TWI678874B - 可提升功率因素的電源供應電路 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種電源供應電路。該電源供應電路可包含：交流直流轉換器、變壓器、第一電流開關、開關控制電路與功率因素提升電路。該交流直流轉換器可用以將一交流電源訊號轉換為一直流電源訊號。該變壓器包含一次側及二次側，其中該一次側的第一端耦接於該交流直流轉換器，該二次側的第二端耦接於接地電位，該第一電流開關的第一端耦接於該變壓器的該一次側的第二端，且該第一電流開關的第二端通過阻抗元件而耦接於該接地電位。該功率因素提升電路選擇性地調整零電流偵測電壓，以使該開關控制電路將該第一電流開關設置為導通狀態。

Description

可提升功率因素的電源供應電路
本發明有關於一種電源供應電路，尤指一種可改善高輸入電壓的功率因素的電源供應電路。
目前，有許多產業標準被制定來規範電子產品的用電效率，以達到節約能源的目的。例如：有些產業標準要求電源供應電路的功率因素需要達到0.9或更高的數值。目前許多電子產品皆可接受100~240伏特的輸入電壓，當輸入電壓較低時，高功率因素的要求較容易達到。然而，當輸入電壓較高時，高功率因素的要求則不易達成。相較於低輸入電壓，電子產品採用高輸入電壓時的輸入電流通常比較小，無法有效達到修正功率因素的目標，而導致功率因素無法符合能源效率的相關規範。因此，需要一種新穎的方法及相關架構，以改善高輸入電壓之功率因素。
本發明之一目的在於提供一種可改善高輸入電壓的功率因素的電源供應電路，以解決上述問題。
本發明之至少一實施例提供一種電源供應電路，用以供電於一負載，該電源供應電路包含一交流直流轉換器、一變壓器、一第一電流開關、一開關控制電路與一功率因素提升電路。該交流直流轉換器可用以將一交流電源 訊號轉換為一直流電源訊號。該變壓器包含一一次側及一二次側，其中該一次側的一第一端耦接於該交流直流轉換器，該二次側的一第二端耦接於一接地電位，該第一電流開關的一第一端耦接於該變壓器的該一次側的一第二端，該第一電流開關的一第二端通過一阻抗元件而耦接於該接地電位，並且該開關控制電路可耦接於該變壓器的該二次側的一第一端、該第一電流開關的一控制端及該第一電流開關的該第二端，以設置該第一電流開關呈現一導通狀態或一不導通狀態。另外，該功率因素提升電路耦接於該交流直流轉換器及該變壓器的該二次側的該第一端。當該開關控制電路判斷該第一電流開關的該第二端上的一偵測電壓大於一第一預設電壓值時，該開關控制電路會設置該第一電流開關呈現該不導通狀態。當該開關控制電路判斷該變壓器的該二次側的該第一端上的一零電流偵測電壓小於一第二預設電壓值時，該開關控制電路會設置該第一電流開關呈現該導通狀態。此外，當該直流電源訊號大於一預設輸入電壓位準時，該功率因素提升電路會將該零電流偵測電壓設置為小於該第二預設電壓值，使該開關控制電路將該第一電流開關設置為該導通狀態。
本發明的好處之一是，電源供應電路在整個輸入電壓範圍內皆能夠有效地提升功率因素，以提升電子產品的用電效率。
10‧‧‧電子裝置
11‧‧‧電源供應電路
12‧‧‧負載
50‧‧‧交流直流轉換器
100‧‧‧直流控制電路
110‧‧‧主動功率因素修正器
112‧‧‧開關控制電路
114‧‧‧變壓器
120‧‧‧功率因素提升電路
122‧‧‧比較電路
122C‧‧‧比較器
124‧‧‧電壓調整電路
D‧‧‧二極體
Co‧‧‧電容器
L,LZCD‧‧‧電感器
Q,Q1‧‧‧電流開關
RS‧‧‧阻抗元件
Rc,R1,R2,RD‧‧‧電阻器
Vcom,ZCD,N1,N2,AC+,AC-‧‧‧端子
GND‧‧‧接地
IL,IQ‧‧‧電流
VS‧‧‧偵測電壓
VZCD‧‧‧零電流偵測電壓
