态阶段，所述填谷电路101的输出电压下降至最低值，此时VC01＝VC04＝VC02+VC03＝输出电压最低值，其中，VC01、VC02、VC03、VC04对应为放电稳态阶段的充放电元件C1～C4的电压值。

由于在充电达到峰值之后，至进入放电稳态的过程中，充放电元件C1～C4的电压变化幅度皆很小，因此在电路计算中可以近似有VC01≈VC1，VC02≈VC2，VC03≈VC3，VC04≈VC4。

因此根据上述公式计算可得

实施例2

参考图3，其为本申请实施例2的填谷电路的示意图。本实施例的填谷电路与实施例1的区别主要在于：所述填谷电路101还包括第一电阻R2和第二电阻R3，所述第一电阻R2与所述第二单向导通元件D2串联连接在所述第一充放电元件C1和所述第二充放电元件C2之间，所述第二电阻R3与所述第四单向导通元件D4串联连接在所述第三充放电元件C3和所述第四充放电元件C4之间。

所述第一电阻R2可以串联在所述第二单向导通元件D2的正极一端，也可以串联在所述第二单向导通元件D2的负极一端；同样，所述第二电阻R3可以串联在所述第四单向导通元件D4的正极一端，也可以串联在所述第四单向导通元件D4的负极一端。

通过串联所述第一电阻R2和所述第二电阻R3能够降低在充电时所述第一充放电元件C1、第二充放电元件C2、第三充放电元件C3和第四充放电元件C4上的峰值电流，使电流波形更为平缓，减小谐波分量，从而进一步提高PF值。

所述第一电阻R2和所述第二电阻R3可以为限流电阻，也可以为热敏电阻。在一个实施例中，所述第一电阻R2和所述第二电阻R3为热敏电阻。

请参阅图4，图4为本申请的填谷电路的输出电压波形图。其中，201为输入的交流电压Vac波形，202为加在负载R1上的输出电压Vo波形(即输入的交流电压Vac经过整流电路100整流再通过所述填谷电路101之后的输出电压波形)，203为所述第四充放电元件C4上的电压波形。

以下结合图4的电压波形图，对所述填谷电路的一个充放电周期的工作过程进行分析：

在t0～t1：输入的交流电压Vac小于所述第四充放电元件C4的电压，所述第五单向导通管D5导通，从而所述第四充放电元件C4对负载R1供电，所述第四充放电元件C4的电压逐渐降低，同理所述第一充放电元件C1也对负载R1供电并且电压逐渐降低。

在t1～t2：输入的交流电压Vac大于所述第四充放电元件C4电压，所述第五单向导通管D5反向截止，因此所述第四充放电元件C4无法通过所述第五单向导通管D5给负载R1供电；负载R1由输入的交流电压Vac供电，输出电压Vo开始跟随输入的交流电压Vac上升；而由于所述第三充放电元件C3与所述第四充放电元件C4的串联电压值此时仍大于输入的交流电压Vac，因此该阶段输入的交流电压Vac还无法给所述第三充放电元件C3和所述第四充放电元件C4充电，所述第三充放电元件C3和所述第四充放电元件C4的电压保持不变，同理所述第一充放电元件C1与所述第二充放电元件C2的电压保持不变。

在t2～t3：输入的交流电压Vac大于所述第三充放电元件C3与所述第四充放电元件C4的串联电压值，因此输入的交流电压Vac开始通过所述第三充放电元件C3、所述第二电阻R3、所述第四单向导通管D4、所述第四充放电元件C4形成充电回路，所述第三充放电元件C3和所述第四充放电元件C4开始充电，所述第三充放电元件C3和所述第四充放电元件C4的电压上升。同理，输入的交流电压Vac通过所述第一充放电元件C1、所述第二单向导通管D2、所述第一电阻R2、所述第二充放电元件C2形成充电回路。

