TW201403287A - Ｌｅｄ電源驅動功率因素修正器以初級側回授降低電流失真同時控制輸出電流之控制方法與裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種LED電源驅動之功率因素修正器(Power factor Corrector,PFC)降低輸入電流諧波失真與輸出電流控制之控制方法與裝置。此發明可以應用於多種電源架構FLYBACK/BOOST/SEPIC等，以平均電流模式在控制中加入一乘法器電路可以精確的控制PFC之輸入電流大小以控制穩定的輸入功率之觀念，採用一次側功率控制，因為連續電流模式(CCM)輸出與輸入電流漣波約為CRM模式之1/2大小，所以降低輸入EMI電容值，提高輸出電容之壽命，採用功率之控制方式提高了信號雜訊比，因此有高功因更低的電流諧波失真。隔離式LED電源驅動中，不需要在二次側加入定電壓與定電流電路，利用輔助繞組產生之電壓來偵測輸出電壓。經電壓緩衝器之輸出回授電壓(Vfb)值，加入乘法器中之功率命令B進而影響PFC的電流命令，使得交流之輸入電流變小，造成LED之輸入電流也變小。

Description

LED電源驅動之功率因素修正器降低電流失真與輸出電流之控制方法與裝置
本發明係有關於一種功率因素修正器之構造，用於LED驅動可以在低功率下可以有極高功因與極低電流諧波失真，特別是以平均電模式控制中以乘法器電路進行一次側定功率控制達成全電壓輸入有穩定的輸出電流進而來降低輸入電流諧波失真同時以輸出反射電壓之大小來控制乘法器輸出進而控制輸出電流之控制方法與裝置。
由於切換式電源供應器可以提供可靠且穩定的電源，所以常常應用於工業界。例如：金融系統運作(ATM)、通訊網路系統、醫療服務系統、各類家電用品、一般電腦以及液晶設備等，但是此種電源供應器會產生諧波污染與雜訊干擾，尤其輸出功率越大對其他設備的影響也越大。所以在電源供應器之輸入部分是相當重要的一環。由於傳統PFC主要注重功率因素之修正，對於因控制所造成的電流諧波失真只要能符合法規之要求即可，近年來LED照明在節能越來越重要，由於法規尚未對LED照明有所規範，因此目前許多的LED電源驅動器，對功因不很注重，大部分都能達到0.9~0.95，但是對電流諧波失真完全沒有要求，市面上90%以上的產品ATHD都高達25%以上，連傳統要求15%以下都無法做到，主要的原因是有三部分成本與電源之架構以及LED的功率小有關，由於傳統的LED電源驅動器大多是採用定電流輸出之控制，由於在不同輸入是市電壓下，PWM之週期會有很大差異，造成輸出電流會受連波影響而有變化，一般而言大約會有5%~10%的變動，如果採用DCM或CRM的控制方式，由於輸入與輸出在切換週期內之電流都是三角形，相對的電流漣波也最大。因為DCM/CRM電流大EMI濾波器電容相對要大，所以功因值與電流諧波都 會變差，因此對於傳統的方式在成本的要求下加上LED功率小對於節能上要減少對市電的干擾與提高市電的用電效益已捉襟見肘，同時因為改善電流THD也將影響成本，所以要成本低THD好PF值高的LED POWER DRIVER要求會更高更難設計。
在歐、美、日等國家都有相關之法規來限制電子設備的諧波量，例如國際電子技術委員會(International Electro-technical Commission，IEC)所公佈的IEC 61000-3-2標準法規。使用主動功率因數修正技術(Power Factor Correction，PFC)是一個解決的方法，PFC轉換器實際是以串接的方式與DC/DC converter組合在一起。目前業界常用有兩種PFC，一種為CRM PFC(CRM為邊界操作模式)，另一種為CCM PFC(CCM為連續導通操作模式)，雖然此兩種方法皆可以完成PFC的操作功能。在LED電源驅動上採用單級設計如FLYBACK或SEPIC等，但是為了避免輸入電流失真，都將二次側定電流迴路的頻寬設計的很小，此方法將造成系統對LED輸入電流會有衝擊電流，一般而言LED的耐衝擊電流很低。如果為了加快電流回路的速度，這樣會使得輸入電流的波形嚴重失真。所以兩者無法兼顧。以下將介紹目前PFC相闗控制器所使用之習知技術。
