TWI484739B - 主動式功率因數校正電路及相關的控制器 - Google Patents

Description

主動式功率因數校正電路及相關的控制器

本發明有關功率因數校正電路，尤指一種用於主動式功率因數校正電路之控制電路。

由於能源日益短缺的問題，促使人們越來越重視電子裝置的用電效率。傳統的交流至直流轉換器大多使用二極體整流來達成，此種架構雖然簡單且成本低，但由於輸入電流的嚴重非線性失真，造成低頻諧波大量增加，導致功率因數(power factor，PF)低落。功率因數指有效功率與視在功率(apparent power)間的比值，是衡量電力利用效率高低的指標。功率因數低落除了會造成能源無謂的浪費，大量的諧波也會造成電力系統的不穩定及發電機的困擾，而嚴重影響供電的品質。

許多交流至直流轉換器中都會設置功率因數校正(power factor correction，PFC)電路以改善功率因數。為了避免輸出功率隨著輸入電壓的大小而改變，功率因數校正電路常會採用輸入電壓前饋控制的電路架構。這樣的電路架構需要利用平方器(squarer)來計算輸入電壓的平方值，並搭配乘法器和除法器來產生所需的控制信號。

然而，平方器的電路設計複雜度高、佔用的電路面積大、製造成本高、又往往很耗電，因而在改善功率因數校正電路的用電效率和進一步縮小電路晶片尺寸方面造成了阻礙。

有鑑於此，如何在省略平方器的情況下以更精簡的架構實現功率因數校正電路，以避免輸出功率隨著輸入電壓的大小而改變，實為有待解決的問題。

本說明書提供了一種主動式功率因數校正電路之實施例，用於校正一交流至直流轉換器的功率因數，其中該交流至直流轉換器包含有一電感以及一功率開關，該主動式功率因數校正電路包含有：一片段線性增益電路，當耦接於該交流至直流轉換器時，用於接收一前饋信號並產生一相對應的增益信號，其中該增益信號與該前饋信號兩者的大小會呈現折線狀的相關性；一誤差放大器，當耦接於該交流至直流轉換器時，用於依據該交流至直流轉換器的一輸出電壓產生一誤差信號；一脈寬調變控制器，當耦接於該交流至直流轉換器時，用於依據該增益信號、該誤差信號、和該交流至直流轉換器整流後的輸入電壓，產生一控制信號；以及一脈寬調變信號產生器，耦接於該脈寬調變控制器，用於依據該控制信號產生用以控制該功率開關的脈寬調變信號。

本說明書另提供了一種用於主動式功率因數校正電路的控制器的實施例，用於控制該主動式功率因數校正電路的一脈寬調變信號產生器，該控制器包含有：一片段線性增益電路，當該主動式功率因數校正電路耦接於一交流至直流轉換器時，用於接收一前饋信號，且若該前饋信號小於一閥值，則對該前饋信號施加一第一 增益以產生一增益信號，而若該前饋信號大於該閥值，則對該前饋信號施加一第二增益以產生該增益信號，其中該第二增益大於該第一增益；一誤差放大器，當耦接於該交流至直流轉換器時，用於依據該交流至直流轉換器的一輸出電壓產生一誤差信號；以及一脈寬調變控制器，當耦接於該交流至直流轉換器時，用於依據該增益信號、該誤差信號、和該交流至直流轉換器整流後的輸入電壓，產生一控制信號以控制該脈寬調變信號產生器。

前述的主動式功率因數校正電路和控制器利用片段線性增益電路來取代傳統的平方器，可降低電路架構的複雜度，並大幅降低所需的偏壓源，故可有效縮小電路面積，並降低運作時所需的電功耗和製造成本。

由於前述片段線性增益電路輸出的增益信號的大小很近似於前饋信號大小的平方值，故脈寬調變控制器將誤差信號除以片段線性增益電路輸出的增益信號動作，可避免交流至直流轉換器的輸出功率隨著輸入電壓的大小而改變。

