具有二段式補償功能的主動式功率因數修正電路的製作方法

2024-02-11 08:11:15

專利名稱：具有二段式補償功能的主動式功率因數修正電路的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種主動式功率因數修正電路，特別是涉及一種具有二段式補償
功能的主動式功率因數修正電路。
背景技術：
請參閱圖7所示，為一種現有的主動式功率因數修正控制電源電路90的電路圖， 其包含一第一整流濾波電路91、一主動式功率因數修正電路92、一補償單元93、一第二整 流濾波電路94及一回授電壓電路95。 上述整流濾波電路91連接一交流電源，將交流電源轉換為一第一直流電源後輸 出； 上述主動式功率因數修正電路92進一步具有 —變壓器921，其具有一次側及二次側， 一次側是通過一主動開關Ql與前述整流 濾波電路91串接，二次側是感應該一次側電流以輸出一感應電流； —主動式功率因數控制器922，其一驅動輸出端連接至該主動開關Ql的控制端， 並包含有一運算放大器及第一與第二補償輸入端，該第一補償輸入端連接至主動式功率因 數控制器922內部的運算放大器的反向輸入端，該第二補償輸入端為主動式功率因數控制 器922內部的運算放大器的輸出端。 上述補償單元93連接該主動式功率因數控制器的二補償輸入端，其具有一 電阻 R2及一與電阻串聯的電容C1，該串聯的電容C1電阻連接至該第一及二補償輸入端，令主動 式功率因數控制器922的運算放大器構成一 比例積分微分控制器PID，如此可於OHz頻率處 產生一個極點，而電阻電容會在特定頻率處提供一個零點，特定頻率是由電阻及電容值決 定的，避免整體電源電路振蕩，而能實現穩定控制。 上述第二整流濾波電路94連接該變壓器921的二次側，以將二次側的感應電流整 流濾波並於輸出端輸出一第二直流電源。 上述回授電壓電路95連接該第二整流濾波電路94的輸出端，是由一光耦合器以 得知該第二直流電源的變化，並將該直流電源變化反應至該主動式功率因數控制器922，令 該主動式功率因數控制器922依據第二直流電源變化控制主動開關Ql的導通時間，穩定第 二直流電源的電壓。 以上為現有的主動式功率因數修正控制電源電路90的電路說明，目前主動式功 率因數修正控制電源電路90是依據使用交流電源不同而概分成有低壓式電源電路、高壓 式電源電路及全域式電源電路，其中全域型電源電路是指其可使用90 264伏特的交流電 源；再以中國臺灣地區所使用交流電源規格來說，低壓式電源電路是使用IIO伏特交流電 源，而高壓式電源電路則使用220伏特交流電源。 上述主動式功率因數修正控制電源電路90若使用220伏特的交流電源，則其補 償單元93的電阻值需設計在10K歐姆以下、電容值需設計在220nF以上，才可同時滿足回 授響應的速度及IEC61000-3-2的Class C或Class D的要求；又該主動式功率因數修正控制電源電路90使用110伏特的交流電源，該補償單元93的電阻值需設計在10K歐姆以 上、電容值需設計在220nF以下，才能同時滿足回授響應的速度及IEC61000-3-2的Class C或Class D的要求。