CN103713685A - 功率控制电路及其所适用的电源供应系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种功率控制电路及其适用的电源供应系统，电源供应系统具有控制单元、驱动电路以及电源供应单元，控制单元接收一可调功率参考信号，该功率控制电路包含：一电流检测单元，检测一电流信号；一电压检测单元，检测一电压信号；以及一功率检测单元，与电流检测单元、电压检测单元及控制单元连接且具有一权重比电路，权重比电路根据电流信号及电压信号以取得一功率信号，使控制单元将可调功率参考信号以及功率信号进行比对，并产生一控制信号传送至驱动电路，使驱动电路根据控制信号驱动电源供应单元输出随可调功率参考信号而定的功率至负载。

Description

功率控制电路及其所适用的电源供应系统

技术领域

本发明关于一种控制电路，尤指一种功率控制电路及所适用的电源供应系统。

背景技术

在家电、照明及工业用的产品和设备中，非线性负载的应用非常普遍，如：微波炉的磁控管、电磁炉的感应线圈、各种气体放电灯管、感应加热用的加热线圈等，此类的产品在宽范围的输入电压或是宽范围的负载变动下，若使用一般电源供应器常用的定电压或定电流的控制方法，则输入或输出功率常会无法有效的控制。因此，为确保系统在任何工作状态皆能保持稳定的能量输出，定功率控制已成为非线性负载应用产品的主要控制方向。

目前一般实现定功率控制的方式是通过检测电压信号与电流信号，并将这两个信号提供给微控制器（Micro-Controller Unit，MCU）或数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）做运算，由于功率的计算常会用到乘法或更复杂的均方根（root-mean-square，RMS）运算，因此将会耗掉微控制器或数字信号处理器许多运算资源，进而影响其他更重要的工作排程。

针对上述缺点失，目前业界采用外接一个乘法器芯片的方式来减少工作量，虽然增设一乘法器芯片确实可以达到减少工作量的目的，但是设置乘法器芯片将会增加额外的成本。

因此，如何发展一种可改善上述现有技术缺失的功率控制电路及其所适用的电源供应系统，以减轻微控制器或数字信号处理器的工作量及降低成本，实为目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种功率控制电路及其所适用的电源供应系统，以解决现有功率控制方式将电压信号与电流信号提供给微控制器或数字信号处理器做运算，会耗掉微控制器或数字信号处理器许多运算资源，而影响其他更重要的工作排程，以及现有利用外接一个乘法器芯片的方式来减少工作量，虽然可以达到减少工作量的目的，但是设置乘法器芯片将会增加额外的成本等缺点。

为达上述目的，本发明的一较广义实施方式为提供一种功率控制电路，适用于一电源供应系统，该电源供应系统提供一负载所需的能量且具有一控制单元、一驱动电路以及一电源供应单元，该控制单元接收一可调功率参考信号，该功率控制电路至少包含：一电流检测单元，其检测一电流信号；一电压检测单元，其检测一电压信号；以及一功率检测单元，其与该电流检测单元、该电压检测单元及该控制单元连接且具有一权重比电路，该权重比电路根据该电流信号及该电压信号以取得一功率信号，使该控制单元将该可调功率参考信号以及该功率信号进行比对，并产生一控制信号传送至该驱动电路，以使该驱动电路根据该控制信号驱动该电源供应单元输出随该可调功率参考信号而定的功率至该负载。