100‧‧‧交流至直流轉換器

102‧‧‧交流電源

104‧‧‧負載

111‧‧‧橋式整流器

112‧‧‧低通濾波器

113‧‧‧電感

114‧‧‧二極體

115‧‧‧電容

116、236、246‧‧‧開關

120‧‧‧主動式功率因數校正電路

122‧‧‧脈寬調變信號產生器

124‧‧‧控制器

130‧‧‧片段線性增益電路

140‧‧‧誤差放大器

150‧‧‧脈寬調變控制器

210‧‧‧比較電路

220‧‧‧轉導電路

230‧‧‧放大模組

232、234‧‧‧放大器

240‧‧‧電流調整模組

242、244‧‧‧電流槽

250‧‧‧電阻

圖1為本發明之交流至直流轉換器的一實施例簡化後的功能方塊圖。

圖2為圖1中的片段線性增益電路的一實施例簡化後的功能方塊圖。

以下將配合相關圖式來說明本發明之實施例。在這些圖式中，相同的標號表示相同或類似的元件或流程步驟。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的基準。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於…」。另外，「耦接」一詞在此包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述一第一元件耦接於一第二元件，則代表該第一元件可直接(包含透過電性連接或無線傳輸、光學傳輸等信號連接方式)連接於該第二元件，或透過其他元件或連接手段間接地電性或信號連接至該第二元件。

在此所使用的「及/或」的描述方式，包含所列舉的其中之一或多個項目的任意組合。另外，除非本說明書中有特別指明，否則任何單數格的用語都同時包含複數格的涵義。

請參考圖1，其所繪示為本發明一實施例之交流至直流轉換器100簡化後的功能方塊圖。交流至直流轉換器100用於將交流電源102所提供的交流電壓Vac轉換成直流輸出電壓Vout，以提供給負載104。在本實施例中，交流至直流轉換器100包含有橋式整流器111、低通濾波器112、電感113、二極體114、輸出電容115、功率開關(power switch)116以及主動式功率因數校正電路(power factor correction circuit，PFC circuit)120。

橋式整流器111用於將交流電源102提供的交流電壓Vac整流成m形波的輸入電壓Vin。低通濾波器112耦接於橋式整流器111的輸出端，用於對輸入電壓Vin進行濾波，以產生大小與輸入電壓Vin 的平均值成正比的前饋信號Sff。電感113和二極體114耦接於橋式整流器111的輸出端和負載104之間。輸出電容115耦接於二極體114。功率開關116的一端耦接於電感113及二極體114之間，並依據主動式功率因數校正電路120的控制來進行切換。實作上，功率開關116可用電晶體來實現。

當功率開關116導通(on)時，交流至直流轉換器100的二極體114處於逆向偏壓截止狀態，輸入電流Iin會經由電感113流進功率開關116。此時，輸入電壓Vin會對電感113充電，使電感電流IL逐漸線性上升，直到功率開關116截止(off)為止。此時，負載104所需的能量由輸出電容115供應。

當功率開關116截止時，電感113上的電壓極性會反相，並加上輸入電壓Vin經由二極體114對輸出電容115進行充電。此時，輸出電容115是處於充電狀態，而電感電流IL則會逐漸下降，直到功率開關116再度導通為止。在此階段中，輸出電壓Vout會維持固定，其大小為輸入電壓Vin加上電感113的電壓。

如圖1所示，主動式功率因數校正電路120包含有脈寬調變信號產生器122和控制器(PFC controller)124。控制器124包含有片段線性增益電路(piecewise linear gain circuit)130、誤差放大器140和脈寬調變控制器(PWM controller)150。當主動式功率因數校正電路120耦接於交流至直流轉換器100時，片段線性增益電路130用於接收低通濾波器112輸出的前饋信號Sff，並產生大小近似於前饋信號Sff的平方值的增益信號Sg。誤差放大器140用於依據交流至直流轉換器100的輸出電壓Vout產生誤差信號Sea。例如，誤差放大器140可將參考電壓Vref與和輸出電壓Vout 具有一比例關係的回授電壓進行比較，並將所得到的差異值放大以產生誤差信號Sea。脈寬調變控制器150耦接於片段線性增益電路130和誤差放大器140，用於依據增益信號Sg、誤差信號Sea、和輸入電壓Vin來產生控制信號Scom，並使控制信號Scom的大小正比於誤差信號Sea和輸入電壓Vin的大小，並反比於增益信號Sg的大小。實作上，脈寬調變控制器150可以是乘除器(multiplier-divider)，用以將誤差放大器140輸出的誤差信號Sea除以片段線性增益電路130輸出的增益信號Sg，並將所得到的數值再乘以整流後的輸入電壓Vin的大小，以產生控制信號Scom。或者，也可利用其他電路架構來實現脈寬調變控制器150的功能。脈寬調變信號產生器122則會依據控制信號Scom產生脈寬調變信號PWM以控制功率開關116的切換動作。

