TWI323971B

TWI323971B -

Info

Publication number: TWI323971B
Application number: TW093108604A
Authority: TW
Inventors: hong chun Li; Chean Lung Tsay; Dan Chen
Original assignee: Richtek Techohnology Corp
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2010-04-21
Also published as: US7436685B2; TW200533048A; US20050219871A1

Description

1323971 ---------— ---— 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】本發明係有關一種功率修正器的控制電路及方法，特別是關於一種應用在功率因數修正器中的可分段調整導通率的控制電路及方法。【先前技術】在各種電子設備中，電源轉換器幾乎是不可或缺的裝置，尤其是在交流對直流轉換器中’在電力需求較大的電子設備中，其所消耗的電力可能超出其規格’因而對其他電子設備造成干擾，因此對於電子設備而言，功率因數修正（power factor correction ;PFC)是十分重要的技術，籲其不僅能節省能源的使用減少電費，也可以有效減低造成電力污染之諧波。功率因數修正係指有效功率與總耗電量’即視在功率’之間的關係，也就是有效功率除以總耗電量的比值，功率因數值越大，代表電力的利用率越高。習知的功率因數修正器係使用升壓技術及脈衝寬度調變技術的來獲得較佳的功率因數，第一圖顯示一習知的功 f因數修正器10的簡單示意圖，其包括一橋式整流器12將父流電壓Vac轉換成直流輸入電壓Vin至一電感L1產生一電感電流IL對電容Co充電，產生輸出電壓^，開關14連接在，感電流1及接地端GND之間，藉以切換電感電流u流向電谷Co或接地端GND，控制電路16根據電壓vin及^輸出一 _ PWM信號控制開關1 4的切換。第二圖顯示了功率因數修正器10中交流電壓Vac、輸入電壓Vin、交流電流心及電感

第5頁 1323971 五、發明說明（2) 電 '"丨l I l的波形圖2〇、29 的PWM芦號的邋、$玄 Ζ4及讪’由於功率因數修正器10 將通Λ為；定值，故當輸入電㈣過低時，流電流lac無法輸入，故在tl_t2、f^f夠的此董，使付父 A - ^ # , m ' 故在七1 t2廷段時間的電感電流IL維及26在tl 成輸入電壓Vin與電感電流II的波形22 3:；\段時間中不-致，導致諸波失真。鱼R1齡^下功率因數修正器一般係利用乘法電路來達成功數終正二少譜波失真，第三圖顯示第一圖功率因數修正器10的控制電路16的詳細架構，阻m及R2分壓形成電壓V1輸入至控制電路16的乘法電路電 1604，而電壓Vo則經電阻R 3及R4分壓形成電壓¥2輸入至誤差玫大器1 6 0 2與參考電壓vREF1比較’產生誤差信號Vea至乘法電路1 6 0 4，乘法電路1 6 0 4根據電壓vi及誤差信號vEA產生參考電壓VREF2至比較器1606。在開關14導通時，電流iL輸入至電阻RSENSE產生一電壓Vs至比較器1606，此時隨著電流的上升’電壓Vs開始增加，當電壓Vs大於參考電壓VREF2 時，RS正反器1610產生一信號經驅動器1612截止開關14，使電流U對電容Co充電，當電流U衰減至零時，零電流偵測（Zero-Current Detection ; ZCD)電路 1608 產生一信號至RS正反器以導通開關1 4。雖然使用乘法電路1 6 0 4可以使功率因數修正器1 0得到良好的功率因數及輸出電壓調整，但是也將使得功率因數修正器的架構更為複雜。因此，一種不使用乘法電路而能達成功率修正及輸出

第6頁 1323971 五、發明說明（3) 電壓調整，同時改善諧波失真的功率因數修正器乃為所冀。【發明内容】本發明的目的之一，在於提供一種應用在功率因數修正器中的可分段調整導通率的控制電路及方法。本發明的目的之一，另在於提出一種不使用乘法電路而能得到良好的功率因數及輸出電壓調整的功率因數修正器及其方法。本發明的目的之一，又在於提出一種能改善諧波失真的功率因數修正器及其方法。在一功率因數修正器中，一橋式整流器將一交流電壓轉換為一直流輸入電壓至一第一電容，一電感連接在該第一電容及一第二電容之間，導通一電感電流對該第二電容充電產生一輸出電壓，一開關元件連接在電感電流及接地端之間，以切換該電感電流至該第二電容或接地端，根據本發明，一種控制該開關元件切換的控制電路包括一電壓源根據該輸入電壓供應一參考電壓至一比較器，一電流源根據該輸出電壓提供一充電電流對一充放電電路充電產生一充電電壓至比較器與參考電壓比較產生一比較信號到觸發電路以切換該開關元件。在一實施例中，參考電壓係隨輸入電壓變化，當輸入電壓低於一臨界值時，參考電壓將隨輸入電壓的上升而降低，此時在充電電流不變（即輸出電壓不變）的情況下，輸

