TWI470912B - 功率因數校正電源轉換裝置及其電源轉換方法 - Google Patents

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Description

功率因數校正電源轉換裝置及其電源轉換方法
本發明是有關於一種電源轉換技術，且特別是有關於一種以升壓式架構為基礎(boost-based)的功率因數校正電源轉換裝置及其電源轉換方法。
電源轉換/供應裝置(power conversion/supply apparatus)主要的用途乃是將電力公司所提供之高壓且低穩定性的交流輸入電壓(AC input voltage)轉換成適合各種電子裝置(electronic device)使用的低壓且穩定性較佳的直流輸出電壓(DC output voltage)。因此，電源轉換裝置廣泛地應用在電腦、辦公室自動化設備、工業控制設備以及通訊設備等電子裝置中。
現今電源轉換/供應裝置的前級(front-end)為一功率因數校正電源轉換器(power factor correction power converter,PFC power converter)，而其後級(back-end)則為一脈寬調變電源轉換器(pulse width modulation power converter,PWM power converter)。以功率因數校正電源轉換器為例，其控制架構(control structure)大多已採用脈寬調變控制晶片(pulse width modulation control chip,PWM control chip)。
傳統上，為了要保護功率因數校正電源轉換器免於受到過電流(over current,OC)的現象而損毀，現今脈寬調 變控制晶片大多會內建一『固定的』過電流保護點(“fixed”OCP point)以執行過電流保護(OCP)的偵測，從而實現保護功率因數校正電源轉換器的目的。然而，由於功率因數校正電源轉換器所接收之範圍為90VAC~264VAC的相異輸入電壓，其各別所對應之啟動過電流保護機制(OCP mechanism)的過電流保護點並不相同。因此，傳統脈寬調變控制晶片所執行的過電流保護(OCP)之偵測方式並無法適應於不同的輸入電壓，從而導致功率因數校正電源轉換器還是有可能會遭受過電流的影響而損毀。
有鑒於此，本發明提供一種以升壓式架構為基礎(boost-based)的功率因數校正電源轉換裝置及其電源轉換方法，藉以解決先前技術所述及的問題。
本發明之一示範性實施例提供一種功率因數校正電源轉換裝置，其包括：升壓式電源轉換線路、控制晶片，以及電流偵測輔助線路。升壓式電源轉換線路用以接收一輸入電壓，並且反應於一脈寬調變訊號而對所述輸入電壓進行轉換，藉以產生並提供一輸出電壓。控制晶片耦接升壓式電源轉換線路，用以反應於一電源供應需求而產生所述脈寬調變訊號以控制升壓式電源轉換線路的運作。電流偵測輔助線路耦接升壓式電源轉換線路與控制晶片的一偵測接腳，用以於一偵測階段，輔助控制晶片執行所述輸入電壓的偵測。其中，控制晶片可以反應於所述輸入電壓之 偵測的一第一偵測結果，而對啟動一過電流保護機制的一過電流保護點進行補償。
於本發明之一示範性實施例中，升壓式電源轉換線路包括：變壓器、第一二極體、電容、N型功率開關，以及第一電阻。變壓器具有一主線圈與一輔助線圈，其中變壓器之主線圈的異名端用以接收所述輸入電壓，而變壓器之輔助線圈的異名端則耦接至一危險地。第一二極體的陽極耦接變壓器之主線圈的同名端，而第一二極體的陰極則用以產生所述輸出電壓。電容的第一端耦接第一二極體的陰極，而電容的第二端則耦接至一安全地。N型功率開關的第一端耦接變壓器之主線圈的同名端，而N型功率開關的控制端則用以接收所述脈寬調變訊號。第一電阻的第一端耦接N型功率開關的第二端並提供一過電流保護偵測電壓給控制晶片，而第一電阻的第二端則耦接至所述危險地。
於本發明之一示範性實施例中，電流偵測輔助線路包括：第二電阻與第三電阻。其中，第二電阻的第一端耦接變壓器之輔助線圈的同名端，而第二電阻的第二端則耦接所述偵測接腳。第三電阻的第一端耦接第二電阻的第二端，而第三電阻的第二端則耦接至所述危險地。
於本發明之一示範性實施例中，控制晶片包括：控制主體、偵測開關、電流偵測主線路，以及過電流保護單元。其中，控制主體用以作為控制晶片的運作核心，並且反應於所述電源供應需求而產生所述脈寬調變訊號。偵測開關的第一端耦接所述偵測接腳，而偵測開關的控制端則用以 接收來自控制主體的一控制訊號，且偵測開關反應於所述控制訊號而於所述偵測階段導通。電流偵測主線路耦接於偵測開關的第二端與控制主體之間，用以於所述偵測階段，執行所述輸入電壓的偵測，並據以提供關聯於所述輸入電壓之變化的所述第一偵測結果給控制主體。過電流保護單元耦接控制主體，且具有所述過電流保護點，用以於功率因數校正電源轉換裝置運作的過程中，反應於所述過電流保護偵測電壓而執行一過電流保護的偵測，並據以提供一第二偵測結果給控制主體。
於本發明之一示範性實施例中，控制主體更可以反應於所述第一偵測結果而對應地輸出一補償電壓以補償所述過電流保護點。
於本發明之一示範性實施例中，控制主體更可以反應於所述第二偵測結果而決定是否啟動所述過電流保護機制。當控制主體反應於所述第二偵測結果而決定啟動所述過電流保護機制時，則控制主體停止輸出所述脈寬調變訊號，直至控制主體反應於所述第二偵測結果而決定關閉所述過電流保護機制為止。
