TWI473403B - 一種降低電容值使用量的方法及其裝置 - Google Patents

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Description

一種降低電容值使用量的方法及其裝置
本發明係關於一種降低電容值使用量的方法及其裝置，特別係指應用於一具有電容器的脈衝可控裝置(pulse activated device)，來改善功率因素(power factor)並同時取代大型電容器使用需求的方法，該脈衝可控裝置係指該裝置得以運作在一脈衝訊號的工作模式之中。
現行有許多電子裝置使用功率因素校正(power factor correction，PFC)電路，希望藉由調整電流與電壓間相位的關係來改善功率因素，以降低傳輸功率的損耗。
請參考第一圖所示，係說明一習用具有功率因素校正功能之電子式安定器，該安定器係應用於一燈具上，其具有一接地(GND)、一負載(14)、一橋式整流器(bridge rectifier)(11)、一PFC電路(12)和一定電壓電流控制器(13)。
該負載(14)，可為一陰極螢光燈管(CCFL)或其他類型之省電燈管(CFL)。
該橋式整流器(11)，係連接於一外部交流電源(10)，以將一交流電壓(alternating current(AC) voltage)整流至一全波整流電壓(full-wave rectified voltage)，其中，該外部交流電源(10)可為一家用的線電壓(line voltage)。
該PFC電路(12)，係用於改善該燈具之功率因素，常見係使用一種昇壓電路架構，透過輸出一高達400伏特的高直流電壓以降低傳輸功率的損耗，並透過改變輸入電壓和電流之間的相位關係來改善功率因素，其中，該PFC電路(12)係包括有一電感器(inductance)(121)、一返馳式二極體(flyback diode)(122)、一濾波電容器(filter capacitor)(123)、一開關(120)和一控制器(124)。
該電感器(121)，係連結於該橋式整流器(11)，以阻止輸入電流突然的改變。
該返馳式二極體(122)，係具有一陰極和一陽極，該陽極連接於該電感器(121)。
該濾波電容器(123)，係設置於該返馳式二極體(122)的陰極和該接地(GND)間，其具有一連接於該返馳式二極體(122)陰極的正端和一連接於該接地(GND)的負端。
該開關(120)，係控制該PFC電路(12)之導通迴路，並具有兩端，其中一端係連接於該電感器(121)和該返馳式二極體(122)，另一端則連接於該接地(GND)。
該導通迴路係具有一啟動狀態的迴路(ON-state loop)(100)和一關閉狀態的迴路(OFF-state loop)(101)。
當該開關(120)關閉(CLOSE)時，該啟動狀態的迴路(100)會導通該橋式整流器(11)、該電感器(121)和該接地(GND)之間的連結。
當該開關(120)開啟(OPEN)時，該關閉狀態的迴路(101)會導通該橋式整流器(11)和該電感器(121)的連結並使電流通過該返馳式二極體(122)至該濾波電容器(123)，以對該濾波電容器(123)進行充電。
該控制器(124)，係連結於該開關(120)，並發送一控制訊號來對應控制該開關(120)的開啟和關閉。
該定電壓電流控制器(13)係將該PFC電路(12)輸出的直流電轉換為驅動該負載的適當電壓或電流(14)。
請參考第一及二圖所示，當該全波整流電壓由峰值趨近於零時，該濾波電容器(123)會放電以維持足夠驅動電源，讓該定電壓電流控制器(13)得以在電壓較低時，仍可驅動該負載(14)，而此時會產生一漣波電壓(ripple voltage)(20)，在輸入電壓為120赫茲且經整流的電壓下降低於30%時，該漣波電壓(20)的表現特別明顯。
一般而言，該濾波電容器(123)必須具有高電容量(capacitance)的特性，以確保能提供足夠的能量給該定電壓電流控制器(13)來驅動該負載(14)，而常見的使用的電容器為電解電容器(electrolytic capacitor)，該電解電容器除具有高電容量、對高電壓具有抗性的優點外，價格也相對合理和便宜，但由於電解電容器係由液體(電解質)所組成，該液體會隨時間而逐漸乾涸進而降低電容器的使用壽命，特別是在高溫環境下將其應用於照明裝置時，更會加速縮減該電解電容器的使用壽命(通常每增加10℃便會使得該電解電容器的使用壽命減少一半)，雖然該電解電容器的使用壽命已經可以達到2000至8000小時，但一般陰極螢光燈管的壽命卻更可高達50000小時以上，通常燈具故障的原因大多是導因於電容器的損壞。
