CN101674003A - 检测零电位区间的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

检测零电位区间的装置及其方法。该检测零电位区间的装置，可通过一辅助绕组检测一输入电压是否接近零电位，并通过该辅助绕组检测一主绕组是否近乎完全释放储能。

Description

检测零电位区间的装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种交流转直流(AC to DC)转换器架构，尤其涉及一种具有功率因素修正(power factor correction，PFC)的交流转直流转换器架构。

背景技术

在大多数的交流转直流转换器中，最好是能够让整个电路，对于AC输入电压而言，呈现出单纯电阻行为。为了这个原因，当今已经发展出了许多主动式的(active)PFC架构，而这些PFC架构架构，当接收到AC输入电压时，可以产生对应的AC输入电流。

对于PFC而言，产生具有很低的总谐波扭曲(total harmonic distortion，THD)的一正弦波电流是非常重要的。THD与功率因素(power factor)代表了PFC电路的操作表现。功率因素的最高值是1，而一般实务上，THD只要低于15％以下便是可以被接受。

举例来说，美国专利编号7,375,995、7,397,678、re40016、以及7,295,452等等，都有公开部分PFC电路以及其操作。图1为美国专利编号re40016中所揭示的一PFC电路20。PFC电路20具有一升压形态(boosttype)转换器架构(topology)，接收一输入电压V_IN，而输入电压V_IN可以是一经过整流后的AC电压。电阻38与40组成一分压器，用以检测负载电容76的DC输出电压V_O，提供一反馈信号V_INV至集成电路(integratedcircuit，IC)32的INV端。电容42提供一低通滤波器，反馈信号V_INV中的高频部分会被滤除，在IC 32的CMP端产生一比较信号V_CMP。升压电感34对应的一辅助绕组(secondary winding)39检测升压电感34的零电流交叉点(zero-crossing of the inductor current)，由IC 32的ZCD(zero currentdetection)端所检测。

PFC电路中，一般所已知的IC中是在内部产生一锯齿波信号V_saw，用来跟在CMP端的比较信号V_CMP比较，以调制开关的开启时间(on-time)。基本想法就是当DC输出电压V_O的电平较高时，开关36的开启时间(on-time)就应该降低，以减少传输到输出电容的能量。比较信号V_CMP会随着输出电压V_O的增高而降低。开关开启时，锯齿信号V_saw开始上升。锯齿信号V_saw的上升部分到达或是高过比较信号V_CMP的电压电平时，会使开关关闭，同时锯齿信号V_saw直接瞬间降到最低电压电平，且维持于最低电压电平，所以锯齿信号V_saw没有下降部分。开关再度开启的时间，是单纯由检测升压电感的零电流交叉点是否出现而触发，并同时开始锯齿信号V_saw的上升部分。在AC输入电压V_IN的少数个周期内，比较信号V_CMP可以视为一个定值，所以开关的开启时间(on-time)也大约是一定值。

在美国专利编号re40016中，有教导了开关36的开启时间(on-time)，可以随着关闭时间(off-time)缩短而些许地增长，而非单单由比较信号V_CMP所决定，藉以降低于零交越(cross-over)扭曲(distortion)。所谓零交越扭曲是指输入电压V_IN的电压值在接近最低点时，因升压电感34的跨压不足而近乎无法提供功率的情形。如果是减少了零交越扭曲，则THD也可以降低。

但是，就算是开启时间(on-time)随着关闭时间(off-time)缩短而些微地增长，一旦关闭时间过短也会导致不必要高频开关能量损失(switchingloss)。而且，开启时间(on-time)随着关闭时间(off-time)变化而改变，也可能反而增高了THD。

发明内容

本发明的一实施例提供了一种检测零电位区间的装置，应用于一功率因数校正(PFC)电源转换器。该转换器包含一主绕组、一辅助绕组以及一功率开关。该主绕组耦接至一输入电压。该装置包含一驱动电路、以及一检测电路。该驱动电路用以开启或是关闭该功率开关，以使该主绕组耦的储能相对的增加或是释放。该检测电路耦接至该辅助绕组。当该主绕组增加储能时，通过该辅助绕组，该检测电路检测该输入电压是否接近零电位；且当该主绕组释放储能时，通过该辅助绕组，该检测电路检测该主绕组是否近乎完全释放储能。

本发明的一实施例提供了一种检测零电位区间的方法，应用于一功率因数校正(PFC)电源转换器。该转换器包含一主绕组、一辅助绕组以及一功率开关。该主绕组耦接至一输入电压，并受控于该功率开关，来增加或释放储能。在该主绕组增加储能时，通过该辅助绕组，检测该输入电压是否接近零电位。在该主绕组释放储能时，通过该辅助绕组，检测该主绕组是否近乎完全释放储能。

附图说明

图1为先前技术，美国专利编号re40016，中所揭示的一PFC电路；

图2为依据本发明的一实施例所实现的一交流转直流转换器示意图；

图3为图2中的IC内部部分电路与部分周边元件的连接示意图；以及

图4显示第2与3图中的部分节点的电压信号示意图。

【主要元件符号说明】

20：功率因数校正电源转换器电路    32、52：集成电路(IC)

