CN103095119A - 功率因数改善电路、方法及离线式转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于离线式转换器的功率因数改善电路，其阻挡该离线式转换器的输入电压的直流成分进入并取得该输入电压的交流成分与直流偏压重迭产生电流调整信号给该离线式转换器，以调整该离线式转换器的输出电流。由于该电流调整信号具有该输入电压的交流成分，故该离线式转换器具有高功率因数，而且该电流调整信号的平均值由该直流偏压决定，因此藉由控制该直流偏压可以精确的控制该输出电流。

Description

功率因数改善电路、方法及离线式转换器
技术领域
本发明系有关一种功率因数(power factor)改善电路及方法，特别是关于一种应用于离线式转换器的功率因数改善电路及方法，具体的讲是一种功率因数改善电路、方法及离线式转换器。
背景技术
图1系用以驱动发光二极管(Light Emitting Diode；LED)的电源供应器10，其包括桥式整流器14用以整流交流电压VAC以及离线式转换器16用以提供输出电流Io给LED 12，传统的离线式转换器16系根据电流调整信号Sdim调整其输出电流Io，如图2所示输出电流Io系正比于电流调整信号Sdim的电压准位，又输出电流Io的平均值决定LED 12的亮度，因此可以藉由改变电流调整信号Sdim来调整LED 12的亮度。
然而，如图4的波形20及22所示，输入电压VIN为周期性弦波，因此为了让离线式转换器16达成高功率因数，需要取得离线式转换器16的输入电压VIN的交流成分资讯，***均值随输入电压VIN的直流成分改变，因此输出电流Io的平均值将受到输入电压VIN的直流成分影响而无法准确控制。图4显示在不同输入电压VIN下的电流调整信号Sdim，在高输入电压VIN时，如波形20所示，输入电压VIN具有较大的直流成分VHavg，故所得到的电流调整信号Sdim也具有较大的平均值Vavg1，如波形24所示，使得离线式转换器16提供较大的输出电流Io。在低输入电压VIN时，如波形22所示，输入电压VIN的直流成分VLavg较小，故所取得的电流调整信号Sdim具有较低的平均值Vavg2，如波形26所示，因而使离线式转换器16提供较小的输出电流Io。
因此，一种改善功率因数而且能准确控制输出电流的电路，乃为所冀。
发明内容
本发明的目的之一，在于提出一种应用于离线式转换器的功率因数改善电路及方法。
本发明的目的之一，在于提出一种高功率因数且准确控制输出电流的离线式转换器。
根据本发明，一种应用于离线式转换器的功率因数改善电路包括电压检测器以及直流偏压电路，该电压检测器阻挡该离线式转换器的输入电压的直流成分并检测该输入电压的交流成分得到与该交流成分具有比例关系的检测信号，该直流偏压电路提供直流偏压与该检测信号重迭以产生电流调整信号给该离线式转换器以调节该离线式转换器的输出电流。
根据本发明，一种应用于离线式转换器的功率因数改善方法包括阻挡该离线式转换器的输入电压的直流成分以取得与该输入电压的交流成分具有比例关系的检测信号；将该检测信号重迭至直流偏压以产生电流调整信号；以及根据该电流调整信号决定该离线式转换器的输出电流。
根据本发明，一种离线式转换器包括控制器根据电流调整信号决定该离线式转换器的输出电流以及功率因数改善电路提供该电流调整信号。该功率因数改善电路包括电压检测器以及直流偏压电路，该电压检测器阻挡该离线式转换器的输入电压的直流成分，并取得与该输入电压的交流成分具有比例关系的检测信号，该直流偏压电路提供直流偏压与该检测信号重迭以产生该电流调整信号。
本发明的功率因数改善电路所提供的该电流调整信号具有该离线式转换器的输入电压的交流成分，故可使该离线式转换器达成高功率因数，而且该电流调整信号的平均值由该直流偏压决定，因此藉由控制该直流偏压可以准确的控制该离线式转换器的输出电流的平均值。
附图说明
图1系习知的LED驱动器；
图2显示图1中电流调整信号Sdim及输出电流Io的波形；
