CN102355135A - 功率转换器以及电源供应电路 - Google Patents

Abstract

一种功率转换器，包括变压器、功率装置、切换控制器以及电容器。功率装置耦接变压器，以切换变压器来产生功率转换器的输出。切换控制器接收反馈信号以产生切换信号来控制功率装置。切换控制器的输入电路耦接变压器以取样输入信号来产生反馈信号，且输入信号与功率转换器的输出相关联。电容器耦接切换控制器，以提供频率补偿给功率转换器的反馈回路。功率转换器的输入不具有电解电容器，且功率转换器的最大输出电流为恒定电流。

Description

功率转换器以及电源供应电路

技术领域

本发明是有关于一种单级功率因子校正(power factor correction，FPC)转换器，特别是有关于一种单级FPC转换器，其具有恒定电压与恒定电流输出，以提供给电源供应、电池充电器、以及LED发光驱动器等等。

背景技术

图1是表示已知离线(offline)功率转换器。离线功率转换器包括变压器10、功率晶体管20、电阻器30、桥式整流器35、二极管41、高输入端电解电容器43、电容器45、切换控制器100、电阻器51与52、二极管60、以及电容器65。变压器10包括主线圈N_P、辅助线圈N_A、以及次线圈N_S。高输入端电解电容器43用来进行能量储存。图2表示图1中输入电源电压V_AC、输入电源电流I_AC、以及输入电压V_IN的波形。输入电压V_IN是在高输入端电解电容器43的电压。高输入端电解电容器43将导致输入电源电流I_AC的失真且产生较差的功率因子(power factor，PF)。因此，高输入端电解电容器43的电容值必须减少以改善功率因子。然而，不具有较高电容值的输入端电容将会产生较低的输入电压V_IN。较低的输入电压V_IN将引起反馈开回路给离线功率转换器。离线功率转换器的输出电压V_O可由式(1)来表示：

$\mathrm{Vo}=N\×V_{\mathrm{IN}}\×\frac{T_{\mathrm{ON}}}{T-T_{\mathrm{ON}}}$ -------------------------(1)

其中，N表示变压器10的线圈比(N＝N_S/N_P，其中N_P为主线圈，N_S为次线圈)。V_IN表示变压器10的输入电压(也是在高输入端电解电容器43的电压)。T_ON表示用来控制功率晶体管20的切换信号S_W的导通时间。T表示功率晶体管20的切换周期。

为了实现稳定反馈回路以及避免变压器饱和，最大工作周期“T_ON/T”受到限制，例如一般低于80％。假使输入电压V_IN太低，切换信号S_W的最大导通时间T_ON将不能维持调整过的输出电压V_O(显示于式(1))，并导致反馈开回路。当反馈回路根据输入电源电压V_AC的改变而有意义地导通/关闭(闭回路以及开回路)时，可轻易地在功率转换器的输出产生过冲(overshoot)以及/或下冲(undershoot)信号。此外，输入电容器43为一电解电容器，其体积庞大且具有较低的可靠度。本发明的目的在于改善功率转换器的功率因子，而不需要额外的功率因子校正(power factor correction，FPC)功率级。本发明的另一目的包括排除输入电解电容器的需求，以改善功率转换器的可靠度，并缩小功率转换器的尺寸以及降低其成本。

发明内容

本发明提供一种功率转换器，包括变压器、功率装置、切换控制器以及电容器。功率装置耦接变压器，以切换变压器来产生功率转换器的输出。切换控制器接收反馈信号以产生切换信号来控制功率装置。切换控制器的输入电路耦接变压器以取样输入信号来产生反馈信号，且输入信号与功率转换器的输出相关联。电容器耦接切换控制器，以提供频率补偿给功率转换器的反馈回路。功率转换器的输入不具有电解电容器，且功率转换器的输最大输出电流为恒定电流。

本发明还提供一种电源供应电路，包括桥式整流器、变压器、功率装置、切换控制器、以及电容器。桥式整流器耦接电源供应电路的输入。变压器耦接桥式整流器。功率装置耦接变压器，以切换变压器来产生电源供应电路的输出。切换控制器接收反馈信号以产生切换信号来控制功率装置。切换控制器的输入电路耦接变压器以取样输入信号来产生反馈信号，且输入信号与电源供应电路的输出相关联。电容器耦接切换控制器，以提供频率补偿给电源供应电路的反馈回路。桥式整流器由多个高速二极管所组成。桥式整流器的输出不具有电解电容器，且电源供应电路的输最大输出电流为恒定电流。