在本實施例中，當前饋信號Sff小於閥值Vth時，片段線性增益電路130會對前饋信號Sff施加第一增益以產生增益信號Sg，而當前饋信號Sff大於或等於閥值Vth時，則片段線性增益電路130則會對前饋信號Sff施加第二增益以產生增益信號Sg，其中，前述的第二增益大於第一增益。如此一來，將會使增益信號Sg與前饋信號Sff兩者的大小呈現折線狀的相關性，亦即呈現片段線性的特性。以下將搭配圖2來進一步說明片段線性增益電路130的實施及運作方式。

圖2為本發明一實施例之片段線性增益電路130簡化後的功能方塊圖。如圖2所示，片段線性增益電路130包含有比較電路210、轉導電路(transconductance circuit)220、放大模組230、電流調整模組240、以及電阻250。轉導電路220用於將前饋信號Sff轉 換成電流信號，以產生與前饋信號Sff的電壓大小成正比的前饋電流Iff。放大模組230耦接於轉導電路220的輸出端，用於將電流Iff放大以產生與前饋信號Sff的電壓大小成正比的電流。電流調整模組240耦接放大模組230的輸出端和比較電路210，用於汲取電流。在運作時，比較電路210會將前饋信號Sff與閥值Vth進行比較，並依據比較的結果調整放大模組230的總輸出電流大小以及調整電流調整模組240的總電流汲取量。

在圖2的實施例中，放大模組230包含有放大器232、放大器234和開關236，而電流調整模組240則包含有電流槽(current sink)242、電流槽244和開關246。放大器232用於放大電流Iff以產生與前饋信號Sff的電壓大小成正比的電流i1。放大器234用於放大電流Iff以產生與前饋信號Sff的電壓大小成正比的電流i2。電流槽242耦接於放大器232的輸出端，用於汲取第一預定電流量i3。電流槽244用於汲取第二預定電流量i4。開關236耦接於放大器234的輸出端與電流槽242之間，當導通時會將電流i2耦接至電流槽242的輸入端。開關246耦接於放大器232的輸出端與電流槽244之間，當導通時會將電流i1耦接至電流槽244的輸入端。

在本實施例中，當前饋信號Sff小於閥值Vth時，比較電路210會將開關236設置成不導通狀態，使放大模組230的總輸出電流成為i1，並將開關246也設置成不導通狀態，使電流調整模組240的總電流汲取量成為i3。當前饋信號Sff大於或等於閥值Vth時，比較電路210則會將開關236設置成導通狀態，使放大模組230的總輸出電流成為i1+i2，並開關246也設置成導通狀態，使電流調整模組240的總電流汲取量成為i3+i4。

如此一來，當前饋信號Sff小於閥值Vth時，片段線性增益電路130的輸出電流i5的大小會等於i1-i3。此時，片段線性增益電路130輸出的增益信號Sg的電壓值可用下式表示：Sg=(G1*Vin-i3)*R 式(1)

其中G1為放大器232的轉導增益，R為電阻250的電阻值。由式(1)可知，當前饋信號Sff小於閥值Vth時，增益信號Sg與前饋信號Sff兩者的大小會呈線性正相關。

當前饋信號Sff大於或等於閥值Vth時，片段線性增益電路130的輸出電流i5的大小會等於i1+i2-i3-i4。此時，片段線性增益電路130輸出的增益信號Sg的電壓值可用下式表示：Sg=[(G1+G2)*Vin-(i3+i4)]*R 式(2)

其中G2為放大器234的轉導增益。由式(2)可知，當前饋信號Sff大於或等於閥值Vth時，增益信號Sg與前饋信號Sff兩者的大小也會呈線性正相關，但增益信號Sg的增益值會比前饋信號Sff小於閥值Vth時來得大。

從前述式(1)與式(2)的說明可以看出，增益信號Sg與前饋信號Sff兩者的大小會呈現折線狀的相關性，亦即呈現片段線性的特性。藉由適當選擇片段線性增益電路130中的元件參數，便能用片段線性增益電路130來產生近似平方器的計算結果。

