专利名称：功率因子校正装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种功率因子校正装置，尤其涉及一种通过切换SR锁存器的「置位」 触发模式，提升功率因子并降低导通损失的功率因数校正装置。
背景技术：
功率因子(Power Factor)是有效功率除以总耗功率的比值，用来衡量电力被有效利用的程度。功率因子值越大代表电力运用效率越佳。因此，电源供应器通常包含功率因子校正(Power Factor Correction,PFC)装置，以确保交流电流与电压保持一致，并消除非理想的谐波，进而提升功率因子。一般来说，功率因子校正装置大致上可分为被动式及主动式两种。被动式功率因子校正装置主要由电感、电容等被动组件组合而成，大部分用来处理 50 60Hz的低频交流输入，通常仅可达到75% 80%的功率因子。相反地，主动式功率因子校正装置由主动组件、功率开关等组成，用来调整输入电流的波形，使其尽可能趋近输入电压的波形。理想上，主动式功率因子校正装置的功率因子可接近100%。因此，在高阶电源应用中，电源供应器主要仍使用主动式功率因子校正装置。请参考图1A，图IA为公知的一个主动式功率因子校正装置10的示意图。功率因子校正装置10主要包含有二极管桥式(diode bridge)整流器100、中继电感110、功率晶体管112、SR锁存器114、感应电感116、乘法器118、误差放大器120、比较器122及分压电路 130、140。二极管桥式整流器100用来将交流输入电压VINAC转换为直流输入电压VINDC。 中继电感110及感应电感116形成变压器，用来在中继电感110的电感电流IL降至0时， 置位(set)SR锁存器114的闩锁结果LAT为「1」，以导通功率晶体管112。一旦功率晶体管 112导通，电感电流IL增加，造成功率晶体管112的源极电压VS上升。另外，分压电路130、 140分别用来产生直流输入电压VINDC及直流输出电压VOUTDC的分压电压Vdivl、Vdiv2。 误差放大器120将分压电压Vdiv2与参考电压VREF比较，以产生比较结果C0MP。接着，乘法器118对分压电压Vdivl及比较结果COMP执行乘法运算，产生乘法结果MUL。最后，比较器122比较源极电压VS及乘法结果MUL，以决定是否复位(reset) SR锁存器114的闩锁结果LAT为「0」。当源极电压VS大于乘法结果MUL时，闩锁结果LAT为「0」，功率晶体管112 被关闭，以降低电感电流IL。这样的控制模式，称为边界控制模式(Boundary Mode，BM)。简单来说，功率因子校正装置10通过周期性地置位及复位闩锁结果LAT，使得电感电流IL的平均电流IL_avg的波形与输入电压一致，如图IB所示。由图IB可知，功率因子校正装置10具有极佳的功率因子值，但由于电感电流IL的均方根(root mean square) 值极高，不利于应用在导通损失严重的应用中。请继续参考图2A，图2A为公知另一个主动式功率因子校正装置20的示意图。功率因子校正装置20是功率因子校正装置10的进一步改良版本，差异仅在于将图IA中的感应电感116取代为定时器200。定时器200用来在闩锁结果LAT被复位时(LAT:1 —0)，开始计时，并在一预设时间后，触发SR锁存器114置位闩锁结果LAT为「1」。如此一来，电感电流IL的平均电流IL_avg的波形亦可与输入电压一致，如图2B所示。这样的控制方式，称为定关闭时间控制模式(Fixed Off-Time control, FOT) 相较于功率因子校正装置10，功率因子校正装置20具有电感电流IL的均方根值 (导通损失)较低的优点。然而，由于在功率因子校正装置20中，功率晶体管112关闭的 时间长短固定等于预设时间，当电感电流IL的平均电流接近0时，功率因子校正装置20由 连续导通模式(Omtinuous ConductionMode, CCM)进入非连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode, 0〔10，造成电感电流IL的平均电流1し_3 8波形失真，使得功率因子下 降。也就是说，无论是功率因子校正装置10及功率因子校正装置20都无法同时具有高功 率因子及低导通损失的优点。因此，如何改善功率因子校正装置，使其同时包含高功率因子及低导通损失的优 点，已成为工业界的努力目标。
