CN102055315B - 电感式转换装置及能量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是揭露一种电感式转换装置及能量控制方法，其是利用复数个输出电压的误差值计算出充电电感的最大限制的电流峰值以得知实际所需的能量总值，此能量总值为误差值的能量的总合是为系统实际所需能量，电感充电将不超过电流峰值，以使储存的能量不将超过实际所需能量，进而有效提升能量效能。

Description

电感式转换装置及能量控制方法

技术领域

本发明是关于一种电子电路装置与能量效能控制方法，特别是关于一种应用于电源电路转换装置的电感式转换装置及能量控制方法。

背景技术

现今许多工业应用及各式电子产品皆具有电源电路的设计，于电源电路的设计中是将包含转换器(converter)电路，最为常见的转换器电路是设置有电感。如美国专利案号US2006/0114624是提出一单电感多输出的转换器的系统与控制方法，其是将输出电压回授，经过参考电压产生器及切换控制器动态产生参考电流(I_REF)以控制转换器的电感充放电。然而，依据此参考电流(I_REF)为电流门槛充电电感将会使得能量超过实际系统能量的需求，故转换器的能量效能不佳。

因此，ISSCC/2007论文”A Single-Inductor Step-Up DC-DC SwitchingConverter with Bipolar Outputs for Active Matrix OLED Mobile Display Panels”提出加入一释放转换开关(free-wheeling switch)与电感器并接，当此开关闭合时，将形成一短路路径，电流将不通过电感进行充电，使能量透过短路路径排除以限制电感储存的能量。然而，通过释放转换开关形成一短路路径的方法，为将能量进行释放，虽有效可改善能量超过实际系统所需能量的问题但于释放能量的过程，为将超过的能量导入接地释放，将使得能量效能较上述美国专利所揭示的技术更为不佳。

有鉴于此，本发明是针对上述该些困扰与目标，同时结合电力电子技术与能量控制概念，提出一电感式转换装置及能量控制方法。

发明内容

本发明的主要目的是在提供一种电感式转换装置及能量控制方法，其是利用输出电压误差值计算出充电电感的电流峰值以得知实际所需的能量总值，将有效提升能量效率。

本发明的另一目的是在提供一种电感式转换装置及能量控制方法，其是利用输出电压误差值的能量面积加总等于能量总值的能量面积以量化输出电压误差值的能量总合等于能量总值，将增进能量估算的准确度。

本发明的又一目的是在提供一种电感式转换装置及能量控制方法，其是能应用于各式电感转换装置电路设计的能量计算，将可为通式应用层面极为广范。

为达到上述的目的，本发明提出的电感式转换装置及能量控制方法，其是将以参考电压为基准计算复数个输出电压的各别误差值；依据误差值的能量以计算出电流峰值，且通过电流峰值计算能量总值，电流峰值是为最大充电电流的限制，能量总值是为误差值的能量的加总，并且为系统所需能量；以电流峰值充电至至少一电感，电感将储存能量总值，即电感是将储存系统所需能量。

其中，该电流峰值是为每一充电周期的最大充电限制。

其中，该能量总值是为系统所需能量。

其中，该能量总值是为每一该误差值的能量的总合。

其中，该输出电压是为正电压或负电压。

其中，该输出电压是为单一电压输出或复数个电压同时输出。

其中，该输出电压为复数个电压同时输出时，是将依据该电流峰值及承受的负载计算该负载充电的先后。

其中，更包括一参考电压，该参考电压是为计算该误差值的基准。

其中，更包括一输入电压，该输入电压是为提供充电该电感的电流。

其中，该输出电压是将高于该输入电压。

其中，该电流峰值是为一函数，该函数包含每一该误差值的总合。

其中，该函数是为每一该误差值的平方的总合开根号。

其中，该函数是为一系统转移电导函数，该系统转移电导函数将该误差值的总合转换成为该电流峰值。

其中，该电流峰值是为充电电流的上升斜率的最大限制。

其中，该正输出电压误差值能量与该负输出电压误差值能量总合是等于该能量总值。

本发明还提出一种电感式能量转换装置，包括：一开关电路，至少一电感是与其电性连接，该开关电路将控制该电感的充放电以输出复数个输出电压；一电流感测器，其是与该电感电性连接，且侦测流经该电感的电感电流；一电流峰值产生器，其是与该开关电路电性连接，且接收该输出电压的误差值，产生相对应该误差值的电流峰值；一比较器组，其是与该电流峰值产生器电性连接，且将该电流峰值与该电感电流及该误差值比较，产生复数个电压讯号；以及一控制电路，其是与该比较器组电性连接，且接收该电压讯号产生复数个控制讯号，通过该控制讯号控制该开关电路，以控制该电感的充放电。