本发明的一目的为改善功率转换器的功率因子，而不需额外的功率因子校正(power factor correction，FPC)功率级。

本发明的另一目的包括排除输入电解电容器的需求，以改善功率转换器的可靠度，并降低功率转换器的尺寸与成本。

附图说明

图1表示已知离线功率转换器；

图2表示图1中输入电源电压、输入电源电流、以及输入电压的波形；

图3表示根据本发明一实施例的功率转换器；

图4表示根据本发明另一实施例的功率转换器；

图5表示在图3以及4的功率转换器中，输入电源电压、输入电源电流、以及输入电压的波形；

图6表示在图3以及4的功率转换器中，切换控制器的一实施例；

图7表示在图6的切换控制器中，PWM电路的一实施例；

图8表示在图7的PWM电路中，信号产生电路的一实施例；

图9表示在图3以及4的功率转换器中操作在BCM下的切换信号；以及

图10表示当切换信号操作在CMB时，图3以及4的功率转换器中的输入电压以及输入电流的波形。

[主要元件标号说明]

图1：

10～变压器；        20～功率晶体管；

30～电阻器；        35～桥式整流器；

41～二极管；        43～高输入端电解电容器；

45～电容器；        51、52～电阻器；

60～二极管；        65～电容器；

100～切换控制器；   C_S～电流感测信号；

I_AC～输入电源电流； I_O～输出电流；

I_P～切换电流；      N_A～辅助线圈；

N_P～主线圈；        N_S～次线圈；

S_W～切换信号；      V_AC～输入电源电压；

V_CC～电源；         V_IN～输入电压；

V_O～输出电压；      V_S～电压感测信号；

图2：

I_AC～输入电源电流；V_AC～输入电源电压；

V_IN～输入电压；

图3：

10～变压器；20～功率晶体管；

30～电阻器；         35～桥式整流器；

40～电容器；         41～二极管；

45～电容器；         51、52～电阻器；

60～二极管；         65～电容器；

80～电容器；         90～高速二极管；

100～切换控制器；    C_S～电流感测信号；

I_AC～输入电源电流；  I_IN～输入电流；

I_O～输出电流；       I_P～切换电流；

N_A～辅助线圈；       N_P～主线圈；

N_S～次线圈；         S_W～切换信号；

V_AC～输入电源电压；  V_CC～电源；

C_OM～补偿信号；      V_IN～输入电压；

V_O～输出电压；       V_S～电压感测信号；

图4：

10～变压器；         20～功率晶体管；

30～电阻器；         35～桥式整流器；

40～电容器；         41～二极管；

45～电容器；         51、52～电阻器；

60～二极管；         65～电容器；

80～电容器；         91...94～高速二极管；

100～切换控制器；    C_S～电流感测信号；

I_AC～输入电源电流；  I_IN～输入电流；

I_O～输出电流；       I_P～切换电流；

N_A～辅助线圈；       N_P～主线圈；

N_S～次线圈；         S_W～切换信号；

V_AC～输入电源电压；  V_CC～电源；

C_OM～补偿信号；      V_IN～输入电压；

V_O～输出电压；       V_S～电压感测信号；

图5：

I_AC～输入电源电流；    V_AC～输入电源电压；

V_IN～输入电压；

图6：

80～电容器；        100～切换控制器；

150～电压检测电路(V_-DET)；

160、170～误差放大器；

200～电流检测电路(I_-DET)；

250～积分器；

500～脉宽调制电路(PWM)；

C_S～电流感测信号；    COM～补偿信号；

S_DS～消磁时间信号；   S_W～切换信号；

V_I～电流反馈信号；    V_RI、V_RV～参考信号；

V_S～电压感测信号；    V_V～电压反馈信号；

图7：

81、82～反向器；  83～延迟电路(T_DLY)；

85～与门；        95～反向器；

96～比较器；      97～触发器；

98～与门；

300～信号产生电路(振荡器，OSC)；

500～脉宽调制电路(PWM)；

C_OM～补偿信号；     PLS～脉冲信号；

RMP～斜坡信号；     S_DS～消磁时间信号；

S_ENB～致能信号；    S_W～切换信号；

图8：

300～信号产生电路(振荡器，OSC)；

340～电容器；        350～电流源；

351、354～开关；     355～电流源；

358～开关；          361、362、363～比较器；

365、366～与非门；   367～与门；