於本發明之一示範性實施例中，所提之功率因數校正電源轉換裝置可以更包括：回授單元，其耦接於第一二極體之陰極與所述安全地之間，用以反應於所述輸出電壓而提供一回授電壓給控制晶片。在此條件下，控制晶片更可以反應於所述回授電壓而將所述輸出電壓穩壓在一預設目標電壓。
於本發明之一示範性實施例中，控制晶片更可以反應於所述第一偵測結果而改變所述預設目標電壓。
於本發明之一示範性實施例中，控制主體更可以反應於所述第一偵測結果而決定是否停止產生所述脈寬調變訊號。在此條件下，當所述第一偵測結果符合一欠壓條件時，則控制主體停止產生所述脈寬調變訊號。
本發明之另一示範性實施例提供一種功率因數校正電源轉換方法，其包括：提供升壓式電源轉換線路，並且致使升壓式電源轉換線路反應於一脈寬調變訊號而對一輸入電壓進行轉換，藉以產生並提供一輸出電壓與一系統電壓；提供操作在所述系統電壓下的控制晶片，並且致使控制晶片反應於一電源供應需求而產生所述脈寬調變訊號以控制升壓式電源轉換線路的運作；提供耦接升壓式電源轉換線路與控制晶片之一偵測接腳的電流偵測輔助線路，並且致使電流偵測輔助線路於一偵測階段，輔助控制晶片透過該只偵測接腳以執行所述輸入電壓的偵測；以及致使控制晶片反應於所述輸入電壓之偵測的一第一偵測結果，而對啟動一過電流保護機制的一過電流保護點進行補償。
於本發明之一示範性實施例中，所提之功率因數校正電源轉換方法可以更包括：致使控制晶片反應於一關聯於所述輸出電壓的回授電壓而將所述輸出電壓穩壓在一預設目標電壓。
於本發明之一示範性實施例中，所提之功率因數校正電源轉換方法可以更包括：致使控制晶片更反應於所述第一偵測結果而改變所述預設目標電壓。
於本發明之一示範性實施例中，所提之功率因數校正電源轉換方法可以更包括：致使控制晶片更反應於所述第一偵測結果而決定是否停止產生所述脈寬調變訊號。
於本發明之一示範性實施例中，當所述第一偵測結果符合一欠壓條件時，則致使控制晶片停止產生所述脈寬調變訊號。
於上述本發明之一示範性實施例中，當所述輸入電壓為一相對高輸入電壓時，則補償過後的過電流保護點可以為一第一過電流保護點；當所述輸入電壓為一相對低輸入電壓時，則補償過後的過電流保護點可以為一第二過電流保護點；以及所述第一過電流保護點與所述第二過電流保護點相異。
於上述本發明之一示範性實施例中，當所述輸入電壓為一相對高輸入電壓時，則所述預設目標電壓可以為一第一預設目標電壓；當所述輸入電壓為一相對低輸入電壓時，則所述預設目標電壓可以為一第二預設目標電壓；以及所述第一預設目標電壓可以大於所述第二預設目標電壓。
基於上述，本發明藉由在某一段時間切換設置在控制晶片內部且與控制晶片之一只偵測接腳連接的偵測開關，且透過電流偵測輔助線路與電流偵測主線路間的搭配而於該段時間來執行升壓式電源轉換線路所接收之輸入電壓的偵測。基此，再根據所偵測的結果而對啟動過電流保護機制的過電流保護點進行補償。如此一來，本發明所執行的 過電流保護(OCP)之偵測方式即可適應於不同的輸入電壓。另一方面，本發明亦可再根據所偵測的結果而執行欠壓保護(brown out protection)以及改變/決定升壓式電源轉換線路的輸出。
應瞭解的是，上述一般描述及以下具體實施方式僅為例示性及闡釋性的，其並不能限制本發明所欲主張之範圍。
現將詳細參考本發明之示範性實施例，在附圖中說明所述示範性實施例之實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。
圖1繪示為本發明一示範性實施例之功率因數校正電源轉換裝置(power factor correction power conversion apparatus,PFC power conversion apparatus)10的示意圖，而圖2繪示為本發明一示範性實施例之功率因數校正電源轉換裝置10的電路示意圖。請合併參照圖1與圖2，功率因數校正電源轉換裝置10係以升壓式架構為基礎(boost-based)。基此，功率因數校正電源轉換裝置10包括：升壓式電源轉換線路(boost power conversion circuit)101、控制晶片(control chip)103、電流偵測輔助線路(current detection auxiliary circuit)105，以及回授單元(feedback unit)107。
於本示範性實施例中，升壓式電源轉換線路101用以 接收輸入電壓(input voltage)VIN，並且反應於來自控制晶片103的脈寬調變訊號(pulse width modulation signal,PWM signal)PW而對輸入電壓VIN進行轉換(即，電壓轉換)，藉以產生並提供輸出電壓(output voltage)VOUT與系統電壓(system voltage)VCC。
控制晶片103耦接升壓式電源轉換線路101，用以操作於升壓式電源轉換線路101所產生的系統電壓VCC下，並且反應於某一負載(load，例如電子裝置)的電源供應需求(power supplying requirement)而產生脈寬調變訊號PW以控制升壓式電源轉換線路101的運作。
電流偵測輔助線路105耦接升壓式電源轉換線路101與控制晶片103的一只偵測接腳(detection pin)D-PIN，用以於偵測階段(detection phase)H，輔助控制晶片103透過偵測接腳D-PIN以執行輸入電壓VIN的偵測。如此一來，控制晶片103即可反應於輸入電壓VIN之偵測的第一偵測結果(detection result)DT1，而對啟動過電流保護機制(OCP mechanism)的過電流保護點(OCP point)OCPP進行補償。
