TW201608804A - 功率因素校正控制器及應用其之電源供應裝置 - Google Patents

Abstract

一種功率因素校正控制器及應用其之電源供應裝置。所述功率因素校正控制器包括驅動訊號產生電路以及零電流預測電路。驅動訊號產生電路用以依據控制訊號產生驅動訊號來驅動功率開關，其中功率開關反應於驅動訊號而切換，藉以將輸入電壓轉換為輸出電壓。零電流預測電路耦接驅動訊號產生電路，用以依據驅動訊號、輸入電壓以及輸出電壓進行電容充放電動作，藉以得到關聯於零電流時間點的充放電時間特性，其中零電流預測電路依據充放電時間特性產生控制訊號來控制驅動訊號產生電路的運作。

Description

功率因素校正控制器及應用其之電源供應裝置

本發明是有關於一種電源轉換技術，且特別是有關於一種功率因素校正控制器及應用其之電源供應裝置。

近年來，能源短缺的問題變得越來越嚴重，因此綠能產業的議題漸漸地為人們所重視。如何設計出具有高效率的電源供應裝置一直是業界努力的目標。

在電源供應裝置中，通常會應用功率因素校正控制器來控制電源供應裝置的輸出，藉以令電源供應裝置所產生的輸出電流可與輸入的交流電源趨近於具有相同的相位，使得可利用的實功可得到最大化應用，達到高功率因素的效果。在現有的技術下，一般會藉由將電源供應裝置操作在邊界傳導模式(boundary conduction mode，BCM)來使電源供應裝置可具有較高的功率因素。若要將電源供應裝置操作在邊界傳導模式，則功率因素校正控制器必須偵測電路中的零電流時間點，並且據以對應的控制電源轉換的動作，才能夠實現邊界傳導模式的操作。

然而，在現有的功率因素校正控制器設計中，若要執行零電流偵測的功能，通常需要體積龐大，並且價格昂貴的輔助繞組來提供輸出電流的資訊，並藉此偵測零電流時間點。而輔助線圈的使用，不只需要昂貴的價格與耗費龐大的電路面積，並且也有可能因為製程上的漂移而造成零電流偵測的不準確，從而造成多餘的功率損耗，使得電源供應裝置的功率因素降低。

本發明提供一種功率因素校正控制器及應用其之電源供應裝置，其可不須設置額外的輔助繞組也可準確地預測零電流時間點，藉以實現高功率因素的邊界傳導模式操作。

本發明的功率因素校正控制器包括驅動訊號產生電路以及零電流預測電路。驅動訊號產生電路用以依據控制訊號產生驅動訊號來驅動功率開關，其中功率開關反應於驅動訊號而切換，藉以將輸入電壓轉換為輸出電壓。零電流預測電路耦接驅動訊號產生電路，用以依據驅動訊號、輸入電壓以及輸出電壓進行電容充放電動作，藉以得到關聯於零電流時間點的充放電時間特性，其中零電流預測電路依據充放電時間特性產生控制訊號來控制驅動訊號產生電路的運作。

在本發明一實施例中，零電流預測電路包括充電單元、第一電容、第二電容、比較器以及正反器。充電單元用以依據驅動訊號與反相於驅動訊號的反相驅動訊號提供第一充電電流與第 二充電電流。第一電容的第一端耦接充電單元以接收第一充電電流，且第一電容的第二端耦接接地端。第二電容的第一端耦接充電單元以接收第二充電電流，且第二電容的第二端耦接接地端。比較器的第一輸入端耦接第一電容的第一端，比較器的第二輸入端耦接第二電容的第一端，且比較器的輸出端依據第一電容與第二電容的充電電壓產生充電比較訊號。正反器耦接比較器的輸出端，用以依據充電比較訊號產生控制訊號。

在本發明一實施例中，驅動訊號的致能期間內，充電單元基於第一充電電流以第一充電速率對第一電容充電，並且基於第二充電電流以第二充電速率對第二電容充電。

在本發明一實施例中，於驅動訊號的禁能期間內，充電單元基於第一充電電流改以不同於第一充電速率的第三充電速率對第一電容充電，並且停止對第二電容充電，正反器於第一電容的充電電壓達到第二電容的充電電壓時，產生致能的控制訊號以定義禁能期間的結束時間點。

在本發明一實施例中，充電單元包括第一電流源、第二電流源、第三電流源、第一開關、第二開關以及第三開關。第一開關耦接於第一電流源與第一電容的第一端之間，並且反應於驅動訊號而導通或截止。第二開關耦接於第二電流源與第二電容的第一端之間，並且反應於驅動訊號而導通或截止。第三開關耦接於第三電流源與第一電容的第一端之間，並且反應於反相驅動訊號而導通或截止。

在本發明一實施例中，零電流預測電路更包括放電重置單元。放電重置單元耦接第一電容、第二電容以及正反器，用以依據控制訊號在驅動訊號的每一週期結束時對第一電容與第二電容進行重置動作。

在本發明一實施例中，功率因素校正控制器更包括過充電流偵測電路以及充電時間調整電路。過充電流偵測電路用以偵測耦接於功率開關的二極體的反向恢復電流是否超過臨界值，並且根據偵測的結果產生多個電流調整訊號。充電時間調整電路耦接過充電流偵測電路，用以依據所述多個電流調整訊號產生多個參考電流源，其中零電流預測電路依據所述多個參考電流源執行電容充放電動作。