370～与门；          371～或门；

375～反向器；        376～反向器；

I_RAMP～斜坡信号；    PLS～脉冲信号；

S_C～充电信号；       S_D～放电信号；

S_DM～放电信号；        S_ENB～致能信号；

S_FD～快速放电信号；    V_H、V_L、V_M～临界值；

图9：

PLS～脉冲信号；   RMP～斜坡信号；

S_ENB～致能信号；  S_W～切换信号；

T₁～期间；        T_S～消磁时间；

图10：

I_IN～输入电流；    V_IN～输入电压。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

本发明提供一种单级功率因子校正(power factor correction，FPC)转换器，其具有恒定电压与恒定电流输出，以提供给电源供应、电池充电器、以及LED发光驱动器等等。此单级PFC功率转换器提供一高功率因子(powerfactor，PF)。在一实施例中，此单级PFC功率转换器可以是离线或无隔离的功率转换器。为了输出电压与输出电流调整，可使用具有一次侧调整的反驰式功率转换器。

图3是表示根据本发明一实施例的功率转换器。此功率转换器是以一次侧控制功率转换器为基础来实现。一次侧控制功率转换器的详细说明可在编号为6,977,824且标题为“Control circuit for controlling output currentat the primary side of a power converter”的美国专利、编号为7,016,204且标题为“Close-loop PWM controller for primary-side controlled powerconverters Control circuit for controlling output current at theprimary side of a power converter”的美国专利、编号为7,349,229且标题为“Causal sampling circuit for measuring reflected voltage anddemagnetizing time of transformer”的美国专利、以及编号为7,486,528且标题为“Linear-predict sampling for measuring demagnetized voltageof transformer”的美国专利中获得。关于多向量误差放大器，相关的已知技术包括编号为6,900,623且标题为“Power supply having multi-vectorerror amplifier for power factor correction”的美国专利。关于功率因子校正，此技术已揭露于编号为7,116,090且标题为“Switching controlcircuit for discontinuous mode PFC converters”的美国专利以及编号为6,952,254且标题为“Single stage PFC power converter”的美国专利。

变压器10包括主线圈N_P、辅助线圈N_A、以及次线圈N_S。主线圈N_P接收输入电压V_IN。电阻器51与52耦接辅助线圈N_A，以产生电压感测信号V_S，而电压感测信号V_S耦合至切换控制器100。在此实施例中，切换控制器100是一次侧控制电路。切换控制器100产生切换信号S_W，其通过功率晶体管20(功率装置)来切换变压器10，藉此通过二极管60以及电阻器65来产生输出电流I_O以及输出电压V_O(输出信号)。当功率晶体管20导通时，切换电流I_P将流经变压器10。通过电阻器30，切换电流I_P将产生耦合至切换控制器100的电流感测信号C_S。电阻器80提供低频宽的频率补偿给功率转换器的反馈回路。为了实现高PF值，反馈回路的低频宽被要求低于电源频率(linefrequency)(＜50/60Hz)。此外，由电容器80所决定的低频宽反馈回路也避免当输入电压V_IN低于式(1)所示的临界值时功率转换器的输出处于不稳定状态。

二极管41以及电容器45耦接辅助线圈N_A以产生电源V_CC给切换控制器100。桥式整流器35的输入端耦接功率转换器的电源输入(line input)，以接收输入电源电压V_AC以及输入电源电流I_AC。小电容器40(例如＜1uF)耦接桥式整流器的输出，以提供整流并达到较佳的EMI。桥式整流器35一般是由多个高电压低速度整流器来形成。功率转换器的切换频率通常大于20kHz。高速二极管90(即其逆向回复时间T_RR小于500nsec)耦接于桥式整流器35与电容器40之间。高速二极管90用来避免变压器10的逆向切换电流输出至功率转换器的电源输入，因此实现较佳的PF值以及EMI。

图4是表示根据本发明另一实施例的功率转换器。在图3以及4中，相同的符号表示相同的组件，因此在此省略关于相同组件的叙述。图3以及4的实施例间的差异在于，图4的实施例的功率转换器包括高速二极管91、92、与93，以取代在图3的实施例的桥式整流器35。