回授單元107耦接升壓式電源轉換線路101與控制晶片103，用以提供關聯於輸出電壓VOUT的回授電壓(feedback voltage)VFB給控制晶片103，藉以致使控制晶片103反應於回授電壓VFB而將升壓式電源轉換線路101所產生的輸出電壓VOUT穩壓在某一預設目標電壓(predetermined target voltage)。
更清楚來說，如圖2所示，升壓式電源轉換線路101包括：變壓器(transformer)T、二極體(diode)D1與D2、電容(capacitor)COUT、N型功率開關(N-type power switch)Q，以及電阻(resistor)Rs。於本示範性實施例中，變壓器T具有一主線圈(primary winding)Np與一輔助線圈(auxiliary winding)Na。其中，變壓器T之主線圈Np的異名端(opposite-polarity terminal，即未打點處)用以接收輸入電壓VIN，而變壓器T之輔助線圈Na的異名端則耦接至危險地(dangerous ground)DGND。
二極體D1的陽極(anode)耦接變壓器T之主線圈Np的同名端(common-polarity terminal，即打點處)，而二極體D1的陰極(cathode)則用以產生輸出電壓VOUT。電容COUT的第一端耦接二極體D1的陰極，而電容COUT的第二端則耦接至安全地(safety ground)SGND。N型功率開關Q的第一端耦接變壓器T之主線圈Np的同名端，而N型功率開關Q的控制端則用以接收來自控制晶片103的脈寬調變訊號PW。
電阻Rs的第一端耦接N型功率開關Q的第二端並提供過電流保護偵測電壓(over current protection detection voltage,OCP detection voltage)Vcs給控制晶片103，而電阻Rs的第二端則耦接至危險地DGND。二極體D2的陽極耦接變壓器T之輔助線圈Na的同名端，而二極體D2的陰極則用以產生系統電壓VCC。
另一方面，電流偵測輔助線路105包括：電阻R1與 R2。其中，電阻R1的第一端耦接變壓器T之輔助線圈Na的同名端，而電阻R1的第二端則耦接控制晶片103的偵測接腳D-PIN。電阻R2的第一端耦接電阻R1的第二端，而電阻R2的第二端則耦接至危險地DGND。
除此之外，控制晶片103包括：控制主體(control main body)201、偵測開關(detection switch)SW、電流偵測主線路(current detection main circuit)203、過電流保護單元(OCP unit)205，以及輸出控制單元(output control unit)207。其中，控制主體201用以作為控制晶片103的運作核心(operation core)，並且反應於某一負載(電子裝置)的電源供應需求而產生脈寬調變訊號PW。
偵測開關SW的第一端耦接控制晶片103的偵測接腳D-PIN，而偵測開關SW的控制端則用以接收來自控制主體103的控制訊號(control signal)CS。於本示範性實施例中，偵測開關SW係反應於控制訊號CS而於偵測階段H導通(turned on)。
電流偵測主線路203耦接於偵測開關SW的第二端與控制主體201之間，用以於偵測階段H，執行輸入電壓VIN的偵測，並據以提供關聯於輸入電壓VIN之變化的第一偵測結果DT1給控制主體201。舉例來說，電流偵測主線路203可以偵測範圍為90VAC~264VAC之輸入電壓VIN所對應的電流，但並不限制於此。
更清楚來說，圖3繪示為本發明一示範性實施例之電流偵測主線路203的實施示意圖。請合併參照圖1~圖3， 電流偵測主線路203包括：NPN型雙載子接面電晶體(NPN-type BJT)B1與B2、電流源(current source)I1，以及PMOS電晶體P1與P2。NPN型雙載子接面電晶體B1的射極(emitter)耦接偵測開關SW的第二端。NPN型雙載子接面電晶體B2的基極(base)與集極(collector)耦接雙載子接面電晶體B1的基極，而NPN型雙載子接面電晶體B2的射極則耦接至危險地DGND。
電流源I1的第一端耦接至偏壓(bias voltage)Vbias1，而電流源I1的第二端則耦接雙載子接面電晶體B2的集極。PMOS電晶體P1的源極(source)耦接至偏壓Vbias2，而PMOS電晶體P1的閘極(gate)與汲極(drain)則耦接NPN型雙載子接面電晶體B1的集極。PMOS電晶體P2的源極耦接至偏壓Vbias2，PMOS電晶體P2的閘極耦接PMOS電晶體P1的閘極，而PMOS電晶體P2的汲極則用以輸出關聯於輸入電壓VIN之變化的第一偵測結果DT1。
另外，過電流保護單元205耦接控制主體201，且具有過電流保護點OCPP，用以於功率因數校正電源轉換裝置10運作的過程中，反應於跨壓在電阻Rs兩端的過電流保護偵測電壓Vcs而執行過電流保護(OCP)的偵測，並據以提供第二偵測結果DT2給控制主體201。於本示範性實施例中，控制主體201可以反應於過電流保護單元205所提供的第二偵測結果DT2而決定是否啟動過電流保護機制。一旦控制主體201反應於過電流保護單元205所提供的第二偵測結果DT2而決定啟動過電流保護機制時，則 控制主體201會停止輸出脈寬調變訊號PW，直至控制主體201反應於過電流保護單元205所提供的第二偵測結果DT2而決定關閉過電流保護機制為止(亦即，無過電流的發生)。
