TWI725862B - 具有多功能端的功率因素校正控制器、以及相關之功率因素校正電路與控制方法 - Google Patents

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TWI725862B
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周冠賢
陳耀宗
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Abstract

本發明實施例提供一功率因素校正電路，包含有一電感、一功率電晶體、一電流偵測電阻、一PFC控制器、以及一訊號整合電路。該功率電晶體具有一汲極，電耦接至該電感，也具有一源極以及一閘極。該電流偵測電阻連接於該源極與一接地電源線之間。該PFC控制器，提供一驅動端以及一多功能端。該驅動端耦接至該閘極。該訊號整合電路電耦接至該汲極、該源極以及該多功能端，用以於該多功能端上，產生一多功能訊號。於開啟該功率電晶體呈現一短路時，該PFC控制器比較該多功能訊號與一第一預設參考訊號，且當該多功能訊號超過該第一預設參考信號時，提供一過電流保護，以固定關閉該功率電晶體。於關閉該功率電晶體呈現一開路時，該PFC控制器依據該多功能訊號，偵測該電感之一電感電流掉為0之一零電流時間。

Description

具有多功能端的功率因素校正控制器、以及相關之功率因素校正電路與控制方法
本發明大致係關於功率因素校正(power factor correction，PFC)，尤指主動式功率因素校正電路、相關之電源控制器與控制方法。
PFC是一種增加電源供應器之功因(power factor，PF)的技術。沒有PFC的電源供應器往往在非常短促的時間內，從交流市電汲取大量的電流。這樣的短促的電流可以透過主動式或是被動式技術來變得平滑。如此，可以降低輸入的均方根(root-mean-sqare，RMS)電流，來增加PF。PFC可以改變輸入電流的波形，來最大化從交流市電來的實功率(real power)。
圖1顯示習知的一個主動式PFC電路100，其具有一昇壓器(booster)架構。PFC控制器102開關功率電晶體104，來控制流經電感L的電感電流IL之電流波形，目標是使得電感電流IL的平均大致為一連續正弦波輸入電流(continuous sinusoidal input current)，其大致跟交流市電VAC-IN的電壓波形同相(in phase)。二極體D1提供整流的功能，讓電感電流IL對輸出電容COUT充電，產生輸出電壓VOUT。
本發明實施例提供一功率因素校正電路，包含有一電感、一功率電晶體、一電流偵測電阻、一PFC控制器、以及一訊號整合電路。該功率電晶體具有一汲極，電耦接至該電感，也具有一源極以及一閘極。該電流偵測電阻連接於該源極與一接地電源線之間。該PFC控制器，提供一驅動端以及一多功能端。該驅動端耦接至該閘極。該訊號整合電路電耦接至該汲極、該源極以及該多功能端，用以於該多功能端上，產生一多功能訊號。於開啟該功率電晶體呈現一短路時，該PFC控制器比較該多功能訊號與一第一預設參考訊號，且當該多功能訊號超過該第一預設參考信號時，提供一過電流保護，以固定關閉該功率電晶體。於關閉該功率電晶體呈現一開路時，該PFC控制器依據該多功能訊號，偵測該電感之一電感電流掉為0之一零電流時間。
