CN104467428A - 可以改善轻载的功因的电源供应器以及控制方法 - Google Patents

可以改善轻载的功因的电源供应器以及控制方法 Download PDF

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Abstract

实施例提供一种可以改善轻载的功因的电源供应器以及控制方法。一电子装置，可以改善一电源供应器的功因。该电源供应器由一线电源线以及一地电源线供电，包含有一功率开关。该电子装置包含有一线电压检测器与一开启时间控制器。该线电压检测器，提供一当下信号，代表该线电源线的一线电压。该开启时间控制器包含有一波谷电压检测器，其提供一波谷信号，代表该线电压的一电压波谷。该开启时间控制器依据该波谷信号，来控制该功率开关的一开启时间。

Description

可以改善轻载的功因的电源供应器以及控制方法
技术领域
本发明涉及具有功因修正功能的电源供应器，特别是涉及可以改善在轻载时的功因的切换式电源供应器。
背景技术
功率因数(power factor，简称功因)代表了对于所提供来的电力是否能够有效运用。功因的最大值是1，这也是功因理想值。一个电子装置的功因不等于1时，表示电力系统供应单位(譬如电力公司)需要具备高于此电子装置的消耗功率的供电能力，才能使此电子装置正常操作。为了使电力系统的供电能力有效的被运用，工业规范规定了许多的电子装置，譬如说照明电子或是高于100W的电源供应器，都需要符合高达0.9以上的功因。
主动式功因修正(power factor correction，PFC)指的是使用主动元件，包含有控制线路及功率开关等电子电路，来调整输入电流波形，使其与输入电压波形尽可能相似，所以功率因素校正值可达近乎100%。一般主动式功因修正是采用开关式电源供应器来实施。举例来说，定开启时间(constantON-time)的升压电路(booster)可以达到相当高的功因。
然而，一般电源供应器需要有防止电磁干扰(EMI)的电路，其大多是由电感与电容所构成的低通滤波器，放在市电的输入端与电源供应器的主要转换器之间。在轻载时，因为主要转换器抽拉的电流很小，此低通滤波器的存在，可能使得主要转换器所看到的输入电压波形，跟市电输入电压波形有所差异。因此，就算主要转换器忠实的把输入电流波形调整的跟输入电压波形相似，从市电的输入端看来，输入电流波形就是跟市电输入电压波形就会不一样，会降低功因。
因此，如何使功因增加，达到理想值，一直是业界所努力的目标。
发明内容
本发明的一实施例提供一种一电子装置，可以改善一电源供应器的功因。该电源供应器由一线电源线以及一地电源线供电，包含有一功率开关。该电子装置包含有一线电压检测器与一开启时间控制器。该线电压检测器，提供一当下信号，代表该线电源线的一线电压。该开启时间控制器包含有一波谷电压检测器，其提供一波谷信号，代表该线电压的一电压波谷。该开启时间控制器依据该波谷信号，来控制该功率开关的一开启时间。
本发明的一实施例提供一种可以改善一电源供应器的功因的控制方法。该电源供应器由一线电源线以及一地电源线供电，包含有一功率开关，该控制方法包含有：提供一当下信号，代表该线电源线的一线电压；提供一波谷信号，代表该线电压的一电压波谷；以及，依据该波谷信号以及该当下信号，来控制该功率开关的一开启时间。
附图说明
图1显示依据本发明所实施，具有PFC的一电源供应器。
图2显示图1中的控制器。
图3显示图2中的斜坡信号产生器。
图4显示图1到图3中的一些信号波形。
图5A显示一种波谷电压寻找器。
图5B显示另一种波谷电压寻找器。
图6显示另一种斜坡信号产生器。
图7举例依据本发明所实施的一电源供应器。
图8显示图7中流过二次侧绕组201的二次侧电流ISEC、辅助绕组电压VAUX、以及PWM信号SPWM。
图9显示图6中的控制器。
图10举例图9中的线电压检测器。
附图符号说明
100                    电源供应器
102                    防止电磁干扰电路
104                    桥式整流器
106                    升压转换器
108                    分压电路
110                    控制器
112                    功率开关
114                    AC输入端口