第1圖與第2圖為習知技術之臨界模式CRM PFC與控制器，第3圖為反馳式臨界模式的電流波形。從控制方塊圖可以清楚的了解，CRM PFC電路主要有內回授迴路與外回授迴路兩個。內迴路是電流控制迴路(右邊虛線)，主要的控制命令是由整流後的前饋順向迴路的線電壓MULT所決定，因此可以使轉換器的輸入阻抗呈現電阻性。但是因為CRM/DCM應用於反馳式的取樣之電流波形並非市電的輸入電流一樣，第3圖之電流波形之峰值，當經過EMI濾波器濾波後，便產生嚴重的電流諧波失真，那是因為峰值電流被濾波後，第3圖之平均 值是不同於正弦波的，此為CRM/DCM的電流迴路之取樣方式是錯誤的。
外迴路是電壓控制迴路(右邊虛線)，主要是依照IC內部參考命令2.5V與輸出端的分壓值INV比較，將比較的結果來調節輸出電壓。由於輸出電壓包含兩倍的市電頻率的漣波成分，此一漣波電壓會經由IC內部的誤差放大器接回乘法器電路的輸入端COMP，將造成輸入電流的二與三次諧波失真。因此為了避免輸入電流失真，傳統方法是將電壓迴路的頻寬設計在大約是線頻的1/10附近，此方法將造成系統對負載變動的暫態響應變慢。
上述之CRM PFC的工作方式，都受限其控制方式的限制，因此為了抑制輸入電流的諧波失真，必須犧牲暫態響應的速度。這樣的控制方式應用在LED電源驅動上更加困難，主要原因是LED電源大多在30W以下之應用，當應用的功率越小PF值與電流諧波失真就越難控制，尤其是LED大多使用單級反馳式，由於EMI主要是EN55015的法規要求由9kHz至30MHz都有規定，反馳式的漣波電流大，通常使用較大的EMI電容來符合法規的要求，因此造成PF值與ATHD更差，同時在二次側採用定電流迴路，為了PF值與ATHD將電流迴路的頻寬設計的很小，此方法將造成系統對LED會有衝擊電流，一般而言LED的耐衝擊電流很低。如果為了加快電流回路的速度，這樣會使得輸入電流的波形嚴重失真，在加上控制使用DCM/CRM的方式，會造成PF值與ATHD與輸出定電流更難處理，所以提高暫態響應並且降低輸入電流諧波，在不增加成本的條件下是非常難的。
因此本發明乃針對先前技術之缺點，提出一種簡單且設計合理，不影響原控制方法的穩定，且有效改善上述缺失之控制方法及裝置。
本發明之目的在提供一種LED電源驅動器之功率因素修正器以採用平均電流模式控制進行一次側功率控制具有提高功率因素減少輸入電流諧波失真，降低輸入電流諧波同時又能穩定LED電壓變化時電流大小之特性。
本發明之次一目的在提供一種適合於任何架構(例如：昇壓式架構、返馳式之架構、SEPIC架構)皆可使用之控制方式，能依據LED電壓來穩定LED電流，同時不需在二次測加定電壓與定電流控制電路，在全電壓範圍輸入下輸出電流為定值。
為達成上述目的及其他目的，改進業界常用的兩種CCM(Continue Conduction mode,CCM)/CRM(Critical mode,CRM)PFC之控制方法之特性，本發明採用平均電流模式藉由內部之乘法器來進行一次側功率之輸入電流控制，乘法器共有三個輸入，利用其中B輸入為電壓迴授為定值來控制其乘法器之Imul的輸出，乘法器之輸入A為Iac電流控制命令，乘法器之輸入C為Vrms前饋電壓命令，此方法具有緩啟動之功能不需要加入緩起電路，因為在啟動的初始乘法器之輸入C之電壓為正常值之1.57倍，因為此輸入在乘法器內會乘平方倍，所以乘法器之輸出Imul會下降至正常的40%，所以啟動時功率會為正常的40%。