附图说明

图1A为本发明功率控制电路设置于电源供应系统的电源输入端的电路架构示意图。

图1B为本发明功率控制电路设置于电源供应系统的电源输出端的电路架构示意图。

图2A为图1A所示的功率控制电路的电路方块示意图。

图2B为图2A所示的分压电路及滤波电路的电路组成元件示意图。

图2C为图2A所示的电流感测电路、放大电路以及滤波电路的电路组成元件示意图。

图2D为图2A所示的信号缓冲电路的第一实施方式的电路示意图。

图2E为图2A所示的信号缓冲电路的第二实施方式的电路示意图。

图2F为图2A所示的信号缓冲电路的第三实施方式的电路示意图。

图3为图1A所示的功率控制电路与控制单元的第一较佳实施例的电路示意图。

图4为图1A所示的功率控制电路与控制单元的第二佳实施例的电路示意图。

其中，附图标记说明如下：

电源供应系统：1、2；

输入电源：11；

滤波电路：12；

整流电路：13；

功率控制电路：14、21；

电流检测单元：141、211；

电流感测电路：1411；

放大电路：1412；

滤波电路：1413；

信号缓冲电路：1414；

电压检测单元：142、212；

分压电路：1421；

滤波电路：1422；

信号缓冲电路：1414、1423、1432；

功率检测单元：143、213；

权重比电路：1431；

控制单元：15；

驱动电路：16；

电源供应单元：17；

负载：18；

共接点：14311；

数字控制器：31；

反馈补偿器：41；

比较器：411；

模拟控制器：42；

输入交流电压：Vac；

直流链电压：Vdc；

可调功率参考信号：Pref；

功率信号：Pin、Pout；

输入电流信号：Iin；

输入电压信号：Vdc_in；

控制信号：Cs；

输出电压：Vout；

电阻：R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14；

电容：C1、C2、C3、C4、C5、C6；

放大器：OP1、OP2、OP3、；

功率误差信号：Perror。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明为揭示一种功率控制电路及其所适用的电源供应系统，其中功率控制电路适用于电源供应系统中，且电源供应系统提供一负载所需的能量，本发明的功率控制电路可设置于电源供应系统的电源输入端或是电源输出端，可测得关于输入电源的功率信号或是输出电源的功率信号，并根据一可调功率参考信号来进行比对以调整输出功率，以符合负载所需的能量，其中本发明所适用的负载可为但不限为一非线性负载，且该可调功率参考信号可为根据负载需求所输入的功率电平控制信号，例如：负载为电磁炉的感应线圈时使用者可根据需求调整控制面版（未图示）上的按钮以进行输出功率的调整，以下将分别说明本发明的功率控制电路设置于电源供应系统的电源输入端或电源输出端的电路架构及运作方式。

请参阅图1A，其为本发明功率控制电路设置于电源供应系统的电源输入端的电路架构示意图，如图所示，本实施例的电源供应系统1可包含滤波电路12、整流电路13、功率控制电路14、控制单元15、驱动电路16以及电源供应单元17，电源供应系统1接收一输入电源11所提供的一输入交流电压Vac及一可调功率参考信号Pref，以稳定提供一负载18所需的功率，即随该可调功率参考信号而定的功率输出至负载18。

于本实施例中，滤波电路12与输入电源11及整流电路13连接，主要接收输入电源11所提供的一输入交流电压Vac并进行滤波处理，滤波后的该输入交流电压Vac则传送至整流电路13，以将该滤波后的该输入交流电压Vac转换成一直流链电压Vdc；至于该功率控制电路14与整流电路13、控制单元15以及电源供应单元17连接，其包含一电流检测单元141、一电压检测单元142以及功率检测单元143，功率检测单元143与电流检测单元141及电压检测单元142连接，电流检测单元141及电压检测单元142则与整流电路13连接，该电流检测单元141检测关于电源供应系统1的电源输入端的一输入电流信号Iin(如图2A所示)，而电压检测单元142则检测关于电源供应系统1的电源输入端的一输入电压信号Vdc_in(如图2A所示)，并根据该输入电流信号Iin及该输入电压信号Vdc_in取得一功率信号Pin，即代表目前输入电源11所输入的功率。

请再参阅图1A，控制单元15与驱动电路16及功率控制电路14连接，其接收功率信号Pin以及可调功率参考信号Pref并进行比对，且根据比对结果产生一控制信号Cs，该控制信号Cs将被输入驱动电路16，使驱动电路16随该控制信号Cs来调控该电源供应单元17内部的开关元件的运作频率或占空比，以随该可调功率参考信号Pref而定的功率输出至负载18。

举例而言，当可调功率参考信号所代表的功率电平为1100W，而功率信号Pin所代表的功率为1000W，则经控制单元15比对后，控制单元15将输出表示输出功率过低的控制信号Cs，以使驱动电路16调整该电源供应单元17内部的开关元件的运作频率或占空比，以将电源供应单元17所输出的功率由1000W调升到1100W，以使电源供应单元17所输出的功率可维持在1100W，即定功率输出至负载18；反之，当可调功率参考信号所代表的功率电平为1100W，而功率信号Pin所代表的功率为1200，则经控制单元15比对后，控制单元15将输出表示输出功率过高的控制信号Cs，以使驱动电路16调整该电源供应单元17内部的开关元件的运作频率或占空比，以将电源供应单元17所输出的功率由1200W调降到1100W，使电源供应单元17所输出的功率可维持在1100W，即定功率输出至负载18。

