CN101847025A - 适应性定电压控制电路与适应性功率转换控制器 - Google Patents

Abstract

一种适应性定电压控制电路与适应性功率转换控制器，所述适应性功率转换控制器耦接至一负载与一电源转换电路；此适应性功率转换控制器包括一适应性电压感测单元与一转换控制电路；其中，适应性电压感测单元耦接至负载，并依据电源转换电路的一输入电流与来自负载的一负载电压或是来自负载的一负载电流与一负载电压输出一电压感测信号；转换控制电路用以接收前述电压感测信号，并通过比较电压感测信号与一对应于负载电流的电流感测信号，以决定依据电流感测信号或是依据电压感测信号控制电源转换电路供电至负载。本发明在定电压控制下，电压感测信号会因为负载电流的升高而受到补偿，可以克服现有技术中定电压反馈控制的电压稳压特性会受到定电流反馈控制的干扰的问题，并提供准确的负载电压。

Description

适应性定电压控制电路与适应性功率转换控制器

技术领域

本发明涉及一定电压控制电路与一功率转换控制器，特别是涉及一适应性定电压控制电路与一适应性功率转换控制器。

背景技术

定电压定电流的转换控制常应用于锂电池充电模块以及限流稳压模块(current-limiting constant-voltage regulator)等。就锂电池充电模块而言，在锂电池的充电过程中，锂电池充电模块首先通过定电流控制的方式，使得锂电池于此定电流控制周期内快速充电。随后，当锂电池电压电平到达一默认保护值时，锂电池充电模块再转换为定电压控制，以确实箝制锂电池电压电平，达到锂电池保护的目的。就限流稳压模块而言，限流稳压模块利用定电压控制，以确实控制输出负载电压。当输出负载电流到达一默认保护值时，限流稳压模块转换为定电流控制，以确实箝制输出负载电流，实现输出负载限流保护的目的。

图1为一现有技术的定电压定电流转换控制器10的示意图。如图中所示，定电压定电流转换控制器10耦接至一电源转换电路11，此电源转换电路11用以供应电力至一负载12。此定电压定电流转换控制器10具有一电压感测电路13、一电流感测电路14、一直流电压电平转换电路151与一误差放大电路152。其中，电压感测电路13侦测输出负载的电压，以输出一电压感测信号VOS。电流感测电路14侦测输出负载的电流，以输出一电流感测信号VCS。直流电压电平转换电路151接收此电流感测信号VCS，并依据一第一参考电压信号VR1调整电流感测信号VCS的电平，以输出一电流检测参考信号VCI。误差放大电路152接收前述电压感测信号VOS、前述电流检测参考信号VCI以及一第二参考电压信号VR2，以输出一误差放大信号VFB。

当电压感测信号VOS的电平高于电流检测参考信号VCI时，误差放大电路152依据电压感测信号VOS与第二參考电压信号VR2产生误差放大信号VFB。此时，误差放大级为电压回路控制，定电压定电流转换控制器10为定电压反馈控制。当电压感测信号VOS的电平低于电流检测參考信号VCI时，误差放大电路152依据电流检测參考信号VCI与第二參考电压信号VR2产生误差放大信号VFB。此时，误差放大级为电流回路控制，定电压定电流转换控制器10为定电流反馈控制。借此，即可实现定电压定电流转换控制的目标。

图2为采用图1所示的定电压定电流转换控制器10输出的电压与电流的关系图。如图中所示，在定电压模式下，输出电流接近定电流控制所设定的电流上限时，定电压反馈控制的电压稳压特性会受到定电流反馈控制的干扰，使得负载电压下降，而造成反馈控制的误差值增高，影响定电压定电流转换控制器10的输出稳压特性。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提出一适应性功率转换控制器和适应性定电压控制电路，感测负载电压及负载电流或输入电流以产生一电压感测信号，再通过比较此电压感测信号与一对应于负载电流的电流感测信号，决定依据电流感测信号或是依据电压感测信号控制，以实现适应性定电压定电流转换控制的目的。