第7頁 1323971 五、發明說明（4) 入電壓越低則參考電壓越高，故所需的充電時間越長，因此開關元件具有較長的導通率，因而能夠由第一電容中汲取出足夠的能量，以達到減少諧波失真的目的，而當輸入電壓等於或高於臨界值時，該電壓源所供應的參考電壓將不再隨輸入電壓改變而維持在一定值，因此，此時開關元件的導通率亦將維持定值。又該充電電流係根據輸出電壓而產生，當輸出電壓降低時，充電電流將跟著減少，故需要較長的充電時間方可使充電電壓達到參考電壓的值，因而電感電流的上升時間將相對地增加，以增加該輸出電壓，進而達到調整輸出電壓的目的。

在另一實施例中，該控制電路包括一電壓源根據該輸出電壓供應一參考電壓至一比較器，一電流源根據該輸入電壓提供一充電電流對一充放電電路充電產生一充電電壓至比較器與參考電壓比較產生一比較信號到觸發電路以切換該開關元件。在此實施例中，充電電流係根據輸入電壓改變，當輸入電壓低於一臨界值時，該充電電流與該輸入電壓具有正比例關係，因此，輸入電壓越低則充電電流越低，故在參考電壓不變，即輸出電壓不變，的情況下，開關元件的導通率將越長，因而能夠由第一電容中汲取出足夠的能量以減少諧波失真，當輸入電壓等於或高於臨界值時，充電電流將不再隨輸入電壓改變而維持一定值，使得開關元件的導通率固定。又參考電壓係根據輸出電壓產生，故當輸出電壓降低時，所產生的參考電壓將上升，因此需要較長的充電時間使充電電壓達到參考電壓的值，進

第8頁 1323971 五、發明說明（5) 而使得該開關元件具有較長的導通率，同時電感電流的上升時間將相對地增加，使得該輸出電壓上升，以達到調整輸出電壓的目的。【實施方式】

第四圖係一應用本發明之功率因數修正器30，其包括一橋式整流器3 0 2將交流電壓Vac轉換為一直流輸入電壓 Vin，電感L1根據輸入電壓Vin產生一電感電流L對電容Co 充電，以產生一輸出電壓Vo，電晶體304連接在電感電流乙及接地端G N D之間，以切換電感電流I ^至電容C 〇或接地端 GND。為分段調整電晶體304的導通率，控制電路包括一電壓源3 0 8根據輸入電壓V i η產生一參考電壓Vref至比較器 3 1 0，一電流源3 1 6根據輸出電壓Vo產生一充電電流I c對電容Cehg充電產生充電電壓Vc至比較器310 ，當充電電壓Vc等於或大於參考電壓Vref時，比較器產生一比較信號至RS正反器312以產生一 PWM信號經驅動器314截止電晶體304，使電感電流U開始對電容Co充電，同時與電容Cehg並聯的開關 3 1 8被閉合，使得電容Cehg開始放電，直至電感電流K降為零後，零電流偵測電路3 0 6輸出一偵測信號至RS正反器 3 1 2，以導通電晶體3 0 4及打開開關3 1 8。

在此實施例中，參考電壓Vuf係隨輸入電壓Vin變化。第五圖顯示輸入電壓V i η、電感電流I[_ &PWM信號的波形 40、42及44，當輸入電壓Vin低於一臨界值乂，時，參考電壓 Lef將隨輸入電壓V i η的上升而降低，因此在充電電流I c不

第9頁 1323971 五、發明說明（6) 變，即輸出電壓Vo不變，的情況下， _ φ 間將隨輸入電壓V i η的栌加& & ,卜，電令Cchg所需的充電時導通率传隨輪人雷厭v.曰 ^ 故此時的PWM信號44的守m午你丨通掏入電壓V i η而改轡，蚣

