TW201027891A - Power factor correction control circuit with dynamic soft-start - Google Patents

Description

201027891 . 六、發明說明： . 【發明所屬之技術領域】 本發明係有陳-種具動驗啟動之功率@數校正控制電路，藉由在 • 輸人級(I_ stage)及功率因數調整級(pFC血职）中連接一控制電路之設 計’令能控制切換功率開關的導通週期來使得輸入阻抗呈現電阻性，即輸 入電流與輸人電壓同相位’來提高功率因數，並且消除負載(bad)變動， 適用於電源供應器或類似結構者。 ❹【先前技術】 現今科技的發達，在有關電源的部份利也絲越歧，越來越多的 • 產品都會使用到電源供應器’尤其是在個人電腦、工業用電腦、交換機、 收銀機、印表設備·.....等等中需求AC/DC轉換電源，而藉由開關式結構來 ' 啟閉電源。 多數電器其工作電壓為直流電，其電源供應器第一級就是作交直流 (ACM)C)交換’常㈣方法就是彻二極體橋式整流器錢波電容來完 成，這個方法有著結構簡單和成本低廉的優點，但是因為阻抗非線性的關 係’將導致功因值低落，因此在整流後需加裝功因修正電路來改善功音值。 功因修正電路大致分為被動式(PassivePFC)及主動式(ActivePFC)，被動式 功因修正電路已非主流，而主動式功因修正電路係利用主動元件來控制輸 入電流波形，藉此達到提升功因值的目的。 在第1圖所示，係為習知升壓型功因修正電路(BoostPFC)之示意圖， 該升壓型功因修正電路大致上包括一輸入電路(Input circuital 〇 1、一前 調卽器(pre-regulator) 1 〇 4 及一輸出電路(output circuit) 1 〇 5。其中，在 3 201027891 -該前調節器1 0 4中包括一開關（switch)l Ο 6，逆向跨接一二極體i JL 〇 . 及一快恢復二極體1 Ο 8。在該功因修正電路中，切換損失(switchingl〇ss) 係源自於該開關1 0 6與快恢復二極體1 〇 8的切換動作，尤其是在如第！ •圖中電路中，當—交流電源(AC s_e)輸人至—橋式整脑（diGde bridge _fler)整流後’輸出直流至該前調節器1 04。該前調節器包括-由壹驗 ·'曰曰曰體開關1 0 6、一電感1 〇 7、-快恢復二極艘i 〇 8及一輸出電容丄 0 9構成的硬切換升麼轉換器。#開關i◦6關閉時，流經該電感丄〇 7 ®的電流至後級的輸出負載電路！◦5。上述電晶體工〇 6的開及關由閑極 G電壓控制。當開Q 6關閉時，因為該開〇 6的電壓上升，而流 過該開關的電流需要回復時間(a finite time)才麟到零，兩者產生有交越面 、積而造成切換損失(switching 1挪)者。 然，其上述架構操作時，會因交越面積而造成切換損失而發生效率低， 乃為其最主要之缺失。 . 本發明人有鑑於上述缺失，期能提供一種利用在輸入級(Inpmstage)及 H 功率因數校正級(pFC stage)中連接一控制電路之設計，達到提高效率之效 能，乃潛心研思、設計組製，以提供消費大眾使用，為本發明所欲研創之 發明動機者。 【發明内容】 本發明之主要目的係在提供一種具動態軟啟動之功率因數校正控制電 路，藉由在輸入級(Input stage)及功率因數校正級(PFC stage)中連接一控制 電路之設計’當PFC導通後，檢測準位(VEA0)若其為輕載(Hght 1〇ad)， 將改變内部之參考點使其電壓調降成設定電壓，以達提高效率者。 