本發明實施例提供一種PFC控制器。該PFC控制器包含有一驅動器、一多功能端、一零電流偵測器、以及一保護裝置。該驅動器用以驅動一功率電晶體，其具有一汲極以及一源極。該多功能端透過一訊號整合電路電性耦接至該汲極以及該源極。該多功能端上具有一多功能訊號。該零電流偵測器電性耦接至該多功能端，依據該多功能訊號，於該驅動器關閉該功率電晶體呈現一開路時，偵測一電感之一電流掉為0的一零電流時間。該保護裝置電性耦接至該多功能端，依據該多功能訊號，於該驅動器開啟該功率電晶體呈現一短路時，比較該多功能訊號與一第一預設參考訊號，且當該多功能訊號超過該第一預設參考信號時，提供一過電流保護，以固定關閉該功率電晶體。
本發明實施例提供一種PFC控制方法。該PFC控制方法包含有：驅動一功率電晶體，其具有一汲極以及一源極，該汲極電耦接至一電感；提供一多功能端，其透過一訊號整合電路電性耦接至該汲極以及該源極，其中，該多功能端上具有一多功能訊號；依據該多功能訊號，於關閉該功率電晶體呈現一開路時，偵測該電感之一電流掉為0的一零電流時間；以及，依據該多功能訊號，於開啟該功率電晶體呈現一短路時，比較該多功能訊號與一第一預設參考訊號，且當該多功能訊號超過該第一預設參考信號時，提供一過電流保護，以固定關閉該功率電晶體。
100、200:PFC電路
102:PFC控制器
104:功率電晶體
201:濾波電容
202:PFC控制器
204:功率電晶體
206:訊號整合電路
210:連接點
302:ZCD偵測器
304:波谷偵測器
306:過電流偵測器
308:二極體短路偵測器
310:過電壓偵測器
312:脈衝寬度調變器
314:驅動器
316:取樣器
318:比較器
320:比較器
322:計時器
BR:橋式整流器
C1與C2:電容對
COUT:輸出電容
CS/ZCD:多功能端
D:汲極
D1:二極體
DRV:驅動端
IIN:輸入電流
IL:電感電流
L:電感
R1與R2:電阻對
RCS:電流偵測電阻
S:源極
SDSCP:保護訊號
SOCP:保護訊號
SOVP:保護信號
SPWM:PWM訊號
SV:波谷信號
SZCD:脈衝
tzcd:零電流時間
TCYC:開關週期
TOFF:關閉時間
TON:開啟時間
VAC-IN:交流市電
VCS:電流偵測訊號
VCS/ZCD:多功能訊號
VD:汲極訊號
VDSCP:二極體短路保護參考訊號
VG:閘訊號
VIN:輸入電壓電源
VL1、VL2:波谷
VOCF:過電流保護參考訊號
VOVP:過電壓參考訊號
VOUT:輸出電壓
VSAMP:樣本訊號
圖1顯示習知的一個主動式PFC電路100。
圖2顯示依據本發明所實施的主動式PFC電路200。
圖3顯示圖2中的閘訊號VG、電流偵測訊號VCS、電感電流IL、汲極訊號VD、與多功能訊號VCS/ZCD之訊號波形。
圖4顯示圖2中之PFC控制器202。
在本說明書中，有一些相同的符號，其表示具有相同或是類似之結構、功能、原理的元件，且為業界具有一般知識能力者可以依據本說明書之教導而推知。為說明書之簡潔度考量，相同之符號的元件將不再重述。
在本發明的一實施例中，一PFC控制器控制一功率電晶體，其串聯於一電感，來進行PFC。該PFC控制器是一封裝好的單晶片，具有一 多功能端，透過一訊號整合電路，電性耦接致該功率電晶體之一汲極與一源極。依據該多功能端上的一多功能訊號，該PFC控制器偵測當該功率電晶體開啟時的一電感電流，以及當該功率電晶體關閉時，該電感電流掉為0之一零電流時間，並提供一些保護機制。
圖2顯示依據本發明所實施的主動式PFC電路200，其具有一昇壓器(booster)架構。PFC電路200包含有橋式整流器(bridge rectifier)BR、濾波電容201、電感L、PFC控制器202、功率電晶體204、訊號整合電路206、電流偵測電阻RCS、二極體D1、以及輸出電容COUT。PFC電路200可以具有圖2沒有顯示出來其他的元件。為了說明上的簡潔緣故，圖2省略了這些沒有顯示的元件。功率電晶體204的汲極D電連接到電感L與二極體D1。汲極D上有汲極訊號VD。電流偵測電阻RCS連接於功率電晶體204的源極S與一接地電源線之間，端點208上具有電流偵測訊號VCS。當功率電晶體204開啟呈現為一短路時，電流偵測訊號VCS可以代表流經電感L的電感電流IL。