为达到上述目的，本发明提供一种适应性功率转换控制器，耦接至一负载与一电源转换电路。此适应性功率转换控制器包括一适应性电压感测单元与一转换控制电路。其中，适应性电压感测单元依据来自负载的一负载电流与一负载电压输出一电压感测信号。转换控制电路用以接收前述电压感测信号，并通过比较电压感测信号与一对应于负载电流的电流感测信号，以决定依据电流感测信号或是依据电压感测信号控制该电源转换电路提供电力至该负载。

本发明提供另一种适应性功率转换控制器，耦接至一负载与一电源转换电路。此适应性功率转换控制器包括一适应性电压感测单元与一转换控制电路。适应性电压感测单元依据电源转换电路的一输入电流与来自负载的一负载电压输出一电压感测信号。转换控制电路用以接收前述电压感测信号，并通过比较电压感测信号与一对应于输入电流的电流感测信号，以决定依据电流感测信号或是电压感测信号控制电源转换电路提供电力至负载。

在本发明的一实施例中，前述适应性电压感测单元包括一第一电阻、一第二电阻与一第三电阻。此三个电阻连接成一电阻串。此电阻串的两端分别耦接至电源转换电路的输出端与负载的接地端，并与负载构成一电路回路。其中，第二电阻与第三电阻的跨压和即为电压感测信号，第三电阻的跨压即为电流感测信号。

在本发明的另一实施例中，此适应性功率转换控制器更包括一电流感测单元。此电流感测单元具有一第四电阻，串接于负载与接地端之间或是负载与电源转换电路的输出端之间。第四电阻的跨压即为电流感测信号。

本发明并提供一种适应性定电压控制电路。此适应性定电压控制电路耦接至一电源转换电路，而此电源转换电路的输出端耦接至一负载以提供电力。此适应性定电压控制电路包括一适应性电压感测单元与一控制单元。其中，适应性电压感测单元耦接至负载，并依据来自负载的一负载电流与一负载电压输出一电压感测信号。控制单元接收前述电压感测信号与一参考电压信号，并依据电压感测信号与参考电压信号控制电源转换电路提供电力至负载。

本发明并提供一种适应性定电压控制电路。此适应性定电压控制电路耦接至一电源转换电路，而此电源转换电路的输出端耦接至一负载。此适应性定电压控制电路包括一适应性电压感测单元与一控制单元。其中，适应性电压感测单元耦接至负载，并依据电源转换电路的一输入电流与来自负载的一负载电压输出一电压感测信号。控制单元接收电压感测信号与一参考电压信号，并依据电压感测信号与参考电压信号控制电源转换电路的电力输出。

本发明在定电压控制下，电压感测信号会因为负载电流的升高而受到补偿。此时，误差放大电路所输出的误差放大信号则会倾向提高输出电压。因而可以克服现有技术中，在定电压定电流控制点附近，定电压反馈控制的电压稳压特性会受到定电流反馈控制的干扰的问题。此外，可补偿电传递过程中因为电缆线造成的压降，以提供准确的负载电压。

