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TWI580161B - 離線功率轉換器及適用於其中的積體電路 - Google Patents

離線功率轉換器及適用於其中的積體電路 Download PDF

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Publication number
TWI580161B
TWI580161B TW102130682A TW102130682A TWI580161B TW I580161 B TWI580161 B TW I580161B TW 102130682 A TW102130682 A TW 102130682A TW 102130682 A TW102130682 A TW 102130682A TW I580161 B TWI580161 B TW I580161B
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TW
Taiwan
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terminal
signal
voltage
input terminal
coupled
Prior art date
Application number
TW102130682A
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English (en)
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TW201414155A (zh
Inventor
約瑟Ｍ 卡皮拉
喬爾 杜奇
Original Assignee
半導體組件工業公司
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Filing date
Publication date
Application filed by 半導體組件工業公司 filed Critical 半導體組件工業公司
Publication of TW201414155A publication Critical patent/TW201414155A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI580161B publication Critical patent/TWI580161B/zh

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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/70—Regulating power factor; Regulating reactive current or power
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
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    • H02M1/4208—Arrangements for improving power factor of AC input
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Description

離線功率轉換器及適用於其中的積體電路
本揭露內容大體而言係關於功率轉換器，且更具體而言係關於功率轉換器的控制電路。
離線功率轉換器可使用積體電路功率因數控制器來實施，以便為離線電器提供功率因數校正。功率因數校正有助於提高功率傳遞至負載的效率並且減少電磁干擾(EMI)。積體電路驅動功率因數校正級，並且可按臨界傳導模式來操作以便提供輕負載操作控制以及其它有用的控制及安全特徵。然而，將需要降低離線功率轉換器的成本，同時保持現有設計的功率因數校正及安全特徵。
100‧‧‧離線功率轉換器
110‧‧‧整流器
112‧‧‧電磁干擾濾波器
114‧‧‧二極體
115‧‧‧二極體
116‧‧‧二極體
117‧‧‧二極體
118‧‧‧電容器
120‧‧‧變壓器
122‧‧‧一次繞組
124‧‧‧二次繞組
126‧‧‧變壓器鐵芯
130‧‧‧驅動電晶體
140‧‧‧感測電路
142‧‧‧二極體
144‧‧‧電阻器
146‧‧‧電阻器
148‧‧‧電阻器
150‧‧‧輸出電路
152‧‧‧二極體
154‧‧‧大容量電容器
156‧‧‧負載
160‧‧‧積體電路功率因數控制器
170‧‧‧線路感測電路
172‧‧‧電阻器
174‧‧‧電阻器
176‧‧‧電阻器
178‧‧‧電阻器
180‧‧‧電阻器
182‧‧‧電阻器
184‧‧‧電阻器
186‧‧‧電容器
188‧‧‧電容器
190‧‧‧電阻器
200‧‧‧離線功率轉換器
220‧‧‧電感器
230‧‧‧驅動電晶體
232‧‧‧感測電阻器
240‧‧‧電壓感測電路
242‧‧‧電阻器
244‧‧‧電阻器
260‧‧‧積體電路功率因數控制器
261‧‧‧第一端子
262‧‧‧第二端子
263‧‧‧第三端子
264‧‧‧第四端子
265‧‧‧第五端子
266‧‧‧第六端子
280‧‧‧反饋電路
282‧‧‧電阻器
284‧‧‧電阻器
290‧‧‧補償網路
292‧‧‧電阻器
294‧‧‧電容器
296‧‧‧電容器
302‧‧‧電容器