4 201027891 - 本發明之次一目的在提供一種具動態軟啟動之功率因數校正控制電 ' 路’藉由在輸入級(InPut stage)及功率因數校正級(pfc stage)中連接一控制 電路之設計’當橋式整流器電壓小於比較點電壓時’會將設定點之電壓切 換為2V ’以達到軟啟動(soft-start)之功能，以減少在動態時造成大電流現象 - 者。 ·· 為達上述之目的’本創作其主要係包括有：一開機軟啟動功率因數校 正電路（Soft-start)、一動態（Dynamic)軟式功率因數校正電路、一輕載 〇 (LlghtLoad)檢測開關電路及一校正電路；以電壓誤差放大器輸出端產生一 參考準位(VEAO)，該參考準位(VEA〇)具有控制提供給功率因數校正級 (PFC stage)之能量功能並檢測參考準位(VEA〇)，於開機前將其準位鉗位 ' (Clamp)於一低電壓，可使其將輸出的能量控制住，達到軟啟動(soft-start) • 的功能，藉此，當檢測準位(VEAO)為輕載(Light Load)，將使輕載(Light 、 Load)檢測開關電路中的開關調整内部回授分壓(VFB)，將功率因數輸出級 ， 之降至設定的電壓，以達零電壓電路(ZVS)之效能而提高效率者。 || 本發明之其他特點及具體實施例可於以下配合附圖之詳細說明中，進 一步瞭解。 【實施方式】 請參考第2、3圖，係為本發明之昇壓型轉換器動作電路圖，該具動 態軟啟動之功率因數校正控制電路係連接於輸入級(Input stage)l Q及功 率因數校正級(PFCstage)2 0中，而該輸入級(Inputstage) 1 0係設有橋式 整流電路1 1，以將輸入的交流電源（AC) 1 2轉換成直流電乂輸出者。 該功率因數校正級(PFC stage) 2 0係設有一升壓電感2 1、一功率開關2 5 201027891 '2、一快恢復一極體2 3、—輸出電容器2 4及-負載2 5 ’該升>1電感 2 1串聯功率卿2 2，而整流二極體2 3與輸出電容n 2 4串聯後再與 功率開關2 2並聯’且輸出電容！^ 4再並聯—負載2 5，以供調整功率 •因數提昇用電效率使電磁干擾（Electromagnetic Interfrence，EMI)雜訊 ·: (Pow—)簡合環保標準者。而該功率因數校正級(PFCstage) .· 2 0中的功率_ 2 2係為金屬氧化層半導體元件（MetaR)xide_

Semiconductor)、接合面場效電晶體⑽τ)、金屬氧化物半導體場效電晶 ❹體（MOSFET)等其中任—者^其中該第2及3圖所示為—升壓型轉換器 (Boostconverter)型，態’由於其昇壓電感2 1直接與輸入電流_聯，因此升 壓電感21電流即為輸入電流’不但可以吸收輸入電源端的突波，且藉由 著升壓電感21電流即是輸入電流去控制電感電流追隨著輸入電壓的波 形’即可獲得高功率因數。而其動作原理可由一個切換週期内，功率開關 2 2的導通(ON)或截止(0FF)分為兩種狀態，其一(如第2圖所示），當功 率開關2 2為導通(ON)狀態時則輸入電壓VlN直接對升壓電感2丄充電， 6使得電感電壓vL等於輸入電壓VlN，此時快恢復二極體2 3是截止的，負 載2 5能量由輸出電容器2 4 (電容c)提供。其二（如第3圖所示），當 就是功率開關2 2切換到截止(off)狀態時，因為電感電流是連續的，使得 快恢復二極體2 3導通，輸入電壓vIN對輸出電容器2 4 (電容c)充電， 升麼電感2 1上的電壓VfVwV。為貞值，升壓電感2 1 Jl的電流里線性 下降，基於上述之原理，為了使功率開關2 2的導通時間保持一定，以避 免輸入錢產生失真，故整個系統迴路的交越頻率必須遠小於輸入電壓之 頻率，藉此，以使功率開關2 2導通能達到功因修正與輸出電壓穩壓的目 6 201027891 . 