CN101893909A - 定功率控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种定功率控制装置及其控制方法。定功率控制装置用以输出负载功率至负载元件。定功率控制装置包括补偿修正器、定功率器以及功率电路。补偿修正器用以接收输出功率期望值电压与负载功率的电压回馈信号，其中补偿修正器将输出功率期望值电压转换为电流参考值并依据电压回馈信号修正电流参考值以产生电流修正参考值。定功率器用以接收电流修正参考值与负载功率的电流回馈信号并产生调变功率控制信号。功率电路用以接收调变功率控制信号并输出负载功率。

Description

定功率控制装置及其控制方法

技术领域

本发明是一种定功率控制装置及其控制方法，且特别是有关于一种利用回馈电压及电流信号的定功率控制装置及其控制方法。

背景技术

在科技发展日新月异的现今时代中，许多新颖实用的照明、电子设备被大量的需求着，而功率转换电路更是扮演着重要的角色，凡是可导入电源供应器的应用，例如计算机、照明灯具…等等。然而传统功率转换电路包含定电压控制、定电流控制及定功率控制三种。其中，定电压控制的方式，容易随着输出阻抗变大而使功率输出变低；定电流控制的方式，会随着输出阻抗变大会产生负载功率往上飘移的结果。单纯以定电压控制或定电流控制的方式，其成本相对较低且电路设计较为简单，但容易产生功率飘移现象而导致元件的坏损。

而定功率控制方式是采用控制整体负载端所产生的功率，可以改善上述定电压及定电流控制的缺点。但是，传统定功率控制装置需要使用高成本的乘法器或累加运算电路来做控制，致使电路变得复杂化与增加了成本。以目前Micro Chip公司所生产的微处理器为例，一般无乘法器功能的芯片售价约为1美元，而具有乘法器的芯片，最便宜售价需为2.5美元以上。而德州仪器(Texas Instruments，TI)公司所出产具有乘法功能的数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)售价更高达8美元以上。市面上最常被使用的乘法IC为Analog Devices公司出产的AD633，售价约5-8美元之间。若应用此类定功率控制装置的产品，将使成本大大提高许多。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的为提出一种定功率控制装置及其控制方法，利用回馈电压及电流信号以修正输出功率，得到固定功率输出，不需使用乘法器及累加运算电路。另外，此装置并可应用于模拟电路或数字电路的设计，除可达到传统定功率控制的优点，亦可大大降低成本。

根据本发明提出一种定功率控制装置，用以输出一负载功率至一负载元件。此定功率控制装置包括补偿修正器、定功率器以及功率电路。补偿修正器用以接收输出功率期望值电压与负载功率的电压回馈信号，其中补偿修正器将输出功率期望值电压转换为电流参考值，并依据电压回馈信号修正电流参考值以产生电流修正参考值。定功率器用以接收电流修正参考值与负载功率的电流回馈信号并产生调变功率控制信号。功率电路用以接收调变功率控制信号并输出负载功率。

本发明提出一种定功率控制方法，用以在定功率控制装置中输出负载功率至负载元件。此定功率控制方法包括下列步骤。首先，接收输出功率期望值电压，并转换输出功率期望值电压为电流参考值。接收负载功率的电压回馈信号，并依据电压回馈信号修正电流参考值以产生电流修正参考值。接着，依据电流修正参考值与负载功率的电流回馈信号，产生调变功率控制信号。最后，将调变功率控制信号调变以输出负载功率。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下，其中：

图1绘示本发明定功率控制装置的方块图。

图2A绘示的是图1中补偿修正器的方块图。

图2B绘示的是图1中定功率器的方块图。

图2C绘示的是图1中功率电路的方块图。

图3绘示的是将本发明定功率控制装置应用于可调光的电子安定器的系统方块图。

图4绘示的是以图3的复金属灯作为负载元件的调光范围与输出功率的变化曲线图。

具体实施方式

本发明提出一种定功率控制装置及其控制方法，利用侦测负载元件的负载功率，将负载功率的电压回馈信号及电流回馈信号回馈(Feedback)，并经由补偿修正器所接收的电压回馈信号来修正。例如：以电压回馈信号作为定功率控制装置的修正依据，并以电流回馈信号作为此装置的定功率控制的基准值，进而得以准确控制负载功率；亦可以电流回馈信号作为定功率控制装置的修正依据，并以电压回馈信号作为此装置的定功率控制的基准值，进而准确控制负载功率。