310‧‧‧調節電路
312‧‧‧緩衝器
314‧‧‧OPAMP
320‧‧‧開關電路
322‧‧‧開關
324‧‧‧反相器
326‧‧‧開關
330‧‧‧電阻器電容器(「RC」)電路
332‧‧‧電阻器
334‧‧‧電容器
340‧‧‧開關電路
342‧‧‧開關
344‧‧‧反相器
346‧‧‧開關
350‧‧‧評估電路
352‧‧‧比較器
354‧‧‧參考電壓產生器
356‧‧‧比較器
358‧‧‧比較器
360‧‧‧參考電壓產生器
362‧‧‧比較器
364‧‧‧參考電壓產生器
370‧‧‧過電壓保護電路
372‧‧‧比較器
374‧‧‧參考電壓產生器
380‧‧‧控制器
400‧‧‧電壓感測電路
402‧‧‧電阻器
404‧‧‧電阻器
406‧‧‧電容器
408‧‧‧電容器
500‧‧‧緩衝器
502‧‧‧電阻器
504‧‧‧電容器
506‧‧‧OPAMP
508‧‧‧電阻器
510‧‧‧電容器
512‧‧‧電容器
600‧‧‧時序圖
602‧‧‧波形
604‧‧‧波形
606‧‧‧波形
藉由參考附圖，可更好地瞭解本揭露內容，並且使本揭露內容之許多特徵及優勢對於熟習此項技術者顯而易知，在附圖中：圖1以部分方塊圖及部分圖解形式來例示出先前技術中已知的包括積體電路功率因數控制器之離線功率轉換器；圖2以部分方塊圖及部分圖解形式來例示出根據本發明之一實施例的包括積體電路功率因數控制器之離線功率轉換器；圖3以部分方塊圖及部分圖解形式來例示出圖2的積體電路功率因數控制器； 圖4以圖解形式來例示出根據圖2的電壓感測電路的替代實施例之電壓感測；圖5以圖解形式來例示出根據圖3的緩衝器的替代實施例之緩衝電路；以及圖6例示出可用來理解圖2的離線功率轉換器的操作之兩個時序圖。
在不同圖中使用相同參考符號指示類似或相同的項目。
圖1以部分方塊圖及部分圖解形式來例示出先前技術中已知的包括8接腳式積體電路功率因數控制器160的離線功率轉換器100。離線功率轉換器100大體上包括整流器110、變壓器120、標記為「Q1」的驅動電晶體130、感測電路140、輸出電路150、積體電路功率因數控制器160、線路感測電路170、標記為「Rfb1」的電阻器180、標記為「Rfb2」的電阻器182、標記為「RZ」的電阻器184、標記為「CZ」的電容器186、標記為「Cp」的電容器188以及標記為「RFF」的電阻器190。
整流器110包括電磁干擾(「EMI」)濾波器112、二極體114、二極體115、二極體116、二極體117以及標記為「C輸入」的電容器118。整流器110具有連接至第一「AC線路」電源端子的輸入端子、連接至第二AC線路電源端子的輸入端子、用以提供第一電源端子的輸出端子以及連接至接地的輸出端子，該連接至接地的輸出端子充當離線功率轉換器100的參考電壓端子。二極體114具有連接至由EMI濾波器112提供之第一電源端子的陽極，以及用以提供標記為「V輸入」之電壓的陰極。二極體115具有連接至接地的陽極，以及連接至二極體114之陽極的陰極。二極體116具有連接至由EMI濾波器112提供之第二電源端子的陽極，以及連接至二極體114之陰極的陰極。二極體117具有連接 至接地的陽極，以及連接至二極體116之陽極的陰極。電容器118具有連接至二極體116之陰極的第一端子，以及連接至接地的第二端子。
變壓器120包括標記為「L1」的一次繞組122、二次繞組124以及變壓器鐵芯126。一次繞組122具有用以接收V輸入的第一端子，以及第二端子。二次繞組124具有連接至接地的第一端子，以及第二端子。
驅動電晶體130具有閘電極、連接至一次繞組122之第二端子的汲電極、源電極以及連接至源電極的基體電極。
感測電路140包括標記為「Dzcd」的二極體142、標記為「Rzcd」的電阻器144、標記為「Rocp」的電阻器146以及標記為「R感測」的電阻器148。二極體142具有連接至二次繞組124之第二端子的陽極，以及陰極。電阻器144具有連接至二極體142之陰極的第一端子，以及第二端子。電阻器146具有連接至電阻器144之第二端子的第一端子，以及連接至驅動電晶體130之源電極的第二端子。電阻器148具有連接至電阻器146之第二端子的第一端子，以及連接至接地的第二端子。
輸出電路150包括標記為「D1」的二極體152、標記為「C大容量」的大容量電容器154，以及負載156。二極體152具有連接至驅動電晶體130之汲電極的陽極，以及用以提供標記為「V大容量」之電壓的陰極。大容量電容器154具有連接至二極體152之陰極的第一端子，以及連接至接地的第二端子。負載156具有連接至大容量電容器154之第一端子的第一端子，以及連接至接地的第二端子。
積體電路功率因數控制器160具有第一端子、第二端子、第三端子、連接至電阻器146之第一端子的第四端子、連接至接地的第五端子、連接至驅動電晶體130之閘電極的第六端子、用以接收標記為「VCC」之電源電壓的第七端子，以及用以接收標記為「反饋」之信號的第八端子。
線路感測電路170包括標記為「RX1」的電阻器172、標記為 「RX2」的電阻器174、標記為「Rbo1」的電阻器176以及標記為「Rbo2」的電阻器178。電阻器172具有連接至第一AC線路電源端子的第一端子，以及第二端子。電阻器174具有連接至第二AC線路電源端子的第一端子，以及連接至電阻器172之第二端子的第二端子。電阻器176具有連接至電阻器174之第二端子的第一端子，以及連接至積體電路功率因數控制器160之第二端子的第二端子。電阻器178具有連接至電阻器176之第二端子的第一端子，以及連接至接地的第二端子。