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供一种功率因子校正装置。本发明揭露一种功率因子校正装置，包含有整流器，用来将交流输入电压转换为 直流输入电压；输出模块，用来产生并输出直流输出电压；中继电感，稱接在该整流器及该 输出模块之间；功率开关，包含有第一端稱接在该中继电感与该输出模块之间，第二端稱接 于电阻，及第三端，用来根据该第三端所接收的信息，控制该第一端至该第二端的电连接； 复位模块，包含第一输入端稱接在该整流器及该中继电感之间，第二输入端稱接于该输出 模块，以及第三输入端稱接于该功率开关的该第二端，用来根据该直流输入电压、该直流输 出电压及该功率开关的该第二端的电压，产生复位指令；38锁存器，包含有置位端，复位端 華禹接于该复位模块，以及输出端稱接于该功率开关的该第三端，用来根据该置位端及该复 位端的信息，由该输出端输出円锁结果；以及置位模块，用来根据该电感电流或该円锁结果 的变化，产生置位指令至该38锁存器的该置位端。在此配合下列图示、实施例的详细说明及权利要求书，将上述及本发明的其它目 的与优点详述于后。
图1ム为公知的ー个主动式功率因子校正装置的示意图。图IB为图IA的功率因子校正装置的电感电流及円锁结果的时变示意图。图2A为公知另一个主动式功率因子校正装置的示意图。图2B为图2A的功率因子校正装置的电感电流及円锁结果的时变示意图。图3A为本发明实施例ー个功率因子校正装置的示意图。图;3B为图3A的功率因子校正装置的电感电流及円锁结果的时变示意图。图3C为补偿后的电感电流及円锁结果的时变示意图。图4为图3A的功率因子校正装置的ー个变化实施例的示意图。图5ム为图3A的功率因子校正装置的另ー个变化实施例的示意图。图5B为图5A的功率因子校正装置调整操作模式比重的示意图。其中，附图标记说明如下COMP比较结果DET检测结果
MUL乘法结果IL电感电流
IL_avg平均电流ILD负载电流
TRl第一触发指令TR2第二触发指令
ST置位指令RST复位指令
LAT闩锁结果RS源极电阻
R1、R2、R3、R4 电阻Vdivl第一分压电压
Vdiv2第二分压电压VINAC交流输入电压
VINAC交流输入电压VINDC直流输入电压
VOUTDC直流输出电压VREF参考电压
VS源极电压SEN感测结果
10、20、30功率因子校正装置
100 二极管桥式整流器110,320中继电感
112功率晶体管114、340SR锁存器
116,352感应电感118、338乘法器
120,336误差放大器122,339比较器
130、332第一分压电路140、3；34第二分压电路
200、3M定时器
300整流器310输出模块
312 二极管314输出电容
322功率开关330复位模块
337补偿电容350置位模块
356选择单元
400检测单元
500负载感测单元
具体实施例方式请参考图3A，图3A为本发明实施例一种功率因子校(Power FactorCorrection) 装置30的示意图。功率因子校正装置30包含有整流器300、输出模块310、中继电感320、 功率开关322、复位模块330、SR锁存器340及置位模块350。整流器300用来将交流输入电压转VINac换为直流输入电压VINdc。输出模块310用来产生并输出直流输出电压V0UTDC。 功率开关322较佳地是金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor, M0S)晶体管，其源极耦接于源极电阻RS，用来根据栅极所接收的闩锁结果LAT，控制其漏极至源极的电连接，并产生源极电压VS。复位模块330用来根据直流输入电压VINDC、直流输出电压VOUTdc 及源极电压VS，产生复位指令RST。SR锁存器340用来根据置位指令ST及复位模块330产生的复位指令RST，输出闩锁结果LAT。