CN101132132B - 功率因素调整装置及电源供应系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率因素调整装置，其包括整流器、功率因素调整(PFC)线圈、二极管、第一及第二电阻、PFC控制单元、电压转换单元、切换单元以及调整单元。整流器用以将交流电压转换成第一直流电压。PFC线圈之第一端耦接整流器。二极管的阳极耦接PFC线圈之第二端。第一电阻耦接于二极管之阴极与第一节点之间。第二电阻耦接于第一节点与低电平之间。PFC控制单元提供参考电压予第一节点。电压转换单元用以将第一直流电压转换成第二直流电压。切换单元根据一调整信号，控制线圈之第二端之电压。调整单元耦接于电压转换单元与切换单元之间，用以根据第二直流电压提供调整信号。因而降低PFC线圈的体积、组件成本，并增加功率因素调整装置的效率。

Description

功率因素调整装置及电源供应系统 
技术领域
本发明是有关于一种调整装置，特别是有关于一种功率因素调整装置。 
背景技术
图1为已知功率因素调整装置之示意图。功率因素调整(Power FactorCorrected；以下简称PFC)装置20的桥式整流器21是将交流电源Vs转换成直流电压，因此，当交流电源Vs的电压范围在90Vac～264Vac之间，则节点23的电压范围约在127Vdc～373Vdc之间。由于节点24的电压需大于节点23的电压，方能使PFC电感动作。然而节点23的电压最大为373Vdc，故节点24的电压一般是选定在385Vdc。 
当节点24的电压固定在385Vdc，而节点23的电压为127Vdc时，则节点23及24之间的压差约为253Vdc。由于节点23及24之间的压差很大，故电感22的体积也就愈大，因此，造成功率因素调整装置20的体积变大，以及组件成本的增加，并且效率亦无法提升。 
发明内容
鉴于上述问题，本发明之一目的在于提供了一种线圈体积小，成本低廉以及效率高的功率因素调整装置。 
为了达到上述目的，该装置其包括整流器、PFC线圈、二极管、第一及第二电阻、PFC控制单元、电压转换单元、切换单元以及调整单元。整流器用以将交流电压转换成第一直流电压。PFC线圈的第一端耦接整流器。二极管的阳极耦接PFC线圈的第二端。第一电阻耦接于二极管之阴极与第一节点之间。第二电阻耦接于第一节点与低电平之间。PFC控制单元提供参考电压予第一节点，使第一节点保持在7.5V。电压转换单元用以将第一直流电压转换成第二直流电压。切换单元根据一调整信号，控制PFC线圈的第二端的电压。调整单元耦接于电压转换单元与切换单元之间，用以根据第二直流电压提供调整信号。 
另外，本发明亦提供一种电源供应系统，其包括整流器、PFC线圈、二极管、第一及第二电阻、PFC控制单元、电压转换单元、切换单元、调整单元以及直流电源转换器。整流器用以将交流电压转换成第一直流电压。PFC线圈的第一端耦接整流器。二极管的阳极耦接PFC线圈的第二端。第一电阻耦接于二极管的阴极与第一节点之间。第二电阻耦接于第一节点与低电平之间。控制单元提供参考电压予第一节点。电压转换单元用以将第一直流电压转换成第二直流电压。 切换单元根据一调整信号，控制PFC线圈之第二端之电压。调整单元耦接于电压转换单元与切换单元之间，用以根据第二直流电压提供调整信号。直流电源转换器用以将第二直流电压转换成第三直流电压。 
通过本发明所述功率因素调整装置及电源供应系统，降低PFC线圈的体积、组件成本，并增加功率因素调整装置的效率。 
附图说明
图1显示已知功率因素调整装置。 
图2显示本发明之电源供应系统。 
具体实施方式
图2显示本发明之电源供应系统。如图所示，电源供应系统30包括，功率因素调整装置31以及直流电源转换器(DC to DC converter)32。功率因素调整装置31用以将交流电源转换成高压直流电源。直流电源转换器32是运用于直流电源间的转换。 