信號44的導通率越大，故在電壓Vm越低，PWM Ϊ 足夠的能量，因而減少譜波失具而*輸入電塵νΐη咼於臨界值vt眸，*蔌，sqnQi 的參考電壓Vref將維持一定值，因時電壓源3 08所輸出通率亦將維持定值。夂昭第五s ，，此時PM信號44的導兩個區段442及444，^=4圖42係顯/:^信號44可分為 « v ^ ±共甲又442係在輸入電壓Vin低於臨界值V』況下’此時導通率係隨輸人電壓vu改變，& 444係在輸入電壓Vln高於臨界值（情況下，此時導通率於充電電流1C係根據輸出電壓Vo改變，因此在輸出電壓V。改變時，例如輸出電㈣ ^ 巧c跟”低，造成充電時間延長，進而電晶體3〇4充的電，通率延長，使得輸出電壓Vo上升，以達成輸出電壓調整0 為進一步清楚地說明本發明，第六圖係顯示第四圖率因數修正器30的詳細架構，其中’輸入電壓Vin經電阻 R1及R2分壓產生一電壓Vd，其波形46如第七圖所示，輸入至電壓源30 8 ’在電壓源30 8中，限壓電路30 82限制了通過之最大電壓值vu，因此電壓Vd在通過限壓電路30 82後形電壓Vd’ ，其波形48如第七圖所示’反相放大器3〇84再將電壓vd’反相放大後形成該參考電壓Vref，其波形50如第七圖所示。輸出電壓Vo經電阻R3及R4分壓產生電壓yFB至電、凉

第10頁 1323971 五、發明說明（7) 源，在電流源3 1 6中，誤差放大器3 1 6 1接收該電壓VFB與參考電壓\^2比較，產生一誤差信號¥^，其經補償電路3163 補償相位後，再經反相放大器3 1 6 2反相放大輸入至電晶體 3164的基底以導通一參考電流la通過電阻R9，電流鏡電路 3 1 6 6鏡射該參考電流I a產生充電電流I c對電容Cchg充電，以產生電壓Vc至比較器310。

第七圖係顯示輸入電壓Vin、分壓電壓Vd、限壓電路所輸出的電壓Vd’及參考電壓Vref的波形45、46、48及50，其中可明顯地看出，輸入電壓V i η係以臨界值Vt作為分界值，當輸入電壓Vin低於臨界值Vt時，參考電壓Lef與輸入電壓Vin具有一反比例關係，當輸入電壓Vin高於或等於臨界值Vt時，參考電壓V„f則維持定值。第八圖顯示參考電壓 Vyf與充電電壓Vc之間的關係圖，其中波形50係參考電壓 \ef的波形，而波形52係充電電壓Vc的波形。參照第七圖及第八圖，在輸入電壓Vin低於臨界值Vt時，其與參考電壓 Vrei有一反比關係，故此時的輸入電壓V i η越小，則參考電壓^ef越大，因而需要較長的充電時間Dm使充電電壓Vc要達到參考電壓^ef的電壓值，使得電晶體3 0 4具有較長的導通率，隨著輸入電壓Vin的增加，所需的充電時間Dm越短，

故電晶體的導通率亦隨著縮短，參照第五圖所示。當輸入電壓Vin等於或高於臨界值Vt時，參考電壓Vyf的電壓值維持在Vt2，故在此期間的充電時間Dc為定值，使得電晶體 304的導通率亦維持定值。第九圖顯示應用本發明另一實施例之功率因數修正器

第11頁 1323971 五、發明說明（8)

60，其中功率因數修正器60同樣包括橋式橋流器302、電感L1 、電晶體3 0 4及電容Co，在控制電路中，同樣包括零電流偵測電路3 0 6、電壓源3 0 8、比較器3 1 0、RS正反器 3 1 2、驅動器3 1 4、電流源3 1 6以及開關3 1 8，其中，電壓源 308係根據輸出電壓Vo而產生參考電壓至比較器310，而電流源3 1 6係根據輸入電壓V i η產生充電電流I c對電容Cehg充電。在此實施例中，充電電流I c係根據輸入電壓V i η改變，在輸入電壓Vin低於臨界值\^時，充電電流Ic與輸入電壓V i η具有一正比例關係，由於此時的充電電流I c係隨輸入電壓Vin變化，故電晶體304的導通率將隨輸入電壓Vin 改變。當輸入電壓Vin等於或高於臨界值乂，時，充電電流Ic 將維持一定值，故此時電晶體3 0 4的導通率將維持一定。此外，由於參考電壓Vref係根據輸出電壓Vo改變，因此在輸出電壓Vo改變時，例如輸出電壓Vo下降，將使參考電壓^ef 上升，造成充電時間延長，進而延長電晶體304的導通率，使得輸出電壓Vo上升，以達成輸出電壓調整。