VGS_Q‧‧‧電壓
t‧‧‧時間
T‧‧‧週期
TOFF(0),TOFF(1)‧‧‧關閉時期
TON(0),TON(1)‧‧‧開啟時期
第1圖為依據本發明一實施例之一種電子裝置的示意圖。
第2圖繪示第1圖所示之功率因素提升電路的例子。
第3圖繪示第1圖所示架構的相關訊號的例子。
第1圖為依據本發明一實施例之一種電子裝置10的示意圖。電子裝置10可包含一電源供應電路11及其負載12，而電源供應電路11可包含一組交流電源端子諸如端子{AC+,AC-}、一交流直流轉換器(Alternating Current -to-Direct Current converter)50、以及一直流控制電路100，其中直流控制電路100中之各個元件可區分為一主動功率因素修正器(active power factor corrector)110與一功率因素提升電路120。電源供應電路11可用以供電於負載12。為了便於理解，電源供應電路11可透過一組電源輸出端子提供電源給電子裝置10中之其他電路，在本實施例中將其他電路簡化繪示為負載12，以更清楚地說明。
如第1圖所示，主動功率因素修正器110可包含一開關控制電路112、一變壓器114、一電流開關Q、一阻抗元件RS、一二極體D以及一電容器Co，其中變壓器114包含一一次側(primary side)及一二次側(secondary side)。為了便於理解，變壓器114之該一次側與該二次側各自的線圈(諸如主線圈與輔助線圈)可分別視為電感器L與LZCD。該一次側(例如電感器L)的一第一端與一第二端，諸如其左側端子與右側端子，分別耦接至交流直流轉換器50與二極體D。該二次側(例如電感器LZCD)的一第一端與一第二端，諸如其左側端子與右側端子，分別耦接至開關控制電路112與一接地電位(以接地GND表示)。電流開關Q的一第一端(諸如其上方端子)耦接至變壓器114的該一次側的該第二端(諸如電感器L之右側端子)，並且電流開關Q的一第二端(諸如其下方端子)通過阻抗元件RS而耦接至該接地電位(以接地GND表示)。開關控制電路112耦接於變壓器114的該二次側的該第一端(諸如電感器LZCD之左側端子)、電流開關Q的一控制端(諸如其左側端子)及電流開關Q的該第二端(諸如其下方端子)，以設置電流開關Q呈現一導通狀態或一不導通狀態。另外，功率因素提升電路120耦接至交流直流轉換器50及變壓器114的該二次側的該第一端(諸如電感器LZCD之左側端子)。功率因素提升電路120可包含耦接至交流直流轉換器50之一比較電路122、 以及耦接至比較電路122及變壓器114的該二次側的該第一端(諸如電感器LZCD之左側端子)之一電壓調整電路124。在上述的實施例中，交流直流轉換器50可以採用橋式整流器或其他合適的電路架構等方式實施；電流開關Q可以採用電晶體或其他的電路元件等方式實施；阻抗元件RS可以採用電阻器或其他的電路元件等方式實施。
依據本實施例，交流直流轉換器50可將接收自端子{AC+,AC-}之至少一交流電源訊號轉換為一直流電源訊號，且透過端子N1將該直流電源訊號傳送至主動功率因素修正器110。主動功率因素修正器110可修正功率因素，尤其，可進行偵測以產生多個偵測訊號(例如零電流偵測電壓VZCD與偵測電壓VS)，且依據該些偵測訊號進行切換控制以將該直流電源訊號轉換為一輸出電源訊號(諸如，另一電壓位準的直流電源訊號)，以供電給負載12。基於該切換控制，電流開關Q交替地(alternately)開啟與關閉，以於該導通狀態與該不導通狀態之間切換。舉例來說，該直流電源訊號通過該變壓器114之該一次側，而變壓器114可於變壓器114之該二次側產生零電流偵測電壓VZCD。開關控制電路112可分別透過端子Vcom與ZCD接收阻抗元件RS之兩端子之間的偵測電壓VS與零電流偵測電壓VZCD。當開關控制電路112判斷電流開關Q的該第二端上的偵測電壓VS大於一第一預設電壓值(例如目標電壓值Vcom)時，開關控制電路112會設置電流開關Q呈現該不導通狀態。當開關控制電路112判斷變壓器114的該二次側的該第一端上的零電流偵測電壓VZCD小於一第二預設電壓值(例如一低電壓位準諸如0.3V)時，開關控制電路112會設置電流開關Q呈現該導通狀態。