34：升压电感                      36：开关

38、40：电阻                      35、42、76：电容

39：辅助绕组                      50：交流转直流转换器

54：整流器                        78：二极管

412、413、416：电阻

51：电压信号产生电路              53：调整电路

55：检测电路                      57：驱动电路

414：电流源                       415：开关

417、450：比较器                  421：电路

具体实施方式

以下将通过实施例来解释本发明内容。然而，本发明的实施例并非用以限制本发明需在如实施例所述的任何特定的环境、应用或特殊方式方能实施。因此，关于实施例的说明仅为阐释本发明的目的，而非用以限制本发明。需说明者，以下实施例及图式中，与本发明非直接相关的元件已省略而未绘示。为了了解技术上的方便，相同或是类似，或是具有相类似的功能的元件，在解说时，将会采用相同的元件符号。但须强调的，不同实施例中相同的标示的元件，可以用不同的元件实施。

请参考图2，其为依据本发明的一实施例所实现的一交流转直流转换器50。整流器(rectifier)54用以将交流电整流，产生输入电压V_IN。升压电感34、开关36、电容42、76与35、电阻38与40、以及二极管78，其工作原理或于电路中扮演的角色，类似图1所示，都为本领域技术人员所熟知；为简洁之故，其连接与功能不再多述。

图2与先前技术图1的主要差异，在于IC 52与辅助绕组39的连接方式，以及IC 52内部的操作或结构。辅助绕组39连接到由电阻412与413所构成的分压电路，其分压点，可以直接连接，或是通过一选择性的(optional)电阻416，连接至IC 52的ZCD端。依据此电路连接，图2中的IC 52的ZCD端可以成为一多功能引脚(multi-function pin)，其不再只是用来检测升压电感34的零电流交叉点(zero-crossing of the inductorcurrent)，而且也用来检测输入电压V_IN的电压值是否接近最低点。举例来说，通过ZCD端以及辅助绕组39，当开关36关闭时，IC 52可以检测升压电感34中的储能是否近乎完全释放，而产生零电流交叉；当开关36开启时，一样通过ZCD端以及辅助绕组39，IC 52可以检测V_IN的电压值，藉以判定输入电压V_IN是否接近零电位，据以进行部分措施。

图3为图2中的IC 52内部部分电路与部分周边元件的连接示意图。IC52内部有驱动电路57、检测电路55、以及调整电路53。

驱动电路57，通过Gate端以及IC 52的Out端，开启或是关闭开关36，以使升压电感34(一主绕组)相对的增加或是释放储能。

在开关36关闭时，检测电路55中的比较器450，检测在ZCD节点的电压值，来判别升压电感34是否近乎完全释放储能。在开关36关闭时，一旦升压电感34的电流近乎零电流时，辅助绕组39的电压会突然的下降，通过电压信号产生电路51，将导致ZCD节点的电压值突然的下降。所以，比较器450可以检测此电压下降来判定升压电感34是否近乎完全释放储能。

在开关36开启时，检测电路55中的比较器417以及接续其后的电路，将判定输入电压V_IN是否接近零电位。开关36开启时，升压电感34的跨压大致就是输入电压V_IN的值。依照电感的圈数比，辅助绕组39的跨压跟升压电感34的跨压成正比。而ZCD节点的电压值也大约是跟辅助绕组39的跨压成一定比例关系。所以，在开关36开启时，ZCD节点的电压值便可以代表输入电压V_IN的电压值。比较器417便可以检测ZCD节点的电压值，来判断输入电压V_IN是否接近零电位。调整电路53可以在开关36开启时，同时开启开关415，以电流源414，来平移或是调整ZCD节点的电压值，使得ZCD节点的电压值比较容易被检测的到。细节将稍后说明。

图4显示第2与3图中的部分节点的电压信号图。由上而下，图4中的曲线分别表示V_IN、Gate、ZCD1、ZCD、ZCDDTO以及ZCDDT节点的电压信号。图4可见V_IN的电压信号逐渐降至最低点，然后上升；Gate的电压信号V_GATE则具有大约固定的开启时间(on-time)，而关闭时间(off-time)则大约与V_IN的电压信号同时增加或降低。当电压信号V_GATE在低电平，也就是开关36关闭时，ZCD1以及ZCD节点上的电压V_ZCD1以及V_ZCD可以下列公式(1)表示。

$V_{\mathrm{ZCD}}=V_{\mathrm{ZCD}1}=\frac{R_{413}}{R_{413}+R_{412}}\·V_{39}=\frac{R_{413}}{R_{413}+R_{412}}\·(-\frac{N_{39}}{N_{34}})\·(V_{\mathrm{IN}}-V_O)---\left(1\right)$

其中，R_x表示电阻x的阻值，V₃₉表示辅助绕组39的跨压，N₃₉与N₃₄分别表示辅助绕组39以及升压电感34的线圈圈数。

当电压信号V_GATE在高电平，也就是开关36开启时，ZCD节点上的电压V_ZCD可以下列公式(2)表示。

$V_{\mathrm{ZCD}}=\frac{R_{413}}{R_{413}+R_{412}}\·V_{39}+(\frac{R_{413}\·R_{412}}{R_{413}+R_{412}}+R_{416})\·I_{414}---\left(2\right)$