其中，更包括复数个误差放大器，其是与该电流峰值产生器电性连接，该输出电压的该误差值将通过该误差放大器以一参考电压为基准予以放大传入至该电流峰值产生器。

其中，该控制电路将依照接收的该电压讯号产生该参考电压。

其中，更包括一斜率补偿器，其是与该电流感测器电性连接，补偿该电感电流变动产生的误差。

其中，该电流感测器侦测的该电感电流将通过电阻器转换成电压输入至该比较器组。

其中，该开关电路包含复数个晶体管开关，该控制电路产生的该控制讯号是控制该晶体管开关开启或闭合。

其中，该电流峰值产生器是为基于该误差值动态产生该电流峰值。

底下通过具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1为本发明控制电感充电能量的流程图；

图2(a)至图2(c)为本发明单一电感电路与相对能量的示意图；

图3(a)至图3(c)为本发明能量面积比例的示意图；

图4为本发明单一电感双极性多重输出的电路架构示意图；

图5为本发明电感式能量转换装置的电路架构示意图。

附图标记说明：

20-升压电路(boost)；30-反向电路(inverter)；40-单电感双极性输出电路；50-单电感双极性多重输出(SIMBO)电路；60-电感式能量转换装置；62-电流峰值产生器；64-电流感测器；66-斜率补偿器；68-控制电路；70-比较器组(CMP)；72-开关电路。

具体实施方式

本发明提出一种电感式转换装置及能量控制方法，是将通过计算电流峰值求得充电电流最大峰值限制以得知系统最大所需的能量总值。底下则将以较佳实施例详述本发明的技术特征。

图1为本发明控制电感充电能量的流程图，如图所示，首先，如步骤S10，计算复数个输出电压的各别的误差值，此输出电压是可为单一电压输出或复数个电压同时输出的正电压或负电压，且输出电压的误差值的计算是以一参考电压作为电压基准。之后，如步骤S12，依据输出电压的误差值计算电流峰值，电流峰值为系统中每一充电周期的最大充电限制，充电的电流将不超越电流峰值的门槛；并且通过电流峰值是能计算出系统所需能量的能量总值，此能量总值是将为每一输出电压误差值的能量总合。其后，如步骤S14，依据电流峰值为充电门槛，对至少一电感充电，电感是将储存此能量总值，换言之，电感所储存的能量为系统所需能量。

此外，当复数个输出电压同时输出时，是将依据电流峰值以及承受的负载，依照负载的轻重计算出负载充电的先后。另外，输出电压的电压值是将高于输入电压的电压值。

为了确保电流峰值为系统所需能量的充电门槛，且相对应电流峰值的能量总值为每一输出电压误差值的能量总合，以下将以单一电感为例，列出推导加以详细说明，以证明上述的论点。

$\frac{x_a\×y_a}{2}=A---\left(1\right);$

$y_a=m\×x_a\⇒x_a=\frac{y_a}{m}---\left(2\right);$

$\frac{x_b\×y_b}{2}=B---\left(3\right);$

$y_b=m\×x_b\⇒x_b=\frac{y_b}{m}---\left(4\right);$

$\frac{x\×y}{2}=D---\left(5\right);$

$y=m\×x\⇒x=\frac{y}{m}---\left(6\right);$

$\frac{x_b\×y_b}{2}=\frac{(y_a+y)(x-x_a)}{2}---\left(7\right);$

$y=\±\sqrt{y_a^2+y_b^2}---\left(8\right);$

$V_E=\sqrt{V_{\mathrm{EOP}}^2+V_{\mathrm{EON}}^2}---\left(9\right);$

$I_{\mathrm{peak}}=f\left(V_E\right)=f\left(\sqrt{V_{\mathrm{EOP}}^2+V_{\mathrm{EON}}^2}\right)---\left(10\right);$

其中，A为正输出电压误差值能量表示的面积，(x_a，y_a)为面积A的横轴座标与纵轴座标，m为面积A的斜率。B为负输出电压误差值能量表示的面积，(x_b，y_b)为面积B的横轴座标与纵轴座标，m为面积B的斜率。D为正负双极性输出电压的能量总值表示的面积，(x，y)为面积D的横轴座标与纵轴座标，m为面积D的斜率。

请配合参照图2(a)至图2(c)及图3(a)至图3(c)与上述所列的式(1)至式(10)，升压电路(boost)20，其输出一正输出电压(V_OP)，正输出电压(V_OP)的正输出电压误差值(V_EOP)的能量如式(1)所示，在式(1)中，纵轴座标(y_a)代表正输出电压误差值(V_EOP)，即(V_EOP＝y_a)；且面积A的x_a、y_a与m的关系如式(2)所示。

