CN101888172A - 功率因子修正装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功率因子修正装置，其由一模拟数字转换模块分别转换功率转换器的一输出讯号、一感测讯号与一输入讯号，而产生一第一数字讯号、一第二数字讯号与一第三数字讯号，一回授电路耦接模拟数字转换模块，并依据第一数字讯号产生一回授讯号，运算电路耦接回授电路，并接收回授讯号、第二数字讯号与第三数字讯号，运算回授讯号、第二数字讯号与第三数字讯号而产生一计时讯号，计数电路耦接运算电路，并依据一触发讯号与计时讯号，而产生一切换讯号，用以切换功率转换器的一开关。如此，即可达到数字化功率因子修正电路，进而增加系统的稳定性，并可有效数字化功率因子修正装置，以减少电路的复杂度。

Description

功率因子修正装置

技术领域

本发明是有关于一种功率因子修正装置，其尤指一种利用于电流模式(Current Mode)的功率因子修正装置。

背景技术

随着科技的进步与经济的发展，人类对切换式功率转换器的需求与日俱增。近年来，由于电力电子技术的大幅进步，大部分的电子器材日益趋向轻薄短小化的方向发展，其内部的功率转换器亦需朝向轻薄短小的趋势设计，因此，具有体积小、重量轻、效率高等优点的切换式电源转换器便逐渐取代传统线性式转换器，成为功率转换器的主流。切换式转换器除了短小轻薄等优点之外，更进一步提升了转换器效率及质量。

传统的临界传统模式(Critical conduction Mode，CrM)功率因子修正装置可分为一电压模式(Voltage Mode)与一电流模式(Current Mode)，前者拓朴架构较为简单但反应速度慢，后者需要侦测输入电压与开关电流所以系统较复杂，且功率因子修正装置的控制芯片内部需要乘法器，但其反应速度较快也较稳定，近年已较普及。

请参阅图1，为现有技术的功率因子修正电路的电路图。如图所示，功率转换器1’的整流电路10’为桥式整流电路，用以整流功率转换器1’的输入交流讯号为单方向的电流，即将输入交流讯号整流为直流讯号，功率转换器1’的一开关20’为电流开关，用来调整功率转换器1’的输入的电流，使其输入的平均电流正比于输入电压，达到提高功率因子的目的。而功率转换器1’的变压器12’的功能有二个，第一个功能是当作电感使用，让开关20’不导通时，继续有电流流入负载。第二个功能是当作电流侦测器，用来提供一零电流侦测器25’(Zero Current Detector，ZCD)的电流讯号。电感电流I_L的波形与开关讯号的波形间的关系如图2所示，通常在功率转换器1’稳定操作后，开关讯号的打开时间(ON time)会固定(如图2所述的符号t_on)。由图2可知，输入电压较大时，开关20’打开时间之间的间距越大，峰值电流也越大，因此，平均电流也越大，以达成功率因子修正的效果。

请一并参阅图3，为图1的功率因子修正电路的波形图。如图所示，功率因子修正电路的一误差放大器35’会将功率转换器1’的误差输出并使其稳定(取其低频部分)，其输出再乘上输入电压的分压A，即为图3中的Err(t)。另一方面，当开关20’截止(即一正反器40’的输出端Q的输出讯号为低准位)时，电感电流I_L会慢慢减少，当电感电流I_L为零时，零电流侦测器25’的输出讯号为高准位，使得正反器40’的输出端Q的输出讯号为高准位，而使开关20’导通。因此电感电流I_L会再度变大。另一方面，因为开关电流开始流过感测电阻R_SENSE，因此图3所示的开关电流讯号M(t)也会开始线性变大。当此讯号与Err(t)相同时，比较器36’的输出讯号则为高准位，而使正反器40’的输出讯号重置为低准位，于是截止开关20’。如此周而复始的循环，以完成功率因子的修正。