為進一步說明本實施例，第十圖顯示了第九圖功率因數修正器60的詳細架構圖，其中輸入電壓Vin經電阻R1及 R 2分壓產生一與輸入電壓具有一比例關係的電壓V d，其波形72如第十一圖所示，電流源316在接收電壓Vd後，在電流源3 1 6中，限壓電路6 0 2限制了通過之最大電壓值Vtl，因而使得電壓Vd在通過限壓電路後成為電壓Vd’ ，其波形74 如第十一圖所示，電壓Vd’通過緩衝器604輸入至電晶體 608的基底，進而形成一參考電流la，其波形76如第十一

第12頁 1323971 五、發明說明（9) 圖所示，通過電阻R9，電流鏡電路606鏡射參考電流la形成充電電流I c對電容Cehg充電產生充電電壓Vc至比較器 3 1 0，其中由於充電電流I c係鏡射電流I a，故充電電流I c 的波形與電流la —致。輸出電壓Vo經電阻R3及R4分壓產生· 一與輸出電壓Vo具有一比例關係的電壓乂^，電壓源3 0 8在接收電壓VFB後，將其輸入至一誤差放大器610與參考電壓 Vrefl比較產生該參考電壓V&，其經補償電路6 1 2補償相位後輸入至比較器310。

第十一圖係顯示輸入電壓Vin、分壓電壓Vd、限壓電路所輸出的電壓Vd’及參考電流la的波形70、72、74及 7 6，由於充電電流I c係鏡射參考電流I a而形成，故充電電流的波形與參考電壓的波形相同。從第十一圖中可以明顯地看出，在輸入電壓Vin低於臨界值Vt時，充電電流Ic，即參考電流I a，與輸入電壓V i η具有正比例關係，因此充電電壓Vc達到參考電壓\^所需的充電時間亦隨輸入電壓Vin 改變，在此期間，電晶體3 04的導通率將隨輸入電壓Vin的增加而減少。當輸入電壓Vin等於或高於臨界值Vt時，充電電流I c維持在定值，因此此時電晶體的導通率將維持一定值。

以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本

第13頁 1323971 五、發明說明（ίο) 發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。

第14頁 11 1323971 圖式簡單說明對於熟習本技藝之人士而言，從以下所作的詳細敘述配合伴隨的圖式，本發明將能夠更清楚地被瞭解，其上述及其他目的及優點將會變得更明顯，其中：第一圖係顯示一習知的功率因數修正器的簡單示意圖，第二圖係顯示第一圖中交流電壓V a c、直流電壓V i η、交流電流I a c及電感電流I ^的波形圖；第三圖係第一圖功率因數修正器1 0的控制電路的詳細說明；

第四圖係應用本發明之功率因數修正器之實施例；第五圖係輸入電壓Vin、電感電流I^&PWM信號的波形圖；第六圖係第四圖的更詳細架構；第七圖顯示輸入電壓Vin、分壓電壓Vd、限壓電路所輸出的電壓Vd’及參考電壓V„f的波形圖；第八圖顯示參考電壓V„f與充電電壓Vc之間的關係圖；第九圖係應用本發明之功率因數修正器之另一實施例；

第十圖係第九圖的更詳細架構；以及第十一圖係輸入電壓Vin、分壓電壓Vd、限壓電路所輸出的電壓V d ’及參考電流I a的波形圖。圖式標號說明 10 功率因數修正器