116                    变压器
118                    主绕组
119                    辅助绕组
120                    开启时间控制器
121                    分压电路
122                    关闭时间控制器
124                    SR触发器
126                    驱动器
128、128A              斜坡信号产生器
130                    比较器
132                    运算放大器
134                    比较器
140                    补偿电流供应器
142                    主定电流源
144                    放电开关
146                    电容
148、150               电压控制电流源
152、152A、152B        波谷电压寻找器
160、162               线电流ILINE平均值的波形
164                    交流电压VAC整流后的波形
172                    计数器
174                    数字模拟转换器
176                    D触发器
178                    时钟产生器
180                    加法器
200                    电源供应器
201                    二次侧绕组
202                    返驰式转换器
208                    分压电路
210                    控制器
212                    功率开关
213                    关闭时间控制器
214                    取样器
216                    线电压检测器
218                    斜坡信号产生器
220                    运算放大器
222                    比较器
224                    SR触发器
230                    双极性结面晶体管
232                    电阻
234                    电容
236                    开关
DO                     计数结果
GATE                   GATE端
GND                    地电源线
I-DEFAULT               定电流
ILINE                   线电流
ISEC                   二次侧电流
ISUPP                   补偿电流
ISUPP-LINE              充电电流
ISUPP-OFFSET            偏移放电电流
LINE                   高电源线
SOPWM                  PWM信号
SPWM                   PWM信号
t0、t1                 时间
TDIS                   放电时间
TON                    开启时间
TOFF                   关闭时间
VAC                    交流电压
VAUX                   辅助绕组电压
VCOM                   补偿电压
VFB                    回馈电压
VLINE                  线电压
VLINE-IN               当下电压
VOUT                   输出电压