以上的概述与接下来的详细说明皆为示范性质，是为了进一步说明本发明的权利要求保护范围。而有关本发明的其他目的与优点，将在后续的说明与附图加以阐述。

附图说明

图1为一现有技术定电压定电流转换控制器的示意图；

图2显示图1的定电压定电流转换控制器所控制输出的电压与电流的关系图；

图3为本发明适应性功率转换控制器一较佳实施例的示意图；

图4为图3的适应性电压感测单元一较佳实施例的示意图；

图5为本发明适应性功率转换控制器另一实施例的示意图；

图6显示本发明适应性功率转换控制器所控制输出的电压与电流的关系图；

图7A与图7B为本发明适应性定电压控制电路一较佳实施例的示意图。

【主要元件附图标记说明】

定电压定电流转换控制器10

电源转换电路11

负载12

电压感测电路13

电流感测电路14

直流电压电平转换电路151

误差放大电路152

负载22

电源转换电路20

适应性功率转换控制器30

适应性电压感测单元33

电流感测单元34

转换控制电路35

电平转换电路351

误差放大电路352

适应性定电压控制电路40

适应性电压感测单元43

控制单元45

误差放大电路452

电压感测信号VOS

电流感测信号VCS

第一参考电压信号VR1

电流检测参考信号VCI

第二参考电压信号VR2

误差放大信号VFB

负载电流ILOAD

负载电压VLOAD

参考电压信号VR

第一电阻R1

第二电阻R2

第三电阻R3

第四电阻R4

电源转换电路的输出端OUT

负载的接地端G

电源转换电路的输入电压VIN

电源转换电路的输出电压VOUT

电源转换电路的接地端电压VSS_IN

负载的接地端电压VSS

电源转换电路的输入电流IIN

具体实施方式

本发明的精神在于感测负载电压与负载电流以产生电压感测信号。通过比较电压感测信号与一对应于负载电流的电流感测信号，决定依据电流感测信号或是依据电压感测信号控制，以达到定电流控制及定电压控制功能的切换。在本发明的一实施例中，还可利用一电平转换电路來缩放、调整电流感测信号的电平，以达到适应性定电压定电流控制点的调整。以下參考图示详细説明本发明的适应性功率转换控制器。

图3为本发明的适应性功率转换控制器一较佳实施例的电路示意图。如图中所示，此适应性功率转换控制器30包含一适应性电压感测单元33以及一转换控制电路35。适应性电压感测单元33耦接至负载22，并依据来自负载22的一负载电流ILOAD与一负载电压VLOAD输出一电压感测信号VOS。前述负载电压VLOAD即为负载22两端的跨压，负载电流ILOAD即为流经负载22的电流。

转换控制电路35用以接收前述电压感测信号VOS，并通过比较电压感测信号VOS与一对应于负载电流ILOAD的电流感测信号VCS，以决定依据电流感测信号VCS或是依据电压感测信号VOS输出一误差放大信号VFB至电源转换电路20以控制电源转换电路20提供电力至负载22。

在本实施例中，转换控制电路35直接通过适应性电压感测单元33撷取对应于负载电流ILOAD的电流感测信号VCS。转换控制电路35依据所接收的电压感测信号VOS、电流感测信号VCS与一参考电压信号VR输出至少一误差放大信号VFB。其中，当电流感测信号VCS的电平大于电压感测信号VOS的电平时，转换控制电路35依据电流感测信号VCS与参考电压信号VR输出误差放大信号VFB。当电流感测信号VCS的电平小于电压感测信号VOS的电平时，转换控制电路35依据电压感测信号VOS与参考电压信号VR输出误差放大信号VFB。借此，即可达到定电压定电流转换的目的。

其次，在本实施例中，转换控制电路35具有一电平转换电路351及一误差放大电路352。电平转换电路351接收电流感测信号VCS，经直流电压电平转换后，输出一电流检测參考信号VCI。通过电平转换电路351改变电流感测信号VCS的电平，即可调整定电压定电流的控制点。

误差放大电路352接收电流检测參考信号VCI、电压感测信号VOS、以及一參考电压信号VR，以输出误差放大信号VFB。进一步来说，当电压感测信号VOS的电平高于电流检测參考信号VCI的电平时，误差放大电路352依据电压感测信号VOS与參考电压信号VR输出误差放大信号VFB。此时误差放大电路352为电压回路控制，适应性功率转换控制器30为定电压反馈控制。反之，当电压感测信号VOS的电平低于电流检测參考信号VCI的电平时，误差放大电路352依据电流检测參考信号VCI与參考电压信号VR输出误差放大信号VFB。此时，误差放大电路352为电流回路控制，适应性功率转换控制器30为定电流反馈控制。如此，即可实现适应性定电压定电流转换控制的目标。

图4显示图3的适应性电压感测单元33一实施例的电路示意图。如图中所示，适应性电压感测单元33具有一第一电阻R1、一第二电阻R2与一第三电阻R3。这三个电阻R1，R2，R3连接成一电阻串。此电阻串的一端耦接于电源转换电路20的输出端OUT，另一端耦接至负载22的接地端G，而与负载22构成一电路回路。负载22的接地端G与电源转换电路20的接地端(未图示)不同。电压感测信号VOS即为第二电阻R2与第三电阻R3上的跨压和。第二电阻R2与第三电阻R3的接点耦接至电源转换电路20的输入电压的接地端。适当调整电源转换电路20的输入电流与输出电流的电流回路，可使电源转换电路20的输入电流IIN或是来自负载的负载电流ILOAD流经第三电阻R3。

