專利名稱：一種降低電容值使用量的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種降低電容值使用量的方法及其裝置，特別是指應(yīng)用于一具有電容 器的脈沖可控裝置(pulse activiated device)，來(lái)改善功率因數(shù)(powerfactor)并同時(shí)取 代大型電容器使用需求的方法，該脈沖可控裝置是指該裝置得以運(yùn)作在一脈沖信號(hào)的工作 模式之中。
背景技術(shù)：
現(xiàn)行有許多電子裝置使用功率因數(shù)校正(power factor correction, PFC)電路， 希望借由調(diào)整電流與電壓間相位的關(guān)系來(lái)改善功率因數(shù)，以降低傳輸功率的損耗。請(qǐng)參考圖1所示，是說明一現(xiàn)有具有功率因數(shù)校正功能之電子式安定器， 該安定器應(yīng)用于一燈具上，其具有一接地(GND)、一負(fù)載14、一橋式整流器(bridge rectifier) 11、一 PFC電路12和一定電壓電流控制器13。該負(fù)載14，可為一陰極熒光燈管(CCFL)或其他類型之省電燈管(CFL)。該橋式整流器11，是連接于一外部交流電源10，以將一交流電壓(alternating current (AC) voltage)整流至一全波整流電壓(full-wave rectifiedvoltage)，其中，該外 部交流電源10可為一家用的線電壓(line voltage) 0該P(yáng)FC電路12，是用于改善該燈具之功率因數(shù)，常見是使用一種升壓電路架構(gòu)，通 過輸出一高達(dá)400伏特的高直流電壓以降低傳輸功率的損耗，并通過改變輸入電壓和電流 之間的相位關(guān)系來(lái)改善功率因數(shù)，其中，該P(yáng)FC電路12包括有一電感器(inductance) 121、 一返馳式二極管(flybackdiode) 122、一濾波電容器(filter capacitor) 123、一開關(guān) 120 和一控制器124。該電感器121，連結(jié)于該橋式整流器11，以阻止輸入電流突然的改變。該返馳式二極管122，具有一陰極和一陽(yáng)極，該陽(yáng)極連接于該電感器121。該濾波電容器123，設(shè)置于該返馳式二極管122的陰極和該接地(GND)間，其具有 一連接于該返馳式二極管122陰極的正端和一連接于該接地(GND)的負(fù)端。該開關(guān)120，控制該P(yáng)FC電路12之導(dǎo)通回路，并具有兩端，其中一端連接于該電感 器121和該返馳式二極管122，另一端則連接于該接地(GND)。該導(dǎo)通回路具有一啟動(dòng)狀態(tài)的回路(ON-State loop) 100和一關(guān)閉狀態(tài)的回路 (OFF-state loop)101。當(dāng)該開關(guān)120關(guān)閉(CLOSE)時(shí)，該啟動(dòng)狀態(tài)的回路100會(huì)導(dǎo)通該橋式整流器11、該 電感器121和該接地(GND)之間的連結(jié)。當(dāng)該開關(guān)120開啟(OPEN)時(shí)，該關(guān)閉狀態(tài)的回路101會(huì)導(dǎo)通該橋式整流器11和 該電感器121的連結(jié)并使電流通過該返馳式二極管122至該濾波電容器123，以對(duì)該濾波電 容器123進(jìn)行充電。該控制器124，連結(jié)于該開關(guān)120，并發(fā)送一控制信號(hào)來(lái)對(duì)應(yīng)控制該開關(guān)120的開 啟和關(guān)閉。
該定電壓電流控制器13是將該P(yáng)FC電路12輸出的直流電轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)該負(fù)載的適 當(dāng)電壓或電流14。請(qǐng)參考圖1及圖2所示，當(dāng)該全波整流電壓由峰值趨近于零時(shí)，該濾波電容器123 會(huì)放電以維持足夠驅(qū)動(dòng)電源，讓該定電壓電流控制器13得以在電壓較低時(shí)，仍可驅(qū)動(dòng)該負(fù) 載14，而此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一漣波電壓(ripplevoltage)20，在輸入電壓為120赫茲且經(jīng)整流的電 壓下降低于30%時(shí)，該漣波電壓20的表現(xiàn)特別明顯。