第15頁 1323971 圖式簡單說明

12 橋式整流器 14 開關 16 控制電路 1602 誤差放大器 1604 乘法電路 1606 比較器 1608 零電流偵測電路 16 10 RS 正反器 16 12 驅動器 20 交流電壓 I ac ( 的波形 22 輸入電壓’ Vi η ( 的波形 24 交流電流I a c t 的波形 26 電感電流IL 的波形 30 功率因數修正器 302 橋式整流器 304 電晶體 306 零電流偵測電路 308 電壓源 3 0 8 2 限壓電路 3 0 8 4 反相放大器 310 比較器 312 RS 正反器 314 驅動器 316 電流源第16頁 1323971 圖式簡單說明 3161 誤差放大器 3162 反相放大器 3163 補償電路 3164 電晶體 316 6 電流鏡電路 318 開關 40 輸入電壓Vin的波形 42 電感電流I^的波形 44 PWM信號的波形 44 2 PWM信號的區段 444 PWM信號的區段 45 輸入電壓Vin的波形 46 分壓電壓Vd的波形 48 電壓Vd’的波形 50 參考電壓V„f的波形 5 2 充電電壓Vc的波形 60 功率因數修正器 6 0 2 限壓電路 6 0 4 緩衝器 6 0 6 電流鏡電路 6 0 8 電晶體 6 10 誤差放大器 612 補償電路 7 0 輸入電壓Vin的波形

1323971 圖式簡單說明 72 分壓電壓Vd 的波形 74 電壓V d ’的波形 76 參考電流I a 的波形第18頁

Claims

1323971 六、申請專利範圍 1. 一種應用在功率因數修正器中的可調整導通率的控制電路，該功率因數修正器包含一輸入級根據一交流電壓供應一直流輸入電壓及一輸入電流，一電容性元件根據該輸入電流產生一輸出電壓，以及一開關元件在該輸入級及輸出級之間，控制該輸入電流導通至該輸出級，該控制電路包括：一電壓源·根據該輸入電壓供應一參考電壓；一電流源，根據該輸出電壓提供一充電電流；一充放電電路，根據該充電電流產生一充電電壓；一比較器，比較該參考電壓及充電電壓產生一比較信號；以及一觸發電路，根據該比較信號切換該開關元件。 2. 如申請專利範圍第1項之控制電路，其中該電壓源包括：一限壓電路，連接一與該輸入電壓具有一比例關係之第一電壓，其用以限制一最大電壓值，以將該第一電壓改變為一第二電壓；以及一反相放大器，反相放大該第二電壓形成該參考電壓。 3. 如申請專利範圍第1項之控制電路，其中該電流源包括：一誤差放大器，比較一與該輸出電壓具有一比例關係之迴授電壓及一第二參考電壓產生一誤差信號；一反相放大器，放大該誤差信號；

第19頁 1323971

第20頁 1323971

第21頁 1323971 六、申請專利範圍 1 2.如申請專利範圍第1 0項之控制電路，其中該電流源包括一限壓電路，連接一與該輸入電壓具有比例關係之第一電壓，其用以限制一最大電壓值，以將該第一電壓改變為一第二電壓；一電阻元件，根據該第二電壓產生一參考電流；以及一電流鏡電路，鏡射該參考電流產生該充電電流。 1 3.如申請專利範圍第1 0項之控制電路，更包括一電流偵測電路俾供偵測該輸入電流產生一偵測信號至該觸發電路。 14. 如申請專利範圍第13項之控制電路，其中該觸發電路包括一 RS正反器具有一設定端及一重設端分別接收該偵測信號及參考電壓，據以切換該開關元件。 15. —種調整功率因數修正器的導通率的方法，該功率因數修正器包含一輸入級供應一輸入電壓及一輸入電流，一輸出級根據該輸入電流產生一輸出電壓，以及一開關元件在該輸入級及輸出級之間，該方法包括下列步驟：根據該輸出電壓供應一參考電壓藉由該輸入電壓提供一充電電流根據該充電電流產生一充電電壓比較信號；以及 1其中該根據該輸一與該輸出電壓具比較該參考電壓及充電電壓產生一根據該比較信號切換該開關元件。 1 6.如申請專利範圍第1 5項之方法出電壓供應一參考電壓的步驟包括比較

第22頁 1323971 六、申請專利範圍有比例關係之迴授電壓及一第二參考電壓產生該參考電壓。 17.如申請專利範圍第15項之方法，其中該藉由該輸入電壓提供一充電電流的步驟包括下列步驟：轉換一與該輸入電壓具有一比例關係之第一電壓成為一第二電壓；根據該第二電壓產生一參考電流；以及鏡射該參考電流產生該充電電流。 1 8.如申請專利範圍第1 5項之方法，更包括偵測該輸入電流產生一偵測信號以供切換該開關元件。

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