TWI753637B - 功率因數校正控制器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

應用於電源轉換器的一次側的功率因數校正控制器包含一回授接腳、一感測接腳、一電流偵測電路、一輸出電壓偵測電路和一判斷電路。該電流偵測電路耦接於該回授接腳和該感測接腳，用以根據該回授接腳上的回授電壓和該感測接腳上的感測電壓，偵測該電源轉換器的二次側的輸出電流。該輸出電壓偵測電路耦接於該回授接腳，用以根據該回授電壓，偵測該電源轉換器的二次側的輸出電壓。該判斷電路耦接於該電流偵測電路和該輸出電壓偵測電路，用以根據該輸出電流和該輸出電壓，開啟或關閉耦接於該電源轉換器的一功率因數校正電路。

Description

功率因數校正控制器及其操作方法
本發明是有關於一種功率因數校正控制器及其操作方法，尤指一種適用於通用序列匯流排(Universal Serial Bus,USB)電力傳輸(power delivery,PD)的不同輸出電壓的功率因數校正控制器及其操作方法。
在現有技術中，應用於返馳式電源轉換器(flyback power converter)的功率因數校正(power factor correction,PFC)控制器是利用該功率因數校正控制器內部的一電流源所流出的電流和該功率因數校正控制器外的一電阻來設定對應耦接於該返馳式電源轉換器的一功率因數校正電路的開啟/關閉的參考電壓，其中該功率因數校正電路只適用於該返馳式電源轉換器輸出單一輸出電壓。當耦接於該返馳式電源轉換器的負載為重載時，因為該返馳式電源轉換器的傳導損耗(conduction loss)大於該返馳式電源轉換器的開關損耗(switching loss)，所以該功率因數校正控制器開啟該功率因數校正電路；當該負載為輕載時，因為該開關損耗大於該傳導損耗，所以該功率因數校正控制器關閉該功率因數校正電路。
然而當該返馳式電源轉換器是應用在通用序列匯流排(Universal Serial Bus,USB)電力傳輸(power delivery,PD)時，該返馳式電源轉換器 須要輸出不同的輸出電壓以因應不同的輸出功率。但該功率因數校正控制器可能無法因應該不同的輸出功率去正確地開啟/關閉該功率因數校正電路，所以該返馳式電源轉換器在一些特定負載狀況(例如50%負載、75%負載)下的效率會下降。因此，當該返馳式電源轉換器是應用在該通用序列匯流排電力傳輸時，使用者必須根據該不同的輸出電壓手動地調整該功率因數校正控制器外的電阻去改變該功率因數校正電路的開啟/關閉的參考電壓以使該功率因數校正電路正確地開啟/關閉。因此，對於該使用者而言，如何克服上述該功率因數校正控制器在操作時的缺點已成為一項重要課題。
本發明的一實施例提供一種應用於電源轉換器的一次側的功率因數校正(power factor correction)控制器。該功率因數校正控制器包含一回授接腳、一感測接腳、一電流偵測電路、一輸出電壓偵測電路和一判斷電路。該電流偵測電路耦接於該回授接腳和該感測接腳，用以根據該回授接腳上的回授電壓和該感測接腳上的感測電壓，偵測該電源轉換器的二次側的輸出電流。該輸出電壓偵測電路耦接於該回授接腳，用以根據該回授電壓，偵測該電源轉換器的二次側的輸出電壓。該判斷電路耦接於該電流偵測電路和該輸出電壓偵測電路，用以根據該輸出電流和該輸出電壓，開啟或關閉耦接於該電源轉換器的一功率因數校正電路。
本發明的另一實施例提供一種應用於電源轉換器的一次側的功率因數校正控制器的操作方法，其中該功率因數校正控制器包含一回授接腳、一感測接腳、一電流偵測電路、一輸出電壓偵測電路和一判斷電路。該操作方法包含該電流偵測電路根據該回授接腳上的回授電壓和該感測接腳上的感測電壓， 偵測該電源轉換器的二次側的輸出電流；該輸出電壓偵測電路根據該回授電壓，偵測該電源轉換器的二次側的輸出電壓；及該判斷電路根據該輸出電流和該輸出電壓，開啟或關閉耦接於該電源轉換器的一功率因數校正電路。
