TWI405066B - 功率因數校正電路及其方法 - Google Patents

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Description

功率因數校正電路及其方法
本發明一般涉及電子學，尤其是涉及形成半導體裝置的方法和結構。
過去，半導體工業利用各種結構和方法來形成功率因數校正電路。功率因數一般被認為是交流電(AC)波形的電壓和電流波形之間的差異的測量標準。電流和電壓波形之間的差異導致供應的AC電力的低效利用。利用功率因數校正電路來更嚴密地調整電流和電壓波形的形狀以便提供較高的效率。在1992年7月28日授權給Roy Alan Hastings的美國專利No.5,134,355、1994年10月25日授權給Barrow等人的專利No.5,359,281、和1996年3月26日授權給Hall等人的專利No.5,502,370中揭露了功率因數校正電路的例子,因此在此併入作為參考。
先前的功率因數控制電路的一個問題是暫態回應時間。為了減少輸出電壓中的紋波，控制迴路的帶寬通常保持很低。控制迴路的帶寬通常比AC輸入電壓的頻率小約十倍且一般限制在約十到十二赫茲(10－12 Hz)。由於低帶寬，先前的功率因數校正電路通常對輸出電壓上的暫態回應較慢。
因此，期望有一種形成具有較寬的迴路帶寬且更快地回應輸出電壓暫態的功率因數校正裝置的方法。
為了說明的簡潔和清楚，圖式中的元件不一定按比例繪製，不同圖中相同的元件符號表示相同的元件。此外，為了描述的簡要而省略了習知的步驟和元件的說明與詳述。如這裏所使用的載流電極表示裝置的一個元件，其承載通過該裝置如MOS電晶體的源極或汲極、或雙極電晶體的集電極或發射極、或二極體的陰極或陽極的電流；控制電極表示裝置的一個元件，其控制通過該裝置如MOS電晶體的閘極或雙極電晶體的基極的電流。雖然這些裝置在這裏被解釋為某個N通道或P通道裝置，但本領域中具有通常知識者應該認識到，依照本發明，互補裝置也是可以的。本領域中具有通常知識者應認識到，這裏使用的詞"在...的期間(during)、在...同時(while)、當...的時候(when)"不是精確的詞語，其意味著在啟始動作發生時立即發生的動作，但在由啟始動作啟始的反應動作之間可能有一些小而合理的延遲，如傳播延遲。
圖1概要地說明了包括功率因數校正電路45的功率因數校正系統10的實施例的一部分。電路45包括取樣及保持(S/H)電路67，其經設置為儲存代表系統10的輸出電壓的回饋信號、並回應於輸出電壓的值的範圍旁路回饋信號的儲存值。系統10在輸入端子11和返回端子12之間接收來自如家用電源的AC電源的AC電壓和電流，並在輸出端子24和輸出公共端子25之間提供輸出電壓。整流器15一般用於將AC電壓進行整流並在電力端子13和公共端子14之間形成經整流的DC電壓。電容器16可用於為端子13和14之間提供的電壓進行濾波。系統10通常包括具有初級電感器18和次級電感器19的變壓器17。電感器18通常連接到電力開關(如功率電晶體26)，其用於控制流經電感器18的電流。電阻器27可連接到電晶體26以便形成電流感應(sense)信號，該信號代表流經電感器18的電流，因而代表到系統10的輸入AC電流。整流器(如二極體21和電容器22)可連接到電感器19以便整流和濾波來自電感器19的電壓並在終端24和25之間形成輸出電壓。可使用一個回饋元件來提供代表端子24和25之間輸出電壓值的回饋信號。在較佳實施例中，回饋元件包括光耦合器30，其具有在端子24和25之間由電阻器連接的光發射器31。耦合器30的光電電晶體32被連接以便為電路45的輸入54提供回饋信號。