因此，上述主動式功率因數修正控制電源電路90若設計為低壓式或 高壓式電源電路，則其補償電路的電阻及電容僅需選用符合前述設計條件即可；但是若設 計成全域式電源電路，因為可供使用者使用110伏特或220伏特的交流電源，若選擇220伏 特的電阻及電容設計條件，雖也能滿足用於110伏特交流電源的IEC61000-3-2的Class C 或Class D要求，但卻讓回授速度變慢，導致當輸入電壓有10%瞬間變動，輸出電壓會跟著 有1%變動，以應用於背光模塊驅動電路來說，1%輸出電壓變化即會造成光源閃爍的嚴重 缺陷；反之，若全域式電源電路採用110伏特交流電源的補償電路設計，雖然可以提高回授 速度，但若用於220伏特交流電源時，因為採用220伏特交流電源時電源電路的增益較使用 110伏特交流電源時來得大，故若仍使用110伏特交流電源用的電阻電容補償值，會造成振 蕩，而且也無法滿足220伏特交流電源的IEC61000-3-2的Class C或Class D的要求；因 此，現有全域式電源電路採用固定值的電阻、電容，無法同時滿足使用110伏特或220伏特 交流電源時的回授速度及IEC61000-3-2的Class C或Class D的要求。

發明內容因此，本實用新型主要目的是提供一種具有二段式補償功能的主動式功率因數修
正電路，通過二段式補償功能讓電源電路使用高或低電壓交流電源時，能獲得適當回授速
度，並符合對應交流電源下的IEC61000-3-20的Class C或Class D的要求。 為達到上述目的，本實用新型提供一種具有二段式補償功能的主動式功率因數修
正電路，其包含有 —主動式功率因數控制器，其具有二補償輸入端，分別為一第一及第二補償輸入 端，是供以一輸入電壓與一輸入電流具有同相位； —補償單元，具有一第一RC電路、一第二RC電路及一電子開關，其中第一RC電路 連接至該主動式功率因數控制器的第一及第二補償輸入端，而該第二RC電路與該電子開 關串聯後並聯至第一RC電路； —驅動電路，連接該補償單元的電子開關控制端，以控制電子開關啟閉而決定該 第二 RC電路是否與第一 RC電路並聯。 上述的具有二段式補償功能的主動式功率因數控制電路中，該電子開關為一電晶體。 上述的具有二段式補償功能的主動式功率因數控制電路中，該電子開關為至少一
光耦合器的光敏電晶體，又各至少一光耦合器的發光二極體連接至該驅動電路。 上述的具有二段式補償功能的主動式功率因數控制電路中，該電子開關是由二光
耦合器的二光敏電晶體並聯而成，又二光耦合器的二發光二極體為串聯後連接至該驅動電路。 上述的具有二段式補償功能的主動式功率因數控制電路中，該電子開關包含有 二電晶體，相互並聯；及一光耦合器，其光敏電晶體連接至二並聯電晶體的控制端，又該光 耦合器的發光二極體連接至該驅動電路。 上述的具有二段式補償功能的主動式功率因數控制電路中，該電晶體為MOSFET
4或BJT，其中M0SFET的控制端為閘極，而BJT的控制端為基極。 上述的具有二段式補償功能的主動式功率因數控制電路中，該驅動電路包含有 一分壓器，是由至少二電阻串接而成，其中一電阻與濾波電容並聯，其中該並聯節點連接至 該電子開關的控制端。 上述的具有二段式補償功能的主動式功率因數控制電路中，該驅動電路包含有 一比較器，其包含有一正向輸入端、一反向輸入端及一輸出端；一參考電壓電路，連接至該 正向輸入端，以提供比較器一參考電壓；一負載信號檢知電路，供負載連接，以檢知目前負 載電源電壓予比較器的反向輸入端；及一光耦合器驅動器，連接該光耦合器的發光二極體， 其控制端連接至該比較器的輸出端，以驅動發光二極體亮滅。 上述的具有二段式補償功能的主動式功率因數控制電路中，該光耦合器驅動器為