在电源转换电路20的输入电流IIN流经第三电阻R3的情况下，电流感测信号VCS即为前述适应性电压感测单元33的第三电阻R3上的跨压。此第三电阻R3的跨压与负载电流ILOAD具有一比例关系。其关系式为：

$\mathrm{VCS}=r3\×\mathrm{IIN}=r3\×\mathrm{ILOAD}\×\frac{\mathrm{VLOAD}-\mathrm{VSS}}{\mathrm{VIN}-\mathrm{VSS}\_\mathrm{IN}}---\left(1\right)$

利用此电阻串所具有的分压功能，可以使电压感测信号VOS(VOS＝VOSP-VOSN)与负载电压VLOAD以及负载电流ILOAD产生一定的缩放比关系。其关系式为：

$(\mathrm{VLOAD}-\mathrm{VSS})=(1+\frac{r1}{r2})(\mathrm{VOSP}-\mathrm{VOSN})+\left(\frac{r1}{r2}\right)(r3\×\mathrm{ILOAD}\×\frac{\mathrm{VLOAD}-\mathrm{VSS}}{\mathrm{VIN}-\mathrm{VSS}\_\mathrm{IN}})---\left(2\right)$

其中，r1，r2，r3分别是第一电阻R1、第二电阻R2与第三电阻R3的电阻值，VIN是指电源转换电路20的输入电压，VOUT是指电源转换电路20的输出电压，VSS_IN是指电源转换电路20的接地端电压，VSS是指负载22的接地端电压。

前述方程式(1)与方程式(2)是针对电源转换电路20进行降压(buck)转换的情况。由公式可以发现，电压感测信号VOS是负载电压VLOAD与负载电流ILOAD的函数，电流感测信号VCS是负载电流ILOAD的函数。此函数关系在升压(boost)转换、升降压(buck-boost)转换等情况下依然成立。因此，本发明的概念亦可适用于其他种类的功率转换，如升压转换、升降压转换等。

在来自负载的负载电流ILOAD流经第三电阻R3的情况下，电流感测信号VCS即为前述适应性电压感测单元33的第三电阻R3上的跨压。此第三电阻R3的跨压与负载电流ILOAD具有一比例关系。其关系式为：

VCS＝r3×ILOAD......(3)

利用此电阻串所具有的分压功能，可以使电压感测信号VOS(VOS＝VOSP-VOSN)与负载电压VLOAD以及负载电流ILOAD产生一定的缩放比关系。其关系式为：

$(\mathrm{VLOAD}-\mathrm{VSS})=(1+\frac{r1}{r2})(\mathrm{VOSP}-\mathrm{VOSN})+\left(\frac{r1}{r2}\right)(r3\×\mathrm{ILOAD})---\left(4\right)$

其中，r1，r2，r3分别是第一电阻R1、第二电阻R2与第三电阻R3的电阻值。

前述方程式(3)与方程式(4)是针对电源转换电路20进行降压(buck)转换的情况。由公式中可以发现，电压感测信号VOS是负载电压VLOAD与负载电流ILOAD的函数，电流感测信号VCS是负载电流ILOAD的函数。此函数关系在升压(boost)转换、升降压(buck-boost)转换等情况下依然成立。因此，本发明的概念亦可适用于其他种类的功率转换，如升压转换、升降压转换等。

图5显示本发明的适应性功率转换控制器30的另一较佳实施例。图中省略与图3所示的适应性功率转换控制器30相同的部分。如图中所示，此适应性功率转换控制器30除了适应性电压感测单元33之外，还具有一电流感测单元34。此电流感测单元34具有一第四电阻R4，串接于电源转换电路20的输出端OUT与负载22间。也就是说，负载电流ILOAD是先流经电流感测电路34后再流经负载22。电流感测信号VCS即为此第四电阻R4的跨压。电流感测信号VCS与负载电流ILOAD的关系式为：VCS＝r4×ILOAD。其中，r4是指第四电阻R4的电阻值。在实际电路配置上，为了避免电流感测信号VCS的电平超过转换控制电路35的可处理范围，亦可以采用电流先流经负载22后再流经电流感测电路34到地的串联关系，也就是将电流感测单元34串接于负载22与接地端G之间。

