TWI496395B - 功率因數改善電路及方法以及應用該功率因數改善電路的離線式轉換器 - Google Patents

功率因數改善電路及方法以及應用該功率因數改善電路的離線式轉換器 Download PDF

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Description

功率因數改善電路及方法以及應用該功率因數改善電路的離線式轉換器
本發明係有關一種功率因數(power factor)改善電路及方法，特別是關於一種應用於離線式轉換器的功率因數改善電路及方法。
圖1係用以驅動發光二極體(Light Emitting Diode;LED)的電源供應器10，其包括橋式整流器14用以整流交流電壓VAC以及離線式轉換器16用以提供輸出電流Io給LED 12，傳統的離線式轉換器16係根據電流調整信號Sdim調整其輸出電流Io，如圖2所示輸出電流Io係正比於電流調整信號Sdim的電壓準位，又輸出電流Io的平均值決定LED 12的亮度，因此可以藉由改變電流調整信號Sdim來調整LED 12的亮度。
然而，如圖4的波形20及22所示，輸入電壓VIN為週期性弦波，因此為了讓離線式轉換器16達成高功率因數，需要取得離線式轉換器16的輸入電壓VIN的交流成分資訊，習知的功率因數改善方法如圖3所示，其係利用電阻R1及R2分壓輸入電壓VIN產生包含輸入電壓VIN的交流成分的電流調整信號Sdim給離線式轉換器16，進而改善離線式轉換器16的功率因數。但是此方法也使得電流調整信號Sdim的平均值隨輸入電壓VIN的直流成分改變，因此輸出電流Io的平均值將受到輸入電壓VIN的直流成分影響而無法準確控制。圖4顯示在不同輸入電壓VIN下的電流調整信號Sdim，在高輸入電壓VIN時，如波形20所示，輸入電壓VIN具有較大的直流成分VHavg，故所得到的電流調整信號Sdim也具有較大的平均值Vavg1，如波形24所示，使得離線式轉換器16提供較大的輸出電流Io。在低輸入電壓VIN時，如波形22所示，輸入電壓VIN的直流成分VLavg較小，故所取得的電流調整信號Sdim具有較低的平均值Vavg2，如波形26所示，因而使離線式轉換器16提供較小的輸出電流Io。
因此，一種改善功率因數而且能準確控制輸出電流的電路，乃為所冀。
本發明的目的之一，在於提出一種應用於離線式轉換器的功率因數改善電路及方法。
本發明的目的之一，在於提出一種高功率因數且準確控制輸出電流的離線式轉換器。
根據本發明，一種應用於離線式轉換器的功率因數改善電路包括電壓偵測器以及直流偏壓電路，該電壓偵測器阻擋該離線式轉換器的輸入電壓的直流成分並偵測該輸入電壓的交流成分得到與該交流成分具有比例關係的偵測信號，該直流偏壓電路提供直流偏壓與該偵測信號重疊以產生電流調整信號給該離線式轉換器以調節該離線式轉換器的輸出電流。
根據本發明，一種應用於離線式轉換器的功率因數改善方法包括阻擋該離線式轉換器的輸入電壓的直流成分以取得與該輸入電壓的交流成分具有比例關係的偵測信號；將該偵測信號重疊至直流偏壓以產生電流調整信號；以及根據該電流調整信號決定該離線式轉換器的輸出電流。
根據本發明，一種離線式轉換器包括控制器根據電流調整信號決定該離線式轉換器的輸出電流以及功率因數改善電路提供該電流調整信號。該功率因數改善電路包括電壓偵測器以及直流偏壓電路，該電壓偵測器阻擋該離線式轉換器的輸入電壓的直流成分，並取得與該輸入電壓的交流成分具有比例關係的偵測信號，該直流偏壓電路提供直流偏壓與該偵測信號重疊以產生該電流調整信號。
本發明的功率因數改善電路所提供的該電流調整信號具有該離線式轉換器的輸入電壓的交流成分，故可使該離線式轉換器達成高功率因數，而且該電流調整信號的平均值由該直流偏壓決定，因此藉由控制該直流偏壓可以準確的控制該離線式轉換器的輸出電流的平均值。
