CN106300954A - 动态侦测稳压升压功率因数校正控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种动态侦测稳压升压功率因数校正控制装置，包括整流单元、变压器、数位稳压控制器、驱动元件、感测电阻、输出二极管以及输出电容，用以将交流电源转换成具输出电压的直流输出电源，供应外部负载。变压器包含主要线圈及辅助线圈，且数位稳压控制器是利用来自辅助线圈的辅助电压，计算输入电压及输出电压，用以对驱动元件进行回授控制，进而控制驱动元件的打开及关闭，而达到升压作用，所以输入电压可大于输入电压。因此，本发明可在不需任何输入感测电组及输出感测电阻下，经计算而得到输入电压及输出电压，所以能减低耗损，提高转换效率。
Description
技术领域
本发明有关于一种动态侦测稳压升压功率因数校正(Power FactorCorrection，PFC)控制装置，尤其是利用数位稳压控制器依据导通辅助电压及关闭辅助电压，并配合来自辅助线圈的辅助线圈的匝数及主要线圈的匝数，而计算输入电压及输出电压，可不需任何输入感测电组及输出感测电阻，藉以减低耗损并提高转换效率。
背景技术
不同电子装置需要特定的电源以提供所需的电力，比如集成电路(IC)需要1.2V的低压直流电，电动马达需要12V的直流电，而背光模块则需要数百伏以上的高压电源，因此，需要高品质且高效率的电源的转换装置，以满足所需的电源。
在现有的电源转换技术中，功率因数校正是其中很重要的课题。因为来自负载的阻抗特性及变动，常使得电源转换所产生的输出电源包含大量的虚功，无法供应负载所需，形成电力的浪费，因而降低转换效率，所以需要具功率因数校正功能的控制单元以改善上述的功率因数问题。
进一步而言，现有技术的功率因数校正控制装置可如图1所示，是包括整流单元10、变压器20、控制器CTRL、驱动元件Q1、感测电阻RS、输出二极管Do、输出电容Co、第一输入感测电阻Ris1、第二输入感测电阻Ris2、第一输出感测电阻Ros1以及第二输出感测电阻Ros2，用以对具输出电压Vo的直流输出电源进行功率因数校正处理，以提高电源转换效率，同时将交流电源VAC转换成具输出电压Vo的直流输出电源，以供应外部负载(图中未显示)，且外部负载是并联连接至输出电容Co。
整流单元10连接交流电源VAC，并将交流电源VAC转换成输入电压Vi。
变压器20包含主要线圈LP及辅助线圈LAUX，其中主要线圈LP及辅助线圈LAUX的极性是配置成反相，且主要线圈LP的一端连接至整流单元10，用以接收输入电压Vi，主要线圈LP的另一端是连接输出二极管Do的正端，而辅助线圈LAUX的一端产生辅助线圈感测信号而连接至控制器CTRL，且辅助线圈LAUX的另一端为接地。
驱动元件Q1包含汲极端D、闸极端G及源极端S，其中汲极端D连接至主要线圈LP及输出二极管Do的连接点，闸极端G连接至控制器CTRL，而源极端S连接至控制器CTRL及感测电阻RS的一端，且感测电阻RS的另一端为接地。此外，输出电容Co的一端连接至输出二极管Do的负端，且输出电容Co的另一端为接地，而输出电压Vo是形成于输出电容Co的二端。
第一输入感测电阻Ris1、第二输入感测电阻Ris2是串接至整流单元10，接收输入电压Vi，并在第一输入感测电阻Ris1、第二输入感测电阻Ris2的串接电形成输入电压感测信号，而传送至控制器CTRL。
第一输出感测电阻Ros1以及第二输出感测电阻Ros2是串接至输出二极管Do的负端，接收输出电压Vo，并在第一输出感测电阻Ros1以及第二输出感测电阻Ros2的串接电形成输出电压感测信号，而传送至控制器CTRL。
控制器CTRL接收辅助线圈感测信号、输入电压感测信号、输出电压感测信号，用以控制驱动元件Q1的闸极G，进而控制驱动元件Q1的打开、关闭，藉以调节输出电压Vo而获得功率校正作用。