的0 研參考第4、5圖，係為本發明之具動態軟啟動之功率因數校正控制 電路之電路圖，該具動態軟啟動之功率因數校正控制電路係連接於輸入級 (Input Stage) 1 Q及功率因數校正級(PFC stage) 2 0中，該控制電路3 〇包 • 3有開機軟啟動功率因數校正電路(Soft-start) 3 1、一動態(Dynamic)軟 式功率因數校正電路3 2、-域(LightLoad)檢綱關電路3 3及-校正 電路3 4 ;該開機軟啟動功率因數校正電路(s〇ft_start)3丄係設有二開關3 ❷1 1、3 1 2、-過載保護比較器(〇VP)3 1 3及-稽納二極體(zenerdiode) 3 14該過載保護比較器3 1 3—輸入端係連接功率因數校正級(PFC： Stage)2 0的輸出端所感測的回饋電壓(VFB)2 6，該回鑛電壓（Vfb) 2 6 係由輸出電壓分流器& 2 7和R22 8所感測者，而過載保護比較器3工3 輸出端係連至第-開關311，以提供訊號啟閉電源輸入用，而第一開 11再提供-訊號至第二開關312，以供啟閉用，該第二開關31 2串連-稽納二極體3 i 4，以供形成穩壓，該稽納二極體3 η係連接 蠡於電壓誤差放大器泊㈣輸出端的準位(爾〇>，而該準位(徽。廊可 控制提供給功率因數校正級(PFC_Stage)之能量，於開機前將其準位鉗位 ㈣mP)於-低，可使則繼_量控舰，物軟啟動㈣細） 的功能，而當功率因數校正級(PFC_Stage)2 〇之輸出電壓達到所需之要求 P時’將其準位鉗位(clamp)釋放。該動態軟功率因數校正電路伽amic soft PFC)3 2係設有一比較器（CMp)3 2 1、一偏壓電路3 2 2，該比較器3 2 1係將偏壓電路3 2 2中產生的訊號與相對參考低電壓(α5ν)比較，而 產生一訊號進邏輯電路之反或閘’故，當橋式電壓小於比較點電麼時，會 201027891 - 將設定點之電壓切換為2V，以達到軟啟動（soft-start)之功能，例如：原本需 要達到380V之電壓，只要將其降低至3〇〇v即可，以減少在做動態時造成 之大電流情況。該輕載(Light Load)檢測開關電路3 3係設有二比較器 (CMP) 3 3 1、3 3 2、一邏輯電路(Logic circuit) 3 3 3、一電壓誤差放 -·· 大器（GMV)3 3 4及一開關3 3 5，該第一比較器3 3 1係將輸入電壓 *' (Vrms)與低參考電壓（1.75V)比較產生一訊號進邏輯電路3 3 3之反及 閘’而第二比較器3 3 2係將電壓誤差放大器3 3 4輸出端的準位(veao) 0 3 3 6與咼參考電壓（2.25V)比較產生一訊號進邏輯電路3 3 3之反及 閘’再從反及閘產生一訊號進邏輯電路3 3 3之反或閘，與動態軟式功率 因數校正電路3 2中所輸出之訊號比較，並從邏輯電路3 3 3之反或閘輸 ' 出一訊號來提供開關3 3 5切換設定的電壓，且該訊號再送入電壓誤差放 - 大器3 3 4之正輸入端，而電壓誤差放大器（GMv)3 3 4之負輸入端係連 • 接功率因數校正級(PFC Stage) 2 0的輸出端所感測的回饋電壓（VFB) 2 - 6，再從電壓誤差放大器3 3 4之輸出端產生一參考準位(VEAO)3 3 6， 0 故，當PFC導通後，檢測電壓誤差放大器3 3 4之輸出端的參考 準位(VEA0)3 3 6 ’若其為輕載(Light Load)，將改變内部之參考點使其 電壓降下成設定電壓’以達到提高效率之功能。