電阻器180具有用以接收V大容量的第一端子以及用以提供反饋信號的第二端子。電阻器182具有連接至積體電路功率因數控制器160之第八端子的第一端子，以及連接至接地的第二端子。電阻器184具有連接至積體電路功率因數控制器160之第一端子的第一端子，以及第二端子。電容器186具有連接至電阻器184之第二端子的第一端子，以及連接至接地的第二端子。電容器188具有連接至電阻器184之第一端子的第一端子，以及連接至接地的第二端子。電阻器190具有連接至積體電路功率因數控制器160之第三端子的第一端子，以及連接至接地的第二端子。
在操作中，整流器110提供已全波整流的電壓V輸入，其中在電源幹線(AC線路)與離線功率轉換器100的下游電路之間具有濾波。具體而言，整流器110藉由使信號穿過EMI濾波器112來管理不需要的能量自AC線路至下游電路之傳播。EMI濾波器112過濾EMI干擾以使得下游電路在操作期間不受干擾。EMI濾波器112接收AC線路信號並且將已過濾的AC信號提供至其輸出端子。二極體114、115、116及117將已整流的輸入電壓V輸入(在電容器118上儲存且過濾)提供至離線功率轉換器100的下游電路。
對於變壓器120而言，穿過一次繞組122的變化的交流電流在變壓器120之變壓器鐵芯126中產生變化的磁通量，從而在一次繞組122 上產生變化的交流電壓。藉由電感耦合，變化的磁通量在二次繞組124的線圈中產生變化的磁場。正如已知的，在二次繞組124中感生的電壓係在一次繞組122上的電壓的數學函數並且由二次繞組124中的匝數與一次繞組122中的匝數的比率來定義。
在接通時間(「T接通」)期間，積體電路功率因數控制器160將端子6上拉以便在驅動電晶體130的閘電極上提供正的驅動電壓，該驅動電晶體為N通道金屬氧化物半導體場效電晶體(「MOSFET」)。驅動電晶體130轉變至「接通狀態」並且在一次繞組122的第二端子處提供通往接地的低阻抗電流路徑。整流器110提供IL，且IL流經一次繞組122、驅動電晶體130及電阻器148。驅動電晶體130操作以便將汲電極電壓朝向接地電壓降低，且變壓器120建立其磁場並且依據IL儲存能量。
電阻器148感測流經驅動電晶體130的電流並且將電壓位準提供至積體電路功率因數控制器160的端子4。電阻器148依據自驅動電晶體130的汲電極流至源電極的電流將正電壓提供至端子4。若端子4上的電壓超過臨界值，則積體電路功率因數控制器160確定驅動電晶體130正在過電流條件下操作，並且撤銷啟動驅動電晶體130。
在斷開(「T斷開」)時間期間，積體電路功率因數控制器160將端子6下拉以便使驅動電晶體130不導電。驅動電晶體130轉變至「斷開狀態」並且在一次繞組122的第二端子處提供高阻抗電流路徑。作為回應，一次繞組122抵抗變化的IL，且操作以便使一次繞組122之第二端子處的電壓上升。二極體152依據由一次繞組122提供的電壓接通，以便將IL提供至輸出電路150並且增加V大容量。大容量電容器154依據IL在負載156上儲存V大容量，並且過濾負載156上的高頻率電壓轉變。
另外，二次繞組124操作以便使感測電路140之二極體142之陽極上的電壓上升。回應於在二次繞組124中感生的電壓，二極體142接通 並且使電流能夠流經電阻器144、146及148。感測電路140將電壓提供至積體電路功率因數控制器160的端子4，以便藉由偵測何時二次繞組124正提供零電流來指示何時二次繞組124的磁場處於「去磁」相中，該偵測被稱為零電流偵測(「ZCD」)。依據端子4上的電壓，若積體電路功率因數控制器160偵測到ZCD，則積體電路功率因數控制器160調整某些內部電路的操作。二次繞組124及二極體142操作以便防止當驅動電晶體130處於接通狀態中時的OCP偵測與當驅動電晶體130處於斷開狀態中時的ZCD偵測之間的干擾。
線路感測電路170藉由依據電阻器172、174、176及178的值劃分AC線路電壓來感測AC線路的瞬時電壓。電阻器176的第二端子在積體電路功率因數控制器160的端子2處形成電壓。若端子2上的電壓小於臨界值，則積體電路功率因數控制器160偵測到暫時低壓條件並且停止操作以便防止過度壓力。
離線功率轉換器100將V大容量提供至電阻器180的第一端子以便依據電阻器180及182的值提供反饋信號。電阻器180的第二端子在積體電路功率因數控制器160的端子8處形成電壓。依據端子8上的電壓，積體電路功率因數控制器160調節驅動電晶體130的工作循環，並且若輸出電壓太高，則立即將其停用。
積體電路功率因數控制器160將來自內部誤差放大器的輸出的信號提供至端子1，該放大器係實施為用於電壓調節迴路中的運算跨導放大器。由電阻器184、電容器186及電容器188形成並且連接至端子1的電路網路調整調節迴路的帶寬及相位邊限。
積體電路功率因數控制器160將端子3處的輸出電壓提供至電阻器190以便依據由AC線路提供的電流形成電壓。依據端子3上的電壓，積體電路功率因數控制器160調整停滯時間並且啟始週期跳過。
在電路操作期間，離線功率轉換器100使用8接腳式積體電路功 率因數控制器160以及各種安全及保護特徵來提供功率因數控制。然而，將需要降低離線功率因數轉換器100的成本，同時保持其所有安全及保護特徵。
圖2以部分方塊圖及部分圖解形式來例示出根據本發明之一實施例的具有積體電路功率因數控制器260的離線功率轉換器200。離線功率轉換器200大體上包括如以上例示出的整流器110及輸出電路150、標記為「L1」的電感器220、標記為「Q1」的驅動電晶體230、標記為「R感測」的感測電阻器232、電壓感測電路240、積體電路功率因數控制器260、反饋電路280以及補償網路290。