一般而言，控制器CTRL包括零电流保护单元ZCP、逻辑控制单元LC、电流整形单元CSN、乘法器MUL以及差额增益放大器GM，其具体的操作方式包括：利用差额增益放大器GM将输出电压感测信号及内部的参考电压VREF之间的差额放大后产生差额增益放大信号，并传送至乘法器MUL；乘法器MUL对输入电压感测信号及差额增益放大信号进行乘法处理而产生混合信号，并传送至电流整形单元CSN；零电流保护单元ZCP接收辅助线圈感测信号，产生零电流保护信号而传送至电流整形单元CSN；电流整形单元CSN接收混合信号、零电流保护信号以及来自驱动元件Q1的源极端S的感测信号，进行电流整形处理，产生电流整形信号；最后，逻辑控制单元LC依据电流整形信号，产生逻辑控制信号以控制驱动元件Q1的闸极端G。
然而，上述现有技术的缺点在于感测输入感应电压的第一输入感测电阻Ris1及第二输入感测电阻Ris2，以及感测输出感应电压的第一输出感测电阻Ros1以及第二输出感测电阻Ros2，会在实际操作中耗损部分的电能，因而降低转换效率。因此，非常需要一种不需使配置输入、输出感测电阻即可感测输入电压及输出电压的新式动态侦测稳压升压功率因数校正控制装置，藉以解决上述现有技术的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种动态侦测稳压升压功率因数校正控制装置，包括整流单元、变压器、数位稳压控制器、驱动元件、感测电阻、输出二极管以及输出电容，用以将交流电源转换成具输出电压的直流输出电源，以供应外部负载，并达到稳压作用，避免交流电源或外部负载的变动而影响到直流输出电源的稳定性。
具体而言，整流单元连接并转换交流电源以形成输入电压，而整流单元可由二极管电桥或其他传统整流电路构成。变压器包含主要线圈及辅助线圈，其中主要线圈及辅助线圈的极性是配置成反相。主要线圈的一端连接至整流单元，且主要线圈的另一端是连接输出二极管的正端，而辅助线圈的一端连接至数位稳压控制器的辅助感测端，且辅助线圈的另一端是连接至接地。
驱动元件可为电晶体，比如功率MOS电晶体，包含汲极端、闸极端及源极端，其中汲极端连接至主要线圈及输出二极管的连接点，闸极端连接至数位稳压控制器的驱动控制端，而源极端连接至数位稳压控制器的驱动感测端及感测电阻的一端，且感测电阻的另一端为接地。输出电容的一端连接至输出二极管的负端，且输出电容的另一端为接地，尤其，外部负载是并联连接至输出电容。
进一步而言，数位稳压控制器是利用来自辅助感测端的辅助电压以及驱动感测端的感测电压，进行稳压控制处理以产生驱动信号，并藉驱动控制端，进而控制驱动元件的打开及关闭，同时控制主要线圈的电流，以提高输出二极管的正端的电压，具有升压(Boost)作用，所以经输出二极管的整流处理而在正端上产生的输出电压，可大于整流单元所产生的输入电压。
上述数位稳压控制器的稳压控制处理，首先，驱动控制端输出高位准的驱动信号以打开驱动元件，此时，数位稳压控制器计算并储存辅助感测端的辅助电压为输入电压x辅助线圈的匝数/主要线圈的匝数，当作导通辅助电压，而由于主要线圈的匝数及辅助线圈的匝数为已知，因此可将导通辅助电压乘上主要线圈的匝数并除以辅助线圈的匝数，得到输入电压。
接着，驱动控制端输出低位准的驱动信号以关闭驱动元件，此时，数位稳压控制器计算并储存辅助感测端的辅助电压为(输出电压-输入电压)x辅助线圈的匝数/主要线圈的匝数，当作关闭辅助电压。
计算并储存导通辅助电压及关闭辅助电压之间的差额，得到输出电压x辅助线圈的匝数/主要线圈的匝数，当作差额电压，是正比于输出电压。
最后，将差额电压乘上主要线圈的匝数并除以辅助线圈的匝数，则可得到输出电压。