由于功率因素调整装置31其输出为直流高压，故需利用直流电源转换器32将较大的直流高压转换成较小的直流低压电源。在本实施例中，直流电源转换器32为一切换式电源(switching power)转换器。 
功率因素调整装置31包括，整流器311、PFC线圈312、二极管313、电阻R1及R2、PFC控制单元316、电压转换单元317、切换单元318以及调整单元319。 
整流器311将交流电压Vac转换成直流电压Vdc1。在本实施例中，整流器311为一桥式整流器。PFC线圈312耦接于整流器311及二极管313之间。在本实施例中，PFC线圈312为一电感器。 
其中，金属氧化半导体场效晶体管(MOSFET)Q2作为开关装置与二极管313的阳极耦接PFC线圈312的第二端42。电阻R1耦接于二极管313阴极的节点43与第一节点A之间。电阻R2耦接于第一节点A与低电平Vss(例如，接地电位)之间。 
PFC控制单元316提供参考电压Vref予第一节点A做电压比较，以改变二极管313之阴极的节点43电压。PFC控制单元316为功率因素调整控制集成电路(IC)。在本实施例中，PFC控制单元316为德州仪器公司所生产的UCC3817为参考，其提供的参考电压Vref等于7.5V。 
电压转换单元317将第一直流电压Vdc1转换成第二直流电压Vdc2。在本实施例中，电压转换单元317包括电阻R3、R4及电容CAP。电阻R3耦接于PFC线圈312的第一端41与第二节点B之间。电阻R4耦接于第二节点B与低电平Vss之间。电容CAP并联电阻R4。调整单元319为耦接于电压转换单元317与切换单元318之间，用以根据第二直流电压Vdc2提供调整信号Adj。在本实施例中，调整单元319为一齐纳二极管ZD，其阴极直接地电性连接第二节点B，其阳极直接地电性连接npn晶体管Q1的基极。 
切换单元318根据调整信号Adj，控制二极管313的阴极节点43电压。在本实施例中，切换单元318包括，npn晶体管Q1以及电阻R5。npn晶体管Q1的基极接收调整信号Adj，其集电极耦接第一节点A。电阻R5耦接于npn晶体管Q1之发射极与低电平Vss之间。 
为了避免电磁干扰，功率因素调整装置31更包括一抗电磁干扰单元(未显示)，其是耦接于交流电压Vac与整流器311之间。 
当输入的交流电源Vac的电压范围在90Vac~264Vac之间，则第一直流电压Vdc1范围约在127Vdc~373Vdc之间。由于电阻R3及R4的阻抗固定，故第二直流电压Vdc2是随着第一直流电压Vdc1以正相关变化，亦即第一直流电压Vdc1增加，第二直流电压Vdc2亦增加，反之亦然。 
因此，当第一直流电压Vdc1小于一默认值时，第二直流电压Vdc2便无法同时导通齐纳二极管ZD及npn晶体管Q1。因此二极管313的阴极的节点43电压是由参考电压Vref、电阻R1及R2的阻抗所决定。当第一直流电压Vdc1大于该默认值时，第二直流电压Vdc2可同时导通齐纳二极管ZD及npn晶体管Q1，此时调整信号Adj是随着第二直流电压Vdc2而变化，且npn晶体管Q1的集电极与发射极间的等效电阻Rce的阻抗亦随着调整信号Adj而变化。 
由于二极管313的压差很小可以忽略，故PFC线圈312的第二端42的电压可视同等于节点43的电压，故当npn晶体管Q1导通时，等效电阻Rce与电阻R5是并联电阻R2，并且第一节点A的电压等于参考电压Vref，故二极管313的阴极的节点43电压会随着第一节点A的等效阻抗而变化，故PFC线圈312二端之间的压差是可机动调整，有效改善已知技术固定不变压差的缺点。 
