提升功率因子改善电路效能的装置制造方法
【专利摘要】本发明公开一种提升功率因子改善电路效能的装置，其包括一主要负载、一电源模块、一功率因子改善模块、一电流源模块及一辅助负载。所述电源模块用于将一交流电压整流至一脉冲直流电压。所述功率因子改善模块用于调整所述脉冲直流电压至一驱动电压。所述电流源模块连接于所述电源模块、所述主要负载与所述功率因子改善模块的一侧，以所述驱动电压驱动所述主要负载。所述辅助负载连接于所述功率因子改善模块的另一侧，并由所述功率因子改善模块所驱动。
【专利说明】提升功率因子改善电路效能的装置
【技术领域】
[0001]本发明关于一种提高用电效能的装置，特别是一种用于改良并提升功率因子改善电路效能的电路。
【背景技术】
[0002]为了提高电子产品功率因子(Power factor)，特别在于照明应用的电路上，目前有许多功率因子改善电路于设计上被归类为耗能、增加成本、增加复杂度与占据空间。
[0003]请参考图1A及IB所示，其揭露一种定电流源的发光二极管14的基本电路架构，其搭配桥式整流器10与滤波电容C。图1B显示出此电路架构具有高谐波噪声与低功率因子，主要原因在于滤波电容C放电速度慢，但充电速度极快，导致于输入电压101的每一个周期间具有一个电流突波140。一般来说，这电路架构的功率因子为0.5。
[0004]请参考图2A及2B所示，一个限流装置16与滤波电容C串联设置，此作法可以增加电路的功率因子。图2B为图2A的波型模拟图，由此图可以发现在增设限流装置16的输入电流100与输入电压101，可让滤波电容C的电流量于每个半周期受到限制。
[0005]然而，为了要能够有效限制电流量，如图2B所示，限流装置16就必须要被施予一定的电压161，而限流装置16在拥有足够电压161与电流，才能有效限制电流量的情况下，这些额外施加的电能大多在之后转换为热能。因此，就电能效率来说，具有限流装置16的功率因子改善电路有电能浪费的缺点。
【发明内容】
[0006]依据上述的需求，本发明的一目的在于提供一种用于改良功率因子改善电路的用电效率。
[0007]根据一实施例，一种提升功率因子改善电路效能的装置，其包括一主要负载、一电源模块、一功率因子改善模块、一电流源模块及一辅助负载。所述电源模块用于将一交流电压(Alternating Current (AC) voltage)整流至一脉冲直流电压(Pulsating DirectCurrent (DC) voltage)。所述功率因子改善模块用于调整所述脉冲直流电压至一驱动电压。所述电流源模块连接于所述电源模块、所述主要负载与所述功率因子改善模块的一侧，以所述驱动电压驱动所述主要负载。所述辅助负载连接于所述功率因子改善模块的另一侧，并由所述功率因子改善模块所驱动。
[0008]于一实施例，所述的提升功率因子改善电路效能的装置，其特征在于所述功率因子改善模块包括一滤波电容，所述滤波电容具有一第一端及一第二端，其特征在于所述第一端连接于所述电源模块，所述第二端连接于所述辅助负载。
[0009]于一实施例，所述的提升功率因子改善电路效能的装置，其特征在于所述功率因子改善模块另包括一限流装置，所述辅助负载连接于所述限流装置与所述滤波电容之间。
[0010]于一实施例，所述的提升功率因子改善电路效能的装置，其特征在于所述主要负载为一发光二极管灯串，所述辅助负载包括:[0011]多个串联的发光二极管，并连接于所述滤波电容的所述第二端与所述限流装置之间；
[0012]多个开关，各开关具有一第一端、一第二端及一第三端，其特征在于各所述开关的所述第一端与所述第二端分别连接所述对应的发光二极管的两端；及
[0013]一控制器，连接所述限流装置来侦测所述限流装置的一电压，并连接各所述开关的所述第三端，依序禁止对应的开关，来对应驱动所述辅助负载中的所述些发光二极管。
[0014]于一实施例，所述的提升功率因子改善电路效能的装置，其特征在于所述控制器包括一连接于所述限流装置的比较器，以供所述控制器得以根据所述比较器预设的一高门坎值与一低门坎值，依序禁止或使能所述对应的开关，其中:
[0015]当所述限流装置的所述电压高于所述高门坎值，所述控制器使能所述对应的开关;及
[0016]当所述限流装置的所述电压低于所述低门坎值，所述控制器禁止所述对应的开关。
