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主动式功率因数校正电路及相关的控制器.pdf

摘要
申请专利号:

太阳城集团CN201110364956.6

申请日:

2011.11.17

公开号:

CN103117654B

公开日:

2015.01.07

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H02M 1/42申请日:20111117|||公开
IPC分类号: H02M1/42(2007.01)I 主分类号: H02M1/42
申请人: 立锜科技股份有限公司
发明人: 林梓诚
地址: 中国台湾新竹县竹北市台元街20号5楼
优先权:
专利代理机构: 北京国昊天诚知识产权代理有限公司 11315 代理人: 许志勇
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法律状态
申请(专利)号:

CN201110364956.6

授权太阳城集团号:

太阳城集团103117654B||||||

法律状态太阳城集团日:

2015.01.07|||2013.06.19|||2013.05.22

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明提出的主动式功率因数校正电路装置之一,包含有片段线性增益电路、误差放大器、脉宽调变控制器以及脉宽调变信号产生器。片段线性增益电路用于接收前馈信号并产生相对应的增益信号,其中该增益信号与该前馈信号两者的大小会呈现折线状的相关性。误差放大器用于依据交流至直流转换器的输出电压产生误差信号。脉宽调变控制器用于依据增益信号、误差信号、和交流至直流转换器整流后的输入电压,产生控制信号。脉宽调变信号产生器用于依据控制信号产生用以控制该交流至直流转换器的功率开关的脉宽调变信号。利用片段线性增益电路取代传统平方器,可降低主动式功率因数校正电路的电路复杂度,降低所需偏压源,缩小电路面积,并降低电功耗和成本。

权利要求书

权利要求书一种主动式功率因数校正电路,用于校正一交流至直流转换器的功率因数,其中该交流至直流转换器包含有一电感以及一功率开关,该主动式功率因数校正电路包含有:
一片段线性增益电路,当耦接于该交流至直流转换器时,用于接收一前馈信号并产生一相对应的增益信号,其中该增益信号与该前馈信号两者的大小会呈现折线状的相关性;
一误差放大器,当耦接于该交流至直流转换器时,用于依据该交流至直流转换器的一输出电压产生一误差信号;
一脉宽调变控制器,当耦接于该交流至直流转换器时,用于依据该增益信号、该误差信号、和该交流至直流转换器整流后的输入电压,产生一控制信号;以及
一脉宽调变信号产生器,耦接于该脉宽调变控制器,用于依据该控制信号产生用以控制该功率开关的脉宽调变信号。
如权利要求1所述的主动式功率因数校正电路,其中该控制信号会正比于该误差信号和该输入电压的大小,并反比于该增益信号的大小。
如权利要求2所述的主动式功率因数校正电路,其中该前馈信号是由该交流至直流转换器的一低通滤波器依据该输入电压所产生。
如权利要求3所述的主动式功率因数校正电路,其中若该前馈信号小于一阀值,该片段线性增益电路会对该前馈信号施加一第一增益以产生该增益信号,而若该前馈信号大于该阀值,则该片段线性增益电路会对该前馈信号施加一第二增益以产生该增益信号。
如权利要求4所述的主动式功率因数校正电路,其中该第二增益大于该第一增益。
一种用于主动式功率因数校正电路的控制器,用于控制该主动式功率因数校正电路的一脉宽调变信号产生器,该控制器包含有:
一片段线性增益电路,当该主动式功率因数校正电路耦接于一交流至直流转换器时,用于接收一前馈信号,且若该前馈信号小于一阀值,则对该前馈信号施加一第一增益以产生一增益信号,而若该前馈信号大于该阀值,则对该前馈信号施加一第二增益以产生该增益信号,其中该第二增益大于该第一增益;
一误差放大器,当耦接于该交流至直流转换器时,用于依据该交流至直流转换器的一输出电压产生一误差信号;以及
一脉宽调变控制器,当耦接于该交流至直流转换器时,用于依据该增益信号、该误差信号、和该交流至直流转换器整流后的输入电压,产生一控制信号以控制该脉宽调变信号产生器。
如权利要求6所述的控制器,其中该片段线性增益电路包含有:
一放大模块,用于产生与该前馈信号的电压大小成正比的电流;
一电流调整模块,耦接于该放大模块的输出端,用于汲取电流;以及
一比较电路,耦接于放大模块和该电流调整模块,用于将该前馈信号与该阀值进行比较,并依据比较的结果调整该放大模块的总输出电流大小以及调整该电流调整模块的总电流汲取量。
如权利要求7所述的控制器,其中该放大模块包含有:
一第一放大器,用于产生与该前馈信号的电压大小成正比的一第一电流;
一第二放大器,用于产生与该前馈信号的电压大小成正比的一第二电流;以及
一第一开关,耦接于该第二放大器的输出端与该电流调整模块之间,当导通时会将该第二电流耦接至该电流调整模块的输入端;
其中当该前馈信号小于该阀值时,该比较电路会将该第一开关设置成不导通状态,而当该前馈信号大于该阀值时,该比较电路则会将该第一开关设置成导通状态。
如权利要求8所述的控制器,其中该电流调整模块包含有:
一第一电流槽,耦接于该第一放大器的输出端,用于汲取一第一预定电流量;
一第二电流槽,用于汲取一第二预定电流量;以及
一第二开关,耦接于该第一放大器的输出端与该第二电流槽之间,当导通时会将该第一电流耦接至该第二电流槽的输入端;
其中当该前馈信号小于该阀值时,该比较电路会将该第二开关设置成不导通状态,而当该前馈信号大于该阀值时,该比较电路则会将该第二开关设置成导通状态。
如权利要求9所述的控制器,其中当该第一开关导通时,会将该第二电流耦接至该该第一电流槽的输入端。
如权利要求9所述的控制器,其中该第二预定电流量大于该第一预定电流量。
如权利要求11所述的控制器,其中该前馈信号的电压范围介于0.8~2.5V、该第一放大器的增益和该第二放大器的增益皆为1.1、该阀值为1.65V、且该第二预定电流量为该第一预定电流量的3倍。
如权利要求7所述的控制器,其中该片段线性增益电路另包含有:
一转导电路,耦接于该放大模块的输入端,用于将该前馈信号转换成电流信号,以产生与该前馈信号的电压大小成正比的一前馈电流。
如权利要求13所述的控制器,其中该放大模块在该前馈信号大于该阀值时的总输出电流大小,是在该前馈信号小于该阀值时的2倍,且该电流调整模块在该前馈信号大于该阀值时的总电流汲取量,是在该前馈信号小于该阀值时的3倍。