此外，由於相異的輸入電壓VIN所各別對應之啟動過電流保護機制的過電流保護點OCPP並不相同。因此，於本示範性實施例中，控制主體201更可以反應於電流偵測主線路203所提供之關聯於輸入電壓VIN之變化的第一偵測結果DT1，而對應地輸出補償電壓(compensation voltage)CP1至過電流保護單元205，藉以對啟動過電流保護機制的過電流保護點OCPP進行補償。
更清楚來說，圖4繪示為本發明一示範性實施例之過電流保護單元205的實施示意圖。請合併參照圖1~圖4，過電流保護單元205包括：運算放大器(operational amplifier)OPA1、補償單元(compensation unit)401，以及參考電壓源(reference voltage source)403。其中，運算放大器OPA1的正輸入端(positive input terminal,+)用以接收跨壓在電阻Rs兩端的過電流保護偵測電壓Vcs，運算放大器OPA1的負輸入端(negative input terminal,-)用以接收與過電流保護點OCPP相對應的過電流保護參考電壓(OCP reference voltage)Vocp，而運算放大器OPA1的輸出端則用以輸出第二偵測結果DT2。
參考電壓源403耦接於補償單元401與危險地DGND之間，用以提供預設參考電壓Vref1。補償單元401耦接 控制主體201與運算放大器OPA1的負輸入端(-)，用以反應於參考電壓源403所提供的預設參考電壓Vref1與來自控制主體201的補償電壓CP1而產生過電流保護參考電壓Vocp。於本示範性實施例中，補償單元401可以為電壓運算器(voltage operator)，亦即：可執行兩電壓的相加或相減。如此一來，補償單元401所產生的過電流保護參考電壓Vocp可以表示為Vref1±CP1，即：Vocp=Vref1±CP1。
由此可知，當輸入電壓VIN為一相對高輸入電壓(relative high input voltage)時，例如264VAC的輸入電壓，只要控制主體201提供某一適當的補償電壓CP1，則經由控制主體201補償過後的過電流保護點OCPP可以為第一過電流保護點；相似地，當輸入電壓VIN為一相對低輸入電壓(relative low input voltage)時，例如90VAC的輸入電壓，只要控制主體201提供另一適當的補償電壓CP1，則經由控制主體201補償過後的過電流保護點OCPP可以為第二過電流保護點。其中，第一過電流保護點與第二過電流保護點相異。如此一來，過電流保護單元205就可以適應於不同的輸入電壓VIN，藉以執行相異輸入電壓的過電流偵測。
另一方面，回授單元107實質上耦接於二極體D1之陰極與安全地SGND之間，用以反應於升壓式電源轉換線路101所產生的輸出電壓VOUT而提供回授電壓VFB給控制晶片103。更清楚來說，回授單元107包括：電阻R3與R4，但回授單元107的電路實施架構並不限制於此。其 中，電阻R3的第一端耦接二極體D1的陰極，而電阻R3的第二端則用以產生回授電壓VFB。電阻R4的第一端耦接電阻R3的第二端，而電阻R4的第二端則耦接至安全地SGND。顯然地，回授電壓VFB實質上為VOUT×(R4/(R3+R4))。如此一來，控制晶片103即可反應於來自回授單元107的回授電壓VFB，而將升壓式電源轉換線路101所產生的輸出電壓VOUT穩壓在某一預設目標電壓，例如：400VDC，但並不限制於此。
另一方面，輸出控制單元207耦接控制主體201與回授單元107，用以反應於來自回授單元107所提供的回授電壓VFB與輸出設定電壓(output setting voltage)Vos的比較而提供比較結果(comparison result)CM給控制主體201。如此一來，控制主體201即可反應於輸出控制單元207所提供的比較結果CM而將升壓式電源轉換線路101所產生的輸出電壓VOUT穩壓在預設目標電壓。
另外，為了要提升功率因數校正電源轉換裝置10的整體效率，控制晶片103更可以反應於電流偵測主線路203所提供之關聯於輸入電壓VIN之變化的第一偵測結果DT1，而改變升壓式電源轉換線路101所欲輸出的預設目標電壓。換言之，升壓式電源轉換線路101的輸出是可以變動而非固定的。
於本示範性實施例中，控制主體201可以反應於電流偵測主線路203所提供之關聯於輸入電壓VIN之變化的第一偵測結果DT1，而對應地輸出補償電壓CP2以改變輸出 設定電壓Vos，從而改變升壓式電源轉換線路101所欲輸出的預設目標電壓。更清楚來說，圖5繪示為本發明一示範性實施例之輸出控制單元207的實施示意圖。請合併參照圖1~圖5，輸出控制單元207包括：運算放大器OPA2、補償單元501，以及參考電壓源503。
運算放大器OPA2的正輸入端(+)用以接收輸出設定電壓Vos，運算放大器OPA2的負輸入端(-)用以接收來自回授單元107的回授電壓VFB，而運算放大器OPA2的輸出端則用以輸出比較結果CM。參考電壓源503耦接於補償單元501與危險地DGND之間，用以提供預設參考電壓Vref2。補償單元501耦接控制主體201與運算放大器OPA2的正輸入端(+)，用以反應於參考電壓源503所提供的預設參考電壓Vref2與來自控制主體201的補償電壓CP2而產生輸出設定電壓Vos。相似地，補償單元501可以為電壓運算器，亦即：可執行兩電壓的相加或相減。如此一來，補償單元501所產生的輸出設定電壓Vos可以表示為Vref2±CP2，即Vos=Vref2±CP2。而且，所產生的輸出設定電壓Vos即可決定升壓式電源轉換線路101所欲輸出的預設目標電壓。