該校正電路3 4係設有一 增益調制器（gain Modulator)3 4 1、一電流誤差放大器（GMI)3 4 2及一 比較器（CMP)3 4 3，該增益調制器3 4 1係將電壓誤差放大器3 3 4之 輸出端產生的參考準位(VEAO)3 3 6、輸入電壓(Vrms)及交流電流(IAC) 經偏壓電路3 2 2所產生的訊號作一調制，而增益調制器（gain Modulator) 3 4 1輸出一訊號給電流誤差放大器（GMI)3 4 2，該電流誤差放大器 8 201027891 - (GMI)3 4 2再與通過電阻之電流相比較’進而產生一訊號至比較器（cmp) - 3 4 3中再與斜波(Ramp)電壓比較，比較後輸出一控制訊號(pFC OUT)， 以控制功率因數校正級(PFC stage) 2 0中的功率開關2 2導通/截止者。 請參考第6、7、8圖，其中該動態軟式功率因數校正電路之偏壓電 - 路322係為基本電流鏡(current mirror)(如第4圖所示），該電流鏡設有二 ·- 個電晶體Q 1、Q2，假設該電晶體Q 1與電晶體<32均操作在飽合區， 則我們可由飽和區電晶體的電流公式推導出，因此若是希！Iin=i〇ut只要使 參電晶體Q1、Q2的尺寸相等便可以達到。但是實際並非如此，在電路的 操作上，要得到百分之百的電流相等，電晶體Q1、〇2的尺寸相等的條 件是不夠的，因為我鑛略了電晶、Q2的二階效應—通道長度調 變效應(channel length mod ulation)，若是把此一效應寺慮進來電流的比 值不在簡單的尺寸比，與電晶體Q i、q 2汲極(恤)和原極(晴⑹的電 -壓差亦有關係，換句話說’從電晶體q工、Q 2的祕看到的輸出電阻為 •有限值’而且當vds錢動時，將造成流過電晶體Q工、Q 2的電流也隨之 ©變化’因此’使用電流鏡來作偏壓電路3 2 2可以使電路對電源供應變動 .與溫度變動所造成的效應較不靈敏。另該偏壓電路3 2 2亦可為威爾遜電 流鏡Cent mirror)(如第5圖所示），該電流鏡設有三個電晶體Q 3、Q 4、 Q 5者。另其中該校正電路3 4中進—步設有一振盪器（⑽m敵）3 4 4、 及邏輯電路3 4 5，該邏輯電路3 4 5設有反及閘(NAND)及正反器(Fiip F1〇P)34 6 ’該振盪器3 4 4—端係連接斜波產生器(Ramp)，—端係連接 邏輯電路3 4 5之反及閘及正反器3 4 6，而校正電路3 4中之比較器3 4 3所輸出訊號係輸入邏輯電路3 4 5之反及閘，且邏輯電路3 * $之反 9 201027891 訊號至正反11 3 4 6中，岐反㈣4 6中繼-控㈣ 號⑽制辨因數校酬Prcstage)2 Q饰力侧2 2導通/截止， 確保每-切換週期只有一次脈波輸出，減少雜訊干擾，因此可看出經由主 動式肌所得之平均電流波形為一完整之弦波，且其相位與AC電源同相者。 由以上可知，以本發明之結構，具有如下之優點··

1、 本發明係為輸出負載（卿utload)大而參考準位（vEA〇)相對大， 而回饋電壓（VPB)為霸，_輯（GutputlGad)小醇考準位 (VEAO)相對小，而回饋電壓（Vfb)為3_，以提高效率者。 2、 本發鶴當橋式電壓小槪無電壓時，會將設定點之電壓切換為 以達到軟啟動(soft-start)之功能，例如：原本需要達到38〇v之電壓， 只要將其降低至3〇OV即可，以減少在做動態時造成之大電流情況者。 由以上詳細說明，可使熟知本項技藝者明瞭本發明的確可達成前述目 的’實已符合專利法之規定，爰提出專利申請。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，#不能以此限定本創 6 作實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書内容所作之簡 單的等效變化與修飾’皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 201027891 . 