$=\frac{R_{413}}{R_{413}+R_{412}}\·(-\frac{N_{39}}{N_{34}}\·V_{\mathrm{IN}})+(\frac{R_{413}\·R_{412}}{R_{413}+R_{412}}+R_{416})\·I_{414}$

其中，I₄₁₄表示电流源414的电流值。

当电压信号V_GATE在高电平，也就是开关36开启时，ZCD1节点上的电压V_ZCD1可以下列公式(3)表示。

$V_{\mathrm{ZCD}1}=\frac{R_{413}}{R_{413}+R_{412}}\·(-\frac{N_{39}}{N_{34}}\·V_{\mathrm{IN}})+\left(\frac{R_{413}\·R_{412}}{R_{413}+R_{412}}\right)\·I_{414}---\left(3\right)$

因此，图4中的电压信号V_ZCD与V_ZCD1便依据公式(2)与(3)所绘示。电压信号V_ZCD的下方虚线曲线，表示同时间的相对应电压信号V_ZCD1；可以发现，在开关36开启时，ZCD节点的电压信号V_ZCD，因为电阻416的存在，较ZCD1节点的电压信号V_ZCD1，高出了一定值。换句话说，万一ZCD1节点的电压信号V_ZCD1不够高到让比较器417判定输入电压V_IN是否接近零电位时，可以加入适当的电阻416，来产生具有较高电压的ZCD节点的电压信号V_ZCD。

当开关36关闭时，一旦电压信号V_ZCD低于参考电压值V_ref2时，比较器450判断升压电感34已经近乎完全释放储能。然后，便通过ZCO节点，比较器450使驱动电路57开启开关36。

当开关36开启时，一旦ZCD节点的电压信号高于参考电压值V_ref1时，比较器417判断输入电压V_IN已经接近零电位。图4显示了ZCDDTO节点的电压信号V_ZCDDTO，其高电位的部分便表示输入电压V_IN已经低到一定程度，接近零电位了。图3中电路421则将电压信号V_ZCDDTO的高电位部分维持一个开关周期，以去除电压信号V_ZCDDTO中两个高电位部分之间的低电位部分，所以产生了图4中的ZCDDT节点的电压信号V_ZCDDT，其具有单一脉冲。

因此，依据图3中的实施例，电压信号V_ZCDDT中的脉冲，就可以当成零电位交越区间(zero voltage crossing zone)指示信号，指示IC 52中的其他部分电路，进行想要的动作。譬如说，IC 52一旦判定进入零电位交越区间后，便些许地增加开关36的开启时间(on-time)。

本发明虽以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

Claims (7)

1.一种检测零电位区间的装置，应用于一功率因数校正电源转换器，该转换器包含一主绕组、一辅助绕组以及一功率开关，其中该主绕组耦接至一输入电压，该装置包含：

一驱动电路，用以开启或是关闭该功率开关，以使该主绕组耦的储能相对的增加或是释放；以及

一检测电路，耦接至该辅助绕组，当该主绕组增加储能时，通过该辅助绕组，检测该输入电压是否接近零电位，且当该主绕组释放储能时，通过该辅助绕组，检测该主绕组是否近乎完全释放储能。

2.如权利要求1所述的电路，其中，该转换器包含一电压信号产生电路，以产生一比例于该辅助绕组电压的一第一电压信号；当该主绕组释放储能时，该检测电路检测该第一电压信号，以检测该主绕组是否近乎完全释放储能。

3.如权利要求2所述的电路，其中该装置还包含一调整电路，当该主绕组增加储能时，调整该第一电压信号的电平，以产生一第二电压信号，该检测电路并检测该第二电压信号，以决定该输入电压是否接近零电位。

4.如权利要求3所述的电路，其中该检测电路还包含一比较电路，用以比较该第二电压信号与一参考值，以检测该输入电压是否接近零电位。

5.一种检测零电位区间的方法，应用于一功率因数校正电源转换器，该转换器包含一主绕组、一辅助绕组以及一功率开关，其中该主绕组耦接至一输入电压，并受控于该功率开关，来增加或释放储能，该方法包含：

增加该主绕组的储能；

在该主绕组增加储能时，通过该辅助绕组，检测该输入电压是否接近零电位；

释放该主绕组的储能；以及

在该主绕组释放储能时，通过该辅助绕组，检测该主绕组是否近乎完全释放储能。

6.如权利要求5所述的方法，包含有：

在该主绕组释放储能时，产生比例于该辅助绕组电压的一第一电压信号；以及

检测该第一电压信号，判断该主绕组是否近乎完全释放储能。

7.如权利要求6所述的方法，包含有

在该主绕组增加储能时，调整该第一电压信号的电平，以产生一第二电压信号；以及

检测该第二电压信号，以决定该输入电压是否接近零电位。

Images