由上述可知，当第一直流电压Vdc1小于该默认值时，节点43电压为一固定值，则PFC线圈312的第二端42的电压亦为一固定值。然而，当第一直流电压Vdc1大于该默认值时，节点43电压会随着第一直流电压Vdc1而变化，则PFC线圈312的第二端42的电压会随着第一直流电压Vdc1而变化，故可避免PFC线圈312二端之间的压差过大。当PFC线圈312两端的压差可控制时，则可控制PFC线圈312的体积，进而缩小功率因素调整装置31的体积。 
举例来说，参考电压Vref等于7.5V，npn晶体管Q1的导通电压约为0.6V，并且忽略二极管313的压差。经过计算后可知，当交流电压Vac小于或等于120V时，无法同时导通齐纳二极管ZD与npn晶体管Q1，而当交流电压Vac大于120V时，则可同时导通齐纳二极管ZD与npn晶体管Q1。以下将举例说明节点A与B间的压差控制方式。 
当交流电压Vac等于90V时，则第一直流电压Vdc1约为127V。经过电压单元317转换后，第二直流电压Vdc2约为4.63V，不足以同时导通齐纳二极管ZD与npn晶体管Q1，故PFC线312的第二端42的电压约为194V。因此，PFC线312两端之间的压差约为67V。 
当交流电压Vac等于120V时，则第一直流电压Vdc1约为170V。经过电压单元317转换后，第二直流电压Vdc2约为6.17V，不足以同时导通齐纳二极管ZD与npn晶体管Q1，故PFC线312的第二端42的电压约为194V。因此，PFC线312两端之间的压差约为24V。 
当交流电压Vac等于125V时，则第一直流电压Vdc1约为176.8V。经过电压单元317转换后，第二直流电压Vdc2约为6.44V，使得齐纳二极管ZD与npn晶体管Q1可同时导通。由于第二直流电压Vdc2约为6.44V，故等效电阻Rce的阻抗约为1.1M，使得PFC线312的第二端42B的电压约为200V。因此，PFC线312两端之间的压差约为23.8V。 
当交流电压Vac等于180V时，则第一直流电压Vdc1约为254.4V。经过电压单元317转换后，第二直流电压Vdc2约为9.27V，使得齐纳二极管ZD与npn晶体管Q1可同时导通。由于第二直流电压Vdc2约为9.27V，故等效电阻Rce的阻抗约为52.67K，使得PFC线312的第二端42的电压约为278V。因此，PFC线312两端之间的压差约为23.6V。 
当交流电压Vac等于240V时，则第一直流电压Vdc1约为339.42V。经过电压单元317转换后，第二直流电压Vdc2约为12.36V，使得齐纳二极管ZD与npn晶体管Q1可同时导通。由于第二直流电压Vdc2约为12.36V，故等效电阻Rce的阻抗约为7.94K，使得PFC线312之第二端42的电压约为363V。因此，PFC线312两端之间的压差约为23.58V。 
由上述可知，当交流电压Vac小于120V时，PFC线312两端之间的压差最大约为67V。而当交流电压Vac大于120V时，PFC线312两端之间的压差最大约为23.8V。因此，通过本发明，可将PFC线圈312两端的最大压差由已知的253V降低至67V，故可大幅缩小线圈312的体积。 

Claims (19)

1.一种功率因素调整装置，其特征在于，该装置包括：
一将一交流电压转换成一第一直流电压的整流器；
一功率因素调整线圈，具有一第一及第二端，且其第一端耦接于上述整流器；
一二极管，其阳极耦接该功率因素调整线圈的第二端；
一第一电阻，其耦接于二极管的阴极与一第一节点之间；
一第二电阻，其耦接于第一节点与一低电平之间；
一功率因素调整控制单元，用于提供一参考电压予该第一节点做电压比较，以改变该二极管的阴极电压；
一将该第一直流电压转换成一第二直流电压的电压转换单元；
一调整单元，与该电压转换单元直接电性连接以接收该第二直流电压，并根据该第二直流电压提供一调整信号；以及