[0017]于一实施例，所述的提升功率因子改善电路效能的装置，所述控制器另连接于所述电流源模块，并传送一电流调整信号至所述电流源模块，以控制流至所述主要负载的电流量。 [0018]于一实施例，所述的提升功率因子改善电路效能的装置，其特征在于所述主要负载为一发光二极管灯串，所述辅助负载包括:
[0019]一限制二极管，连接于所述滤波电容的所述第二端；及
[0020]一发光二极管数组，与所述限制二极管并联，并包括多个并联的发光二极管灯串，各所述发光二极管灯串由多个发光二极管串联所构成，并与一限流电阻串接。
[0021]于一实施例，所述的提升功率因子改善电路效能的装置，于所述发光二极管数组中，各所述发光二极管灯串的发光二极管的数量依序渐增。
[0022]于一实施例，所述的提升功率因子改善电路效能的装置，所述电流源模块另连接于所述发光二极管数组，并对应所述发光二极管数组调整流至所述主要负载的电流量。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1A为习知定电流源驱动发光二极管的电路架构示意图。
[0024]图1B为图1A的输入电压与电流的波型式意图。
[0025]图2A为习知利用限流装置的功率因子改善电路的示意图。
[0026]图2B为图2A电流与电压关系的波型示意图。
[0027]图3为本发明提升功率因子改善电路效能的装置示意图。
[0028]图4A为本发明一实施例的装置电路图。
[0029]图4B为图4A电流与电压关系的波型示意图。
[0030]图5为本发明另一实施例的装置电路图。
[0031]【主要组件符号说明】
[0032]3功率因子改善模块
[0033]4辅助负载
[0034]10电源模块[0035]12电流源模块
[0036]14主要负载
[0037]16、30限流装置
[0038]100输入电流
[0039]101输入电压
[0040]140电流突波
[0041]141功率
[0042]161、301 电压
[0043]40发光二极管
[0044]41开关
[0045]42控制器
[0046]43比较器
[0047]44电流调整信号
[0048]45LED 数组
[0049]46LED 灯串
[0050]C滤波电容
[0051]D限制二极管
[0052]R限流电阻
【具体实施方式】
[0053]请参考图3所示，一种提升功率因子改善电路效能的装置，其包括一主要负载
14、一电源模块10、一功率因子改善模块3、一电流源模块12及一辅助负载4。所述电源模块10用于将一交流电压(Alternating Current (AC) voltage)整流至一脉冲直流电压(Pulsating Direct Current (DC) voltage)。所述功率因子改善模块3用于调整所述脉冲直流电压至一驱动电压。所述电流源模块12连接于所述电源模块10、所述主要负载14与所述功率因子改善模块3的一侧，以所述驱动电压驱动所述主要负载14。所述辅助负载4连接于所述功率因子改善模块3的另一侧，并由所述功率因子改善模块3所驱动。值得注意的是，本案特征在于，利用传统功率因子改善模块3所浪费的能量，驱动辅助负载4工作，以提升功率(power)效能的利用。
[0054]请参考图4A与4B所示，图4A为本发明一实施例的电路架构示意图,其应用限流装置(Current limiting Device, CLD)式功率因子改善模块,来达到功率因子改善的效果。于本实施例，所述电源模块10为一桥式整流电路，所述功率因子改善模块3由一滤波电容C与一限流装置30所构成。所述主要负载14为一连接于所述电流源模块12的发光二极管(light emitting diode, LED)灯串。值得注意的是，本实施例利用灯具或发光装置来辅助说明本发明的技术特征，具有本案通常技艺人士可知悉，相关应用可以套用至其它需要功率因子改善的电子装置中，故本案的应用包括但不限于灯具的应用。
[0055]所述滤波电容C的第一端连接于所述电源模块10、所述电流源模块12与所述辅助负载4。所述辅助负载4连结于所述限流装置30与所述滤波电容C之间，并包括多个LED40、多个开关41与一控制器42。各开关41具有一第一端、一第二端与一第三端,各所述开关41的第一端与第二端分别连接对应的LED40。如图4A所示，所述些LED40为串联并设于所述滤波电容C的第二端与所述限流装置30之间。所述控制器42连接所述限流装置30来侦测所述限流装置30的电压，并连接各所述开关41的第三端，依序禁止对应的开关41，来对应驱动所述辅助负载3的所述些LED40。
