TWI459175B

TWI459175B - 用於功率因數修正電路的追蹤升壓裝置及方法

Info

Publication number: TWI459175B
Application number: TW101101146A
Authority: TW
Inventors: Shao Hung Lu; Isaac Y Chen
Original assignee: Richtek Technology Corp
Priority date: 2012-01-11
Filing date: 2012-01-11
Publication date: 2014-11-01
Also published as: TW201329667A; CN103208921B; CN103208921A

Description

用於功率因數修正電路的追蹤升壓裝置及方法

本發明係有關一種功率因數修正(Power Factor Correction;PFC)電路，特別是關於一種用於功率因數修正電路的追蹤升壓(tracking boost)裝置及方法。

對許多高端電子產品(例如筆記型電腦)的電源系統而言，效率是很重要的課題。例如參照圖1所示的電源系統，為了高效率，交流電壓VAC經整流器14整流產生的主電源電壓Vin並非直接作為馳返式電壓轉換器12的輸入電壓，而是作為功率因數修正(PFC)電路10的輸入電壓，PFC電路10產生電壓Vout1再提供給馳返式電壓轉換器12作為其輸入電壓。在PFC電路10中，電感L1連接在整流器14及開關M1之間，PFC控制器16切換開關M1以控制電感L1的充放電，電感電流IL經二極體D1對電容C1充電產生電壓Vout1，電阻R1及R2組成分壓器將電壓Vout1分壓產生回授電壓Vfb給PFC控制器16以穩定電壓Vout1。PFC電路10使用升壓電路，因此其輸出電壓Vout1大於交流電壓VAC。電壓Vout1通常設定在較高的準位以使PFC電路10能適用較廣範圍的交流電壓VAC，例如設定電壓Vout1為400V使其應用的交流電壓VAC可從110V至240V。然而電感電流IL的下降斜率約為，因此在輸出電壓Vout1為固定的條件下，使用較小的交流電壓VAC時，電感電流IL的下降速度較快，導致開關M1的切換頻率較高，PFC電路10的切換損失較大，效率較差。

事實上，馳返式電壓轉換器原本就能適用廣範圍的輸入電壓，因此圖1中的PFC電路10可以改為根據交流電壓VAC的大小調整電壓Vout1的大小，以降低開關M1的切換頻率及跨壓，進而減少切換損失。此技術稱為追蹤升壓。此外，使用追蹤升壓者，因為可以調低電壓Vout1，所以可以減少電感L1的跨壓，因此可以使用較小的電感L1。

傳統的追蹤升壓技術係設定轉態點，例如美國專利號6,686,725及7,501,800，當交流電壓VAC小於轉態點時，PFC電路10提供較小的電壓Vout1，當交流電壓VAC大於轉態點時，PFC電路10提供較大的電壓Vout1。然而此法係非線性控制，在轉態點附近的效率沒有改善。

美國專利號7,239,120從輸出回授端Vfb抽取與主電源電壓Vin具線性相關的電流作為控制參數，因而使電壓Vout1與主電源電壓Vin具線性相關。然而此法造成電壓Vout1較大的變動量，因此電容C1必須承受較高的電壓，此外，該抽取的電流會隨溫度變化，因此電壓Vout1會受到溫度的影響。美國專利號7,675,280則是提供與主電源電壓Vin具反比關係的電流注入輸出回授端Vfb，以使電壓Vout1與主電源電壓Vin具線性相關。此法雖然減少電壓Vout1的變動量，但該施加到輸出回授端Vfb的電流仍受溫度影響，因此電壓Vout1也受溫度影響。