一電晶體。 本實用新型是主要設計主動式功率因素控制器具有二段式補償電路，其中該驅動 電路在電源電路使用高壓交流電源輸入時，控制電子開關開啟導通，令第二 RC電路與第一 RC電路並聯，提供一個極點，在使用高壓交流電源下的電源電路獲得補償得到較佳的回授 速度，並滿足使用高壓交流電源的IEC61000-3-20的Class C或Class D要求；再者，該驅 動電路在電源電路使用低壓交流電源時，令電子開關關閉不導通，僅由第一RC電路提供主 動式功率因素控制器的補償，以提供使用低壓交流電源的適當回授速度補償，並滿足使用 低壓交流電源的IEC61000-3-20的Class C或Class D要求。 由於電源電路輸入交流電源的電壓變化會同時造成電源電路的輸出端電壓變動， 故本實用新型的驅動電路也可反應輸出端電壓變化，決定補償電路的電子開關開啟或關 閉，避免滿載振蕩無法穩定控制的情況產生。

圖1為本實用新型的電路方塊圖。 圖2為本實用新型第一較實施例的電路圖。 圖3為本實用新型第二較實施例的電路圖。 圖4為本實用新型第三較實施例的電路圖。 圖5為本實用新型第一較佳實施例應用於一電源電路的電路圖。 圖6為本實用新型第二較佳實施例應用於一背光模塊電源電路的電路圖, 圖7為現有的主動式功率因數校正電源電路的電路圖。 主要元件符號說明 (10)第一整流濾波電路 (10a)第一整流濾波電路 (11)交流電源 (20)主動式功率因數控制單元 (20a)主動式功率因數控制單元 (21)變壓器 (211) —次側 (212) 二次側[0043](22)主動式功率因數控制器(30) (30a) (30b)補償單元(31)第一 RC電路(31a)第一 RC電路(32)第二 RC電路(40) (40a) (40b)驅動電路(50)第二整流濾波電路(50a)第二整流濾波電路(51a)第三整流濾波電路(60)回授電壓電路(60a)回授電壓電路(70a)直流轉直流電源電路(71a)變壓器(711a) 一次側(712a)第一二次側(713a)第二二次側(80a)連接單元(90)主動式功率因數修正控制電源電路(91)第一整流濾波電路(92)主動式功率因數修正電路(921)變壓器(93)補償器(94)第二整流濾波電路(95)回授電壓電路
具體實施方式請參閱圖1所示，本實用新型的主動式功率因數修正電路的方塊圖，包含有一主 動式功率因數控制器22、一補償單元30及一驅動電路40，其中該主動式功率因數控制器22 是用以控制一 電源電路中與變壓器一次側串聯的主動開關Ql 。 請配合參閱圖2所示，為本實用新型的第一較佳實施例，上述主動式功率因數控 制器22包含有一驅動輸出端、一第一及第二補償輸入端。其中該驅動輸出端連接至該主 動開關Q1的控制端，以控制該主動開關Q1的導通、截止；在本實施例中該主動開關為一 MOSFET，故其控制端為閘極。至於該第一補償輸入端則連接至主動式功率因數控制器22內 部的一運算放大器的反向輸入端，而該第二補償輸入端連接至該運算放大器的輸出端。 上述補償單元30連接至該主動式功率因數控制器22的第一及第二補償輸入端， 以對主動式功率因數控制器22進行回授速度的補償。該補償單元30包含有一第一 RC電 路31、一第二RC電路32及一電子開關Q2 ;在本實施例中，該一電子開關Q2為M0SFET。該 第一 RC電路31的兩端分別連接至該第一及第二補償輸入端，與該運算放大器構成一比例 積分微分控制器PID。又該第二 RC電路32是通過該電子開關與第一 RC電路31並聯，即該
