CN104467431B - 动态频率调节电源控制装置 - Google Patents
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Abstract
一种动态频率调节电源控制装置，包括变压器单元、控制器、负载回馈单元以及切换晶体管，变压器单元包含一次侧线圈、二次侧线圈以及辅助线圈，一次侧线圈连接输入电源单元，二次侧线圈连接负载单元并藉感应一次侧线圈而产生输出电源。辅助线圈藉感应一次侧线圈而产生电源感测信号，负载回馈单元产生负载回馈信号。控制器依据负载回馈信号以判断负载程度，并侦测电源感测信号的谷底，而在最佳的谷底改变切换信号。因此，本发明可动态改变切换信号的频率，使得负载愈轻时，切换信号的频率愈低，藉以降低切换损失，改善整体电源转换效率。
Description
技术领域
本发明有关于一种动态频率调节电源控制装置，尤其是利用负载回馈信号判断负载程度并侦测电源感测信号的谷底而依据负载程度在最佳的谷底时改变控制切换晶体管导通的切换信号。
背景技术
由于各式各样的电子产品对电力的需求不同，比如直流电、交流电，或不同的电压、电流、功率，使得电源供应业者须不断开发适当的电源转换器，以满足实际的需求。例如，电动马达一般需要12V直流电驱动，所以电源转换器需要将110V的市电转换成12V直流电，或是将较低电压的电池电源转换成12V电源。集成电路(IC)或电子组件通常是利用5V、3.3V、2.5V或甚至1.8V的直流电，因此电源转换器需要能将市电转换成适当的低电压电源。另外，对于某些高压应用领域，比如液晶面板，电源转换器需要提供高电压的交流电源以供应灯管点亮，这种电源转换器一般称为逆变器，可将来自电池的12V直流电转换成110V或更高电压的交流电。
在现有技术中，交换式电源转换器是一般较常见的电源转换器，具有架构简单、较低成本、较大电压调变范围的优点，尤其是可利用零电压及/或零电流切换以达到降低开关组件(一般为功率晶体管)的切换损失(Switching Loss)的目的，改善电源转换效率。
具体而言，交换式电源转换器主要是产生脉冲宽度调制(PWM)信号当作驱动信号，藉以驱动控制变压器上线圈绕组导通电流的切换晶体管，达到改变输出电源的电压及/或电流的目的。由于电路上来自线圈绕组的电感效应，以及周边电容器、电子组件、负载或寄生电容效应，使得在切换晶体管关闭后经一段时间，会因电感-电感耦合作用而发生衰减性振荡。又为了降低切换损失，常需要在振荡中的谷底位置进行切换晶体管的切换，亦即导通切换晶体管的谷底切换波谷切换(Valley Switching)，其中谷底切换的操作一般是固定波谷数切换，亦即在预设的固定谷底数目时，导通切换晶体管。
然而，现有技术中固定波谷数切换的缺点在于，负载愈低时，会使得切换信号的频率愈高，反而负载愈重时，切换信号的频率会愈低，造成整体电源转换效率大幅降低，亦即无法依据负载程度，动态调整切换信号的最佳频率。
因此，需要一种动态频率调节电源控制装置，利用特定的控制原则以决定改变切换信号的谷底数目，可在负载愈轻时，产生频率愈低的切换信号，可有效降低切换损失，改善整体电源转换效率，藉以解决上述现有技术的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种动态频率调节电源控制装置，电气连接至输入电源单元以及负载单元，用以将输入电源单元的输入电源转换成输出电源而供电给负载单元，且动态频率调节电源控制装置主要包括变压器单元、控制器、负载回馈单元以及切换晶体管，且变压器单元包含一次侧线圈、二次侧线圈以及辅助线圈，其中变压器单元的一次侧线圈连接输入电源单元，而二次侧线圈连接负载单元，藉感应一次侧线圈而产生输出电源。辅助线圈藉感应一次侧线圈而产生对应于输出电源的电源感测信号，而负载回馈单元连接二次侧线圈及负载单元，用以产生对应于输出电源的负载回馈信号。控制器接收电源感测信号及负载回馈信号，并依据预设的控制原则以产生切换信号，而连接控制器及一次侧线圈的切换晶体管接收切换信号，以控制一次侧线圈的导通电流，进而达到电源转换的目的。