另外，功率因素提升電路120可從端子N1取得該直流電源訊號，且可依據該直流電源訊號動態地(dynamically)調整零電流偵測電壓VZCD，以引導主動功率因素修正器110提升該功率因素。當該直流電源訊號大於一預設輸入電壓位準時，功率因素提升電路120會將零電流偵測電壓VZCD設置為小於該第二預 設電壓值(例如該低電壓位準諸如0.3V)，使開關控制電路112將電流開關Q設置為該導通狀態。舉例來說，比較電路122可比較該直流電源訊號與該預設輸入電壓位準，且偵測該直流電源訊號是否達到該預設輸入電壓位準，以對應地產生一控制訊號，而電壓調整電路124可依據該控制訊號動態地調整零電流偵測電壓VZCD之電壓位準，以控制該主動功率因素修正器提升該功率因素。由於電壓調整電路124透過端子N2耦接至變壓器114之該二次側，故端子N2上之電壓位準可等於零電流偵測電壓VZCD之電壓位準。當比較電路122判斷該直流電源訊號大於該預設輸入電壓位準時，因應指出此狀況之該控制訊號，電壓調整電路124可將零電流偵測電壓VZCD設置為小於該第二預設電壓值，使開關控制電路112將電流開關Q設置為該導通狀態。
請注意，針對主動功率因素修正器110，在零電流偵測電壓VZCD未被功率因素提升電路120調整的狀況下，零電流偵測電壓VZCD可用來指出該直流電源訊號的電流是否趨近於零。在高輸入電壓的情況下，功率因素提升電路120可透過設置零電流偵測電壓VZCD的數值，來加速觸發主動功率因素修正器110開啟電流開關Q，以提升該功率因素。例如，在該直流電源訊號的電流趨近於零之前，功率因素提升電路120可改造零電流偵測電壓VZCD以立即進入一預定範圍，以強迫零電流偵測電壓VZCD指出該直流電源訊號的電流趨近於零。因此，上述的實施例在高輸入電壓的情況下，仍然能夠有效地提升功率因素。
基於第1圖所示架構，電源供應電路11可適用於各國家/地區之各種交流電壓。不論低交流電壓(Low-line AC voltage)或高交流電壓(High-line AC voltage)被施加於端子{AC+,AC-}，電源供應電路11均能妥善地運作，以維持該功率因素於很高的數值(諸如0.9以上)。例如，電源供應電路11係可應用於低交流電壓諸如100V至120V的電壓範圍。此狀況下，電源供應電路11可仰賴主動功率因素修正器110的主動功率因素修正以達到高功率因素諸如0.9以上，而不需 要仰賴功率因素提升電路120的功率因素提升，其中主動功率因素修正器110能控制輸入電流近似於弦波，並保持輸入電流與輸入電壓同相位。又例如，電源供應電路11係可應用於高交流電壓諸如200V至240V的電壓範圍。此狀況下，電源供應電路11可仰賴主動功率因素修正器110的主動功率因素修正以及功率因素提升電路120的功率因素提升，以達到高功率因素諸如0.9以上，其中藉助於功率因素提升電路120，主動功率因素修正器110能控制輸入電流近似於弦波，並且保持輸入電流與輸入電壓同相位。
在上述實施例中，開關控制電路112可以採用電源管理積體電路、特殊應用積體電路(Application-Specific Integrated Circuit,ASIC)等方式實施。