6電子開關的汲極和源極串聯於第一及第二RC電路之間。 上述驅動電路40連接該電子開關Q2的控制端，以控制該電子開關Q2的開啟及關 閉，又該驅動電路40能反應輸入交流電源的電壓高低或負載的重載或輕載；並在不同狀態 下控制電子開關Q2開啟及關閉，決定第二 RC電路32是否與第一 RC電路31並聯，改變該 主動式功率因數控制器22的補償值。 在本實施例中，該驅動電路40是反應電源電路輸入交流電源電壓高低狀態，故該 驅動電路40包含有一分壓器(Rll， R12)及一濾波電容C6，其中該濾波電容C6與分壓器 (R11，R12)的電阻R12並聯，其並聯節點連接至該電子開關的控制端，當電阻R12壓降高於 電子開關(Q2)M0SFET的偏壓時，該電子開關Q2即導通，而令第二 RC電路32與第一 RC電路 31並聯，提供主動式功率因數控制器22—極點，令主動式功率因數控制器22應用於高壓 交流電源時，不因高增益而產生振蕩，且能具有一較佳的回授速度。反之，當分壓器的電阻 R12壓降低於該電子開關(Q2)M0SFET的偏壓時，該電子開關Q2即關閉不導通，此時第二 RC 電路32不再與第一 RC電路31並聯，因此該主動式功率因數控制器22僅由第一 RC電路31 提供補償，令該主動式功率因數控制器22在低壓交流電源下，具有更快的回授速度；是以， 本實施例的驅動電路可感知目前輸入交流電源的電壓高低，決定電子開關Q2啟閉，令補償 電路依不同交流電源提供該主動式功率因數控制器22適當補償。 請參閱圖3所示，該驅動電路40a反應負載的重載及輕載狀態，其包含有 —比較器U2A，其包含有一正向輸入端、一反向輸入端及一輸出端； —參考電壓電路41a，連接至該正向輸入端，以提供比較器一參考電壓； —負載信號檢知電路42a，供負載連接，以檢知目前負載電源電壓予比較器的反向 輸入端；及 —光耦合器驅動器Q1，供至少一光耦合器的發光二極體連接，其控制端連接至該 比較器的輸出端，以驅動發光二極體亮滅，該光耦合器驅動器為一 即n型式的BJT，故其控 制端為基極。在本實施例中，使用二光耦合器，其中二發光二極體是串接後與該光耦合器驅 動器Q1串聯。 上述比較器U2A比對負載電源電壓及參考電壓大小，當負載電源電壓低於參考電 壓時，該比較器U2A輸出一高電位信號驅動光耦合器驅動器U2A，令該光耦合器驅動器U2A 點亮光耦合器的發光二極體，而在本實施例中，補償單元30a的電子開關是由二光耦合器 的二並聯光敏電晶體取代，故當發光二極體點亮時，光敏電晶體即導通，令第二RC電路32a 與第一RC電路31a並聯；反之，當負載電源電壓高於參考電壓時，驅動器即不點亮發光二極 管，令光敏電晶體不再導通，故第二RC電路不再與第一RC電路並聯。是以，當負載瞬間變 化時，該瞬間的負載電源電壓會拉低，此時僅有第一 RC電路提供主動式功率因數控制器補 償，令輸出電壓變化小。 請參閱圖4所示，為本實用新型第三較佳實施例，其電路大多與第二較佳實施例 相同，但是補償單元30b的電子開關的設計是合併第一及第二較佳實施例的電子開關的設 計。意即，本實施例的電子開關包含有二電晶體Q1、Q2，相互並聯；在本實施例中各電晶體 為BJT，其中基極為控制端； —光耦合器，其光敏電晶體PH1B連接至二並聯電晶體Q1、 Q2的控制端，又該光耦 合器的發光二極體PH1A連接至該驅動電路40b。在本實施例中，該驅動電路40b與第二較佳實施例相同，但是其光耦合器驅動電路是與一光耦合器的單顆發光二極體PH1A串接。 為更清楚了解上述本實用新型第一及第二較佳實施例的應用，以下再舉二組電源
電路分別採用本實用新型第一及第二較佳實施例進行說明。 首先請參閱圖5所示，為一種主動式功率因數校正電源電路，包含有 —第一整流濾波電路IO，連接一交流電源11以轉換輸出一第一直流電壓以產生
