TWI408884B - Power factor correction device - Google Patents

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Description

功率因數修正裝置
本發明係有關於一種功率因數修正裝置，其係尤指一種利用於電流模式(Current Mode)之功率因數修正裝置。
按，隨著科技的進步與經濟的發展，人類對切換式功率轉換器的需求與日俱增。近年來，由於電力電子技術的大幅進步，大部分的電子器材日益趨向輕薄短小化的方向發展，其內部的功率轉換器亦需朝向輕薄短小的趨勢設計，因此，具有體積小、重量輕、效率高等優點的切換式電源轉換器便逐漸取代傳統線性式轉換器，成為功率轉換器的主流。切換式轉換器除了短小輕薄等優點之外，更進一步提升了轉換器效率及品質。
傳統的臨界傳統模式(Critical conduction Mode，CrM)功率因數修正裝置可分為一電壓模式(Voltage Mode)與一電流模式(Current Mode)，前者拓樸架構較為簡單但反應速度慢，後者需要偵測輸入電壓與開關電流所以系統較複雜，且功率因數修正裝置的控制晶片內部需要乘法器，但其反應速度較快也較穩定，近年已較普及。
請參閱第一圖，係為習知技術之功率因數修正電路的電 路圖。如圖所示，功率轉換器1’之整流電路10’為橋式整流電路，係用以整流功率轉換器1’之輸入交流訊號為單方向的電流，即將輸入交流訊號整流為直流訊號，功率轉換器1’之一開關20’為電流開關，用來調整功率轉換器1’之輸入的電流，使其輸入的平均電流正比於輸入電壓，達到提高功率因數的目的。而功率轉換器1’之變壓器12’的功能有二個，第一個功能是當作電感使用，讓開關20’不導通時，繼續有電流流入負載。第二個功能是當作電流偵測器，用來提供一零電流偵測器25’(Zero Current Detector，ZCD)的電流訊號。電感電流IL之波形與開關訊號之波形間的關係如第二圖所示，通常在功率轉換器1’穩定操作後，開關訊號的打開時間(ON time)會固定(如第二圖所述之符號ton)。由第二圖可知，輸入電壓較大時，開關20’打開時間之間的間距越大，峰值電流也越大，因此，平均電流也越大，以達成功率因子修正的效果。
請一併參閱第三圖，係為第一圖之功率因數修正電路的波形圖。如圖所示，功率因數修正電路之一誤差放大器35’會將功率轉換器1’之誤差輸出並使其穩定(取其低頻部分)，其輸出再乘上輸入電壓的分壓A，即為第三圖中之Err(t)。另一方面，當開關20’截止(即一正反器40’之輸出端Q的輸出訊號為低準位)時，電感電流IL會慢慢減少，當電感電流IL為零時，零電流偵測器25’的輸出訊號為高準位，使得正反器40’之輸出端Q的輸出訊號為高準位，而使開關20’導通。因此電感電流IL會再度變大。另一方面，因為開關電 流開始流過感測電阻RSENSE，因此第三圖所示之開關電流訊號M(t)也會開始線性變大。當此訊號與Err(t)相同時，比較器36’的輸出訊號則為高準位，而使正反器40’之輸出訊號重置為低準位，於是截止開關20’。如此週而復始的循環，以完成功率因子的修正。
由於上述之功率因數修正電路為類比式功率因數修正電路，而類比式功率因數修正電路並無法數位化，且類比式功率因數修正裝置所包含之誤差放大器與比較器皆使用類比的作法，這種作法會隨著製程的飄移產生較大的誤差，而有穩定性的問題。
因此，如何針對上述問題而提出一種新穎功率因數修正裝置，其數位化功率因數修正裝置，以可減少電路複雜度與增加系統的穩定性，使可解決上述之問題。
本發明之目的之一，在於提供一種功率因數修正裝置，其可有效數位化功率因數修正裝置，以減少電路的複雜度。
本發明之目的之一，在於提供一種功率因數修正裝置，其藉由一類比數位轉換模組、一迴授電路、一運算電路與一計數電路，以達到數位化功率因數修正裝置，進而增加系統的穩定性。
本發明之功率因數修正裝置耦接一功率轉換器，用以調整功率轉換器之一功率因數，功率因數修正裝置包含一類比數位轉換模組、一迴授電路、一運算電路與一計數電路。類比數位轉換模組分別轉換功率轉換器之一輸出訊號、一感測 訊號與一輸入訊號，而產生一第一數位訊號、一第二數位訊號與一第三數位訊號，一迴授電路耦接類比數位轉換模組，並依據第一數位訊號產生一迴授訊號，運算電路耦接迴授電路，並接收迴授訊號、第二數位訊號與第三數位訊號，運算迴授訊號、第二數位訊號與第三數位訊號而產生一計時訊號，計數電路耦接運算電路，並依據一觸發訊號與計時訊號，而產生一切換訊號，用以切換功率轉換器之一開關。如此，本發明藉由一類比數位轉換模組、一迴授電路、一運算電路與一計數電路，以達到數位化功率因數修正電路，進而增加系統的穩定性，並可有效數位化功率因數修正裝置，以減少電路的複雜度。