第1圖係為習知升壓型功因修正電路(BoostPFC)之示意圖。 第2圖係為本發明之升壓型轉換器導通動作電路之示意圖。 第3圖係為本發明之升壓型轉換器截止動作電路之示意圖。 • 第4圖係為本發明之具動態軟啟動之功率因數校正控制電路之方塊圖 ： 第5 ®係林發明之具_軟聽之辨目雜正控魏路之電路圖。 ·· 第6圖係為本發明之偏壓電路第一示意圖。 第7圖係為本發明之偏壓電路第二示意圖。

第8圖係為本發明之具動態軟啟動之功率因數校正控制 路圖。 電路之另― 態樣電 【主要元件符號說明】 1 0 1、輸入電路(Input circuit) 1 0 4、前調節器(pre-regulator) 1 0 5、輸出電路(output circuit) 1 0 6、開關 ^ 1 0 7、電感 ‘ 1 0 8、快恢復二極體 109、輸出電容 110、二極體 1 0、輸入級(InPut stage) 11、 橋式整流電路 12、 交流電源 11 201027891 2 0、功率因數校正級(PFC stage) 21、升壓電感 2 2、功率開關 2 3、快恢復二極體 - 2 4、輸出電容器 2 5、負載 2 6、回饋電壓(vFB) ❻ 2 7、電壓分流器 2 8、電壓分流器 3 0、控制電路 3 1、開機軟啟動功率因數校正電路（Soft-start) 311、 開關 312、 開關 3 1 3、過載保護比較器（OVP) 办 3 1 4、稽納二極體(zener diode) ‘ 3 2、動態(Dynamic)軟式功率因數校正電路 3 2 1、比較器（CMP) 3 2 2、偏壓電路 3 3、輕載(Light Load)檢測開關電路 3 3 1、比較器（CMP) 3 3 2、比較器（CMP) 3 3 3、邏輯電路(Logic circuit) 12 201027891 . 3 3 4、電壓誤差放大器（GMV) . 3 3 5、開關 3 3 6、參考準位(VEAO) 3 4、校正電路 參 - 3 4 1、增益調制器（gainModulator) · 3 4 2、電流誤差放大器（GMI) 3 4 3、比較器（CMP) ❹ 3 4 4、振盪器（osciltator) 3 4 5、邏輯電路 3 4 6、正反器（Flip Flop) - Q1、電晶體 . Q2、電晶體 ~ Q 3、電晶體 - Q4、電晶體 φ Q5、電晶體 13

Claims (1)

1. 201027891 七、申清專利範圍：

   ’係連接於輸入級（Input stage)中，該控制電路包括有: 正電路(Soft-start) ’該開機軟啟動供率因 丨、一過載保護比較器（0VP)及一稽納二極體 ’ diode)該過載保護比較輸人端係連接功率隨校正級 (PFC stage)的輸出端所感測的回饋電壓(vfb)，而過載保護比較器之 # 輸出端係連至第一開關，以提供訊號啟閉電源輸入用，而第-開關再 ’該第二開關串連一稽納二極體， 提供一訊號至第二開關，以供啟閉用 以供形成穩壓； 一動態軟式功率因數校正電路’該動態軟功相數校正電路係設有一 比較器(CMP)、-偏壓電路，該比較器係將偏壓電路中產生的訊號與相 財考低電壓比較，而產生—訊舰邏輯電路之反或間； 一輕載(Light LOAD)檢測開關電路，該輕載檢測開關電路係設有二比 魯 較器⑽^、一邏輯電路(Logic circuit)、一電壓誤差放大器(GMV)及 一開關，該第一比較器係將輸入電壓(Vrms)與低參考電壓比較產生一 訊號進邏輯電路之反及閘，而第二比較器係將電壓誤差放大器輸出端 