CN100418029C - 具有输出功率限制与低电压保护的切换式控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有输出功率限制与低电压保护的切换式控制装置，使用于一电源供应器中，包括：一磁滞比较电路、一箝制电压产生单元、一功率限制比较器、一驱动信号产生单元，通过一箝制电压产生单元提取并箝制变动的输入电源电压，以输出一动态的最大功率限制电压作为功率限制的临界参考。再者，输入电源电压于过低电压下会与磁滞临界电压范围值进行比较运算，即控制驱动信号产生单元停止驱动信号的输出，作为低输入电源电压保护。

Description

具有输出功率限制与低电压保护的切换式控制装置

技术领域

本发明涉及一种具有输出功率限制与低电压保护的切换式控制装置，尤指一种可限制功率输出与低输入电源电压保护的切换式控制装置。

背景技术

在电源供应器中，PWM切换技术为一已知的技术，其可以用来控制与稳定调整输出功率。各种保护功能如过电压与过电流保护内建在电源供应器中，用来保护该电源供应器与周边电路，以避免造成永久性的伤害。电源供应器的输出功率限制的功能通常用于过载与短路保护。

参考图1，为已知的电源供应器电路示意图。其中切换式控制器U₁由功率限制比较器53、振荡器56及驱动信号产生单元54组成，作为电源供应器5驱动信号的来源，例如PWM控制集成电路3842，该PWM控制集成电路3842在商业化应用上已经广泛地使用在电源供应器的场合。在电源供应器5中，输入电源V_IN会通过一串联的启动电阻R_ST开始对一维持电容C_ST进行充电，等到维持电容C_ST上的电压V_CC到达一启动电压时，切换式控制器U₁开始动作，用来驱动整个电源供应器5。

电源供应器5启动后，切换式控制器U₁工作所需要的供应电压V_CC，由变压器T₁的辅助绕组N_A通过一整流器D_A对维持电容C_ST充电所提供。此时，一检知电阻R_S串联连接于功率开关Q₁，检测流过功率开关Q₁的变压器T₁一次侧电流I_P，作为决定电源供应器5的最大输出功率。实现的方法是将检知电阻R_S上的电压(即一电流感测信号V_CS)传送到功率限制比较器53的负端。假使电流感测信号V_CS大于设定的最大功率限制电位V_M，例如1V的电压电位，该驱动信号产生单元54将周期性地停用驱动信号VP_WM的输出，并且也将限制电源供应器5的最大输出功率。储存于变压器T₁电感上的能量ε为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{2}\×L\×I^2=P\×T---\left(1\right)$

最大输出功率P可以表示如下：

$I_P=\frac{V_{\mathrm{IN}}}{L_P}\×t_{\mathrm{ON}}---\left(2\right)$

$P=\frac{L_P}{2\×T}\×{I_P}^2=\frac{{V_{\mathrm{IN}}}^2\×{t_{\mathrm{ON}}}^2}{2\×L_P\×T}---\left(3\right)$

其中I_P与L_P分别地表示为变压器T₁的一次侧电流与一次侧电感值；t_ON为功率开关Q₁导通时，驱动信号V_PWM的导通时间；T为功率开关Q₁的切换周期。

由方程式(3)可以发现，输出功率P将随着输入电压V_IN的改变而产生变化。当考虑到安规(safety)时，电源供应器的输入电源电压范围由90Vac到264Vac。在较高的输入电源电压(264Vac)时的输出功率限制通常高于在较低的输入电源电压(90Vac)时的限制，而高低压之间往往有数倍的差异。虽然通过电源供应器的反馈控制回路可自动地调整导通时间t_ON，而使得输出功率保持固定值。也就是说，当电流感测信号V_CS高于最大功率限制电位V_M时，例如V_CS≥1V(I_P×R_S≥1V)，此时最大导通时间t_ON将受到限制，并达成限制该电源供应器的一次侧电流。

再者，最大输出功率也受到驱动信号产生单元54的传输延迟时间t_d所影响。

配合图1，请参考图2，为传输延迟时间造成高低压输入电源下的输出功率限制电位差异示意图。电源供应器5在固定的最大功率限制电位V_M下，于高压输入电源工作时会产生斜率较陡的电流感测信号V_CS，HV与持续导通时间t_on1较短的驱动信号V_PWM，HV。再者，于低压输入电源工作时会产生斜率较缓的电流感测信号V_CS，LV与持续导通时间t_on2较长的驱动信号V_PWM，LV。

