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TWI539729B - 交流－直流轉換器及其功因校正電路 - Google Patents

交流－直流轉換器及其功因校正電路 Download PDF

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TWI539729B
TWI539729B TW104143152A TW104143152A TWI539729B TW I539729 B TWI539729 B TW I539729B TW 104143152 A TW104143152 A TW 104143152A TW 104143152 A TW104143152 A TW 104143152A TW I539729 B TWI539729 B TW I539729B
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洪宗良
姚宇桐
楊志隆
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亞源科技股份有限公司
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

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Description

交流-直流轉換器及其功因校正電路
本發明是有關於一種轉換器的技術，特別是有關於一種交流-直流轉換器及其功因校正電路。
交流-直流轉換器已普遍應用於各種電子產品，且技術不斷精進。為了提高交流-直流轉換器的工作效率，一般都在交流-直流轉換器中加裝功因校正電路(Power Factor Correction；PFC)來進行功率因數的改善。
然而，傳統的交流-直流轉換器皆未抑制其電感電流的大小，因此會有電感電流的峰值過大的問題。
本發明提出一種功因校正電路，其可幫助交流-直流轉換器抑制其電感電流的峰值。
本發明另提出一種包含上述功因校正電路的交流-直流轉換器。
本發明所提供的一種功因校正電路，適用於交流-直流轉換器，功因校正電路包括：時脈產生器、壓控震盪器、時脈訊號選擇器、重置訊號產生電路、閂鎖器及比較器。時脈產生器用以產生第一時脈。壓控震盪器用以產生第二時脈與三角波訊號。時脈訊號選擇器用以接收第一時脈與第二時 脈，並輸出第一時脈與第二時脈中頻率較高者。重置訊號產生電路用以依據交流-直流轉換器的輸出電壓的反饋電壓、交流-直流轉換器的電感電流的第一取樣訊號與三角波訊號來產生重置訊號。閂鎖器具有設置端、重置端與輸出端，設置端用以接收時脈訊號選擇器所輸出的時脈訊號，重置端用以接收重置訊號，而輸出端用以輸出脈寬調變訊號至交流-直流轉換器的開關的一控制端。比較器用以比較第一取樣訊號與電流上限訊號，電流上限訊號的電壓大小對應至電感電流臨界值，且每當第一取樣訊號的大小達到電流上限訊號所對應的電感電流臨界值時，比較器便控制壓控震盪器將第二時脈的頻率與三角波訊號的頻率提高至大於第一時脈的頻率，並控制壓控震盪器依第一取樣訊號達到電感電流臨界值的次數來遞增第二時脈與三角波訊號的頻率。
本發明還提供一種交流-直流轉換器，其包括：橋式整流器、電感、二極體、開關及如前所述的功因校正電路。橋式整流器具有第一交流輸入端、第二交流輸入端、正輸出端與負輸出端，第一交流輸入端與第二交流輸入端用以耦接至交流電源。電感的一端耦接正輸出端。二極體的陽極耦接電感的另一端，而其陰極用以作為交流-直流轉換器的第一電壓輸出端。開關具有第一端、第二端與控制端，第一端耦接電感的另一端，第二端耦接負輸出端，其中負輸出端用以作為交流-直流轉換器的第二電壓輸出端。
上述實施例中的重置訊號產生電路包括：電壓誤差放大器、乘法器、電流誤差放大器及脈寬調變比較器。電壓誤差放大器用以比較反饋電壓與參考電壓，並據以產生第一誤差訊號。乘法器用以依據第一誤差訊號與交流-直流轉換器的輸入電壓於全波整流後所取得的第二取樣訊號而產生基準電流訊號。電流誤差放大器用以比較基準電流訊號與第一 取樣訊號，並據以產生第二誤差訊號。脈寬調變比較器用以比較第二誤差訊號與三角波訊號，並據以產生重置訊號。