依據某些實施例，開關控制電路112可採用一預定調變方式，以設置電流開關Q呈現該導通狀態或該不導通狀態。該預定調變方式的例子可包含(但不限於)：脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)方式以及脈衝頻率調變(Pulse Frequency Modulation,PFM)方式。
第2圖繪示第1圖所示之功率因素提升電路120的例子。比較電路122可包含一分壓電路(voltage dividing circuit)諸如一組電阻器{R1,R2}、以及耦接至該分壓電路之一比較器122C(標示「CMP」，以便於理解)，而電壓調整電路124可包含耦接至比較器122C之一電流開關Q1(諸如電晶體)、以及耦接至電流開關Q1之一電阻器RD。由於在第1圖所示架構中，功率因素提升電路120透過端子N2耦接至變壓器114的該二次側的該第一端，故本實施例之電流開關Q1耦接於變壓器114的該二次側的該第一端及該接地電位(以接地GND表示)之間，其中比較電路122與電流開關Q1的一控制端(諸如其左側端子)彼此耦接。當比較電路122判斷該直流電源訊號大於該預設輸入電壓位準時，比較電路122會設置電流開關Q1呈現一導通狀態，以使零電流偵測電壓VZCD小於該第二預設電壓值，而使開關控制電路112將電流開關Q設置為該導通狀態。當比較電路122判斷 該直流電源訊號小於該預設輸入電壓位準時，比較電路122會設置電流開關Q1呈現一不導通狀態。
依據本實施例，該分壓電路諸如該組電阻器{R1,R2}可從端子N1取得該直流電源訊號，且可依據該直流電源訊號進行分壓以產生一中間電壓訊號，尤其，透過電阻器R1與R2之間的端子輸出該中間電壓訊號至比較器122C。比較器122C可分別透過其非反向輸入端子與反向輸入端子(分別標示「+」與「-」，以便於理解)接收該中間電壓訊號與一預定電壓位準(例如：1.99V)，且可將該中間電壓訊號之一電壓位準和該預定電壓位準進行比較，以產生一比較結果，其中比較器122C的輸出端子上之該控制訊號載有該比較結果。於是，比較電路122可透過該控制訊號控制電壓調整電路124是否調整零電流偵測電壓VZCD。
另外，電流開關Q1可依據該控制訊號選擇性地拉低(pull down)零電流偵測電壓VZCD。當該比較結果指出該中間電壓訊號之該電壓位準大於該預定電壓位準(例如：1.99V)，這表示該直流電源訊號大於該預設輸入電壓位準，則比較電路122可開啟電流開關Q1以拉低零電流偵測電壓VZCD至小於或等於該第二預設電壓值(例如該低電壓位準諸如0.3V)。當該比較結果指出該中間電壓訊號之該電壓位準小於該預定電壓位準(例如：1.99V)，這表示該直流電源訊號小於該預設輸入電壓位準，則比較電路122可關閉電流開關Q1以避免拉低零電流偵測電壓VZCD。於本實施例中，電阻器R1與R2之各自的電阻值R1與R2(分別以斜體字之同符號表示)可被設計成具有下列關係：(R1+R2)：R2=100：1其中該分壓電路諸如該組電阻器{R1,R2}可取得該直流電源訊號之電壓位準的1%作為該中間電壓訊號之電壓位準。舉例來說，電阻器R1、R2與RD之各自的電阻值R1、R2與R D 可分別為99kΩ(kilo-ohm；千歐姆)、1kΩ與10kΩ。此狀況下， 當該直流電源訊號之電壓位準大於199V(例如達到200V)以致該中間電壓訊號之該電壓位準大於1.99V，比較器122C所輸出之比較結果為該控制訊號之高位準，使電流開關Q1處於導通狀態，所以電流開關Q1可拉低端子N2上之零電流偵測電壓VZCD，例如拉低至該低電壓位準諸如0.3V。當該直流電源訊號之電壓位準小於199V以致該中間電壓訊號之該電壓位準小於1.99V，比較器122C所輸出之比較結果為該控制訊號之低位準，使電流開關Q1處於不導通狀態，所以電流開關Q1不會拉低端子N2上之零電流偵測電壓VZCD。
