CN217508578U - 电源控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电源控制器，适用于功因修正电源转换器，其包含有功率开关以及电感，用以提供输出电源，具有输出电压，其特征在于，该电源控制器包含有：补偿电路，比较该输出电压以及目标电压，提供补偿信号；修正电路，依据该功率开关的开启时间以及该补偿信号，产生修正信号，使得该开启时间、该补偿信号、与该修正信号符合预设关系；以及开启时间控制器，依据该修正信号，来控制该开启时间。

Description

电源控制器

技术领域

本实用新型大致涉及一种用于功因修正电源转换器的控制方法与电源控制器，尤其涉及可以使功因修正电源转换器操作于非连续导通模式时，依然具有良好功因的控制方法与电源控制器。

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75W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，来调整输入电流波型，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，恒定开启时间(constant ON-time)的升压电路(booster)或是返驰式转换器可以达到相当高的功因。但是，在轻载时，恒定开启时间往往有开关频率过高，而导致开关损失过高与转换效率不佳的问题。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种电源控制器，适用于一功因修正电源转换器。该功因修正电源转换器包含有一功率开关以及一电感，用以提供一输出电源，具有一输出电压。该电源控制器包含有一补偿电路、一修正电路、以及一开启时间控制器。该补偿电路比较该输出电压以及一目标电压，提供一补偿信号。该修正电路依据该功率开关的一开启时间以及该补偿信号，产生一修正信号，使得该开启时间、该补偿信号、与该修正信号符合一预设关系。该开启时间控制器依据该修正信号，来控制该开启时间。

附图说明

图1为依据本实用新型所实施的一功因修正电源转换器。

图2显示图1中的一些信号波形。

图3显示图1的电源控制器。

图4显示图3中的修正电路。

【符号说明】

100 功因修正电源转换器

102 桥式整流器

104 功率开关

106 电流检测电阻

108 电源控制器

162 补偿电路

164 修正电路

166 关闭时间控制器

168 乘法器

170 SR触发器

172 开启时间控制器

182、184 电压电流转换器

186 开关

188 电容

190 更新电路

192 逻辑电路

CCOM 补偿电容

CO、CVCC 输出电容

D01、D02 整流器

FB 反馈端

GND 接地线

I_DR 电流

I_LIN 电感电流

I_LIN-AVG 平均电流值

I_PEAK 峰值

I_SR 电流

LA 辅助绕组

LIN 线电源线

LP 主绕组

PLAT 平台

RA、RB、RC、RD、RE 电阻

S_DIS 放电信号

S_DRV 驱动信号

TCYC 开关周期

TDIS 放电时间

TOFF 关闭时间

TON 开启时间

V_AC 交流市电

V_AUX 端电压

V_CAP 电容电压

V_COMP 补偿信号

V_COMP-A 修正信号

V_CS 电流检测信号

V_FB 反馈电压

V_LIMIT 乘积信号

V_LIN 线电压信号

VL₁、VL₂ 信号波谷

V_MULT 输入信号

V_OUT 输出电压

VOUT 输出电源

V_PEAK 峰值

ZCD 零电流检测端

具体实施方式

在本说明书中，有一些相同的符号，其表示具有相同或是类似的结构、功能、原理的元件，且为本领域技术人员可以依据本说明书的教导而推知。为说明书的简洁度考虑，相同的符号的元件将不再重述。

本实用新型虽然以一升压电路为例，但本实用新型不限于此。本实用新型也可以适用于其他的电源转换器，举例来说，返驰式转换器或是升降压电源转换器(buckbooster)。

在本实用新型的一实施例中，一功因修正电源转换器具有串联的一功率开关以及一电感，以及一电源控制器，用以控制该功率开关。该功因修正电源转换器将一输入线电源，转换产生一输出电源，具有一输出电压。该电源控制器具有一补偿电路、一修正电路、以及一开启时间控制器。该补偿电路比较该输出电压与一目标电压，来提供一补偿信号。该修正电路依据该功率开关的一开启时间、该功率开关的一放电时间、以及该补偿信号，产生一修正信号。该开启时间控制器依据该修正信号，来控制该开启时间。该修正电路使得该开启时间、该放电时间、该补偿信号、与该修正信号符合一预设关系。