实际上，当电流感测信号V_CS高于最大功率限制电位V_M的瞬间(I_P×R_S≥1V)，该驱动信号产生单元54的驱动信号V_PWM会经过一段传输延迟时间t_d后才会截止。在该传输延迟时间t_d之内，功率开关Q₁会持续导通，并且继续传递功率。因此，实际的驱动信号V_PWM的导通时间t_ON等于t_ON+t_d。也就是说，当输入电源电压较高时，功率开关Q₁实际的导通时间t_on1，d也随之增加，因而实际的功率限制电位V_M，HV较高，进而导致电源供应器5输出功率增加甚多。需特别说明的是，无论是在较高与较低的输入电源电压下，于相同的电源供应器中，其传输延迟时间t_d的大小是相同的。

当输入电源电压较低时，功率开关Q1实际的导通时间ton2，d也会随之增加，实际的功率限制电位V_M，LV会比输入电源电压较高时的功率限制电位V_M，HV低。因而导致电源供应器5在很大范围的输入电压下，会产生数倍差异的输出功率。而实际的输出功率P如下所示：

$P=\frac{{V^2}_{\mathrm{IN}}\×{(t_{\mathrm{ON}}+t_D)}^2}{2\×L_P\×T}---\left(4\right)$

比较上述说明的式子(3)与(4)，由于IC内部的传输延迟时间t_d将会使激磁电流比理论值多上(V_IN/L_P)*t_d，因此，在高压输入电源时将会有较大的功率限制电位。虽然该传输延迟时间t_d很短，通常介于250ns到300ns的范围，而较高的的操作频率下，该传输延迟时间t_d所造成的影响更加加剧。所以输入电源电压V_IN应适当地补偿，使得该输入电源电压V_IN不会影响最大输出功率。

发明内容

有鉴于此，本发明具有输出功率限制与低电压保护的切换式控制装置，其主要目的在于当电源供应器的输入电源电压变动时，可以动态的进行输出功率的限制。再者，若是输入电源电压过低下，则会停止电源供应器的输出，如此可达成低输入电源电压的保护。

为了达成上述目的，本发明提供一种具有输出功率限制与低电压保护的切换式控制装置，使用于一电源供应器中，其跟随一输入电源电压的变化，进而控制与调整一功率开关的一驱动信号，包括有：一磁滞比较电路，接收等比例的该输入电源电压与一磁滞临界电压范围值，经比较运算后，输出一低电压磁滞信号；一箝制电压产生单元，使用一限制电压源与该变化的输入电源电压进行运算，用以输出一最大功率限制电压；一功率限制比较器，连接于该箝制电压产生单元与该电源供应器的一感测端，接收该最大功率限制电压与一电流感测信号，并将该最大功率限制电压与该电流感测信号进行比较运算，用以输出一功率限制信号；及一驱动信号产生单元，连接于该功率限制比较器、该磁滞比较电路、该电源供应器的一反馈端、该电源供应器的该感测端及该功率开关，接收该功率限制信号、该低电压磁滞信号、一电压反馈信号及该电流感测信号，用以输出该驱动信号到该功率开关。

其中，该箝制电压产生单元由一加法器连接该限制电压源所组成，该加法器将变动的该输入电源电压与该限制电压源进行加法运算后，输出该最大功率限制电压。该驱动信号产生单元包括有：一PWM比较器，连接到该电源供应器的该反馈端与该感测端，接收该电压反馈信号与该电流感测信号，根据比较运算该电压反馈信号与该电流感测信号，用以输出一调变输出信号；一逻辑电路，连接于该功率限制比较器与该PWM比较器，接收该功率限制信号与该调变输出信号用以输出一重置信号；及一触发器，其一输入端连接于该磁滞比较电路、一重置端连接于该逻辑电路、一频率端连接于一振荡器及一输出端连接于该功率开关，接收该低电压磁滞信号、该重置信号及一振荡信号，用以输出该驱动信号到该功率开关。该触发器可选自于D型触发器、SR型触发器或JK型触发器的群组组合之一。