電感器220具有用以接收V輸入的第一端子，以及連接至二極體152之陽極的第二端子。
驅動電晶體230具有用以接收標記為「DRV」之信號的閘電極、連接至電感器220之第二端子的汲電極、源電極以及連接至源電極的基體電極。感測電阻器232具有連接至驅動電晶體230之源電極的第一端子，以及連接至接地的第二端子。
電壓感測電路240包括標記為「Rcs1」的電阻器242以及標記為「Rcs2」的電阻器244。電阻器242具有連接至驅動電晶體230之汲電極的第一端子，以及用以提供標記為「CS/ZCD」之信號的第二端子。電阻器244具有連接至電阻器242之第二端子的第一端子，以及連接至驅動電晶體230之源極的第二端子。
積體電路功率因數控制器260具有用以接收標記為「Fb」之信號的第一端子261、用以提供標記為「Vctrl」之信號的第二端子262、用以接收CS/ZCD的第三端子263、連接至接地的第四端子264、連接至驅動電晶體230之閘電極的第五端子265，以及用於接收標記為「Vcc」之電源電壓的第六端子266。
反饋電路280包括標記為「Rfb1」的電阻器282以及標記為 「Rfb2」的電阻器284。電阻器282具有連接至V大容量的第一端子，以及連接至積體電路功率因數控制器260之反饋端子261的第二端子。電阻器284具有連接至電阻器282之第二端子的第一端子，以及連接至接地的第二端子。
補償網路290包括標記為「Rz」的電阻器292、標記為「Cz」的電容器294以及標記為「Cp」的電容器296。電阻器292具有連接至積體電路功率因數控制器260之端子262的第一端子，以及第二端子。電容器294具有連接至電阻器292之第二端子的第一端子，以及連接至接地的第二端子。電容器296具有連接至電阻器292之第一端子的第一端子，以及連接至接地的第二端子。
在操作中，對於電感器220而言，變化的交流電流產生變化的磁通量，從而在電感器220上產生變化的交流電壓。在T接通期間，積體電路功率因數控制器260在驅動電晶體230的閘電極上提供正的驅動電壓。驅動電晶體230轉變至接通狀態並且在電感器220的第二端子處提供低阻抗電流路徑。整流器110提供IL，其流經電感器220、驅動電晶體230及感測電阻器232。驅動電晶體230操作以便將汲電極電壓朝向接地電壓降低，且電感器220建立其磁場並且依據IL儲存能量。
在T接通期間，感測電阻器232在其第一端子上提供與流經驅動電晶體230的電流成比例的電壓。當積體電路功率因數控制器260啟動信號DRV時，驅動電晶體230的汲極至源極電壓較小，並且電壓感測電路240上的電壓降亦較小。因此，多功能輸入端子263上的電壓大體上等於感測電阻器232的第一端子上的電壓，並且多功能輸入端子263可用來感測流經驅動電晶體230的電流。內部處理電路比較多功能輸入端子263的電壓與過電流保護臨界值。若多功能輸入端子263的電壓超過此臨界值，則積體電路功率因數控制器260撤銷啟動信號DRV。
在T斷開期間，積體電路功率因數控制器260使驅動電晶體230大體 上不導電。驅動電晶體230轉變至斷開狀態並且在電感器220的第二端子處提供高阻抗電流路徑。作為回應，電感器220抵抗變化的IL，並且操作以便使電感器220的第二端子處的電壓上升。二極體152依據由電感器220的第二端子提供的電壓接通，以便將IL提供至輸出電路150。大容量電容器154儲存電荷以便使負載156上的V大容量平滑並且過濾負載156上的高頻率電壓轉變。
多功能輸入端子263作為用以感測各種電壓及電流的多功能輸入端子來操作，該等電壓及電流包括IL、V汲極、平均V輸入及V大容量。積體電路功率因數控制器260使用此等電壓及電流來偵測包括過電流、去磁相、暫時低壓及過電壓之若干個條件，並且相應地調整其操作。藉由使用多功能輸入端子263作為多功能端子，積體電路功率因數控制器260可由減少的接腳數來實施，並且可使用簡單的電感器而非更昂貴的變壓器。因此，與離線功率轉換器100相比，離線功率轉換器200具有顯著減少的成本。
反饋電路280接收V大容量並且將V大容量的一部分提供至反饋端子261，該部分由電阻器282及284的值確定。積體電路功率因數控制器260使用反饋端子261上的電壓來調節DRV的工作循環。另外，積體電路功率因數控制器260比較反饋端子261處的電壓與臨界值。若反饋端子261處的電壓高於此臨界值，則積體電路功率因數控制器260偵測到過電壓條件並且立即撤銷啟動DRV信號。以此方式，積體電路功率因數控制器260使用兩個不同端子來提供冗餘OVP。由於積體電路功率因數控制器260即使在電路元件中之一者出故障的情況下仍然可偵測到過電壓，因此積體電路功率因數控制器260改良了安全性。
積體電路功率因數控制器260使用Fb信號及內部誤差放大器來調節DRV信號的工作循環。積體電路功率因數控制器260在端子262上提供誤差放大器輸出，並且電阻器292、電容器294及電容器296的電路 佈置調整調節迴路的帶寬。
離線功率轉換器200使用6接腳式積體電路來提供有效的功率因數控制。同時，離線功率轉換器200藉由添加冗餘過電壓偵測來改良安全性，同時保持離線功率轉換器100的保護特徵。另外，離線功率轉換器200使用單個多功能接腳來提供若干個電流及電壓感測特徵；用較不昂貴但更可靠的電感器220來替換變壓器120；並且提供用來感測並處理V大容量、平均V輸入、IL並且偵測暫時低壓、過電流及過電壓條件及去磁相的更安全的冗餘方法。
圖3以部分方塊圖及部分圖解形式來例示出圖2的積體電路功率因數控制器260。積體電路功率因數控制器260大體上包括調節電路310、評估電路350、過電壓保護電路370及控制器380。調節電路310及評估電路350一起操作以便形成積體電路功率因數控制器260的處理電路。