图5是表示在图3以及4的实施例中，输入电源电压V_AC、输入电源电流I_AC、以及输入电压V_IN的波形。参阅图5，输入电源电流I_AC追随着输入电源电压V_AC，这实现了较佳的PF值以及较低的总谐波失真(total harmonicdistortion，THD)。

图6是表示根据本发明实施例的切换控制器100。切换控制器100的输入电路耦接变压器以对电压感测信号V_S以及电流感测信号C_S进行取样，其中，电压感测信号V_S以及电流感测信号C_S一起表示一输入信号。输入电路包括电压检测电路(V_-DET)150以及电流检测电路(I_-DET)200。电压检测电路150耦接电流感测信号V_S以产生电压反馈信号V_V以及消磁时间信号S_DS。电压反馈信号V_V耦合至误差放大器160以与参考信号V_RV进行比较。电流检测电路200接收电流感测信号C_S，且通过积分器250根据电流感测信号C_S以及消磁时间信号S_DS来产生电流反馈信号V_I。电流反馈信号V_I还耦合至误差放大器170，以与参考信号V_RI进行比较。误差放大器60与70都是转导放大器或是多向量误差放大器，以实现较佳的动态转移响应。误差放大器60与70的输出耦合至电容器80以产生补偿信号C_OM，而补偿信号C_OM耦合至脉宽调制(pulse widthmodulation，PWM)电路(PWM)500，使得PWM电路500根据补偿信号C_OM以及消磁时间信号S_DS来产生切换信号S_W。当功率转换器的输出电流I_O高于其最大电平时，输出电流I_O将是一恒定电流以驱动负载(未显示)。因此，切换信号S_W是由电流反馈信号V_I以及补偿信号C_OM来控制，以实现的输出电流I_O。当功率转换器的输出电流I_O低于其最大电平时，电压反馈信号V_V以及补偿信号C_OM将用来调整最大输出电压V_O。如前所述，输入信号与功率转换器的输出相关联。因此，为了实现一高PF值，在电源频率的周期期间产生补偿信号以提供“固定导通时间”给切换信号S_W。因此，反馈回路的频宽应低于电源频率。一般而言，电源频率为50或60Hz。

图7是表示根据本发明实施例的PWM电路500。信号产生电路300产生脉冲信号PLS，以通过反向器95、触发器97、以及与门98来导通切换信号S_W。在此实施例中，信号产生电路300为一振荡器(OSC)。信号产生电路300还产生斜坡信号RMP，为了关闭切换信号S_W，斜坡信号RMP耦合至比较器96以与补偿信号C_OM进行比较。信号产生器300根据致能信号S_ENB来产生脉冲信号PLS，以实现“临界电流模式(boundary current mode(BCM)操作)”给供率转换。BCM操作将帮助改善PF。致能信号S_ENB是根据消磁时间信号S_DS以及切换信号S_W所产生。消磁时间信号S_DS耦合至反向器82，且通过反向器82、延迟电路(T_DLY)83、以及与门85来产生致能信号S_ENB。切换信号S_W耦合至反向器81，且通过反向器81以及与门85来产生致能信号S_ENB。消磁时间信号S_DS的致能表示了变压器10完全地消磁。

图8是表示根据本发明实施例的信号产生电路300。电流源350通过开关351对电容器340充电。由于电流源355所提供的电流，电流源355通过开关354来使电容器340放电。开关351是由充电信号S_C所控制。开关354是由放电信号S_DM所控制。电容器340因此产生耦合至比较器361、362、与363的斜坡信号I_RAMP(即斜坡信号RMP)。比较器361具有临界值V_H。比较器362具有临界值V_L。比较器363具有临界值V_M，其中，临界值V_H、V_L、与V_M的电平大小是V_H＞V_M＞V_L。与非门365与366形成一箝制电路，其接收比较器361与362的输出信号。此箝制电路输出放电信号S_D。此放电信号S_D是一最大频率信号。放电信号S_D与比较器363的输出信号耦合至与门367以产生另一放电信号SDM。