例如，假設前饋信號Sff的電壓範圍介於0.8~2.5V，在一實施例中，可將放大器232的增益G1和放大器234的增益G2都設為1.1、將閥值Vth設為1.65V、將電流槽242汲取的電流量i3設為0.6*Iff、並將電流槽244汲取的電流量i4設為1.8*Iff。在這樣的設定下 ，增益信號Sg的大小就會很近似於前饋信號Sff大小的平方。若前饋信號Sff的電壓範圍不同於前面的範例，則同樣可藉由適當調整片段線性增益電路130的元件參數的方式，使片段線性增益電路130產生近似平方器的計算結果。

因此，前述的片段線性增益電路130可用來取代傳統的平方器，且其電路架構遠比傳統的平方器簡單，並大幅降低所需的偏壓源，故可有效縮小控制器124的電路面積，並降低主動式功率因數校正電路120運作時所需的電功耗和製造成本。

如前所述，控制器124中的脈寬調變控制器150可將誤差放大器140輸出的誤差信號Sea除以片段線性增益電路130輸出的增益信號Sg，並將所得到的數值再乘以整流後的輸入電壓Vin的大小，以產生控制信號Scom。實作上，控制器124可採用和輸入電壓Vin具有一比例關係的電壓值或電流Iac來表示輸入電壓Vin的大小。脈寬調變信號產生器122會依據控制信號Scom產生對應的脈寬調變信號PWM，以控制功率開關116的切換動作，使輸入電流Iin追隨著控制信號Scom而變化。由於控制信號Scom的波形會與輸入電壓Vin的波形相同，故前揭的控制方式可使輸入電流Iin的波形跟隨輸入電壓Vin的波形變化，進而提升功率因數。

另外，由於片段線性增益電路130輸出的增益信號Sg的大小很近似於前饋信號Sff大小的平方值，故脈寬調變控制器150將誤差信號Sea除以片段線性增益電路130輸出的增益信號Sg的動作，同樣可避免交流至直流轉換器100的輸出功率隨著輸入電壓Vin的大小而改變。

在前述實施例中，片段線性增益電路130會將輸入的前饋信號Sff的範圍分成兩個區段並分別施加不同的增益，以使產生的增益信號Sg的大小近似於前饋信號Sff大小的平方。此僅係為一實施例，而非侷限本發明的實際實施方式。實作上，片段線性增益電路130也可以增設更多的比較電路、放大器和開關元件，以將前饋信號Sff的範圍分成更多區段，並分別施加以不同的線性增益，使增益信號Sg與前饋信號Sff兩者的大小更趨近於平方關係。

在另一實施例中，片段線性增益電路130也可以只設置一個可調整增益的放大器及一個可調整汲取電流大小的電流槽。當前饋信號Sff位於不同的範圍時，則採用不同的放大器增益及/或使電流槽汲取不同的電流值，以產生所需的增益信號Sg。

在另一實施例中，低通濾波器112產生的前饋信號Sff是電流形式的信號。此時，可以將片段線性增益電路130中的轉導電路220省略。

在其他的實施例，片段線性增益電路130也可以採用一個或多個轉導電路、一個或多個放大器、及/或一個或多個電流槽，使前饋信號Sff位於不同的範圍時，能產生不同增益的增益信號Sg。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧交流至直流轉換器

102‧‧‧交流電源

104‧‧‧負載

111‧‧‧橋式整流器

112‧‧‧低通濾波器

113‧‧‧電感

114‧‧‧二極體

115‧‧‧電容

116‧‧‧開關

120‧‧‧主動式功率因數校正電路

122‧‧‧脈寬調變信號產生器

124‧‧‧控制器

130‧‧‧片段線性增益電路

140‧‧‧誤差放大器

150‧‧‧脈寬調變控制器

Claims (13)