VRAMP                  斜坡信号
VTAR                   目标电压
VVALLEY                波谷信号
ZCD                   零电流检测端
具体实施方式
图1显示依据本发明所实施，具有PFC的一电源供应器100，其包含有一防止电磁干扰电路102、一桥式整流器104、一升压转换器106、一分压电路108、以及一控制器110。
防止电磁干扰电路102由电感与电容所构成，防止升压转换器106中的功率开关112高频切换时，所产生的电磁波传递到AC输入端口114。桥式整流器104将AC输入端口114所传来的交流电压VAC，整流为直流电压，跨接在一地电源线GND与一高电源线LINE之间。高电源线LINE的电压标示为线电压VLINE，流入变压器116的主绕组118的电流则标示为线电流ILINE。升压转换器106中，变压器116的主绕组118与功率开关112串接在高电源线LINE与地电源线GND之间。变压器116的辅助绕组119连接到控制器110的零电流检测端ZCD。分压电路108产生回馈电压VFB。控制器110依据回馈电压VFB、线电压VLINE、以及辅助绕组119所传递来的信号，通过GATE端，送出PWM信号SPWM，周期性地使功率开关112开启或是关闭。
控制器110的目的，是使回馈电压VFB稳定在一个预设的目标电压VTAR，而且使得线电流ILINE的平均波形，尽可能跟交流电压VAC的波形一致，以达到高功因。
图2显示图1中的控制器110，其包含有分压电路121、开启时间控制器(ON time controller)120、关闭时间控制器122、SR触发器124、以及驱动器126。分压电路121将可能高达240V的线电压VLINE，转换成40V以下、开启时间控制器120可以接受的当下电压VLINE-IN。开启时间控制器120可重设SR触发器124，通过驱动器126，大致决定功率开关112的开启时间(ON time)TON的结束。关闭时间控制器122可设置SR触发器124，通过驱动器126，大致决定功率开关112的开启时间TON的开始。
开启时间控制器120包含有斜坡信号产生器128、比较器130以及运算放大器132。斜坡信号产生器128依据当下电压VLINE-IN与SR触发器124所输出的PWM信号SOPWM，产生斜坡信号VRAMP。运算放大器132依据回馈电压VFB与目标电压VTAR两者的差，在其输出端建立补偿电压VCOM。当开启时间TON一开始时，斜坡信号VRAMP从一预设值开始，以一信号斜率开始上升。一旦斜坡信号VRAMP超过补偿电压VCOM，比较器130就重设SR触发器124，所以PWM信号SOPWM与SPWM就都变成逻辑上的”0”，关闭了功率开关112，结束了开启时间TON。稍后将解释斜坡信号VRAMP的信号斜率，会受当下电压VLINE-IN与一段时间内当下电压VLINE-IN的最小值(也就是当下电压VLINE-IN的电压波谷)所影响。在一实施例中，当下电压VLINE-IN越高，信号斜率就越高；当下电压VLINE-IN的电压波谷越高，信号斜率就越低。
关闭时间控制器122可以视为一放电检测器。当图1中的变压器116放电完毕时，在零电流检测端ZCD的辅助绕组电压VAUX会快速的下掉。关闭时间控制器122可以判别辅助绕组电压VAUX在掉过参考电压(本实施例中设定为0.1V)时，就认定变压器116放电完毕。此时，比较器134设置SR触发器124，所以PWM信号SOPWM与SPWM就都变成逻辑上的“1”，使功率开关112导通，宣告开启时间TON的开始。
图3显示图2中的斜坡信号产生器128。PWM信号SOPWM控制放电开关144。在开启时间TON时，放电开关144为开路，主定电流源142提供一定电流I-DEFAULT，对电容146充电，所以斜坡信号VRAMP可以以一信号斜率开始上升。在关闭时间TOFF时(非开启时间)，放电开关144为短路，斜坡信号VRAMP维持在预设的接地电压。补偿电流供应器140，其提供补偿电流ISUPP，具有两个电压控制电流源148与150，以及波谷电压寻找器(valley-voltage finder)152。波谷电压寻找器152可以提供一波谷信号VVALLEY，其大略的对应到当下电压VLINE-IN的波谷电压，也对应到线电压VLINE的波谷电压。电压控制电流源148将当下电压VLINE-IN转换成充电电流ISUPP-LINE；电压控制电流源150将波谷信号VVALLEY转换成偏移放电电流ISUPP-OFFSET。可以推论的，当当下电压VLINE-IN越高，斜坡信号VRAMP的信号斜率就越高；当波谷信号VVALLEY越高，信号斜率就越低。