電路45在電壓輸入46和電壓返回47之間接收電力。輸入46和返回47通常分別連接到端子13和14。電路45通常包括用於形成切換控制信號的誤差放大器86、脈衝寬度調變(PWM)控制器88和驅動器90，該開關控制信號用於控制電晶體26的開關以便調節輸出電壓值。放大器86通常為跨導放大器，其包括連接到放大器86上的補償元件Z1和Z2，以便提供對放大器86的增益控制並提供對控制迴路的迴路補償。電路45也包括為誤差放大器86提供參考信號的參考產生器61。參考信號包括回饋信號的代表，以便協助放大器86調節輸出電壓。參考產生器61包括取樣及保持(S/H)電路67、數位乘法器64、矩形脈衝形成電路(SQR)60和除法電路或除法器62。S/H電路67包括取樣電路68、零交叉檢測器(ZCD)66和暫態檢測器77。取樣電路68包括緩衝器72、放大器69、以電晶體75實現的第一開關和以電晶體71實現的第二開關。暫態檢測器77包括第一比較器或上暫態比較器79、第二比較器或下暫態比較器80和"或"閘82和65。電路45也可包括連接在輸入46和返回47之間的內部調節器58。調節器58提供在輸出59上用於操作電路45的一些元件如放大器86、PWM控制器88和參考產生器61的內部操作電壓。
電路45經設置為調節輸入AC電流的波形形狀以便嚴密地與輸入AC電壓的波形相配。通過電晶體26的電流代表進入系統10內的輸入AC電流。電路45在電流感應輸入53上接收代表波形和輸入AC電流值的電流感應信號。輸入AC電壓由在輸入49上所接收的AC感應信號和由在輸入48上所接收的DC感應信號表示。DC感應信號是DC信號，其與端子13和14之間接收的AC線電壓值成比例。由電阻器36和37形成的第一電壓除法器形成AC感應信號，而由除電容器40以外還有電阻器38和39形成的第二電壓除法器形成DC感應信號。第一和第二電壓除法器連接在端子13和14之間。
在操作中，誤差放大器86以試圖保持放大器86的兩個輸入相等的方式來控制電晶體26。因為回饋信號包括在放大器86接收的一個信號中，端子24和25之間的輸出電壓被調節到目標值附近的數值範圍內的一個目標值。例如，目標值為3.0伏特，則範圍可為加或減3.0伏特的百分之五(5%)。因此，目標值可有高值如3.15伏特，和低值如2.85伏特。S/H電路67儲存在儲存元件或電容器34上的回饋信號值，並在輸入AC電壓的零交叉處取樣回饋信號的儲存值。零交叉檢測器(ZCD)66監控輸入49上的輸入AC感應信號並在ZCD 66的輸出上為輸入AC電壓的每一零交叉提供零交叉檢測信號。檢測信號啟動電晶體71，電晶體71在節點70將回饋信號的儲存值耦合到S/H電路67的輸出。來自節點70的回饋信號的儲存值經由參考產生器61被處理，並被包括在放大器86的非反向輸入上所接收的信號中。放大器86憑藉來自輸入53的電流感應信號試圖使回饋信號的此處理值相配於輸入AC電流的波形和值。乘法器64在節點70接收來自S/H電路67的輸出的信號，並將該信號與AC感應信號的值相乘。矩形脈衝形成電路(SQR)60接收DC感應信號的值，並將該DC感應信號平方以形成方波信號。除法器62將乘法器64的輸出除以來自SQR 60的方波信號以形成應用於放大器86的非反向輸入的參考信號。如放大器86、PWM控制器88、乘法器64、除法器62和SQR 60的電路對本領域中具有通常知識者來講是習知的。來自除法器62的參考信號由下列等式表示：Vref＝(Vfb*Vin1)/(Vin2)2 其中Vref＝來自產生器61的參考信號，Vfb＝輸入54上回饋信號的值，Vin1＝輸入49上信號的值，以及Vin2=輸入48上信號的值。
如果輸出電壓中有暫態，例如輸出電壓快速地變化，則經由參考產生器61和誤差放大器86的控制迴路的帶寬通常太低而不能提供對輸出電壓中變化的快速回應。因此，S/H電路67包括暫態檢測器77，其使輸入54上回饋信號的值前饋到節點70以旁路取樣電路68。如果輸出電壓的值增加到大於上限的值，則回饋信號增加到第一值並迫使比較器79的輸出為高，該第一值大於來自參考78的第一參考信號的值。來自比較器79的高可經由"或"閘65使電晶體71截止，以忽略來自ZCD 66的檢測信號並啟動電晶體75，其將回饋信號直接連接到節點70和乘法器64。如果輸出電壓的值減少到小於下限的值，則回饋信號的值減少至來自參考78的第二參考信號的第二值並迫使比較器80的輸出為高。來自比較器80的高也阻滯了檢測信號，並啟動電晶體75以將回饋信號直接連接到節點70和乘法器64。