本發明的目的之一，在於提出一種用於功率因數修正電路的追蹤升壓裝置及方法。

本發明的目的之一，在於提出一種使功率因數修正電路的輸出電壓與其輸入電壓具正相關的追蹤升壓裝置及方法。

本發明的目的之一，在於提出一種與溫度變化無關的追蹤升壓裝置及方法。

根據本發明，一種用於功率因數修正電路的追蹤升壓裝置及方法根據該功率因數修正電路的輸入電壓調整提供予其誤差放大器的回授電壓或該誤差放大器的偏移(offset)，以改變該誤差放大器的有效偏移，進而使該功率因數修正電路的輸出電壓正相關於該輸入電壓的均方根值。由於該輸出電壓正相關於該輸入電壓的均方根值，因此低輸入電壓會產生低輸出電壓，因而有效改善該功率因數修正電路的效率。此外該追蹤升壓裝置及方法不受溫度影響，因此該輸出電壓不會因溫度變化而產生偏差。

參照圖2，功率因數修正電路包括根據本發明的追蹤升壓裝置20提供與其輸入電壓Vin相關的誤差信號Vea，鋸齒波產生器36根據開關M1的驅動信號Vpfc產生鋸齒波信號Vramp，比較器34比較誤差信號Vea及鋸齒波信號Vramp產生關閉信號Voff，輔助線圈L2感應電感L1的電流IL產生感測信號Vzcd，正反器32根據感測信號Vzcd及關閉信號Voff產生驅動信號Vpfc切換開關M1而將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout1，以及電阻R1及R2組成分壓器將輸出電壓Vout1分壓以在輸出回授端22產生回授電壓Vfb給追蹤升壓裝置20。由於誤差信號Vea與輸入電壓Vin相關，因此輸出電壓Vout1將隨輸入電壓Vin變化。在追蹤升壓裝置20中，電阻R3及R4組成分壓器將輸入電壓Vin分壓產生與其相關的感測信號Vsense，電壓萃取器24根據感測信號Vsense產生隨輸入電壓Vin變化的控制信號Vtb，可變電壓源26連接在輸出回授端22及誤差放大器28的反相輸入端30之間，提供可變電壓△V偏移回授電壓Vfb而產生偏移的回授電壓Vfbo，誤差放大器28根據偏移的回授電壓Vfbo與參考電壓Vref之間的差值產生誤差信號Vea以調節輸出電壓Vout1。控制信號Vtb使可變電壓△V隨輸入電壓Vin變化，進而使輸出電壓Vout1與輸入電壓Vin的均方根值具正相關。電壓萃取器24的實現方式有很多種，在某些實施例中，只要是能使控制信號Vtb與感測信號Vsense具線性相關的電路皆可，例如乘法器或除法器。

圖3係圖2中的可變電壓源26的第一實施例，包括電阻Ros連接在可變電流源40及42之間。在此實施例中，控制信號，其中m為常數。電阻Ros連接在輸出回授端22及誤差放大器28的反相輸入端30之間，可變電流源40連接誤差放大器28的反相輸入端30，根據控制信號Vtb提供與輸入電壓Vin成反比的電流I1()給電阻Ros，可變電流源42連接輸出回授端22，根據控制信號Vtb從電阻Ros抽取電流I1()，電阻Ros根據其上的電流I1()產生可變電壓△V，因此回授電壓Vfb被偏移成Vfbo。電流I1()的負溫度係數與電阻Ros的正溫度係數彼此抵消，使得可變電壓△V無關溫度變化。從圖2及圖3的電路可得到偏移的回授電壓從公式1可推得由於參考電壓Vref及電阻R1、R2及Ros皆為定值，因此輸出電壓Vout1與輸入電壓Vin的均方根值具正相關。

圖4係圖2中的可變電壓源26的第二實施例，同樣包括電阻Ros連接在可變電流源40及42之間，但是可變電流源40係連接輸出回授端22，提供正比於輸入電壓Vin的電流I1(Vin)給電阻Ros，可變電流源42連接誤差放大器28的反相輸入端30，從電阻Ros抽取電流I1(Vin)。在此實施例中，控制信號Vtb=K×Vin，其中K為常數。從圖2及圖4的電路可知偏移的回授電壓從公式3可推得由公式4可知，輸出電壓Vout1與輸入電壓Vin的均方根值具正相關。電流I1(Vin)的負溫度係數與電阻Ros的正溫度係數彼此抵消，使得可變電壓△V無關溫度變化。