置位模块350用来根据中继电感320的电感电流込或闩锁结果LAT的变化，产生置位指令ST至SR锁存器340。简单来说，功率因子校正装置30整合功率因子校正装置10、20，以同时使用功率因子校正装置10、20的SR锁存器的「置位」触发机制。如此一来，功率因子校正装置30轮流操作在定关闭时间控制模式(Fixed Off-Timecontrol,F0T)或边界控制模式(BoundaryMode, BM)。换句话说，功率因子校正装置30主要操作在定关闭时间控制模式，以降低导通损失，并在电感电流IL接近零时，切换至边界导通模式，以避免功率因子校正装置30由连续导通模式(Continuous Conduction Mode, CCM)进入非连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)而造成波形失真。具体来说，置位模块350包含有感应电感352、定时器邪4及选择单元356。与功率因子校正装置10的感应电感116相似，感应电感352用来感应中继电感320的电感电流 Il的变化，以产生第一触发指令TRl。与功率因子校正装置20的定时器200相似，定时器 352用来根据闩锁结果LAT的变化，产生第二触发指令TR2。最后，选择单元356根据第一触发指令TRl或第二触发指令TR2，产生置位指令ST至SR锁存器，以置位闩锁结果LAT至 「1」。通过选择单元356，功率因子校正装置30可同时应用功率因子校正装置10、20的 SR锁存器「置位」触发机制。也就是说，感应电感352在电感电流L降至零时，通过去磁化 (demagnetization)，产生第一触发指令TRl ；同时，定时器3M在电感电流Il由上升转换为下降时，开始计时，并在经过一预设时间后，产生第二触发指令TR2。 由于功率因子校正装置30同时应用功率因子校正装置10、20的SR锁存器「置位」 触发机制，选择单元356可较佳地是或(OR)门，用来对第一触发指令TRl及第二触发指令 TR2执行逻辑或运算，以产生置位指令ST。另外，复位模块330包含有第一分压电路332、第二分压电路334、误差放大器336、 乘法器338及比较器339。第一分压电路332对直流输入电压VINdc执行分压运算，以产生第一分压电压Vdivl。相似地，第二分压电路334对直流输出电压VOUTdc执行分压运算，以产生第二分压电压Vdiv2。误差放大器336用来比较第二分压电压Vdiv2及参考电压VREF， 以产生比较结果C0MP。接着，乘法器338对第一分压电压Vdivl及比较结果COMP执行乘法运算，以产生乘法结果MUL。最后，比较器339比较乘法结果MUL及源极电压VS，以决定是否产生复位指令RST。须注意的是，功率因子校正装置10的电感电流L的平均值仅达到功率因子校正装置20的电感电流L的一半，如图IB及图2B所示。换句话说，对整合功率因子校正装置 10,20的功率因子校正装置30而言，当操作在边界控制模式时，电感电流L的平均值仅为操作在定关闭时间控制模式时的一半，如图3B所示。为补偿这一平均电流Iyvg失真的问题，选择单元356还可较佳地耦接于复位模块330，并根据第一触发指令TRl或第二触发指令TR2，判断功率因子校正装置30操作在定关闭时间控制模式或边界控制模式，以产生检测结果DET至复位模块330，如图3A所示。对应地，乘法器338还用来根据检测结果DET， 补偿增益，进而确保电感电流l·的平均电流Iyvg在功率因子校正装置30切换操作模式时， 维持全波整流后的正弦波波形(full-wave rectified sine wave)。举例来说，乘法器338可在检测结果DET显示置位指令ST是由第一触发指令TRl 触发时，切换增益至双倍增益；以及在检测结果DET显示置位指令ST是由第二触发指令 TR2触发时，切换增益至单倍增益。如此一来，电感电流L的平均值可维持全波整流后的正弦波波形，如图3C所示。当然，本领域普通技术人员可根据不同的需求，使用其它方式产生检测结果DET。 例如，功率因子校正装置30还可整合检测单元400在置位模块350中，如图4所示。