其他的電容器，如塑膠麥拉電容器(Plastic Mylar capacitor)，其具有較電解電容器長的使用壽命，應用在照明裝置時也具有較佳的成效，但其缺點在於其價格昂貴，且體積為具有相同電容量之電解電容器(大約10~20倍)。
因此，所有相關的製造商和研發人員都致力於開發一種具有低成本和小體積特性電容器的裝置，無論是否是使用PFC電路的電子產品或各種具有電容器且得以運作在一脈衝訊號工作模式中之脈衝可控裝置(pulse activated device)，皆希望能夠進一步達到降低裝置體積和增加產品使用壽命的目的。
本發明人有鑑於上述之習用脈衝可控裝置於電容器的使用上具有體積過大或成本較高的缺點，乃著手進行研發，以期可以解決先前技術所述之問題，經過不斷努力及試驗終於研發出本發明。
本發明之主要目的在於提供一種降低電容值使用量的方法，特別係應用於一具有電容器的脈衝可控裝置，來改善該裝置的功率因素(power factor)並同時取代大型電容器使用需求的方法。
本發明之方法係應用於一脈衝可控裝置，其包括有下列步驟：整流：將一交流電壓(alternating current(AC) voltage)整流為一脈衝直流電壓(pulsating direct current(DC) voltage)；檢測零點：檢測該脈衝直流電壓為零伏特的時間點；頻率相位鎖定同步：將該脈衝直流電壓與一時脈訊號進行頻率和相位的同步；設定脈衝期間：於該脈衝直流電壓趨近於零伏特時，於該時脈訊號中設定至少一上升時間點(rising time)和至少一下落時間點(falling time)；及啟動與關閉：根據該設定脈衝期間步驟所設定之上升和下落時間點對應啟動和關閉該脈衝可控裝置。
本發明的另一目的在於提供一種低電容需求量的脈衝可控裝置，其具有良好功率因素效率且具有較小電容使用需求量之特性，其可為一安定器(ballast)、一驅動裝置(a driver)或一充電器(charger)。
該脈衝可控裝置係至少包括有：一負載；一整流器，係將一交流電壓(AC voltage)整流為一脈衝直流電壓(pulsating DC voltage)；一驅動器，係用於驅動該負載；一電容器，係連接於該整流器和該驅動器之間，係儲有一電能作為提供該驅動器來驅動該負載之能量；及一控制器，係連接於該整流器和該驅動器之間，當該脈衝直流電壓趨近於零伏特時，該控制器將該驅動器對應關閉和開啟至少一段時間。
因此，藉由上述之方法與裝置，當一脈衝可控裝置被關閉時，其內部之電容器所儲存的電能維持在一穩定狀態，故應用本發明之脈衝可控裝置電容的需求量得以降低，體積亦相較傳統的裝置更來得輕薄短小。
有關本發明的較佳實施例及功效，茲配合圖式說明如下。
請參考第三至六圖所示，本發明之降低電容值使用量的方法，係可應用於一脈衝可控裝置，其包括有下列步驟：整流(30)：將一交流電壓(alternating current(AC)voltage)整流為一脈衝直流電壓(pulsating direct current(DC) voltage)(40)；檢測零點(31)：檢測該脈衝直流電壓(40)為零伏特的時間點；頻率相位鎖定同步(32)：將該脈衝直流電壓(40)與一時脈訊號進行頻率和相位的同步；設定脈衝期間(33)：於該脈衝直流電壓(40)趨近於零伏特時，於該時脈訊號中設定至少一上升時間點(rising time)和至少一下落時間點(falling time)；及啟動與關閉(34)：根據該設定脈衝期間(33)所設定之上升時間和下落時間點對應啟動和關閉該脈衝可控裝置。
該整流(30)所述之步驟可藉由將一整流器連接至一交流電源來達成。
該檢測零點(31)所述之步驟可藉由一差動放大器作為一零點感測器，來取得該脈衝直流電壓為零伏特的時間點。
該頻率相位鎖定同步(32)所述之步驟，可藉由一相位鎖定迴路(phase-locked loop,PLL)電路來達成。
該設定脈衝期間(33)所述之步驟，可藉由設置一工作週期選取器(duty cycle selector)連結於該頻率相位鎖定同步(32)所述之步驟的相位鎖定迴路電路來達成。
其中，該具有上升和下落時間點之時脈訊號具有一開啟時間及一關閉時間(41)，該關閉時間(41)的占空比(duty cycle)，可根據關閉時間(41)長短對應設計為10%至90%工作週期率。
其中，該時脈訊號係一脈衝寬度調變(pulse-width modulation,PWM)訊號。