[0056]于本实施例，所述些串联的LED40可为二位形式(binary)设计，各所述由二位化分的区块分别由对应的开关41来控制。限流装置30上方为一颗LED40，接着各区块LED的数量则依序呈倍数增加(例如2，4，6，8...)。开关41可为一 NMOS晶体管。值得注意的是，Fig.4A于各区块仅绘制I颗LED作为示意，且各区块的LED数量并没有所谓的限制，此外，本发明中所述些串联的LED40数量也不一定要以二位形式设计，其它的形式也可以。
[0057]由于限流装置30的电压由控制器42所监控着，所以可以让串联于所述滤波电容C的LED40可以保持在适当的串接数量，所述限流装置30的电压得以保持顺偏压(forwardbias)。控制器42更包括一连结于所述限流装置30的比较器43，以供所述控制器42得以根据所述比较器43预设的一高门坎值与一低门坎值，依序禁止或使能所述对应的开关41。当所述限流装置30的电压高于所述高门坎值，所述控制器42使能所述对应的开关41 ;当所述限流装置30的电压低于所述低门坎值，所述控制器42禁止所述对应的开关41。
[0058]于脉冲直流电压于周期刚开始的时候，所述滤波电容C的电流值为零，所述限流装置30的电压亦为零。所述些开关41全由所述控制器42所使能。
[0059]脉冲直流电压的周期持续，滤波电容C开始流经电流，而限流装置30也因为要去限制电流而开始电压增加。当限流装置30的电压到达比较器43的高门坎值时，控制器42则会禁止最下方的开关41，让所述开关41对应区块的LED40流有电流并开始发光。一当有开关41被禁止，而使LED40产生压降并让限流装置30的电压降下来。
[0060]脉冲直流电压的周期继续持续(尚未达到脉冲直流电压此周期的峰值前)，限流装置30的电压则同步增加，直到再次达到比较器43的另一高门坎值，而控制器42则禁止次一开关41而使能前次被使能的开关41。随着时间持续，位于所述滤波电容C第二端的电压，驱使电流至每一个位于辅助负载4中的LED40。
[0061]当脉冲直流电压到达峰值开始下降时，位于所述滤波电容C第二端的电压同步下降，相对地，所述限流装置30的电压也开始下降。当限流装置30的电压降至比较器43的低门坎值时，控制器42使能开关41令对应的LED40短路。此时，限流装置30的电压值便会上升对应LED的压降。此程序不断继续直到所述滤波电容C的电流为零或所有辅助负载4的LED40皆被短路。
[0062]图4B与图3B相较，限流装置30的电压301被维持于5伏特值以下(除了一些脉冲突波)，也就是代表的前被浪费的电能都不再被浪费了，改被辅助负载4的LED40所利用(LED40的功率(p0Wer)141)。此外，图4B所看到的突波，可透过改变开关41开启与关闭的时间，来减少或消除所述些突波。
[0063]当辅助负载4的所述些LED40被开启或关闭的动作，可能会让装置发光产生一些闪烁，其闪烁的频率为输入交流电压频率的两倍(例如:50Hz的输入交流电压会产生IOOHz的闪烁)。为了让装置得以持续维持稳定的光源输出，所述控制器42另连接于所述电流源模块12，并传送一电流调整信号44至所述电流源模块12，以控制流至所述主要负载14的电流量。然而，此举电流补偿的方法于本案并非绝对必须，因为，这些额外的闪烁大多很微小，且于大部分的应用上可以被忽略。
[0064]请参考图5所示，图5为本发明另一实施例的电路架构示意图。本实施例与上述图4A所述的实施例类似且同样的也是一种功率因子改善电路的架构，但差别在于本实施例不利用限流装置、开关与比较器。于本实施例，提升功率因子改善电路效能的装置中的辅助负载另包括一限制二极管D与一 LED数组45。所述限制二极管D连接所述滤波电容C的第二端，用以避免滤波电容C与LED数组45的电压产生逆偏压的状况。所述LED数组45与所述限制二极管D并联，并包括多个并联LED灯串46，各所述LED灯串46由多LED串联所构成，并与一限流电阻R串接。各所述限流电阻R的电阻值不需要相同，事实上，当LED灯串46中的LED越多，则所需的电阻值越低。
[0065]本实施例利用电阻与LED数组的架构，限制了滤波电容C的电流且同时增加电路的功率因子。虽然少数的电能会被电阻所消耗，但大部分原本要被浪费的电能则会被用来发光。根据发明人的模拟，图2A所示的标准限流型功率因子改善电路的功率因子值为
0.715，电能效率为94.1% ;而本实施例的功率因子值为0.715，电能效率为95.5%，增加了