因此，暫態檢測器77將來自輸出電壓的暫態資訊直接耦合到乘法器64和放大器86，該輸出電壓由回饋信號表示。這允許放大器86快速地回應暫態情況並調節輸出電壓的值以補償暫態現象。上限通常大於輸出電壓的目標範圍的高值而下限通常小於目標範圍的低值。回饋信號保持與節點70連接，直到輸出電壓的值減少到上限之下以使比較器79低，或增加到超過下限以使比較器80低。將包含在回饋信號中的暫態資訊快速耦合到放大器86，以便於使用S/H 67的取樣週期，其低於來自輸入AC電壓的一百二十(120)赫茲紋波，從而 允許迴路帶寬較高，例如大於20赫茲。可認為迴路帶寬至少二十(20)赫茲且可高達三十(30)赫茲。而且，對AC感應信號要求較少的濾波，因而改善了線暫態回應。
為了協助實現電路45的這個功能，輸入48與SQR 60的輸入連接，而SQR 60的輸出與除法器62的第一輸入連接。輸入49通常與乘法器64的第一輸入和ZCD 66的一個輸入連接。乘法器64的輸出連接到除法器62的第二輸入。除法器62的輸出經由阻抗Z1與放大器86的非反向輸入連接，並經由阻抗Z2也與放大器86的輸出連接。放大器86的反向輸入與輸入53和控制器88的第一輸入連接。控制器88的第二輸入連接到放大器86的輸出。控制器88的輸出與驅動器90的第一輸入連接，而驅動器90的輸出與電路45的輸出52連接。乘法器64的第二輸入連接到節點70。ZCD 66的輸出及閘65的第一輸入連接，而閘極65的輸出與電晶體71的閘極連接。電晶體71的汲極與節點70連接，而源極通常與放大器69的輸出和放大器69的反向輸入連接。放大器69的非反向輸入通常連接到輸入55和緩衝器72的輸出。輸入55經設置為連接到電容器34的第一端子，而電容器34的第二端子與電路45的返回47連接。緩衝器72的輸入通常與輸入54、電晶體75的源極、電阻器73的第一端子、比較器79的非反向輸入和比較器80的反向輸入連接。電阻器73的第二端子被連接以接收例如在調節器58的輸出59上的內部操作電壓。比較器79的非反向輸入連接到參考78的第一輸出。比較器79的輸出與"或"閘82的第一輸入連接。比較器80的非 反向輸入連接到參考78的第二輸出。比較器80的輸出與"或"閘82的第二輸入連接。"或"閘82的輸出通常與電晶體75的閘極和閘極65的第二輸入連接。
圖2概要地說明了在半導體晶粒96上形成的半導體裝置或積體電路95的實施例的一部分的放大平面圖。電路45在晶粒96上形成。晶粒96也可包括其他在圖2中為製圖簡單而沒有示出的電路。電路45和裝置或積體電路95藉由半導體製造技術在晶粒96上形成，這些技術對技術領域的人員來講是習知的。
鑒於上述內容，顯然揭露了一種新的裝置和方法。除了其他特徵，還包括設置功率因數校正電路來使用回饋信號的儲存值以協助調節輸出電壓值，並且在輸出電壓增加到上限或減少到下限時旁路取樣及保持電路。
雖然本發明的主題是用特定的較佳實施例來描述的，但顯然對半導體領域中具有通常知識者來說，許多替代和變化也是顯而易見的。本領域中具有通常知識者應認識到，元件相互連接的順序可以互換，只要轉移函數實現了等式Vref=(Vfb*Vin1)/(Vin2)2 。此外，為描述清楚而始終使用"連接"這個詞，但是，詞"耦合"被認為具有相同的含義。因此，"連接"應解釋為既包括直接連接也包括間接連接。
10．．．功率因數校正系統
11．．．輸入端子
12．．．返回端子
13．．．電力端子
14．．．公共端子
15．．．整流器
16．．．電容器
17．．．具有初級電感器18和次級電感器19的變壓器
18．．．初級電感器
19．．．次級電感器
21．．．二極體
22．．．電容器
24．．．輸出端子
25．．．輸出公共端子
26．．．功率電晶體
27．．．電阻器
30．．．光耦合器
31．．．光發射器
32．．．光電電晶體
34．．．電容器
36．．．電阻器
37．．．電阻器
38‧‧‧電阻器
39‧‧‧電阻器
40‧‧‧電容器
45‧‧‧功率因數校正電路
46‧‧‧電壓輸入
47‧‧‧電壓返回
48‧‧‧輸入
49‧‧‧輸入
52‧‧‧輸出
53‧‧‧電流感應輸入
54‧‧‧電路45的輸入
55‧‧‧輸入