图3显示传统改善离线式转换器的功率因数的方法；
图4显示图3中输入电压VIN及电流调整信号Sdim的波形；
图5显示本发明功率因数改善电路的第一实施例；
图6显示图5的输入电压VIN及电流调整信号Sdim；
图7显示本发明功率因数改善电路的第二实施例；
图8显示图7控制器的实施例；
图9系图8的电流调整信号Sdim；以及
图10显示功率因数改善电路应用在离线隔离式转换器的实施例。
主要元件符号说明：
10    电源供应器
12    LED
14    桥式整流器
16    离线式转换器
20    输入电压VIN
22    输入电压VIN
24    电流调整信号Sdim
26    电流调整信号Sdim
30    功率因数改善电路
32    电压检测器
34    直流偏压电路
35    电压源
36    电流调整信号Sdim
38    电流调整信号Sdim
40    离线式转换器的输入端
42    控制器
44    电流感测器
46    离线式转换器的输出端
48    直流偏压电路的输出端
具体实施方式
图5的电源供应器10与图1的电路同样包括桥式整流器14及离线式转换器16，此外还包括功率因数改善电路30根据输入电压VIN以提供电流调整信号Sdim给离线式转换器16。功率因数改善电路30包括电压检测器32及直流偏压电路34，电压检测器32包含串联的电阻R1及R2以及去耦合电容C1与电阻R1串联在电压检测器32的输入端VIN及电阻R2之间，去耦合电容C1系用以阻挡输入电压VIN的直流成分，电阻R1及R2分压输入电压VIN的交流成分产生检测信号Sac，检测信号Sac与直流偏压电路34提供的直流偏压Vbias’重迭产生电流调整信号Sdim。直流偏压电路34包括电压源35提供直流偏压Vbias’。由于输入电压VIN的直流成分被去耦合电容C1阻挡，因此检测信号Sac的直流准位为零，故检测信号Sac与直流偏压Vbias’重迭产生电流调整信号Sdim后，电流调整信号Sdim的直流准位(即平均值)等于直流偏压Vbias’，换言之，直流偏压Vbias’决定离线式转换器16的输出电流Io的平均值，藉由控制直流偏压Vbias’可以准确的控制输出电流Io的平均值。此外电流调整信号Sdim的交流成分系由检测信号Sac决定，而检测信号Sac与输入电压VIN的交流成分具有比例关系，因此电流调整信号Sdim包含输入电压VIN的交流成分，故可使离线式转换器16达成高功率因数。在此实施例中，使用去耦合电容C1来阻挡输入电压VIN的直流成分，在其他实施例中，也可以使用其他可以阻挡直流成分的元件或电路来取代去耦合电容C1。
为了更容易理解，图6显示图5的电流调整信号Sdim在不同输入电压VIN下的波形，在高输入电压VIN时，如图6的波形20所示，功率因数改善电路30阻挡输入电压VIN的直流成分VHavg后，将输入电压VIN的交流成分分压并重迭至直流偏压Vbias’以产生如图6的波形36所示的电流调整信号Sdim。在低输入电压VIN时，如图6的波形22所示，功率因数改善电路30阻挡输入电压VIN的直流成分VLavg后，将输入电压VIN的交流成分分压并重迭至直流偏压Vbias’以产生如图6的波形38所示的电流调整信号Sdim。由图6的波形36及38可知，不论是高输入电压VIN或低输入电压VIN，电流调整信号Sdim的直流准位皆等于直流偏压Vbias’，而电流调整信号Sdim的交流成分则与输入电压VIN的交流成分具有比例关系。
图5的离线式转换器16可以是各种类型的离线式转换器，例如升压式、降压式、非隔离式(non-isolation)或隔离式(isolation)，而功率因数改善电路30也可以整合至离线式转换器16中。