在本發明一實施例中，過充電流偵測電路包括過電壓偵測單元以及電流源調整單元。過電壓偵測單元用以擷取關聯於反向恢復電流的參考電壓並比較參考電壓與反向恢復電壓的大小，再根據比較結果產生偵測訊號。電流源調整單元耦接過電壓偵測單元，用以依據偵測訊號產生所述多個電流源調整訊號。

在本發明一實施例中，充電時間調整電路包括輸入及輸出電壓取樣單元、第一電流源產生單元、第二電流源產生單元以及第三電流源產生單元。輸入及輸出電壓取樣單元用以取樣輸入電壓與輸出電壓，並且據以產生第一參考電流與第二參考電流。第一電流源產生單元耦接輸入及輸出電壓取樣單元，用以依據第一參考電流產生第一電流作為第一電流源。第二電流源產生單元 耦接輸入及輸出電壓取樣單元，用以依據第一參考電流產生第二電流作為第二電流源。第三電流源產生單元耦接輸入及輸出電壓取樣單元，用以依據第一參考電流、第二參考電流以及所述多個電流源調整訊號產生第三電流作為第三電流源。

在本發明一實施例中，輸入及輸出電壓取樣單元包括第一放大器、第二放大器、第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體、第四電晶體、第五電晶體、第六電晶體、第七電晶體、第八電晶體、第一電阻以及第二電阻。第一放大器的第一輸入端接收輸入電壓，且第一放大器的第二輸入端耦接其輸出端。第二放大器的第一輸入端接收輸出電壓。第一電晶體的第一端耦接其控制端，且第一電晶體的第二端接收電源電壓。第二電晶體的第一端耦接其控制端，且第二電晶體的第二端接收電源電壓。第三電晶體的第一端耦接第一電晶體的第一端，且第三電晶體的控制端耦接第一放大器的第二輸入端。第四電晶體的第一端耦接第二電晶體的第一端，第四電晶體的第二端耦接第二放大器的第二輸入端，且第四電晶體的控制端耦接第二放大器的輸出端。第五電晶體的第一端輸出第二參考電流，第五電晶體的第二端接收電源電壓，且第五電晶體的控制端耦接第二電晶體的控制端。第六電晶體的第一端輸出第一參考電流，第六電晶體的第二端接收電源電壓，且第六電晶體的控制端耦接第一電晶體的控制端。第七電晶體的第一端耦接其控制端與第五電晶體的第一端，且第七電晶體的第二端耦接接地端。第八電晶體的第一端耦接第六電晶體的第一端， 第八電晶體的第二端耦接接地端，且第八電晶體的控制端耦接第七電晶體的控制端。第一電阻耦接於第三電晶體的第二端與接地端之間。第二電阻耦接於第四電晶體的第二端與接地端之間。

在本發明一實施例中，第一電流源產生單元包括第九電晶體。第九電晶體的第一端輸出第一電流，第九電晶體的第二端接收電源電壓，且第九電晶體的控制端耦接第一電晶體的控制端。

在本發明一實施例中，第二電流源產生單元包括第十電晶體。第十電晶體的第一端輸出第二電流，第十電晶體的第二端接收電源電壓，且第十電晶體的控制端耦接第一電晶體的控制端。

在本發明一實施例中，第三電流源產生單元包括第十一電晶體、第十二電晶體以及多個電流調整電晶體。第十一電晶體的第一端耦接其控制端與第六電晶體的第一端，且第十一電晶體的第二端接收電源電壓。第十二電晶體的第一端輸出輸出電流，第十二電晶體的第二端接收電源電壓，且第十二電晶體的控制端耦接第十一電晶體的控制端。所述多個電流調整電晶體的第一端共同耦接至第十二電晶體的第一端。所述多個電流調整電晶體的第二端分別接收電源電壓。所述多個電流調整電晶體的控制端分別接收所述多個電流源調整訊號。所述多個電流調整電晶體分別反應於對應的電流源調整訊號而產生調整電流。第三電流源產生單元以輸出電流與所述多個調整電流的總和作為第三電流。

在本發明一實施例中，第三、第四、第七以及第八電晶體為N型電晶體，且其餘所述多個電晶體為P型電晶體，各電晶 體的第一端為汲極，各電晶體的第二端為源極，且各電晶體的控制端為閘極。

本發明的電源供應裝置包括輸入級電路、功率級電路以及功率因素校正控制器。輸入級電路用以將交流電源轉換為輸入電壓。功率級電路包括功率開關、電感以及二極體。功率級電路經由電感耦接輸入級電路，並且經由二極體耦接負載。功率開關反應於驅動訊號而切換，藉以將輸入電壓轉換為輸出電壓，以將輸出電壓提供予負載。功率因素校正控制器耦接輸入級電路與功率級電路，其中功率因素校正控制器包括驅動訊號產生電路以及零電流預測電路。驅動訊號產生電路用以依據控制訊號產生驅動訊號來驅動功率開關。零電流預測電路耦接驅動訊號產生電路，用以依據驅動訊號、輸入電壓以及輸出電壓進行電容充放電動作，藉以得到關聯於電感的零電流時間點的充放電時間特性。零電流預測電路依據充放電時間特性產生控制訊號來控制驅動訊號產生電路的運作。