在本發明中，每當第一取樣訊號的大小達到電流上限訊號所對應的電感電流臨界值時，功因校正電路的比較器便控制壓控震盪器將第二時脈的頻率與三角波訊號的頻率提高至大於第一時脈的頻率，並控制壓控震盪器依第一取樣訊號達到電感電流臨界值的次數來遞增第二時脈與三角波訊號的頻率。因此，每當第一取樣訊號的大小達到電流上限訊號所對應的電感電流臨界值時，壓控震盪器的頻率便升高以適時地調整開關的切換頻率，進而使電感電流的振幅減小而改變電感電流的峰值，以致於電感電流的峰值低於電流上限值。
100‧‧‧交流-直流轉換器
10‧‧‧橋式整流器
11‧‧‧正輸出端
12‧‧‧負輸出端
20‧‧‧電感
30‧‧‧二極體
40‧‧‧開關
41‧‧‧第一端
42‧‧‧第二端
43‧‧‧控制端
50‧‧‧功因校正電路
51‧‧‧時脈產生器
52‧‧‧壓控震盪器
53‧‧‧時脈訊號選擇器
54‧‧‧重置訊號產生電路
542‧‧‧電壓誤差放大器
544‧‧‧乘法器
546‧‧‧電流誤差放大器
548‧‧‧脈寬調變比較器
55‧‧‧閂鎖器
551、SET‧‧‧設置端
552、RESET‧‧‧重置端
553、Q‧‧‧輸出端
56‧‧‧比較器
60、549‧‧‧電容
70‧‧‧電感電流值
71‧‧‧電感電流的平均值
72‧‧‧電感電流臨界值
80‧‧‧電壓取樣電路
90、91、92、93‧‧‧電流取樣電路
901、911‧‧‧電流感應線圈
902、912‧‧‧二極體
903‧‧‧整流波形取樣電路
AC‧‧‧交流電源
S1‧‧‧電流上限訊號
S2‧‧‧第一取樣訊號
S3‧‧‧第二取樣訊號
S54‧‧‧重置訊號
S522‧‧‧三角波訊號
S543‧‧‧第一誤差訊號
S545‧‧‧基準電流訊號
S547‧‧‧第二誤差訊號
S57‧‧‧脈寬調變訊號
CLK1‧‧‧第一時脈
CLK2‧‧‧第二時脈
VOUT‧‧‧輸出電壓
VFB‧‧‧反饋電壓
VREF‧‧‧參考電壓
R1、R2、R3、R4‧‧‧電阻
T1、T2、T3‧‧‧時間區段
GND‧‧‧接地電位
圖1為本發明一實施例的交流-直流轉換器的示意圖。
圖2為本發明一實施例的電感電流的變化的示意圖。
圖3繪示有電流取樣電路的另一種實施態樣。
圖4繪示有電流取樣電路的再一種實施態樣。
圖5繪示有電流取樣電路的又再一種實施態樣。
圖1為本發明一實施例的交流-直流轉換器的示意圖。請參照圖1，交流-直流轉換器100包括有橋式整流器10、電感20、二極體30、開關40、功因校正電路50、電容60、電壓取樣電路80、電流取樣電路90與整流波形取樣電路903。
橋式整流器10具有第一交流輸入端、第二交流輸入端、正輸出端11與負輸出端12，第一交流輸入端與第二交流輸入端用以耦接至交流電源AC。電感20的一端透過電流取樣電路90耦接正輸出端11。二極體30的陽極耦接電感20的另一端，而其陰極用以作為交流-直流轉換器100的第一電壓輸出端。開關40具有第一端41、第二端42與控制端43，第一端41耦接電感20的另一端，第二端42耦接負輸出端12，其中負輸出端12用以作為交流-直流轉換器100的第二電壓輸出端。在此例中，第二電壓輸出端乃是耦接接地電位GND。開關40例如可採用一NMOS電晶體來實現，其中NMOS電晶體的閘極用以作為前述的控制端43。然本發明不以此為限，在符合電路動作原理下，開關40亦可以其他型態實現，如以PMOS電晶體來實現。另外，電容60耦接於交流-直流轉換器100的第一電壓輸出端與第二電壓輸出端之間。
電壓取樣電路80耦接於交流-直流轉換器100的第一電壓輸出端與接地電位之間，以便取得反饋電壓VFB。此電壓取樣電路80乃是以電阻R1與R2來實現。電流取樣電路90則是以電流感應線圈901及二極體902來實現，此電流取樣電路90用以對電感20的電感電流進行取樣而取得第一取樣訊號S2。至於整流波形取樣電路903，其用以對橋式整流器10的輸出訊號(即橋式整流器10對來自交流電源AC的輸入電壓進行全波整流後所產生的訊號)進行取樣而取得第二取樣訊號S3。此整流波形取樣電路903乃是以電阻R3與R4來實現。