圖5的電源供應器10與圖1的電路同樣包括橋式整流器14及離線式轉換器16，此外還包括功率因數改善電路30根據輸入電壓VIN以提供電流調整信號Sdim給離線式轉換器16。功率因數改善電路30包括電壓偵測器32及直流偏壓電路34，電壓偵測器32包含串聯的電阻R1及R2以及去耦合電容C1與電阻R1串聯在電壓偵測器32的輸入端VIN及電阻R2之間，去耦合電容C1係用以阻擋輸入電壓VIN的直流成分，電阻R1及R2分壓輸入電壓VIN的交流成分產生偵測信號Sac，偵測信號Sac與直流偏壓電路34提供的直流偏壓Vbias’重疊產生電流調整信號Sdim。直流偏壓電路34包括電壓源35提供直流偏壓Vbias’。由於輸入電壓VIN的直流成分被去耦合電容C1阻擋，因此偵測信號Sac的直流準位為零，故偵測信號Sac與直流偏壓Vbias’重疊產生電流調整信號Sdim後，電流調整信號Sdim的直流準位(即平均值)等於直流偏壓Vbias’，換言之，直流偏壓Vbias’決定離線式轉換器16的輸出電流Io的平均值，藉由控制直流偏壓Vbias’可以準確的控制輸出電流Io的平均值。此外電流調整信號Sdim的交流成分係由偵測信號Sac決定，而偵測信號Sac與輸入電壓VIN的交流成分具有比例關係，因此電流調整信號Sdim包含輸入電壓VIN的交流成分，故可使離線式轉換器16達成高功率因數。在此實施例中，使用去耦合電容C1來阻擋輸入電壓VIN的直流成分，在其他實施例中，也可以使用其他可以阻擋直流成分的元件或電路來取代去耦合電容C1。
為了更容易理解，圖6顯示圖5的電流調整信號Sdim在不同輸入電壓VIN下的波形，在高輸入電壓VIN時，如圖6的波形20所示，功率因數改善電路30阻擋輸入電壓VIN的直流成分VHavg後，將輸入電壓VIN的交流成分分壓並重疊至直流偏壓Vbias’以產生如圖6的波形36所示的電流調整信號Sdim。在低輸入電壓VIN時，如圖6的波形22所示，功率因數改善電路30阻擋輸入電壓VIN的直流成分VLaVg後，將輸入電壓VIN的交流成分分壓並重疊至直流偏壓Vbias’以產生如圖6的波形38所示的電流調整信號Sdim。由圖6的波形36及38可知，不論是高輸入電壓VIN或低輸入電壓VIN，電流調整信號Sdim的直流準位皆等於直流偏壓Vbias’，而電流調整信號Sdim的交流成分則與輸入電壓VIN的交流成分具有比例關係。
圖5的離線式轉換器16可以是各種類型的離線式轉換器，例如升壓式、降壓式、非隔離式(non-isolation)或隔離式(isolation)，而功率因數改善電路30也可以整合至離線式轉換器16中。
圖7顯示本發明功率因數改善電路30的第二實施例，其中離線式轉換器16係離線非隔離降壓式轉換器，而且功率因數改善電路30整合至離線式轉換器16中。在圖7的離線式轉換器16中，離線式轉換器16的輸入端40接收輸入電壓VIN，功率開關Q1與二極體D1串聯在輸入端40及接地端GND之間，電感L1連接在功率開關Q1及離線式轉換器16的輸出端46之間，電流感測器44包括電阻Rs與電感L1串聯，用以感測電感L1的電流IL產生電流感測信號Vcs，功率因數改善電路30偵測離線式轉換器16的輸入端40的輸入電壓VIN產生電流調整信號Sdim，控制器42根據電流調整信號Sdim及電流感測信號Vcs決定控制信號Vg控制功率開關Q1的切換。
圖7的功率因數改善電路30包括電壓偵測器32、直流偏壓電路34、電阻R5及電容C2及C3。電壓偵測器32包括去耦合電容C1用以阻擋輸入電壓VIN的直流成分以及電阻R1及R2用以分壓輸入電壓VIN的交流成分產生偵測信號Sac。直流偏壓電路34包括電阻R3及R4以及稽納二極體(zener diode)ZD，電阻R3及R4係作為限流電阻用以限制稽納二極體ZD的電流，稽納二極體ZD的陰極連接直流偏壓電路34的輸出端48，並且經電阻R3及R4連接離線式轉換器16的輸入端40，當輸入電壓VIN大於稽納二極體ZD的崩潰(breakdown)電壓時，稽納二極體ZD發生逆偏，而且其陰極的電壓將維持在定值，因此，直流偏壓電路34將提供穩定的直流偏壓Vbias’。電阻R5與電阻R2組成分壓電路分壓直流偏壓Vbias’產生直流偏壓Vbias與偵測信號Sac重疊以產生電流調整信號Sdim。電容C2及C3係用來濾除非預期的突波。