请参照图1，其绘示的是本发明定功率控制装置的方块图。此定功率控制装置1可应用于需定功率控制的负载元件7，此处的定功率控制装置1例如是应用于可调整光强度的复金属灯的电子安定器，负载元件7例如是复金属灯。其中，定功率控制装置1包括补偿修正器2、定功率器3与功率电路5。定功率控制装置1接收由外部装置所提供的输出功率期望值电压Vafc经转换后作为电流参考值，以及接收负载元件7的元件特性所提供的负载电压基准值Vd，再进行功率调变控制，然后输出负载功率Vp至负载元件7。负载元件7还可包括电流侦测器72与电压侦测器74。其中电流侦测器72是用来侦测负载功率Vp的电流回馈信号Vfbi，电压侦测器74是用来侦测负载功率Vp的电压回馈信号Vfbv。

举例来说，电流参考值是由补偿修正器2对输出功率期望值电压Vafc转换后所取得。因此，电流参考值是由输出功率期望值电压Vafc所决定，且负载功率Vp是由输出功率期望值电压Vafc所决定，例如是负载功率Vp的大小取决于输出功率期望值电压Vafc的大小。然而，若输出功率期望值电压Vafc是为固定时，定功率控制装置1输出固定的负载功率Vp至负载元件7，若输出功率期望值电压Vafc是为可调变时，定功率控制装置1输出可调变的负载功率Vp至负载元件7。

在此定功率控制装置1中，补偿修正器2同时接收自负载元件7所侦测得的电压回馈信号Vfbv、外部装置所提供的输出功率期望值电压Vafc及依据负载元件7的元件特性所提供的负载电压基准值Vd。补偿修正器2是依据负载元件7的电压回馈信号Vfbv、输出功率期望值电压Vafc及负载电压基准值Vd以产生电流修正参考值Vrefi。举例来说，负载元件7的电压回馈信号Vfbv是用以修正外部装置所提供的输出功率期望值电压Vafc，以产生电流修正参考值Vrefi。定功率器3接收自补偿修正器2输出的电流修正参考值Vrefi，并依据电流修正参考值Vrefi与负载元件7所侦测得的电流回馈信号Vfbi产生调变功率控制信号Vc。功率电路5接收定功率器3输出的调变功率控制信号Vc加以调变以输出负载功率Vp至负载元件7。

以下请同时参照图1及图2A-图2C。图2A绘示的是图1中补偿修正器的方块图。补偿修正器2包括第一误差放大器21、增益器23及第二误差放大器25。其中，第一误差放大器21接收自负载元件7所侦测得的电压回馈信号Vfbv与负载电压基准值Vd以输出电压调变值Vm。增益器23依据接收输出电压调变值Vm以增益得到调变完成电压值Vmf。第二误差放大器25依据所接收的电流参考值ref与调变完成电压值Vmf产生电流修正参考值Vrefi。其中，电流参考值ref是由转换输出期望值电压Vafc所取得。然，本实施例的补偿修正器并不局限于图2A所示的，本实施例的补偿修正器实际上亦可由一放大器所实现，其亦可达成补偿修正器的功效。

图2B绘示的是图1中定功率器的方块图。定功率器3包括一第三误差放大器31以及补偿器33。第三误差放大器31是接收自补偿修正器2输出的电流修正参考值Vrefi与负载元件7的电流回馈信号Vfbi并输出电流修正量Vim。补偿器33接收电流修正量Vim，然后输出调变功率控制信号Vc。

请参照图2C，其绘示的是图1中功率电路的方块图。功率电路5包括功率调变器51以及功率转换器53。功率调变器51接收自定功率器3输出的调变功率控制信号Vc加以调变后以产生调变控制信号D至功率转换器53，调变控制信号D经由功率转换器53转换后以输出负载功率Vp至负载元件7。在此实施例中，功率调变器51采用脉波宽度可调变输出方式对调变功率控制信号Vc进行调变，然而，功率调变器51亦可采用频率可调变或相位可调变输出方式，且不以此为限制。

