CN102195482A - 电源转换器的定电流控制系统、模块及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电源转换器的定电流控制系统、模块及其控制方法，其中定电流控制系统包括电源转换器以及定电流控制模块。电源转换器有变压器与开关单元，开关单元耦接于变压器的一次侧线圈，而定电流控制模块则耦接于变压器以及开关单元，用以从变压器的一次侧取得放电时间及电流波形信号，并据以产生控制信号以控制开关单元的开关周期。其中，定电流控制模块是用固定电流波形信号之电流峰值的方式，并依据放电时间来产生该控制信号，以调整开关单元的开关周期。由于本发明是从一次侧侦测信号进行控制，因此便不需在二次侧额外增设回馈用的运算放大器、电流感应器及光耦合器，进一步降低了整体电源转换器线路的成本。

Description

电源转换器的定电流控制系统、模块及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种定电流控制系统、模块及其控制方法，尤其是指一种通过一次侧的测量来作二次侧定电流电源输出的电源转换器的定电流控制系统、模块及其方法。

背景技术

一般电源转换器会有定电压(Constant Voltage，CV)控制与定电流(Constant Current，CC)控制，来维持输出的稳定。请参照图1，为公知电源转换器的线路架构，接收输入电压Vi以产生输出电压Vo，包括有变压器11、控制芯片13、光耦合器15以及运算放大器17和19。

其定电压与定电流作动原理是，在变压器11一次侧的开关单元(内建于控制芯片13中)导通时，输入的电流会流经变压器11并通过开关单元到接地端，而当开关单元截止时，会建立一次侧电流波形信号Ip＝(Vi*ΔT)/Lp，并同时会在变压器11一次侧建立0.5*Lp*Ip²的能量。其中Vi为输入电压，Lp为变压器11一次侧的感量，ΔT则为开关单元导通时间。

如上述，变压器11一次侧每秒所建立的能量为0.5*Lp*Ip²*f(其中f为开关单元的工作频率)，必须要等于变压器11二次侧所输出的能量，也就是Io*Vo，因此公式为0.5*Lp*Ip²*f＝Io*Vo。

为了达到定电压的控制，公知会在二次侧线路设置运算放大器17，来侦测输出电压Vo的电压值，如果电压太高，便透过光耦合器15回传信号给控制芯片13，来调整一次侧的工作频率f或是一次侧电流波形信号Ip，而又因为一次侧电流波形信号Ip是对应于开关单元的导通时间，所以调整开关单元的导通时间就可改变一次侧电流波形信号Ip。因此，调整一次侧开关单元的工作频率f或其导通时间(Duty Cycle)，就可达到调整输出电压Vo的目的。

另一方面，如果是因为某些特定的应用场合，当输出电流Io到达某一数值后，必须固定在该数值不能超过，这时公知的方式是在二次侧加设电流感应器18(一般而言为电阻)，当输出电流Io通过电流感应器18时，运算放大器19便会接收到代表输出电流Io大小的电压数值，接着再透过光耦合器15，并依据该代表输出电流Io大小的电压数值，传送控制信号到控制芯片13，以控制一次侧开关单元的导通时间(Duty Cycle)，达到定电流控制的目的。

也就是说，当输出电流Io小于某数值时，电源转换器是以定电压的方式运作，而当输出电流Io大于该数值时，便转变为定电流控制。

但是，以上公知的定电压与定电流控制方式，必须要额外设置至少两运算放大器17和19、电流感应器18以及光耦合器15，如此便会造成线路复杂度、成本及体积的增加。因此，公知的线路架构确实有值得改善之处。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种从电源转换器一次侧撷取电压及电流信号，来据以控制二次侧定电流输出的系统、模块及其方法，通过从一次侧撷取电压及电流信号，可以节省原本二次侧用来测量的运算放大器、电流感应器及光耦合器，进一步降低整体电源转换器的成本。

为了达到上述目的，根据本发明的一方案，提供一种电源转换器的定电流控制系统，包括一电源转换器以及一定电流控制模块。电源转换器包括有一变压器与一开关单元，其中开关单元耦接于变压器的一次侧线圈；定电流控制模块则耦接于变压器以及开关单元，用以从变压器的一次侧取得一放电时间及一电流波形信号，并据以产生一控制信号以控制开关单元的开关周期。

其中，定电流控制模块固定电流波形信号的峰值，并依据该放电时间，来产生该控制信号以控制开关单元的导通与截止。

根据本发明的另一方案，提供一种电源转换器的定电流控制模块，应用于一电源转换器，该电源转换器有一变压器与一开关单元，其中开关单元耦接于变压器的一次侧线圈。定电流控制模块包括一峰值电流固定单元、一放电时间侦测单元及一开关周期调变单元。