離線功率轉換器200亦包括標記為「CCS」的電容器302，如圖3所示。電容器302具有連接至積體電路功率因數控制器260之多功能輸入端子263的第一端子，以及連接至接地的第二端子。
調節電路310包括緩衝器312、開關電路320、電阻器電容器(「RC」)電路330以及開關電路340。緩衝器312包括OPAMP 314，其具有連接至電容器302之第一端子的正輸入、負輸入以及連接至負輸入以便提供標記為「KCS ．V汲極」之信號的輸出。開關電路320包括開關322、反相器324以及開關326。開關322具有用以接收DRV的啟用輸入、連接至OPAMP 314之輸出的第一端子，以及用以提供標記為「R感測‧IL」之信號的第二端子。反相器324具有連接至開關322之啟用輸入的輸入，以及輸出。開關326具有連接至反相器324之輸出的啟用輸入、連接至開關322之第二端子的第一端子，以及連接至接地的第二端子。RC電路330包括標記為「Rf」的電阻器332以及標記為「Cf」的 電容器334。電阻器332具有連接至OPAMP 314之輸出的第一端子，以及用以提供標記為「KCS‧<V輸入>」之信號的第二端子。電容器334具有連接至電阻器332之第二端子的第一端子，以及連接至接地的第二端子。開關電路340包括開關342、反相器344以及開關346。開關342具有啟用輸入、連接至OPAMP 314之輸出的第一端子，以及用以提供標記為「KCS‧(V輸出+Vf)」之信號的第二端子。反相器344具有用以接收DRV的輸入，以及連接至開關342之啟用輸入的輸出。開關346具有用以接收DRV信號的啟用輸入、連接至開關342之第二端子的第一端子，以及連接至接地的第二端子。
評估電路350包括比較器352、參考電壓產生器354、比較器356、比較器358、參考電壓產生器360、比較器362以及參考電壓產生器364。比較器352具有連接至開關326之第一端子的正輸入、負輸入以及用以提供標記為「OCP」之信號的輸出。參考電壓產生器354具有連接至比較器352的負輸入以便提供標記為「VOCP」之參考電壓的正端子，以及連接至接地的負端子。比較器356具有連接至OPAMP 314之輸出的正輸入、連接至電容器334之第一端子的負輸入，以及用以提供標記為「ZCD」之信號的輸出。比較器358具有正輸入、連接至電阻器332之第二端子的負輸入，以及用以提供標記為「BO」之信號的輸出。參考電壓產生器360具有連接至比較器358的正輸入以便提供標記為「VBO」之參考電壓的正端子，以及連接至接地的負端子。比較器362具有連接至開關346之第一端子的正輸入、負輸入以及用以提供標記為「OVP2」之信號的輸出。參考電壓產生器364具有連接至比較器362的負輸入以便提供標記為「VOVP2」之參考電壓的正端子，以及連接至接地的負端子。
過電壓保護電路370包括比較器372及參考電壓產生器374。比較器372具有連接至積體電路功率因數控制器260之反饋端子261的正輸 入、負輸入以及用以提供標記為「OVP1」之信號的輸出。參考電壓產生器374具有連接至比較器372的負輸入以便提供標記為「VOVP1」之參考電壓的正端子，以及連接至接地的負端子。
控制器380具有連接至比較器352之輸出的輸入、連接至比較器356之輸出的輸入、連接至比較器356之負輸入的輸入、連接至比較器358的輸出的輸入、連接至開關346之第一端子的輸入、連接至比較器362之輸出的輸入、連接至比較器372之輸出的輸入以及連接至驅動端子265的輸出。
在操作中，在T斷開期間，電壓感測電路240將驅動電晶體230的汲電極電壓「V汲極」之標記為「KCS」的一部分提供至多功能輸入端子263。在T接通期間，電壓感測電路240將感測電阻器232之第一端子處的電壓提供至多功能輸入端子263以便代表經由驅動電晶體230傳導的電流。
電壓感測電路240支持使用多功能輸入端子263，因為其形成的電壓代表當DRV在作用中時在離線功率轉換器200中傳導的電流以及當DRV非作用中時提供至負載156的電壓。緩衝器312驅動內部電路，同時向多功能輸入端子263提供高阻抗，並且調節電路310自緩衝器312所提供的信號提取若干條資訊。另外，調節電路310向評估電路350提供若干個感興趣的信號，其包括經由開關電路320的與IL成比例的電壓、經由RC電路330的與V輸入之平均值成比例的電壓，以及經由開關電路340的與輸出電壓成比例的電壓。當DRV在作用中時，開關電路320將來自多功能輸入端子263的信號連接至比較器352的輸入端子。評估電路350使用一組比較器及參考電壓產生器來操作以便將多個功能性輸入提供至控制器380。控制器380進一步處理該等功能性輸入以便確定(例如)DRV的開關週期、轉換速率、接通時間及斷開時間。
具體而言，當DRV在作用中時，調節電路310使用關係式V263=R感測‧IL提供與IL成比例的信號，其中V263等於多功能輸入端子263上的電壓。比較器352比較此電壓與VOCP，並且若此電壓大於VOCP，則將信號OCP提供至控制器380。
緩衝器312將等於KCS‧V汲極的電壓提供至比較器356的正輸入，其中KCS等於RCS2/(RCS1+RCS2)。RC電路330將等於KCS‧<V輸入>的電壓提供至比較器356的負輸入，其中「<V輸入>」為平均V輸入。比較器356將該等電壓彼此進行比較，並且當驅動電晶體230的瞬時汲極電壓超過平均電壓時，比較器352感測到去磁相並且將信號ZCD提供至控制器380。另外，對於去磁處理而言，RC電路330將代表性電壓函數「KCS‧<V輸入>」直接提供至控制器380，該函數代表「VIN」，其中VIN為時間平均函數「V263(t)=V263(2)(t)=K263‧V汲極(t)」。比較器358比較VBO與KCS‧<V輸入>，並且若VBO大於KCS‧<V輸入>，則比較器352將BO提供至控制器380。