在圖2的電路中，追蹤升壓裝置20係藉電阻R3及R4分壓輸入電壓Vin來取得與輸入電壓Vin相關的感測信號Vsense，在其他實施例中，也可以使用其他方式取得與輸入電壓Vin相關的感測信號。例如在圖5的實施例中，輔助線圈L2感應電感L1的電流IL產生與輸入電壓Vin相關的感測信號Vzcd，電壓萃取器24根據感測信號Vzcd產生隨輸入電壓Vin變化的控制信號Vtb。在圖6的實施例中，電阻Rcs與開關M1串聯，根據開關M1的電流產生感測信號Vsense，電壓萃取器24根據感測信號Vsense產生控制信號Vtb。由於開關M1的電流與輸入電壓Vin相關，因此感測信號Vsense與輸入電壓Vin相關，控制信號Vtb隨輸入電壓Vin變化。在圖7的實施例中，電壓萃取器24係在PFC電路的啟動操作期間從回授電壓Vfb取得感測信號以產生控制信號Vtb。本領域之技術人員已經知道的，PFC電路在啟動操作期間，PFC控制器16不切換開關M1，因此輸出電壓Vout1幾乎等於輸入電壓Vin。以此為基礎，可利用電壓萃取器24在啟動操作期間從回授電壓Vfb取得與輸入電壓Vin相關的感測信號，產生隨輸入電壓Vin變化的控制信號Vtb。在結束啟動操作以後，PFC控制器16開始切換開關M1，電壓萃取器24不再偵測回授電壓Vfb，並儲存及維持已經產生的控制信號Vtb。

圖8係追蹤升壓裝置20的第五實施例，電壓萃取器24係提供控制信號Vtb給誤差放大器28，以調整其偏移，該偏移隨輸入電壓Vin變化，因此輸出電壓Vout1與輸入電壓Vin的均方根值具正相關。圖8的追蹤升壓裝置20也可以使用圖5、圖6或圖7所示的方式來取得與輸入電壓Vin相關的感測信號給電壓萃取器24。

圖9係圖8中的誤差放大器28的第一實施例，包括組成差動輸入對的電晶體M3及M4、可變電流源44及連接在電晶體M3的輸入端及可變電流源44之間的電阻Ros。在此實施例中，控制信號Vtb=K×Vin，可變電流源44根據控制信號Vtb提供與輸入電壓Vin成正比的電流I1(Vin)，電晶體M3及M4的控制端分別接收回授電壓Vfb及參考電壓Vref，據以分流電流I1(Vin)為電流I2(Vin)及I3(Vin)。當電流I1(Vin)增加時，電晶體M3及M4的電流I2(Vin)及I3(Vin)也跟著增加，電阻Ros產生的可變電壓△V隨電流I2(Vin)變化，以調整誤差放大器28的偏移。根據圖8及圖9的電路可知Vfb-△V=Vref，公式5進而推得輸出電壓由於電流I2(Vin)正比於輸入電壓Vin，因此從公式6可知，輸出電壓Vout1正相關於輸入電壓Vin的均方根值。電流I1(Vin)的負溫度係數與電阻Ros的正溫度係數彼此抵消，使得可變電壓△V無關溫度變化。

圖10係圖8中的誤差放大器28的第二實施例，電阻Ros改為連接在電晶體M4的輸入端及可變電流源44之間，而且控制信號，可變電流源44根據控制信號Vtb提供與輸入電壓Vin成反比的電流I1()。電晶體M3及M4根據回授電壓Vfb及參考電壓Vref分流電流I1() 為電流I2()及I3()。當輸入電壓Vin較大時，電流I1()較小，因此電流I3()較小，可變電壓△V較小，誤差放大器28的偏移較小。從圖8及圖10的電路可知Vfb=Vref-△V，公式7因此可推得由於電流I3()反比於輸入電壓Vin，因此從公式8可知，輸出電壓Vout1正相關於輸入電壓Vin的均方根值。電流I1()的負溫度係數與電阻Ros的正溫度係數彼此抵消，使得可變電壓△V無關溫度變化。