图7显示本发明功率因数改善电路30的第二实施例，其中离线式转换器16系离线非隔离降压式转换器，而且功率因数改善电路30整合至离线式转换器16中。在图7的离线式转换器16中，离线式转换器16的输入端40接收输入电压VIN，功率开关Q1与二极管D1串联在输入端40及接地端GND之间，电感L1连接在功率开关Q1及离线式转换器16的输出端46之间，电流感测器44包括电阻Rs与电感L1串联，用以感测电感L1的电流IL产生电流感测信号Vcs，功率因数改善电路30检测离线式转换器16的输入端40的输入电压VIN产生电流调整信号Sdim，控制器42根据电流调整信号Sdim及电流感测信号Vcs决定控制信号Vg控制功率开关Q1的切换。
图7的功率因数改善电路30包括电压检测器32、直流偏压电路34、电阻R5及电容C2及C3。电压检测器32包括去耦合电容C1用以阻挡输入电压VIN的直流成分以及电阻R1及R2用以分压输入电压VIN的交流成分产生检测信号Sac。直流偏压电路34包括电阻R3及R4以及稽纳二极管(zener diode)ZD，电阻R3及R4系作为限流电阻用以限制稽纳二极管ZD的电流，稽纳二极管ZD的阴极连接直流偏压电路34的输出端48，并且经电阻R3及R4连接离线式转换器16的输入端40，当输入电压VIN大于稽纳二极管ZD的崩溃(breakdown)电压时，稽纳二极管ZD发生逆偏，而且其阴极的电压将维持在定值，因此，直流偏压电路34将提供稳定的直流偏压Vbias’。电阻R5与电阻R2组成分压电路分压直流偏压Vbias’产生直流偏压Vbias与检测信号Sac重迭以产生电流调整信号Sdim。电容C2及C3系用来滤除非预期的突波。
图8显示图7的控制器42的实施例，其包括驱动器50、正反器52、比较器54及放大器56。放大器56线性放大电流调整信号Sdim产生电流调整信号Sdim_a，比较器54比较电流调整信号Sdim_a及电流感测信号Vcs产生比较信号Sr，正反器52具有设定端S接收时脉信号Clk以及重置端R接收比较信号Sr，正反器52根据时脉信号Clk及比较信号Sr产生信号Q，驱动器50根据信号Q产生控制信号Vg。在其他实施例中，放大器56可以用其他元件取代，例如缓冲器，或者也可以省略。
在图8中，放大器56具有增益1/K，而且其电源端系分别接收电压Vcc及Vss，当放大后的电流调整信号Sdim_a的最大值高于电压Vcc或最小值低于电压Vss时，将产生不正确的操作，因此电流调整信号Sdim_a的波形必须在电压Vcc及Vss之间，换言之，电流调整信号Sdim必须在上限Vmax＝Vcc×K及下限Vmin＝Vss×K之间，如图9所示。在图9中，电流调整信号Sdim与直流偏压Vbias之间具有三个区域，即直流偏压Vbias大于电流调整信号Sdim的区域A1及A2以及直流偏压Vbias小于电流调整信号Sdim的区域A3，由于电流调整信号Sdim的平均值等于直流偏压Vbias，因此区域A3＝A1+A2。
本发明的功率因数改善电路30也可以应用在离线隔离式转换器。图10的离线式转换器16为离线隔离式转换器，其中功率因数改善电路30检测输入电压VIN产生电流调整信号Sdim，图10的功率因数改善电路30与图7的电路同样具有电压检测器32、直流偏压电路34、电阻R5及电容C2及C3。离线式转换器16的变压器50包括一次侧线圈L1、二次侧线圈L2及辅助线圈L3，其中一次侧线圈L1与功率开关Q1串联在输入端40及接地端GND之间，二次侧线圈L2连接输出端46，辅助线圈L3用以感应二次侧线圈L2的电压Vo产生电压VL3。串联的电阻R6及R7连接辅助线圈L3，用以分压电压VL3产生电压Vfb给控制器42，以供回授网路路径达成定电流(Constant Current；CC)及定电压(ConstantVoltage；CV)。电流感测器44包括与功率开关Q1串联的电阻Rs，用以感测功率开关Q1的电流Iq1产生电流感测信号Vcs。控制器42根据电流调整信号Sdim及电流感测信号Vcs决定控制信号Vg以切换功率开关Q1，进而控制输出端46的输出电流Io。图10的控制器42的概念类似于图8的电路，本领域的技术人员可以根据图8的电路推得控制器42的电路。

Claims (12)