本發明提供一種功率因數校正控制器及其操作方法。該功率因數校正控制器和該操作方法是利用一電流偵測電路根據一回授接腳上的回授電壓和一感測接腳上的感測電壓，偵測一電源轉換器的二次側的輸出電流，利用一輸出電壓偵測電路根據該回授電壓，偵測該電源轉換器的二次側的輸出電壓，利用一輸入電壓偵測電路偵測輸入至該電源轉換器的一次側的輸入電壓，以及利用一判斷電路根據該輸出電流、該輸出電壓和該輸入電壓，開啟或關閉耦接於該電源轉換器的一功率因數校正電路。因此，相較於現有技術，本發明在偵測出一輸出功率(該輸出電流和該輸出電壓的乘積)和該輸入電壓後，可以根據該輸出功率和該輸入電壓，自動地開啟或關閉該功率因數校正電路以克服現有技術所提供的功率因數校正控制器在操作時的缺點。
100:電源轉換器
101:橋式整流器
102:光耦合器
104:輔助繞組
106:分壓電路
108:功率開關
110:一次側繞組
112:二次側繞組
200:功率因數校正控制器
202:回授接腳
204:感測接腳
206:電流偵測電路
208:輸出電壓偵測電路
209:閘極控制接腳
210:判斷電路
211:驅動接腳
212:輸入電壓偵測電路
214:輸入電壓接腳
216:電阻
300:功率因數校正電路
GCS:閘極控制信號
GND:地端接腳
IOUT:輸出電流
LO:負載
PRI:一次側
SEC:二次側
VAC:輸入電壓
VOUT:輸出電壓
VS:感測電壓
VCOMP:回授補償電壓
VAREF:可調整參考電壓
VFB:回授電壓
VAUX:輔助電壓
VCC:供電電壓
400-408:步驟
第1圖是本發明的第一實施例所公開的一種應用於電源轉換器的一次側的功率因數校正控制器的示意圖。
第2圖是本發明的第二實施例所公開的一種應用於電源轉換器的一次側的功率因數校正控制器的操作方法的流程圖。
請參照第1圖，第1圖是本發明的第一實施例所公開的一種應用於電 源轉換器100的一次側PRI的功率因數校正(power factor correction)控制器200的示意圖，其中如第1圖所示，功率因數校正控制器200包含一回授接腳202、一感測接腳204、一電流偵測電路206、一輸出電壓偵測電路208、一判斷電路210和一輸入電壓偵測電路212，電源轉換器100是一返馳式電源轉換器(flyback power converter)，且一功率因數校正電路300耦接電源轉換器100和一橋式整流器101之間。另外，如第1圖所示，輸出電壓偵測電路208耦接於回授接腳202，電流偵測電路206耦接於回授接腳202和感測接腳204，輸入電壓偵測電路212耦接於功率因數校正控制器200另包含的一輸入電壓接腳214，以及判斷電路210耦接於電流偵測電路206、輸出電壓偵測電路208和輸入電壓偵測電路212。另外，如第1圖所示，電源轉換器100的一次側PRI是通過一光耦合器102和電源轉換器100的二次側SEC隔離，其中光耦合器102可產生一回授補償電壓VCOMP至功率因數校正控制器200，但回授補償電壓VCOMP和本發明的主要技術特徵無關，所以在此並不贅述。另外，在本發明領域具有熟知技藝者應當明瞭功率因數校正電路300是用以改善電源轉換器100的功率因數以使電源轉換器100的功率因數接近1且同時抑制電源轉換器100的一輸出電流IOUT的諧波，且功率因數校正電路300也為本發明領域具有熟知技藝者所熟知，所以功率因數校正電路300的架構在此並不贅述。另外，第1圖是只用以說明本發明的示意圖，所以省略有些和本發明的主要技術特徵無關的元件。另外，如第1圖所示，功率因數校正控制器200通過一地端接腳GND接收地電位，且電源轉換器100的一次側PRI的地電位不同於電源轉換器100的二次側SEC的地電位。