在本發明一實施例中，電源供應裝置不包括輔助繞組。

基於上述，本發明實施例提出一種功率因素校正控制器及應用其之電源供應裝置。所述功率因素校正控制器可在無需配置輔助繞組的前提下，依據輸入電壓、輸出電壓、驅動訊號週期等資訊，藉由電容的充放電時間特性來預測出準確的零電流時間點，藉以令電源供應裝置可以穩定地操作在邊界傳導模式下，從而提高功率因素。此外，本發明實施例還提出了可以補償元件/特 性/製程漂移的電流源調整機制與電路，使得零電流時間點可更加準確地被預測出。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、400‧‧‧電源供應裝置

110、410‧‧‧輸入級電路

120、420‧‧‧功率級電路

130、430‧‧‧功率因素校正控制器

132、432‧‧‧驅動訊號產生電路

134、434‧‧‧零電流預測電路

436‧‧‧過充電流偵測電路

438‧‧‧充電時間調整電路

439‧‧‧電源電壓產生電路

C1‧‧‧第一電容

C2‧‧‧第二電容

CADU‧‧‧電流源調整單元

Cin、Cout‧‧‧電容

COMP‧‧‧比較器

CS1、CS2、CS3‧‧‧電流源

CSGU1‧‧‧第一電流源產生單元

CSGU2‧‧‧第二電流源產生單元

CSGU3‧‧‧第三電流源產生單元

CR1‧‧‧第一充電速率

CR2‧‧‧第二充電速率

CR3‧‧‧第三充電速率

CU‧‧‧充電單元

Dr1~Dr4、Do‧‧‧二極體

FF‧‧‧正反器

GND‧‧‧接地端

I1、I2、I3‧‧‧電流

IM11、IM12‧‧‧輸出電流

IMD1~IMD16‧‧‧調整電流

IOVU‧‧‧輸入及輸出電壓取樣單元

IREF1、IREF2‧‧‧參考電流

ICS1‧‧‧第一充電電流

ICS2‧‧‧第二充電電流

IL‧‧‧電感電流

L‧‧‧電感

LD‧‧‧負載

M1~M12‧‧‧電晶體

MD1~MD16‧‧‧電流調整電晶體

MP‧‧‧功率開關

NB‧‧‧節點

OP1、OP2‧‧‧放大器

OVDU‧‧‧過電壓偵測單元

P_cs、P_gd、P_vin、P_vind、P_voutd‧‧‧功率因素校正控制器的腳位

Q1~Q16‧‧‧電流調整訊號

R1、R2、Rifb1、Rifb2、Rofb1、Rofb2、Rcs‧‧‧電阻

RSETU‧‧‧放電重置單元

RSC‧‧‧重置電路

S_CCP‧‧‧充電比較訊號

S_CTL‧‧‧控制訊號

S_PWM‧‧‧驅動訊號

S_PWMb‧‧‧反相驅動訊號

SW1、SW2、SW3、SWr1、SWr2‧‧‧開關

Ton‧‧‧致能期間

Toff‧‧‧禁能期間

toff‧‧‧禁能期間的結束時間點

VAC‧‧‧交流電源

VC1、VC2‧‧‧充電電壓

VCS‧‧‧參考電壓

VDD‧‧‧電源電壓

VDET‧‧‧偵測訊號

VINd、VOUTd‧‧‧電壓

VIN‧‧‧輸入電壓

VOUT‧‧‧輸出電壓

VRRC‧‧‧反向恢復電壓

圖1為本發明一實施例的電源供應裝置的示意圖。

圖2為本發明一實施例的零電流預測電路的電路架構示意圖。

圖3為本發明一實施例的第一電容與第二電容的充電電壓的時序示意圖。

圖4為本發明另一實施例的電源供應裝置的示意圖。

圖5為本發明一實施例的電感電流與反向恢復電壓的關係示意圖。

圖6為本發明一實施例的充電時間調整電路的電路架構示意圖。

為了使本揭露之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本揭露確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或 類似部件。

圖1為本發明一實施例的電源供應裝置的示意圖。請參照圖1，本實施例的電源供應裝置100包括輸入級電路110、功率級電路120以及功率因素校正控制器(power factor correction controller，PFC controller)130。輸入級電路110可用以將交流電源VAC轉換為輸入電壓VIN。功率級電路120耦接輸入級電路110。功率級電路120是藉由切換的方式利用輸入電壓VIN對諧振元件(如電感L)充/放能，藉以將輸入電壓VIN轉換為輸出電壓VOUT。功率因素校正控制器130用以依據輸入電壓VIN、輸出電壓VOUT以及功率級電路120的驅動時序等資訊來控制功率級電路120的切換，藉以令功率級電路120可操作在邊界傳導模式(boundary conduction mode，BCM)下(即，在諧振元件的電流放電至零電流時才進行切換)，從而提高電源供應裝置100的功率因素。

詳細而言，輸入級電路110可利用整流電路(例如由二極體Dr1~Dr4所組成的橋式整流器)、電容Cin以及電阻Rifb1與Rifb2所組成的電路架構來實現。其中，整流電路可對所接收的交流電源VAC進行整流，並據以產生輸入電壓VIN。另外，透過電阻Rifb1與Rifb2的分壓，輸入級電路110可產生一關聯於輸入電壓VIN的分壓電壓VINd給功率因素校正控制器130作為控制的參考。