由於PFC是以雙迴路來控制，利用電流控制迴路使轉換器的輸入阻抗呈現電阻性，而電壓控制迴路，主要是來調節輸出電壓。本發明PFC在LED電源驅動應用上降低輸入電流諧波同時可以利用第6圖中VCC為LED的順向電壓之反射電壓的改變來改變乘法器的B輸入來改變乘法器之輸出Imul。
本發明之第一觀點在教導一種功率因素修正器之控制裝置，功率因素修正器可以工作在CCM或者是CRM的控制模式下。功率因素修正器電路具有一個電壓迴路緩衝器，其輸出 連至一個乘法器輸入B；乘法器之輸出Imul連至一個電流迴路誤差放大器之正端，乘法器之前饋電壓信號經由分壓處理之後，其輸出連至乘法器輸入端C。乘法器輸出連至一個比較器之負輸入；一個電流檢知訊號經一電阻連至電流迴路誤差放大器之正端；電流迴路誤差放大器之輸出連至一比較器；一個正反器，比較器之輸出連至正反器之R輸入，振盪器或者是零電流檢知器之輸出連至正反器之S輸入；最後正反器輸出為功率因素修正器之開關驅動信號；其特徵在於外部電路的配置：電壓緩衝器在電壓迴路上，輸出連至功率因素控制器的乘法器輸入端B，作為輸出電壓平均值用以控制功率。
本發明之第二觀點在教導一種功率因素修正器之控制裝置利用乘法器，所取得之電壓迴路信號一定值連接至乘法器輸入B，此點有最高鉗位限制，當LED之順向電壓為正常值甚至更高，此電壓迴路為最大限制值，當LED順向電壓比正常值低，此電壓迴路之電壓值則較低，因此乘法器輸入B變低，乘法器輸出Imul也變低，當乘法器的其他輸入都未改變下，PFC的功率輸出由電壓迴路值來決定，因此也控制了輸出功率因而穩定LED電流，不因為採用一次側功率控制下LED電壓變低電流會變大的問題。
本發明之第三觀點在教導一種功率因素修正器之控制裝置，功率因素修正器可以為一個CCM與CRM以及混合型的控制模式控制器。該功率因素修正器電路採用平均電流模式，第四圖取樣電流波形經過一低通RC濾波器會與(市電電流一致)接在電流迴授輸入端與乘法器Imul比較。使該功率因素修正器電路不同於傳統的CRM與DCM的峰值電流取樣，所以能降低電流諧波失真至10%以下。
本發明之第四觀點在教導一種功率因素修正器之控制裝置，利用其中B輸入為電壓迴授為定值來控制其乘法器之Imul 的輸出，乘法器之輸入A為Iac電流控制命令，乘法器之輸入C為Vrms前饋電壓命令，此方法具有緩啟動之功能不需要加入緩起電路，因為在啟動的初始時乘法器之輸入C之電壓為正常值之1.57倍(5圖Vrms)，因為此輸入在乘法器內會乘平方倍，所以乘法器之輸出Imul會下降至正常的40%，所以啟動時功率會為正常的40%開始，進而限制LED的啟動電流，不會有衝擊電流造成LED壽命減少。
本發明之第五觀點在教導一種功率因素修正器之控制裝置，利用乘法器之三個輸入之關係(AXB/C2)之Imul的輸出，乘法器之輸入A為Iac電流控制命令，乘法器之輸入C為Vrms前饋電壓命令，此方法可以在不同輸入電壓電源時，改變Imul命輸出值，進而改變輸入電流使的輸入功率(VinXIin)為固定值，因此可以不需要輸出之電壓與電流迴路降低成本又能達到穩定的電流輸出。
本發明之以上及其他目的及優點參考以下之參照圖示及最佳實施例之說明而更易完全瞭解。
第4圖中電流峰值為在7圖中Rsense的電流波形，經過一RC低通濾波器後為第4圖中平均電流，此電流波形信號會接至電流誤差放大器之一端做為回授信號。
請參考第5圖，第5圖係依據本發明實施例啟動時市電輸入電流時序圖。第5圖中之Vrms會在啟動前達到正常值之1.57倍這是因為Vac經由橋式整流器608之後的電壓開始為全波之峰值波形，啟動後因為市電Vac經由橋式整流器608之後的電壓開始變為全波之波形，第5圖中之Vrms開啟下降至正常值。所以啟動時用Vrms來做緩起動，用以限制啟動功率進而限制了LED的啟動電流，避免了衝擊電流對LED的傷害。