橋式整流器BR提供全波整流，將交流市電VAC-IN轉換為直流的輸入電壓電源VIN與接地電源線。電感L電性連接於輸入電壓電源VIN與功率電晶體204之汲極D之間。橋式整流器BR的輸出被電感L與濾波電容201所濾波，來產生連續的輸入電流IIN。在一些實施例中，PFC控制器202是一封裝好的單晶片積體電路，以脈衝寬度調變或是其他調變技術，產生閘訊號VG，透過驅動端DRV(或是接腳)，開啟或關閉功率電晶體204，來調控輸出電壓VOUT，並使得輸入電流IIN的波形，大致跟輸入電壓VIN的電壓波形同相(in phase)，達成PFC的目的。功率電晶體204可以是一金氧半電晶體。 PFC電路200可以操作在臨界模式(boundary mode)、非連續導通模式(discontinuous conduction mode，DCM)、或是叢集模式(burst mode)。輸出電壓VOUT可以用來供電給圖2中所沒有顯示的負載或是其他的電源轉換器。
訊號整合電路206同時電性耦接至源極S與汲極D，用以整合電流偵測訊號VCS以及汲極訊號VD，以在PFC控制器202之多功能端CS/ZCD(或是接腳)提供多功能訊號VCS/ZCD。訊號整合電路206具有電阻對R1與R2、電容對C1與C2，均串接於源極S與汲極D之間。電阻對R1與R2、電容對C1與C2中間的連接點210，電性連接到多功能端CS/ZCD。當功率電晶體204開啟時，多功能訊號VCS/ZCD可以大約代表電流偵測訊號VCS，PFC控制器202可以具以判斷電感電流IL是否過大，來進行相對應的保護。當功率電晶體204關閉時，多功能訊號VCS/ZCD可以大約代表汲極訊號VD，PFC控制器202可以具以判斷電感電流IL掉為0之一零電流時間tzcd，以及輸出電壓VOUT是否過高，來進行相對應的控制。
圖3顯示圖2中的閘訊號VG、電流偵測訊號VCS、電感電流IL、汲極訊號VD、與多功能訊號VCS/ZCD之訊號波形。圖4顯示圖2中之PFC控制器202，包含有ZCD偵測器302、波谷偵測器304、過電流偵測器306、二極體短路偵測器308、過電壓偵測器310、脈衝寬度調變器312、以及驅動器314。
請同時參閱圖3與圖4。一個開關週期TCYC包含有一開啟時間TON與一關閉時間TOFF。開啟時間TON指的是閘訊號VG為邏輯上的”1”之時間，也是功率電晶體204的源極S與汲極D之間呈現一短路的時間。相對的，關閉時間TOFF指的是閘訊號VG為邏輯上的”0”之時間，也是功率電晶體204 的源極S與汲極D呈現一開路的時間。
脈衝寬度調變器312產生PWM訊號SPWM，而驅動器314依據PWM訊號SPWM產生適當電壓或電流的閘訊號VG來驅動功率電晶體204。邏輯上，PWM訊號SPWM與閘訊號VG是一樣的。舉例來說，脈衝寬度調變器312依據一補償訊號(未顯示)，以固定開啟時間模式(constant ON-time mode)，來決定開啟時間TON的長度。
在開啟時間TON，功率電晶體204呈現一短路，因此圖3中，電感電流IL以及電流偵測訊號VCS，隨著時間線性的增加。也因為功率電晶體204呈現一短路，所以電流偵測訊號VCS大約等於汲極訊號VD，也大約等於多功能訊號VCS/ZCD，如同圖3所示。在開啟時間TON內，正常操作下，二極體D1為逆偏壓，為關閉狀態。