说明书

说明书主动式功率因数校正电路及相关的控制器
技术领域
本发明有关功率因数校正电路,尤指一种用于主动式功率因数校正电路之控制电路。
背景技术
由于能源日益短缺的问题,促使人们越来越重视电子装置的用电效率。传统的交流至直流转换器大多使用二极管整流来达成,此种架构虽然简单且成本低,但由于输入电流的严重非线性失真,造成低频谐波大量增加,导致功率因数(power factor,PF)低落。功率因数指有效功率与视在功率(apparent power)间的比值,是衡量电力利用效率高低的指标。功率因数低落除了会造成能源无谓的浪费,大量的谐波也会造成电力系统的不稳定及发电机的困扰,而严重影响供电的质量。
许多交流至直流转换器中都会设置功率因数校正(power factor correction,PFC)电路以改善功率因数。为了避免输出功率随着输入电压的大小而改变,功率因数校正电路常会采用输入电压前馈控制的电路架构。这样的电路架构需要利用平方器(squarer)来计算输入电压的平方值,并搭配乘法器和除法器来产生所需的控制信号。
然而,平方器的电路设计复杂度高、占用的电路面积大、制造成本高、又往往很耗电,因而在改善功率因数校正电路的用电效率和进一步缩小电路芯片尺寸方面造成了阻碍。
发明内容
有鉴于此,如何在省略平方器的情况下以更精简的架构实现功率因数校正电路,以避免输出功率随着输入电压的大小而改变,实为有待解决的问题。
本说明书提供了一种主动式功率因数校正电路之实施例,用于校正一交流至直流转换器的功率因数,其中该交流至直流转换器包含有一电感以及一功率开关,该主动式功率因数校正电路包含有:一片段线性增益电路,当耦接于该交流至直流转换器时,用于接收一前馈信号并产生一相对应的增益信号,其中该增益信号与该前馈信号两者的大小会呈现折线状的相关性;一误差放大器,当耦接于该交流至直流转换器时,用于依据该交流至直流转换器的一输出电压产生一误差信号;一脉宽调变控制器,当耦接于该交流至直流转换器时,用于依据该增益信号、该误差信号、和该交流至直流转换器整流后的输入电压,产生一控制信号;以及一脉宽调变信号产生器,耦接于该脉宽调变控制器,用于依据该控制信号产生用以控制该功率开关的脉宽调变信号。
本说明书另提供了一种用于主动式功率因数校正电路的控制器的实施例,用于控制该主动式功率因数校正电路的一脉宽调变信号产生器,该控制器包含有:一片段线性增益电路,当该主动式功率因数校正电路耦接于一交流至直流转换器时,用于接收一前馈信号,且若该前馈信号小于一阀值,则对该前馈信号施加一第一增益以产生一增益信号,而若该前馈信号大于该阀值,则对该前馈信号施加一第二增益以产生该增益信号,其中该第二增益大于该第一增益;一误差放大器,当耦接于该交流至直流转换器时,用于依据该交流至直流转换器的一输出电压产生一误差信号;以及一脉宽调变控制器,当耦接于该交流至直流转换器时,用于依据该增益信号、该误差信号、和该交流至直流转换器整流后的输入电压,产生一控制信号以控制该脉宽调变信号产生器。
前述的主动式功率因数校正电路和控制器利用片段线性增益电路来取代传统的平方器,可降低电路架构的复杂度,并大幅降低所需的偏压源,故可有效缩小电路面积,并降低运作时所需的电功耗和制造成本。
由于前述片段线性增益电路输出的增益信号的大小很近似于前馈信号大小的平方值,故脉宽调变控制器将误差信号除以片段线性增益电路输出的增益信号动作,可避免交流至直流转换器的输出功率随着输入电压的大小而改变。
附图说明
图1为本发明之交流至直流转换器的一实施例简化后的功能方块图。
图2为图1中的片段线性增益电路的一实施例简化后的功能方块图。
【主要组件符号说明】
100交流至直流转换器
102交流电源
104负载
111桥式整流器
112低通滤波器
113电感
114二极管
115电容
116、236、246开关
120主动式功率因数校正电路
122脉宽调变信号产生器
124控制器
130片段线性增益电路
140误差放大器