依據某些實施例，第2圖所示架構可予以變化。例如，電阻值R1、R2、及/或R D 可予以變化(增加或減少)。又例如，比率((R1+R2)/R2)、及/或該預定電壓位準諸如1.99V可予以變化(增加或減少)。因此，上述的實施例可以依據不同的設計需求，而能僅在輸入電壓高於預定的數值時，才啟動功率因素提升電路120以達到提升功率因素的目標。
關於電源供應電路11之某些細節另說明如下。依據某些實施例，主動功率因素修正器110(例如開關控制電路112)可控制主動功率因素修正中之目標，諸如隨時間改變的目標電流值，尤其，可監控端子N1上的該直流電源訊號之波形、及/或其相似波形，且計算該相似波形的大小(波形取樣值)以及來自電源輸出端子之反饋訊號的大小之乘積，作為該目標諸如該些目標電流值，其中該相似波形的一系列波形取樣值可包含對該直流電源訊號的分壓訊號進行取樣所取得之電壓取樣值。另外，於進行該切換控制時，開關控制電路112可利用該目標作為電流IL上升之上限。例如，當開關控制電路112開啟電流開關Q(其可視為功率開關)時，電感器L儲存能量，且電流IL對應地上升，其中電流IQ等於電流IL。又例如，當開關控制電路112關閉電流開關Q時，電感器L輸出儲存於其內之能量，以透過二極體D對電容器Co(其可視為輸出電容器)充電並提供能量給負載12，並且電流IL對應地下降。於進行該切換控制時，開關控制電路 112可依據偵測電壓VS與零電流偵測電壓VZCD控制電流開關Q處於導通狀態或不導通狀態。當電流開關Q處於導通狀態時，電流IQ通過阻抗元件RS(其可具有電阻值R S ，以斜體字之同符號表示)，使偵測電壓VS具有非零值，如下所示：VS=(IQ * R S )=(IL * R S )；其中IQ=IL。由於偵測電壓VS和電流IL成正比，故開關控制電路112可透過將接收自端子Vcom之偵測電壓VS和對應於該目標之目標電壓值Vcom進行比較，來監控電流IL是否達到該目標諸如當時的目標電流值。當偵測電壓VS大於目標電壓值Vcom時(這表示電流IL達到當時的目標電流值)，開關控制電路112關閉電流開關Q。於是，變壓器114之主線圈(諸如電感器L)之極性反轉(基於冷次定律(Lenz's law))，而變壓器114之輔助線圈(諸如電感器LZCD)上產生之零電流偵測電壓VZCD可被開關控制電路112所偵測。當該主線圈諸如電感器L釋放能量時(電流IL對應地下降)，輔助線圈諸如電感器LZCD的狀態對應地變化，且因此零電流偵測電壓VZCD對應地下降。開關控制電路112可具有一正反器(Flip-flop,FF)諸如RS正反器，以供控制電流開關Q處於導通狀態或不導通狀態，且可透過切換該正反器之狀態進行該切換控制，以切換電流開關Q的導通狀態或不導通狀態。例如，當零電流偵測電壓VZCD減少至該第二預設電壓值(諸如0.3V)，開關控制電路112可觸發切換該正反器之狀態，以開啟電流開關Q，其中偵測零電流偵測電壓VZCD減少至該第二預設電壓值之運作可視為零電流偵測(Zero current detection)。此外，電阻器Rc可用來作為限流電阻器，且其電阻值Rc(以斜體字之同符號表示)可為63kΩ。於某些實施例中，電阻值Rc可予以變化。