理论上，定电流I-DEFAULT相当大于补偿电流ISUPP，所以图1中的升压电路106大致可以视为操作在定开启时间(constant ON-time)，可以达到一定程度的功因修正。开启时间TON由图2中的补偿电压VCOM以及斜坡信号VRAMP的信号斜率所决定。补偿电流ISUPP些许的微调开启时间TON。当线电压VLINE增大时，充电电流ISUPP-LINE增大，所以信号斜率增加，开启时间TON缩短；当波谷信号VVALLEY增大时，偏移放电电流ISUPP-OFFSET增大，所以信号斜率减少，开启时间TON增长。
图4显示一些信号波形，由上而下，分别是图1中的交流电压VAC的绝对值、轻载时的线电压VLINE、图2中的当下电压VLINE-IN与图3中的波谷信号VVALLEY、假定没有偏移放电电流ISUPP-OFFSET时图1中的线电流ILINE、以及有偏移放电电流ISUPP-OFFSET时图1中的线电流ILINE。
如同图4所示，交流电压VAC的绝对值显示出正弦波整流后的M形波形164，其谷底电压约0V。在轻载时，因为图1中的防止电磁干扰电路102中的电容，所以线电压VLINE的谷底没有低到0V。当下电压VLINE-IN是线电压VLINE的分压结果，所以跟线电压VLINE有类似的波形。波谷信号VVALLEY为当下电压VLINE-IN的波谷电压，如同图4所示。如果没有图3中的偏移放电电流ISUPP-OFFSET，线电流ILINE，尽管其随着功率开关112而上下变化，但其平均值将会大约地追随当下电压VLINE-IN。所以图4中，线电流ILINE平均值的波形160会跟线电压VLINE非常相近，但是却是跟交流电压VAC的M形波形164有一个DC值平移的差异。如果图3中的偏移放电电流ISUPP-OFFSET大约的抵销掉线电压VLINE在波谷时的充电电流ISUPP-LINE，那线电流ILINE平均值的波形162就可以大致追随线电压VLINE去除掉波谷信号VVALLEY后的结果，如同图4的最底下的波形所示。从图4也可以发现，相较于线电流ILINE平均值的波形160，线电流ILINE平均值的波形162跟交流电压VAC比较相似。所以，有偏移放电电流ISUPP-OFFSET的存在，可以改善轻载时的功因。
在重载时，防止电磁干扰电路102中的电容容易被比较强的线电流ILINE所放电完毕，所以线电压VLINE的谷底会非常接近0V。因此，偏移放电电流ISUPP-OFFSET几乎不存在。换言之，在图1到图3的实施例中，偏移放电电流ISUPP-OFFSET不会影响重载时的功因结果。
图5A显示一种波谷电压寻找器152A，可适用于图3中。波谷电压寻找器152A包含有一二极体与电容。而电容上所记忆的电压就可以是波谷信号VVALLEY。然而，图5A中的电容需要有相当的抗漏电能力。图5B显示另一种波谷电压寻找器152B，其中数字模拟转换器174可将计数器172的计数结果DO，转换成模拟的波谷信号VVALLEY。换言之，计数结果DO可以视为数字化的波谷信号VVALLEY。波谷电压寻找器152B以计数器172记忆数字化的波谷信号VVALLEY。时钟产生器178在每隔一个很长的循环周期(至少大于M形波形164的一个周期，举例来说超过8ms(～1/120))，发出一个短脉冲重设D触发器(D flip-flop)176，且使计数器172上数或是下数。比较器170的输出控制D触发器176的时钟输入。简单的说，如果在时钟产生器178所定义的一循环周期中，当下电压VLINE-IN都没有交越过波谷信号VVALLEY，那D触发器176的Q输出将会一直维持在逻辑上的“0”；否则D触发器176的Q输出将会在下一个循环周期开始时，为逻辑上的”1”。当下电压VLINE-IN一直都没有交越过波谷信号VVALLEY，表示波谷信号VVALLEY可能低于当下电压VLINE-IN的波谷，故D触发器176的反向Q输出“1”将使得计数器172在下一个循环周期开始时上数一次，模拟的波谷信号VVALLEY增加；相反的，如果下电压VLINE-IN有交越过波谷信号VVALLEY，表示波谷信号VVALLEY高过当下电压VLINE-IN的波谷，故计数器172在下一个循环周期开始时下数一次，模拟的波谷信号VVALLEY减少。由此可以推知，随着时间的流逝，波谷信号VVALLEY大约会等于当下电压VLINE-IN的波谷。