一切换单元，其一端与该调整单元直接电性连接以接收该调整信号，另一端与该第一节点相连，从而根据该调整信号控制该功率因素调整线圈的第二端的电压。
2.根据权利要求1所述的功率因素调整装置，其特征在于：该整流器为一桥式整流器。
3.根据权利要求1所述的功率因素调整装置，其特征在于：该功率因素调整线圈为一电感器。
4.根据权利要求1所述的功率因素调整装置，其特征在于：该电压转换单元包括一第三及第四电阻，且该第三电阻耦接于该第一端以及一第二节点之间，该第四电阻耦接于第二节点及低电平之间，并提供第二直流电压于第二节点。
5.根据权利要求4所述的功率因素调整装置，其特征在于：该电压转换单元更包括一电容，其并联于第四电阻。
6.根据权利要求4所述的功率因素调整装置，其特征在于：该切换单元包括：
一npn晶体管，其基极直接地连接调整单元，集电极耦接第一节点；以及
一第五电阻，其耦接于npn晶体管的发射极与低电平之间。
7.根据权利要求6所述的功率因素调整装置，其特征在于：该调整单元为一齐纳二极管，其阴极直接地连接该第二节点，其阳极直接地连接npn晶体管的基极。
8.根据权利要求1所述的功率因素调整装置，其特征在于：该功率因素调整控制单元为UCC3817。
9.根据权利要求1所述的功率因素调整装置，其特征在于：更包括一抗电磁干扰单元，耦接于该交流电压与整流器之间。
10.一种电源供应系统，其特征在于，该系统包括：
一将一交流电压转换成一第一直流电压的整流器；
一功率因素调整线圈，具有一第一及第二端，该第一端耦接该整流器；
一二极管，其阳极耦接该功率因素调整线圈的第二端；
一第一电阻，其耦接于该二极管之阴极与一第一节点之间；
一第二电阻，其耦接于该第一节点与一低电平之间；
一功率因素调整控制单元，用于提供一参考电压予该第一节点做电压比较，以改变该二极管的阴极电压；
一将该第一直流电压转换成一第二直流电压的电压转换单元；
一调整单元，与该电压转换单元直接电性连接以接收该第二直流电压，并根据该第二直流电压提供一调整信号；
一切换单元，其一端与该调整单元直接电性连接以接收该调整信号，另一端与该第一节点相连，从而根据该调整信号控制该功率因素调整线圈的第二端之电压；以及
一直流电源转换器，与该二极管的阴极相连，用于将较大的直流高压转换成较小的直流低压电源。
11.根据权利要求10所述的电源供应系统，其特征在于：该整流器为一桥式整流器。
12.根据权利要求10所述的电源供应系统，其特征在于：该功率因素调整线圈为一电感器。
13.根据权利要求10所述的电源供应系统，其特征在于：该电压转换单元包括一第三及第四电阻，且该第三电阻耦接于第一端以及一第二节点之间，该第四电阻耦接于该第二节点及低电平之间，并提供该第二直流电压于该第二节点。
14.根据权利要求13所述的电源供应系统，其特征在于：该电压转换单元更包括一电容，其并联该第四电阻。
15.根据权利要求13所述的电源供应系统，其特征在于：该切换单元包括：
一npn晶体管，其基极直接地连接该调整单元，其集电极耦接第一节点；
以及
一第五电阻，其耦接于该npn晶体管的发射极与该低电平之间。
16.根据权利要求15所述的电源供应系统，其特征在于：该调整单元为一齐纳二极管，其阴极直接地连接该第二节点，其阳极直接地连接该npn晶体管之基极。
17.根据权利要求10所述的电源供应系统，其特征在于：该功率因素调整控制单元为UCC3817。
18.根据权利要求10所述的电源供应系统，其特征在于：更包括一抗电磁干扰单元，其耦接于该交流电压与整流器之间。
19.根据权利要求10所述的电源供应系统，其特征在于：该直流电源转换器为一切换式电源转换器。
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