如前所述，传统定功率控制装置皆需使用累加运算电路或乘法器，电路复杂且成本很高。根据本发明实施例所揭露的技术特征，定功率控制装置是由误差放大器、运算放大电路、补偿电路及比较电路所实现，可以减少成本及简化电路，以提升所应用的商品竞争力。

请再参照图3，其绘示为将本发明定功率控制装置应用于可调光的电子安定器的系统方块图。此一定功率控制系统6包括定功率控制装置1、功率因子修正单元61、调光接口64、复金属灯65、灯管电流侦测器66、灯管电压侦测器67。其中，定功率控制装置1包括功率转换器53、定功率修正器40。也就是说，定功率控制装置1中的补偿修正器2、定功率器3与功率电路5中的功率调变器51是整合于定功率修正器40中；功率转换器53包括功率控制单元55、低频方波驱动单元62以及驱动器63。功率因子修正单元61用以让电源的电流追随电压信号，使得电压与电流接近同相位以提高功率因子(Power Factor，PF)并降低电流总谐波失真(Total Harmonic Distortion，THD)。在本实施例中，负载元件7是包括复金属灯65、灯管电流侦测器66与灯管电压侦测器67。定功率控制装置1用以提供复金属灯65在点亮前、点灯瞬时、与稳态工作时的稳定功率。

如图3所示，自调光接口64例如系数字可寻址照明接口(Digital Addressable Lighting Interface，DALI)或传统模拟调光接口输入0伏特至10伏特的电压信号Vfc，然后转换成系统所能接收的可调变功率的输出功率期望值电压Vafc输出。此调光接口64是用以决定电子安定器的输出功率。定功率控制装置1的定功率修正器40接收输出功率期望值电压Vafc、灯管电压侦测器67所侦测得的复金属灯65的电压回馈信号Vfbv、以及灯管电流侦测器66所侦测得的负载元件7的电流回馈信号Vfbi，然后输出调变功率控制信号Vc。调变功率控制信号Vc经由采用脉波宽度可调变方式的功率调变器51输出脉宽调变后的调变控制信号D。

驱动器63依据接收的脉宽调变后的调变控制信号D驱动功率转换器53的功率控制单元55，并自功率控制单元55输出频率转换前的直流负载功率Vfp。低频方波驱动单元62接收由功率控制单元55所输出的频率转换前的直流负载功率Vfp，用以将直流信号转换成低频方波信号以输出交流的负载功率Vp至复金属灯65，使电子安定器得以稳定输出功率。

在本发明上述实施例所揭露的特征中，是以灯管电压侦测器67侦测得的电压回馈信号Vfbv作为修正输出功率期望值电压Vafc的依据，以灯管电流侦测器66侦测得的电流回馈信号Vfbi作为定功率控制的基准值。

下述将进一步说明本发明上述实施例中各控制参数间的关系。在定功率控制装置1中，补偿修正器2的第一误差放大器21是将复金属灯65的电压回馈信号Vfbv减去负载电压基准值Vd以得到电压调变值Vm，亦即：Vm＝Vfbv-Vd。其中，负载电压基准值Vd是为电压回馈信号Vfbv的平均值而得。增益器23提供增益量Kv，此增益器23可利用运算放大器来完成，例如将调变完成电压值Vm增益Kv倍率后得到调变完成电压值Vmf，亦即：Vmf＝Kv*Vm。

第二误差放大器25接收调光接口64所提供的输出功率期望值电压Vafc转换后所产生的电流参考值ref，并在调变完成电压值Vmf的修正下输出电流修正参考值Vrefi，亦即：Vrefi＝ref-Vmf。其中，侦测复金属灯65所得的电压回馈信号Vfbv是用以当电子安定器输出的灯管电压较高时，将输出功率期望值电压Vafc向下修正。相反地，当电子安定器输出的灯管电压较低时，将输出功率期望值电压Vafc向上修正。

定功率器3的第三误差放大器31接收自补偿修正器2输出的电流修正参考值Vrefi并减去复金属灯65的电流回馈信号Vfbi以输出电流修正量Vim，亦即：Vim＝Vrefi-Vfbi。补偿器33提供补偿系数Ki，此补偿器33可利用运算放大器来完成，例如将电流修正量Vim增益Ki倍率后得到调变功率控制信号Vc，亦即：Vc＝Ki*Vim。