功率級電路120可利用功率開關MP、電感L、電阻Rcs、 Rfb1與Rfb2以及電容Cout來實現。電感L的第一端耦接至輸入級電路110以接收輸入電壓Vin。功率開關MP的第一端(汲極)耦接電感L的第二端，功率開關MP的第二端(源極)經由電阻Rcs耦接至接地端GND，且功率開關MP的控制端(閘極)耦接功率因素校正控制器130以接收驅動訊號S_PWM。二極體Do的陽極耦接電感L的第二端與功率開關MP的第一端，且二極體Do的陰極耦接負載LD。另外，類似於輸入級電路110，功率級電路120也可透過電阻Rofb1與Rofb2對輸出電壓VOUT進行分壓，從而產生關聯於輸出電壓VOUT的分壓電壓VOUTd給功率因素校正控制器130作為控制的參考。

功率因素校正控制器130包括驅動訊號產生電路132以及零電流預測電路134。驅動訊號產生電路132用以依據零電流預測電路134所產生的控制訊號S_CTL而產生驅動訊號S_PWM(例如為PWM訊號)來驅動功率開關MP，使得功率開關MP反應於驅動訊號S_PWM而切換，使得電感L依據功率開關MP的切換而進行充/放能的動作，從而將輸入電壓VIN轉換為輸出電壓VOUT。

零電流預測電路134耦接輸入級電路110、功率級電路120以及驅動訊號產生電路132。在本實施例中，零電流預測電路134會依據驅動訊號S_PWM、關聯於輸入電壓VIN的分壓電壓VINd以及關聯於輸出電壓VOUT的分壓電壓VOUTd而對其內部的電容(未繪示，於後續實施例會進一步說明零電流預測電路的具體架構)進行電容充放電動作，藉以得到關聯於零電流時間點 的充放電時間特性，其中所述零電流時間點即係指電感L的電流IL降至零的時間點。藉此，零電流預測電路134即可依據所得到的充放電時間特性來產生控制訊號S_CTL以控制驅動訊號產生電路132的運作，使得整體電源供應裝置100可操作在邊界傳導模式下，進而提高功率因素。

更具體地說，由於本實施例的零電流預測電路134是藉由得到輸入電壓VIN及輸出電壓VOUT的資訊，再透過電容的充放電時間特性來計算/預測出在特定的輸入電壓VIN下的零電流時間點的理論值，因此本實施例的電源供應裝置100無需再設置額外的輔助繞組來偵測零電流時間點。如此便能有效地降低電源供應裝置整體電路設計的面積。

圖2為本發明一實施例的零電流預測電路的電路架構示意圖。請參照圖2，零電流預測電路134包括充電單元CU、第一電容C1與第二電容C2、比較器COMP、正反器FF以及放電重置單元RSETU。充電單元CU用以依據驅動訊號S_PWM與反相於驅動訊號S_PWM的反相驅動訊號S_PWMb提供第一充電電流ICS1與第二充電電流ICS2。第一電容C1耦接於充電單元CU與接地端GND之間，藉以從充電單元CU接收第一充電電流ICS1。第二電容C2耦接於充電單元CU與接地端GND之間，藉以從充電單元CU接收第二充電電流ICS2。比較器COMP的正輸入端與負輸入端分別耦接第一電容C1與第二電容C2的第一端，藉以比較第一電容C1與第二電容C2的充電電壓VC1與VC2的大小。 比較器COMP的輸出端則會根據充電電壓VC1與VC2的比較結果而產生充電比較訊號S_CCP。正反器FF(於此以SR正反器為例)的資料輸入端(S端)耦接比較器COMP的輸出端以接收充電比較訊號S_CCP，並且依據充電比較訊號S_CCP產生控制訊號S_CTL。

更具體地說，本實施例的充電單元CU例如包括電流源CS1~CS3以及開關SW1~SW3。電流源CS1、CS2及CS3分別與開關SW1、SW2及SW3串接。其中，電流源CS1與CS3分別經由開關SW1與SW3耦接第一電容C1的第一端，而電流源CS2則是經由開關SW2耦接第二電容C2的第一端。

在本實施例中，開關SW1與SW2會受控於驅動訊號S_PWM而導通或截止，並且開關SW3會受控於反相驅動訊號S_PWMb而導通或截止。在開關SW1與SW2反應於驅動訊號S_PWM而導通時，開關SW3則會反應於反相驅動訊號S_PWMb而相應地截止。此時充電單元CU是以電流源CS1所提供的電流11作為第一充電電流ICS1，並且以電流源CS2所提供的電流I2作為第二充電電流ICS2。另一方面，在開關SW1與SW2反應於驅動訊號S_PWM而截止時，開關SW3則會反應於反相驅動訊號S_PWMb而相應地導通。此時充電單元CU是以電流源CS3所提供的電流I3作為第一充電電流ICS1。

放電重置單元RSETU耦接第一電容C1、第二電容C2以及正反器FF。放電重置單元RSETU可依據控制訊號S_CTL而在 驅動訊號S_PWM的每一週期結束時對第一電容C1與第二電容C2進行重置動作。更具體地說，在本實施例中，放電重置單元RSETU例如包括重置電路RSETU以及開關SWr1與SWr2。開關SWr1與Swr2分別與第一電容C1和第二電容C2並接，並且開關SWr1與SWr2同時受控於重置電路RSC而導通或截止。當正反器FF發出致能的控制訊號S_CTL時(指示驅動訊號S_PWM的週期結束時間點)，重置電路RSC會發出致能的重置訊號來重置正反器FF並且同時導通開關SWr1與SWr2，使得第一電容C1與第二電容C2上所儲存的電能可以快速地洩放至接地端GND，藉以避免第一電容C1與第二電容C2在每一週期內的充放電時間特性受到影響。