图6显示另一种斜坡信号产生器128A，其与图3的斜坡信号产生器128类似，也可以适用于图2中。在图6中，波谷电压寻找器152依据当下电压VLINE-IN来提供波谷信号VVALLEY。加法器180把当下电压VLINE-IN去除掉波谷信号VVALLEY，所剩下的才通过电压控制电流源148转换成补偿电流ISUPP，对电容146充电。
本发明并没有限制于使用在采用升压架构的电源供应器，也可以适用于采用返驰式架构的电源供应器，如同图7所举例的电源供应器200。电源供应器200包含有一防止电磁干扰电路102、一桥式整流器104、一返驰式转换器202、一分压电路208、以及一控制器210。
分压电路208中两个电阻串接在辅助绕组119的两端之间，提供辅助绕组电压VAUX的分压结果到控制器210的零电流检测端ZCD。控制器210以PWM信号SPWM，周期性地开关功率开关212。当功率开关212导通时，为开启时间TON，变压器中的主绕组118开始储能；当功率开关212为开路时，为关闭时间TOFF，变压器通过辅助绕组119以及二次侧绕组201释能。
图8显示图7中流过二次侧绕组201的二次侧电流ISEC、辅助绕组电压VAUX、以及PWM信号SPWM。因为电感感应，在开启时间TON时，辅助绕组电压VAUX将会是大约比例于线电压VLINE的一个负值，而在关闭时间TOFF二次侧绕组201放电时，辅助绕组电压VAUX将会是大约比例于输出电压VOUT的一个正值。
图9显示图7中的控制器210。在图9中，关闭时间控制器213可以判别辅助绕组电压VAUX在掉过参考电压(本实施例设定为0.1V)时，就认定二次侧绕组201放电完毕。此时，关闭时间控制器213提供完毕信号，设置SR触发器224，所以PWM信号SOPWM与SPWM就都变成逻辑上的“1”，开启了功率开关212，宣告开启时间(ON time)的开始，如同图8中的时间t0所发生的。
在图8中的放电时间TDIS，也就是二次侧电流ISEC不为0的时间，图9的取样器214对辅助绕组电压VAUX的分压结果进行取样，产生回馈电压VFB。运算放大器220依据回馈电压VFB与目标电压VTAR两者的差，在其输出端建立补偿电压VCOM。斜坡信号产生器218依据当下电压VLINE-IN与SR触发器224所输出的PWM信号SOPWM，产生斜坡信号VRAMP。当开启时间TON一开始，斜坡信号VRAMP从一预设值开始，以一信号斜率开始上升。在图8的时间点t1，斜坡信号VRAMP超过补偿电压VCOM，比较器222就重设SR触发器224，所以PWM信号SOPWM与SPWM就都变成逻辑上的“0”，关闭了功率开关212，结束了开启时间TON。斜坡信号产生器218举例于图3与图6中，其中也解释斜坡信号VRAMP的信号斜率，会受当下电压VLINE-IN与波谷信号VVALLEY所影响。而波谷信号VVALLEY代表当下电压VLINE-IN或线电压VLINE的一电压波谷。
在图8中的开启时间TON时，线电压检测器216把零电流检测端ZCD大约箝制在0V，然后检测从控制器210流出零电流检测端ZCD的电流，来产生当下电压VLINE-IN，以代表线电压VLINE。图10举例图9中的线电压检测器216，具有一双极性结面晶体管230。因为双极性结面晶体管230的基极大约固定在电压0.7V，所以，双极性结面晶体管230可以提供跟线电压VLINE成比例的一电流，把零电流检测端ZCD大约箝制在0V。这样的电流被一电流镜所映射，而产生另一个流经电阻232的电流，所以电阻232的跨压，也就是当下电压VLINE-IN，会大约比例于线电压VLINE。换言之，当下电压VLINE-IN可以代表线电压VLINE。电容234与开关236是为了预防开启时间TON结束后，零电流检测端ZCD不会被箝制为0V，而导致当下电压VLINE-IN变成0的问题。在开启时间TON结束，PWM信号SOPWM使开关236变成开路，所以电容234记录了电流镜中PMOS晶体管上的栅极电压，维持电流镜持续提供电流流经电阻232，来产生适当的当下电压VLINE-IN。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明的权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (20)