功因校正電路50包括有時脈產生器51、壓控震盪器52、時脈訊號選擇器53、重置訊號產生電路54、閂鎖器55及比較器56。時脈產生器51用以產生第一時脈CLK1。壓控震盪器52用以產生第二時脈CLK2與三角波訊號S522。時 脈訊號選擇器53用以接收第一時脈CLK1與第二時脈CLK2，並輸出第一時脈CLK1與第二時脈CLK2中頻率較高者。重置訊號產生電路54用以依據交流-直流轉換器100的輸出電壓VOUT的反饋電壓VFB、電感20的電感電流的第一取樣訊號S2與三角波訊號S522來產生重置訊號S54。閂鎖器55具有設置端551、重置端552與輸出端553，設置端551用以接收時脈訊號選擇器53所輸出的時脈訊號，重置端552用以接收重置訊號S54，而輸出端553用以輸出脈寬調變訊號S57至開關40的控制端43，進而控制開關40的啟閉狀態。比較器56用以比較第一取樣訊號S2與電流上限訊號S1，且每當第一取樣訊號S2的大小達到電流上限訊號S1所對應的電感電流臨界值時，比較器56便控制壓控震盪器52將第二時脈CLK2的頻率與三角波訊號S522的頻率提高至大於第一時脈CLK1的頻率，並控制壓控震盪器52依第一取樣訊號S2達到電感電流臨界值的次數來遞增第二時脈CLK2與三角波訊號S522的頻率。
在本實施例中，重置訊號產生電路54包括有電壓誤差放大器542、乘法器544、電流誤差放大器546、脈寬調變比較器548與電容549。電壓誤差放大器542用以比較反饋電壓VFB與參考電壓VREF，並據以產生第一誤差訊號S543。乘法器544用以依據第一誤差訊號S543與第二取樣訊號S3而產生基準電流訊號S545。電流誤差放大器546用以比較基準電流訊號S545與第一取樣訊號S2，並據以產生第二誤差訊號S547。脈寬調變比較器548用以比較第二誤差訊號S547與三角波訊號S522，並據以產生重置訊號S54。
在其他實施例中，壓控震盪器52所產生的三角波訊號S522可以是鋸齒波訊號。此外，前述的閂鎖器55可採用SR閂鎖器來實現。然本發明不以此為限，在符合電路動作 原理下，閂鎖器55亦可採用其他型態的閂鎖器或替代電路來實現。
圖2為本發明一實施例的電感電流的變化的示意圖。請合併參照圖1及圖2。如時間區段T1所示，在電感20的電感電流隨著電壓的變化而逐漸上升時，由於在這段期間中比較器56會判斷出第一取樣訊號S2所對應的電感電流值70的峰值尚未達到電流上限訊號S1所對應的電感電流臨界值72，使得比較器56不會去控制壓控震盪器52將第二時脈CLK2的頻率與三角波訊號S522的頻率提高至大於第一時脈CLK1的頻率，因此閂鎖器55會依據時脈訊號選擇器53所輸出的第一時脈CLK1與重置訊號S54來產生頻率較低的脈寬調變訊號S57，以利用脈寬調變訊號S57來控制開關40的啟閉狀態。
而如時間區段T2所示，隨著電感電流的平均值(如標號71所示)逐漸逼近電感電流臨界值72，由於在這段期間中比較器56會判斷出第一取樣訊號S2所對應的電感電流值70的峰值已達到電流上限訊號S1所對應的電感電流臨界值72，使得比較器56會去控制壓控震盪器52將第二時脈CLK2的頻率與三角波訊號S522的頻率提高至大於第一時脈CLK1的頻率，因此閂鎖器55會依據時脈訊號選擇器53所輸出的第二時脈CLK2與重置訊號S54來產生頻率較高的脈寬調變訊號S57，以利用脈寬調變訊號S57來提高開關40的切換頻率，以便減小電感電流的振幅，進而抑制電感電流的峰值。
接下來，如時間區段T3所示，在電感20的電感電流隨著電壓的變化而逐漸下降時，由於在這段期間中比較器56又會判斷出第一取樣訊號S2所對應的電感電流值70的峰值未達到電流上限訊號S1所對應的電感電流臨界值72，使得比較器56不會去控制壓控震盪器52將第二時脈CLK2的 頻率與三角波訊號S522的頻率提高至大於第一時脈CLK1的頻率，因此閂鎖器55會依據時脈訊號選擇器53所輸出的第一時脈CLK1與重置訊號S54來產生頻率較低的脈寬調變訊號S57，以利用脈寬調變訊號S57來控制開關40的啟閉狀態。