的準位(VEA0)與高參考電壓比較產生一訊號進邏輯電路之反及閘，再 從反及閘產生一訊號進邏輯電路之反或閘，與動態軟式功率因數校正 電路中所輸出之訊號比較’並從邏輯電路之反或閘輸出一訊號來提供 開關切換設定的電壓’且該訊號再送入電壓誤差放大器之正輸入端， 而電壓誤差放大器之負輸入端係連接功率因數校正級(PFC stage)的輸 201027891 出端所感測的回饋電壓(VFB)，再從電壓誤差放大器之輸出端產生一參 考準位(VEA0);以及 一校正電路’該校正電路係設有一增益調制器（gain Modulator)、一 電流誤差放大器（GMI)及一比較器（CMP)，該增益調制器係將電壓誤差 ·; 放大器之輸出端產生的參考準位(VEA0)、輸入電壓（Vrms)及交流電流 ·' (IAC)經升壓電路所產生的訊號作一調制，而增益調制器輸出一訊號給 電流誤差放大器，該電流誤差放大器再與通過電阻之電流相比較，進 參 而產生一訊號至比較器中再與斜波(Ramp)電壓比較，比較後輸出一控 制訊號’以控制功率因數校正級(PFC stage)中的功率開關導通/截止； 藉此’當檢測準位(VEA0)為輕載(Light Load)，將使輕載(Light Load) 檢測開關電路中的開關調整内部回授分壓(VFB)，將功率因數輸出級之 降至設定的電壓，以達零電壓電路(ZVS)2效能而提高效率者。 2、如申請專利範圍第χ項所述之具動態軟啟動之功率因數校正控制電 路，其中該輸入級（I_t stage)係設有橋式整流電路，以將輸入的交 # 流電源AC轉換成直流電VI輸出者。 .3、如中請專利細第1項所述之具動態軟啟動之功率因數校正控制電 路’其中該功率因數校正級(PFC stage)係設有一升壓電感器、—功率 開關、一快恢復二極體、一輸出電容器及一負載，該升麼電感器串聯 功率開關，而快恢復二極體與輸出電容器串聯後再與功率開關並聯， 且輸出電容器再並聯—負載’以供調整功率隨，提昇用電效率使電 (Electromagnetic Interfrence, EMI) (Power line noise )以符合環保標準者。 15 201027891 4、如申請專利範圍第3項所述之具動態軟啟動之功率因數校正控制電 路，其中該功率因數校正級(PFC stage)中的功率開關係為金屬氧化層 半導體元件（Metal -Oxide- Semiconductor )、接合面場效電晶體 • (JFET)、金屬氧化物半導體場效電晶體（M0SFET)等其中任一者。 、 5、如申請專利範圍第i項所述之具動態軟啟動之功率因數校正控制電 ’ 路，其中動態軟式功率因數校正電路之偏壓電路係為基本電流鏡 (currentmirror) ’該電流鏡設有二個電晶體者。 〇 6、如申睛專利範圍第1項所述之具動態軟啟動之功率因數校正控制電 路’其中該祕軟式神目數校正電路之碰電_為朗遜電流鏡 (current mirror)，該電流鏡設有三個電晶體者。 7、 如申請專利範圍第丄項所述之具動態軟啟動之功率因數校正控制電 路’其中該校正電路中進-步設有一振盈器（〇sciUat〇r)、及邏輯電 • 路’該邏輯電路設有反及閘（_)及正反器(FUp F1〇p)，該振盈器一 - 端係連接斜波產生器（Ramp) ’ 一端係連接邏輯電路之反及閘及正反 • 器，而校正電路中之比較器所輸出訊號係輸入邏輯電路之反及閘，且 邏輯電路之反及閘在輸出一訊號至正反器中，而正反器中再輸出一控 制訊號，以控制功率因數校正級(PFCstage)中的功率開關導通/截止， 確保每一切換週期只有一次脈波輸出，減少雜訊干擾者。 8、 如申請專利細第1項所述之具動態軟啟動之功率因數校正控制電 路’其中該回鎮電壓（VFB)係由輸出電壓分流器R1*R2所感測者。