如第1圖所示，輸出電壓偵測電路208用以接收回授接腳202上的回授電壓VFB，其中因為電源轉換器100另包含的輔助繞組104上的輔助電壓VAUX通過一分壓電路106分壓產生回授電壓VFB，且輔助電壓VAUX和電源轉換器100 的二次側SEC的輸出電壓VOUT有關，所以回授電壓VFB也和輸出電壓VOUT有關。因此，輸出電壓偵測電路208可根據回授電壓VFB，偵測輸出電壓VOUT。另外，輔助電壓VAUX也用以產生功率因數校正控制器200的供電電壓VCC。
另外，因為輔助電壓VAUX是在電源轉換器100的一次側PRI的功率開關108關閉後才產生，所以耦接於回授接腳202的電流偵測電路206可根據回授電壓VFB得知電源轉換器100的二次側SEC的放電時間TDIS。另外，如第1圖所示，因為電流偵測電路206也耦接於感測接腳204，所以電流偵測電路206可利用一採樣電路(未繪示於第1圖)採樣感測接腳204上的感測電壓VS並據以得知功率開關108的開啟時間(也就是電源轉換器100的一次側PRI的開啟時間)。因此，電流偵測電路206內的一積分器(未繪示於第1圖)可根據回授電壓VFB(和輸出電壓VOUT有關)、感測電壓VS、放電時間TDIS、功率開關108的開啟時間和電源轉換器100的一次側繞組110和二次側繞組112的匝數比，偵測輸出電流IOUT。另外，如第1圖所示，功率因數校正控制器200是通過一閘極控制接腳209傳送一閘極控制信號GCS至功率開關108以開啟功率開關108。
另外，如第1圖所示，因為輸入電壓偵測電路212耦接於輸入電壓接腳214，所以輸入電壓偵測電路212可用以偵測輸入至電源轉換器100的一次側PRI的輸入電壓VAC，其中輸入電壓VAC為一交流電壓，且輸入電壓VAC介於90V~264V。因此，在本發明的一實施例，判斷電路210可用以根據輸出電流IOUT、輸出電壓VOUT和輸入電壓VAC，通過一驅動接腳211線性地或階段式地開啟或關閉功率因數校正電路300，其中判斷電路210是利用一內部乘法器(未繪示於第1圖)乘積輸出電流IOUT和輸出電壓VOUT以決定電源轉換器100的輸出功率POUT，且根據輸出功率POUT和輸入電壓VAC，線性地或階段式地開啟或 關閉功率因數校正電路300。但在本發明的另一實施例中，判斷電路210是根據輸出電流IOUT和輸出電壓VOUT，線性地或階段式地開啟或關閉功率因數校正電路300，其中判斷電路210是利用該內部乘法器乘積輸出電流IOUT和輸出電壓VOUT以決定輸出功率POUT，且根據輸出功率POUT線性地或階段式地開啟或關閉功率因數校正電路300。
另外，當耦接於電源轉換器100的二次側SEC的負載LO為重載時，因為電源轉換器100的傳導損耗大於電源轉換器100的開關損耗，所以功率因數校正控制器200傾向開啟功率因數校正電路300；當負載LO為輕載時，因為該開關損耗大於該傳導損耗，所以功率因數校正控制器200傾向關閉功率因數校正電路300。因此，基於上述結論加上輸出功率POUT大於75W時功率因數校正電路300必須開啟的歐盟規定可得到表一，其中表一是電源轉換器100對應功率因數校正電路300的開啟與關閉的最佳效能表，且表一是以判斷電路210根據輸出電流IOUT、輸出電壓VOUT、負載LO和輸入電壓VAC，開啟或關閉功率因數校正電路300為例。
Figure 109138513-A0305-02-0010-2
Figure 109138513-A0305-02-0011-1
例如，如表一所示，當輸入電壓VAC為115V、輸出電壓VOUT為15V、輸出電流IOUT為5A且負載LO是75%全載時，判斷電路210開啟功率因數校正電路300；當輸入電壓VAC為230V、輸出電壓VOUT為15V、輸出電流IOUT為5A且負載LO是75%全載時，判斷電路210關閉功率因數校正電路300。
