CN113381601A - 具有emi防护功能的填谷式功率因子校正电路 - Google Patents

Abstract

电源控制电路包含交流电源、整流器以及填谷式电路。该交流电源接收交流电压，且该整流器将该交流电压转换为整流的电压，该填谷式电路包含：电感器，具有第一端点耦接于该整流器，以及第二端点；第一电阻器，具有一第一端点耦接于该电感器的该第二端点，以及具有第二端点；二极管，具有一阴极耦接于该电感器的该第二端点，以及具有一阳极；以及第一电容器，具有第一端点耦接于该第一电阻器的该第二端点以及该二极管的该阳极，以及第二端点耦接于地端。

Description

具有EMI防护功能的填谷式功率因子校正电路

技术领域

本发明关于一被动式填谷式(valley-fill)功率因子校正(power factorcorrection，PFC)架构，其将交流电压转换为一直流电压，尤其关于开关模式电源(switching-mode power supply，SMPS)在电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)上的改良。

背景技术

功率因子对于判断电子产品是否有效地工作而言是很重要的，功率因子可通过将实功率(real power)与视在功率(apparent power)进行比较来计算。实功率用来表示工作的有效性，并且仅包括交流电源的实部成份，而视在功率则是电流与电压的平均乘积，包括交流电源的实部分量以及虚部分量。

在产生相同大小的可用电源的情况下，具有较低功率因子的电源***会比具有较高功率因子的电源***消耗更多的循环电流(circulating current)，这是因为返回到负载的电源较大，导致增加分配***(distribution system)整体的电源损耗。换言之，较低的功率因子代表着操作效率也随之较低，这导致装置需要更大的容量以及更多的导体。根据能源之星规范(ENERGY STAR Lamps V2.1 Final Specification)，对于总输出功率小于5瓦特(watts)的照明产品的规定是功率因子必须大于0.5，且对于总输出功率大于5瓦特的照明产品的规定是功率因子必须大于0.7。

填谷式电路对于调整产品的功率因子扮演着重要的角色，其为一种被动式功率因子校正(power factor correction，PFC)电路。请参考图1A，其为现有的功率因子控制电路100的示意图，如图1A所示，功率因子控制电路100包含交流电源10、二极管-桥式整流器(diode-bridge rectifier)15、EMI模块20、填谷式电路30、开关模式电源(switching-modepower supply，SMPS)40以及LED数组50。EMI模块20耦接于交流电源10，并且用来降低EMI排放。填谷式电路30耦接于EMI模块20，并且用来改善功率因子控制电路100的功率因子。然而，功率因子控制电路100中设置有许多被动式组件，故需要填谷式电路30以及EMI模块20以分别改善功率因子以及降低EMI排放。

此外，将交流电压应用至功率因子控制电路100时，整流电压会通过D2、Rv来对多个电容器(例如电容器C_V1、C_V2)进行充电，直到充至将近线电压峰值的一半(参考图1A中的虚线箭头所示的充电方向)。若是操作在谷相位(valley phase)则代表线电压降至低于电压峰值，此时C_V1以及C_V2会放电至负载(参考图1B中虚线箭头所示的放电方向)。进一步而言，功率因子控制电路100以串联的方式充电并且以并联的方式来放电，如此造成电流的不对称性，可能导致更严重的总谐波失真(total harmonic distortions，THD)。综上所述，实有需要一种新颖的方法以及架构来改善应用于电子装置(诸如照明装置)的SMPS驱动器的整体功率因子。

发明内容

本发明的一实施例提供一种电源控制电路，其包含有交流电源(alternatingcurrent，AC)、整流器以及填谷式电路(valley-fill circuit)。该交流电源用以接收一交流电压；该整流器用以将该交流电压转换为一整流的电压；以及该填谷式电路包含有：一电感器，具有一第一端点，其耦接于该整流器，以及具有一第二端点；一第一电阻器，具有一第一端点，其耦接于该电感器的该第二端点，以及具有一第二端点；一二极管，具有一阴极，其耦接于该电感器的该第二端点，以及具有一阳极；以及一第一电容器，具有一第一端点，其耦接于该第一电阻器的该第二端点以及该二极管的该阳极，以及具有一第二端点，其耦接于地端。