以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。

10‧‧‧功率因數修正電路

12‧‧‧馳返式電壓轉換器

14‧‧‧整流器

16‧‧‧PFC控制器

20‧‧‧追蹤升壓裝置

22‧‧‧輸出回授端

24‧‧‧電壓萃取器

26‧‧‧可變電壓源

28‧‧‧誤差放大器

30‧‧‧誤差放大器28的反相輸入端

32‧‧‧正反器

34‧‧‧比較器

36‧‧‧鋸齒波產生器

40‧‧‧可變電流源

42‧‧‧可變電流源

44‧‧‧可變電流源

圖1係傳統的電源系統；圖2係追蹤升壓裝置的第一實施例；圖3係圖2中的可變電壓源的第一實施例；圖4係圖2中的可變電壓源的第二實施例；圖5係追蹤升壓裝置的第二實施例；圖6係追蹤升壓裝置的第三實施例；圖7係追蹤升壓裝置的第四實施例；圖8係追蹤升壓裝置的第五實施例；圖9係圖8中的誤差放大器的第一實施例；以及圖10係圖8中的誤差放大器的第二實施例。

14．．．整流器

16．．．PFC控制器

20．．．追蹤升壓裝置

22．．．輸出回授端

24．．．電壓萃取器

26．．．可變電壓源

28．．．誤差放大器

30．．．誤差放大器的反相輸入端

32．．．正反器

34．．．比較器

36．．．鋸齒波產生器

Claims

一種用於功率因數修正電路的追蹤升壓裝置，該功率因數修正電路含有串聯的電感及開關，並切換該開關而將輸入電壓升壓為輸出電壓，該追蹤升壓裝置包括：電壓萃取器，根據與該輸入電壓相關的感測信號產生隨該輸入電壓變化的控制信號；誤差放大器，根據與該輸出電壓相關的回授電壓和參考電壓之間的差值產生誤差信號以調節該輸出電壓；以及可變電壓源，連接該電壓萃取器及誤差放大器，因應該控制信號提供隨該輸入電壓變化的可變電壓偏移該回授電壓，使該輸出電壓與該輸入電壓的均方根值具正相關。
如請求項1之追蹤升壓裝置，其中該可變電壓源包括：電阻，具有第一端連接該誤差放大器的非反相輸入端及第二端接收該回授電壓；第一可變電流源，連接該電阻的第一端，根據該控制信號提供電流到該電阻的第一端；以及第二可變電流源，連接該電阻的第二端，根據該控制信號從該電阻的第二端抽取該電流；其中，該電流流過該電阻產生該可變電壓。
如請求項1之追蹤升壓裝置，其中該可變電壓源包括：電阻，具有第一端連接該誤差放大器的非反相輸入端及第二端接收該回授電壓；第一可變電流源，連接該電阻的第二端，根據該控制信號提供電流到該電阻的第二端；以及第二可變電流源，連接該電阻的第一端，根據該控制信號從該電阻的第一端抽取該電流；其中，該電流流過該電阻產生該可變電壓。
如請求項1之追蹤升壓裝置，更包括串聯的二電阻分壓該輸入電壓產生該感測信號。
如請求項1之追蹤升壓裝置，更包括輔助線圈感應該電感的電流產生該感測信號。
如請求項1之追蹤升壓裝置，更包括電阻與該開關串聯，根據該開關的電流產生該感測信號。
如請求項1之追蹤升壓裝置，其中該電壓萃取器在該功率因數修正電路的啟動操作期間從該回授電壓取得該感測信號。