反向电路(inverter)30，其输出一负输出电压(V_ON)，负输出电压(V_ON)的负输出电压误差值(V_EON)的能量如式(3)所示，在式(3)中，纵轴座标(y_b)代表负输出电压误差值(V_EON)，即(V_EOP＝y_a)；且面积B的x_b、y_b与m的关系如式(4)所示。

结合升压电路(boost)20与反向电路(inverter)30成为一单电感双极性输出电路40，其是将输出单一正输出电压(V_OP)或负输出电压(V_ON)，或者同时输出正负双极性输出电压，正负双极性输出电压的总误差值(V_E)的能量总值如式(5)所示，在式(5)中，纵轴座标(y)代表正负双极性输出电压的总误差值(V_E)，即(V_E＝y)；且面积D的x、y与m的关系如式(6)所示。为满足能量总值为每一输出电压误差值的能量总合的条件，正输出电压误差值能量表示的面积与负输出电压误差值能量表示的面积的总合是等于能量总值表示的面积。因此，面积D是等于面积A与面积B的总合，故面积D中扣除面积A后所剩的梯形面积C是将相等于面积B如式(7)所示。进而将求得y如式(8)所示，正负双极性输出电压的总误差值(V_E)与正输出电压误差值(V_EOP)及负输出电压误差值(V_EON)的关系式如式(9)所示。且正负双极性输出电压的总误差值(V_E)将被用以求得电流峰值(I_peak)，如式(10)所示，其中f(V_E)是为一系统转移电导函数，正负双极性输出电压的总误差值(V_E)经过电导转换成为电流峰值(I_peak)。因此，输出电压的误差值的能量求得的电流峰值为系统所需能量的充电门槛，且相对应电流峰值的能量总值为每一输出电压误差值的能量总合是得证。此外，正输出电压误差值能量表示的面积A、负输出电压误差值能量表示的面积B及能量总值表示的面积D之上升斜率m是为系统充电的斜率，且面积A、面积B及面积D之上升斜率m是为相同。

承上所述，经由以上的推导得证电流峰值、能量总值是可由输出电压误差值的能量求得，进而将扩展应用至单电感双极性多重输出(Single InductorMultiple and Bipolar Output，SIMBO)电路50。如图4所示为本发明单一电感双极性多重输出的电路架构示意图，如图所示，其是具有复数个正电压输出(V_OP1)至(V_OPn)，以及复数个负电压输出(V_ON1)至(V_ONn)，且电流峰值、能量总值与输出电压误差值的能量的关系将满足如下列式(10)所示：

$I_{\mathrm{peak}}=f\left(V_E\right)=f\left(\sqrt{V_{\mathrm{EOP}1}^2+...+V_{\mathrm{EOPn}}^2+V_{\mathrm{EON}1}^2+...+V_{\mathrm{EONn}}^2}\right)---\left(11\right);$

其中，I_peak为电流峰值；V_EOP代表正输出电压误差值；V_EON代表负输出电压误差值；n为自然数。经由式(11)确保双极性多重输出电压的误差值的能量总合为系统所需的能量总合，且相对的电流峰值可通过输出电压的误差值的能量求得。

以上为本发明的能量控制方法的推演说明，底下将针对本发明电感式转换装置的电路架构做进一步详细说明。

图5为本发明电感式能量转换装置的电路架构示意图，如图所示，电感式能量转换装置60输出的正输出电压(V_OP)与负输出电压(V_ON)分别经由电阻R1、R2及电阻R3、R4分压后以参考电压(V_ref)为基准，透过误差放大器EA1与EA2分别产生正输出电压误差值电压(V_EOP)及负输出电压误差值电压(V_EON)；正输出电压误差值(V_EOP)及负输出电压误差值(V_EON)将输入至电流峰值产生器62，透过电流峰值产生器62计算正负输出电压误差值的能量动态产生电流峰值(I_peak)，进而得知电感式能量转换装置60所需能量总值；透过比较器组(CMP)70将电流峰值(I_peak)与正输出电压误差值(V_EOP)及负输出电压误差值(V_EON)以及电感电流对应的电感参考电压进行比较。其中电感电流为电流感测器64所侦测出流经电感62的电流，电感电流变动产生的误差是通过斜率补偿器66补偿，并透过电阻器R_RS将流经电流感测器64及斜率补偿器66连接节点的电感电流转换成电压V_RS输入至比较器组(CMP)70以与电流峰值(I_peak)比较，此电压V_RS既称为电感电流对应的电感参考电压。比较后是产生电压讯号V_P、V_N输入至控制电路68，控制电路68接收电压讯号V_P、V_N将产生控制讯号P、N及参考电压(V_ref)，通过控制讯号P、N控制开关电路72中包含的MA、MB、MC与MD等四个晶体管开关的开启或闭合，以控制电感62的充放电，进而得以控制电感式能量转换装置60输出的正输出电压(V_OP)与负输出电压(V_ON)。经由上述实施例说明可知本发明是将通过输出电压误差值计算出电流峰值(I_peak)以得知所需能量总值，能量总值将为系统所需能量。充电时将以电流峰值(I_peak)为充电门槛，使能量能够有效被控制为系统所需的能量。此外，把发明提出的能量控制方法是将不局限于单一电感转换装置，多电感转换装置是将适用于本发明。另外，本发明是将适用于非隔离式的升压式、降压式、升降压式电源转换电路及隔离式的顺向式、全桥式、半桥式、推挽式的电源转换电路等各式电源转换电路及电源转换电路组合。