因此，可在不需任何输入感测电组及输出感测电阻下，经计算而得到输入电压及输出电压，所以能减低耗损，提高转换效率。尤其是，数位稳压控制器可利用所计算的输入电压及输出电压以进行回授控制，比如可藉固定驱动元件关闭时由辅助线圈所侦测的输出电压及输入电压之间的压差，而实现升压追随(boost follow)的功能，其中输出电压是固定大于输入电压一个定值，并降低损耗。例如，当输入电压为90～270V时，输出电压可根据驱动元件关闭时所侦测的压差而升压为200～380V，即超过270V的输入电压而固定为380V的输出电压。比起较传统的升压功率因数校正(boost PFC)的做法，本发明可减少损耗，提高效率，并可搭配数位控制而弹性决定输出电压及输入电压之间的关系，扩大应用领域。
附图说明
图1为现有技术稳压升压功率因数校正控制装置的示意图。
图2显示依据本发明实施例动态侦测稳压升压功率因数校正控制装置的示意图。
图3至图5显示不同操作模式下驱动信号的波形图。
图6显示依据本发明实施例动态侦测稳压升压功率因数校正控制装置的转换曲线图。
其中，附图标记说明如下：
10 整流单元
20 变压器
30 数位稳压控制器
AUX 辅助感测端
Cd 下拉电容
CSN 电流整形单元
Co 输出电容
CRS 驱动感测端
CTRL 稳压控制器
D 汲极端
Do 输出二极管
DRV 驱动控制端
G 闸极端
GM 差额增益放大器
ILP 电感电流
LAUX 辅助线圈
LC 逻辑控制单元
LP 主要线圈
MUL 乘法器
Q1 驱动元件
Rd 下拉电阻
Ris1 第一输入感测电阻
Ris2 第二输入感测电阻
Ros1 第一输出感测电阻
Ros2 第二输出感测电阻
RS 感测电阻
S 源极端
VAC 交流电源
VAUX 辅助电压
Vi 输入电压
Vis 输入感测电压
Vo 输出电压
VPWM 驱动信号
VREF 参考电压
VS 感测电压
ZCP 零电流保护单元
具体实施方式
以下配合图式及附图标记对本发明的实施方式做更详细的说明，使熟悉本领域的技术人员在研读本说明书后能据以实施。
参阅图2，本发明实施例动态侦测稳压升压功率因数校正(PFC)控制装置的示意图。如图2所示，本发明实施例的动态侦测稳压升压功率因数校正控制装置实质上是包括整流单元10、变压器20、数位稳压控制器30、驱动元件Q1、感测电阻RS、输出二极管Do以及输出电容Co，用以将交流电源VAC转换成具输出电压Vo的直流输出电源，以供应外部负载(图中未显示)，且外部负载是并联连接至输出电容Co。
具体而言，整流单元10连接交流电源VAC，并将交流电源VAC转换成输入电压Vi。变压器20包含主要线圈LP及辅助线圈LAUX，其中主要线圈LP及辅助线圈LAUX的极性是配置成反相，且主要线圈LP的一端连接至整流单元10，用以接收输入电压Vi。主要线圈LP的另一端是连接输出二极管Do的正端，辅助线圈LAUX的一端连接至数位稳压控制器30的辅助感测端AUX，且辅助线圈LAUX的另一端是连接至接地。
驱动元件Q1可为电晶体，比如功率金氧半(MOS)电晶体，并包含汲极端D、闸极端G及源极端S。
汲极端D连接至主要线圈LP及输出二极管Do的连接点，闸极端G连接至数位稳压控制器30的驱动控制端DRV，而源极端S连接至数位稳压控制器30的驱动感测端CRS及感测电阻RS的一端，且感测电阻RS的另一端为接地。输出电容Co的一端连接至输出二极管Do的负端，且输出电容Co的另一端为接地。
数位稳压控制器30可为数位操作的电子元件，利用来自辅助感测端AUX的辅助电压VAUX以及驱动感测端CRS的感测电压VS，进行稳压控制处理以产生驱动信号VPWM，并经由驱动控制端DRV输出驱动信号VPWM以控制驱动元件Q1的打开及关闭。同时，数位稳压控制器30控制主要线圈LP的电流，以提高输出二极管Do的正端的电压，因而具有升压(Boost)作用，所以经输出二极管Do的整流处理而在正端上产生的输出电压Vo，可大于整流单元10所产生的输入电压Vi。