功率电路5的功率调变器51接收自定功率器3输出的调变功率控制参数信号Vc，并以采用如脉波宽度可调变方式的功率调变器51，由本身所提供的锯齿波信号的峰值电压VM进行调节，并得到脉宽调变后的调变控制信号D，例如：D＝Vc/VM。功率转换器53依据功率调变器51所输出的脉宽调变后的调变控制信号D，输出直流负载功率Vfp，再由低频方波驱动单元62将直流信号转换成低频方波信号并输出稳定交流的负载功率Vp至复金属灯65。其中，补偿系数Ki是由不同的负载元件7经由实验操作后所得的结果以预设其值。

举例来说，增益量Kv是为负载元件7的交流负载功率Vp与负载电压的斜率关系，经由实验结果以预设其值。然，上述的功率转换器53输出的直流负载功率Vfp亦可直接提供给直流负载元件使用。

下表1是上述实施例中，以电子安定器提供功率为150W(瓦特)的复金属灯65作为负载元件7的各控制参数的参考数值。

表1

电压信号Vfc	0-10V
		增益量Kv	0.055
负载电压基准值Vd	87V
		补偿系数Ki	22
锯齿波信号的峰值电压VM	3.3V

下表2是本发明上述实施例中，分别以调光范围的功率为50％及100％为例所得到的测试结果。在本实施例中可以达到功率因子PF大于95％、总谐波失真小于9％、总效率大于89％的效果。由此测试结果显示，在50-100％的调光范围内，电子安定器的工作特性均能满足规范要求，复金属灯的电气及光学特性也符合预期。

表2

请参照图4，其绘示的是以图3的复金属灯作为负载元件，且在不同阻抗下分别于调光范围为50％至100％间的输出功率的变化曲线图。其中所示，RA与RB为两支不同灯管的等效阻抗值。使用传统的定电流控制方法时，经由曲线RA1与RB1可知：两支灯管的最大功率差可达24.61％；而使用本发明的定电流控制方法时，经由曲线RA2与RB2可知：两支灯管的最大功率差减为7.17％。在50％至100％的调光范围区间内，两支灯管的输出功率平均差分别为23.12％及3.10％。

由上述结果可证实，利用本发明上述实施例所揭露的定功率控制方法，在不同灯管的阻抗下确实可以大幅减小输出功率的偏移，以避免元件因功率飘移而造成毁损，并达到稳定功率输出的目的。

本发明实施例所揭露的定功率控制装置具有降低成本、简化电路架构以及数字化的应用。相较于传统需使用乘法器或累加运算电路以进行定功率控制，本发明只需利用误差放大器、运算放大器、补偿电路及比较电路的模拟IC即可达成相同效果。其中，本发明的定功率装置除了可以利用软件设计以达到数字化的功能；并可嵌入微处理芯片中以使得元件集成化，用以缩小元件体积以增加元件空间的利用性。

本发明上述实施例是以负载元件测得的电压回馈信号为补偿、以电流回馈信号为基准值来控制功率的输出为例作说明。然而，在实际应用上，依据本发明上述实施例所揭露的技术特征，亦可以电流回馈信号为补偿、以电压回馈信号为基准值来控制功率的输出，于此不再赘述。

综上所述，虽然本发明已以一实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求范围所界定的为准。

Claims (23)

1.一种定功率控制装置，用以输出一负载功率至一负载元件，该定功率控制装置包括：

一补偿修正器，用以接收一输出功率期望值电压与该负载功率的一电压回馈信号，其中该补偿修正器将该输出功率期望值电压转换为一电流参考值，该补偿修正器并依据该电压回馈信号修正该电流参考值以产生一电流修正参考值；