在一实施例中，该预设关系可能可以使得该功因修正电源转换器操作于非连续导通模式时，就算该功率开关的一关闭时间远大于该放电时间，也可以使该电感的一平均电流，大约正比于该输入线电源的一线电压信号，具有相当好的功因。

图1为依据本实用新型所实施的功因修正电源转换器100。功因修正电源转换器100为一升压电路，包含有桥式整流器102、由主绕组LP与辅助绕组LA构成的一变压器、功率开关104、电流检测电阻106、电源控制器108、电阻RA、RB、RC、RD、RE、输出电容CO、CVCC、补偿电容CCOM、以及整流器D01、D02，彼此的连接关系如同图1所示。功因修正电源转换器100提供输出电源VOUT，具有输出电压V_OUT。

桥式整流器102全波整流交流市电V_AC，提供线电源线LIN与接地线GND。接地线GND的电压视为0V，而线电源线LIN上有线电压信号V_LIN。

主绕组LP、功率开关104、与电流检测电阻106串联于线电源线LIN与接地线GND之间。电源控制器108控制功率开关104，藉以控制流经主绕组LP的电感电流I_LIN。电流检测电阻106提供电流检测信号V_CS给电源控制器108。当功率开关104开启，呈现一短路时，电流检测信号V_CS可以代表电感电流I_LIN。

图2显示图1中的一些信号波形，由上而下，分别有电源控制器108控制功率开关104的驱动信号S_DRV、电流检测信号V_CS、电感电流I_LIN、以及辅助绕组LA上的端电压V_AUX。

电源控制器108以驱动信号S_DRV，周期性的开启与关闭控制功率开关104。当功率开关104为一短路时，为开启时间TON；当功率开关104为一开路时，为关闭时间TOFF。一个开关周期TCYC由一开启时间TON与一关闭时间TOFF所构成。

在开启时间TON内，主绕组LP储能，电感电流I_LIN与电流检测信号V_CS都随着时间而增加。在关闭时间TOFF内，因为功率开关104为一开路，所以电流检测信号V_CS大约维持在0V。在关闭时间TOFF内，电感电流I_LIN随着时间而减少，直到主绕组LP完全释放能量，电感电流I_LIN大约为0A。主绕组LP释放能量的时间，也就是从开启时间TON结束，到电感电流I_LN为0A的时间，称为主绕组LP的放电时间TDIS。

在开启时间TON内，端电压V_AUX大约为一固定的负值，反射线电压信号V_LIN。在放电时间TDIS，端电压V_AUX大约为一固定的正值，如同图2的平台PLAT所示，反射输出电压V_OUT与线电压信号V_LIN之间的差值。在放电时间TDIS之后，端电压V_AUX震荡，直到下个开启时间TON开始，如同图2所示。端电压V_AUX震荡制造出信号波谷VL₁、VL₂，如同图2所举例。

图3显示图1的电源控制器108，包含有补偿电路162、修正电路164、乘法器168、关闭时间控制器166、开启时间控制器172、以及SR触发器170。

补偿电路162比较输出电压V_OUT与一预设的目标电压，来提供补偿信号V_COMP。举例来说，补偿电路162具有一跨导器(transconductor)，比较在反馈端FB上的反馈电压V_FB与2.5V，来决定对补偿电容CCOM充电或是放电，具以产生补偿信号V_COMP。举例来说，当输出电源VOUT所供电的一负载为重载时，补偿信号V_COMP会比负载为轻载时，来的高。因为反馈电压V_FB是依据输出电压V_OUT经由电阻RA与RB的分压而产生，所以补偿电路162等同比较了输出电压V_OUT与一预设的目标电压。

修正电路164接收驱动信号S_DRV、放电信号S_DIS、以及补偿信号V_COMP，来产生修正信号V_COMP-A。修正电路164可以从驱动信号S_DRV得知开启时间TON，从放电信号S_DIS得知放电时间TDIS。修正电路164使得补偿信号V_COMP、修正信号V_COMP-A、开启时间TON、以及放电时间TDIS符合一预设关系。在一实施例中，这个关系为以下公式(I)。

V_COMP-A＝KA*V_COMP*T_CYC/(T_ON+T_DIS)…(I)

其中，KA为一常数，而T_ON、T_DIS与T_CYC分别为开启时间TON、放电时间T_DIS与开关周期TCYC的长度。稍后进一步说明，公式(I)可以使得功因修正电源转换器100，操作于非连续导通模式时，可以有相当不错的功因。