由于上述的功率因子修正电路为模拟式功率因子修正电路，而模拟式功率因子修正电路并无法数字化，且模拟式功率因子修正装置所包含的误差放大器与比较器皆使用模拟的作法，这种作法会随着制程的飘移产生较大的误差，而有稳定性的问题。

因此，如何针对上述问题而提出一种新颖功率因子修正装置，其数字化功率因子修正装置，以可减少电路复杂度与增加系统的稳定性，使可解决上述的问题。

发明内容

本发明的目的之一，在于提供一种功率因子修正装置，其可有效数字化功率因子修正装置，以减少电路的复杂度。

本发明的目的之二，在于提供一种功率因子修正装置，其藉由一模拟数字转换模块、一回授电路、一运算电路与一计数电路，以达到数字化功率因子修正装置，进而增加系统的稳定性。

为了达到上述的目的，本发明是一种功率因子修正装置，其耦接一功率转换器，用以调整该功率转换器的一功率因子，该功率因子修正装置包含：

一模拟数字转换模块，分别转换该功率转换器的一输出讯号、一感测讯号与一输入讯号，而产生一第一数字讯号、一第二数字讯号与一第三数字讯号；

一回授电路，耦接该模拟数字转换模块，并依据该第一数字讯号产生一回授讯号；

一运算电路，耦接该回授电路，并接收该回授讯号、该第二数字讯号与该第三数字讯号，且运算该回授讯号、该第二数字讯号与该第三数字讯号而产生一计时讯号；以及

一计数电路，耦接该运算电路，并依据一触发讯号与该计时讯号，而产生一切换讯号，用以切换该功率转换器的一开关。

本发明中，其中该运算电路相乘该第三数字讯号与该回授讯号，并除以该第二数字讯号，而产生该计时讯号。

本发明，其中该运算电路包含：

一乘法器，耦接该回授电路，并相乘该第三数字讯号与该回授讯号，而产生一运算值；以及

一除法器，耦接该乘法器，并相除该运算值与该第二数字讯号，而产生该计时讯号。

本发明，其中该模拟数字转换装置包含：

一第一模拟数字转换单元，耦接该功率转换器的一输出端，并转换该输出讯号而产生该第一数字讯号；

一第二模拟数字转换单元，耦接该功率转换器的一感测电阻，并转换该感测讯号而产生该第二数字讯号；以及

一第三模拟数字转换单元，耦接该功率转换器的一输入端，并转换该输入讯号而产生该第三数字讯号。

本发明，其更包含：

一取样保持单元，耦接该第二模拟数字转换单元，并依据该计数电路产生的一取样讯号而取样该第二数字讯号，并将取样后的该第二数字讯号传送至该运算电路。

本发明，其中该计数电路接收该触发讯号而开始计时，并依据该计时讯号产生该切换讯号，该计时讯号决定该开关的一打开时间。

本发明，其中该回授电路包含：

一运算单元，耦接该模拟数字转换模块，并依据该第一数字讯号与一参考讯号，而产生该回授讯号。

本发明，其中该回授电路更包含：

一滤波器，耦接该运算单元，并过滤该回授讯号，且传送过滤后的该回授讯号至该运算电路。

本发明，其更包括：

一侦测电路，耦接该计数电路与该功率转换器的一变压器之间，并侦测该变压器的一电感电流，而产生该触发讯号。

本发明，其中该侦测电路侦测该功率转换器的该电感电流为零时，产生该触发讯号。

本发明，其中该侦测电路为一零电流侦测电路。

本发明，其更包含：

一驱动电路，耦接该计数电路与该开关之间，用以放大该切换讯号，以切换该开关。

本发明具有的有益效果：本发明通过一模拟数字转换模块、一回授电路、一运算电路与一计数电路，以达到数字化功率因子修正电路，进而增加系统的稳定性，并可有效数字化功率因子修正装置，以减少电路的复杂度。