底下搭配圖3的訊號時序來說明零電流預測電路134的具體運作方式。其中，圖3是繪示在一週期的驅動訊號S_PWM下，第一電容CS1與第二電容CS2的充電電壓的時序示意圖。

請同時參照圖2與圖3，首先，在驅動訊號S_PWM的致能期間Ton內(在此係以低準位的驅動訊號S_PWM表示致能，但不以此為限)，開關SW1與SW2會反應於致能的驅動訊號S_PWM而導通，並且開關SW3則會反應於禁能的反相驅動訊號S_PWMb而截止。此時，第一電容C1與第二電容C2會分別依據電流I1與I2而進行充電，使得充電電壓VC1與VC2逐漸升高。其中，由於電流I2與電流I1係被設計為具有一比例關係(例如為電流I2為電流I1的兩倍)，因此第一電容C1與第二電容C2在驅 動訊號S_PWM的致能期間Ton內會具有不同的充電速率(即，充電電壓VC1與VC2會在致能期間Ton內具有不同的斜率)，使得在致能期間Ton結束時，充電電壓VC1與VC2的電壓值分別為I1×Ton/C1與I2×Ton/C2。換言之，在驅動訊號S_PWM的致能期間內，充電單元CU會基於第一充電電流ICS1(此時為I1)以第一充電速率CR1對第一電容C1充電，並且會基於第二充電電流ICS2(即I2)以第二充電速率CR2對第二電容C2充電。

接著，當驅動訊號S_PWM的時序進入禁能期間Toff時(在此係以高準位的驅動訊號S_PWM表示禁能，但不以此為限)，開關SW1與SW2會反應於禁能的驅動訊號S_PWM而截止，並且開關SW3則會反應於致能的驅動訊號S_PWM而導通。此時，第一電容C1會依據電流源CS3所提供的電流I3進行充電，而第二電容C2則停止充電。於此，由於電流源CS3所提供的電流I3與電流源CS2所提供的電流I2相同，因此在禁能期間Toff內，充電電壓VC1會改以第三充電速率CR3逐漸提升，其中第三充電速率CR3與第一充電速率CR1不同(可與第二充電速率CR2相同，但不限制)。另一方面，充電電壓VC2則會在禁能期間Toff內持續地維持在電壓值I2×Ton/C2。

當充電電壓VC1逐漸提升至充電電壓VC2的電壓值時，比較器COMP會產生致能的充電比較訊號S_CCP以指示正反器FF產生致能的控制訊號S_CTL，於此所述控制訊號S_CTL可例如為脈衝形式的訊號。驅動訊號產生電路132即會根據致能的控 制訊號S_CTL而將所產生的驅動訊號S_PWM切換為致能。換言之，驅動訊號產生電路132會根據致能的控制訊號S_CTL來定義禁能期間Toff/的結束時間點toff(也是驅動訊號S_PWM的週期結束時間點)，藉以決定禁能期間Toff的時間長度。

其中，由於在零電流預測電路134的架構下，充電電壓VC1提升至充電電壓VC2的時間經計算後會等同於電感電流IL的零電流時間點，因此根據電容C1與C2的充放電時間特性來決定驅動訊號S_PWM的轉態時間點即可準確地在電感電流IL的零電流時間點下切換功率開關MP，從而實現邊界傳導模式的操作。

圖4為本發明另一實施例的電源供應裝置的示意圖。請參照圖4，電源供應裝置400包括輸入級電路410、功率級電路420以及功率因素校正控制器430。在本實施例中，輸入級電路410與功率級電路420的架構與運作大致與圖1實施例相同，故於此不再贅述。本實施例的電源供應裝置400與前述電源供應裝置100的差異主要是在於功率因素校正控制器430的設計。更具體地說，本實施例的功率因素校正控制器430可例如以控制晶片的方式實現，其包括多個腳位P_vind、P_vin、P_gd、P_cs及P_vout。各腳位P_vind、P_vin、P_gd、P_cs及P_vout分別連接至外部的輸入級電路410與功率級電路420的對應節點上，藉以擷取功率因素校正控制器430所需的資訊。

功率因素校正控制器430除了包括驅動訊號產生電路432以及零電流預測電路434之外，還包括有過充電流偵測電路 436、充電時間調整電路438以及電源電壓產生電路439。其中，驅動訊號產生電路432以及零電流預測電路434的具體架構與運作類似於前述圖1至圖3實施例。由於零電流預測電路434可能因製程偏移等非預期因素而造成充放電時間特性不能準確地指示零電流時間點的問題，故本實施例所提出的過充電流偵測電路436以及充電時間調整電路438的架構即是針對所述問題進行改善。底下針對過充電流偵測電路436以及充電時間調整電路438部分做進一步的說明。

在功率因素校正控制器430中，當零電流偵測電路434因為製程不匹配或者是製程上的漂移而造成零電流預測不準確時，會導致部分電感電流IL進入連續傳導模式(continuous conduction mode，CCM)。如此便會造成電源供應裝置400整體的功率因素下降。而本實施例的過充電流偵測電路436則是藉由偵測二極體Do上的反向恢復電流(reverse recovery current)造成在電阻Rcs上所造成的參考電壓VCS來判斷零電流預測的結果是否準確，再據以控制充電時間調整電路438來調整零電流預測電路434所據以進行電容充放電的電流I1、I2及I3大小，從而實現根據元件特性對應調整充放電時間特性的控制機制。