以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺的人士能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以的限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (20)

1.一种电感式转换装置的能量控制方法，其特征在于，包括：

计算复数个输出电压的各自的误差值；

依据该误差值计算电流峰值，该电流峰值为一函数，该函数包含每一该误差值的总合，该函数为每一该误差值的平方的总合开根号，并通过该电流峰值计算能量总值；以及依据该电流峰值充电至至少一电感，且该电感是将储存该能量总值。

2.根据权利要求1所述的电感式转换装置的能量控制方法，其特征在于，该电流峰值是为每一充电周期的最大充电限制。

3.根据权利要求1所述的电感式转换装置的能量控制方法，其特征在于，该能量总值是为系统所需能量。

4.根据权利要求1所述的电感式转换装置的能量控制方法，其特征在于，该能量总值是为每一该误差值的能量的总合。

5.根据权利要求1所述的电感式转换装置的能量控制方法，其特征在于，该输出电压是为正输出电压或负输出电压。

6.根据权利要求5所述的电感式转换装置的能量控制方法，其特征在于，该输出电压是为单一电压输出或复数个电压同时输出。

7.根据权利要求6所述的电感式转换装置的能量控制方法，其特征在于，该输出电压为复数个电压同时输出时，是将依据该电流峰值及承受的负载计算该负载充电的先后。

8.根据权利要求1所述的电感式转换装置的能量控制方法，其特征在于，更包括一参考电压，该参考电压是为计算该误差值的基准。

9.根据权利要求1所述的电感式转换装置的能量控制方法，其特征在于，更包括一输入电压，该输入电压是为提供充电该电感的电流。

10.根据权利要求9所述的电感式转换装置的能量控制方法，其特征在于，该输出电压是将高于该输入电压。

11.根据权利要求5所述的电感式转换装置的能量控制方法，其特征在于，该正输出电压误差值能量与该负输出电压误差值能量总合是等于该能量总值。

12.根据权利要求1所述的电感式转换装置的能量控制方法，其特征在于，该函数是为一系统转移电导函数，该系统转移电导函数将该误差值的总合转换成为该电流峰值。

13.根据权利要求12所述的电感式转换装置的能量控制方法，其特征在于，该电流峰值是为充电电流的上升斜率的最大限制。

14.一种电感式能量转换装置，其特征在于，包括：

一开关电路，至少一电感是与其电性连接，该开关电路将控制该电感的充放电以输出复数个输出电压；

一电流感测器，其是与该电感电性连接，且侦测流经该电感的电感电流；

一电流峰值产生器，其是与该开关电路电性连接，且接收该输出电压的误差值，产生相对应该误差值的电流峰值；

一比较器组，其是与该电流峰值产生器电性连接，且将该电流峰值与该电感电流及该误差值比较，产生复数个电压讯号；以及

一控制电路，其是与该比较器组电性连接，且接收该电压讯号产生复数个控制讯号，通过该控制讯号控制该开关电路，以控制该电感的充放电。

15.根据权利要求14所述的电感式能量转换装置，其特征在于，更包括复数个误差放大器，其是与该电流峰值产生器电性连接，该输出电压的该误差值将通过该误差放大器以一参考电压为基准予以放大传入至该电流峰值产生器。

16.根据权利要求15所述的电感式能量转换装置，其特征在于，该控制电路将依照接收的该电压讯号产生该参考电压。

17.根据权利要求14所述的电感式能量转换装置，其特征在于，更包括一斜率补偿器，其是与该电流感测器电性连接，补偿该电感电流变动产生的误差。

18.根据权利要求14所述的电感式能量转换装置，其特征在于，该电流感测器侦测的该电感电流将通过电阻器转换成电压输入至该比较器组。

19.根据权利要求14所述的电感式能量转换装置，其特征在于，该开关电路包含复数个晶体管开关，该控制电路产生的该控制讯号是控制该晶体管开关开启或闭合。

20.根据权利要求14所述的电感式能量转换装置，其特征在于，该电流峰值产生器是为基于该误差值动态产生该电流峰值。

Images