数位稳压控制器30可包含第一类比至数位转换器及第二类比至数位转换器(图中未显示)，其中第一类比至数位转换器可将辅助感测端AUX的辅助电压VAUX转换成相对应的数位信号，而第二类比至数位转换器可将驱动感测端CRS的感测电压VS转换成相对应的数位信号，藉以供数位稳压控制器30进行数位操作。
具体而言，驱动信号VPWM本质上是经脉冲宽度调变(Pulsed WidthModulation，PWM)的信号，即驱动信号VPWM在固定的工作周期(Duty Cycle)内具有宽度调变的高位准及低位准，并由数位稳压控制器30依据非连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)、边际导通模式(BoundaryConduction Mode，BCM)或连续导通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)的操作模式而由驱动控制端DRV输出具低位准的驱动信号VPWM以关闭驱动元件Q1，或输出具高位准的驱动信号VPWM以打开驱动元件Q1。
参考图3、图4、图5，是不同操作模式下驱动信号的波形图，分别显示非连续导通模式(DCM)、边际导通模式(BCM)及连续导通模式(CCM)的操作实例，其中电感电流ILP为流过主要线圈LP的电流。
上述数位稳压控制器30的稳压控制处理包括以下步骤。
首先，驱动控制端DRV输出高位准的驱动信号VPWM以打开驱动元件Q1，此时，数位稳压控制器30计算并储存辅助感测端AUX的辅助电压VAUX为：Vi x辅助线圈LAUX的匝数/主要线圈LP的匝数，是当作导通辅助电压。
由于主要线圈LP的匝数及辅助线圈LAUX的匝数为已知，因此，数位稳压控制器30接着将导通辅助电压乘上主要线圈LP的匝数并除以辅助线圈LAUX的匝数，而得到输入电压Vi。
驱动控制端DRV输出低位准的驱动信号VPWM以关闭驱动元件Q1，此时，数位稳压控制器30计算并储存辅助感测端AUX的辅助电压VAUX为：(Vo-Vi)x辅助线圈LAUX的匝数/主要线圈LP的匝数，当作关闭辅助电压。
数位稳压控制器30接着计算并储存导通辅助电压及关闭辅助电压之间的差额，得到：Vo x辅助线圈LAUX的匝数/主要线圈LP的匝数，当作差额电压，是正比于输出电压Vo。
最后，数位稳压控制器30将差额电压乘上主要线圈LPO的匝数并除以辅助线圈LAUX的匝数，则可得到输出电压Vo。
此外，数位稳压控制器30进一步利用所计算的输入电压Vi及输出电压Vo而对驱动元件Q1进行回授控制，进而藉固定驱动元件Q1于关闭时由辅助线圈LAUX所侦测的输出电压Vo及输入电压Vi之间的压差，而实现升压追随(boost follow)的功能，且输出电压Vo是固定大于输入电压Vi一个定值。如图6所示，当输入电压Vi为90～270V时，输出电压Vo可根据驱动元件Q1于关闭时所侦测的压差而升压至200～380V，即超过270V的输入电压Vi而固定为380V的输出电压。
此外，辅助感测端AUX的辅助电压VAUX可经由流过辅助线圈LAUX的电流而获得，且流过辅助线圈LAUX的电流与流过主要线圈LP的电感电流ILP的比值是等于辅助线圈LAUX的匝数与主要线圈LP的匝数的比值，藉以实现电流回授控制。
综上所述，本发明的特点主要在于比起较传统的升压功率因数校正(boostPFC)的做法，本发明可在不需任何输入感测电组及输出感测电阻下，经计算而得到输入电压Vi及输出电压Vo，所以能减低耗损，提高转换效率，并可搭配数位控制而弹性决定输出电压及输入电压之间的关系，扩大应用领域，相当具有产业利用性。
以上所述仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，因此，凡有在相同的发明精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。