本发明还提供一种具有输出功率限制的切换式控制装置，使用于一电源供应器中，其跟随一输入电源电压的变化，进而控制与调整一功率开关的一驱动信号，包括有：一箝制电压产生单元，使用一限制电压源与该变化的输入电源电压进行运算，用以输出一最大功率限制电压；一功率限制比较器，连接于该箝制电压产生单元与该电源供应器的一感测端，接收该最大功率限制电压与一电流感测信号，并将该最大功率限制电压与该电流感测信号进行比较运算，用以输出一功率限制信号；一驱动信号产生单元，连接于该功率限制比较器、该电源供应器的一反馈端、该电源供应器的该感测端及该功率开关，接收该功率限制信号、一电压反馈信号及该电流感测信号，用以输出该驱动信号到该功率开关；当该输入电源电压变动时，该最大功率限制电压会随之改变，进而调整该功率限制比较器输出的该功率限制信号，并控制与调整该驱动信号产生单元输出的该驱动信号的工作周期，以限制该电源供应器的一次侧电流。该装置还包括有一磁滞比较电路，接收等比例的该输入电源电压与一磁滞临界电压范围值，经比较运算后，输出或截止一低电压磁滞信号。该箝制电压产生单元由一加法器连接一限制电压源所组成，该加法器将变动的该输入电源电压与该限制电压源进行加法运算后，输出该最大功率限制电压。该驱动信号产生单元包括有：一PWM比较器，连接到该电源供应器的反馈端与感测端，接收该电压反馈信号与该电流感测信号，根据比较运算该电压反馈信号与该电流感测信号，用以输出一调变输出信号；一逻辑电路，连接于该功率限制比较器与该PWM比较器，接收该功率限制信号与该调变输出信号用以输出一重置信号；及一触发器，其一输入端连接于该磁滞比较电路、一重置端连接于该逻辑电路、一频率端连接于一振荡器及一输出端连接于该功率开关，接收该低电压磁滞信号、该重置信号及一振荡信号，用以输出该驱动信号到该功率开关。该触发器可选自于D型触发器、SR型触发器或JK型触发器的群组组合之一。

本发明使用一磁滞比较电路通过输入电阻接收等比例的输入电源电压，磁滞比较电路将过低的输入电源电压与磁滞临界电压范围值进行比较运算，用以输出一低电压磁滞信号，低电压磁滞信号控制驱动信号产生单元停止驱动信号的输出，作为电源供应器输入电源电压过低的保护。

同时，本发明使用一箝制电压产生单元通过输入电阻接收等比例的输入电源电压，用以输出一最大功率限制电压。一功率限制比较器接收该最大功率限制电压与一电流感测信号，并进行比较运算，用以输出一功率限制信号，作为电源供应器输出的功率限制。

再者，本发明使用一连接于该功率限制比较器与功率开关的驱动信号产生单元来接收该功率限制信号，可输出驱动信号到功率开关。藉此，当输入电源电压变动时，该最大功率限制电压会随之改变，进而促使该驱动信号产生单元调整驱动信号的工作周期，以限制电源供应器的一次侧电流，并且达到输出功率的限制。

在输入电源电压过低的状况下，迟滞比较电路会将过低的输入电源电压与磁滞临界电压范围值进行比较运算，即产生低电压迟滞信号，用以控制驱动信号产生单元停止驱动信号输出，作为低输入电源电压保护。

为了使本发明特征及技术内容得到更进一步的了解，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1为已知的电源供应器电路示意图；