詳細而言，過充電流偵測電路436可依據從腳位P_cs所擷取的參考電壓VCS來偵測二極體Do的反向恢復電流是否超過臨界值，並且根據偵測的結果產生多個電流調整訊號Q1~Q16(例如為16位元的數位訊號)。充電時間調整電路438耦接過充電流 偵測電路436以接收電流調整訊號Q1~Q16。充電時間調整電路438會依據所接收的電流調整訊號Q1~Q16產生多個參考電流源，其中零電流預測電路434會依據所述參考電流源來執行電容充放電動作。換言之，搭配圖2實施例來看，本實施例的零電流預測電路434的電流源CS1、CS2及CS3並非是定電流源，而是由充電時間調整電路438所產生的可根據電流調整訊號Q1~Q16改變電流I1~I3大小的可變電流源。

更具體地說，過充電流偵測電路436包括過電壓偵測單元OVDU以及電流源調整單元CADU。過電壓偵測單元OVDU用以擷取關聯於二極體Do的反向恢復電流的參考電壓VCS並比較參考電壓VCS與反向恢復電壓VRRC的大小，再根據比較結果產生偵測訊號VDET。底下搭配圖5來說明過電壓偵測單元OVDU的工作原理。圖5為本發明一實施例的電感電流與反向恢復電壓的關係示意圖。

請同時參照圖4與圖5，若電源供應裝置400操作在邊界傳導模式(BCM)下，二極體Do的反向恢復電流所建立的參考電壓VCS會低於預設的反向恢復電壓VRRC。此時，過電壓偵測單元OVDU會產生禁能的偵測訊號VDET以指示目前不需調整零電流調整電路434的電流源大小。另一方面，若電源供應裝置400操作在連續傳導模式(CCM)下，則參考電壓VCS除了會有二極體Do的反向恢復電流所建立的電壓成分，還會包括有過剩的電感電流IL所建立的電壓成分，使得在連續傳導模式下的參考電壓 VCS會高於預設的反向恢復電壓VRRC。因此，過電壓偵測單元OVDU即可根據比較參考電壓VCS與反向恢復電壓VRRC的大小來產生指示電源供應裝置400是否操作在邊界傳導模式下的偵測訊號VDET。

電流源調整單元CADU耦接過電壓偵測單元OVDU以接收偵測訊號VDET，其中電流源調整單元CADU會根據偵測訊號VDET來產生電流源調整訊號Q1~Q16，使得充電時間調整電路438可依據電流源調整訊號Q1~Q16調整所產生的電流I1~I3的大小。其中，電流源調整單元CADU可利用一電流源調整控制器(未繪示)以及多個D型正反器(未繪示)來實現，但本發明不僅限於此。另外，本實施例的電源電壓產生電路439可用以依據輸入電壓VIN產生一電源電壓VDD給電流源調整單元CADU以及充電時間調整電路438使用。

底下以圖6來說明本實施例的充電時間調整電路438的具體電路架構範例。請搭配參照圖2與圖6，充電時間調整電路438包括輸入及輸出電壓取樣單元IOVU、第一電流源產生單元CSGU1、第二電流源產生單元CSGU2以及第三電流源產生單元CSGU3。輸入及輸出電壓取樣單元用以取樣關聯於輸入電壓VIN的電壓VINd與關聯於輸出電壓VOUT的電壓VOUTd，並且據以產生參考電流IREF1與IREF2。第一電流源產生單元CSGU1耦接輸入及輸出電壓取樣單元IOVU，並且用以依據參考電流IREF1產生電流I1作為零電流預測電路(134、434)的電流源CS1。第 二電流源產生單元CSGU2耦接輸入及輸出電壓取樣單元IOVU，並且用以依據參考電流IREF1產生電流I2作為零電流預測電路(134、434)的電流源CS2。第三電流源產生單元CSGU3耦接輸入及輸出電壓取樣單元IOVU，並且用以依據參考電流IREF1與IREF2以及電流源調整訊號Q1~Q16產生電流I3作為零電流預測電路的電流源CS3。

在本實施例中，輸入及輸出電壓取樣單元IOVU可利用由放大器OP1與OP2、電晶體M1~M8及電阻R1與R2的電路架構來實施(但不僅限於此)。其中，電晶體M1、M2、M5及M6是以P型電晶體做為範例，並且電晶體M3、M4、M7及M8是以N型電晶體做為範例，但本發明不僅限於此。另外，電阻R1與電阻R2於本實施例中例如具有相同的電阻值R。

詳細而言，放大器OP1的正輸入端接收分壓後的電壓VINd，且放大器OP1的負輸入端耦接放大器OP1的輸出端。放大器OP2的正輸入端接收分壓後的輸出電壓VOUTd。電晶體M1的汲極耦接其閘極，且電晶體M1的源極接收電源電壓VDD。電晶體M2的汲極耦接其閘極，且電晶體M2的源極接收電源電壓VDD。電晶體M3的汲極耦接電晶體M1的汲極與閘極，且電晶體M3的閘極耦接放大器OP1的負輸入端與輸出端。電晶體M4的汲極耦接電晶體M2的汲極與閘極。電晶體M4的源極耦接放大器OP2的負輸入端。電晶體M4的閘極耦接放大器OP2的輸出端。電晶體M5的汲極輸出參考電流IREF2。電晶體M5的源極接收電 源電壓VDD。電晶體M5的閘極耦接電晶體M2的閘極。電晶體M6的汲極輸出參考電流IREF1。電晶體M6的源極接收電源電壓VDD。電晶體M6的閘極耦接電晶體M1的閘極(節點NB)。電晶體M7的汲極耦接其閘極與電晶體M5的汲極，且電晶體M7的源極耦接接地端GND。電晶體M8的汲極耦接電晶體M6的汲極。電晶體M8的源極耦接接地端GND。電晶體M8的閘極耦接電晶體M7的閘極。電阻R1耦接於電晶體M3的源極與接地端GND之間。電阻R2耦接於電晶體M4的源極與接地端GND之間。