一定功率器，用以接收该电流修正参考值与该负载功率的一电流回馈信号并产生一调变功率控制信号；以及

一功率电路，用以接收该调变功率控制信号并输出该负载功率。

2.如权利要求1所述的定功率控制装置，其中该输出功率期望值电压为固定或可调变。

3.如权利要求2所述的定功率控制装置，其中当该输出功率期望值电压是固定时，该定功率控制装置输出固定的该负载功率。

4.如权利要求2所述的定功率控制装置，其中当该输出功率期望值电压是可调变时，该定功率控制装置输出可调变的该负载功率。

5.如权利要求1所述的定功率控制装置，其中该补偿修正器包括：

一第一误差放大器，用以依据该电压回馈信号与一负载电压基准值输出一电压调变值；

一增益器，用以增益该电压调变值，并产生一调变完成电压值；以及

一第二误差放大器，用以依据该调变完成电压值与该电流参考值输出该电流修正参考值。

6.如权利要求5所述的定功率控制装置，其中：

该电压调变值为该电压回馈信号减去该负载电压基准值；以及

该电流修正参考值为该电流参考值减去该调变完成电压值。

7.如权利要求1所述的定功率控制装置，其中该定功率器包括：

一第三误差放大器，用以依据该电流回馈信号与该电流修正参考值输出一电流修正量；以及

一补偿器，用以补偿该电流修正量并产生该调变功率控制信号。

8.如权利要求7所述的定功率控制装置，其中：

该电流修正量为该电流修正参考值减去该电流回馈信号；以及

该调变功率控制信号为该电流修正量进行增益补偿。

9.如权利要求1所述的定功率控制装置，其中该功率电路包括：

一功率调变器，依据该调变功率控制信号调变后以产生一调变控制信号；以及

一功率转换器，依据该调变控制信号经转换后以输出该负载功率。

10.如权利要求9所述的定功率控制装置，其中：

该功率调变器是以频率可调变、相位可调变或脉波宽度可调变的方式，对该调变功率控制信号进行调变。

11.如权利要求1所述的定功率控制装置，其中该负载元件还包括：

一电流侦测器，其是用来侦测该电流回馈信号；以及

一电压侦测器，其是用来侦测该电压回馈信号。

12.一种定功率控制方法，用以在一定功率控制装置中输出一负载功率至一负载元件，该定功率控制方法包括：

接收一输出功率期望值电压，并转换该输出功率期望值电压为一电流参考值；

接收该负载功率的一电压回馈信号，并依据该电压回馈信号修正该电流参考值以产生一电流修正参考值；

依据该电流修正参考值与该负载功率的一电流回馈信号，产生一调变功率控制信号；以及

将该调变功率控制信号调变以输出该负载功率。

13.如权利要求12所述的定功率控制方法，其中该电流参考值是由该输出功率期望值电压信号决定。

14.如权利要求12所述的定功率控制方法，其中该负载功率是由该输出功率期望值电压的高低决定。

15.如权利要求12所述的定功率控制方法，其中该输出功率期望值电压是为固定或可调变。

16.如权利要求15所述的定功率控制方法，其中当该输出功率期望值电压是固定时，输出固定的该负载功率。

17.如权利要求15所述的定功率控制方法，其中当该输出功率期望值电压为可调变时，输出可调变的该负载功率。

18.如权利要求12所述的定功率控制方法，其中产生该电流修正参考值的方法包括：

依据该电压回馈信号与一负载电压基准值输出一电压调变值；

增益该电压调变值以产生一调变完成电压值；以及

依据该输出调变完成电压值与该电流参考值产生该电流修正参考值。

19.如权利要求18所述的定功率控制方法，其中：

该电压调变值为该电压回馈信号减去该负载电压基准值；以及

该电流修正参考值为该电流参考值减去该调变完成电压值。

20.如权利要求12所述的定功率控制方法，其中产生该调变功率控制信号的方法包括：

依据该电流回馈信号与该电流修正参考值输出一电流修正量；以及

补偿该电流修正量并产生该调变功率控制信号。

21.如权利要求20所述的定功率控制方法，其中：

该电流修正量为该电流修正参考值减去该电流回馈信号；以及

该调变功率控制信号为该电流修正量进行增益补偿。

22.如权利要求12所述的定功率控制方法，其中产生该负载功率的方法包括：

根据该调变功率控制信号加以调变以产生一调变控制信号；以及

根据该调变控制信号经转换后输出该负载功率。

23.如权利要求22所述的定功率控制方法，其中产生该负载功率的方法包括：

以频率可调变、相位可调变或脉波宽度可调变的方式，对该调变功率控制信号进行调变。

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