比較器362及372基於單獨的OVP1及OVP2信號來提供冗餘OVP。調節電路310基於關係式V汲極=V大容量+VF來確定V大容量，其中VF為二極體152的正向偏置切入電壓。開關340將此電壓提供至比較器362。比較器362比較此電壓與VOVP2，並且若此電壓大於VOVP2，則將OVP2提供至控制器380。比較器362及372基於自單獨接腳接收的信號來提供單獨的OVP信號OVP1及OVP2。反饋電路280將Fb信號提供至比較器372，若Fb大於VOVP1，則該比較器將信號OVP1提供至控制器380。
積體電路功率因數控制器260提供處理電路以便使用單個多功能接腳上的電壓來形成若干個電流及電壓感測信號。積體電路功率因數控制器260使用此等信號來將驅動信號提供至驅動電晶體的閘極以便控制離線功率轉換器的功率因數，同時保持現有設計的安全及保護特徵。
圖4以圖解形式來例示出根據圖2的電壓感測電路240的替代實施例之電壓感測電路400。電壓感測電路400大體上包括標記為「RCS1」的電阻器402、標記為「CCS1」的電容器406、標記為「RCS2」的電阻器404以及標記為「CCS2」的電容器408。電阻器402具有用以接收標記為「V汲極」之電壓的第一端子，以及用以提供信號CS/ZCD的第二端子。電阻器404具有連接至電阻器402之第二端子的第一端子，以及用以接收標記為「V源極」之電壓的第二端子。電容器406具有連接至電阻器402之第一端子的第一端子，以及連接至電阻器404之第一端子的第二端子。電容器408具有連接至電容器406之第二端子的第一端子，以及連接至電阻器404之第二端子的第二端子。
在操作中，電容器406及408的分壓比分別匹配於電阻器402及404的分壓比。電容器406及408提供較高帶寬及對於多功能輸入端子263與接地之間的寄生電容的較小敏感性。
圖5以圖解形式來例示出根據圖3的緩衝器312的替代實施例之緩衝器500。緩衝器500大體上包括標記為「R輸入」的電阻器502、標記為「C輸入」的電容器504、OPAMP 506、標記為「R2」的電阻器508、標記為「C2」的電容器510以及標記為「C1」的電容器512。電阻器502具有連接至積體電路功率因數控制器260之多功能輸入端子263的第一端子，以及第二端子。電容器504具有連接至電阻器502之第二端子的第一端子，以及連接至接地的第二端子。OPAMP 506具有連接至電容器504之第一端子的正輸入、負輸入以及用以提供標記為「VCSint」之信號的輸出。電阻器508具有連接至OPAMP 506之輸出的第一端子，以及連接至OPAMP 506之負輸入的第二端子。電容器510具有連接至電阻器508之第一端子的第一端子，以及連接至電阻器508之第二端子的第二端子。電容器512具有連接至電容器510之第二端子的第一端子，以及連接至接地的第二端子。
在操作中，當考慮數學複平面分析時，電壓感測電路240依據電容器302將延遲電壓提供至OPAMP 506，其中「極點」頻率係定義為：
緩衝器500經由RC網路將其輸出節點饋送回至其負輸入。電壓感測電路240可向緩衝電路500的正端子提供函數V汲極或可提供函數V源極。緩衝器500操作以便執行在頻率f p0 的極點去除，其實現方式係將「零」設於如下定義的頻率：
緩衝器500藉由提供f p1函數及/或f p2函數來提供進一步補償，因此緩衝器500僅放大自多功能輸入端子263接收的信號的所要頻率。
圖6例示出可用來理解圖2的離線功率轉換器200的操作之兩個時序圖600。對於上部時序圖，水平軸代表以微秒(μsec)為單位的時間，並且垂直軸代表以伏(V)為單位的振幅。上部時序圖例示出兩個感興趣的波形，即標記為「KCS‧<V輸入>」的波形602及標記為「KCS‧V汲極」的波形604。對於下部時序圖，水平軸代表以μsec為單位的時間，並且垂直軸代表以伏為單位的振幅。下部時序圖例示出標記為「VZCD」的波形606。對於上部及下部時序圖，水平軸例示出兩個感興趣的特定時段，其包括當驅動電晶體230處於接通狀態時的自約0μsec至約4μsec的第一時段以及當驅動電晶體230處於斷開狀態時的自約4μsec至約20μsec的第二時段。
在操作中，對於第一時序圖及第二時序圖600，在約4μsec處，積體電路功率因數控制器260將驅動端子265下拉以便使驅動電晶體230不導電。驅動電晶體230轉變至斷開狀態並且在電感器220的第二端子處提供高阻抗電流路徑。作為回應，電感器220抵抗變化的IL， 並且操作以便使電感器220的第二端子處的電壓上升。當瞬時電壓KCS‧V汲極大於平均電壓KCS‧<V輸入>時，比較器352將處於高位準的ZCD提供至控制器380，且去磁相開始(IL開始降低)。
在約17μsec處，發生去磁相結束(IL=0)，電感器220對IL的變化值作出反應並且進入去磁相。電感器220在其第二端子上提供「振鈴」電壓位準。一般而言，為了補償此振鈴效應，積體電路功率因數控制器260將延遲接通驅動電晶體230，直至自汲電極至源電極的電壓達到值小於V輸入的穩定「谷值」電壓為止。