1.4%的电能使用效率。
[0066]于本实施例，LED数组45中，各所述LED灯串46的LED数量依序增加，对应于各所述LED灯串46的限流电阻R的电阻值大小则与LED数量呈反比。值得注意的是，图5中所绘制的10颗LED仅为教示之用，并非用于限制本发明。
[0067]当滤波电容C第二端的电压升高时，最左边的LED灯串46会先被驱动(如图5所示)，当电压持续升高，旁边的LED灯串46将会被依序驱动，直到所有的LED灯串46的LED都被点亮。因此，LED灯串46与LED的最佳数量，取决点在于整体LED数组45的压降尽量小于但接近滤波电容C第二端电压的峰值。也就是说，电压大部分都会被LED所利用并点亮，尽量降低电能被限流电阻R给消耗的机会。
[0068]另外，当滤波电容C第二端的电压下降时，上述的方式将会倒转，直到所有被点亮的LED熄灭。
[0069]相同地，本实施例与上述图4A所述的实施例也会遇到相同闪烁的问题，因此，所述电流源模块12另连接于所述LED数组45，接收一电流调整讯号44，以对应所述LED数组45调整流至所述主要负载14的电流量，如此一来，整体的发光将能维持稳定。然而，此举电流补偿的方法于本案并非绝对必须，因为，这些额外的闪烁大多很微小，且于大部分的应用上可以被忽略。
【权利要求】
1.一种提升功率因子改善电路效能的装置，其特征在于，包括: 一主要负载； 一电源模块，用于将一交流电压整流至一脉冲直流电压； 一功率因子改善模块，用于调整所述脉冲直流电压至一驱动电压: 一电流源模块，连接于所述电源模块、所述主要负载与所述功率因子改善模块的一侧，以所述驱动电压驱动所述主要负载；及 一辅助负载，连接于所述功率因子改善模块的另一侧，并由所述功率因子改善模块所驱动。
2.如权利要求1所述的提升功率因子改善电路效能的装置，其特征在于，所述功率因子改善模块包括一滤波电容，所述滤波电容具有一第一端及一第二端，其特征在于所述第一端连接于所述电源模块，所述第二端连接于所述辅助负载。
3.如权利要求2所述的提升功率因子改善电路效能的装置，其特征在于，所述功率因子改善模块另包括一限流装置，所述辅助负载连接于所述限流装置与所述滤波电容之间。
4.如权利要求3所述的提升功率因子改善电路效能的装置，其特征在于，所述主要负载为一发光二极管灯串，所述辅助负载包括: 多个串联的发光二极管，并连接于所述滤波电容的所述第二端与所述限流装置之间； 多个开关，各开关具有一第一端、一第二端及一第三端，其特征在于各所述开关的所述第一端与所述第二端分别连接所述对应的发光二极管的两端；及 一控制器，连接所述限流装置来侦测所述限流装置的一电压，并连接各所述开关的所述第三端，依序禁止对应的开关，来对应驱动所述辅助负载中的所述些发光二极管。
5.如权利要求4所述的提升功率因子改善电路效能的装置，其特征在于，所述控制器包括一连接于所述限流装置的比较器，以供所述控制器得以根据所述比较器预设的一高门坎值与一低门坎值，依序禁止或使能所述对应的开关，其中: 当所述限流装置的所述电压高于所述高门坎值，所述控制器使能所述对应的开关；及 当所述限流装置的所述电压低于所述低门坎值，所述控制器禁止所述对应的开关。
6.如权利要求5所述的提升功率因子改善电路效能的装置，其特征在于，所述控制器另连接于所述电流源模块，并传送一电流调整信号至所述电流源模块，以控制流至所述主要负载的电流量。
7.如权利要求2所述的提升功率因子改善电路效能的装置，其特征在于，所述主要负载为一发光二极管灯串，所述辅助负载包括: 一限制二极管，连接于所述滤波电容的所述第二端；及 一发光二极管数组，与所述限制二极管并联，并包括多个并联的发光二极管灯串，各所述发光二极管灯串由多个发光二极管串联所构成，并与一限流电阻串接。
8.如权利要求7所述的提升功率因子改善电路效能的装置，其特征在于，于所述发光二极管数组中，各所述发光二极管灯串的发光二极管的数量依序渐增。
9.如权利要求7所述的提升功率因子改善电路效能的装置，其特征在于，所述电流源模块另连接于所述发光二极管数组，并对应所述发光二极管数组调整流至所述主要负载的电流量。
【文档编号】H02M1/42GK104009621SQ201410062515
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年2月24日 优先权日:2013年2月24日
【发明者】理察·蓝德立·葛瑞, 茅于海 申请人:理察·蓝德立·葛瑞