圖8顯示圖7的控制器42的實施例，其包括驅動器50、正反器52、比較器54及放大器56。放大器56線性放大電流調整信號Sdim產生電流調整信號Sdim_a，比較器54比較電流調整信號Sdim_a及電流感測信號Vcs產生比較信號Sr，正反器52具有設定端S接收時脈信號Clk以及重置端R接收比較信號Sr，正反器52根據時脈信號Clk及比較信號Sr產生信號Q，驅動器50根據信號Q產生控制信號Vg。在其他實施例中，放大器56可以用其他元件取代，例如緩衝器，或者也可以省略。
在圖8中，放大器56具有增益1/K，而且其電源端係分別接收電壓Vcc及Vss，當放大後的電流調整信號Sdim_a的最大值高於電壓Vcc或最小值低於電壓Vss時，將產生不正確的操作，因此電流調整信號Sdim_a的波形必須在電壓Vcc及Vss之間，換言之，電流調整信號Sdim必須在上限Vmax=Vcc×K及下限Vmin=Vss×K之間，如圖9所示。在圖9中，電流調整信號Sdim與直流偏壓Vbias之間具有三個區域，即直流偏壓Vbias大於電流調整信號Sdim的區域A1及A2以及直流偏壓Vbias小於電流調整信號Sdim的區域A3，由於電流調整信號Sdim的平均值等於直流偏壓Vbias，因此區域A3=A1+A2。
本發明的功率因數改善電路30也可以應用在離線隔離式轉換器。圖10的離線式轉換器16為離線隔離式轉換器，其中功率因數改善電路30偵測輸入電壓VIN產生電流調整信號Sdim，圖10的功率因數改善電路30與圖7的電路同樣具有電壓偵測器32、直流偏壓電路34、電阻R5及電容C2及C3。離線式轉換器16的變壓器50包括一次側線圈L1、二次側線圈L2及輔助線圈L3，其中一次側線圈L1與功率開關Q1串聯在輸入端40及接地端GND之間，二次側線圈L2連接輸出端46，輔助線圈L3用以感應二次側線圈L2的電壓Vo產生電壓VL3。串聯的電阻R6及R7連接輔助線圈L3，用以分壓電壓VL3產生電壓Vfb給控制器42，以供回授網路路徑達成定電流(Constant Current;CC)及定電壓(Constant Voltage;CV)。電流感測器44包括與功率開關Q1串聯的電阻Rs，用以感測功率開關Q1的電流Iq1產生電流感測信號Vcs。控制器42根據電流調整信號Sdim及電流感測信號Vcs決定控制信號Vg以切換功率開關Q1，進而控制輸出端46的輸出電流Io。圖10的控制器42的概念類似於圖8的電路，本領域的技術人員可以根據圖8的電路推得控制器42的電路。
10．．．電源供應器
12．．．LED
14．．．橋式整流器
16．．．離線式轉換器
20．．．輸入電壓VIN
22．．．輸入電壓VIN
24．．．電流調整信號Sdim
26．．．電流調整信號Sdim
30．．．功率因數改善電路
32．．．電壓偵測器
34．．．直流偏壓電路
35．．．電壓源
36．．．電流調整信號Sdim
38．．．電流調整信號Sdim
40．．．離線式轉換器的輸入端
42．．．控制器
44．．．電流感測器
46．．．離線式轉換器的輸出端
48．．．直流偏壓電路的輸出端
圖1係習知的LED驅動器；
圖2顯示圖1中電流調整信號Sdim及輸出電流Io的波形；
圖3顯示傳統改善離線式轉換器的功率因數的方法；
圖4顯示圖3中輸入電壓VIN及電流調整信號Sdim的波形；
圖5顯示本發明功率因數改善電路的第一實施例；
圖6顯示圖5的輸入電壓VIN及電流調整信號Sdim；
圖7顯示本發明功率因數改善電路的第二實施例；