請參照圖3至圖5。圖3至圖5分別繪示出電流取樣電路的其他實施態樣。如圖3所示，電流取樣電路91乃是由電流感應線圈911及二極體912所組成，而此電流取樣電路91的耦接方式與電流取樣電路90的耦接方式不同。而如圖4所示，電流取樣電路92乃是以一電阻來實現。至於圖5所示的電流取樣電路93，其亦以一電阻來實現，而電流取樣電路93的耦接方式與電流取樣電路92的耦接方式不同。由於圖3至圖5皆已清楚繪示出各電流取樣電路的耦接方式，在此便不再贅述。
綜上所述，在本發明中，每當第一取樣訊號的大小達到電流上限訊號所對應的電感電流臨界值時，功因校正電路的比較器便控制壓控震盪器將第二時脈的頻率與三角波訊號的頻率提高至大於第一時脈的頻率，並控制壓控震盪器依第一取樣訊號達到電感電流臨界值的次數來遞增第二時脈與三角波訊號的頻率。因此，每當第一取樣訊號的大小達到電流上限訊號所對應的電感電流臨界值時，壓控震盪器的頻率便升高以適時地調整開關的切換頻率，進而使電感電流的振幅減小而改變電感電流的峰值，以致於電感電流的峰值低於電流上限值。藉由限制電感電流而使電感不容易飽和，進而得以使用較低額定的電感元件及功率開關。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，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，因此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‧‧‧交流-直流轉換器
10‧‧‧橋式整流器
11‧‧‧正輸出端
12‧‧‧負輸出端
20‧‧‧電感
30‧‧‧二極體
40‧‧‧開關
41‧‧‧第一端
42‧‧‧第二端
43‧‧‧控制端
50‧‧‧功因校正電路
51‧‧‧時脈產生器
52‧‧‧壓控震盪器
53‧‧‧時脈訊號選擇器
54‧‧‧重置訊號產生電路
542‧‧‧電壓誤差放大器
544‧‧‧乘法器
546‧‧‧電流誤差放大器
548‧‧‧脈寬調變比較器
55‧‧‧閂鎖器
551、SET‧‧‧設置端
552、RESET‧‧‧重置端
553、Q‧‧‧輸出端
56‧‧‧比較器
60、549‧‧‧電容
80‧‧‧電壓取樣電路
90‧‧‧電流取樣電路
901‧‧‧電流感應線圈
902‧‧‧二極體
903‧‧‧整流波形取樣電路
AC‧‧‧交流電源
S1‧‧‧電流上限訊號
S2‧‧‧第一取樣訊號
S3‧‧‧第二取樣訊號
S54‧‧‧重置訊號
S522‧‧‧三角波訊號
S543‧‧‧第一誤差訊號
S545‧‧‧基準電流訊號
S547‧‧‧第二誤差訊號
S57‧‧‧脈寬調變訊號
CLK1‧‧‧第一時脈
CLK2‧‧‧第二時脈
VOUT‧‧‧輸出電壓
VFB‧‧‧反饋電壓
VREF‧‧‧參考電壓
R1、R2、R3、R4‧‧‧電阻
GND‧‧‧接地電位

Claims (10)

  1. 一種功因校正電路，適用於一交流-直流轉換器，該功因校正電路包括：一時脈產生器，用以產生一第一時脈；一壓控震盪器，用以產生一第二時脈與一三角波訊號；一時脈訊號選擇器，用以接收該第一時脈與該第二時脈，並輸出該第一時脈與該第二時脈中頻率較高者；一重置訊號產生電路，用以依據該交流-直流轉換器的一輸出電壓的一反饋電壓、該交流-直流轉換器的一電感電流的一第一取樣訊號與該三角波訊號來產生一重置訊號；一閂鎖器，具有一設置端、一重置端與一輸出端，該設置端用以接收該時脈訊號選擇器所輸出的時脈訊號，該重置端用以接收該重置訊號，而該輸出端用以輸出一脈寬調變訊號至該交流-直流轉換器的一開關的一控制端；以及一比較器，用以比較該第一取樣訊號與一電流上限訊號，該電流上限訊號的電壓大小對應至一電感電流臨界值，且每當該第一取樣訊號的大小達到該電流上限訊號所對應的該電感電流臨界值時，該比較器便控制該壓控震盪器將該第二時脈的頻率與該三角波訊號的頻率提高至大於該第一時脈的頻率，並控制該壓控震盪器依該第一取樣訊號達到該電感電流臨界值的次數來遞增該第二時脈與該三角波訊號的頻率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的功因校正電路，其中該重置訊號產生電路包括：一電壓誤差放大器，用以比較該反饋電壓與一參考電壓，並據以產生一第一誤差訊號； 