上述的控制原则主要是用以控制切换信号的切换频率。具体而言，控制原则是包括依据负载回馈信号以判断负载程度，并侦测电源感测信号的谷底，再依据负载程度而在最佳的谷底时改变控制切换晶体管的切换信号，尤其是在负载愈轻时，增加切换谷底的数目以降低切换信号的频率，其中切换晶体管的导通时间或切换信号的高位准时间是由负载回馈信号所控制。
因此，本发明的动态频率调节电源控制装置可依据负载程度动态改变切换信号的频率，使得负载愈轻时，切换信号的频率愈低，而负载愈重时，切换信号的频率愈高，藉以降低切换损失，改善整体电源转换效率。
附图说明
图1显示本发明实施例动态频率调节电源控制装置的示意图。
图2显示本发明实施例动态频率调节电源控制装置的操作波形图。
图3显示本发明实施例动态频率调节电源控制装置的另一操作波形图。
图4显示本发明实施例动态频率调节电源控制装置以一次侧回馈方式产生负载回馈信号的示意图。
图5显示本发明实施例动态频率调节电源控制装置以二次侧回馈方式产生负载回馈信号的示意图。
其中，附图标记说明如下：
10 输入电源单元
12 负载单元
20 变压器单元
21 一次侧线圈
22 二次侧线圈
23 辅助线圈
30 控制器
40 负载回馈单元
50 切换晶体管
A、B、C、D 箭头
PWM 切换信号
R1、R2 分压电阻
TD 光耦合器
VFB 负载回馈信号
Vaux 电源感测信号
具体实施方式
以下配合附图及附图标记对本发明的实施方式做更详细的说明，使熟习本领域的技术人员在研读本说明书后能据以实施。
参考图1，本发明实施例动态频率调节电源控制装置的示意图。如图1所示，本发明实施例的动态频率调节电源控制装置电气连接至输入电源单元10以及负载单元12，且动态频率调节电源控制装置包括变压器单元20、控制器30、负载回馈单元40以及切换晶体管50，用以将输入电源单元10的输入电源转换成输出电源而供电给负载单元12，其中输出电源的电压及/或电流不同于输入电源的电压及/或电流。
控制器30可利用微控制器(MCU)而实现。
本发明的变压器单元20包含一次侧线圈21、二次侧线圈22以及辅助线圈23，且分别缠绕个别的铁芯(图中未显示)以提高电气效应，其中变压器单元20的一次侧线圈21连接输入电源单元10，而二次侧线圈22连接负载单元12，藉感应一次侧线圈21而产生输出电源，且辅助线圈23是藉感应一次侧线圈21而产生电源感测信号Vaux。
负载回馈单元40连接二次侧线圈22及负载单元12，用以产生对应于输出电源的负载回馈信号VFB。
控制器30接收电源感测信号Vaux及负载回馈信号VFB，并依据预设的控制原则以产生切换信号PWM，而连接控制器30及一次侧线圈21的切换晶体管50接收切换信号PWM，用以控制一次侧线圈21的导通电流及/或电压，进而控制二次侧线圈22的电流及/或电压，产生所需的输出电源，达到电源转换的目的。
上述的控制原则主要是用以控制切换信号PWM的切换频率。参考图2，本发明实施例动态频率调节电源控制装置的操作波形图，其中切换晶体管50依据切换信号PWM而关闭一次侧线圈21的传导路径时，比如低位准的切换信号PWM，当一次侧线圈21的电感电流下降至零之后，一次侧线圈21的电压会出现振荡，使得电源感测信号Vaux也同步出现振荡。因此，电源感测信号Vaux会经过多次的谷底而逐渐收敛。当电源感测信号Vaux在谷底时，如果将切换信号PWM由低位准切换至高位准以导通一次侧线圈21的传导路径，则切换损失为最小。因此，本发明中控制原则的主要目的是在于当电源感测信号Vaux为最佳谷底时，改变切换信号PWM的位准。