圖8顯示圖7控制器的實施例；
圖9係圖8的電流調整信號Sdim；以及
圖10顯示功率因數改善電路應用在離線隔離式轉換器的實施例。
10．．．電源供應器
12．．．LED
14．．．橋式整流器
16．．．離線式轉換器
30．．．功率因數改善電路
32．．．電壓偵測器
34．．．直流偏壓電路
35．．．電壓源

Claims (12)

  1. 一種應用於離線式轉換器的功率因數改善電路，用以提供電流調整信號給該離線式轉換器以決定該離線式轉換器的輸出電流，該功率因數改善電路包括：電壓偵測器，用以阻擋該離線式轉換器的輸入電壓的直流成分，並取得與該輸入電壓的交流成分具有比例關係的偵測信號；以及直流偏壓電路，連接該電壓偵測器，提供直流偏壓與該偵測信號重疊以產生該電流調整信號。
  2. 如請求項1之功率因數改善電路，其中該電壓偵測器包括：串聯的第一電阻及第二電阻，用以分壓該輸入電壓的交流成分產生該偵測信號；以及去耦合電容，與該第一電阻串聯在該電壓偵測器的輸入端及該第二電阻之間，用以阻擋該輸入電壓的直流成分。
  3. 如請求項1之功率因數改善電路，其中該直流偏壓電路包括電壓源提供該直流偏壓。
  4. 如請求項1之功率因數改善電路，其中該直流偏壓電路包括：稽納二極體，具有陰極連接該直流偏壓電路的輸出端，用以決定該直流偏壓；以及限流電阻，連接在該稽納二極體的陰極及該直流偏壓電路的輸入端之間，用以限制通過該稽納二極體的電流。
  5. 一種應用於離線式轉換器的功率因數改善方法，包括下列步驟：阻擋該離線式轉換器的輸入電壓的直流成分以取得與該輸入電壓的交流成分具有比例關係的偵測信號；將該偵測信號重疊至直流偏壓以產生電流調整信號；以及根據該電流調整信號決定該離線式轉換器的輸出電流。
  6. 一種高功率因數的離線式轉換器，包括：控制器，根據電流調整信號決定該離線式轉換器的輸出電流；以及功率因數改善電路，包括：電壓偵測器，阻擋該離線式轉換器的輸入電壓的直流成分，並取得與該輸入電壓的交流成分具有比例關係的偵測信號；以及直流偏壓電路，連接該電壓偵測器及該控制器，提供直流偏壓與該偵測信號重疊以產生該電流調整信號。
  7. 如請求項6之離線式轉換器，更包括：功率開關，連接該控制器，受控於來自該控制器的控制信號以調節該輸出電流；電感，連接在該功率開關及該離線式轉換器的輸出端之間；以及電流感測器，連接該電感，用以感測該電感的電流產生電流感測信號給該控制器。
  8. 如請求項7之離線式轉換器，其中該控制器包括：放大器，線性放大該電流調整信號；比較器，連接該放大器，比較該電流感測信號及該放大後的電流調整信號產生比較信號；以及正反器，具有設定端接收時脈信號及重置端接收該比較信號，根據該時脈信號及該比較信號決定該控制信號。
  9. 如請求項6之離線式轉換器，更包括：功率開關，連接該控制器，受控於來自該控制器的控制信號以調節該輸出電流；變壓器，具有一次側線圈與該功率開關串聯以及二次側線圈連接該離線式轉換器的輸出端；以及電流感測器，連接該功率開關，用以感測該功率開關的電流產生電流感測信號給該控制器。
  10. 如請求項6之離線式轉換器，其中該電壓偵測器包括：串聯的第一電阻及第二電阻，連接該離線式轉換器的輸入端，用以分壓該輸入電壓的交流成分產生該偵測信號；以及去耦合電容，與該第一電阻串聯在該離線式轉換器的輸入端及該第二電阻之間，用以阻擋該輸入電壓的直流成分。
  11. 如請求項6之離線式轉換器，其中該直流偏壓電路包括電壓源提供該直流偏壓。
  12. 如請求項6之離線式轉換器，其中該直流偏壓電路包括：稽納二極體，具有陰極連接該直流偏壓電路的輸出端，用以決定該直流偏壓；以及限流電阻，連接在該稽納二極體的陰極及該離線式轉換器的輸入端之間，用以限制通過該稽納二極體的電流。
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