在t3～t4：输入的交流电压Vac上升至峰值后开始下降，输出电压Vo跟随下降，由于所述第三充放电元件C3和所述第四充放电元件C4的串联电压值已经充电达到输入的交流电压Vac的峰值，因此输入的交流电压Vac下降后便开始低于所述第三充放电元件C3和所述第四充放电元件C4的串联电压值，输入的交流电压Vac不再为所述第三充放电元件C3和所述第四充放电元件C4充电。而由于此阶段所述第四充放电元件C4的电压值仍低于此时的输出电压Vo，所述第五单向导通管D5截止，因此所述第四充放电元件C4无法通过所述第五单向导通管D5放电，故所述第四充放电元件C4电压保持不变。同理，所述第一单向导通管D1截止，所述第一充放电元件C1无法通过所述第一单向导通管D1放电。需要说明的是，该阶段输入的交流电压Vac仍大于所述第二充放电元件C2和所述第三充放电元件C3的串联电压值，因此所述第二充放电元件C2、所述第三单向导通管D3、所述第三充放电元件C3这一路还无法导通给负载供电。

在t4～t5：输入的交流电压Vac下降到等于所述第二充放电元件C2和所述第三充放电元件C3串联电压值时，所述第三单向导通管D3开始导通，所述第二充放电元件C2和所述第三充放电元件C3通过放电路径C2→D3→C3→R1给负载R1供电。

在t5～t6：当所述第二充放电元件C2与所述第三充放电元件C3的串联电压值下降到等于所述第一充放电元件C1的电压值时，此时也等于第四充放电元件C4的电压值，所述第一单向导通管D1、所述第五单向导通管D5开始导通，所述第一充放电元件C1通过所述第一单向导通管D1给负载R1供电，同时，所述第四充放电元件C4通过所述第五单向导通管D5给负载R1供电，以及所述第二充放电元件C2与所述第三充放电元件C3继续给负载R1供电。充放电元件C1～C4进入放电稳态，直到下一个周期到来。

根据前文对充放电过程的分析，当输入交流电压Vac为220VAC时，有以下推导式:

在t2～t4时间段，输出电压达到输入的交流电压Vac的电压峰值，所述第三充放电元件C3与所述第四充放电元件C4的串联电压值，以及所述第一充放电元件C1与所述第二充放电元件C2的串联电压值皆充电达到Vac峰值，可得

在t5～t6时间段，所述填谷电路进入放电稳态，输出电压达到最低值Vmin，可得VC01＝VC03＝VC02+VC04＝Vmin，其中，VC01、VC02、VC03、VC04分别对应为放电稳态时的充放电元件C1～C4的电压值。

由于在充电达到峰值之后，至进入放电稳态的过程中，充放电元件C1～C4的电压变化幅度皆很小，因此可以近似有VC01≈VC1，VC02≈VC2，VC03≈VC3，VC04≈VC4。

由此可计算得

请参考图5，图5为传统填谷电路与本实施例的填谷电路的输出电压波形仿真对比图。本申请的填谷电路的输出电压波形如301所示，当输入交流电为220VAC时，所述填谷电路的输出电压最低值约为200V，最高值为310V，输出电压的最低值与最高值的比值约为2/3，与上述推导一致，且通过实际电路测试或者仿真均可得到该电路PF值仍有0.8左右。传统填谷电路的输出电压波形如302所示，其最低值约为150V，最低值与最高值的比值约为1/2。从波形对比可以明显看出，本实施例的填谷电路能有效提高输出电压的最低值、降低输出电压纹波幅度。

实施例3

请参阅图6，图6为本申请实施例3的开关电源的示意图。

本申请的实施例3公开了一种开关电源，包括供电电源AC、整流电路401以及上述任意一项实施例所述的填谷电路402，所述供电电源AC通过所述整流电路401和所述填谷电路402与负载R1连接。

可选的，所述开关电源还包括共模电感LC1，所述供电电源AC经过共模电感LC1与所述整流电路401的输入端相连。通过所述共模电感LC1能够过滤开关电源中共模的电磁干扰信号。

可选的，所述开关电源还包括防浪涌电路，所述供电电源经过防浪涌电路与所述整流电路401的输入端相连。例如，可通过在所述供电电源AC的输出通道上串联电阻RT1降低开机时的浪涌电流。

可选的，所述开关电源还包括滤波电路，所述供电电源经过滤波电路与所述整流电路401的输入端相连。例如通过在所述供电电源AC的输出通道上并联电容CX1，所述电容CX1起到滤波作用。

优选的，所述开关电源还包括防浪涌电路和滤波电路，所述供电电源经过防浪涌电路和滤波电路与所述整流电路401的输入端相连。

所述整流电路401是指能够将交流电压进行整流后输出直流电压的电路，例如桥式整流电路或零式整流稳压电路。优选的，所述整流电路为桥式整流电路。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，则本申请也意图包含这些改动和变形。