图6显示利用本发明的适应性功率转换控制器30进行定电压定电流转换所输出的电压与电流的关系图。由于本发明的适应性功率转换控制器30通过感测负载电压与负载电流以产生电压感测信号VOS。因此，在定电压控制下，电压感测信号VOS会因为负载电流ILOAD的升高而受到补偿。此时，误差放大电路352所输出的误差放大信号VFB则会倾向提高输出电压VOUT。因而可以克服图2所示，在定电压定电流控制点附近，定电压反馈控制的电压稳压特性会受到定电流反馈控制的干扰的问题。此外，如图3所示，在实际应用上，电源转换电路20是通过一电缆线供电至负载22。请同时参照图4，第三电阻R3耦接于负载22的接地端G与电源转换电路20的接地端(未图示)之间，第三电阻R3的电阻值与电缆线的电阻值会具有一比例关系。因应电缆线的电阻值来调整第三电阻R3的电阻值，即可补偿电传递过程中因为电缆线造成的压降，以提供准确的负载电压。

图7A与图7B为本发明适应性定电压控制电路40一较佳实施例的示意图。如图中所示，此适应性定电压控制电路40耦接至一电源转换电路20。此电源转换电路20的输出端OUT耦接至一负载22。此适应性定电压控制电路40具有一适应性电压感测单元43与一控制单元45。其中，适应性电压感测单元43耦接至负载22，并依据来自负载22的一负载电流ILOAD与一负载电压VLOAD输出一电压感测信号VOS，借以反馈控制电源转换电路20提供至负载22的电压电平(即电源转换电路20的输出电压VOUT的电平)。控制单元45具有一误差放大电路452。此控制单元45接收电压感测信号VOS与一参考电压信号VR，并依据电压感测信号VOS与参考电压信号VR输出至少一误差放大信号VFB至电源转换电路20。

但是，以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求及发明说明内容所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明的权利要求范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达到本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利要求范围。

Claims (20)

1.一种适应性功率转换控制器，其特征在于，耦接至一负载与一电源转换电路，该适应性功率转换控制器包括：

一适应性电压感测单元，依据来自该负载的一负载电流与一负载电压输出一电压感测信号；以及

一转换控制电路，接收该电压感测信号，通过比较该电压感测信号与一对应于该负载电流的电流感测信号，以决定依据该电流感测信号或是该电压感测信号控制该电源转换电路提供电力至该负载。

2.如权利要求1所述的适应性功率转换控制器，其特征在于，该适应性电压感测单元包括一第一电阻、一第二电阻与一第三电阻，该第一电阻、该第二电阻与该第三电阻构成一电阻串，该电阻串与该负载构成一电路回路，该第一电阻的一端电连接至该电源转换电路的一输出端，另一端电连接该第二电阻，该第二电阻与该第三电阻的接点连接至该电源转换电路的一接地端，并且，该第三电阻连接至该负载的一接地端。

3.如权利要求2所述的适应性功率转换控制器，其特征在于，该电压感测信号等于该第二电阻与该第三电阻的跨压和，该电流感测信号等于该第三电阻的跨压。

4.如权利要求3所述的适应性功率转换控制器，其特征在于，该第三电阻的跨压与该负载电流具有一比例关系。

5.如权利要求1所述的适应性功率转换控制器，其特征在于，该转换控制电路具有一电平转换电路，用以调整该电流感测信号的电平，并且，该转换控制电路比较调整后的该电流感测信号的电平与该电压感测信号的电平，以输出一误差放大信号。