過電流偵測器306偵測開啟時間TON內的多功能訊號VCS/ZCD。舉例來說，在開啟時間TON內，過電流偵測器306比較多功能訊號VCS/ZCD與過電流保護(over current protection，OCP)參考訊號VOCP。當多功能訊號VCS/ZCD超過OCP參考訊號VOCP時，過電流偵測器306提供保護訊號SOCP，其可以禁能脈衝寬度調變器312，使其快速地且固定地關閉功率電晶體204。這可以預防輸出電壓VOUT所供電之負載過重所產生之過大電感電流IL。類似的，二極體短路偵測器308比較多功能訊號VCS/ZCD與二極體短路保護(diode short circuit protection，DSCP)參考訊號VDSCP。當多功能訊號VCS/ZCD超過DSCP參考訊號VDSCP時，過電流偵測器306提供保護訊號SDSCP，其禁能脈衝寬度調變器312，使其快速地且固定地關閉功率電晶體204。這可以預防二極體D1故障短路所導致電感電流IL過大的問題。
在關閉時間TOFF內，電流偵測訊號VCS大約為0V，所以多功能訊號VCS/ZCD大約比例於汲極訊號VD。多功能訊號VCS/ZCD可以用來代表汲極訊號VD，如同圖3所示。
在關閉時間TOFF內，ZCD偵測器302依據多功能訊號VCS/ZCD，偵測電感L之電感電流IL掉為0之零電流時間tzcd，如同圖3所示。在圖3中，取樣器316在關閉時間TOFF開始不久後，對多功能訊號VCS/ZCD取樣以產生樣本訊號VSAMP。比較器318比較樣本信號VSAMP以及多功能訊號VCS/ZCD，用以決定零電流時間tzcd。舉例來說，當多功能訊號VCS/ZCD掉下來，比樣本信號VSAMP少了固定偏移量VOFFSET時，認定為零電流時間tzcd，提供脈衝SZCD。在關閉時間TOFF開始後，到零電流時間tzcd之前，二極體D1為順偏壓，為開啟狀態。
在關閉時間TOFF內，零電流時間tzcd之後，波谷偵測器304依據多功能訊號VCS/ZCD，偵測汲極D上之汲電壓VD簡諧震盪下產生的波谷VL1、VL2所發生的時間，具以提供波谷信號SV給予脈衝寬度調變器312。脈衝寬度調變器312可以設計在大約一波谷發生時，開始下一開關週期TCYC的開啟時間TON，來進行波谷切換。波谷切換可以使功率電晶體204享有較低的開關損失，增進轉換效率。
脈衝寬度調變器312可以依據脈衝SZCD與波谷信號SV，來開始下一個開關週期TCYC的開啟時間TON。在零電流時間tzcd之後，到下一個開啟時間TON之前，二極體D1為逆偏壓，為關閉狀態。
在關閉時間TOFF內，過電壓偵測器310偵測多功能訊號VCS/ZCD是否過高，來提供過電壓保護(over voltage protection，OVP)。比較 器320比較多功能訊號VCS/ZCD與過電壓參考訊號VOVP。當多功能訊號VCS/ZCD持續超過過電壓參考訊號VOVP的時間，超過計時器322所計算的預設時間(數個開關週期)，計時器322就發出保護信號SOVP，其可以禁能脈衝寬度調變器312，使其快速地且固定地關閉功率電晶體204。
當PFC控制器202是一封裝好的單晶片時，只要透過多功能端CS/ZCD這樣單一的接腳，就可以提供OVP、OCP、DSCP這樣多種的保護，也可以提供ZCD與波谷偵測。PFC控制器202接腳之數目，有可能可以減少，具有較低的成本。
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。
202:PFC控制器
302:ZCD偵測器
304:波谷偵測器
306:過電流偵測器
308:二極體短路偵測器
310:過電壓偵測器
312:脈衝寬度調變器
314:驅動器
316:取樣器
318:比較器
320:比較器
322:計時器
CS/ZCD:多功能端
DRV:驅動端
SDSCP:保護訊號
SOCP:保護訊號
SOVP:保護信號
SPWM:PWM訊號
SV:波谷信號
SZCD:脈衝
VCS/ZCD:多功能訊號