检测单元400用来根据第一触发指令TRl及第二触发指令TR2，判断功率因子校正装置30的运作模式，以产生检测结果DET至乘法器338。除此之外，由于切换损失为功率因子校正装置30操作在轻载(低负载电流)时的主要能量损失，导通损失为功率因子校正装置30操作在重载(高负载电流)时的主要能量损失，本发明还根据负载状态，调整功率因子校正装置30操作在连续导通模式及非连续导通模式的比重。具体来说，功率因子校正装置30可较佳地另包含负载感测单元500，如图 5A所示，用来感测功率因子校正装置30的负载电流Iui，以产生感测结果SEN至定时器354。 对应地，定时器354在感测结果SEN显示负载电流Iui是重载时，缩短预设时间，以降低功率因子校正装置30的导通损失。相反地，定时器3M在感测结果SEN显示负载电流Iui是轻载时，延长预设时间，以降低功率因子校正装置30的切换损失。换句话说，功率因子校正装置30在负载电流I111是重载时，降低操作在边界控制模式的比重，以降低导通损失，并在负载电流I111是轻载时，降低操作在定关闭时间控制模式的比重，以降低切换损失，如图5B所
7J\ ο另外，复位模块330还包含有补偿电容337，用来补偿闭回路的稳定度并对比较结果COMP进行滤波。输出模块310包含有二极管312及输出电容314，用来产生直流输出电压V0UTDe。较佳地，整流器300是二极管桥式(diode bridge)整流器，但不限于此。在公知技术中，功率因子校正装置10具有高功率因子的优点及高导通损失的缺点。功率因子校正装置20具有低导通损失的优点及电流波形失真(低功率因子)的缺点。 换句话说，无论是功率因子校正装置10或功率因子校正装置20，皆无法同时具有高功率因子及低导通损失的优点。相较之下，本发明通过同时使用功率因子校正装置10、20的SR锁存器「置位」触发机制，整合功率因子校正装置10、20，使得功率因子校正装置30同时具有高功率因子及低导通损失的优点。换句话说，功率因子校正装置30主要操作在定关闭时间控制模式，以降低导通损失，并在电感电流l·接近零时，切换至边界控制模式，以避免波形失真。除此之外，本发明还根据负载电流Iui的变化，调整连续导通模式及非连续导通模式的比重，进而调整导通损失及切换损失的比重以达到效率最佳化。综上所述，本发明通过同时使用定关闭时间控制模式及边界控制模式对应的SR 锁存器「置位」触发机制，使得功率因子校正装置同时具有高功率因子及低导通损失的优
点ο以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种功率因子校正装置，其特征在于，该功率因子校正装置包含有整流器，用来将交流输入电压转换为直流输入电压；输出模块，用来产生并输出直流输出电压；中继电感，耦接在该整流器及该输出模块之间；功率开关，包含有第一端耦接在该中继电感与该输出模块之间，第二端耦接于电阻，以及第三端，用来根据该第三端所接收的信号，控制该第一端至该第二端的电连接；复位模块，包含第一输入端耦接在该整流器及该中继电感之间，第二输入端耦接于该输出模块，及第三输入端耦接于该功率开关的该第二端，用来根据该直流输入电压、该直流输出电压及该功率开关的该第二端的电压，产生复位指令；SR锁存器，包含有置位端，复位端耦接于该复位模块，以及输出端耦接在该功率开关的该第三端，用来根据该置位端及该复位端的信号，在该输出端输出闩锁结果；以及置位模块，用来根据该中继电感的电感电流或该闩锁结果的变化，产生置位指令至该 SR锁存器的该置位端。
2.如权利要求1所述的功率因子校正装置，其特征在于，该置位模块包含有感应电感，耦接于地端，用来感应该中继电感的电感电流的变化，以产生第一触发指令；定时器，耦接在该功率开关的该第三端与该SR锁存器的该输出端之间，用来根据该闩锁结果的变化，产生第二触发指令；以及选择单元，耦接于该感应电感、该定时器及该SR锁存器的该置位端，用来根据该第一触发指令或该第二触发指令，产生该置位指令至该SR锁存器的该置位端。
3.如权利要求2所述的功率因子校正装置，其特征在于，该感应电感在该中继电感的该电感电流降低至零时，通过去磁化，产生该第一触发指令。