另外，如表一所示，當輸入電壓VAC為115V且輸出電壓VOUT要不小於10V時，判斷電路210才有可能開啟功率因數校正電路300；以及當輸入電壓VAC為230V且輸出電壓VOUT要不小於15V時，判斷電路210才有可能開啟功率因數校正電路300。因此，在本發明的另一實施例中，當輸出電壓VOUT大於一預定電壓(例如10V)後，判斷電路210才開始根據輸出電壓VOUT、輸出電流IOUT和輸入電壓VAC，開啟或關閉功率因數校正電路300。另外，在本發明的另一實施例中，當輸出電壓VOUT大於該預定電壓(例如10V)後，判斷電路210才開始根據輸出電壓VOUT和輸出電流IOUT，開啟或關閉功率因數校正電路300。
另外，如第1圖所示，輸入至功率因數校正控制器200的一可調整參考電壓VAREF可由功率因數校正控制器200外的一電阻216所控制，其中可調整參考電壓VAREF是用以微調判斷電路210開啟或關閉功率因數校正電路300的載點以使電源轉換器100的效能達到最佳化。也就是說可調整參考電壓VAREF是用 以微調判斷電路210線性地或階段式地開啟或關閉功率因數校正電路300的載點以使電源轉換器100的效能達到最佳化。
另外，請參照第1、2圖，第2圖是本發明的第二實施例所公開的一種應用於電源轉換器的一次側的功率因數校正控制器的操作方法的流程圖。第2圖的操作方法是利用第1圖的電源轉換器100、功率因數校正控制器200和功率因數校正電路300說明，詳細步驟如下：步驟400：開始；步驟402：電流偵測電路206根據回授電壓VFB和感測接腳204上的感測電壓VS，偵測電源轉換器100的二次側SEC的輸出電流IOUT，跳至步驟408；步驟404：輸出電壓偵測電路208根據回授電壓VFB，偵測電源轉換器100的二次側SEC的輸出電壓VOUT，跳至步驟408；步驟406：輸入電壓偵測電路212偵測輸入至電源轉換器100的一次側PRI的輸入電壓VAC，跳至步驟408；步驟408：判斷電路210根據輸出電流IOUT、輸出電壓VOUT和輸入電壓VAC，開啟或關閉功率因數校正電路300，跳回步驟402、步驟404和步驟406。
在步驟402中，因為輔助電壓VAUX是在電源轉換器100的一次側PRI的功率開關108關閉後才產生，所以電流偵測電路206可根據回授電壓VFB得知電源轉換器100的二次側SEC的放電時間TDIS。另外，如第1圖所示，電流偵測電路206可利用該採樣電路(未繪示於第1圖)採樣感測接腳204上的感測電壓VS並據以得知功率開關108的開啟時間(也就是電源轉換器100的一次側PRI的開啟 時間)。因此，電流偵測電路206內的該積分器(未繪示於第1圖)可根據回授電壓VFB(和輸出電壓VOUT有關)、感測電壓VS、放電時間TDIS、功率開關108的開啟時間和電源轉換器100的一次側繞組110和二次側繞組112的匝數比，偵測輸出電流IOUT。
在步驟404中，如第1圖所示，輸出電壓偵測電路208用以接收回授接腳202上的回授電壓VFB，其中因為輔助繞組104上的輔助電壓VAUX通過分壓電路106分壓產生回授電壓VFB，且輔助電壓VAUX和電源轉換器100的二次側SEC的輸出電壓VOUT有關，所以回授電壓VFB也和輸出電壓VOUT有關。因此，輸出電壓偵測電路208可根據回授電壓VFB，偵測輸出電壓VOUT。
在步驟406中，另外，如第1圖所示，因為輸入電壓偵測電路212耦接於輸入電壓接腳214，所以輸入電壓偵測電路212可用以偵測輸入至電源轉換器100的一次側PRI的輸入電壓VAC，其中輸入電壓VAC介於90V~264V。因此，在步驟408中，判斷電路210可用以根據輸出電流IOUT、輸出電壓VOUT和輸入電壓VAC，線性地或階段式地開啟或關閉功率因數校正電路300，其中判斷電路210是利用該內部乘法器(未繪示於第1圖)乘積輸出電流IOUT和輸出電壓VOUT以決定電源轉換器100的輸出功率POUT，且根據輸出功率POUT和輸入電壓VAC，線性地或階段式地開啟或關閉功率因數校正電路300。另外，在本發明的另一實施例中，判斷電路210是利用該內部乘法器乘積輸出電流IOUT和輸出電壓VOUT以決定輸出功率POUT，且根據輸出功率POUT線性地或階段式地開啟或關閉功率因數校正電路300。