一般而言，該濾波電容器123必須具有高電容量(capacitance)的特性，以確保能 提供足夠的能量給該定電壓電流控制器13來(lái)驅(qū)動(dòng)該負(fù)載14，而常見的使用的電容器為電 解電容器(electrolytic capacitor)，該電解電容器除具有高電容量、對(duì)高電壓具有抗性 的優(yōu)點(diǎn)外，價(jià)格也相對(duì)合理和便宜，但由于電解電容器是由液體(電解質(zhì))所組成，該液體 會(huì)隨時(shí)間而逐漸干涸進(jìn)而降低電容器的使用壽命，特別是在高溫環(huán)境下將其應(yīng)用于照明裝 置時(shí)，更會(huì)加速縮減該電解電容器的使用壽命(通常每增加10°C便會(huì)使得該電解電容器的 使用壽命減少一半)，雖然該電解電容器的使用壽命已經(jīng)可以達(dá)到2000至8000小時(shí)，但一 般陰極熒光燈管的壽命卻更可高達(dá)50000小時(shí)以上，通常燈具故障的原因大多是導(dǎo)因于電 容器的損壞。其他的電容器，如塑膠麥拉電容器(Plastic Mylar capacitor)，其具有較電解電 容器長(zhǎng)的使用壽命，應(yīng)用在照明裝置時(shí)也具有較佳的成效，但其缺點(diǎn)在于其價(jià)格昂貴，且體 積為具有相同電容量之電解電容器(大約10 20倍)。因此，所有相關(guān)的制造商和研發(fā)人員都致力于開發(fā)一種具有低成本和小體積特性 電容器的裝置，無(wú)論是否是使用PFC電路的電子產(chǎn)品或各種具有電容器且得以運(yùn)作在一脈 沖信號(hào)工作模式中之脈沖可控裝置(pulse activateddevice)，皆希望能夠進(jìn)一步達(dá)到降 低裝置體積和增加產(chǎn)品使用壽命的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人有鑒于上述之現(xiàn)有脈沖可控裝置于電容器的使用上具有體積過大或成 本較高的缺點(diǎn)，乃著手進(jìn)行研發(fā)，以期可以解決先前技術(shù)所述之問題，經(jīng)過不斷努力及試驗(yàn) 終于研發(fā)出本發(fā)明。本發(fā)明之主要目的在于提供一種降低電容值使用量的方法，特別是應(yīng)用于一具有 電容器的脈沖可控裝置，來(lái)改善該裝置的功率因數(shù)(power factor)并同時(shí)取代大型電容器 使用需求的方法。本發(fā)明之方法應(yīng)用于一脈沖可控裝置，其包括有下列步驟整流將一交流電壓(alternating current (AC) voltage)整流為一脈沖直流電 壓(pulsating direct current(DC)voltage)；檢測(cè)零點(diǎn)檢測(cè)該脈沖直流電壓為零伏特的時(shí)間點(diǎn)；頻率相位鎖定同步將該脈沖直流電壓與一時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行頻率和相位的同步；設(shè)定脈沖期間于該脈沖直流電壓趨近于零伏特時(shí)，于該時(shí)鐘信號(hào)中設(shè)定至少一 上升時(shí)間點(diǎn)(rising time)和至少一下落時(shí)間點(diǎn)(falling time) ’及啟動(dòng)與關(guān)閉根據(jù)該設(shè)定脈沖期間步驟所設(shè)定之上升和下落時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)啟動(dòng)和關(guān) 閉該脈沖可控裝置。CN 101882881 A 本發(fā)明的另一目的在于提供一種低電容需求量的脈沖可控裝置，其具有良好功率 因數(shù)效率且具有較小電容使用需求量之特性，其可為一安定器(ballast)、一驅(qū)動(dòng)裝置(a driver)或一充電器(charger)。