請參考第四至六圖所示，係本發明之具有良好功率因素效率且具有較小電容使用需求量的脈衝可控裝置，並以一燈具作為一實施例來進行說明，其包括有：一負載(54)，係一冷陰極螢光燈管(Cold Cathode Fluorescent Lamp,CCFL)、一外部電極螢光燈管(External Electrode Fluorescent Lamp,EEFL)、一奈米碳燈管(Carbon Nanotube Lamp,CNL)、一發光二極體(Light Emitting Diode,LED)或一有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode,OLED);一整流器(51)，係連接於一外部交流電源(50)，來將一交流電壓整流為一脈衝直流電壓(40)，其中，該整流器(51)係可為一具有四個二極體(diode)所組成的全橋式整流器(full bridge rectifier)，該外部交流電源(50)可為一家用線電壓(line voltage)；一驅動器(53)，係用於驅動該負載(54)；一電容器(52)，係連接於該整流器(51)和該驅動器(53)之間，係儲存有一電能作為提供該驅動器(53)來驅動該負載(54)之能量，該儲存之電能大小對應於該電容器(52)的電容量(capacitance)；及一控制器(55)，係連接於該整流器(51)和該驅動器(53)之間，當該脈衝直流電壓(40)趨近於零伏特時，將該驅動器(53)對應關閉和開啟至少一段時間。
其中，該驅動器(53)係利用儲存於該電容器(52)的能量來產生電流以驅動該負載(54)，並使得儲存於該電容器(52)的能量開始減少，其減少的速率會因該電容器(52)的電容量和負載(54)的種類而有所不同。
當負載(54)為一冷陰極螢光燈管、一外部電極螢光燈管或一奈米碳燈管時，該驅動器(53)為一換流器，當負載(54)為一發光二極體時，該驅動器(53)為一定電流裝置(constant current device)，當該負載(54)為一有機發光二極體時，該驅動器(53)為一定電壓裝置。
其中，該控制器(55)係透過一PWM訊號來對應開啟和關閉該驅動器(53)，其包括有一相位鎖定迴路(phase-locked loop,PLL)電路(551)及一工作週期選擇器(552)。
該PLL電路(551)，係連結於該整流器(51)，以感測該脈衝直流電壓(40)的頻率和相位，來對應產生一時脈訊號(clock signal)，其中，該時脈訊號之頻率與該脈衝直流電壓(40)同步。
該工作週期選擇器(552)，係連結於該相位鎖定迴路電路(551)及該驅動器(53)，其接收該時脈訊號，並對應於該時脈訊號產生該PWM訊號，來對應啟動或關閉該驅動器(53)。
該PWM訊號具有至少一上升時間點和至少一下落時間點，該上升時間點與下落時間點形成一開啟時間和一關閉時間(41)，以對應開啟或關閉該驅動器(53)至少一段時間。該關閉時間(41)的占空比(duty cycle)，可根據關閉長短對應設計之為10%至90%工作週期率。
請參考第七及八圖所示，本發明之脈衝可控裝置更可包括有一連結於該電容器(52)的功率因素校正(power factor correction,PFC)電路，該PFC電路(56)係提供一功率因素校正功能，以改善該脈衝可控裝置的功率因素(power factor)，其中，該PFC電路可為一主動式(active)PFC電路(56A)或一具有電壓隔離特性之主動式PFC電路(56B)。
然而，透過該控制器(55)來對應關閉該驅動器(53)會降低燈具輸出的光強度，不過此項缺點可透過提供更高電壓或電流來達到補償效果，再者，綜觀目前照明技術，稍微降低輸出的強度並不會造成人們使用上的困擾。本發明人將本發明應用於燈具試驗中發現，將該關閉時間(41)的占空比設定在10~25%工作週期率為本發明之較佳的實施方式。
另外，對於一些具有高熱敏感的燈具(如發光二極體燈具)，透過本發明於特定時間點關閉後再開啟，可降低熱能的產生，來避免溫度過高而造成燈具本身的毀損。
綜上所述，本發明之方法與裝置，當一脈衝可控裝置被關閉時，其內部之電容器所儲存的電能不會因該脈衝直流電壓在驅近零伏特時減少，反而會維持在一穩定狀態，故應用本發明之脈衝可控裝置電容的需求量得以降低，體積亦較傳統的裝置更來得輕薄短小。
(10)．．．外部交流電源
(100)．．．啟動狀態的迴路
(101)．．．關閉狀態的迴路
(11)．．．橋式整流器
(12)．．．功率因素校正電路
(120)．．．開關
(121)．．．電感器
(122)．．．返馳式二極體
(123)．．．濾波電容器
(13)．．．定電壓電流控制器
(14)．．．負載
(20)．．．漣波電壓
(30)．．．整流
(31)．．．檢測零點
(32)．．．頻率相位鎖定同步
(33)．．．設定脈衝期間
(34)．．．啟動與關閉
(40)．．．脈衝直流電壓
(41)．．．關閉時間
(50)．．．外部交流電源