峰值电流固定单元耦接于变压器以及开关单元，用以从变压器的一次侧取得一电流波形信号，并依据该电流波形信号来固定流经变压器的一次侧线圈的电流峰值，当该电流波形信号显示流经变压器的一次侧线圈的电流已达到一预设电流数值时，峰值电流固定单元会产生截止开关单元的信号，以固定流经变压器的一次侧线圈的电流峰值。

放电时间侦测单元耦接于变压器，用来撷取一放电时间，其中该放电时间是从绕制于变压器一次侧的一辅助绕组所撷取的一电压波形信号侦测而得。

开关周期调变单元则耦接于开关单元，用以根据放电时间来产生一控制信号，以控制开关单元的开关周期，而该开关周期调变单元是以改变开关单元的截止时间长度的方式，来调整开关单元的开关周期。

根据本发明的又一方案，提供一种电源转换器的定电流控制方法，应用于一电源转换器的定电流控制，该电源转换器有一变压器与一开关单元，其中开关单元耦接于变压器的一次侧线圈，步骤包括有侦测变压器一次侧线圈的一电流波形信号以及一放电时间，接着依据该电流波形信号，固定流经变压器一次侧的电流峰值，然后再依据放电时间，控制开关单元的开关周期。

其中，该放电时间是从绕制于该变压器一次侧的一辅助绕组所撷取的一电压波形信号侦测而得；而固定流经变压器一次侧的电流峰值的步骤，是当电流波形信号显示流经变压器的一次侧线圈的电流已达到一预设电流数值时，截止该开关单元；控制开关单元的开关周期的步骤，可以是透过改变开关单元的截止时间长度的方式，来调整开关单元的开关周期。

综上所述，通过固定变压器一次侧的电流峰值，再依据所测量到的放电时间，来调整一次侧开关单元的开关周期，达到二次测定电流控制的目的。而由于本发明是从一次侧侦测信号进行控制，因此便不需在二次侧额外增设回馈用的运算放大器、电流感应器及光耦合器，进一步降低了整体电源转换器线路的成本。

以上的概述与接下来的实施例，皆是为了进一步说明本发明的技术手段与达成功效，然所叙述的实施例与附图仅提供参考说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1为公知电源转换系统的定电压与定电流控制的线路架构；

图2为本发明电源转换器的定电流控制系统的一种实施例的线路架构图；

图3为本发明电源转换器的定电流控制系统的另一种实施例的线路架构图；

图4为本发明电源转换器的定电流控制系统的一种实施例的信号波形示意图；以及

图5为本发明电源转换器的定电流控制方法的一种实施例的流程图。

符号说明

11  变压器                       13  控制芯片

15  光耦合器                     17、19  运算放大器

18  电流感应器                   20  电源转换器

21  变压器                       23  开关单元

25  整流器                       27  辅助绕组

29  回馈电路                     30  定电流控制模块

301  峰值电流固定单元            303  放电时间侦测单元

305  开关周期调变单元            3051  内建电容

3052、3053、3054  开关组件       3055  导通时间控制单元

3056  截止时间控制单元           3057  截止时间调变单元

307  参考电压产生单元            309  控制逻辑电路

具体实施方式

请参照图2，为本发明电源转换器的定电流控制系统的一种实施例的架构图，请配合参照图4的波形图，包含有一电源转换器20、一辅助绕组27及一定电流控制模块30，在本实施例中的电源转换器20为返驰式的线路架构。

电源转换器20是用以作电源的转换，接收输入电压Vin并产生输出电压Vout给需要用电的负载作使用。电源转换器20中包括一变压器21、一开关单元23及一整流器25，输入电压Vin会先经过整流器25转换为直流电，再经过变压器21作电压调变，然后才产生输出电压Vout。其中该开关单元23耦接于该变压器21的一次侧线圈处，透过定电流控制模块30作导通与截止的控制，以达到输出电流Io的控制。

值得一提的是，变压器21二次侧的输出能量，也就是图4二次侧线圈电流Is波形下的面积0.5*is(pk)*tD(其中is(pk)为Is的电流峰值，而tD为二次侧线圈电流Is的放电时间)，会等于电源转换器20的平均输出电流Io乘上开关单元23的开关周期tS，公式为0.5*is(pk)*tD＝Io*tS，整理一下会得到：

Io＝(0.5*is(pk)*tD)/tS             (公式一)

而在定电流控制的模式下时，因为输出电压Vout的改变，所以二次侧线圈电流Is的放电时间tD会跟着变动(二次侧线圈电流Is的放电斜率为-Vout/LT，其中LT为变压器21的感量)，依据上述的公式一，若要使输出电流Io不变，就需要调整二次侧线圈的电流峰值is(pk)以及整体开关周期tS。