另外，如表一所示，當輸入電壓VAC為115V且輸出電壓VOUT要不 小於10V時，判斷電路210才有可能開啟功率因數校正電路300；以及當輸入電壓VAC為230V且輸出電壓VOUT要不小於15V時，判斷電路210才有可能開啟功率因數校正電路300。因此，在本發明的另一實施例中，當輸出電壓VOUT大於該預定電壓(例如10V)後，判斷電路210才開始根據輸出電壓VOUT、輸出電流IOUT和輸入電壓VAC，開啟或關閉功率因數校正電路300。另外，在本發明的另一實施例中，當輸出電壓VOUT大於該預定電壓(例如10V)後，判斷電路210才開始根據輸出電壓VOUT和輸出電流IOUT，開啟或關閉功率因數校正電路300。另外，如第1圖所示，可調整參考電壓VAREF是用以微調判斷電路210線性地或階段式地開啟或關閉功率因數校正電路300的載點以使電源轉換器100的效能達到最佳化。
綜上所述，本發明所提供的功率因數校正控制器及其操作方法是利用該電流偵測電路根據該回授接腳上的回授電壓和該感測接腳上的感測電壓，偵測該電源轉換器的二次側的輸出電流，利用該輸出電壓偵測電路根據該回授電壓，偵測該電源轉換器的二次側的輸出電壓，利用該輸入電壓偵測電路偵測輸入至該電源轉換器的一次側的輸入電壓，以及利用該判斷電路根據該輸出電流、該輸出電壓和該輸入電壓，開啟或關閉該功率因數校正電路。因此，相較於現有技術，本發明在偵測出該輸出功率(該輸出電流和該輸出電壓的乘積)和該輸入電壓後，可以根據該輸出功率和該輸入電壓，自動地開啟或關閉該功率因數校正電路以克服現有技術所提供的功率因數校正控制器在操作時的缺點。
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。
100:電源轉換器
101:橋式整流器
102:光耦合器
104:輔助繞組
106:分壓電路
108:功率開關
110:一次側繞組
112:二次側繞組
200:功率因數校正控制器
202:回授接腳
204:感測接腳
206:電流偵測電路
208:輸出電壓偵測電路
209:閘極控制接腳
210:判斷電路
211:驅動接腳
212:輸入電壓偵測電路
214:輸入電壓接腳
216:電阻
300:功率因數校正電路
GCS:閘極控制信號
GND:地端接腳
IOUT:輸出電流
LO:負載
PRI:一次側
SEC:二次側
VAC:輸入電壓
VOUT:輸出電壓
VS:感測電壓
VCOMP:回授補償電壓
VAREF:可調整參考電壓
VFB:回授電壓
VAUX:輔助電壓
VCC:供電電壓

Claims (16)

  1. 一種應用於電源轉換器的一次側的功率因數校正(power factor correction)控制器，該功率因數校正控制器包含：一回授接腳；一感測接腳；一電流偵測電路，耦接於該回授接腳和該感測接腳，用以根據該回授接腳上的回授電壓和該感測接腳上的感測電壓，偵測該電源轉換器的二次側的輸出電流；一輸出電壓偵測電路，耦接於該回授接腳，用以根據該回授電壓，偵測該電源轉換器的二次側的輸出電壓；及一判斷電路，耦接於該電流偵測電路和該輸出電壓偵測電路，用以利用一內部乘法器乘積該輸出電流和該輸出電壓以決定該電源轉換器的輸出功率，且根據該輸出功率，開啟或關閉耦接於該電源轉換器的一功率因數校正電路。
  2. 如請求項1所述的功率因數校正控制器，其中該電源轉換器是一返馳式電源轉換器(flyback power converter)。
  3. 如請求項1所述的功率因數校正控制器，其中該判斷電路是根據該輸出電流和該輸出電壓，線性地或階段式地開啟或關閉該功率因數校正電路。