一第一直流電源。 —主動式功率因數控制單元20，進一步包含有一變壓器21及本實用新型第一較 佳實施例的主動式功率因數修正電路，其中該變壓器具有一次側211及二次側212，該一次 側211的一端連接該第一整流濾波電路10的輸出端，其另一端連接一主動開關Q1的汲極， 該二次側212感應該第一直流電流而輸出一第二直流電流；又該主動功率因數修正電路的 驅動電路40的分壓器，連接至第一整流濾波電路10，故可反應目前輸入交流電源11的電壓 高低。 —第二整流濾波電路50，連接該變壓器21的二次側212，以將二次側212的感應 電流整流濾波並在輸出端輸出一第二直流電壓； —回授電壓電路60，連接第二整流濾波電路50的輸出端，其是通過一光耦合器與 該主動式功率因數控制器22連接，達到隔離效果，並將該第二直流電壓變化反應至主動式 功率因數控制器22，使該主動式功率因數控制器22依據直流電壓變化控制主動開關Ql的 導通時間，穩定第二直流電源的電壓。 本應用例的主動式功率因數控制器具有二段式補償電路，其中該驅動電路在電源 電路使用高壓交流電源輸入時，控制電子開關開啟導通，令第二RC電路與第一RC電路並 聯，提供一個極點，在使用高壓交流電源下的電源電路獲得補償得到較佳的回授速度，並滿 足使用高壓交流電源的IEC61000-3-20的Class C或Class D要求；再者，該驅動電路在電 源電路使用低壓交流電源時，令電子開關關閉不導通，僅由第一RC電路提供主動式功率因 數控制器的補償，以提供使用低壓交流電源的適當回授速度補償。 主動式功率因數控制器22接於一 220伏特交流電源，該分壓電阻R12上的電壓可 以導通該電子開關Q2，使第二 RC電路32與第一 RC電路31並聯；本實施例接於一 110伏 特交流電源，該分壓電阻R12上的電壓不足以導通該電子開關Q2，令該第一 RC電路31作較 佳的補償。 由上述可知，通過不同的交流電源，令補償單元有兩段式的補償，供以同時達成回 授速度及IEC61000-3-2的Class C或Class D的要求。 請參閱圖6所示，是一背光模塊電源電路，包含 —第一整流濾波電路10a，連接一交流電源11以轉換輸出一第一直流電壓。 —主動式功率因數控制單元20a，包含有一輸出電容CK1及本實用新型第二較佳 實施例的主動式功率因數修正電路，其中該輸出電容CK1是通過該第一主動開關Ql連接至 該第一整流濾波電路10a的輸出端。 —直流轉直流電源電路70a，連接該主動式功率因數控制單元20a的輸出電容 CK1，其進一步包含有 —變壓器71a、一第二主動開關Q2及一脈寬調變IC(U2)，其中該變壓器21a具有 一次側711a與第一二次側712a及第二二次側713a，該第二主動開關Q2是通過該一次側711a與輸出電容CKl串接，而該脈寬調變IC(U2)連接至該第二主動開關Q2的控制端。 —第二整流濾波電路50a，連接該變壓器71a第一二次側712a，其整流濾波其感應 電流而輸出 一第二直流電壓。 —第三整流濾波電路51a，連接該變壓器71a第二二次側713a，其整流濾波其感應 電流而輸出 一第三直流電壓。 —回授電壓電路60a，連接第二整流濾波電路50a的輸出端，是由兩光耦合器以得
知第三直流電壓的變化，並將該直流電壓變化反應至該控制IC(U2)，令該控制IC(U2)依據
直流電壓變化控制第二主動開關Q2的導通時間，穩定第二及三直流電壓。 —連接單元80a，供負載對應接腳連接，其包含有二組直流電源接腳及負載狀態接
腳，其中二組直流電源接腳連接第二及第三整流濾波電路50a、51a的輸出端，以取得第二
及第三直流電壓，而負載狀態接腳則連接至該驅動電路比較器的反向輸入端。 由於此一背光模塊的電源電路為隔離式電源電路，故連接單元80a接地端與主動
式功率因數控制器22不同，故採用本實用新型第二較佳實施例，即該驅動電路比較器的反
向輸入端連接至連接單元80a的負載狀態接腳，當該負載狀態接腳輸出低電位信號反應目
前為輕載時，則此電源電路的主動式功率因數控制器22以並聯的第一及第二RC電路進行