具体而言，在本发明的实施例中，因为二次侧线圈电流Is与一次侧电流波形信号Ip有等比例的关系(即是变压器21的匝数比)，所以定电流控制模块30是透过将一次侧电流波形信号Ip的电流峰值ip(pk)固定在一特定电流数值的方式，来将二次侧线圈电流Is的电流峰值is(pk)固定住。如此一来，当放电时间tD改变时，定电流控制模块30只需要将开关单元23的开关周期tS的长短，用和放电时间tD的改变等比例的方式作调整，就可以达到输出电流Io的定电流控制，也就是说，若放电时间tD增加为原本的1.2倍，则定电流控制模块30便将开关周期tS也增加成原本的1.2倍，即可让输出电流Io维持一定。

复参照图2，为了从一次侧得知二次侧线圈电流Is的放电时间，本实施例中是利用辅助绕组27，绕制于变压器21的一次侧，来撷取变压器21一次侧的电压波形信号Vp，如图4的Vp波形图所示，并传送至定电流控制模块30。

因为一次侧的电压波形信号Vp与二次侧线圈电流Is的放电时间tD有着对应关系，也就是说，电压波形信号Vp峰值的持续时间的大小，会相同于二次侧线圈电流Is的放电时间tD，如图4所示，所以定电流控制模块30接收了辅助绕组27所传送而来的电压波形信号Vp，便可据以得知变压器21二次侧线圈电流Is的放电时间tD。

如此一来，定电流控制模块30便可透过固定一次侧电流波形信号Ip的峰值ip(pk)，来固定二次侧线圈电流Is的电流峰值is(pk)，并依据从变压器21一次侧的电压波形信号Vp所撷取到的放电时间tD，来作输出电流Io的定电流控制。

接着参照图3，为本发明电源转换器的定电流控制系统的另一种实施例的架构图，请配合参照图4。承上所述，定电流控制模块30中更包含有一峰值电流固定单元301、一放电时间侦测单元303、一开关周期调变单元305以及一参考电压产生单元307。

在本实施例中，辅助绕组27所撷取的一次侧电压波形信号Vp会经过一回馈电路29回馈到参考电压产生单元307，以产生参考电压Vcomp。

峰值电流固定单元301是用来固定一次侧电流波形信号Ip的电流峰值ip(pk)，藉以固定二次侧线圈电流Is的电流峰值Is(pk)。该峰值电流固定单元301接收参考电压Vcomp的分压以及该一次侧电流波形信号Ip，当电流波形信号Ip的数值大于参考电压Vcomp的分压数值时，峰值电流固定单元301就输出信号给控制逻辑电路309，使其产生截止开关单元23的控制信号Sc，如此便可以将一次侧的峰值电流ip(pk)作固定。

放电时间侦测单元303接收一次侧的电压波形信号Vp进行运算，产生正比于放电时间tD的电压数值VT至开关周期调变单元305以进行开关周期tS的调变。

在本实施例中，开关周期调变单元305的运作方式，是依据内建电容3051的充电与放电，来产生信号输出至控制逻辑电路309以产生控制信号Sc。

开关周期调变单元305中有开关组件3052、3053及3054、一导通时间控制单元3055、一截止时间控制单元3056以及一截止时间调变单元3057。

当需要控制开关单元23导通时，导通时间控制单元3055会控制开关组件3052导通，且截止时间控制单元3056则是控制开关组件3053截止，使导通时间控制单元3055内的电源对内建电容3051充电，以输出高准位的信号给控制逻辑电路309，让其传送控制信号Sc控制开关单元23导通。

另一方面，若需要控制开关单元23截止时，导通时间控制单元3055会控制开关组件3052截止，且截止时间控制单元3056则是控制开关组件3053导通，使内建电容3051快速放电，以输出低准位的信号给控制逻辑电路309，让其传送控制信号Sc控制开关单元23截止。

简单来说，在内建电容3051充电时，控制逻辑电路309会传送导通开关单元23的控制信号Sc，而在内建电容3051放电时，控制逻辑电路309则是传送截止开关单元23的控制信号Sc。

因此，要调整开关单元23的开关周期tS的大小，可透过调整内建电容3051充放电时间的长短来达成。在本实施例中，截止时间调变单元3057即是接收从放电时间侦测单元303传送而来的电压VT(正比于二次侧线圈电流的放电时间tD)，并依据电压VT的大小来控制其内的电源以及开关组件3054的导通或截止，使内建电容3051的放电时间延长或是缩短，用此方式便可以达到依据二次侧线圈电流Is的放电时间来调整开关单元23的开关周期tS的目的。

接着请参照图5，为一种电源转换器的定电流控制方法的流程图，配合参照图2，应用于一电源转换器20的定电流控制，电源转换器20有一变压器21与一开关单元23，其中开关单元耦接于变压器21的一次侧线圈，方法的步骤包括：侦测变压器21一次侧线圈的一电流波形信号Ip以及一放电时间tD(S501)，其中该放电时间tD可以是透过测量一辅助绕组27所撷取的电压波形信号Vp电压峰值持续时间而得。接着依据电流波形信号Ip，固定流经变压器21一次侧线圈的电流峰值ip(pk)(S503)；最后再依据放电时间tD，来控制开关单元23的开关周期tS(S505)，可以是用控制开关单元23的截止时间长短的方式，来调整开关周期tS。