習知技術：
1’‧‧‧功率轉換器
10’‧‧‧整流電路
12’‧‧‧變壓器
20’‧‧‧開關
25’‧‧‧零電流偵測器
40’‧‧‧正反器
36’‧‧‧比較器
本發明：
1‧‧‧功率因數修正裝置
10‧‧‧類比數位轉換模組
100‧‧‧第一類比數位轉換單元
102‧‧‧第二類比數位轉換單元
104‧‧‧第三類比數位轉換單元
12‧‧‧迴授電路
120‧‧‧運算單元
122‧‧‧濾波器
14‧‧‧運算電路
140‧‧‧乘法器
142‧‧‧除法器
16‧‧‧計數電路
18‧‧‧取樣保持單元
2‧‧‧功率轉換器
20‧‧‧開關
22‧‧‧變壓器
24‧‧‧第一分壓電路
26‧‧‧第二分壓電路
30‧‧‧偵測電路
第一圖係為習知技術之功率因數修正裝置的電路圖；第二圖係為第一圖之功率轉換器之電感電流與開關關係的波形圖；第三圖係為第一圖之功率因數修正電路的波形圖；第四圖係為本發明之一較佳實施例之電路圖；以及第五圖係為本發明之一較佳實施例之時序圖。
茲為使 貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：請參閱第四圖，係為本發明之一較佳實施例之電路圖。如圖所示，本發明之功率因數修正裝置1係耦接一功率轉換 器2，用以調整功率轉換器之一功率因數，功率因數修正裝置1包含一類比數位轉換模組10、一迴授電路12、一運算電路14與一計數電路16。類比數位轉換模組10係分別轉換功率轉換器2之一輸出訊號VO、一感測訊號M(t)與一輸入訊號Vin，而產生一第一數位訊號C、一第二數位訊號M[n]與一第三數位訊號A，即類比數位轉換模組10包含一第一類比數位轉換單元100、一第二類比數位轉換單元102、一第三類比數位轉換單元104。第一類比數位轉換單元100係耦接功率轉換器2之一輸出端，並轉換輸出訊號VO而產生第一數位訊號C，且將第一數位訊號C傳送至迴授電路12，第二類比數位轉換單元102係耦接功率轉換器2之一感測電阻Rsense，並轉換感測訊號M(t)而產生第二數位訊號M[n]，且第二數位訊號M[n]傳送至運算電路14，第三類比數位轉換單元104係耦接功率轉換器2之一輸入端，並轉換輸入訊號Vin而產生第三數位訊號A，且第三數位訊號A傳送至運算電路14。
接上所述，本發明之迴授電路12係耦接類比數位轉換模組10，並依據第一數位訊號C產生一迴授訊號B，即迴授電路12耦接第一類比數位轉換單元100之輸出端，以接收第一數位訊號C，而產生迴授訊號B，運算電路14耦接迴授電路12，並接收迴授電路12輸出之迴授訊號B，且接收第二數位訊號M[n]與第三數位訊號A，而運算迴授訊號B、第二數位訊號M[n]與第三數位訊號A，以產生一計時訊號ton。計數電路16耦接運算電路14，並依據一觸發訊號與計時訊號ton而產生一切換訊號，以切換功率轉換器2之一開關20。如此，本發明 藉由類比數位轉換模組10、迴授電路12、運算電路14與計數電路16，以達到數位化功率因數修正裝置1，進而增加系統的穩定性，並且可有效數位化功率因數修正裝置1，以減少電路的複雜度。
再者，本發明之運算電路14係相乘第三數位訊號A與迴授訊號B，再除以第二數位訊號M[n]而產生計時訊號ton，即運算電路14係包含一乘法器140與一除法器142。乘法器140係耦接迴授電路12，並相乘第三數位訊號A與迴授訊號B，以產生一運算值ON[n](在數位領域時間單位為n)，除法器142係耦接乘法器140、類比數位轉換模組10與計數電路16，以接收乘法器140輸出之運算值ON[n]與類比數位轉換模組10輸出之第二數位訊號M[n]，接著相除運算值ON[n]與第二數位訊號M[n]，而產生計時訊號ton，並將計時訊號ton傳送至計數電路16。
承上所述，本發明之功率因數修正裝置1更包含一取樣保持單元18。取樣保持單元18係耦接第二類比數位轉換單元102，並依據計數電路16所產生之一取樣訊號而取樣第二數位訊號M[n]，並將取樣後之第二數位訊號M[n]傳送至運算電路14，以進行運算，即計數電路16之一取樣端Sample係會傳送取樣訊號至取樣保持單元18，以控制取樣保持單元18對第二數位訊號M[n]的取樣率。