回授速度補償；反之，若該負載狀態接腳輸出高電位信號反應目前為重載時，則此電源電路
的主動式功率因數控制器22僅與第一 RC電路31a進行回授速度補償，令回授速度加快，避
免輸入電壓變化對輸出電壓造成大變動。
權利要求一種具有二段式補償功能的主動式功率因數修正電路，其特徵在於，包含有一主動式功率因數控制器，其具有二補償輸入端，分別為一第一及第二補償輸入端，是供以一輸入電壓與一輸入電流具有同相位；一補償單元，具有一第一RC電路、一第二RC電路及一電子開關，其中第一RC電路連接至該主動式功率因數控制器的第一及第二補償輸入端，而該第二RC電路與該電子開關串聯後並聯至第一RC電路；一驅動電路，連接該補償單元的電子開關控制端，以控制電子開關啟閉而決定該第二RC電路是否與第一RC電路並聯。
2. 根據權利要求1所述的具有二段式補償功能的主動式功率因數控制電路，其特徵在於該電子開關為一電晶體。
3. 根據權利要求1所述的具有二段式補償功能的主動式功率因數控制電路，其特徵在於該電子開關為至少一光耦合器的光敏電晶體，又各至少一光耦合器的發光二極體連接至該驅動電路。
4. 根據權利要求3所述的具有二段式補償功能的主動式功率因數控制電路，其特徵在於該電子開關是由二光耦合器的二光敏電晶體並聯而成，又二光耦合器的二發光二極體為串聯後連接至該驅動電路。
5. 根據權利要求1所述的具有二段式補償功能的主動式功率因數控制電路，其特徵在於，該電子開關包含有二電晶體，相互並聯；及一光耦合器，其光敏電晶體連接至二並聯電晶體的控制端，又該光耦合器的發光二極體連接至該驅動電路。
6. 根據權利要求2或5所述的具有二段式補償功能的主動式功率因數控制電路，其特徵在於該電晶體為M0SFET或BJT，其中M0SFET的控制端為閘極，而BJT的控制端為基極。
7. 根據權利要求2所述的具有二段式補償功能的主動式功率因數控制電路，其特徵在於，該驅動電路包含有一分壓器，是由至少二電阻串接而成，其中一電阻與濾波電容並聯，其中該並聯節點連接至該電子開關的控制端。
8. 根據權利要求3、4或5所述的具有二段式補償功能的主動式功率因數控制電路，其特徵在於，該驅動電路包含有一比較器，其包含有一正向輸入端、一反向輸入端及一輸出端；一參考電壓電路，連接至該正向輸入端，以提供比較器一參考電壓；一負載信號檢知電路，供負載連接，以檢知目前負載電源電壓予比較器的反向輸入端；及一光耦合器驅動器，連接該光耦合器的發光二極體，其控制端連接至該比較器的輸出端，以驅動發光二極體亮滅。
9. 根據權利要求8所述的具有二段式補償功能的主動式功率因數控制電路，其特徵在於該光耦合器驅動器為一電晶體。
10. 根據權利要求9所述的具有二段式補償功能的主動式功率因數控制電路，其特徵在於該電晶體為M0SFET或BJT。
專利摘要本實用新型公開了一種具有二段式補償功能的主動式功率因數修正電路，其包含有一主動式功率因數控制器、一補償單元及一驅動電路，其中該補償單元包含一第一及第二RC電路及一電子開關，該第二RC電路與電子開關串聯後並連接至第一RC電路，又第一RC電路分別連接至該主動式功率因數控制器的二輸入端，因此當驅動電路控制電子開關導通時，即決定第二RC電路是否與第一RC電路並聯；反之，則僅第一RC電路與主動式功率因數控制器連接；是以，該補償單元能補償主動式功率因數控制器的回授速度。
文檔編號H02M7/02GK201499084SQ20092014463
公開日2010年6月2日 申請日期2009年2月24日 優先權日2009年2月24日
發明者彭俊傑, 李漢民, 雷光明 申請人:亞源科技股份有限公司