該脈沖可控裝置至少包括有一負(fù)載；一整流器，是將一交流電壓(AC voltage)整流為一脈沖直流電壓(pulsating DC voltage)；一驅(qū)動(dòng)器，是用于驅(qū)動(dòng)該負(fù)載；一電容器，是連接于該整流器和該驅(qū)動(dòng)器之間，是儲(chǔ)有一電能作為提供該驅(qū)動(dòng)器 來(lái)驅(qū)動(dòng)該負(fù)載之能量；及一控制器，是連接于該整流器和該驅(qū)動(dòng)器之間，當(dāng)該脈沖直流電壓趨近于零伏特 時(shí)，該控制器將該驅(qū)動(dòng)器對(duì)應(yīng)關(guān)閉和開啟一段時(shí)間。因此，借由上述之方法與裝置，當(dāng)一脈沖可控裝置被關(guān)閉時(shí)，其內(nèi)部之電容器所儲(chǔ) 存的電能維持在一穩(wěn)定狀態(tài)，故應(yīng)用本發(fā)明之脈沖可控裝置電容的需求量得以降低，體積 亦相較傳統(tǒng)的裝置更來(lái)得輕薄短小。


圖1是一現(xiàn)有具有功率因數(shù)校正(power factor correction,PFC)電路之冷陰極 熒光燈管的電路架構(gòu)圖。圖2是圖1中電容器因接收該整流器之全波整流電壓，所對(duì)應(yīng)釋放電壓而形成具 有漣波的電壓波形示意圖。圖3是本發(fā)明之降低脈沖可控裝置電容值使用量的方法流程圖。圖4是電容器對(duì)于一脈沖直流電壓所受到一脈沖寬度調(diào)變信號(hào)調(diào)變的波形關(guān)系 圖。圖5相較圖4，該脈沖直流電壓具有復(fù)數(shù)個(gè)上升時(shí)間和下落時(shí)間點(diǎn)，其與脈沖直流 電壓的波形關(guān)系圖。圖6是本發(fā)明之裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是在本發(fā)明之裝置中更設(shè)有一主動(dòng)式功率因數(shù)校正電路的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是在本發(fā)明之裝置中更設(shè)有一電壓隔離(voltage isolation)之主動(dòng)式功率 因數(shù)校正電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式有關(guān)本發(fā)明的較佳實(shí)施例及功效，茲配合圖式說明如下。請(qǐng)參考圖3至圖6所示，本發(fā)明之降低電容值使用量的方法，可應(yīng)用于一脈沖可控 裝置，其包括有下列步驟整流30:將一交流電壓(alternating current (AC) voltage)整流為一脈沖直流 電壓(pulsating direct current (DC) voltage) 40 ；檢測(cè)零點(diǎn)31 檢測(cè)該脈沖直流電壓40為零伏特的時(shí)間點(diǎn)；頻率相位鎖定同步32 將該脈沖直流電壓40與一時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行頻率和相位的同
6
設(shè)定脈沖期間33 于該脈沖直流電壓40趨近于零伏特時(shí)，于該時(shí)鐘信號(hào)中設(shè)定至 少一上升時(shí)間點(diǎn)(rising time)和至少一下落時(shí)間點(diǎn)(falling time) ’及啟動(dòng)與關(guān)閉34 根據(jù)該設(shè)定脈沖期間33所設(shè)定之上升時(shí)間和下落時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)啟 動(dòng)和關(guān)閉該脈沖可控裝置。該整流30所述之步驟可借由將一整流器連接至一交流電源來(lái)達(dá)成。該檢測(cè)零點(diǎn)31所述之步驟可借由一差分放大器作為一零點(diǎn)感測(cè)器，來(lái)取得該脈 沖直流電壓為零伏特的時(shí)間點(diǎn)。該頻率相位鎖定同步32所述之步驟，可借由一相位鎖定回路(phase-locked loop，PLL)電路來(lái)達(dá)成。該設(shè)定脈沖期間33所述之步驟，可借由設(shè)置一工作周期選取器(dutycycle selector)連結(jié)于該頻率相位鎖定同步32所述之步驟的相位鎖定回路電路來(lái)達(dá)成。其中，該具有上升和下落時(shí)間點(diǎn)之時(shí)鐘信號(hào)具有一開啟時(shí)間及一關(guān)閉時(shí)間41，該 關(guān)閉時(shí)間41的占空比(duty cycle)，可根據(jù)關(guān)閉時(shí)間41長(zhǎng)短對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)為10%至90%工作