4.如权利要求2所述的功率因子校正装置，其特征在于，该定时器在该中继电感的该电感电流由上升转换为下降时，开始计时，并在经过一预设时间后，产生该第二触发指令。
5.如权利要求4所述的功率因子校正装置，其特征在于，该功率因子校正装置还包含有负载感测单元，耦接于该输出模块、该置位模块及该复位模块，用来感测该功率因子校正装置的负载电流，以产生感测结果至该定时器。
6.如权利要求5所述的功率因子校正装置，其特征在于，该定时器在感测结果显示该负载电流是重载时，缩短该预设时间，以降低该功率因子校正装置的导通损失。
7.如权利要求5所述的功率因子校正装置，其特征在于，该定时器在感测结果显示该负载电流是轻载时，延长该预设时间，以降低该功率因子校正装置的切换损失。
8.如权利要求2所述的功率因子校正装置，其特征在于，该选择单元是或门，用来对该第一触发指令及该第二触发指令执行逻辑或运算，以产生该置位指令。
9.如权利要求2所述的功率因子校正装置，其特征在于，该选择单元还耦接于该复位模块，该选择单元还用来根据该第一触发指令或该第二触发指令，判断该功率因子校正装置的运作模式，以产生检测结果至该复位模块。
10.如权利要求1所述的功率因子校正装置，其特征在于，该复位模块包含有第一分压电路，耦接于该整流器及该中继电感，用来对该直流输入电压执行分压运算， 以产生第一分压电压；第二分压电路，耦接于该输出模块，用来对该直流输出电压执行分压运算，以产生第二分压电压；误差放大器，耦接于该第二分压电路，用来比较该第二分压电压及参考电压，以产生比较结果；乘法器，耦接于该第一分压电路及该误差放大器，用来对该第一分压电压及该比较结果执行乘法运算，以产生乘法结果；以及比较器，耦接于该功率开关、该乘法器及该SR锁存器，用来比较该乘法结果及该功率开关的该第二端的电压，产生该复位指令。
11.如权利要求10所述的功率因子校正装置，其特征在于，该功率因子校正装置还包含有检测单元，用来根据该第一触发指令及该第二触发指令，判断该功率因子校正装置的运作模式，以产生检测结果至该复位模块的该乘法器；其中，该乘法器还用来根据该检测结果，补偿增益，进而确保该电感电流的平均值在该功率因子校正装置切换操作模式时，维持全波整流后的正弦波波形。
12.如权利要求11所述的功率因子校正装置，其特征在于，该乘法器在该检测结果显示该置位指令是由该第一触发指令触发时，切换该增益至双倍增益。
13.如权利要求11所述的功率因子校正装置，其特征在于，该乘法器在该检测结果显示该置位指令是由该第二触发指令触发时，切换该增益至单倍增益。
14.如权利要求11所述的功率因子校正装置，其特征在于，该检测单元是被整合在该置位模块中。
15.如权利要求10所述的功率因子校正装置，其特征在于，该复位模块还包含有补偿电容，其一端耦接在该误差放大器及该乘法器之间，另一端耦接于该地端，用来补偿闭回路稳定度并对该比较结果进行滤波。
16.如权利要求1所述的功率因子校正装置，其特征在于，该输出模块包含有二极管，其正偏端耦接于该中继电感及该功率开关，负偏端耦接于该复位模块；以及输出电容，其一端耦接于该二极管的负偏端及该复位模块，另一端耦接于地端，用来产生该直流输出电压。
17.如权利要求1所述的功率因子校正装置，其特征在于，该整流器是二极管桥式整流器。
18.如权利要求1所述的功率因子校正装置，其特征在于，该功率开关是金属氧化物半导体晶体管，该第一端是漏极，该第二端是源极，以及该第三端是栅极。
全文摘要
一种功率因子校正装置，包含有整流器，用来将交流输入电压转换为直流输入电压；输出模块，用来产生并输出直流输出电压；中继电感，耦接在该整流器及该输出模块之间；功率开关，用来控制该中继电感的电感电流及产生源极电压；复位模块，用来根据该直流输入电压、该直流输出电压及该源极电压，产生复位指令；SR锁存器，用来根据置位指令及该复位指令，输出闩锁结果；以及置位模块，用来根据该电感电流或该闩锁结果的变化，产生该置位指令。
文档编号H02J3/18GK102195292SQ20101013319
公开日2011年9月21日 申请日期2010年3月12日 优先权日2010年3月12日
发明者谢致远, 邱珦益 申请人:联咏科技股份有限公司