第一電流源產生單元CSGU1與第二電流源產生單元CSGU2可分別例如由電晶體M9與M10所構成(於此以P型電晶體作為實施範例，但不僅限於此)。電晶體M9與M10的閘極共同耦接至節點NB(電晶體M1與M6的閘極)，並且電晶體M9與M10的源極接收電源電壓VDD。藉由所述配置，參考電流IREF1會分別被映射至電晶體M9與M10上，使得電晶體M9與M10的汲極分別輸出電流I1與I2。其中，電晶體M9與M10的元件尺寸可被設計為具有一定的比例關係，使得電流I1與I2具有對應的比例關係。

第三電流源產生單元CSGU3可例如由電晶體M11與M12及電流調整電晶體MD1~MD16所構成，其中電晶體M11與M12及電流調整電晶體MD1~MD16是以P型電晶體作為實施範例，但本發明不僅限於此。電晶體M11的汲極耦接其閘極與電晶體M6的第一端，且電晶體M11的源極接收電源電壓VDD。其中， 電晶體M11所輸出的電流IM11等於參考電流IREF2減去參考電流IREF1。在本實施例中，參考電流IREF1=VINd/R，參考電流IREF2=VOUTd/R，所以電晶體M11所輸出的電流為(VOUTd-VINd)/R。電晶體M12的源極接收電源電壓VDD，且電晶體M12的閘極耦接電晶體M11的控制端。其中，電晶體M11的輸出電流IM11被映射至電晶體M12，使得電晶體M12的汲極輸出一輸出電流IM12。電流調整電晶體MD1~MD16的汲極共同耦接至電晶體M12的汲極。電流調整電晶體MD1~MD16的源極分別接收電源電壓VDD。電流調整電晶體MD1~MD16的閘極分別接收電流源調整單元CADU所提供的電流源調整訊號Q1~Q16，並且分別反應於對應的電流源調整訊號Q1~Q16而導通或截止。在所述配置下，電流調整電晶體MD1~MD16會分別反應於對應的電流源調整訊號Q1~Q16而產生調整電流IMD1~IMD16，因此第三電流源產生單元CSGU3會以電晶體M12的輸出電流IM12與各電流調整電晶體MD1~MD16所輸出的調整電流IMD1~IMD16的總和作為所輸出的電流I3。如此一來，透過輸入及輸出電壓取樣單元IOVU、第一電流源產生單元CSGU1、第二電流源產生單元CSGU2以及第三電流源產生單元CSGU3的電路組合，便可實現動態地根據電流源調整訊號Q1~Q16的不同而提供不同的電流源的控制機制。

綜上所述，本發明實施例提出一種功率因素校正控制器及應用其之電源供應裝置。所述功率因素校正控制器可在無需配 置輔助繞組的前提下，依據輸入電壓、輸出電壓、驅動訊號週期等資訊，藉由電容的充放電時間特性來預測出準確的零電流時間點，藉以令電源供應裝置可以穩定地操作在邊界傳導模式下，從而提高功率因素。此外，本發明實施例還提出了可以補償元件/特性/製程漂移的電流源調整機制與電路，使得零電流時間點可更加準確地被預測出。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電源供應裝置

110‧‧‧輸入級電路

120‧‧‧功率級電路

130‧‧‧功率因素校正控制器

132‧‧‧驅動訊號產生電路

134‧‧‧零電流預測電路

Cin、Cout‧‧‧電容

Dr1~Dr4、Do‧‧‧二極體

GND‧‧‧接地端

IL‧‧‧電感電流

L‧‧‧電感

LD‧‧‧負載

MP‧‧‧功率開關

Rifb1、Rifb2、Rofb1、Rofb2、Rcs‧‧‧電阻

S_PWM‧‧‧驅動訊號

S_CTL‧‧‧控制訊號

VAC‧‧‧交流電源

VINd、VOUTd‧‧‧電壓

VIN‧‧‧輸入電壓

VOUT‧‧‧輸出電壓

Claims (10)