周期率。其中，該時(shí)鐘信號(hào)是一脈沖寬度調(diào)變(pulse-width modulation，PWM)信號(hào)。請(qǐng)參考圖4至圖6，是本發(fā)明之具有良好功率因數(shù)效率且具有較小電容使用需求 量的脈沖可控裝置，并以一燈具作為一實(shí)施例來(lái)進(jìn)行說明，其包括有一負(fù)載 54，是一冷陰極熒光燈管(Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL)、一外 部電極熒光燈管(External Electrode Fluorescent Lamp, EEFL)、一納米碳燈管(Carbon Nanotube Lamp, CNL)、一發(fā)光二極管(Light EmittingDiode, LED)或一有機(jī)發(fā)光二極管 (Organic Light Emitting Diode, 0LED)；一整流器51，是連接于一外部交流電源50，來(lái)將一交流電壓整流為一脈沖直流電 壓40，其中，該整流器51可為一具有四個(gè)二極管(diode)所組成的全橋式整流器(full bridge rectifier)，該外部交流電源50可為一家用線電壓(line voltage)；一驅(qū)動(dòng)器53，是用于驅(qū)動(dòng)該負(fù)載54 ；一電容器52，是連接于該整流器51和該驅(qū)動(dòng)器53之間，儲(chǔ)存有一電能作為提 供該驅(qū)動(dòng)器53來(lái)驅(qū)動(dòng)該負(fù)載54之能量，該儲(chǔ)存之電能大小對(duì)應(yīng)于該電容器52的電容量 (capacitance)；及一控制器55，是連接于該整流器51和該驅(qū)動(dòng)器53之間，當(dāng)該脈沖直流電壓40趨 近于零伏特時(shí)，將該驅(qū)動(dòng)器53對(duì)應(yīng)關(guān)閉和開啟至少一段時(shí)間。其中，該驅(qū)動(dòng)器53是利用儲(chǔ)存于該電容器52的能量來(lái)產(chǎn)生電流以驅(qū)動(dòng)該負(fù)載54， 并使得儲(chǔ)存于該電容器52的能量開始減少，其減少的速率會(huì)因該電容器52的電容量和負(fù) 載54的種類而有所不同。當(dāng)負(fù)載54為一冷陰極熒光燈管、一外部電極熒光燈管或一納米碳燈管時(shí)，該驅(qū)動(dòng) 器53為一換流器，當(dāng)負(fù)載54為一發(fā)光二極管時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器53為一定電流裝置(constant current device)，當(dāng)該負(fù)載54為一有機(jī)發(fā)光二極管時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器53為一定電壓裝置。其中，該控制器55是通過一 PWM信號(hào)來(lái)對(duì)應(yīng)開啟和關(guān)閉該驅(qū)動(dòng)器53，其包括有一 相位鎖定回路(phase-locked loop，PLL)電路551及一工作周期選擇器552。
該P(yáng)LL電路551，是連結(jié)于該整流器51，以感測(cè)該脈沖直流電壓40的頻率和相位， 來(lái)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一時(shí)鐘信號(hào)(clock signal)，其中，該時(shí)鐘信號(hào)之頻率與該脈沖直流電壓40同
止