附图说明

图1为现有技术的功率因子修正装置的电路图；

图2为图1的功率转换器的电感电流与开关关系的波形图；

图3为图1的功率因子修正电路的波形图；

图4为本发明的一较佳实施例的电路图；以及

图5为本发明的一较佳实施例的时序图。

【图号对照说明】

现有技术：

1’功率转换器        10’整流电路

12’变压器           20’开关

25’零电流侦测器     40’正反器

36’比较器

本发明：

1    功率因子修正装置          10    模拟数字转换模块

100  第一模拟数字转换单元      102   第二模拟数字转换单元

104  第三模拟数字转换单元      12    回授电路

120  运算单元                  122   滤波器

14   运算电路                  142   除法器

16   计数电路                  18    取样保持单元

2    功率转换器                20    开关

22   变压器                    24    第一分压电路

26   第二分压电路              30    侦测电路

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

请参阅图4，为本发明的一较佳实施例的电路图。如图所示，本发明的功率因子修正装置1耦接一功率转换器2，用以调整功率转换器的一功率因子，功率因子修正装置1包含一模拟数字转换模块10、一回授电路12、一运算电路14与一计数电路16。模拟数字转换模块10分别转换功率转换器2的一输出讯号V_O、一感测讯号M(t)与一输入讯号V_in，而产生一第一数字讯号C、一第二数字讯号M[n]与一第三数字讯号A，即模拟数字转换模块10包含一第一模拟数字转换单元100、一第二模拟数字转换单元102、一第三模拟数字转换单元104。第一模拟数字转换单元100耦接功率转换器2的一输出端，并转换输出讯号V_O而产生第一数字讯号C，且将第一数字讯号C传送至回授电路12，第二模拟数字转换单元102耦接功率转换器2的一感测电阻R_sense，并转换感测讯号M(t)而产生第二数字讯号M[n]，且第二数字讯号M[n]传送至运算电路14，第三模拟数字转换单元104耦接功率转换器2的一输入端，并转换输入讯号V_in而产生第三数字讯号A，且第三数字讯号A传送至运算电路14。

接上所述，本发明的回授电路12耦接模拟数字转换模块10，并依据第一数字讯号C产生一回授讯号B，即回授电路12耦接第一模拟数字转换单元100的输出端，以接收第一数字讯号C，而产生回授讯号B，运算电路14耦接回授电路12，并接收回授电路12输出的回授讯号B，且接收第二数字讯号M[n]与第三数字讯号A，而运算回授讯号B、第二数字讯号M[n]与第三数字讯号A，以产生一计时讯号t_on。计数电路16耦接运算电路14，并依据一触发讯号与计时讯号t_on而产生一切换讯号，以切换功率转换器2的一开关20。如此，本发明藉由模拟数字转换模块10、回授电路12、运算电路14与计数电路16，以达到数字化功率因子修正装置1，进而增加系统的稳定性，并且可有效数字化功率因子修正装置1，以减少电路的复杂度。

再者，本发明的运算电路14相乘第三数字讯号A与回授讯号B，再除以第二数字讯号M[n]而产生计时讯号t_on，即运算电路14包含一乘法器140与一除法器142。乘法器140耦接回授电路12，并相乘第三数字讯号A与回授讯号B，以产生一运算值ON[n](在数字领域时间单位为n)，除法器142耦接乘法器140、模拟数字转换模块10与计数电路16，以接收乘法器140输出的运算值ON[n]与模拟数字转换模块10输出的第二数字讯号M[n]，接着相除运算值ON[n]与第二数字讯号M[n]，而产生计时讯号t_on，并将计时讯号t_on传送至计数电路16。

承上所述，本发明的功率因子修正装置1更包含一取样保持单元18。取样保持单元18耦接第二模拟数字转换单元102，并依据计数电路16所产生的一取样讯号而取样第二数字讯号M[n]，并将取样后的第二数字讯号M[n]传送至运算电路14，以进行运算，即计数电路16的一取样端Sample会传送取样讯号至取样保持单元18，以控制取样保持单元18对第二数字讯号M[n]的取样率。