请参阅图1B，其为本发明功率控制电路设置于电源供应系统的电源输出端的电路架构示意图，如图所示，本实施例的电源供应系统2可包含滤波电路12、整流电路13、功率控制电路21、控制单元15、驱动电路16以及电源供应单元17，电源供应系统2接收一可调功率参考信号Pref，于本实施例中滤波电路12、整流电路13、控制单元15、驱动电路16以及电源供应单元17之间的连接关系跟运作功效与图1A相同，于此不再重复提出说明，至于本实施例的功率控制电路21同样具有电流检测单元211、电压检测单元212以及功率检测单元213，所述组成构件的内部组成元件及运作功效与图1A所示的电流检测单元141、电压检测单元142以及功率检测单元143相同。

本实施例与图1A所示的实施例的差异点在于本发明的功率控制电路21设置于电源供应系统2的电源输出端，使得电流检测单元211检测关于电源供应系统1的电源输出端的一输出电流信号，而电压检测单元212则检测关于电源供应系统2的电源输出端的一输出电压信号，并根据该输出电流信号及该输出电压信号取得一功率信号Pout，即代表目前电源供应单元17的输出功率。

控制单元15接收功率信号Pout以及可调功率参考信号Pref并进行比对，且根据比对结果产生一控制信号Cs，该控制信号Cs将被输入驱动电路16，使驱动电路16随该控制信号Cs来调控该电源供应单元17内部的开关元件的运作频率或占空比，以随该可调功率参考信号Pref而定的功率输出至负载18。

请再参阅图1A及1B，由于图1A所示的功率控制电路与图1B所示的功率控制电路的组成构件及运作方式相同，因此后续将以功率控制电路设置于电源供应系统的电源输入端的架构(如图1A所示)提出具体说明。

请参阅图2A，其为图1A所示的功率控制电路的电路方块示意图，如图所示，本发明的功率控制电路14包含电流检测单元141、电压检测单元142以及功率检测单元143，功率检测单元143与电流检测单元141及电压检测单元142连接，其中电压检测单元142可包含一分压电路1421、一滤波电路1422以及一信号缓冲电路1423，滤波电路1422与分压电路1421及信号缓冲电路1423连接，请参阅图2B，其为图2A所示的分压电路及滤波电路的电路组成元件示意图，如图所示，分压电路1421可为但不限为由3个电阻所构成，分别为电阻R1、电阻R2及电阻R3所组成，且电阻R1、电阻R2及电阻R3彼此串联连接，而滤波电路1422则由电容C1所构成，由整流电路13（如图1A所示）所输出的直流链电压Vdc将经由分压电路1421的电阻R1、电阻R2及电阻R3分压之后再传送至电容C1进行滤波，并经由后续的信号缓冲电路1423进行缓冲处理后输出一输入电压信号Vdc_in。

请参阅图1A、2A及2C，其中图2C为图2A所示的电流感测电路、放大电路以及滤波电路的电路组成元件示意图，如图2A所示，本发明的电流检测单元141包含一电流感测电路1411、一放大电路1412、一滤波电路1413以及一信号缓冲电路1414，电流感测电路1411与整流电路13及放大电路1412连接，滤波电路1413与放大电路1412及信号缓冲电路1414连接，如图2C所示，电流感测电路1411可为但不限为由一电阻R4所构成，放大电路1412可为但不限为一差动放大器，可由电阻R5、R6、R7、R8以及放大器OP1所组成，而滤波电路1413则可由电容C2及电容C3所组成，电流检测单元141主要利用电阻R4的电阻特性来取得关于电源供应系统1的电源输入端的一输入电流信号，所取得的输入电流信号后续则经放大电路1412进行放大以及滤波电路1413滤波后，再经由后续的信号缓冲电路1414进行缓冲处理后输出一输入电流信号Iin。

请参阅图1A及2A，本发明的功率检测单元143包含一权重比电路1431以及一信号缓冲电路1432，权重比电路1431与电流检测单元141及电压检测单元142连接，其根据输入电流信号Iin及输入电压信号Vdc_in以取得一功率信号Pin，且如图3及4所示权重比电路1431由2个电阻所组成，分别为电阻R12及电阻R13且两者之间串联连接，其中电阻R12与电压检测电路142的信号缓冲电路1423连接，用以接收该输入电压信号Vdc_in，而电阻R13则与电流检测电路141的信号缓冲电路1414连接，用以接收该输入电流信号Iin，待输入电压信号Vdc_in及该输入电流信号Iin分别流经电阻R12及电阻R13后将于电阻R12与电阻R13的共接点14311相接，即将该输入电压信号Vdc_in及该输入电流信号Iin加权，后续再经由信号缓冲电路1432进行缓冲处理后即可输出该功率信号Pin。