少ο該工作周期選擇器552，是連結(jié)于該相位鎖定回路電路551及該驅(qū)動(dòng)器53，其接收 該時(shí)鐘信號(hào)，并對(duì)應(yīng)于該時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生該P(yáng)WM信號(hào)，來(lái)對(duì)應(yīng)啟動(dòng)或關(guān)閉該驅(qū)動(dòng)器53。該P(yáng)WM信號(hào)具有至少一上升時(shí)間點(diǎn)和至少一下落時(shí)間點(diǎn)，該上升時(shí)間點(diǎn)與下落時(shí) 間點(diǎn)形成一開啟時(shí)間和一關(guān)閉時(shí)間41，以對(duì)應(yīng)開啟或關(guān)閉該驅(qū)動(dòng)器53至少一段時(shí)間。該關(guān) 閉時(shí)間41的占空比(duty cycle)，可根據(jù)關(guān)閉長(zhǎng)短對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)為10%至90%工作周期率。請(qǐng)參考圖7及圖8所示，本發(fā)明之脈沖可控裝置更可包括有一連結(jié)于該電容器52 的功率因數(shù)校正(power factor correction, PFC)電路，該P(yáng)FC電路56是提供一功率因數(shù) 校正功能，以改善該脈沖可控裝置的功率因數(shù)(powerfactor)，其中，該P(yáng)FC電路可為一主 動(dòng)式(active) PFC電路56A或一具有電壓隔離特性之主動(dòng)式PFC電路56B。然而，通過該控制器55來(lái)對(duì)應(yīng)關(guān)閉該驅(qū)動(dòng)器53會(huì)降低燈具輸出的光強(qiáng)度，不過此 項(xiàng)缺點(diǎn)可通過提供更高電壓或電流來(lái)達(dá)到補(bǔ)償效果，再者，綜觀目前照明技術(shù)，稍微降低輸 出的強(qiáng)度并不會(huì)造成人們使用上的困擾。本發(fā)明人將本發(fā)明應(yīng)用于燈具試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，將該 關(guān)閉時(shí)間41的占空比設(shè)定在10 25%工作周期率為本發(fā)明之較佳的實(shí)施方式。另外，對(duì)于一些具有高熱敏感的燈具(如發(fā)光二極管燈具)，通過本發(fā)明于特定時(shí) 間點(diǎn)關(guān)閉后再開啟，可降低熱能的產(chǎn)生，來(lái)避免溫度過高而造成燈具本身的毀損。綜上所述，本發(fā)明之方法與裝置，當(dāng)一脈沖可控裝置被關(guān)閉時(shí)，其內(nèi)部之電容器所 儲(chǔ)存的電能不會(huì)因該脈沖直流電壓在驅(qū)近零伏特時(shí)減少，反而會(huì)維持在一穩(wěn)定狀態(tài)，故應(yīng) 用本發(fā)明之脈沖可控裝置電容的需求量得以降低，體積亦較傳統(tǒng)的裝置更來(lái)得輕薄短小。
權(quán)利要求
一種降低電容值使用量的方法，應(yīng)用于一脈沖可控裝置，其特征在于，包括有下列步驟整流將一交流電壓整流為一脈沖直流電壓；檢測(cè)零點(diǎn)檢測(cè)該脈沖直流電壓為零伏特的時(shí)間點(diǎn)；頻率相位鎖定同步將該脈沖直流電壓與一時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行頻率和相位的同步；設(shè)定脈沖期間于該脈沖直流電壓趨近于零伏特時(shí)，于該時(shí)鐘信號(hào)中設(shè)定至少一上升時(shí)間點(diǎn)和至少一下落時(shí)間點(diǎn)；及啟動(dòng)與關(guān)閉根據(jù)該設(shè)定脈沖期間所設(shè)定之上升時(shí)間和下落時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)啟動(dòng)和關(guān)閉該脈沖可控裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該啟動(dòng)與關(guān)閉步驟中關(guān)閉時(shí)間具有一占空 比，該占空比選自于10%至90%之工作周期率。
3.—種脈沖可控裝置，其特征在于，包括有一負(fù)載；一整流器，是連接于一外部交流電源，來(lái)將一交流電壓整流為一脈沖直流電壓； 一驅(qū)動(dòng)器，是用于驅(qū)動(dòng)該負(fù)載；一電容器，是連接于該整流器和該驅(qū)動(dòng)器之間，儲(chǔ)存有一電能作為提供該驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū) 動(dòng)該負(fù)載之能量，該儲(chǔ)存之電能大小對(duì)應(yīng)于該電容器的電容量；及一控制器，是連接于該整流器和該驅(qū)動(dòng)器之間，當(dāng)該脈沖直流電壓趨近于零伏特時(shí)，將 該驅(qū)動(dòng)器對(duì)應(yīng)關(guān)閉和開啟至少一段時(shí)間。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，該整流器是一全橋式整流器。