由此可知，當輸入電壓VIN為一相對高輸入電壓時，例如264VAC的輸入電壓，只要控制主體201提供某一適當的補償電壓CP2，則升壓式電源轉換線路101所欲輸出的預設目標電壓可以為第一預設目標電壓；相似地，當輸入電壓VIN為一相對低輸入電壓時，例如90VAC的輸入 電壓，只要控制主體201提供另一適當的補償電壓CP2，則升壓式電源轉換線路101所欲輸出的預設目標電壓可以為第二預設目標電壓。其中，第一預設目標電壓可以大於第二預設目標電壓。如此一來，升壓式電源轉換線路101的輸出即可反應於輸入電壓VIN的變化而產生改變(非維持在固定值(例如，400VDC))，藉以達到提升功率因數校正電源轉換裝置10之整體效率的目的。
另一方面，於本示範性實施例中，控制主體201更可以反應於電流偵測主線路203所提供之關聯於輸入電壓VIN之變化的第一偵測結果DT1，而決定是否停止產生脈寬調變訊號PW。更清楚來說，當電流偵測主線路203所提供之關聯於輸入電壓VIN之變化的第一偵測結果DT1符合一欠壓條件(brown out condition)時，例如輸入電壓VIN低於控制主體201所內建的設定值VBO，則表示輸入電壓VIN不足。如此一來，控制主體201就會停止產生脈寬調變訊號PW，藉以(在功率恆定的條件下)保護功率因數校正電源轉換裝置10免於受到輸入電壓VIN的不足而損毀。
基於上述，在功率因數校正電源轉換裝置10處於正常運作下，控制晶片103會反應於某一負載(電子裝置)的電源供應需求而對應地產生脈寬調變訊號PW以控制升壓式電源轉換線路101的運作。在此條件下，當N型功率開關Q反應於控制晶片103所產生之脈寬調變訊號PW而導通(turned on)的話，輸入電壓VIN會跨接於變壓器T 的主線圈Np，以至於變壓器T之主線圈Np的電感電流會線性增加而進行儲能，直至N型功率開關Q反應於控制晶片103所產生之脈寬調變訊號PW而關閉(turned off)為止。
一旦N型功率開關Q反應於控制晶片103所產生之脈寬調變訊號PW而關閉的話，則儲存於變壓器T之主線圈Np的能量會經過二極體D1而對電容COUT進行充電，並且各別地供應輸出電壓VOUT與系統電壓VCC給負載(電子裝置)與控制晶片103。由此可知，基於控制晶片103所產生之脈寬調變訊號PW而交替地導通與關閉N型功率開關Q的運作方式，除了可以將輸入電壓VIN提升至所欲輸出的預設目標電壓外，而且還可以使得功率因數校正電源轉換裝置10持續地供應輸出電壓VOUT與系統電壓VCC。
另一方面，在功率因數校正電源轉換裝置10處於正常運作下，當N型功率開關Q反應於控制晶片103所產生之脈寬調變訊號PW而導通的話，則此時控制晶片103將進入前述的偵測階段H。在此條件下，偵測開關SW會反應於N型功率開關Q的導通而導通，而此時輸入電壓VIN會直接跨接於變壓器T的主線圈Np，以至於變壓器T之輔助線圈Na的電壓即為(-K*VIN)，其中K為輔助線圈Na與主線圈Np的圈數比(turns ratio)(Na/Np)。與此同時，電流源I1將提供電流((-K*VIN)/R1)以流經電阻R1。
當節點ND1上的電壓固定時，流經電阻R1的電流將與(-K*VIN)成正比，亦即：當輸入電壓VIN越高，流經電阻R1的電流將越大；反之，當輸入電壓VIN越低，流經電阻R1的電流將越小。如此一來，電流偵測主線路203即可獲得與輸入電壓VIN成正比關係的電流偵測結果，藉以作為第一偵測結果DT1。換言之，電流偵測主線路203於每一次N型功率開關Q導通時，就會對輸入電壓VIN進行偵測，並據以提供第一偵測結果DT1給控制主體201。
一旦控制主體201接獲來自於電流偵測主線路203之第一偵測結果DT1的話，控制主體201即可據以得知升壓式電源轉換線路101所接收的輸入電壓VIN為多少，進而再提供適當的補償電壓CP1以對啟動過電流保護機制的過電流保護點OCPP進行補償。如此一來，過電流保護單元205就可以適應於不同的輸入電壓VIN，藉以執行相異輸入電壓的過電流偵測，進而讓控制主體201可以準確地啟動過電流保護機制。
基此，在功率因數校正電源轉換裝置10運作的過程中，過電流保護單元205就會持續反應於跨壓在電阻Rs的過電流保護偵測電壓Vcs而執行過電流保護(OCP)的偵測，並據以提供第二偵測結果DT2給控制主體201。一旦控制主體201反應於過電流保護單元205所提供的第二偵測結果DT2(邏輯“1”)而決定啟動過電流保護機制時，則控制主體201會停止輸出脈寬調變訊號PW，藉以保護 功率因數校正電源轉換裝置10免於受到過電流的現象而損毀，直至控制主體201反應於過電流保護單元205所提供的第二偵測結果DT2(邏輯“0”)而決定關閉過電流保護機制為止(亦即，已無過電流的發生)。
另一方面，為了要提升功率因數校正電源轉換裝置10的整體效率，控制主體201更可以反應於電流偵測主線路203於偵測階段H所提供之關聯於輸入電壓VIN之變化的第一偵測結果DT1，而對應地輸出補償電壓CP2以改變輸出設定電壓Vos，從而改變升壓式電源轉換線路101所欲輸出的預設目標電壓。
更清楚來說，由於控制主體201於偵測階段H可以透過電流偵測主線路203與電流偵測輔助線路105而得知輸入電壓VIN為多少。因此，因應輸入電壓VIN的變化，只要控制主體201提供適當的補償電壓CP2至輸出控制單元207，就可以改變升壓式電源轉換線路101所欲輸出的預設目標電壓。換言之，升壓式電源轉換線路101的輸出可以反應於輸入電壓VIN的變化而產生改變(非維持在固定值(例如，400VDC))，藉以達到提升功率因數校正電源轉換裝置10之整體效率的目的。