1. 一種主動式功率因數校正電路，用於校正一交流至直流轉換器的功率因數，其中該交流至直流轉換器包含有一電感以及一功率開關，該主動式功率因數校正電路包含有：一片段線性增益電路，當耦接於該交流至直流轉換器時，用於接收一前饋信號並產生一相對應的增益信號，其中該增益信號與該前饋信號兩者的大小會呈現折線狀的相關性；一誤差放大器，當耦接於該交流至直流轉換器時，用於依據該交流至直流轉換器的一輸出電壓產生一誤差信號；一脈寬調變控制器，當耦接於該交流至直流轉換器時，用於依據該增益信號、該誤差信號、和該交流至直流轉換器整流後的輸入電壓，產生一控制信號；以及一脈寬調變信號產生器，耦接於該脈寬調變控制器，用於依據該控制信號產生用以控制該功率開關的脈寬調變信號；其中若該前饋信號小於一閥值，該片段線性增益電路會對該前饋信號施加一第一增益以產生該增益信號，而若該前饋信號大於該閥值，則該片段線性增益電路會對該前饋信號施加一第二增益以產生該增益信號。
2. 如請求項1所述的主動式功率因數校正電路，其中該控制信號會正比於該誤差信號和該輸入電壓的大小，並反比於該增益信號的大小。
3. 如請求項2所述的主動式功率因數校正電路，其中該前饋信號是 由該交流至直流轉換器的一低通濾波器依據該輸入電壓所產生。
4. 如請求項1所述的主動式功率因數校正電路，其中該第二增益大於該第一增益。
5. 一種用於主動式功率因數校正電路的控制器，用於控制該主動式功率因數校正電路的一脈寬調變信號產生器，該控制器包含有：一片段線性增益電路，當該主動式功率因數校正電路耦接於一交流至直流轉換器時，用於接收一前饋信號，且若該前饋信號小於一閥值，則對該前饋信號施加一第一增益以產生一增益信號，而若該前饋信號大於該閥值，則對該前饋信號施加一第二增益以產生該增益信號，其中該第二增益大於該第一增益；一誤差放大器，當耦接於該交流至直流轉換器時，用於依據該交流至直流轉換器的一輸出電壓產生一誤差信號；以及一脈寬調變控制器，當耦接於該交流至直流轉換器時，用於依據該增益信號、該誤差信號、和該交流至直流轉換器整流後的輸入電壓，產生一控制信號以控制該脈寬調變信號產生器。
6. 如請求項5所述的控制器，其中該片段線性增益電路包含有：一放大模組，用於產生與該前饋信號的電壓大小成正比的電流；一電流調整模組，耦接於該放大模組的輸出端，用於汲取電流；以及一比較電路，耦接於放大模組和該電流調整模組，用於將該前饋信號與該閥值進行比較，並依據比較的結果調整該放大模組的總輸出電流大小以及調整該電流調整模組的總電流汲取量。
7. 如請求項6所述的控制器，其中該放大模組包含有：一第一放大器，用於產生與該前饋信號的電壓大小成正比的一第一電流； 一第二放大器，用於產生與該前饋信號的電壓大小成正比的一第二電流；以及一第一開關，耦接於該第二放大器的輸出端與該電流調整模組之間，當導通時會將該第二電流耦接至該電流調整模組的輸入端；其中當該前饋信號小於該閥值時，該比較電路會將該第一開關設置成不導通狀態，而當該前饋信號大於該閥值時，該比較電路則會將該第一開關設置成導通狀態。
8. 如請求項7所述的控制器，其中該電流調整模組包含有：一第一電流槽，耦接於該第一放大器的輸出端，用於汲取一第一預定電流量；一第二電流槽，用於汲取一第二預定電流量；以及一第二開關，耦接於該第一放大器的輸出端與該第二電流槽之間，當導通時會將該第一電流耦接至該第二電流槽的輸入端；其中當該前饋信號小於該閥值時，該比較電路會將該第二開關設置成不導通狀態，而當該前饋信號大於該閥值時，該比較電路則會將該第二開關設置成導通狀態。
9. 如請求項8所述的控制器，其中當該第一開關導通時，會將該第二電流耦接至該該第一電流槽的輸入端。
10. 如請求項8所述的控制器，其中該第二預定電流量大於該第一預定電流量。
11. 如請求項10所述的控制器，其中該前饋信號的電壓範圍介於0.8~2.5V、該第一放大器的增益和該第二放大器的增益皆為1.1、該閥值為1.65V、且該第二預定電流量為該第一預定電流量的3倍。
12. 如請求項6所述的控制器，其中該片段線性增益電路另包含有： 一轉導電路，耦接於該放大模組的輸入端，用於將該前饋信號轉換成電流信號，以產生與該前饋信號的電壓大小成正比的一前饋電流。
13. 如請求項12所述的控制器，其中該放大模組在該前饋信號大於該閥值時的總輸出電流大小，是在該前饋信號小於該閥值時的2倍，且該電流調整模組在該前饋信號大於該閥值時的總電流汲取量，是在該前饋信號小於該閥值時的3倍。