具体而言，控制原则是包括：依据负载回馈信号VFB以判断负载程度；侦测电源感测信号Vaux的谷底；以及依据负载程度，选取最佳谷底数目以改变控制切换晶体管50的切换信号PWM，比如由低位准切换至高位准，藉以导通切换晶体管50。最佳谷底的选取方式是在负载愈轻时，增加切换谷底的数目，亦即负载愈轻时，愈晚改变切换信号PWM，藉以降低切换信号的频率，其中切换晶体管50的导通时间或切换信号的高位准时间是由负载回馈信号VFB所控制。
为侦测电源感测信号Vaux的谷底位置，可连续比较前一时间及后一时间的电源感测信号Vaux，以判断电源感测信号Vaux为局部最低值时的时间点，并可据此预测下一谷底发生的时间，因为导致电源感测信号Vaux发生振荡的LC震荡频率为固定。
为进一步说明本发明的特征，请参考图2及图3，显示本发明实施例动态频率调节电源控制装置的不同操作波形图，其中切换信号PWM的高位准是维持固定时间。如图2所示，切换信号PWM由低位准切换至高位准是预设在电源感测信号Vaux的第7谷底，分别以箭头A及B标示出电源感测信号Vaux的第7谷底以及切换信号PWM的切换。另外，如图3所示，切换信号PWM由低位准切换至高位准是预设在电源感测信号Vaux的第3谷底，分别以箭头C及D标示出电源感测信号Vaux的第3谷底以及切换信号PWM的切换。
从图2及图3中显而易见的是，图2的切换信号PWM具有较低的频率，而图3的切换信号PWM具有较高的频率，因为改变图2切换信号PWM时的谷底数目是大于图3，亦即图2切换信号PWM的低位准时间较长，使得切换信号PWM的周期较长，导致其频率较低。
详细选取最佳谷底的操作方式说明如下。
首先，主要是利用预设的第一比较值CMP_H、第二比较值COMP_M、第三比较值COMP_ML以及第四比较值COMP_L，判断负载回馈信号VFB所代表的负载程度。具体而言，第一比较值CMP_H大于第二比较值COMP_M，第二比较值COMP_M大于第三比较值COMP_ML，且第三比较值COMP_ML大于第四比较值COMP_L。
如果负载回馈信号VFB大于或等于第一比较值CMP_H，表示负载程度为重负载，则设定谷底数目为0，亦即进行连续导通模式(CCM)。
如果负载回馈信号VFB小于第一比较值CMP_H，则设定谷底数目至少为1，比如3，可视实际需要而定，以进入非连续导通模式(DCM)。因此，切换信号PWM会在电源感测信号Vaux的第3谷底改变位准，由低位准切换成高位准，藉以实现非连续导通模式(DCM)。之后，如果负载回馈信号VFB大于第二比较值COMP_M且小于第一比较值CMP_H，则设定谷底数目为先前设定的谷底数目减1，用以改变切换信号PWM，直到谷底数目=1为止。
如果负载回馈信号VFB大于第三比较值COMP_ML且小于第二比较值COMP_M，则维持已设定的谷底数目不变。如果负载回馈信号VFB大于第四比较值COMP_L且小于第三比较值COMP_ML，则设定谷底数目为先前设定的谷底数目加1，直到设定的谷底数为系统可接受的最大值，比如20。
如果负载回馈信号VFB小于第四比较值COMP_L，代表负载程度为极轻载，则设定谷底数目为最大值，进入加速模式(burst mode)。
因此，本发明可在低负载时，提供频率较低的切换信号PWM，并在重负载时，提高切换信号PWM的频率。
此外，控制器30可对第一比较值CMP_H、第二比较值COMP_M、第三比较值COMP_ML以及第四比较值COMP_L具有设定迟滞电压的功能，藉以产生迟滞效应，能避免切换信号PWM在进行高、低位准切换时，对整体系统操作造成不稳定的影响。
本发明中产生负载回馈信号VFB的负载回馈单元40的具体实例可参考图4及图5，分别显示利用一次侧及二次侧回馈方式以实现本发明实施例的动态频率调节电源控制装置。
如图4所示，负载回馈单元40主要包含串接的两分压电阻R1及R2，连接至辅助线圈23，并在分压电阻R1及R2的串接点产生负载回馈信号VFB。另外，如图5所示，负载回馈单元40主要包含光耦合器TD(或称为光电隔离器、光耦)，用以将对应于负载单元12的感测电流IS藉光耦合作用产生所需的负载回馈信号VFB，其中光耦合器TD是由发光组件和受光组件构成。