1.一种应用于离线式转换器的功率因数改善电路，用以提供电流调整信号给所述的离线式转换器以决定所述的离线式转换器的输出电流，其特征在于，所述的功率因数改善电路包括：
电压检测器，用以阻挡所述的离线式转换器的输入电压的直流成分，并取得与所述的输入电压的交流成分具有比例关系的检测信号；以及
直流偏压电路，连接所述的电压检测器，提供直流偏压与所述的检测信号重迭以产生所述的电流调整信号。
2.如权利要求1所述的功率因数改善电路，其特征在于，所述的电压检测器包括：
串联的第一电阻及第二电阻，用以分压所述的输入电压的交流成分产生所述的检测信号；以及
去耦合电容，与所述的第一电阻串联在所述的电压检测器的输入端及所述的第二电阻之间，用以阻挡所述的输入电压的直流成分。
3.如权利要求1所述的功率因数改善电路，其特征在于，所述的直流偏压电路包括电压源提供所述的直流偏压。
4.如权利要求1所述的功率因数改善电路，其特征在于，所述的直流偏压电路包括：
稽纳二极管，具有阴极连接所述的直流偏压电路的输出端，用以决定所述的直流偏压；以及
限流电阻，连接在所述的稽纳二极管的阴极及所述的直流偏压电路的输入端之间，用以限制通过所述的稽纳二极管的电流。
5.一种应用于离线式转换器的功率因数改善方法，其特征在于，所述的方法包括下列步骤：
阻挡所述的离线式转换器的输入电压的直流成分以取得与所述的输入电压的交流成分具有比例关系的检测信号；
将所述的检测信号重迭至直流偏压以产生电流调整信号；以及
根据所述的电流调整信号决定所述的离线式转换器的输出电流。
6.一种高功率因数的离线式转换器，其特征在于，所述的转换器包括：
控制器，根据电流调整信号决定所述的离线式转换器的输出电流；以及
功率因数改善电路，包括：
电压检测器，阻挡所述的离线式转换器的输入电压的直流成分，并取得与所述的输入电压的交流成分具有比例关系的检测信号；以及
直流偏压电路，连接所述的电压检测器及所述的控制器，提供直流偏压与所述的检测信号重迭以产生所述的电流调整信号。
7.如权利要求6所述的离线式转换器，其特征在于，所述的转换器更包括：
功率开关，连接所述的控制器，受控于来自所述的控制器的控制信号以调节所述的输出电流；
电感，连接在所述的功率开关及所述的离线式转换器的输出端之间；以及
电流感测器，连接所述的电感，用以感测所述的电感的电流产生电流感测信号给所述的控制器。
8.如权利要求7所述的离线式转换器，其特征在于，所述的控制器包括：
放大器，线性放大所述的电流调整信号；
比较器，连接所述的放大器，比较所述的电流感测信号及所述的放大后的电流调整信号产生比较信号；以及
正反器，具有设定端接收时脉信号及重置端接收所述的比较信号，根据所述的时脉信号及所述的比较信号决定所述的控制信号。
9.如权利要求6所述的离线式转换器，其特征在于，所述的转换器更包括：
功率开关，连接所述的控制器，受控于来自所述的控制器的控制信号以调节所述的输出电流；
变压器，具有一次侧线圈与所述的功率开关串联以及二次侧线圈连接所述的离线式转换器的输出端；以及
电流感测器，连接所述的功率开关，用以感测所述的功率开关的电流产生电流感测信号给所述的控制器。
10.如权利要求6所述的离线式转换器，其特征在于，所述的电压检测器包括：
串联的第一电阻及第二电阻，连接所述的离线式转换器的输入端，用以分压所述的输入电压的交流成分产生所述的检测信号；以及
去耦合电容，与所述的第一电阻串联在所述的离线式转换器的输入端及所述的第二电阻之间，用以阻挡所述的输入电压的直流成分。
11.如权利要求6所述的离线式转换器，其特征在于，所述的直流偏压电路包括电压源提供所述的直流偏压。
12.如权利要求6所述的离线式转换器，其特征在于，所述的直流偏压电路包括：
稽纳二极管，具有阴极连接所述的直流偏压电路的输出端，用以决定所述的直流偏压；以及
限流电阻，连接在所述的稽纳二极管的阴极及所述的离线式转换器的输入端之间，用以限制通过所述的稽纳二极管的电流。
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