相似地，由於控制主體201於偵測階段H可以透過電流偵測主線路203與電流偵測輔助線路105而得知輸入電壓VIN為多少。因此，只要控制主體201於偵測階段H得知/判斷出輸入電壓VIN不足時(即，符合輸入電壓VIN低於控制主體201所內建之設定值VBO的欠壓條件)， 則控制主體201就會停止產生脈寬調變訊號PW，藉以保護功率因數校正電源轉換裝置10免於受到輸入電壓VIN的不足而損毀，直至控制主體201於偵測階段H得知/判斷出輸入電壓VIN足夠時為止(即，不符合輸入電壓VIN低於控制主體201所內建之設定值VBO的欠壓條件)。
由此可知，一旦控制主體201獲得來自電流偵測主線路203的第一偵測結果後，控制主體201就可因應輸入電壓VIN的變化而據以：(1)對啟動過電流保護機制的過電流保護點OCPP進行補償；(2)對升壓式電源轉換線路101的輸出進行控制；以及(3)執行欠壓保護(brown out protection)。
基於上述各示範性實施例所揭示/教示的內容，圖6繪示為本發明一示範性實施例之功率因數校正電源轉換方法的流程圖。請參照圖6，本示範性實施例之功率因數校正電源轉換方法包括：提供升壓式電源轉換線路，並且致使升壓式電源轉換線路反應於脈寬調變訊號而對輸入電壓進行轉換，藉以產生並提供輸出電壓與系統電壓(步驟S601)；提供操作在系統電壓下的控制晶片，並且致使控制晶片反應於某一電子裝置的電源供應需求而產生脈寬調變訊號以控制升壓式電源轉換線路的運作(步驟S603)；提供耦接升壓式電源轉換線路與控制晶片之一只偵測接腳的電流偵測輔助線路，並且致使電流偵測輔助線路於偵測階段，輔助控制晶片透過該只偵測接腳以執行輸入 電壓的偵測(步驟S605)；致使控制晶片反應於輸入電壓之偵測的第一偵測結果，而對啟動過電流保護機制的過電流保護點進行補償(步驟S607)；致使控制晶片反應於一關聯於輸出電壓的回授電壓而將輸出電壓穩壓在某一預設目標電壓(步驟S609)；致使控制晶片更反應於輸入電壓之偵測的第一偵測結果而改變預設目標電壓(步驟S611)；以及致使控制晶片更反應於輸入電壓之偵測的第一偵測結果而決定是否停止產生脈寬調變訊號(步驟S613)。
於本示範性實施例中，當輸入電壓為一相對高輸入電壓時，則補償過後的過電流保護點可以為第一過電流保護點；當輸入電壓為一相對低輸入電壓時，則補償過後的過電流保護點可以為第二過電流保護點；以及第一過電流保護點與第二過電流保護點相異。另外，當輸入電壓為一相對高輸入電壓時，則預設目標電壓可以為第一預設目標電壓；當輸入電壓為一相對低輸入電壓時，則預設目標電壓可以為第二預設目標電壓；以及第一預設目標電壓可以大於第二預設目標電壓。再者，當輸入電壓之偵測的第一偵測結果符合一欠壓條件時，則致使控制晶片停止產生脈寬調變訊號。
綜上所述，本發明藉由在某一段時間切換設置在控制晶片內部且與控制晶片之一只偵測接腳連接的偵測開關，且透過電流偵測輔助線路與電流偵測主線路間的搭配而於 該段時間來執行升壓式電源轉換線路所接收之輸入電壓的偵測。基此，再根據所偵測的結果而對啟動過電流保護機制的過電流保護點進行補償。如此一來，本發明所執行的過電流保護(OCP)之偵測方式即可適應於不同的輸入電壓。另一方面，本發明亦可再根據所偵測的結果而執行欠壓保護(brown out protection)以及改變/決定升壓式電源轉換線路的輸出。
由此可知，本發明可以因應輸入電壓VIN的變化而據以：(1)對啟動過電流保護機制的過電流保護點OCPP進行補償；(2)對升壓式電源轉換線路101的輸出進行控制；以及(3)執行欠壓保護(brown out protection)。如此一來，即可大大地增加功率因數校正電源轉換裝置整體的功能與功效。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
10‧‧‧功率因數校正電源轉換裝置
101‧‧‧升壓式電源轉換線路
103‧‧‧控制晶片
105‧‧‧電流偵測輔助線路
107‧‧‧回授單元
201‧‧‧控制主體
203‧‧‧電流偵測主線路
205‧‧‧過電流保護單元
207‧‧‧輸出控制單元
401、501‧‧‧補償單元
403、503‧‧‧參考電壓源
T‧‧‧變壓器
D1、D2‧‧‧二極體
COUT‧‧‧電容
R1~R4、Rs‧‧‧電阻
SW‧‧‧偵測開關
Q‧‧‧N型功率開關
P1、P2‧‧‧PMOS電晶體
B1、B2‧‧‧雙載子接面電晶體
I1‧‧‧電流源
Np‧‧‧變壓器的主線圈
Na‧‧‧變壓器的輔助線圈
OPA1、OPA2‧‧‧運算放大器
D-PIN‧‧‧控制晶片的一只偵測接腳
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
VCC‧‧‧系統電壓
VFB‧‧‧回授電壓
VBO‧‧‧關聯於輸入電壓不足的設定值
Vbias1、Vbias2‧‧‧偏壓
Vref1、Vref2‧‧‧預設參考電壓
PW‧‧‧脈寬調變訊號
OCPP‧‧‧過電壓保護點
Vos‧‧‧輸出設定電壓
Vcs‧‧‧過電流保護偵測電壓
Vocp‧‧‧過電流保護參考電壓
CS‧‧‧控制訊號
DT1、DT2‧‧‧偵測結果
CM‧‧‧比較結果
CP1、CP2‧‧‧補償電壓
DGND‧‧‧危險地
SGND‧‧‧安全地
S601~S613‧‧‧本發明一示範性實施例之功率因數校正電源轉換方法的流程圖各步驟
下面的所附圖式是本發明的說明書的一部分，繪示了 本發明的示例實施例，所附圖式與說明書的描述一起說明本發明的原理。
圖1繪示為本發明一示範性實施例之功率因數校正電源轉換裝置(PFC power conversion apparatus)10的示意圖。