1. 一種功率因素校正控制器，包括：一驅動訊號產生電路，用以依據一控制訊號產生一驅動訊號來驅動一功率開關，其中該功率開關反應於該驅動訊號而切換，藉以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓；以及一零電流預測電路，耦接該驅動訊號產生電路，用以依據該驅動訊號、該輸入電壓以及該輸出電壓進行一電容充放電動作，藉以得到關聯於一零電流時間點的一充放電時間特性，其中該零電流預測電路依據該充放電時間特性產生該控制訊號來控制該驅動訊號產生電路的運作。
2. 如申請專利範圍第1項所述的功率因素校正控制器，其中該零電流預測電路包括：一充電單元，用以依據該驅動訊號與反相於該驅動訊號的一反相驅動訊號提供一第一充電電流與一第二充電電流；一第一電容，其第一端耦接該充電單元以接收該第一充電電流，且其第二端耦接一接地端；一第二電容，其第一端耦接該充電單元以接收該第二充電電流，且其第二端耦接該接地端；一比較器，其第一輸入端耦接該第一電容的第一端，其第二輸入端耦接該第二電容的第一端，且其輸出端依據該第一電容與該第二電容的充電電壓產生一充電比較訊號；以及一正反器，耦接該比較器的輸出端，用以依據該充電比較訊 號產生該控制訊號。
3. 如申請專利範圍第2項所述的功率因素校正控制器，其中於該驅動訊號的一致能期間內，該充電單元基於該第一充電電流以一第一充電速率對該第一電容充電，並且基於該第二充電電流以一第二充電速率對該第二電容充電；於該驅動訊號的一禁能期間內，該充電單元基於該第一充電電流改以不同於該第一充電速率的一第三充電速率對該第一電容充電，並且停止對該第二電容充電，該正反器於該第一電容的充電電壓達到該第二電容的充電電壓時，產生致能的控制訊號以定義該禁能期間的一結束時間點。
4. 如申請專利範圍第2項所述的功率因素校正控制器，其中該充電單元包括：一第一電流源；一第二電流源；一第三電流源；一第一開關，耦接於該第一電流源與該第一電容的第一端之間，並且反應於該驅動訊號而導通或截止；一第二開關，耦接於該第二電流源與該第二電容的第一端之間，並且反應於該驅動訊號而導通或截止；以及一第三開關，耦接於該第三電流源與該第一電容的第一端之間，並且反應於該反相驅動訊號而導通或截止。
5. 如申請專利範圍第1項所述的功率因素校正控制器，更包括： 一過充電流偵測電路，用以偵測耦接於該功率開關的一二極體的一反向恢復電流是否超過一臨界值，並且根據偵測的結果產生多個電流調整訊號；以及一充電時間調整電路，耦接該過充電流偵測電路，用以依據該些電流調整訊號產生多個參考電流源，其中該零電流預測電路依據該些參考電流源執行該電容充放電動作。
6. 如申請專利範圍第5項所述的功率因素校正控制器，其中該過充電流偵測電路包括：一過電壓偵測單元，用以擷取關聯於該反向恢復電流的一參考電壓並比較該參考電壓與一反向恢復電壓的大小，再根據比較結果產生一偵測訊號；以及一電流源調整單元，耦接該過電壓偵測單元，用以依據該偵測訊號產生該些電流源調整訊號。
7. 如申請專利範圍第6項所述的功率因素校正控制器，其中該充電時間調整電路包括：一輸入及輸出電壓取樣單元，用以取樣該輸入電壓與該輸出電壓，並且據以產生一第一參考電流與一第二參考電流；一第一電流源產生單元，耦接該輸入及輸出電壓取樣單元，用以依據該第一參考電流產生一第一電流作為一第一電流源；一第二電流源產生單元，耦接該輸入及輸出電壓取樣單元，用以依據該第一參考電流產生一第二電流作為一第二電流源；以及 一第三電流源產生單元，耦接該輸入及輸出電壓取樣單元，用以依據該第一參考電流、該第二參考電流以及該些電流源調整訊號產生一第三電流作為一第三電流源。
8. 如申請專利範圍第7項所述的功率因素校正控制器，其中該輸入及輸出電壓取樣單元包括：一第一放大器，其第一輸入端接收該輸入電壓，且其第二輸入端耦接其輸出端；一第二放大器，其第一輸入端接收該輸出電壓；一第一電晶體，其第一端耦接其控制端，且其第二端接收一電源電壓；一第二電晶體，其第一端耦接其控制端，且其第二端接收一電源電壓；一第三電晶體，其第一端耦接該第一電晶體的第一端，且其控制端耦接該第一放大器的第二輸入端；一第四電晶體，其第一端耦接該第二電晶體的第一端，其第二端耦接該第二放大器的第二輸入端，且其控制端耦接該第二放大器的輸出端；一第五電晶體，其第一端輸出該第二參考電流，其第二端接收該電源電壓，且其控制端耦接該第二電晶體的控制端；一第六電晶體，其第一端輸出該第一參考電流，其第二端接收該電源電壓，且其控制端耦接該第一電晶體的控制端；一第七電晶體，其第一端耦接其控制端與該第五電晶體的第 一端，且其第二端耦接該接地端；一第八電晶體，其第一端耦接該第六電晶體的第一端，其第二端耦接該接地端，且其控制端耦接該第七電晶體的控制端；一第一電阻，耦接於該第三電晶體的第二端與一接地端之間；以及一第二電阻，耦接於該第四電晶體的第二端與該接地端之間。
9. 一種電源供應裝置，包括：一輸入級電路，用以將一交流電源轉換為一輸入電壓；一功率級電路，包括一功率開關、一電感以及一二極體，該功率級電路經由該電感耦接該輸入級電路，並且經由該二極體耦接一負載，其中該功率開關反應於一驅動訊號而切換，藉以將該輸入電壓轉換為一輸出電壓，以將該輸出電壓提供予該負載；以及一功率因素校正控制器，耦接該輸入級電路與該功率級電路，其中該功率因素校正控制器包括：一驅動訊號產生電路，用以依據一控制訊號產生該驅動訊號來驅動該功率開關；以及一零電流預測電路，耦接該驅動訊號產生電路，用以依據該驅動訊號、該輸入電壓以及該輸出電壓進行一電容充放電動作，藉以得到關聯於該電感的一零電流時間點的一充放電時間特性，其中該零電流預測電路依據該充放電時間特性產生該控制訊號來控制該驅動訊號產生電路的運作。
10. 如申請專利範圍第9項所述的電源供應裝置，其中該電源供應裝置不包括一輔助繞組。