5.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，該負(fù)載是一冷陰極熒光燈管、一外部電極熒 光燈管或一納米碳燈管時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器是一換流器。
6.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，該負(fù)載為一發(fā)光二極管時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器為一定 電流裝置。
7.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，該負(fù)載為一有機(jī)發(fā)光二極管時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器為一定電壓裝置。
8.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，該控制器是通過一脈沖寬度調(diào)變PWM信號(hào)來(lái) 對(duì)應(yīng)開啟和關(guān)閉該驅(qū)動(dòng)器。
9.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，該控制器包括有一相位鎖定回路PLL電路，以感測(cè)該脈沖直流電壓的頻率和相位，來(lái)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一時(shí)鐘 信號(hào)；及一工作周期選擇器，是連結(jié)于該P(yáng)LL電路及該驅(qū)動(dòng)器，其接收該時(shí)鐘信號(hào)，并對(duì)應(yīng)于該 時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生該P(yáng)WM信號(hào)，來(lái)對(duì)應(yīng)啟動(dòng)或關(guān)閉該驅(qū)動(dòng)器。
10.如權(quán)利要求8或9所述的裝置，其特征在于，該P(yáng)WM信號(hào)具有至少一開啟時(shí)間和至 少一關(guān)閉時(shí)間，該關(guān)閉時(shí)間的占空比設(shè)定為10 25%工作周期率。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，該脈沖可控裝置更連結(jié)有一功率因數(shù)校 正電路以改善功率因數(shù)。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，該功率因數(shù)校正電路是一主動(dòng)式功率因 數(shù)校正電路。
13.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，該功率因數(shù)校正電路是一電壓隔離 voltage isolation之主動(dòng)式功率因數(shù)校正電路。
全文摘要
本發(fā)明是一種降低電容值使用量的方法及其裝置，特別是指應(yīng)用于一具有電容器的脈沖可控裝置，來(lái)改善功率因數(shù)并同時(shí)取代大型電容器使用需求的方法，其包括有一整流步驟、一檢測(cè)零點(diǎn)步驟、一頻率相位鎖定同步步驟、一設(shè)定脈沖期間步驟及一啟動(dòng)與關(guān)閉步驟，借由上述之步驟，當(dāng)一脈沖可控裝置被關(guān)閉時(shí)，其內(nèi)部之電容器所儲(chǔ)存的電能會(huì)維持在一穩(wěn)定狀態(tài)，以使得該脈沖可控裝置之電容值的需求量得以降低，體積亦較傳統(tǒng)裝置更來(lái)得輕薄短小。
文檔編號(hào)H02M7/217GK101882881SQ20101016570
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者理察·藍(lán)德立·葛瑞, 蔡博名 申請(qǐng)人:理察·藍(lán)德立·葛瑞