要注意的是，图3及图4只是用以说明本发明特点的示范性实例而已，并非用以限定本发明的范围，亦即本发明的输入电源单元10、负载单元12、变压器单元20、控制器30、负载回馈单元40以及切换晶体管50可使用具相同电气功能的其它电路组件。
综上所述，本发明的特点在于可依据负载程度动态改变切换信号的频率，使得负载愈轻时，切换信号的频率愈低，而负载愈重时，切换信号的频率愈高，藉以降低切换损失，改善整体电源转换效率。
以上所述内容仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，因此，凡有在相同的发明精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。
Claims (5)
1.一种动态频率调节电源控制装置，电气连接至一输入电源单元以及一负载单元，用以将该输入电源单元的一输入电源转换成一输出电源而供电给该负载单元，其特征在于，该动态频率调节电源控制装置包括：
一变压器单元，包含一次侧线圈、二次侧线圈以及辅助线圈，其中该一次侧线圈连接该输入电源单元，而该二次侧线圈连接该负载单元并藉由感应该一次侧线圈而产生该输出电源，且该辅助线圈是藉由感应该一次侧线圈而产生一电源感测信号；
一负载回馈单元，连接该二次侧线圈及该负载单元，用以产生对应于该输出电源的一负载回馈信号；
一控制器，接收该电源感测信号及该负载回馈信号，并依据预设的一控制原则以产生一切换信号，该切换信号具有一切换频率；以及
一切换晶体管，连接该控制器及该一次侧线圈，并接收该切换信号以控制该一次侧线圈的导通电流及/或电压，进而控制该二次侧线圈的电流及/或电压，
其中该控制原则是包括：
依据该负载回馈信号以判断一负载程度；
侦测该电源感测信号的谷底；以及
依据该负载程度，选取最佳的一谷底数目以改变控制该切换晶体管的切换信号，
该控制原则的谷底数目是依据以下方式而选取并改变：
利用预设的一第一比较值、一第二比较值、一第三比较值以及一第四比较值以比较该负载回馈信号，藉以判断该负载回馈信号所代表的负载程度，且该第一比较值大于该第二比较值，该第二比较值大于该第三比较值，而该第三比较值大于该第四比较值；
如果该负载回馈信号大于或等于该第一比较值，则设定该谷底数目为0，以进入连续导通模式，而如果该负载回馈信号小于该第一比较值，则设定该谷底数目至少为1，以进入非连续导通模式；
之后，如果该负载回馈信号大于该第二比较值且小于该第一比较值，则设定该谷底数目为先前设定的谷底数目减1，直到谷底数目＝1为止；
如果该负载回馈信号大于该第三比较值且小于该第二比较值，则维持已设定的谷底数目不变；
如果该负载回馈信号大于该第四比较值且小于该第三比较值，则设定该谷底数目为先前设定的谷底数目加1，直到设定的谷底数为一最大值；以及
如果该负载回馈信号小于该第四比较值，则设定该谷底数目为最大值，以进入加速模式，
其中，该最大值为20。
2.依据权利要求1所述的动态频率调节电源控制装置，其特征在于，该控制器是利用微控制器而实现。
3.依据权利要求1所述的动态频率调节电源控制装置，其特征在于，该控制器对该第一比较值、该第二比较值、该第三比较值以及该第四比较值具有设定迟滞电压的功能，以产生迟滞效应。
4.依据权利要求1所述的动态频率调节电源控制装置，其特征在于，该负载回馈单元是以一次侧回馈而实现，且该负载回馈单元包含串接的两分压电阻，连接至该辅助线圈，并在该两分压电阻的串接点产生该负载回馈信号。
5.依据权利要求1所述的动态频率调节电源控制装置，其特征在于，该负载回馈单元是以二次侧回馈方式而实现，且该负载回馈单元包含一光耦合器，用以将对应于该负载单元的一感测电流藉光耦合作用而产生该负载回馈信号，且该光耦合器是由一发光组件及一受光组件构成。
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