  4. 如請求項1所述的功率因數校正控制器，另包含：一輸入電壓偵測電路，耦接於該功率因數校正控制器包含的一輸入電壓接 腳，用以偵測輸入至該電源轉換器的一次側的輸入電壓，其中該輸入電壓為一交流電壓。
  5. 如請求項4所述的功率因數校正控制器，其中該判斷電路另根據該輸出電流、該輸出電壓和該輸入電壓，開啟或關閉該功率因數校正電路。
  6. 一種應用於電源轉換器的一次側的功率因數校正控制器，該功率因數校正控制器包含：一回授接腳；一感測接腳；一電流偵測電路，耦接於該回授接腳和該感測接腳，用以根據該回授接腳上的回授電壓和該感測接腳上的感測電壓，偵測該電源轉換器的二次側的輸出電流；一輸出電壓偵測電路，耦接於該回授接腳，用以根據該回授電壓，偵測該電源轉換器的二次側的輸出電壓；及一判斷電路，耦接於該電流偵測電路和該輸出電壓偵測電路，其中當該輸出電壓大於一預定電壓後，該判斷電路開始根據該輸出電流和該輸出電壓，開啟或關閉耦接於該電源轉換器的一功率因數校正電路。
  7. 如請求項6所述的功率因數校正控制器，其中該電源轉換器是一返馳式電源轉換器。
  8. 如請求項6所述的功率因數校正控制器，其中該判斷電路是根據該輸出電流和該輸出電壓，線性地或階段式地開啟或關閉該功率因數校正 電路。
  9. 如請求項6所述的功率因數校正控制器，另包含：一輸入電壓偵測電路，耦接於該功率因數校正控制器包含的一輸入電壓接腳，用以偵測輸入至該電源轉換器的一次側的輸入電壓，其中該輸入電壓為一交流電壓。
  10. 如請求項6所述的功率因數校正控制器，其中該判斷電路另根據該輸出電流、該輸出電壓和該輸入電壓，開啟或關閉該功率因數校正電路。
  11. 一種應用於電源轉換器的一次側的功率因數校正控制器的操作方法，其中該功率因數校正控制器包含一回授接腳、一感測接腳、一電流偵測電路、一輸出電壓偵測電路和一判斷電路，該操作方法包含：該電流偵測電路根據該回授接腳上的回授電壓和該感測接腳上的感測電壓，偵測該電源轉換器的二次側的輸出電流；該輸出電壓偵測電路根據該回授電壓，偵測該電源轉換器的二次側的輸出電壓；及該判斷電路利用一內部乘法器乘積該輸出電流和該輸出電壓以決定該電源轉換器的輸出功率，且根據該輸出功率，開啟或關閉耦接於該電源轉換器的一功率因數校正電路。
  12. 如請求項11所述的操作方法，另包含：一輸入電壓偵測電路偵測輸入至該電源轉換器的一次側的輸入電壓，其中該輸入電壓為一交流電壓；及 該判斷電路另根據該輸出電流、該輸出電壓和該輸入電壓，開啟或關閉該功率因數校正電路。
  13. 如請求項11所述的操作方法，其中該判斷電路是根據該輸出電流和該輸出電壓，線性地或階段式地開啟或關閉該功率因數校正電路。
  14. 一種應用於電源轉換器的一次側的功率因數校正控制器的操作方法，其中該功率因數校正控制器包含一回授接腳、一感測接腳、一電流偵測電路、一輸出電壓偵測電路和一判斷電路，該操作方法包含：該電流偵測電路根據該回授接腳上的回授電壓和該感測接腳上的感測電壓，偵測該電源轉換器的二次側的輸出電流；該輸出電壓偵測電路根據該回授電壓，偵測該電源轉換器的二次側的輸出電壓；及當該輸出電壓大於一預定電壓後，該判斷電路開始根據該輸出電壓和該輸出電流，開啟或關閉耦接於該電源轉換器的一功率因數校正電路。
  15. 如請求項14所述的操作方法，其中該判斷電路是根據該輸出電流和該輸出電壓，線性地或階段式地開啟或關閉該功率因數校正電路。
  16. 如請求項14所述的操作方法，另包含：一輸入電壓偵測電路偵測輸入至該電源轉換器的一次側的輸入電壓，其中該輸入電壓為一交流電壓；及該判斷電路另根據該輸出電流、該輸出電壓和該輸入電壓，開啟或關閉該功率因數校正電路。
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