请复参阅图4，本发明的回授电路12包含一运算单元120与一滤波器122。运算单元120耦接模拟数字转换模块10的第一模拟数字转换单元100，并依据第一数字讯号C与一参考讯号Vref，而产生回授讯号B，于此实施例中，运算单元120可为一减法器，其相减第一数字讯号C与参考讯号Vref而产生回授讯号B。滤波器122耦接运算单元120，并过滤运算单元120输出的回授讯号B，且传送过滤后的回授讯号B至运算电路14。其中，滤波器122为一低通滤波器(Low Pass Filter)，其功能相似于一般功率因子修正装置的误差放大器。

此外，本发明的功率因子修正装置1更包含一侦测电路30与一驱动电路32。侦测电路30耦接计数电路16与功率转换器2的一变压器22之间，并侦测变压器22的一电感电流I_L，而产生触发讯号，即侦测电路会侦测功率转换器2的电感电流I_L为零时，则产生触发讯号。其中，侦测电路30为一零电流侦测电路(Zero Current Detector，ZCD)。侦测电路32耦接计数电路16与开关20之间，以放大计数电路16输出的切换讯号，以切换开关20。

本发明的功率转换器2包含一第一分压电路24与一第二分压电路26。第一分压电路24耦接功率转换器2的输入端，以分压功率转换器2的输入讯号Vin，而产生一第一分压讯号，并将第一分压讯号传送至模拟数字转换模块10的第三模拟数字转换单元104，以供第三模拟数字转换单元转换第一分压讯号为第三数字讯号A。第二分压电路26耦接功率转换器2的输出端，以分压功率转换器2的输出讯号V_O，而产生一第二分压讯号，并将第二分压讯号传送至模拟数字转换模块10的第一模拟数字转换单元100，以供第一模拟数字转换单元100转换为第一数字讯号C。

基于上述可知，本发明的计数电路16包含一频率端CLK、一开始端Start、一计时端Count、一控制端En与取样端Sample。由于运算电路14的乘法器104与除法器142会计算出开关20的一打开时间(on-time)，而产生计时讯号t_on，即计时讯号t_on可决定开关20的打开时间。计数电路16的控制端En在还未计数时，计数电路16的控制端En输出的切换讯号的准位为低准位，所以开关20为截止状态，当侦测电路30侦测变压器22的电感电流I_L为零时，侦此电路30产生触发讯号并传送至计数电路16的开始端Start，计数电路16会开始计数，即计数电路16输出的切换讯号的准位为高准位，使开关20为导通状态。因此电感电流I_L增加(其相关波形与图2、图3相同)。当计数电路16本身所计数的值等于计时讯号t_on相同时，计数电路16则停止计数，并且计数电路16将目前所计数的值归零，而输出的切换讯号的准位为低准位，使开关20再次截止，如此，重复上述的流程即可达到功率因子修正的目的。

请一并参阅图5，为本发明的一较佳实施例的时序图。如图所示，本发明在每个打开周期(Turn-on period)内对感测讯号M(t)进行取样，其取样时间为ts，并依据等比三角形的技巧可得下列公式：

ON[n]/ton＝M[n]/ts........................(1)

其中，M[n]为M(t)经过取样后的讯号。因此，可求得开关20的打开时间ton，即为：

ton＝ts*ON[n]/M[n]........................(2)