圖2繪示為本發明一示範性實施例之電源轉換裝置10的電路示意圖。
圖3繪示為本發明一示範性實施例之電流偵測主線路203的實施示意圖。
圖4繪示為本發明一示範性實施例之過電流保護單元205的實施示意圖。
圖5繪示為本發明一示範性實施例之輸出控制單元207的實施示意圖。
圖6繪示為本發明一示範性實施例之功率因數校正電源轉換方法的流程圖。
10‧‧‧功率因數校正電源轉換裝置
101‧‧‧升壓式電源轉換線路
103‧‧‧控制晶片
105‧‧‧電流偵測輔助線路
107‧‧‧回授單元
201‧‧‧控制主體
203‧‧‧電流偵測主線路
205‧‧‧過電流保護單元
207‧‧‧輸出控制單元
T‧‧‧變壓器
D1、D2‧‧‧二極體
COUT‧‧‧電容
R1~R4、Rs‧‧‧電阻
SW‧‧‧偵測開關
Q‧‧‧N型功率開關
Np‧‧‧變壓器的主線圈
Na‧‧‧變壓器的輔助線圈
D-PIN‧‧‧控制晶片的一只偵測接腳
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
VCC‧‧‧系統電壓
VFB‧‧‧回授電壓
VBO‧‧‧關聯於輸入電壓不足的設定值
PW‧‧‧脈寬調變訊號
OCPP‧‧‧過電壓保護點
Vos‧‧‧輸出設定電壓
Vcs‧‧‧過電流保護偵測電壓
CS‧‧‧控制訊號
DT1、DT2‧‧‧偵測結果
CM‧‧‧比較結果
CP1、CP2‧‧‧補償電壓
DGND‧‧‧危險地
SGND‧‧‧安全地

Claims (19)

  1. 一種功率因數校正電源轉換裝置，包括：一升壓式電源轉換線路，用以接收一輸入電壓，並且反應於一脈寬調變訊號而對該輸入電壓進行轉換，藉以產生並提供一輸出電壓；一控制晶片，耦接該升壓式電源轉換線路，用以反應於一電源供應需求而產生該脈寬調變訊號以控制該升壓式電源轉換線路的運作；以及一電流偵測輔助線路，耦接該升壓式電源轉換線路與該控制晶片的一偵測接腳，用以於一偵測階段，輔助該控制晶片執行該輸入電壓的偵測，其中，該控制晶片反應於該輸入電壓之偵測的一第一偵測結果，而對啟動一過電流保護機制的一過電流保護點進行補償。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之功率因數校正電源轉換裝置，其中該升壓式電源轉換線路包括：一變壓器，具有一主線圈與一輔助線圈，其中該主線圈的異名端用以接收該輸入電壓，而該輔助線圈的異名端則耦接至一危險地；一第一二極體，其陽極耦接該主線圈的同名端，而其陰極則用以產生該輸出電壓；一電容，其第一端耦接該第一二極體的陰極，而其第二端則耦接至一安全地；一N型功率開關，其第一端耦接該主線圈的同名端， 而其控制端則用以接收該脈寬調變訊號；以及一第一電阻，其第一端耦接該N型功率開關的第二端並提供一過電流保護偵測電壓給該控制晶片，而其第二端則耦接至該危險地。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之功率因數校正電源轉換裝置，其中該電流偵測輔助線路包括：一第二電阻，其第一端耦接該輔助線圈的同名端，而其第二端則耦接該偵測接腳；以及一第三電阻，其第一端耦接該第二電阻的第二端，而其第二端則耦接至該危險地。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之功率因數校正電源轉換裝置，其中該控制晶片包括：一控制主體，用以作為該控制晶片的一運作核心，並且反應於該電源供應需求而產生該脈寬調變訊號；一偵測開關，其第一端耦接該偵測接腳，而其控制端則用以接收來自該控制主體的一控制訊號，其中該偵測開關反應於該控制訊號而於該偵測階段導通；一電流偵測主線路，耦接於該偵測開關的第二端與該控制主體之間，用以於該偵測階段，執行該輸入電壓的偵測，並據以提供關聯於該輸入電壓之變化的該第一偵測結果給該控制主體；以及一過電流保護單元，耦接該控制主體，且具有該過電流保護點，用以於該功率因數校正電源轉換裝置運作的過程中，反應於該過電流保護偵測電壓而執行一過電流保護的偵測，並據以提供一第二偵測結果給該控制主體。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之功率因數校正電源轉換裝置，其中該電流偵測主線路包括：一第一NPN型雙載子接面電晶體，其射極耦接該偵測開關的第二端；一第二NPN型雙載子接面電晶體，其基極與集極耦接該第一雙載子接面電晶體的基極，而其射極則耦接至該危險地；一電流源，其第一端耦接至一第一偏壓，而其第二端則耦接該第二雙載子接面電晶體的集極；一第一PMOS電晶體，其源極耦接至一第二偏壓，而其閘極與汲極則耦接該第一NPN型雙載子接面電晶體的集極；以及一第二PMOS電晶體，其源極耦接至該第二偏壓，其閘極耦接該第一PMOS電晶體的閘極，而其汲極則用以輸出關聯於該輸入電壓之變化的該第一偵測結果。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之功率因數校正電源轉換裝置，其中該控制主體更反應於該第一偵測結果而對應地輸出一補償電壓以補償該過電流保護點。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之功率因數校正電源轉換裝置，其中該過電流保護單元包括：一運算放大器，其正輸入端用以接收該過電流保護偵測電壓，其負輸入端用以接收與該過電流保護點相對應的一過電流保護參考電壓，而其輸出端則用以輸出該第二偵測結果； 一補償單元，耦接該控制主體與該運算放大器的負輸入端，用以反應於一預設參考電壓與該補償電壓而產生該過電流保護參考電壓；以及一參考電壓源，耦接於該補償單元與該危險地之間，用以提供該預設參考電壓。