因此，所揭露的積體電路功率因數控制器允許構造成本得以降低的離線功率轉換器。該積體電路功率因數控制器將接腳數減少至6個接腳，同時保持功率因數校正及安全特徵，其實現方式係利用積體電路功率因數控制器用來偵測過電流、過電壓及去磁狀態的多功能接腳。該離線功率轉換器用便宜的電感器來替換變壓器，並且使用連接在驅動電晶體的汲極與源極上的簡單電阻分壓器來產生傳輸至多功能接腳的電壓。當驅動電晶體導電時，多功能輸入端子上的電壓反映流經驅動電晶體的電流量並且積體電路功率因數控制器使用該電壓來偵測過電流條件。當驅動電晶體不導電時，多功能輸入端子上的電壓反映驅動電晶體的汲極上的電壓，其與輸出電壓相關並且積體電路功率因數控制器使用該電壓來產生冗餘過電壓保護信號。積體電路功率因數控制器藉由確定何時多功能端子上的瞬時電壓超過平均電壓來偵測去磁狀態。
以上揭露的標的物應被認為係說明性的而非限制性的，並且所附申請專利範圍意欲涵蓋所有此等修改、增強以及屬於申請專利範圍之真實範疇內的其它實施例。舉例而言，在所說明的實施例中，積體電路功率因數控制器260為6接腳式產品，但是在其它實施例中，積體電路功率因數控制器260可具有更大或更小數目個接腳。
在所說明的實施例中，調節電路310包括開關電路320及340以及RC電路330，但是在其它實施例中，調節電路310可包括其它類型的電路來將輸入信號提供至評估電路350。
此外，評估電路350包括比較器352、356、358及362，但是在其它實施例中，評估電路350可包括更多或更少的比較器來將更多或更少的比較結果提供至控制器380。
根據一態樣，處理電路包含第一開關電路，其用於當驅動信號在作用中時將多功能輸入端子耦合至第二比較器的第一輸入端子。
根據另一態樣，處理電路包含第一比較器及第二開關電路。第一比較器具有第一輸入端子、用於接收第一過電壓臨界值信號的第二輸入端子以及用於提供第一過電壓保護信號的輸出端子。第二開關電路用於當驅動信號非作用中時將多功能輸入端子耦合至第一比較器的第一輸入端子。控制器進一步具有用於接收第一過電壓保護信號的輸入端子，並且進一步選擇性地回應於第一過電壓保護信號來提供驅動信號。
對於此態樣，離線功率轉換器可進一步包含反饋端子，並且處理電路進一步包含第二比較器。第二比較器具有耦合至反饋端子的第一輸入端子、用於接收第二過電壓臨界值信號的第二輸入端子以及用於提供第二過電壓保護信號的輸出端子。控制器進一步具有用於接收第二過電壓保護信號的輸入端子，並且進一步選擇性地回應於第二過電壓保護信號來提供驅動信號。
根據另一態樣，處理電路包含電阻器及電容器。電阻器具有耦合至多功能輸入端子的第一端子以及用於提供平均電壓信號的第二端子。電容器具有耦合至電阻器之第二端子的第一端子以及耦合至參考電壓端子的第二端子。
對於此態樣，至少一個電流信號包含零電流偵測信號，並且處 理電路進一步包含第一比較器，該第一比較器具有耦合至多功能端子的第一輸入端子、耦合至電阻器之第二端子的第二輸入端子以及用於提供零電流偵測信號的輸出端子。
此外，至少一個電壓信號可包含暫時低壓偵測信號，並且處理電路可進一步包含第二比較器，該第二比較器具有耦合至電阻器之第二端子的第一輸入端子、用於接收暫時低壓臨界值電壓的第二輸入端子以及用於提供暫時低壓偵測信號的輸出端子。
根據又一態樣，離線功率轉換器進一步包含整流器、電感器及電壓感測電路。整流器具有用於耦合至電源幹線的輸入以及用於提供已整流的輸入電壓的輸出。電感器具有耦合至整流器之輸出的第一端子，以及第二端子。驅動電晶體進一步具有耦合至電感器之第二端子的第一電流電極，以及經由感測電阻器耦合至參考電壓端子的第二電流電極。電壓感測電路具有耦合至驅動電晶體之第一電流電極的第一輸入端子、耦合至驅動電晶體之第二電流電極的第二輸入端子以及耦合至多功能輸入端子的輸出端子。
對於此態樣，電壓感測電路可包含第一電阻器及第二電阻器。第一電阻器具有耦合至驅動電晶體之第一電流電極的第一端子以及耦合至多功能輸入端子的第二端子。第二電阻器具有耦合至多功能輸入端子的第一端子以及耦合至驅動電晶體之第二電流電極的第二端子。
對於此態樣，電壓感測電路亦可包含第一電阻器、第二電阻器、第一電容器以及第二電容器。第一電阻器具有耦合至驅動電晶體之第一電流電極的第一端子，以及耦合至多功能輸入端子的第二端子。第二電阻器具有耦合至多功能輸入端子的第一端子，以及耦合至驅動電晶體之第二電流電極的第二端子。第一電容器具有耦合至驅動電晶體之第一電流電極的第一端子，以及耦合至多功能輸入端子的第二端子。第二電容器具有耦合至多功能輸入端子的第一端子，以及耦 合至驅動電晶體之第二電流電極的第二端子。
根據再一態樣，第一電路包含：電阻器，該電阻器具有耦合至輸入端子的第一端子以及用於提供平均電壓信號的第二端子；以及電容器，該電容器具有耦合至電阻器之第二端子的第一端子以及耦合至參考電壓端子的第二端子。
根據又一態樣，第一電路經由緩衝器耦合至輸入端子，該緩衝器具有耦合至該輸入端子的輸入端子以及耦合至第一電路的輸出端子。
對於此態樣，緩衝器可包括：第一電阻器，其具有耦合至輸入端子的第一端子，以及第二端子；第一電容器，其具有耦合至第一電阻器之第二端子的第一端子以及耦合至參考電壓端子的第二端子；運算放大器，其具有耦合至第一電阻器之第二端子的非反相輸入、反相輸入以及形成緩衝器之輸出端子的輸出；第二電阻器，其具有耦合至運算放大器之輸出端子的第一端子以及耦合至運算放大器之反相輸入的第二端子；第二電容器，其具有耦合至運算放大器之輸出端子的第一端子以及耦合至運算放大器之反相輸入的第二端子；以及第三電容器，其具有耦合至運算放大器之反相輸入的第一端子以及耦合至參考電壓端子的第二端子。
根據再一態樣，積體電路可包含第三比較器，其具有用於接收平均電壓信號的第一端子、用於接收第三參考電壓的第二端子以及用於提供暫時低壓信號的輸出端子，並且控制器可進一步回應於暫時低壓信號來使驅動信號保持非作用中。