(51)．．．整流器
(52)．．．電容器
(53)．．．驅動器
(54)．．．負載
(55)．．．控制器
(551)．．．相位鎖定迴路電路
(552)．．．工作週期選擇器
(56A)．．．主動式功率因素校正電路
(56B)．．．電壓隔離之主動式功率因素校正電路
第一圖係一習用具有功率因素校正(power factor correction,PFC)電路之冷陰極螢光燈管的電路架構圖。
第二圖係第一圖中電容器因接收該整流器之全波整流電壓，所對應釋放電壓而形成具有漣波的電壓波形示意圖。
第三圖係本發明之降低脈衝可控裝置電容值使用量的方法流程圖。
第四圖係電容器對於一脈衝直流電壓所受到一脈衝寬度調變訊號調變的波形關係圖。
第五圖係相較第四圖，該脈衝直流電壓具有複數個上升時間和下落時間點，其與脈衝直流電壓的波形關係圖。
第六圖係本發明之裝置的結構示意圖。
第七圖係在本發明之裝置中更設有一主動式功率因素校正電路的結構示意圖。
第八圖係在本發明之裝置中更設有一電壓隔離(voltage isolation)之主動式功率因素校正電路的結構示意圖。
(30)．．．整流
(31)．．．檢測零點
(32)．．．頻率相位鎖定同步
(33)．．．設定脈衝期間
(34)．．．啟動與關閉

Claims (11)

  1. 一種可以降低電容值使用量的方法，係應用於一脈衝可控裝置，其包括有下列步驟：整流：將一交流電壓整流為一脈衝直流電壓；檢測零點：檢測該脈衝直流電壓為零伏特的時間點；頻率相位鎖定同步：將該脈衝直流電壓與一時脈訊號進行頻率和相位的同步；設定脈衝期間：於該脈衝直流電壓趨近於零伏特時，於該時脈訊號中設定至少一上升時間點和至少一下落時間點；及啟動與關閉：根據該設定脈衝期間所設定之上升時間和下落時間點對應啟動和關閉該脈衝可控裝置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該啟動與關閉步驟中關閉時間的占空比，係選自於10%至90%之工作週期率。
  3. 一種降低電容值使用量的裝置，係包括有：一負載；一整流器，係連接於一外部交流電源，來將一交流電壓整流為一脈衝直流電壓；一驅動器，係用於驅動該負載；一電容器，係連接於該整流器和該驅動器之間，係儲存有一電能作為提供該驅動器來驅動該負載之能量，該儲存之電能大小對應於該電容器的電容量；及一控制器，係連接於該整流器和該驅動器之間，當該脈衝直流電壓趨近於零伏特時，將該驅動器對應關閉和開 啟至少一段時間，其中，該控制器包括有一相位鎖定迴路(phase-locked loop,PLL)電路及一工作週期選擇器，該相位鎖定迴路電路感測該脈衝直流電壓的頻率和相位，來對應產生一時脈訊號(clock signal)，該工作週期選擇器連結於該PLL電路及該驅動器，用以接收該時脈訊號，並對應於該時脈訊號產生一脈衝寬度調變(pulse-width modulation,PWM)，來對應啟動或關閉該驅動器。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的裝置，其中，該整流器係一全橋式整流器。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的裝置，其中，該負載係一冷陰極螢光燈管、一外部電極螢光燈管或一奈米碳燈管時，該驅動器係一換流器。
  6. 如申請專利範圍第3項所述的裝置，其中，該負載為一發光二極體時，該驅動器為一定電流裝置。
  7. 如申請專利範圍第3項所述的裝置，其中，該負載為一有機發光二極體時，該驅動器為一定電壓裝置。
  8. 如申請專利範圍第3項所述的裝置，其中，該PWM訊號具有至少一開啟時間和至少一關閉時間，該關閉時間的占空比設定為10~25%工作週期率。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的裝置，其中，該脈衝可控裝置更連結有一功率因素校正電路以改善功率因素。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之裝置，其中，該功率因素校正電路係一主動式功率因素校正電路。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之裝置，其中，該功率因素校正電路係一電壓隔離(voltage isolation)之主動式功 率因素校正電路。
TW99114597A 2009-05-08 2010-05-07 一種降低電容值使用量的方法及其裝置 TWI473403B (zh)

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