1.一种一电子装置，可以改善一电源供应器的功因，该电源供应器由一线电源线以及一地电源线供电，包含有一功率开关，该电子装置包含有：
一线电压检测器，提供一当下信号，代表该线电源线的一线电压；以及
一开启时间控制器，包含有：
一波谷电压检测器，提供一波谷信号，代表该线电压的一电压波谷，其中，该开启时间控制器依据该波谷信号，来控制该功率开关的一开启时间。
2.如权利要求1所述的电子装置，其中，该线电压可使该开启时间减少，且该电压波谷可使该开启时间增加。
3.如权利要求2所述的电子装置，该开启时间控制器包含有：
一斜坡信号产生器，提供一斜坡信号，具有一信号斜率，该斜坡信号产生器依据该波谷信号以及该当下信号，来调整该信号斜率。
4.如权利要求3所述的电子装置，该开启时间控制器还包含有：
一运算放大器，依据一回馈电压以及一目标电压的差异，来提供一补偿信号。
5.如权利要求3所述的电子装置，该斜坡信号产生器包含有：
一电容；
一主定电流源，提供一主充电电流，其大致为一定值，对该电容充电，以使该斜坡信号从一预设值，以该信号斜率开始上升；以及
一补偿电流供应器，依据该当下信号以及该波谷信号，提供一补偿充电电流，对该电容充电，以调整该信号斜率。
6.如权利要求3所述的电子装置，该开启时间控制器还包含有：
一比较器，比较该补偿信号以及该斜坡信号，且在该斜坡信号高于该补偿信号时，提供一比较结果，以结束该开启时间。
7.如权利要求1所述的电子装置，其中，该电源供应器包含有一电感元件，与该功率开关串联于该线电源线与该地电源线之间，其中，该电子装置还包含有：
一放电检测器，提供一完毕信号，以开始该开启时间，其中，该完毕信号对应该电感元件的一放电完毕时间。
8.如权利要求7所述的电子装置，其中，该电感元件为一变压器的一主绕组，该变压器另具有一辅助绕组，耦接至该放电检测器。
9.如权利要求8所述的电子装置，其中，该线电压检测器与该波谷电压检测器均耦接至该辅助绕组。
10.如权利要求1所述的电子装置，其中，该波谷电压检测器包含有：
一计数器，提供一计数结果；
一数字模拟转换器，依据该计数结果，提供一模拟信号；以及
一比较器，用以比较该模拟信号以及一检测信号，该检测信号代表该线电压。
11.如权利要求10所述的电子装置，其中，该计数结果每一循环周期改变一次，且该循环周期大于8ms。
12.如权利要求1所述的电子装置，其中，该电源供应器具有一返驰式架构或是一升压器架构。
13.一种可以改善一电源供应器的功因的控制方法，该电源供应器由一线电源线以及一地电源线供电，包含有一功率开关，该控制方法包含有：
提供一当下信号，代表该线电源线的一线电压；
提供一波谷信号，代表该线电压的一电压波谷；以及
依据该波谷信号以及该当下信号，来控制该功率开关的一开启时间。
14.如权利要求13所述的控制方法，还包含有：
提供一斜坡信号，具有一信号斜率；
依据该波谷信号以及该当下信号，来调整该信号斜率；以及
依据该斜坡信号以及一补偿信号，来决定该开启时间；
其中，该电压波谷可增加该开启时间，该线电压可减少该开启时间。
15.如权利要求14所述的控制方法，还包含有：
依据一回馈电压以及一目标电压的差异，提供该补偿信号；
其中，该回馈电压大致对应该电源供应器的一输出电压。
16.如权利要求13所述的控制方法，其中，该电源供应器还包含有一电感元件，该控制方法还包含有：
检测该电感元件的一放电完毕时间，以提供一完毕信号，并开始该开启时间。
17.如权利要求16所述的控制方法，其中，该电源供应器包含有一变压器，其具有一主绕组以及一辅助绕组，该主绕组与该功率开关串联于该线电源线以及该地电源线之间，该控制方法还包含有：
通过该辅助绕组来检测该放电完毕时间。
18.如权利要求16所述的控制方法，还包含有：
通过该辅助绕组来检测该线电压，以提供该当下信号。
19.如权利要求13所述的控制方法，还包含有：
以一计数器，提供一计数结果；
将该计数结果转换为一模拟信号；
比较该模拟信号以及一检测信号，以产生一比较结果，该检测信号代表该线电压；以及
依据该比较结果，改变该计数结果。
20.如权利要求19所述的控制方法，包含有：
依据该比较结果，每一循环周期改变该计数结果一次；
其中，该循环周期不小于8mS。
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