一種用於功率因數修正電路的追蹤升壓裝置，該功率因數修正電路含有串聯的電感及開關，並切換該開關而將輸入電壓升壓為輸出電壓，該追蹤升壓裝置包括：誤差放大器，根據與該輸出電壓相關的回授電壓和參考電壓之間的差值產生誤差信號以調節該輸出電壓；以及電壓萃取器，連接該誤差放大器，根據與該輸入電壓相關的感測信號產生隨該輸入電壓變化的控制信號調整該誤差放大器的偏移，以使該輸出電壓與該輸入電壓的均方根值具正相關。
如請求項8之追蹤升壓裝置，其中該誤差放大器包括：組成差動對的第一電晶體及第二電晶體，各具有控制端，分別接收該回授電壓及參考電壓；可變電流源，連接該第二電晶體的輸入端，根據該控制信號提供電流；以及電阻，連接在該第一電晶體的輸入端及該可變電流源之間，提供隨該電流變化的可變電壓以調整該誤差放大器的偏移。
如請求項8之追蹤升壓裝置，其中該誤差放大器包括：組成差動對的第一電晶體及第二電晶體，各具有控制端，分別接收該回授電壓及參考電壓；可變電流源，連接該第一電晶體的輸入端，根據該控制信號提供電流；以及電阻，連接在該第二電晶體的輸入端及該可變電流源之間，提供隨該電流變化的可變電壓以調整該誤差放大器的偏移。
如請求項8之追蹤升壓裝置，更包括串聯的二電阻分壓該輸入電壓產生該感測信號。
如請求項8之追蹤升壓裝置，更包括輔助線圈感應該電感的電流產生該感測信號。
如請求項8之追蹤升壓裝置，更包括電阻與該開關串聯，根據該開關的電流產生該感測信號。
如請求項8之追蹤升壓裝置，其中該電壓萃取器在該功率因數修正電路的啟動操作期間從該回授電壓取得該感測信號。
一種用於功率因數修正電路的追蹤升壓方法，該功率因數修正電路含有串聯的電感及開關，並切換該開關而將輸入電壓升壓為輸出電壓，該追蹤升壓方法包括下列步驟：(A)感測該輸入電壓產生感測信號；(B)取得與該輸出電壓相關的回授電壓；(C)根據該感測信號產生隨該輸入電壓變化的控制信號；(D)根據該控制信號決定隨該輸入電壓變化的可變電壓偏移該回授電壓；以及(E)根據該偏移的回授電壓及參考電壓產生誤差信號供調節該輸出電壓，以使該輸出電壓與該輸入電壓的均方根值具正相關。
如請求項15之追蹤升壓方法，其中該步驟A包括分壓該輸入電壓產生該感測信號。
如請求項15之追蹤升壓方法，其中該步驟A包括感測該電感的電流產生該感測信號。
如請求項15之追蹤升壓方法，其中該步驟A包括感測該開關的電流產生該感測信號。
如請求項15之追蹤升壓方法，其中該步驟A包括在該功率因數修正電路的啟動操作期間從該回授電壓取得該感測信號。
一種用於功率因數修正電路的追蹤升壓方法，該功率因數修正電路含有串聯的電感及開關，並切換該開關而將輸入電壓升壓為輸出電壓，該追蹤升壓方法包括下列步驟： (A)感測該輸入電壓產生感測信號；(B)取得與該輸出電壓相關的回授電壓；(C)根據該感測信號產生隨該輸入電壓變化的控制信號；(D)利用誤差放大器放大該回授電壓及參考電壓之間的差值產生誤差信號供調節該輸出電壓；以及(E)根據該控制信號調整該誤差放大器的偏移，以使該輸出電壓與該輸入電壓的均方根值具正相關。
如請求項20之追蹤升壓方法，其中該步驟A包括分壓該輸入電壓產生該感測信號。
如請求項20之追蹤升壓方法，其中該步驟A包括感測該電感的電流產生該感測信號。
如請求項20之追蹤升壓方法，其中該步驟A包括感測該開關的電流產生該感測信號。
如請求項20之追蹤升壓方法，其中該步驟A包括在該功率因數修正電路的啟動操作期間從該回授電壓取得該感測信號。