乘法器168将修正信号V_COMP-A与输入信号V_MULT相乘，产生乘积信号V_LIMIT。输入信号V_MULT是依据线电压信号V_LIN经由电阻RC与RD的分压而产生，所以乘法器168等同乘积线电压信号V_LIN与修正信号V_COMP-A，来产生乘积信号V_LIMIT。举例来说，以下公式(II)显示乘积信号V_LIMIT、修正信号V_COMP-A、与线电压信号V_LIN的关系。

V_LIMIT＝Km*V_MULT*V_COMP-A

＝KM*V_LIN*V_COMP-A…(II).

其中，Km与KM为两个固定的常数。公式(II)中的修正信号V_COMP-A以公式(I)来取代，可以得到以下公式(III)

V_LIMIT＝KO*V_LIN*V_COMP*T_CYC/(T_ON+T_DIS)…(III)。

KO为相关于常数KM与KA的另一个常数。

开启时间控制器172决恒定开启时间TON的长度T_ON。举例来说，开启时间控制器172可以是一个比较器，比较乘积信号V_LIMIT与电流检测信号V_CS。在电流检测信号V_CS高过乘积信号V_LIMIT时，通过SR触发器170，使驱动信号S_DRV为逻辑上的”0”，关闭了功率开关104，结束开启时间TON。开启时间控制器172使得电流检测信号V_CS的峰值V_PEAK大约等于乘积信号V_LIMIT。在图2中，峰值V_PEAK大约等于I_PEAK*R₁₀₆，其中I_PEAK为电感电流I_LN的峰值，R₁₀₆为电流检测电阻106的电阻值。

关闭时间控制器166决定关闭时间TOFF的长度T_OFF。举例来说，关闭时间控制器166通过零电流检测端ZCD，检测辅助绕组LA上的端电压V_AUX。请参考图2与图3，关闭时间控制器166可以检测端电压V_AUX是否从平台PLAT开始掉落，来判断放电时间TDIS是否结束，具以产生放电信号S_DIS。关闭时间控制器166可以检测端电压V_AUX是否掉落交越0V，来判别是否端电压V_AUX的一信号波谷即将出现，据以结束关闭时间TOFF。举例来说，关闭时间控制器166依据补偿信号V_COMP，提供一遮蔽时间TBLNK，并在遮蔽时间TBLNK之后，大约在电压V_AUX的第一个信号波谷出现时，通过SR触发器170，使驱动信号S_DRV为逻辑上的“1”，开启了功率开关104，结束关闭时间TOFF。补偿信号V_COMP越低，负载越轻，遮蔽时间TBLNK越长。所以，关闭时间控制器166可以使得功率开关104开启于电压V_AUX的第一个信号波谷出现时，提供波谷切换。如果功率开关104大约开启于电压在放电时间TDIS后的第一个信号波谷发生时，这种操作模式称为临界模式(boundary mode，BM)，为非连续模式(Discontinuous mode，DCM)的特例。关闭时间控制器166等于依据补偿信号V_COMP，控制了开关周期TCYC的长度，决定开关频率。

图4显示修正电路164，包含有电压电流转换器182、184、开关186、电容188、与更新电路190，可以实现公式(I)中，补偿信号V_COMP、修正信号V_COMP-A、开启时间TON、以及放电时间TDIS彼此之间的预设关系。电压电流转换器182依据补偿信号V_COMP，产生电流I_SR。电流I_SR大约等于K1*V_COMP，而K1为一常数。电流I_SR固定对电容188充电，使得电容电压V_CAP增加。类似的，电压电流转换器184依据修正信号V_COMP-A，产生电流I_DR，大约等于K2*V_COMP-A，而K2为一常数。开关186通过逻辑电路192，受控于驱动信号S_DRV与放电信号S_DIS，只有在开启时间TON与放电时间TDIS为开启。所以，电流I_DR只有在开启时间TON与放电时间TDIS，对电容188放电，使得电容电压V_CAP下降。更新电路190依据电容电压V_CAP来调整修正信号V_COMP-A。举例来说，更新电路190为一开关电容电路，对电容电压V_CAP采样，以采样结果来调整修正信号V_COMP-A。在修正电路164达到平衡时，每次开关周期TCYC的开始与结束时，电容电压V_CAP具有大约相同的值。换句话说，在开关周期TCYC内，对于电容188的充电量，应该要等于放电量，可以得到以下公式(IV)，