图2为传输延迟时间造成高低压输入电源下的输出功率限制电位差异示意图；

图3为本发明较佳实施例的电路示意图；

图4为本发明传输延迟时间造成高低压输入电源下的输出功率限制电位差异示意图；及

图5为本发明磁滞比较电路波形示意图。

其中，附图标记说明如下：

已知：

U₁     切换式控制器        R_ST 启动电阻

C_ST    维持电容            Q₁  功率开关

D_A     整流器              T₁  变压器

5      电源供应器          53  功率限制比较器

54     驱动信号产生单元    56  振荡器

本发明：

6      电源供应器          60   磁滞比较电路

62     箝制电压产生单元    620  加法器

63     功率限制比较器      64   驱动信号产生单元

642    PWM比较器           644  逻辑电路

646    触发器              648  振荡器

Q₁     功率开关            R_ST  启动电阻

C_ST    维持电容            Q₁   功率开关

D_A     整流器              T₁   变压器

V_OFFSET补偿电压            V_R   限制电压源

V_LMT   最大功率限制电压    Voc  功率限制信号

V_RST   重置信号            V_PO  调变输出信号

V_CS    电流感测信号        DS   低电压磁滞信号

V_PWM   驱动信号            CLK  振荡信号

具体实施方式

请参考图3，为本发明较佳实施例的电路示意图，本发明使用于一电源供应器6中，是跟随一输入电源电压V_IN的变化，进而控制一功率开关Q₁的切换动作，包括有：磁滞比较电路60、箝制电压产生单元62、功率限制比较器63及驱动信号产生单元64。磁滞比较电路60通过输入电阻R₁与R₂的分压以取得等比例的输入电源电压V_IN，并将该等比例的输入电源电压V_IN与一磁滞临界电压范围值(电压下限临界值V_L～电压上限临界值V_H)进行比较运算。同时，当等比例的输入电源电压V_IN低于电压下限临界值V_L时，磁滞比较电路60输出一低电位的低电压磁滞信号DS，并在高于电压上限临界值V_H时输出高电位的低电压磁滞信号DS，以形成信号磁滞现象。上述说明中，该磁滞临界电压范围值为相对于输入电源电压90Vac的一电压上限临界值V_H到相对于输入电源电压70Vac的一电压下限临界值V_L。

请再参考图3，该箝制电压产生单元62由一加法器620连接一限制电压源V_R所组成，通过输入电阻R₁与R₂取得自输入电源电压V_IN分压后的一补偿电压V_OFFSET，该补偿电压V_OFFSET与该限制电压源V_R通过加法器620进行加法运算后，输出一最大功率限制电压V_LMT。由于输入电源电压V_IN为一变动值，如在高输入电源电压264Vac至低输入电源电压90Vac之间的变化。所以最大功率限制电压V_LMT也为可变动值。通过该箝制电压产生单元62的电压箝制功能，在高输入电源电压下可以得到最大功率限制电压V_LMT，HV，在低输入电源电压下可以得到最大功率限制电压V_LMT，LV，其中V_LMT，LV大于V_LMT，HV的电压电位。

该功率限制比较器63连接于该箝制电压产生单元62，接收变动的该最大功率限制电压V_LMT，并将变动的该最大功率限制电压V_LMT与一电流感测信号V_CS进行比较运算，用以输出一变动的功率限制信号Voc。

请再参考图3，驱动信号产生单元64连接于该磁滞比较电路60、该功率限制比较器63、该功率开关Q₁及该电源供应器的反馈端，接收该低电压磁滞信号DS与该功率限制信号V_OC，以输出一驱动信号V_PWM到该功率开关Q₁。其中驱动信号产生单元64包括有：一PWM比较器642、一逻辑电路644、一触发器646及一振荡器648。

该PWM比较器642连接到该功率限制比较器63与该电源供应器的反馈端，用以接收一电压反馈信号V_FB与该电流感测信号V_CS，同时比较运算该电压反馈信号V_FB与该电流感测信号V_CS，用以输出一调变输出信号V_PO。该调变输出信号V_PO传送到连接于功率限制比较器63输出端的逻辑电路644，该逻辑电路644取得该功率限制信号V_OC与该调变输出信号V_PO，并执行与门(AND)的逻辑运算，以输出一重置信号V_RST。

该触发器646连接于该磁滞比较电路60、该逻辑电路644、该振荡器648及该功率开关Q₁，接收该低电压磁滞信号DS、该重置信号V_RST及一振荡信号CLK，用以输出该驱动信号V_PWM到该功率开关Q₁。

上述说明中，该触发器646为一D型触发器，其一重置端(R)连接到该逻辑电路644的输出端用以接收该重置信号V_RST，其一频率端(CK)连接到该振荡器648用以接收该振荡信号CLK，其一输入端(D)连接到磁滞比较电路60的输出端用以接收该低电压磁滞信号DS，其一输出端(Q)连接到该功率开关Q₁的控制端用以输出该驱动信号V_PWM。

该振荡信号CLK控制D型触发器于输入端(D)取得该低电压磁滞信号DS，并呈现于该输出端(Q)，同时，该逻辑电路644输出的重置信号V_RST传送到该D型触发器的重置端(R)，可于过功率发生时调整该D型触发器输出端(Q)的驱动信号V_PWM。该D型触发器的逻辑运算可由SR型触发器或JK型触发器替代执行。

由于最大功率限制电压V_LMT的变动会影响功率限制比较器63输出的功率限制信号V_OC，进而经由逻辑电路644、触发器646用以调整驱动信号V_PWM的输出，以达到输出功率的限制。再者，低电压磁滞信号DS可控制触发器646输出或不输出驱动信号V_PWM。