本发明的功率检测单元143所包含的信号缓冲电路1414、1423及1432主要用来对将输出的信号进行缓冲保护，以避免不同信号同时输出会造成信号之间互相干扰而发生信号失真的问题，如图2A所示，信号缓冲电路1423可用来保护输入电压信号Vdc_in，而信号缓冲电路1414则用来保护输入电流信号Iin，以避免输入电压信号Vdc_in及输入电流信号Iin同时输出至权重比电路1431会造成输入电压信号Vdc_in及输入电流信号Iin之间互相干扰而发生信号失真的问题，至于信号缓冲电路1432则用来保护功率信号Pin，以避免功率信号Pin与可调功率参考信号Pref输入至控制单元15时互相干扰。

另外，本发明的功率控制电路14所包含的信号缓冲电路1414、1423及1432除了用来对将输出的信号进行缓冲保护之外更可随需求将信号放大输出，因此可依照不同的需求来选择设置组成架构不同的信号缓冲电路，请参阅图2D、2E及2F，其分别为图2A所示的信号缓冲电路的可实施方式，其中图2D所示的信号缓冲电路单纯作为信号的缓冲及滤波功效，可由一电阻R9以及电容C4所组成，电阻R9提供信号的缓冲保护，而电容C4则对输出信号进行滤波处理，而图2E所示的信号缓冲电路可为一放大器OP2，除了可将输出的信号进行缓冲保护之外更可提供一倍的信号放大输出功效，至于图2F所示的信号缓冲电路可由电阻R10、电阻R11以及一放大器OP3所组成，除了可将输出的信号进行缓冲保护之外更可提供信号放大输出的功效，图2F所揭示的信号缓冲电路主要根据电阻R10及R11的电阻值来决定输出信号放大的倍率。

请参阅图1A及3，其中图3为图1A所示的功率控制电路与控制单元的第一较佳实施例的电路示意图，如图所示，于本实施例中，信号缓冲电路1414及1423使用如图2E所示的电路架构，而信号缓冲电路1432则使用如图2F所示的电路架构，且于本实施例中，控制单元可为一数字控制器31，例如：微控制器（MCU）或是数字信号处理器（DSP），数字控制器31可直接取用信号缓冲电路1432所输出的功率信号Pin与可调功率参考信号Pref进行功率控制；反之，当控制单元包含一模拟控制器42时，例如：脉冲频率调变（PulseFrequency Modulation，PFM）或脉冲宽度调变（Pulse Width Modulation，PWM）控制器，则控制单元内部需再设置一反馈补偿器41，该反馈补偿器41可由电容C5、C6、电阻R14以及比较器411所构成，且该反馈补偿电路41与功率检测单元143的信号缓冲电路1432及模拟控制器42连接，其接收该可调功率参考信号Pref以及功率信号Pin并通过比较器411进行比对，使比较器411根据比对结果产生一功率误差信号Perror，以使模拟控制器42根据功率误差信号Perror产生控制信号Cs至驱动电路16（如图1A所示）。

综上所述，本发明的功率控制电路及其所示用的电源供应系统，其通过电流检测单元检测一电流信号，电压检测单元检测一电压信号，以使功率检测单元的权重比电路根据该电流信号及该电压信号以取得一功率信号，使该控制单元将可调功率参考信号以及功率信号进行比对，并产生一控制信号传送至驱动电路，以使驱动电路根据控制信号驱动电源供应单元输出随该可调功率参考信号而定的功率，以定功率输出至负载，本发明的功率控制电路可设置于电源供应系统的电源输入端或是电源输出端，即可用于输入功率控制或输出功率控制；

本发明利用简单又便宜的被动元件，如：电阻、电容，及运算放大器即可达成功率控制的效果，以解决现有使用昂贵的乘法器或数字信号处理器的缺点，可确实降低成本；

另外，本发明的功率控制电路若与数字控制器连接，所产生的功率信号无须再经过繁复的乘法或均方根计算即可使用，反之，当使用模拟控制器，仅需再加一反馈补偿电路以产生功率误差信号即可使用，实现方法简单。

本发明得由本领域技术人员任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利权利要求范围所欲保护者。

Claims (14)

1.一种功率控制电路，适用于一电源供应系统，该电源供应系统提供一负载所需的能量且具有一控制单元、一驱动电路以及一电源供应单元，该控制单元接收一可调功率参考信号，该功率控制电路至少包含：