附图说明

图1A为现有的功率因子控制电路的示意图。

图1B为图1A中所示现有的功率因子控制电路的放电操作的示意图。

图2为根据本发明一实施例的功率因子控制电路的示意图。

图3为根据本发明另一实施例的功率因子控制电路的示意图。

图4为图3中所示的填谷式电路的输出的示意图。

图5为根据本发明另一实施例的功率因子控制电路的示意图。

附图标记列表

100、200、300、500 功率因子控制电路

10 交流电源

15 二极管-桥式整流器

20 EMI模块

30 填谷式电路

40 开关模式电源

50 LED数组

D、D1、D2、D3 二极管

R_v、R_F 电阻器

C_V、C_V1、C_V2、C_F1、C_F2 电容器

V_OUT 输出电压

V_rec 电压节点

L 电感器

D 二极管

210 交流电流源

220 保险丝

230 金氧压敏电阻单元

240 整流电路

250 开关模式电源

260 LED数组

270、370、570 填谷式电路

Vm 电压峰值

V1、V2、V_{LED_max} 电压值

t1、t2 时间点

具体实施方式

在说明书及后续的申请专利范围当中使用了某些词汇来指称特定的组件。所属领域中具有通常知识者应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及后续的申请专利范围并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的权利要求当中所提及的“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。另外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

上述现有技术的解决方案(或现有技术的解决方案)是在提高成本、提高设计复杂度、增加被动组件数量(会相应地需要更大的电路面积)等等的情况下达到所需的功率控制能力，而本发明实施例所提供的新颖电路设计其具有降低的成本以及简化的复杂度。

请参考图2，图2为根据本发明一实施例的功率因子控制电路200的示意图。如图2所示，电感器L、二极管D、电阻器R_V以及电容器C_V可被共同视为一整合的EMI填谷式电路(即填谷式电路270)，用以在不具前述缺点的情况下仍能够提供理想的技术效果。除了填谷式电路270，功率因子控制电路200还包含交流电流源210、保险丝220、金氧压敏电阻(metal-oxide varistor，MOV)单元230、整流电路240、开关模式电源(switching-mode powersupply，SMPS)250以及LED数组260。只要能够达到相同/相仿的技术效果，图2中所描绘的一些组件可视实际设计需求予以省略。

金氧压敏电阻230为具有电阻值的电子组件，其电阻值会随着所施加的电压不同而变化。金氧压敏电阻230又被称为压敏电阻(voltage-dependent resistor，VDR)，其具有非线性(nonlinear)、非欧姆性(non-ohmic)的电流-电压特性，故相似于二极管。与二极管相反，压敏电阻在两个横向电流方向上具有相同的特性。金氧压敏电阻230可使用作为功率因子控制电路200中的控制或补偿组件，以提供优化的操作条件或对于过大的瞬态电压(transient voltage)提供防治。

整流电路240可为二极管-桥式整流器(或称为桥式整流器)，举例而言(但不用以限定)，二极管桥式整流器为四个二极管所构成的桥式电路配置，其对输出端提供了与输入端相同的极性。桥式整流器被广泛地应用于将交流电流输入转换为直流电流输出。

开关模式电源250通过频繁地对开关装置进行开/关操作来转换电源，并且于开关装置处于非导通的状态下利用储存组件(诸如电感器或电容器)来进行供电。SMPS可用来对许多设备进行供电，诸如计算机设备、敏感的电子设备、仰赖电池供电的装置，以及其他需要高效能供电的设备。

进一步而言，电感器L以及电容器C_V的配置可为功率因子控制电路200提供EMI抑制功能(EMI-suppressing ability)，而二极管D、电阻器R_V以及电容器C_V的配置可为功率因子控制电路200提供填谷功能，其中二极管D、电阻器R_V以及电容器C_V的组合可提供近似于图1中所示R_V、电容器C_V以及二极管D3的功能。相较于图1A/图1B所示的充/放电方式，图2所示的充/放电方式可进一步改善对称性(symmetry)的表现，因而解决现有技术中所面临的技术问题。

请参考图3，图3为根据本发明另一实施例的功率因子控制电路300的示意图。功率因子控制电路300与功率因子控制电路200的差别在于，功率因子控制电路300中的填谷式电路370另包含电阻器R_F以及电容器C_F1。电容器C_F1、电感器L以及电容器C_V的组合构成了一π型EMI电路，其可提供较佳的EMI抑制特性。