6.如权利要求1所述的适应性功率转换控制器，其特征在于，更包括一电流感测单元，该电流感测单元具有一第四电阻，串接于该负载与一接地端之间。

7.如权利要求1所述的适应性功率转换控制器，其特征在于，更包括一电流感测单元，该电流感测单元具有一第四电阻，串接于该电源转换电路的一输出端与该负载之间。

8.一种适应性定电压控制电路，其特征在于，耦接至一电源转换电路，该电源转换电路的一输出端耦接至一负载，该适应性定电压控制电路包括：

一适应性电压感测单元，该适应性电压感测单元耦接至该负载，并依据来自该负载的一负载电流与一负载电压输出一电压感测信号；以及

一控制单元，接收该电压感测信号与一参考电压信号，并依据该电压感测信号与该参考电压信号控制该电源转换电路的电力输出。

9.如权利要求8所述的适应性定电压控制电路，其特征在于，该适应性电压感测单元具有一第一电阻、一第二电阻与一第三电阻，串接成一电阻串，该电阻串的两端分别连接至该电源转换电路的该输出端与该负载的一接地端，该电压感测信号对应于该第二电阻与第三电阻的跨压和，并且，该第二电阻与该第三电阻的接点连接至该电源转换电路的一接地端。

10.如权利要求9所述的适应性定电压控制电路，其特征在于，该第三电阻的跨压与该负载电流具有一比例关系。

11.一种适应性功率转换控制器，其特征在于，耦接至一负载与一电源转换电路，该适应性功率转换控制器包括：

一适应性电压感测单元，依据该电源转换电路的一输入电流与来自该负载的一负载电压输出一电压感测信号；以及

一转换控制电路，接收该电压感测信号，通过比较该电压感测信号与一对应于该输入电流的电流感测信号，以决定依据该电流感测信号或是该电压感测信号控制该电源转换电路提供电力至该负载。

12.如权利要求11所述的适应性功率转换控制器，其特征在于，该适应性电压感测单元包括一第一电阻、一第二电阻与一第三电阻，该第一电阻、该第二电阻与该第三电阻构成一电阻串，该电阻串的两端分别连接至该电源转换电路的一输出端与该负载的一接地端，该第一电阻的一端电连接至该电源转换电路的该输出端，另一端电连接该第二电阻，该第二电阻与该第三电阻的接点连接至该电源转换电路的一输入电压的接地端，该输入电流流经该第三电阻。

13.如权利要求12所述的适应性功率转换控制器，其特征在于，该电压感测信号等于该第二电阻与该第三电阻的跨压和，该电流感测信号等于该第三电阻的跨压。

14.如权利要求13所述的适应性功率转换控制器，其特征在于，该第三电阻的跨压与来自该负载的一负载电流具有一比例关系。

15.如权利要求11所述项的适应性功率转换控制器，其特征在于，该转换控制电路具有一电平转换电路，用以调整该电流感测信号的电平，并且，该转换控制电路比较调整后的该电流感测信号的电平与该电压感测信号的电平，以输出一误差放大信号。

16.如权利要求11所述的适应性功率转换控制器，其特征在于，更包括一电流感测单元，该电流感测单元具有一第四电阻，串接于该负载与一接地端之间。

17.如权利要求11所述的适应性功率转换控制器，其特征在于，更包括一电流感测单元，该电流感测单元具有一第四电阻，串接于该电源转换电路的一输出端与该负载之间。

18.一种适应性定电压控制电路，其特征在于，耦接至一电源转换电路，该电源转换电路的一输出端耦接至一负载，该适应性定电压控制电路包括：

一适应性电压感测单元，该适应性电压感测单元耦接至该负载，并依据该电源转换电路的一输入电流与来自该负载的一负载电压输出一电压感测信号；以及

一控制单元，接收该电压感测信号与一参考电压信号，并依据该电压感测信号与该参考电压信号控制该电源转换电路的电力输出。

19.如权利要求18所述的适应性定电压控制电路，其特征在于，该适应性电压感测单元具有一第一电阻、一第二电阻与一第三电阻，串接成一电阻串，该电阻串的两端分别连接至该电源转换电路的该输出端与该负载的一接地端，该电压感测信号对应于该第二电阻与第三电阻的跨压和，该第二电阻与该第三电阻的接点连接至该电源转换电路的一输入电压的接地端，该输入电流流经该第三电阻。

20.如权利要求18所述的适应性定电压控制电路，其特征在于，该第三电阻的跨压与来自该负载的一负载电流具有一比例关系。

Images