由上述可知，由于本发明对电流的判断并非看峰值，所以，若系统有噪声时，本发明的系统并没有受太大影响。

综上所述，本发明的功率因子修正装置由一模拟数字转换模块分别转换功率转换器的一输出讯号、一感测讯号与一输入讯号，而产生一第一数字讯号、一第二数字讯号与一第三数字讯号，一回授电路耦接模拟数字转换模块，并依据第一数字讯号产生一回授讯号，运算电路耦接回授电路，并接收回授讯号、第二数字讯号与第三数字讯号，运算回授讯号、第二数字讯号与第三数字讯号而产生一计时讯号，计数电路耦接运算电路，并依据一触发讯号与计时讯号，而产生一切换讯号，用以切换功率转换器的一开关。如此，即可达到数字化功率因子修正电路，进而增加系统的稳定性，并可有效数字化功率因子修正装置，以减少电路的复杂度。

综上所述，仅为本发明的一较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (12)

1.一种功率因子修正装置，其特征在于，其耦接一功率转换器，用以调整该功率转换器的一功率因子，该功率因子修正装置包含：

一模拟数字转换模块，分别转换该功率转换器的一输出讯号、一感测讯号与一输入讯号，而产生一第一数字讯号、一第二数字讯号与一第三数字讯号；

一回授电路，耦接该模拟数字转换模块，并依据该第一数字讯号产生一回授讯号；

一运算电路，耦接该回授电路，并接收该回授讯号、该第二数字讯号与该第三数字讯号，且运算该回授讯号、该第二数字讯号与该第三数字讯号而产生一计时讯号；以及

一计数电路，耦接该运算电路，并依据一触发讯号与该计时讯号，而产生一切换讯号，用以切换该功率转换器的一开关。

2.如权利要求1所述的功率因子修正装置，其特征在于，其中该运算电路相乘该第三数字讯号与该回授讯号，并除以该第二数字讯号，而产生该计时讯号。

3.如权利要求1所述的功率因子修正装置，其特征在于，其中该运算电路包含：一乘法器，耦接该回授电路，并相乘该第三数字讯号与该回授讯号，而产生一运算值；以及

一除法器，耦接该乘法器，并相除该运算值与该第二数字讯号，而产生该计时讯号。

4.如权利要求1所述的功率因子修正装置，其特征在于，其中该模拟数字转换装置包含：

一第一模拟数字转换单元，耦接该功率转换器的一输出端，并转换该输出讯号而产生该第一数字讯号；

一第二模拟数字转换单元，耦接该功率转换器的一感测电阻，并转换该感测讯号而产生该第二数字讯号；以及

一第三模拟数字转换单元，耦接该功率转换器的一输入端，并转换该输入讯号而产生该第三数字讯号。

5.如权利要求4所述的功率因子修正装置，其特征在于，其更包含：

一取样保持单元，耦接该第二模拟数字转换单元，并依据该计数电路产生的一取样讯号而取样该第二数字讯号，并将取样后的该第二数字讯号传送至该运算电路。

6.如权利要求1所述的功率因子修正装置，其特征在于，其中该计数电路接收该触发讯号而开始计时，并依据该计时讯号产生该切换讯号，该计时讯号决定该开关的一打开时间。

7.如权利要求1所述的功率因子修正装置，其特征在于，其中该回授电路包含：一运算单元，耦接该模拟数字转换模块，并依据该第一数字讯号与一参考讯号，而产生该回授讯号。

8.如权利要求7所述的功率因子修正装置，其特征在于，其中该回授电路更包含：

一滤波器，耦接该运算单元，并过滤该回授讯号，且传送过滤后的该回授讯号至该运算电路。

9.如权利要求1所述的功率因子修正装置，其特征在于，其更包括：

一侦测电路，耦接该计数电路与该功率转换器的一变压器之间，并侦测该变压器的一电感电流，而产生该触发讯号。

10.如权利要求9所述的功率因子修正装置，其特征在于，其中该侦测电路侦测该功率转换器的该电感电流为零时，产生该触发讯号。

11.如权利要求9所述的功率因子修正装置，其特征在于，其中该侦测电路为一零电流侦测电路。

12.如权利要求1所述的功率因子修正装置，其特征在于，其更包含：

一驱动电路，耦接该计数电路与该开关之间，用以放大该切换讯号，以切换该开关。

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