58‧‧‧內部調節器
59‧‧‧輸出
60‧‧‧矩形脈衝形成電路(SQR)
61‧‧‧參考產生器
62‧‧‧除法電路或除法器
64‧‧‧數位乘法器
65‧‧‧"或"閘
66‧‧‧零交叉檢測器(ZCD)
67‧‧‧取樣及保持(S/H)電路
68‧‧‧取樣電路
69‧‧‧放大器
70‧‧‧節點
71．．．電晶體
72．．．緩衝器
73．．．電阻器
75．．．電晶體
77．．．暫態檢測器
78．．．參考
79．．．第一比較器或上暫態比較器
80．．．第二比較器或下暫態比較器
82．．．"或"閘
86．．．切換控制信號的誤差放大器
88．．．脈衝寬度調變(PWM)控制器
90．．．驅動器
95．．．半導體裝置或積體電路
96．．．半導體晶粒
圖1概要地說明了根據本發明的具有功率因數校正電路的功率因數校正系統的一部分的實施例；以及圖2概要地說明了根據本發明的包括圖1所示功率因數校正電路的半導體裝置的放大平面圖。
10．．．功率因數校正系統
11．．．輸入端子
12．．．返回端子
13．．．電力端子
14．．．公共端子
15．．．整流器
16．．．電容器
17．．．具有初級電感器18和次級電感器19的變壓器
18．．．初級電感器
19．．．次級電感器
21．．．二極體
22．．．電容器
24．．．輸出端子
25．．．輸出公共端子
26．．．功率電晶體
27．．．電阻器
30．．．光耦合器
31．．．光發射器
32．．．光電電晶體
34．．．電容器
36．．．電阻器
37‧‧‧電阻器
38‧‧‧電阻器
39‧‧‧電阻器
40‧‧‧電容器
45‧‧‧功率因數校正電路
46‧‧‧電壓輸入
47‧‧‧電壓返回
48‧‧‧輸入
49‧‧‧輸入
52‧‧‧輸出
53‧‧‧電流感應輸入
54‧‧‧電路45的輸入
55‧‧‧輸入
58‧‧‧內部調節器
59‧‧‧輸出
60‧‧‧矩形脈衝形成電路(SQR)
61‧‧‧參考產生器
62‧‧‧除法電路或除法器
64‧‧‧數位乘法器
65‧‧‧"或"閘
66‧‧‧零交叉檢測器(ZCD)
67‧‧‧取樣及保持(S/H)電路
68‧‧‧取樣電路
69‧‧‧放大器
70．．．節點
71．．．電晶體
72．．．緩衝器
73．．．電阻器
75．．．電晶體
77．．．暫態檢測器
78．．．參考
79．．．第一比較器或上暫態比較器
80．．．第二比較器或下暫態比較器
82．．．"或"閘
86．．．切換控制信號的誤差放大器
88．．．脈衝寬度調變(PWM)控制器
90．．．驅動器

Claims (20)

  1. 一種功率因數校正電路，包括：一輸入，其經設置為接收一第一交流(AC)感應信號；一零交叉檢測器，其經設置為接收該第一交流感應信號並產生一檢測信號，該檢測信號表示一輸入交流電壓信號的一零交叉；一切換輸出，其經設置為控制一電力開關以將一輸出電壓調節到在一數值範圍內的一目標值，該數值範圍包括大於該目標值的一第一值和小於該目標值的一第二值；一取樣及保持電路，其經設置為接收代表該輸出電壓的一回饋信號、將該回饋信號的值儲存在一儲存元件上、回應該檢測信號而將該回饋信號的一儲存值與該取樣及保持電路的輸出耦合、以及回應該回饋信號增加到大於該第一值的一第三值或減少到小於該第二值的一第四值而將該回饋信號與該取樣及保持電路的該輸出耦合；以及一誤差放大器，其經設置為從該取樣及保持電路的該輸出接收包括一第二信號的一第一信號並回應地提供一誤差信號。
  2. 如請求項1所述的功率因數校正電路，進一步包括一乘法器電路，該乘法器電路係經耦合以使該取樣及保持電路的該輸出和該第一交流感應信號相乘，其中，由該誤差放大器所接收的該第一信號包括該乘法器電路的一輸 出信號。
  3. 如請求項2所述的功率因數校正電路，進一步包括一矩形脈衝形成電路，該矩形脈衝形成電路係經耦合以接收一直流(DC)信號並在數學地上為該直流信號求平方以形成一方波信號。
  4. 如請求項3所述的功率因數校正電路，進一步包括一除法器電路，該除法器電路係經耦合以接收該方波信號並將該乘法器電路的該輸出信號除以該方波信號，其中，由該誤差放大器接收的該第一信號包括該除法器電路的一輸出信號。