为了确保开关模式电源250接收到优化后的输入电压，诸如图4中所示由填谷式电路370所输出的整流后的正弦波，电容器C_V的电容值应被进一步设计为符合特定条件，以图4为例，水平的虚线表示提供给LED数组260的电压，其大小为V_{LED_max}。锯齿状虚线的上升部份表示一充电期间，而锯齿状虚线的下降部份表示维持期间(holding period)。V_{LED_max}近乎恒定的能够提供仔细设计的C_V值(其中斜体的C_V表示电容器C_V的电容值)，其中C_V值可从以下方程序推导：

请参考方程式1，C_V必须大于或等于给定值，以使LED数组260能获得所需的电源电压，其中ΔV_C代表V_C的电压变化，I_load,max代表输出负载的最大电流，V_m,min代表电压振幅V_m的峰值的最小值，以及t_Hold代表电容器放电时间，其可通过方程式2来计算。在方程式3中，电容器充电时间t_chg可藉由自周期1/2f减去t_Hold来得到。I_chg于方程式4中定义，且方程式6中的结果可简单由方程式4以及方程式5来推得。此外，I_chg代表充电电流，以及R_V代表电阻器R_V的电阻值。最后，方程式7中的结果可藉由将方程式6带入方程式1来得到。

图5为根据本发明另一实施例的功率因子控制电路500的示意图，功率因子控制电路300与功率因子控制电路500的差别在于，在功率因子控制电路500中，填谷式电路570还包含电容器C_F2，其有助于进一步提供优化的输出。本实施例中一些组件为相同或相仿于以上实施例中的组件，为简洁之故，详细说明在此省略。

如上所述，本发明的实施例可在具有降低的成本以及简化的复杂度的情况下改善电源控制电路的整体功率因子，以及提供EMI抑制能力。举例来说，本发明的实施例采用了整合式EMI填谷电路的设计，其仅需要较少组件且不影响所欲达到的技术效果(相较于图1A、1B中现有技术的解决方案)。

以上所述仅为本发明之较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做之均等变化与修饰，皆应属本发明之涵盖范围。

Claims (10)

1.一种电源控制电路，包含有：

交流电源，配置以接收交流电压；

整流器，配置以将该交流电压转换为整流的电压；

填谷式电路，包含有：

电感器，具有第一端点，其耦接于该整流器，以及具有第二端点；

第一电阻器，具有第一端点，其耦接于该电感器的该第二端点，以及具有第二端点；

二极管，具有阴极，其耦接于该电感器的该第二端点，以及具有阳极；以及

第一电容器，具有第一端点，其耦接于该第一电阻器的该第二端点以及该二极管的该阳极，以及具有第二端点，其耦接于地端。

2.如权利要求1所述的电源控制电路，其中该整流器为二极管-桥式整流器。

3.如权利要求1所述的电源控制电路，其中该填谷式电路另耦接于直流对直流转换器，以对LED驱动电路提供恒定电流输出或恒定电流输出。

4.如权利要求3所述的电源控制电路，其中开关模式电源耦接于该填谷式电路与该LED驱动电路之间。

5.如权利要求1所述的电源控制电路，另包含有：

金氧压敏电阻单元，耦接于该交流电源与该整流器之间；以及

保险丝，耦接于该交流电源以及该MOV单元之间。

6.如权利要求1所述的电源控制电路，其中该填谷式电路另包含：

第二电阻器，具有第一端点，其耦接于该电感器的该第一端点，以及具有第二端点，其耦接于该第一电阻器的该第一端点；以及

第二电容器,，具有第一端点，其耦接于该第二电阻器的该第一端点，以及具有第二端点，其耦接于地端。

7.如权利要求6所述的电源控制电路，其中该填谷式电路另包含：

第三电容器，具有第一端点，其耦接于该第一电阻器的该第一端点，以及具有第二端点，其耦接于地端。

8.如权利要求1所述的电源控制电路，其中该填谷式电路的输出为整流的正弦波的形式。

9.如权利要求8所述的电源控制电路，其中该第一电容器的电容值满足以下方程式：

其中C_V代表该第一电容器的电容值，ΔV_C代表电容值V_C的电压变化，I_load,max代表输出负载端上的最大电流值，V_m,min代表电压振幅V_m的峰值的最小值，t_Hold代表该电容器的放电时间，t_chg代表该电容器的充电时间，I_chg代表充电电流，以及R_V代表该第一电阻器的电阻值。

10.如权利要求1所述的电源控制电路，其中该第一电容器通过该电感器以及该第一电阻器来充电，以及该第一电容器通过该二极管来放电。

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