其中，由于固定流经变压器21一次侧线圈的电流峰值ip(pk)也就同时固定了二次侧线圈的电流峰值is(pk)，因此依据上述公式一，当所测得的放电时间tD改变时，只要调整开关单元23的开关周期tS，即可维持输出电流Io的稳定，达到定电流控制的目的。

综上所述，本发明是从变压器一次侧侦测电压波形信号及电流波形信号，以得知二次侧的放电时间，且通过固定电流峰值的方式，依据测得的放电时间作开关单元的开关周期调变，以达到定电流控制，如此就不需在二次侧加设运算放大器、光耦合器及电流感应器来作信号回馈，进一步降低了线路的复杂度以及设置成本。

以上所述为本发明的具体实施例的说明与附图，而本发明的所有保护范围应权利要求的内容为准，任何在本发明的领域中熟悉该项技术人员，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在本案所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电源转换器的定电流控制系统，其特征在于，包括：

一电源转换器，包括有一变压器与一开关单元，其中该开关单元系耦接于该变压器的一次侧线圈；及

一定电流控制模块，耦接于该变压器以及该开关单元，是从该变压器的一次侧取得一放电时间，以及从该变压器的一次侧取得一电流波形信号，并依据该放电时间及该电流波形信号，产生一控制信号以控制该开关单元的开关周期，该定电流控制模块包括：

一峰值电流固定单元，耦接于该变压器以及该开关单元，是依据该电流波形信号来固定流经该变压器的一次侧线圈的电流峰值；

一放电时间侦测单元，耦接于该变压器，以撷取该放电时间；以及

一开关周期调变单元，耦接于该开关单元，根据该放电时间的改变比例，产生该控制信号并以等比例的方式调整该开关单元的开关周期。

2.根据权利要求1所述的电源转换器的定电流控制系统，其特征在于，该电流峰值固定单元是当该电流波形信号流经该变压器的一次侧线圈的电流已达到一预设电流数值时，产生截止该开关单元的该控制信号，以固定流经该变压器的一次侧线圈的电流峰值。

3.一种电源转换器的定电流控制模块，其特征在于，应用于一电源转换器，该电源转换器有一变压器与一开关单元，其中该开关单元是耦接于该变压器的一次侧线圈，包括：

一峰值电流固定单元，耦接于该变压器以及该开关单元，是从该变压器的一次侧取得一电流波形信号，并依据该电流波形信号来固定流经该变压器的一次侧线圈的电流峰值；

一放电时间侦测单元，耦接于该变压器，撷取一放电时间；以及

一开关周期调变单元，耦接于该开关单元，是根据该放电时间的改变比例，产生一控制信号并以等比例的方式调整该开关单元的开关周期。

4.根据权利要求3所述的电源转换器的定电流控制模块，其特征在于，该电流峰值固定单元是当该电流波形信号流经该变压器的一次侧线圈的电流已达到一预设电流数值时，产生截止该开关单元的该控制信号，以固定流经该变压器的一次侧线圈的电流峰值。

5.根据权利要求3所述的电源转换器的定电流控制模块，其特征在于，该放电时间是从绕制于该变压器一次侧的一辅助绕组所撷取的一电压波形信号侦测而得。

6.根据权利要求3所述的电源转换器的定电流控制模块，其特征在于，该开关周期调变单元是以改变该开关单元的截止时间长度的方式，来调整该开关单元的开关周期。

7.一种电源转换器的定电流控制方法，其特征在于，应用于一电源转换器的定电流控制，该电源转换器有一变压器与一开关单元，其中该开关单元是耦接于该变压器的一次侧线圈，包括：

侦测该变压器一次侧线圈的一电流波形信号以及一放电时间；

依据该电流波形信号，固定流经该变压器一次侧的电流峰值；以及

依据该放电时间的改变比例，并用等比例的方式，来调整该开关单元的开关周期。

8.根据权利要求7所述的电源转换器的定电流控制方法，其特征在于，该放电时间是从绕制于该变压器一次侧的一辅助绕组所撷取的一电压波形信号侦测而得。

9.根据权利要求7所述的电源转换器的定电流控制方法，其特征在于，固定流经该变压器一次侧的电流峰值，是当该电流波形信号流经该变压器的一次侧线圈的电流已达到一预设电流数值时，截止该开关单元。

10.根据权利要求7所述的电源转换器的定电流控制方法，其特征在于，调整该开关单元的开关周期，是改变该开关单元的截止时间长度。

Images