請復參閱第四圖，本發明之迴授電路12包含一運算單元120與一濾波器122。運算單元120係耦接類比數位轉換模組10之第一類比數位轉換單元100，並依據第一數位訊號C與一 參考訊號Vref，而產生迴授訊號B，於此實施例中，運算單元120可為一減法器，其相減第一數位訊號C與參考訊號Vref而產生迴授訊號B。濾波器122係耦接運算單元120，並過濾運算單元120輸出之迴授訊號B，且傳送過濾後之迴授訊號B至運算電路14。其中，濾波器122為一低通濾波器(Low Pass Filter)，其功能相似於一般功率因數修正裝置的誤差放大器。
此外，本發明之功率因數修正裝置1更包含一偵測電路30與一驅動電路32。偵測電路30係耦接計數電路16與功率轉換器2之一變壓器22之間，並偵測變壓器22之一電感電流IL，而產生觸發訊號，即偵測電路係會偵測功率轉換器2之電感電流IL為零時，則產生觸發訊號。其中，偵測電路30係為一零電流偵測電路(Zero Current Detector，ZCD)。偵測電路32係耦接計數電路16與開關20之間，以放大計數電路16輸出之切換訊號，以切換開關20。
又，本發明之功率轉換器2包含一第一分壓電路24與一第二分壓電路26。第一分壓電路24係耦接功率轉換器2之輸入端，以分壓功率轉換器2之輸入訊號Vin，而產生一第一分壓訊號，並將第一分壓訊號傳送至類比數位轉換模組10之第三類比數位轉換單元104，以供第三類比數位轉換單元轉換第一分壓訊號為第三數位訊號A。第二分壓電路26係耦接功率轉換器2之輸出端，以分壓功率轉換器2之輸出訊號VO，而產生一第二分壓訊號，並將第二分壓訊號傳送至類比數位轉換模組10之第一類比數位轉換單元100，以供第一類比數位 轉換單元100轉換為第一數位訊號C。
基於上述可知，本發明之計數電路16包含一時脈端CLK、一開始端Start、一計時端Count、一控制端En與取樣端Sample。由於運算電路14之乘法器104與除法器142係會計算出開關20之一打開時間(on-time)，而產生計時訊號ton，即計時訊號ton可決定開關20的打開時間。計數電路16之控制端En在還未計數時，計數電路16之控制端En輸出的切換訊號的準位為低準位，所以開關20為截止狀態，當偵測電路30係偵測變壓器22之電感電流IL為零時，偵此電路30係產生觸發訊號並傳送至計數電路16之開始端Start，計數電路16係會開始計數，即計數電路16輸出之切換訊號的準位為高準位，使開關20為導通狀態。因此電感電流IL增加(其相關波形與第二、三圖相同)。當計數電路16本身所計數的值等於計時訊號ton相同時，計數電路16則停止計數，並且計數電路16將目前所計數的值歸零，而輸出之切換訊號之準位為低準位，使開關20再次截止，如此，重複上述之流程即可達到功率因數修正的目的。
請一併參閱第五圖，係為本發明之一較佳實施例之時序圖。如圖所示，本發明係在每個打開週期(Turn-on period)內對感測訊號M(t)進行取樣，其取樣時間為ts，並依據等比三角形的技巧可得下列公式：ON[n]/ton=M[n]/ts……………………(1)其中，M[n]為M(t)經過取樣後的訊號。因此，可求得開關20的打開時間ton，即為： ton=ts*ON[n]/M[n]……………………(2)由上述可知，由於本發明對電流的判斷並非看峰值，所以，若系統有雜訊時，本發明之系統並沒有受太大影響。
綜上所述，本發明之功率因數修正裝置係由一類比數位轉換模組分別轉換功率轉換器之一輸出訊號、一感測訊號與一輸入訊號，而產生一第一數位訊號、一第二數位訊號與一第三數位訊號，一迴授電路耦接類比數位轉換模組，並依據第一數位訊號產生一迴授訊號，運算電路耦接迴授電路，並接收迴授訊號、第二數位訊號與第三數位訊號，運算迴授訊號、第二數位訊號與第三數位訊號而產生一計時訊號，計數電路耦接運算電路，並依據一觸發訊號與計時訊號，而產生一切換訊號，用以切換功率轉換器之一開關。如此，即可達到數位化功率因數修正電路，進而增加系統的穩定性，並可有效數位化功率因數修正裝置，以減少電路的複雜度。
本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜准專利，至感為禱。
惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
1‧‧‧功率因數修正裝置