I_SR*T_CYC＝I_DR*(T_ON+T_DIS)…(IV)。

将公式(VI)中的电流I_SR与I_DR以补偿信号V_COMP与修正信号V_COMP-A取代，并重新整理后，可以得到以下公式(V)，

V_COMP-A＝(K1/K2)*V_COMP*T_CYC/(T_ON+T_DIS)…(V)。

公式(I)中的常数KA可以等于公式(V)中的K1/K2。因此，图4的修正电路164可以实现公式(I)中，补偿信号V_COMP、修正信号V_COMP-A、开启时间TON、以及放电时间TDIS彼此之间的预设关系。

功因修正电源转换器100在操作于DCM时，可以具有非常好的功因，使得电感电流I_LIN的平均电流值I_LIN-AVG大约与线电压信号V_LIN为一比例关系。请参阅图2，平均电流值I_LIN-AVG跟电感电流I_LIN的峰值I_PEAK彼此的关系，可以产生以下公式(VI)。

I_LIN-AVG＝0.5*I_PEAK*(T_ON+T_DIS)/T_CYC

＝0.5*V_PEAK/R₁₀₆*(T_ON+T_DIS)/T_CYC…(VI)

如同先前所述的，峰值V_PEAK大约等于乘积信号V_LIMIT，而乘积信号V_LIMIT可以用公式(III)替代。

I_LIN-AVG＝0.5*(KO*V_LIN*V_COMP*T_CYC/(T_ON+T_DIS))/R₁₀₆*(T_ON+T_DIS)/T_CYC

＝0.5*KO*V_LIN*V_COMP/R₁₀₆

＝KT*V_COMP*V_LIN…(VII)

其中，KT为相关常数KO与电阻值R₁₀₆的一个常数。从公式(VII)可见，电感电流I_LIN的平均电流值I_LIN-AVG大约与线电压信号V_LIN为一比例关系，而这个比例关系由补偿信号V_COMP所控制。因此，功因修正电源转换器100在操作于DCM时，可以具有非常好的功因。

当负载为轻载或是无载时，遮蔽时间TBLNK可能使得功因修正电源转换器100操作于DCM，具有非常低的操作频率，降低开关损失，增加转换效率。而且，就算是放电时间TDIS短于关闭时间TOFF，功因修正电源转换器100的功因也可以非常的良好。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，凡依本实用新型权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种电源控制器，适用于功因修正电源转换器，其包含有功率开关以及电感，用以提供输出电源，具有输出电压，其特征在于，该电源控制器包含有：

补偿电路，比较该输出电压以及目标电压，提供补偿信号；

修正电路，依据该功率开关的开启时间以及该补偿信号，产生修正信号，使得该开启时间、该补偿信号、与该修正信号符合预设关系；以及

开启时间控制器，依据该修正信号，来控制该开启时间。

2.如权利要求1所述的电源控制器，其特征在于，该修正电路依据该开启时间、该补偿信号以及该电感的放电时间，提供该修正信号，以及该预设关系关联于该开启时间、该补偿信号、该放电时间、该开启时间与该功率开关的开关周期。

3.如权利要求1所述的电源控制器，其特征在于，该修正电路包含有：

电容；

第一电压电流转换器，转换该补偿信号为第一电流，以使该电容的电容电压朝第一方向变动；

第二电压电流转换器，转换该修正信号为第二电流，以使该电容电压朝第二方向变动，其中，该第二方向相反于该第一方向；以及

更新电路，依据该电容电压，调整该修正信号。

4.如权利要求1所述的电源控制器，其特征在于，该开启时间控制器包含有：

乘法器，依据该修正信号与线电压信号，产生乘积信号；以及

比较器，比较该乘积信号与电流检测信号，来控制该开启时间；

其中，该电流检测信号代表流经该电感的电感电流。

5.如权利要求1所述的电源控制器，其特征在于，还包含有：

关闭时间控制器，依据该补偿信号，使该功率开关的关闭时间不短于遮蔽时间，该遮蔽时间依据该补偿信号而产生。

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