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之功率因數校正電源轉換裝置，其中：當該輸入電壓為一相對高輸入電壓時，則經由該控制主體補償過後的該過電流保護點為一第一過電流保護點；當該輸入電壓為一相對低輸入電壓時，則經由該控制主體補償過後的該過電流保護點為一第二過電流保護點；以及該第一過電流保護點與該第二過電流保護點相異。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之功率因數校正電源轉換裝置，其中：該控制主體更反應於該第二偵測結果而決定是否啟動該過電流保護機制；以及當該控制主體反應於該第二偵測結果而決定啟動該過電流保護機制時，則該控制主體停止輸出該脈寬調變訊號，直至該控制主體反應於該第二偵測結果而決定關閉該過電流保護機制為止。
  10. 如申請專利範圍第4項所述之功率因數校正電源轉換裝置，更包括：一回授單元，耦接於該第一二極體之陰極與該安全地 之間，用以反應於該輸出電壓而提供一回授電壓給該控制晶片，其中，該控制晶片更反應於該回授電壓而將該輸出電壓穩壓在一預設目標電壓。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之功率因數校正電源轉換裝置，其中該控制晶片更反應於該第一偵測結果而改變該預設目標電壓，其中，當該輸入電壓為一相對高輸入電壓時，則該預設目標電壓為一第一預設目標電壓，當該輸入電壓為一相對低輸入電壓時，則該預設目標電壓為一第二預設目標電壓，以及該第一預設目標電壓大於該第二預設目標電壓。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之功率因數校正電源轉換裝置，其中該控制晶片更包括：一輸出控制單元，耦接該控制主體與該回授單元，用以反應於該回授電壓與一輸出設定電壓的比較而提供一比較結果給該控制主體，其中，該控制主體更反應於該比較結果而將該輸出電壓穩壓在該預設目標電壓，以及該控制主體更反應於該第一偵測結果而對應地輸出一補償電壓以改變該輸出設定電壓，從而改變預設目標電壓。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之功率因數校正電源轉換裝置，其中該輸出控制單元包括：一運算放大器，其正輸入端用以接收該輸出設定電 壓，其負輸入端用以接收該回授電壓，而其輸出端則用以輸出該比較結果；一補償單元，耦接該控制主體與該運算放大器的正輸入端，用以反應於一預設參考電壓與該補償電壓而產生該輸出設定電壓；以及一參考電壓源，耦接於該補償單元與該危險地之間，用以提供該預設參考電壓。
  14. 如申請專利範圍第4項所述之功率因數校正電源轉換裝置，其中：該控制主體更反應於該第一偵測結果而決定是否停止產生該脈寬調變訊號；以及當該第一偵測結果符合一欠壓條件時，則該控制主體停止產生該脈寬調變訊號。
  15. 如申請專利範圍第2項所述之功率因數校正電源轉換裝置，其中：該升壓式電源轉換線路更用以反應於該脈寬調變訊號而對該輸入電壓進行轉換，藉以產生並提供一系統電壓；以及該控制晶片係操作在該系統電壓下，而該升壓式電源轉換線路更包括一第二二極體，其陽極耦接該輔助線圈的同名端，而其陰極則用以產生該系統電壓。
  16. 一種功率因數校正電源轉換方法，包括：提供一升壓式電源轉換線路，並且致使該升壓式電源轉換線路反應於一脈寬調變訊號而對一輸入電壓進行轉 換，藉以產生並提供一輸出電壓與一系統電壓；提供操作在該系統電壓下的一控制晶片，並且致使該控制晶片反應於一電源供應需求而產生該脈寬調變訊號以控制該升壓式電源轉換線路的運作；提供耦接該升壓式電源轉換線路與該控制晶片之一偵測接腳的一電流偵測輔助線路，並且致使該電流偵測輔助線路於一偵測階段，輔助該控制晶片透過該偵測接腳以執行該輸入電壓的偵測；以及致使該控制晶片反應於該輸入電壓之偵測的一第一偵測結果，而對啟動一過電流保護機制的一過電流保護點進行補償。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之功率因數校正電源轉換方法，其中：當該輸入電壓為一相對高輸入電壓時，則補償過後的該過電流保護點為一第一過電流保護點；當該輸入電壓為一相對低輸入電壓時，則補償過後的該過電流保護點為一第二過電流保護點；以及該第一過電流保護點與該第二過電流保護點相異。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之功率因數校正電源轉換方法，更包括：致使該控制晶片反應於一關聯於該輸出電壓的回授電壓而將該輸出電壓穩壓在一預設目標電壓；以及致使該控制晶片更反應於該第一偵測結果而改變該預設目標電壓， 其中，當該輸入電壓為一相對高輸入電壓時，則該預設目標電壓為一第一預設目標電壓，當該輸入電壓為一相對低輸入電壓時，則該預設目標電壓為一第二預設目標電壓，以及該第一預設目標電壓大於該第二預設目標電壓。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之功率因數校正電源轉換方法，更包括：致使該控制晶片更反應於該第一偵測結果而決定是否停止產生該脈寬調變訊號，其中，當該第一偵測結果符合一欠壓條件時，則致使該控制晶片停止產生該脈寬調變訊號。
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