10‧‧‧類比數位轉換模組
100‧‧‧第一類比數位轉換單元
102‧‧‧第二類比數位轉換單元
104‧‧‧第三類比數位轉換單元
12‧‧‧迴授電路
120‧‧‧運算單元
122‧‧‧濾波器
14‧‧‧運算電路
140‧‧‧乘法器
142‧‧‧除法器
16‧‧‧計數電路
18‧‧‧取樣保持單元
2‧‧‧功率轉換器
20‧‧‧開關
22‧‧‧變壓器
24‧‧‧第一分壓電路
26‧‧‧第二分壓電路
30‧‧‧偵測電路

Claims (11)

  1. 一種功率因數修正裝置，其耦接一功率轉換器，用以調整該功率轉換器之一功率因數，該功率因數修正裝置包含：一類比數位轉換模組，分別轉換該功率轉換器之一輸出訊號、一感測訊號與一輸入訊號，而產生一第一數位訊號、一第二數位訊號與一第三數位訊號；一迴授電路，耦接該類比數位轉換模組，並依據該第一數位訊號產生一迴授訊號；一運算電路，耦接該迴授電路，並接收該迴授訊號、該第二數位訊號與該第三數位訊號，且運算該迴授訊號、該第二數位訊號與該第三數位訊號而產生一計時訊號；以及一計數電路，耦接該運算電路，並依據一觸發訊號與該計時訊號，而產生一切換訊號，用以切換該功率轉換器之一開關；其中該運算電路係相乘該第三數位訊號與該迴授訊號，並除以該第二數位訊號，而產生該計時訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之功率因數修正裝置，其中該運算電路包含：一乘法器，耦接該迴授電路，並相乘該第三數位訊號與該迴授訊號，而產生一運算值；以及一除法器，耦接該乘法器，並相除該運算值與該第二數位訊號，而產生該計時訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之功率因數修正裝置，其中該類比數位轉換裝置包含：一第一類比數位轉換單元，耦接該功率轉換器之一輸出端，並轉換該輸出訊號而產生該第一數位訊號；一第二類比數位轉換單元，耦接該功率轉換器之一感測電阻，並轉換該感測訊號而產生該第二數位訊號；以及一第三類比數位轉換單元，耦接該功率轉換器之一輸入端，並轉換該輸入訊號而產生該第三數位訊號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之功率因數修正裝置，其更包含：一取樣保持單元，耦接該第二類比數位轉換單元，並依據該計數電路產生之一取樣訊號而取樣該第二數位訊號，並將取樣後之該第二數位訊號傳送至該運算電路。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之功率因數修正裝置，其中該計數電路係接收該觸發訊號而開始計時，並依據該計時訊號產生該切換訊號，該計時訊號決定該開關之一打開時間(on-time)。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之功率因數修正裝置，其中該迴授電路包含：一運算單元，耦接該類比數位轉換模組，並依據該第一數位訊號與一參考訊號，而產生該迴授訊號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之功率因數修正裝置，其中該迴授電路更包含：一濾波器，耦接該運算單元，並過濾該迴授訊號，且傳送過 濾後之該迴授訊號至該運算電路。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之功率因數修正裝置，其更包括：一偵測電路，耦接該計數電路與該功率轉換器之一變壓器之間，並偵測該變壓器之一電感電流，而產生該觸發訊號。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之功率因數修正裝置，其中該偵測電路係偵測該功率轉換器之該電感電流為零時，產生該觸發訊號。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之功率因數修正裝置，其中該偵測電路為一零電流偵測電路(Zero Current Detector，ZCD)。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之功率因數修正裝置，其更包含：一驅動電路，耦接該計數電路與該開關之間，用以放大該切換訊號，以切換該開關。
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