Claims (5)
1.一种动态侦测稳压升压功率因数校正控制装置，其特征在于，用以将一交流电源转换成具一输出电压的一直流输出电源而供应一外部负载，该动态侦测稳压升压功率因数校正控制装置包括：
一整流单元，连接并转换该交流电源以形成一输入电压；
一变压器，包含一主要线圈及一辅助线圈，其中该主要线圈及该辅助线圈的极性是配置成反相，该主要线圈的一端连接至该整流单元，以接收该输入电压；
一数位稳压控制器，为一数位操作的电子元件，用以进行一稳压控制处理，且该数位稳压控制器具有一辅助感测端、一驱动感测端及一驱动控制端，并由该驱动控制端输出脉冲宽度调变的一驱动信号，且该驱动信号在一固定的工作周期内具有宽度调变的一高位准及一低位准，并由该数位稳压控制器依据一非连续导通模式、一边际导通模式或一连续导通模式的操作模式而由该驱动控制端输出具该低位准的驱动信号以关闭该驱动元件，或输出具该高位准的驱动信号以打开该驱动元件；
一驱动元件，为一电晶体，包含一汲极端、一闸极端及一源极端；
一感测电阻；
一输出二极管；以及
一输出电容，是并联连接至该外部负载，
其中该主要线圈的一另一端是连接该输出二极管的一正端，而该辅助线圈的一端连接至该数位稳压控制器的该辅助感测端，且该辅助线圈的一另一端是接地，该汲极端连接至该主要线圈及该输出二极管的一连接点，该闸极端连接至该驱动控制端，该源极端连接至该驱动感测端及该感测电阻的一端，该感测电阻的一另一端为接地，该输出电容的一端连接至该输出二极管的一负端，该输出电容的一另一端为接地，
且该数位稳压控制器的稳压控制处理包括：
该驱动控制端输出具该高位准的该驱动信号以打开该驱动元件，此时，该数位稳压控制器计算并储存该辅助感测端的辅助电压，表为输入电压x辅助线圈的匝数/主要线圈的匝数，并当作导通辅助电压；
将该导通辅助电压乘上该主要线圈的匝数并除以该辅助线圈的匝数，得到该输入电压；
该驱动控制端输出具该低位准的该驱动信号以关闭该驱动元件，此时，该数位稳压控制器计算并储存该辅助感测端的辅助电压，表为(输出电压-输入电压)x辅助线圈的匝数/主要线圈的匝数，并当作一关闭辅助电压；
计算并储存该导通辅助电压及该关闭辅助电压之间的一差额，当作一差额电压，并表为输出电压x辅助线圈的匝数/主要线圈的匝数；以及
将该差额电压乘上该主要线圈的匝数并除以该辅助线圈的匝数，得到该输出电压，
该数位稳压控制器利用所计算的该输入电压及该输出电压而对该驱动元件进行一回授控制，进而藉固定该驱动元件关闭时由该辅助线圈所侦测的该输出电压及该输入电压之间的压差，而实现升压追随的功能，且该输出电压是固定大于该输入电压一个定值。
2.根据权利要求1所述的动态侦测稳压升压功率因数校正控制装置，其特征在于，该整流单元是由二极管电桥构成。
3.根据权利要求1所述的动态侦测稳压升压功率因数校正控制装置，其特征在于，该驱动元件为一功率金氧半电晶体。
4.根据权利要求1所述的动态侦测稳压升压功率因数校正控制装置，其特征在于，该数位稳压控制器包含一第一类比至数位转换器及一第二类比至数位转换器，该第一类比至数位转换器是用以将该辅助感测端的辅助电压转换成相对应的数位信号，而该第二类比至数位转换器是用以将该驱动感测端的感测电压转换成相对应的数位信号。
5.根据权利要求1所述的动态侦测稳压升压功率因数校正控制装置，其特征在于，该辅助感测端的辅助电压是经由流过该辅助线圈的电流而获得，且流过该辅助线圈的电流与流过该主要线圈的一电感电流的比值是等于该辅助线圈的匝数与该主要线圈的匝数的比值，藉以实现一电流回授控制。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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