放电信号S_D也耦合至反向器375以产生充电信号S_C。充电信号S_C耦合至反向器376以产生脉冲信号PLS。脉冲信号PLS是在电容器340的放电期间中产生。放电信号S_D还耦合至与门370的一输入以产生快速放电信号S_FD。快速放电信号S_FD以及致能信号S_ENB耦合至或门371。因此，一旦放电信号S_D被致能，致能信号S_ENB将触发快速放电信号S_FD。只有当放电信号S_D被禁能时，快速放电信号S_FD可关闭。电流源359耦接开关358。开关358是由快速放电信号S_FD所控制。由于电流源359的电流较大，当快速放电信号S_FD被致能时，电容器340可立刻放电。在此放电期间，斜坡信号I_RAMP维持在临界值V_M，直到致能信号S_ENB开启快速放电信号S_FD。一旦电容器340放电至低于临界值V_L，放电信号S_D将被禁能。

一旦放电信号S_D被致能，消磁时间信号S_DS因此能触发脉冲信号PLS。因此，功率转换的切换控制可操作在BCM。电流源350的电流、电容器340的电容值、以及临界值V_H、V_L、与V_M决定了放电信号S_D的最大频率，也决定了切换信号S_W的最大频率。

图9是表示操作在BCM的切换信号S_W。切换信号S_W在期间T₁中关闭。期间T_S表示变压器10的消磁时间。消磁时间T_S与消磁时间信号S_DS相关联。

图10是表示当切换信号S_W操作在CMB时，输入电压V_IN以及输入电流I_IN的波形。

本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，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的权利要求范围所界定者为准。

Claims (15)

1.一种功率转换器，包括：

一变压器；

一功率装置，耦接该变压器，以切换该变压器来产生该功率转换器的输出；

一切换控制器，接收一反馈信号以产生一切换信号来控制该功率装置，其中，该切换控制器的一输入电路耦接该变压器以取样一输入信号来产生该反馈信号，且该输入信号与该功率转换器的输出相关联；以及

一电容器，耦接该切换控制器，以提供频率补偿给该功率转换器的一反馈回路；

其中，该功率转换器的输入不具有一电解电容器，且该功率转换器的一最大输出电流为一恒定电流。

2.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，当该功率转换器的一输出电流低于一最大值时，该功率转换器的一输出电压为一恒定电压。

3.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，该反馈回路的频宽低于一电源频率。

4.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，该切换控制器产生操作在临界电流模式下的该切换信号。

5.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，在一恒定电流控制方面，该切换控制器还包括一积分器。

6.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，该切换控制器还包括一误差放大器，以形成该反馈回路，且该误差放大器为一多向量误差放大器。

7.根据权利要求1所述的功率转换器，还包括：

一桥式整流器，耦接该功率转换器的一电源输入；比及

一高速二极管，耦接于该桥式整流器与该变压器之间。

8.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，该切换控制器为一次侧控制电路。

9.一种电源供应电路，包括：

一桥式整流器，耦接该电源供应电路的输入；

一变压器，耦接该桥式整流器；

一功率装置，耦接该变压器，以切换该变压器来产生该电源供应电路的输出；

一切换控制器，接收一反馈信号以产生一切换信号来控制该功率装置，其中，该切换控制器的一输入电路耦接该变压器以取样一输入信号来产生该反馈信号，且该输入信号与该电源供应电路的输出相关联；以及

一电容器，耦接该切换控制器，以提供频率补偿给该电源供应电路的一反馈回路；

其中，该桥式整流器由多个高速二极管所组成，该桥式整流器的输出不具有一电解电容器，且该电源供应电路的一最大输出电流为一恒定电流。

10.根据权利要求9所述的电源供应电路，其中，当该电源供应电路的一输出电流低于一最大值时，该电源供应电路的一输出电压为一恒定电压。

11.根据权利要求9所述的电源供应电路，其中，该反馈回路的频宽低于一电源频率。

12.根据权利要求9所述的电源供应电路，其中，该切换控制器产生操作在临界电流模式下的该切换信号。

13.根据权利要求9所述的电源供应电路，其中，在一恒定电流控制方面，该切换控制器还包括一积分器。

14.根据权利要求9所述的电源供应电路，其中，该切换控制器还包括一误差放大器，以形成该反馈回路，且该误差放大器为一多向量误差放大器。

15.根据权利要求9所述的电源供应电路，其中，该多个高速二极管的逆向回复时间小于500nsec。

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