第3圖繪示第1圖所示架構的相關訊號(諸如電壓{VZCD,VGS_Q}與電流{IL,IQ})的例子。第3圖左半部所示曲線可對應於缺乏上述功率因素提升的狀況(例如禁用(disable)或未實施功率因素提升電路120)，而第3圖右半部所示曲線可對應於存在上述功率因素提升的狀況(例如啟用(enable)或有實施功率 因素提升電路120)。電壓VGS_Q代表電流開關Q的閘極端子與源極端子之間的電壓，而關閉時期諸如{TOFF(0),TOFF(1)}與開啟時期諸如{TON(0),TON(1)}分別對應於電流開關Q的不導通狀態與導通狀態。針對相同長度的週期T，TOFF(1)<TOFF(0)且TON(1)>TON(0)，其中TOFF(0)+TON(0)=TOFF(1)+TON(1)=T。相較於第3圖左半部，第3圖右半部所示之電流IL與IQ有較長的開啟時期TON(1)持續增加(TON(1)>TON(0))，且可在開啟時期TON(1)中持續增加到更高的值，使得電流曲線下的面積變大。由於功率因素提升電路120改造零電流偵測電壓VZCD之運作提早觸發主動功率因素修正器110開啟電流開關Q，故電流開關Q的開啟時期TON(1)、電流IQ的最大值以及電流IQ的積分量(曲線下的面積)都增加了，其中功率因素提升電路120提升了主動功率因素修正器110的輸入端的能量(諸如電感器L所儲存的能量)，使輸入電流(諸如電流IL)完美地追隨該目標，以提升該功率因素。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

Claims (4)

  1. 一種電源供應電路，用以供電於一負載，該電源供應電路包含：一交流直流轉換器，用以將一交流電源訊號轉換為一直流電源訊號；一變壓器，包含一一次側及一二次側，該一次側的一第一端耦接於該交流直流轉換器，該二次側的一第二端耦接於一接地電位；一第一電流開關，該第一電流開關的一第一端耦接於該變壓器的該一次側的一第二端，並且該第一電流開關的一第二端通過一阻抗元件而耦接於該接地電位；一開關控制電路，耦接於該變壓器的該二次側的一第一端、該第一電流開關的一控制端及該第一電流開關的該第二端，以設置該第一電流開關呈現一導通狀態或一不導通狀態；以及一功率因素提升電路，耦接於該交流直流轉換器及該變壓器的該二次側的該第一端；其中當該開關控制電路判斷該第一電流開關的該第二端上的一偵測電壓大於一第一預設電壓值時，該開關控制電路會設置該第一電流開關呈現該不導通狀態；當該開關控制電路判斷該變壓器的該二次側的該第一端的一零電流偵測電壓小於一第二預設電壓值時，該開關控制電路會設置該第一電流開關呈現該導通狀態；並且當該直流電源訊號大於一預設輸入電壓位準時，該功率因素提升電路會將該零電流偵測電壓設置為小於該第二預設電壓值，使該開關控制電路將該第一電流開關設置為該導通狀態；其中該功率因素提升電路包含：一比較電路，耦接至該交流直流轉換器，用以比較該直流電源訊號與該預設輸入電壓位準；以及一電壓調整電路，耦接至該比較電路及該變壓器的該二次側的該第一端；其中當該比較電路判斷該直流電源訊號大於該預設輸入電壓位準時，該電壓調整電路會將該零電流偵測電壓設置為小於該第二預設電壓值，使該開關控制電路將該第一電流開關設置為該導通狀態；其中該電壓調整電路包含一第二電流開關，該第二電流開關耦接於該變壓器的該二次側的該第一端及該接地電位之間；該比較電路耦接於該第二電流開關的一控制端；並且當該比較電路判斷該直流電源訊號大於該預設輸入電壓位準時，該比較電路會設置該第二電流開關呈現一導通狀態，以使該零電流偵測電壓小於該第二預設電壓值，而使該開關控制電路將該第一電流開關設置為該導通狀態。
  2. 如請求項1所述的電源供應電路，其中當該比較電路判斷該直流電源訊號小於該預設輸入電壓位準時，該比較電路會設置該第二電流開關呈現一不導通狀態。
  3. 如請求項1所述的電源供應電路，其中該開關控制電路採用一脈衝寬度調變方式，以設置該第一電流開關呈現該導通狀態或該不導通狀態。
  4. 如請求項1所述的電源供應電路，其中該開關控制電路採用一脈衝頻率調變方式，以設置該第一電流開關呈現該導通狀態或該不導通狀態。
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