一电流检测单元，其检测一电流信号；

一电压检测单元，其检测一电压信号；以及

一功率检测单元，其与该电流检测单元、该电压检测单元及该控制单元连接且具有一权重比电路，该权重比电路根据该电流信号及该电压信号以取得一功率信号，使该控制单元将该可调功率参考信号以及该功率信号进行比对，并产生一控制信号传送至该驱动电路，以使该驱动电路根据该控制信号驱动该电源供应单元输出随该可调功率参考信号而定的功率至该负载。

2.如权利要求1所述的功率控制电路，其中该功率控制电路与该电源供应单元的电源输入端连接，且该电流信号为一输入电流信号，该电压信号为一输入电压信号，该功率信号是关于该电源供应系统的输入功率。

3.如权利要求1所述的功率控制电路，其中该功率控制电路与该电源供应单元的电源输出端连接，且该电流信号为一输出电流信号，该电压信号为一输出电压信号，该功率信号是关于该电源供应系统的输出功率。

4.如权利要求1所述的功率控制电路，其中该电压检测单元包含一分压电路、一滤波电路以及一信号缓冲电路，该滤波电路与该分压电路及该信号缓冲电路连接。

5.如权利要求4所述的功率控制电路，其中该分压电路包含多个电阻，且该多个电阻串联连接。

6.如权利要求1所述的功率控制电路，其中该电流检测单元包含一电流感测电路、一放大电路、一滤波电路以及一信号缓冲电路，该电流感测电路与该放大电路连接，该滤波电路与该放大电路及该信号缓冲电路连接。

7.如权利要求6所述的功率控制电路，其中该电流感测电路为一电阻，其通过电阻特性取得该电流信号。

8.如权利要求1所述的功率控制电路，其中该功率控制单元更包含一信号缓冲电路，该权重比电路与该电流检测单元、该电压检测单元及该信号缓冲电路连接。

9.如权利要求1所述的功率控制电路，其中该权重比电路包含一第一电阻及一第二电阻，该第一电阻与该第二电阻串联连接，该第一电阻与该电压检测单元连接并接受该电压信号，该第二电阻与该电流检测单元连接并接受该电流信号，以取得该功率信号。

10.如权利要求1所述的功率控制电路，其中该负载为一非线性负载。

11.一种电源供应系统，其接收一输入交流电压及一可调功率参考信号，以提供一负载所需的能量，至少包含：

一电源供应单元，与该负载连接；

一滤波电路，其对该输入交流电压进行滤波；

一整流电路，其将滤波后的该输入交流电压整流成一直流电压；

一功率控制电路，与该整流电路连接，至少包含：

一电流检测单元，与该整流电路连接，以测得一输入电流信号；

一电压检测单元，与该整流电路连接，以测得一输入电压信号；

一功率检测单元，与该电流检测单元及该电压检测单元连接且具有一权重比电路，该权重比电路根据该输入电流信号及该输入电压信号取得一功率信号；

一控制单元，其接收该可调功率参考信号以及该功率信号并进行比对，根据比对结果产生一控制信号；以及

一驱动电路，与该控制单元及该电源供应单元连接，其根据该控制信号驱动该电源供应单元输出随该可调功率参考信号而定的功率至该负载。

12.如权利要求11所述的电源供应系统，其中该控制单元为一数字控制器。

13.如权利要求11所述的电源供应系统，其中该控制单元包含一模拟控制器以及一反馈补偿电路，该反馈补偿电路与该功率检测单元及该模拟控制器连接，其接收该可调功率参考信号以及该功率信号并进行比对，根据比对结果产生一功率误差信号，以使该模拟控制器根据该功率误差信号产生该控制信号。

14.一种电源供应系统，其接收一输入电压及一可调功率参考信号，以提供一负载所需的能量，至少包含：

一电源供应单元，与该负载连接；

一滤波电路，其对该输入电压进行滤波；

一整流电路，其将滤波后的该输入电压整流成一直流电压；

一功率控制电路，与该整流电路连接，至少包含：

一电流检测单元，与该整流电路连接，以测得一输入电流信号；

一电压检测单元，与该整流电路连接，以测得一输入电压信号；

一功率检测单元，与该电流检测单元及该电压检测单元连接，以根据该输入电流信号及该输入电压信号取得一功率信号；

一控制单元，其接收该可调功率参考信号以及该功率信号并进行比对，根据比对结果产生一控制信号；以及

一驱动电路，与该控制单元及该电源控制单元连接，其根据该控制信号驱动该电源供应单元输出随该可调功率参考信号而定的功率至该负载。

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