150脉宽调变控制器
210比较电路
220转导电路
230放大模块
232、234放大器
240电流调整模块
242、244电流槽
250电阻
具体实施方式
以下将配合相关图式来说明本发明之实施例。在这些图式中,相同的标号表示相同或类似的组件或流程步骤。
在说明书及后续的申请专利范围当中使用了某些词汇来指称特定的组件。所属领域中具有通常知识者应可理解,同样的组件可能会用不同的名词来称呼。本说明书及后续的申请专利范围并不以名称的差异来作为区分组件的方式,而是以组件在功能上的差异来作为区分的基准。在通篇说明书及后续的权利要求当中所提及的「包含」为一开放式的用语,故应解释成「包含但不限定于...」。另外,「耦接」一词在此包含任何直接及间接的连接手段。因此,若文中描述一第一组件耦接于一第二组件,则代表该第一组件可直接(包含透过电性连接或无线传输、光学传输等信号连接方式)连接于该第二组件,或透过其它组件或连接手段间接地电性或信号连接至该第二组件。
在此所使用的「及/或」的描述方式,包含所列举的其中之一或多个项目的任意组合。另外,除非本说明书中有特别指明,否则任何单数格的用语都同时包含复数格的涵义。
请参考图1,其所绘示为本发明一实施例之交流至直流转换器100简化后的功能方块图。交流至直流转换器100用于将交流电源102所提供的交流电压Vac转换成直流输出电压Vout,以提供给负载104。在本实施例中,交流至直流转换器100包含有桥式整流器111、低通滤波器112、电感113、二极管114、输出电容115、功率开关(power switch)116以及主动式功率因数校正电路(power factor correction circuit,PFC circuit)120。
桥式整流器111用于将交流电源102提供的交流电压Vac整流成m形波的输入电压Vin。低通滤波器112耦接于桥式整流器111的输出端,用于对输入电压Vin进行滤波,以产生大小与输入电压Vin的平均值成正比的前馈信号Sff。电感113和二极管114耦接于桥式整流器111的输出端和负载104之间。输出电容115耦接于二极管114。功率开关116的一端耦接于电感113及二极管114之间,并依据主动式功率因数校正电路120的控制来进行切换。实作上,功率开关116可用晶体管来实现。
当功率开关116导通(on)时,交流至直流转换器100的二极管114处于逆向偏压截止状态,输入电流Iin会经由电感113流进功率开关116。此时,输入电压Vin会对电感113充电,使电感电流IL逐渐线性上升,直到功率开关116截止(off)为止。此时,负载104所需的能量由输出电容115供应。
当功率开关116截止时,电感113上的电压极性会反相,并加上输入电压Vin经由二极管114对输出电容115进行充电。此时,输出电容115是处于充电状态,而电感电流IL则会逐渐下降,直到功率开关116再度导通为止。在此阶段中,输出电压Vout会维持固定,其大小为输入电压Vin加上电感113的电压。
如图1所示,主动式功率因数校正电路120包含有脉宽调变信号产生器122和控制器(PFC controller)124。控制器124包含有片段线性增益电路(piecewise linear gain circuit)130、误差放大器140和脉宽调变控制器(PWM controller)150。当主动式功率因数校正电路120耦接于交流至直流转换器100时,片段线性增益电路130用于接收低通滤波器112输出的前馈信号Sff,并产生大小近似于前馈信号Sff的平方值的增益信号Sg。误差放大器140用于依据交流至直流转换器100的输出电压Vout产生误差信号Sea。例如,误差放大器140可将参考电压Vref与和输出电压Vout具有一比例关系的反馈电压进行比较,并将所得到的差异值放大以产生误差信号Sea。