VDSCP:二極體短路保護參考訊號
VG:閘訊號
VOCP:過電流保護參考訊號
VOVP:過電壓參考訊號
VSAMP:樣本訊號

Claims (10)

  1. 一種功率因素校正電路，包含有：一電感；一功率電晶體，具有一汲極，電耦接至該電感，一源極以及一閘極；一電流偵測電阻，連接至該源極與一接地電源線之間；一PFC控制器，提供一驅動端以及一多功能端，其中，該驅動端耦接至該閘極；以及一訊號整合電路，電耦接至該汲極、該源極以及該多功能端，用以於該多功能端上，產生一多功能訊號；其中，該PFC控制器架構來：於開啟該功率電晶體呈現一短路時，比較該多功能訊號與一第一預設參考訊號，用以提供一保護訊號，以固定關閉該功率電晶體；以及於關閉該功率電晶體呈現一開路時，依據該多功能訊號，偵測該電感之一電感電流掉為0之一零電流時間。
  2. 如申請專利範圍第1項之該功率因素校正電路，其中，該PFC控制器架構來，於關閉該功率電晶體呈現一開路時，比較該多功能訊號與一第二預設參考訊號，用以提供一過電壓保護，以固定關閉該功率電晶體。
  3. 如申請專利範圍第1項之該功率因素校正電路，其中，該PFC控制器架構來，於該零電流時間後，依據該多功能訊號，偵測該汲極上之一汲電壓震盪下產生的一波谷。
  4. 如申請專利範圍第1項之該功率因素校正電路，其中，該訊號整合電路 包含有一對電阻，串聯於該電流偵測電阻與該汲極之間，該對電阻之間的一連接點，電性耦接到該多功能端。
  5. 如申請專利範圍第1項之該功率因素校正電路，其中，該訊號整合電路包含有一對電容，串聯於該電流偵測電阻與該汲極之間，該對電容之間的一連接點，電性耦接到該多功能端。
  6. 一種PFC控制器，包含有：一驅動器，用以驅動一功率電晶體，其具有一汲極以及一源極；一多功能端，用以透過一訊號整合電路電性耦接至該汲極以及該源極，該多功能端具有一多功能訊號；一零電流偵測器，電性耦接至該多功能端，依據該多功能訊號，於該驅動器關閉該功率電晶體呈現一開路時，偵測一電感之一電流掉為0的一零電流時間；以及一保護裝置，電性耦接至該多功能端，依據該多功能訊號，於該驅動器開啟該功率電晶體呈現一短路時，比較該多功能訊號與一第一預設參考訊號，用以提供一保護訊號，以固定關閉該功率電晶體。
  7. 如申請專利範圍第6項之該PFC控制器，其中，於該驅動器關閉該功率電晶體呈現一開路時，該保護裝置比較該多功能訊號與一第二預設參考訊號，用以提供一過電壓保護，以固定關閉該功率電晶體。
  8. 如申請專利範圍第6項之該PFC控制器，其中，於該驅動器關閉該功率電晶體時，該零電流偵測器取樣該多功能訊號以產生一樣本訊號，比較該樣本信號以及該多功能訊號，用以決定該零電流時間。
  9. 一種PFC控制方法，包含有： 驅動一功率電晶體，其具有一汲極以及一源極，該汲極電耦接至一電感；提供一多功能端，其透過一訊號整合電路電性耦接至該汲極以及該源極，其中，該多功能端具有一多功能訊號；依據該多功能訊號，於關閉該功率電晶體呈現一開路時，偵測該電感之一電流掉為0的一零電流時間；以及依據該多功能訊號，於開啟該功率電晶體呈現一短路時，比較該多功能訊號與一第一預設參考訊號，用以提供一保護訊號，以固定關閉該功率電晶體。
  10. 如申請專利範圍第9項之該PFC控制方法，包含有：於關閉該功率電晶體呈現一開路時，比較該多功能訊號與一第二預設參考訊號，用以提供過電壓保護，以固定關閉該功率電晶體。
TW109118312A 2020-06-01 2020-06-01 具有多功能端的功率因素校正控制器、以及相關之功率因素校正電路與控制方法 TWI725862B (zh)

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