  5. 如請求項1所述的功率因數校正電路，其中，該取樣及保持電路包括一第一比較器，該第一比較器經設置為檢測增加到該第三值的該回饋信號。
  6. 如請求項5所述的功率因數校正電路，其中，該取樣及保持電路包括一第二比較器，該第二比較器經設置為檢測減少到該第四值的該回饋信號。
  7. 如請求項6所述的功率因數校正電路，其中，回應該第一或第二比較器的任一個的一輸出，該取樣及保持電路將該回饋信號與該取樣及保持電路的該輸出耦合。
  8. 如請求項6所述的功率因數校正電路，其中，該取樣及保持電路包括一"或"閘，該"或"閘係經耦合以接收該第一比較器的一輸出和該第二比較器的一輸出，並且也包括一輸出，該輸出係經耦合以控制該取樣及保持電路而將該回饋信號耦合到該取樣及保持電路的該輸出。
  9. 如請求項1所述的功率因數校正電路，其中，該取樣及保持電路包括一第一開關和一第二開關，該第一開關具有被耦合以接收該回饋信號的一第一端子和與該取樣及保持電路的該輸出耦合的一第二端子，該第二開關具有被耦合以從該儲存元件接收該回饋信號的一儲存值的一第一端子和與該取樣及保持電路的該輸出耦合的一第二端子。
  10. 如請求項1所述的功率因數校正電路，其中，該取樣及保持電路包括一放大器，該放大器具有一輸入，該輸入與一儲存元件耦合以接收該回饋信號的該儲存值。
  11. 一種形成一功率因數電路的方法，包括：設置該功率因數電路的一切換部分以形成一控制信號來將一輸出電壓值控制在具有一上限值和一下限值的一數值範圍內；設置該功率因數電路的一取樣及保持電路以取樣一回饋信號的一值，其中該回饋信號代表該輸出電壓的一值；以及設置該功率因數電路以旁路該取樣及保持電路，並回應該輸出電壓不小於該上限值或不大於該下限值而將該回饋信號與該取樣及保持電路的一輸出耦合。
  12. 如請求項11所述的方法，其中，設置該功率因數電路的該取樣及保持電路以取樣該回饋信號的值的步驟包括回應由該功率因數電路所接收的一交流輸入信號的一零交叉而設置該取樣及保持電路以取樣該回饋信號的值。
  13. 如請求項12所述的方法，其中，回應該零交叉而設置該取樣及保持電路以取樣該回饋信號的值的步驟包括回應該交流輸入信號的該零交叉而設置該取樣及保持電路以儲存該回饋信號的一值並取樣該回饋信號的一儲存值。
  14. 如請求項11所述的方法，進一步包括設置一誤差放大器來耦合以在該取樣及保持電路的一輸出上接收包括一第二信號的一第一信號。
  15. 如請求項11所述的方法，進一步包括耦合一乘法器以在該取樣及保持電路的該輸出上接收一信號並將該信號與由該功率因數電路所接收的一第一交流輸入信號相乘。
  16. 如請求項15所述的方法，進一步包括耦合一矩形脈衝形成電路以將一直流輸入信號進行平方。
  17. 如請求項16所述的方法，進一步包括耦合一除法電路以將該乘法器的一輸出除以該矩形脈衝形成電路的一輸出。
  18. 如請求項17所述的方法，進一步包括耦合一誤差放大器以接收該除法電路的一輸出並回應性地形成一誤差信號。
  19. 如請求項11所述的方法，進一步包括耦合一第一比較器以比較該回饋信號和一第一參考信號，並形成一第一控制信號而使該功率因數電路將該回饋信號與該取樣及保持電路的輸出耦合。
  20. 一種形成一功率因數電路的方法，包括：設置該功率因數電路的一切換部分以形成一控制信號 來將一輸出電壓值控制在具有一上限值和一下限值的一數值範圍內；設置該功率因數電路的一取樣及保持電路以取樣一回饋信號的一值，其中該回饋信號代表該輸出電壓的一值；設置該功率因數電路以旁路該取樣及保持電路，並回應該輸出電壓不小於該上限值或不大於該下限值而將該回饋信號與該取樣及保持電路的一輸出耦合；耦合一第一比較器以比較該回饋信號和一第一參考信號，並形成一第一控制信號而使該功率因數電路將該回饋信號與該取樣及保持電路的輸出耦合；及耦合一第二比較器以比較該回饋信號和一第二參考信號，並形成一第二控制信號而使該功率因數電路將該回饋信號與該取樣及保持電路的該輸出耦合。
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