一乘法器，用以依據該第一誤差訊號與該交流-直流轉換器的一輸入電壓於全波整流後所取得的一第二取樣訊號而產生一基準電流訊號；一電流誤差放大器，用以比較該基準電流訊號與該第一取樣訊號，並據以產生一第二誤差訊號；以及一脈寬調變比較器，用以比較該第二誤差訊號與該三角波訊號，並據以產生該重置訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的功因校正電路，其中該三角波訊號包括一鋸齒波訊號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的功因校正電路，其中該開關包括一NMOS電晶體，而該控制端為該NMOS電晶體的一閘極。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的功因校正電路，其中該閂鎖器包括一SR閂鎖器。
  6. 一種交流-直流轉換器，其包括：一橋式整流器，具有一第一交流輸入端、一第二交流輸入端、一正輸出端與一負輸出端，該第一交流輸入端與該第二交流輸入端用以耦接至一交流電源；一電感，其一端耦接該正輸出端；一二極體，其陽極耦接該電感的另一端，而其陰極用以作為該交流-直流轉換器的一第一電壓輸出端；一開關，具有一第一端、一第二端與一控制端，該第一端耦接該電感的另一端，該第二端耦接該負輸出端，其中該負輸出端用以作為該交流-直流轉換器的一第二電壓輸出端； 以及一功因校正電路，其包括：一時脈產生器，用以產生一第一時脈；一壓控震盪器，用以產生一第二時脈與一三角波訊號；一時脈訊號選擇器，用以接收該第一時脈與該第二時脈，並輸出該第一時脈與該第二時脈中頻率較高者；一重置訊號產生電路，用以依據該交流-直流轉換器的一輸出電壓的一反饋電壓、該電感的一電感電流的一第一取樣訊號與該三角波訊號來產生一重置訊號；一閂鎖器，具有一設置端、一重置端與一輸出端，該設置端用以接收該時脈訊號選擇器所輸出的時脈訊號，該重置端用以接收該重置訊號，而該輸出端用以輸出一脈寬調變訊號至該開關的該控制端；以及一比較器，用以比較該第一取樣訊號與一電流上限訊號，該電流上限訊號的電壓大小對應至一電感電流臨界值，且每當該第一取樣訊號的大小達到該電流上限訊號所對應的該電感電流臨界值時，該比較器便控制該壓控震盪器將該第二時脈的頻率與該三角波訊號的頻率提高至大於該第一時脈的頻率，並控制該壓控震盪器依該第一取樣訊號達到該電感電流臨界值的次數來遞增該第二時脈與該三角波訊號的頻率。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的交流-直流轉換器，其中該重置訊號產生電路包括：一電壓誤差放大器，用以比較該反饋電壓與一參考電壓，並據以產生一第一誤差訊號；一乘法器，用以依據該第一誤差訊號與該交流-直流轉換 器的一輸入電壓於全波整流後所取得的一第二取樣訊號而產生一基準電流訊號；一電流誤差放大器，用以比較該基準電流訊號與該第一取樣訊號，並據以產生一第二誤差訊號；以及一脈寬調變比較器，用以比較該第二誤差訊號與該三角波訊號，並據以產生該重置訊號。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的交流-直流轉換器，其中該三角波訊號包括一鋸齒波訊號。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的交流-直流轉換器，其中該開關包括一NMOS電晶體，而該控制端為該NMOS電晶體的一閘極。
  10. 如申請專利範圍第6項所述的交流-直流轉換器，其中該閂鎖器包括一SR閂鎖器。
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