請參考第6圖，第6圖係依據本發明實施例電壓回授緩衝 器與乘法器架構。功率因素修正器之控制裝置利用乘法器，所取得之電壓迴路信號一定值連接至乘法器輸入B，此點有最高鉗位限制，當LED之順向電壓為正常值甚至更高，此電壓迴路為最大限制值，當LED順向電壓比正常值低，此電壓迴路之電壓值則較低，因此乘法器輸入B變低，乘法器輸出Imul也變低，當乘法器的其他輸入都未改變下，PFC的功率輸出由電壓迴路值來決定，因此也控制了輸出功率因而穩定LED電流，不因為採用一次側功率控制下LED電壓變低電流會變大的問題。
如第7圖所示本發明實施例之電路架構。本發明的方式不同於傳統的PFC用於LED驅動的控制方式。在電流迴授之輸入端之電流信號是經過RC濾波後之信號(第4圖之平均值)如同市電之信號波形，使的控制器所要控制的電流會與市電電流一致的進而降低電流諧波。
第8圖顯示本發明之功率因素修正器之控制方法與裝置。市電Vac經由橋式整流器608之後，輸出連至PFC結構電路609，(此結構可以為升壓轉換器或是返馳式轉換器或是SEPIC)。本PFC控制器具有一個電壓緩衝器601，其輸出連至一個乘法器602；乘法器602之輸出連至一個電流迴路誤差放大器603，電流迴路誤差放大器603之輸出連至一個正反器605之輸入；一個脈波產生器604，其輸出亦連至正反器605之輸入；一個及閘606，正反器605之Q輸出連至及閘606之一個輸入；一個反向器607，脈波產生器604之輸出亦連至反向器605之輸入，反向器607之輸出連至及閘606之另一輸入，及閘606之輸出為功率因素修正器之軀動信號。
藉由以上較佳之具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本創作之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實例來對本發明之範疇加以限制。相反的，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範疇內。
601‧‧‧電壓緩衝器
602‧‧‧乘法器
603‧‧‧電流迴路誤差放大器
604‧‧‧脈波產生器
605‧‧‧正反器
606‧‧‧及閘
607‧‧‧反向器
608‧‧‧橋式整流器
609‧‧‧PFC結構電路
第1圖為習知技術電路架構圖。
第2圖為習知技術之臨界模式CRM PFC的控制方塊圖。
第3圖為習知技術之臨界模式電流波形。
第4圖係依據本發明實施例連續電流波形。
第5圖係依據本發明實施例啟動時市電輸入電流時序圖。
第6圖係依據本發明實施例電壓回授緩衝器與乘法器架構。
第7圖係依據本發明實施例之電路架構圖。
第8圖係依據本發明實施例控制器。
601‧‧‧電壓緩衝器
602‧‧‧乘法器
603‧‧‧電流迴路誤差放大器
604‧‧‧脈波產生器
605‧‧‧正反器
606‧‧‧及閘
607‧‧‧反向器
608‧‧‧橋式整流器
609‧‧‧PFC結構電路

Claims (1)

  1. 一種LED驅動功率因素修正器之控制裝置，具有：一個LED驅動功率因素修正器，為一個連續導通模式(Continue Conduction mode,CCM)；該功率因素修正器電路具有一個電壓緩衝器，其輸出連至一個乘法器；該乘法器之輸出連至一個電流迴路誤差放大器，該乘法器輸出連至一個比較器之正輸入；一個電流檢知訊號連至該比較器之負輸入；一個正反器，該電流迴路誤差放大器之輸出連至該正反器之R輸入；一個脈波產生器之輸出連至該正反器之S輸入；該正反器輸出為功率因素修正器之開關驅動信號；其特徵至少包含：外部電路的配置：一組電壓緩衝器位於電壓迴路上，該電壓緩衝器之輸出連至該功率因素控制器的乘法器輸入端，作為輸出電壓平均值，以做為輸出電流控制信號，控制輸出功率來控制輸出電流；一組RC濾波器將電流迴授信號連接到電流誤差放大器，用以控制電流波形。
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