脉宽调变控制器150耦接于片段线性增益电路130和误差放大器140,用于依据增益信号Sg、误差信号Sea、和输入电压Vin来产生控制信号Scom,并使控制信号Scom的大小正比于误差信号Sea和输入电压Vin的大小,并反比于增益信号Sg的大小。实作上,脉宽调变控制器150可以是乘除器(multiplier‑divider),用以将误差放大器140输出的误差信号Sea除以片段线性增益电路130输出的增益信号Sg,并将所得到的数值再乘以整流后的输入电压Vin的大小,以产生控制信号Scom。或者,也可利用其它电路架构来实现脉宽调变控制器150的功能。脉宽调变信号产生器122则会依据控制信号Scom产生脉宽调变信号PWM以控制功率开关116的切换动作。
在本实施例中,当前馈信号Sff小于阀值Vth时,片段线性增益电路130会对前馈信号Sff施加第一增益以产生增益信号Sg,而当前馈信号Sff大于或等于阀值Vth时,则片段线性增益电路130则会对前馈信号Sff施加第二增益以产生增益信号Sg,其中,前述的第二增益大于第一增益。如此一来,将会使增益信号Sg与前馈信号Sff两者的大小呈现折线状的相关性,亦即呈现片段线性的特性。以下将搭配图2来进一步说明片段线性增益电路130的实施及运作方式。
图2为本发明一实施例之片段线性增益电路130简化后的功能方块图。如图2所示,片段线性增益电路130包含有比较电路210、转导电路(transconductance circuit)220、放大模块230、电流调整模块240、以及电阻250。转导电路220用于将前馈信号Sff转换成电流信号,以产生与前馈信号Sff的电压大小成正比的前馈电流Iff。放大模块230耦接于转导电路220的输出端,用于将电流Iff放大以产生与前馈信号Sff的电压大小成正比的电流。电流调整模块240耦接放大模块230的输出端和比较电路210,用于汲取电流。在运作时,比较电路210会将前馈信号Sff与阀值Vth进行比较,并依据比较的结果调整放大模块230的总输出电流大小以及调整电流调整模块240的总电流汲取量。
在图2的实施例中,放大模块230包含有放大器232、放大器234和开关236,而电流调整模块240则包含有电流槽(current sink)242、电流槽244和开关246。放大器232用于放大电流Iff以产生与前馈信号Sff的电压大小成正比的电流i1。放大器234用于放大电流Iff以产生与前馈信号Sff的电压大小成正比的电流i2。电流槽242耦接于放大器232的输出端,用于汲取第一预定电流量i3。电流槽244用于汲取第二预定电流量i4。开关236耦接于放大器234的输出端与电流槽242之间,当导通时会将电流i2耦接至电流槽242的输入端。开关246耦接于放大器232的输出端与电流槽244之间,当导通时会将电流i1耦接至电流槽244的输入端。
在本实施例中,当前馈信号Sff小于阀值Vth时,比较电路210会将开关236设置成不导通状态,使放大模块230的总输出电流成为i1,并将开关246也设置成不导通状态,使电流调整模块240的总电流汲取量成为i3。当前馈信号Sff大于或等于阀值Vth时,比较电路210则会将开关236设置成导通状态,使放大模块230的总输出电流成为i1+i2,并开关246也设置成导通状态,使电流调整模块240的总电流汲取量成为i3+i4。
如此一来,当前馈信号Sff小于阀值Vth时,片段线性增益电路130的输出电流i5的大小会等于i1‑i3。此时,片段线性增益电路130输出的增益信号Sg的电压值可用下式表示:
Sg=(G1×Vin‑i3)×R    式(1)
其中G1为放大器232的转导增益,R为电阻250的电阻值。由式(1)可知,当前馈信号Sff小于阀值Vth时,增益信号Sg与前馈信号Sff两者的大小会呈线性正相关。
当前馈信号Sff大于或等于阀值Vth时,片段线性增益电路130的输出电流i5的大小会等于i1+i2‑i3‑i4。此时,片段线性增益电路130输出的增益信号Sg的电压值可用下式表示:
Sg=[(G1+G2)×Vin‑(i3+i4)]×R    式(2)
其中G2为放大器234的转导增益。由式(2)可知,当前馈信号Sff大于或等于阀值Vth时,增益信号Sg与前馈信号Sff两者的大小也会呈线性正相关,但增益信号Sg的增益值会比前馈信号Sff小于阀值Vth时来得大。
从前述式(1)与式(2)的说明可以看出,增益信号Sg与前馈信号Sff两者的大小会呈现折线状的相关性,亦即呈现片段线性的特性。藉由适当选择片段线性增益电路130中的组件参数,便能用片段线性增益电路130来产生近似平方器的计算结果。
例如,假设前馈信号Sff的电压范围介于0.8~2.5V,在一实施例中,可将放大器232的增益G1和放大器234的增益G2都设为1.1、将阀值Vth设为1.65V、将电流槽242汲取的电流量i3设为0.6×Iff、并将电流槽244汲取的电流量i4设为1.8×Iff。在这样的设定下,增益信号Sg的大小就会很近似于前馈信号Sff大小的平方。若前馈信号Sff的电压范围不同于前面的范例,则同样可藉由适当调整片段线性增益电路130的组件参数的方式,使片段线性增益电路130产生近似平方器的计算结果。
因此,前述的片段线性增益电路130可用来取代传统的平方器,且其电路架构远比传统的平方器简单,并大幅降低所需的偏压源,故可有效缩小控制器124的电路面积,并降低主动式功率因数校正电路120运作时所需的电功耗和制造成本。
如前所述,控制器124中的脉宽调变控制器150可将误差放大器140输出的误差信号Sea除以片段线性增益电路130输出的增益信号Sg,并将所得到的数值再乘以整流后的输入电压Vin的大小,以产生控制信号Scom。实作上,控制器124可采用和输入电压Vin具有一比例关系的电压值或电流Iac来表示输入电压Vin的大小。脉宽调变信号产生器122会依据控制信号Scom产生对应的脉宽调变信号PWM,以控制功率开关116的切换动作,使输入电流Iin追随着控制信号Scom而变化。由于控制信号Scom的波形会与输入电压Vin的波形相同,故前揭的控制方式可使输入电流Iin的波形跟随输入电压Vin的波形变化,进而提升功率因数。
另外,由于片段线性增益电路130输出的增益信号Sg的大小很近似于前馈信号Sff大小的平方值,故脉宽调变控制器150将误差信号Sea除以片段线性增益电路130输出的增益信号Sg的动作,同样可避免交流至直流转换器100的输出功率随着输入电压Vin的大小而改变。
在前述实施例中,片段线性增益电路130会将输入的前馈信号Sff的范围分成两个区段并分别施加不同的增益,以使产生的增益信号Sg的大小近似于前馈信号Sff大小的平方。此仅系为一实施例,而非局限本发明的实际实施方式。实作上,片段线性增益电路130也可以增设更多的比较电路、放大器和开关组件,以将前馈信号Sff的范围分成更多区段,并分别施加以不同的线性增益,使增益信号Sg与前馈信号Sff两者的大小更趋近于平方关系。
在另一实施例中,片段线性增益电路130也可以只设置一个可调整增益的放大器及一个可调整汲取电流大小的电流槽。当前馈信号Sff位于不同的范围时,则采用不同的放大器增益及/或使电流槽汲取不同的电流值,以产生所需的增益信号Sg。
在另一实施例中,低通滤波器112产生的前馈信号Sff是电流形式的信号。此时,可以将片段线性增益电路130中的转导电路220省略。
在其它的实施例,片段线性增益电路130也可以采用一个或多个转导电路、一个或多个放大器、及/或一个或多个电流槽,使前馈信号Sff位于不同的范围时,能产生不同增益的增益信号Sg。
太阳城集团以上所述仅为本发明之较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做之均等变化与修饰,皆应属本发明之涵盖范围。

关 键 词:
主动 功率因数 校正 电路 相关 控制器
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