因此，在法律允許的最大範圍內，本發明的範疇應由以下申請專利範圍及其等效物的最廣泛容許解釋來確定，並且不應受前述詳細說明的限定或限制。
110‧‧‧整流器
112‧‧‧電磁干擾濾波器
114‧‧‧二極體
115‧‧‧二極體
116‧‧‧二極體
117‧‧‧二極體
118‧‧‧電容器
150‧‧‧輸出電路
152‧‧‧二極體
154‧‧‧大容量電容器
156‧‧‧負載
200‧‧‧離線功率轉換器
220‧‧‧電感器
230‧‧‧驅動電晶體
232‧‧‧感測電阻器
240‧‧‧電壓感測電路
242‧‧‧電阻器
244‧‧‧電阻器
260‧‧‧積體電路功率因數控制器
261‧‧‧第一端子
262‧‧‧第二端子
263‧‧‧第三端子
264‧‧‧第四端子
265‧‧‧第五端子
266‧‧‧第六端子
280‧‧‧反饋電路
282‧‧‧電阻器
284‧‧‧電阻器
290‧‧‧補償網路
292‧‧‧電阻器
294‧‧‧電容器
296‧‧‧電容器

Claims (10)

  1. 一種離線功率轉換器，其包含：一積體電路功率因數控制器，其包括：一多功能輸入端子，其中該多功能輸入端子經調適以接收一電壓，該電壓係與流經一驅動電晶體之一電流成比例且係根據由一電壓感測電路產生之一電壓；一驅動端子，其用於將一驅動信號提供至一驅動電晶體的一閘極；一處理電路，其耦合至該多功能輸入端子，並且基於該多功能輸入端子上的一電壓來提供代表在該離線功率轉換器中傳導的一電流的至少一個電流信號以及代表提供至一負載的一電壓的至少一個電壓信號；以及一控制器，其用於選擇性地回應於該至少一個電流信號及該至少一個電壓信號來提供該驅動信號以控制該離線功率轉換器之功率因數。
  2. 如請求項1之離線功率轉換器，其中該至少一個電流信號包含一零電流偵測信號，並且該處理電路包含：一電阻器，其具有耦合至該多功能輸入端子的一第一端子以及用於提供一平均電壓信號的一第二端子；一電容器，其具有耦合至該電阻器之該第二端子的一第一端子以及耦合至一參考電壓端子的一第二端子；以及一第一比較器，其具有耦合至該多功能輸入端子的一第一輸入端子、耦合至該電阻器之該第二端子的一第二輸入端子以及用於提供該零電流偵測信號的一輸出端子。
  3. 如請求項2之離線功率轉換器，其中該至少一個電流信號為一過 電流保護信號，並且該處理電路進一步包含：一第二比較器，其具有耦合至該多功能輸入端子的一第一輸入端子、用於接收一過電流臨界值信號的一第二輸入端子以及用於提供該過電流保護信號的一輸出端子。
  4. 如請求項2之離線功率轉換器，其中該至少一個電壓信號包含一暫時低壓偵測信號，並且該處理電路進一步包含：一第二比較器，其具有耦合至該電阻器之該第二端子的一第一輸入端子、用於接收一暫時低壓臨界值電壓的一第二輸入端子以及用於提供該暫時低壓偵測信號的一輸出端子。
  5. 如請求項4之離線功率轉換器，其中：該積體電路功率因數控制器的特徵為一6接腳式晶片，該晶片進一步包含一反饋端子、耦合至該積體電路功率因數控制器的一誤差放大器的一輸出的一控制電壓端子、一電源電壓端子以及一參考電壓端子。
  6. 如請求項1之離線功率轉換器，其中該處理電路包含：一第一比較器，其具有一第一輸入端子、用於接收一第一過電壓臨界值信號的一第二輸入端子以及用於提供一第一過電壓保護信號的一輸出端子；以及一第二開關電路，其用於當該驅動信號非作用中時將該多功能輸入端子耦合至該第一比較器的該第一輸入端子，其中該控制器進一步具有用於接收該第一過電壓保護信號的一輸入端子，並且進一步選擇性地回應於該第一過電壓保護信號來提供該驅動信號。
  7. 如請求項6之離線功率轉換器，其進一步包含一反饋端子，其中該處理電路包含：一第二比較器，其具有耦合至該反饋端子的一第一輸入端 子、用於接收一第二過電壓臨界值信號的一第二輸入端子以及用於提供一第二過電壓保護信號的一輸出端子，其中該控制器進一步具有用於接收該第二過電壓保護信號的一輸入端子，並且進一步選擇性地回應於該第二過電壓保護信號來提供該驅動信號。
  8. 一種離線功率轉換器，其包含：一積體電路功率因數控制器，其包括：一輸入端子；一驅動端子，其用於將一驅動信號提供至一驅動電晶體的一閘極；一第一電路，其耦合至該輸入端子，用於提供代表該輸入端子處的一電壓的一平均值的一平均電壓信號；一第二電路，其用於比較該輸入端子處的該電壓與該平均電壓信號以便形成一零電流偵測信號；以及一控制器，其用於選擇性地回應於該平均電壓信號與該零電流偵測信號兩者來提供該驅動信號。
  9. 一種積體電路，其包含：一反饋端子；一輸入端子；一驅動端子，其用於將一驅動信號提供至一驅動電晶體的一閘極；一第一比較器，其具有耦合至該反饋端子的一第一端子、用於接收一第一參考電壓的一第二端子以及用於提供一第一過電壓保護信號的一輸出端子；一第二比較器，其具有當該驅動信號非作用中時耦合至該輸入端子的一第一端子、用於接收一第二參考電壓的一第二端子 以及用於提供一第二過電壓保護信號的一輸出端子；以及一控制器，其耦合至該驅動端子，用於選擇性地啟動該驅動信號來調節該反饋端子上的一電壓，並且用於回應於該第一過電壓保護信號或該第二過電壓保護信號來使該驅動信號保持非作用中。
  10. 如請求項9之積體電路，其進一步包含：一第一電路，其耦合至該輸入端子，用於提供與該輸入端子的一平均值成比例的一平均電壓信號；以及一第二電路，其用於比較該輸入端子與該平均電壓信號以便提供一零電流偵測信號，該控制器進一步選擇性地回應於該平均電壓信號與該零電流偵測信號兩者來提供該驅動信號。
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