配合图3，请参考图4所示本发明传输延迟时间造成高低压输入电源下的输出功率限制电位差异示意图。箝制电压产生单元62在高输入电源电压与低输入电源电压下所产生最大功率限制电压V_LMT分别为V_LMT，HV与V_LMT，LV，而检知电阻R_S取得的电流感测信号V_CS则分别为V_CS，HV与V_CS，LV。其中电流感测信号V_CS，HV、V_CS，LV会分别通过功率限制比较器63与最大功率限制电压V_LMT，HV、V_LMT，LV进行比较运算，而得到导通时间分别为t_on3与t_on4的驱动信号V_PWM，HV、V_PWM，LV。于上述说明中，若是同时考虑切换式控制器U₂中各组件所产生的延迟，高输入电源电压与低输入电源电压实际导通时间分别为t_on3+t_d与t_on4+t_d。

由上述可知，通过该箝制电压产生单元62的电压箝制功能，让电源供应器6在高压或低压输入电源下动态的改变最大功率限制电压V_LMT，作为电源供应器6输出功率的补偿，其实际的最大功率限制电压V_LMT为相同，并可以得到稳定且相同的输出功率P。

再结合图3，请参考图5，为本发明磁滞比较电路波形示意图。在时间t₁到t₃时，输入电源电压V_IN小于电压上限临界值V_H，此时，输入电源电压V_IN即通过该磁滞比较电路60开始进行磁滞比较运算。于时间t₂时，输入电源电压V_IN低于该电压下限临界值V_L，此时该磁滞比较电路60即输出低电位的该低电压磁滞信号DS，用以控制该触发器646停止驱动信号V_PWM的输出；另外于时间t₃时，输入电源电压V_IN高于该电压上限临界值V_H，此时该磁滞比较电路60即输出高电位的该低电压磁滞信号DS，用以控制该触发器646恢复驱动信号V_PWM的输出。

本发明具有输出功率限制与低电压保护的切换式控制装置，在电源供应器的输入电源电压变动时，动态的进行输出功率的限制，若是输入电源电压过低下，则会停止电源供应器的输出，如此可达成低输入电源电压的保护。

然而，以上所述仅为本发明最佳之一的具体实施例的详细说明与附图，本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的权利要求书为准，凡合于本发明权利要求书的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，本领域技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (4)

1. 一种具有输出功率限制与低电压保护的切换式控制装置，使用于一电源供应器中，其跟随一输入电源电压的变化，进而控制与调整一功率开关的一驱动信号，其特征在于包括有：

一磁滞比较电路，接收等比例的该输入电源电压与一磁滞临界电压范围值，经比较运算后，输出一低电压磁滞信号；

一箝制电压产生单元，使用一限制电压源与该变化的输入电源电压进行运算，用以输出一最大功率限制电压；

一功率限制比较器，连接于该箝制电压产生单元与该电源供应器的一感测端，接收该最大功率限制电压与一电流感测信号，并将该最大功率限制电压与该电流感测信号进行比较运算，用以输出一功率限制信号；及

一驱动信号产生单元，连接于该功率限制比较器、该磁滞比较电路、该电源供应器的一反馈端、该电源供应器的该感测端及该功率开关，接收该功率限制信号、该低电压磁滞信号、一电压反馈信号及该电流感测信号，用以输出该驱动信号到该功率开关。

2. 如权利要求1所述的具有输出功率限制与低电压保护的切换式控制装置，其中，该箝制电压产生单元由一加法器连接该限制电压源所组成，该加法器将变动的该输入电源电压与该限制电压源进行加法运算后，输出该最大功率限制电压。

3. 如权利要求1所述的具有输出功率限制与低电压保护的切换式控制装置，其中，该驱动信号产生单元包括有：

一PWM比较器，连接到该电源供应器的该反馈端与该感测端，接收该电压反馈信号与该电流感测信号，根据比较运算该电压反馈信号与该电流感测信号，用以输出一调变输出信号；

一逻辑电路，连接于该功率限制比较器与该PWM比较器，接收该功率限制信号与该调变输出信号用以输出一重置信号；及

一触发器，其一输入端连接于该磁滞比较电路、一重置端连接于该逻辑电路、一频率端连接于一振荡器及一输出端连接于该功率开关，接收该低电压磁滞信号、该重置信号及一振荡信号，用以输出该驱动信号到该功率开关。

4. 如权利要求3所述的具有输出功率限制与低电压保护的切换式控制装置，其中，该触发器可选自于D型触发器、SR型触发器或JK型触发器的群组组合之一。

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