CN106774591B - 具有温度补偿功能的反馈电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有温度补偿功能的反馈电路。不同于现有技术中的电源供应器所搭载的反馈电路，本发明以采样单元、反馈单元、至少一个相位补偿电容、以及至少一个温度补偿单元构成一种具有温度补偿功能的反馈电路；其中，该温度补偿单元为NTC热敏电阻，与该相位补偿电容串联。如此设置，当搭载有本发明的具有温度补偿功能的反馈电路的电源供应器操作于低温恶劣环境中的时候，所述温度补偿单元会于该相位补偿电容与该反馈单元的采样信号输入端之间形成高阻抗回路，防止输出滤波电容因该低温恶劣环境产生的等效串联电阻增大产生高涟波电压，导致电源供应器的反馈稳定度下降，造成该电源供应器的输出电压值的不稳定，特别是输出电压值的下降。

Description

具有温度补偿功能的反馈电路

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及应用于电源转换器与电源供应器中的一种具有温度补偿功能的反馈电路。

背景技术

随着电子科技的发展与进步，各式各样的电子设备与产品被广泛地应用于人们的日常生活中，而传统上使用一线性电源供应器(linear power supply)提供稳定的电压/电流给电子设备。然而，传统的线性电源供应器具有体积庞大、电源转换效率低等缺点，因此切换式电源供应器技术(Switch Mode Power Supply,SMPS)于1970年由荷兰人罗乃第(NetR.M.Rao)所提出。

目前，切换式电源供应器的技术已相当进步且成熟。请参阅图1，图1示出了现有技术中的一种切换式电源供应器的电路方块图。如图1所示，现有技术中的的切换式电源供应器1’包括：耦接电压源VS’的电磁干扰滤波单元10’、整流单元11’、PFC单元12’(功率因素修正单元)、功率开关单元13’、变压器单元14’、滤波整流单元15’、反馈单元16’、PWM控制单元17’、以及PFC控制单元18’；其中，该反馈单元16’通常由至少一个误差放大器161’与光耦反馈器162’所构成。如电力电子电路相关技术领域的工程人员所熟知的，误差放大器161’通过采样电路单元自切换式电源供应器1’的输出端Vout’取得电压信号或电流信号之后，进而通过光耦反馈器162’输出误差信号至PWM控制单元17’，使得该PWM控制单元17’能够对应地输出脉宽调变信号以控制该功率开关单元13’的开关，达到稳定输出电压的控制效果。

常见的误差放大器161’可分为定电流(Constant Current,CC)误差放大器以及定电压(Constant Voltage,CV)误差放大器，而图1所示即为定电压误差放大器。因此，对应于该误差放大器161’为定电压误差放大器，图1所示的切换式电源供应器1’使用由第一分压电阻RDV1’与第二分压电阻RDV2’所构成的分压电路DVC’作为电压采样电路。除此之外，相位补偿电容Ccomp’与该第一分压电阻RDV1’并联藉以构成RC电路，用以于误差放大器161’的反相输入端与切换式电源供应器1’的输出端Vout’之间提供相位补偿的功效。

然而，发明人于实务操作中发现，由于该滤波整流单元15’通常由整流二极管DR’与输出滤波电容CF’所构成，因此，当该切换式电源供应器1’于低温恶劣环境中操作时，该输出滤波电容CF’所产生的等效串联电阻(Equivalent Series Resistance,ESR)增大将通过该相位补偿电容Ccomp’对误差放大器161’造成影响，进而导致切换式电源供应器1’的输出电压的下降。实际地将规格为187.2W/48V/3.9A的电源供应器置于室温环境(25℃)中以完成第一次温度测试实验，且测试结果呈现于图2所示的增益与相位波德图(Bode plot)中。由图2中的相位数据曲线A’与增益数据曲线B’，得知该电源供应器于室温环境(25℃)中的相位裕度(Phase Margin)为110.69°、增益裕度(Gain Margin)为28.84dB、直流增益(DCGain)为40dB以上、且输出电压为48V。

进一步地，又将规格为187.2W/48V/3.9A的电源供应器分别置于低温恶劣环境(-55℃)中以完成第二次温度测试实验，且测试结果呈现于图3所示的增益与相位波德图(Bode plot)中。由第二次温度测试实验的结果，可以发现到，由于图3所示的相位数据曲线A”与增益数据曲线B”均已异常，因此无法由增益波德图与相位波德图判读该电源供应器的相位裕度与增益裕度；除此之外，在-55℃的低温恶劣环境中，该电源供应器的输出电压仅剩下45.46V，且其直流增益掉至0dB。

由上述实验数据，可以清楚得知的是，由于目前现有技术中的于电源转换器与/或电源供应器之中的反馈电路包含滤波电容与相移补偿电容，是以导致该电源转换器与/或该电源供应器操作于低温恶劣环境之中时会发生输出电压下降及零直流增益等重大异常现象。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一种具有温度补偿功能的反馈电路。不同于现有技术的电源供应器所搭载的反馈电路，本发明以采样单元、反馈单元、至少一个相位补偿电容以及至少一个温度补偿单元构成一种具有温度补偿功能的反馈电路；其中，该温度补偿单元为NTC热敏电阻，与该相位补偿电容串联。如此设置，当搭载有本发明提供的具有温度补偿功能的反馈电路的电源供应器操作于低温恶劣环境中的时候，所述温度补偿单元会于该相位补偿电容与该反馈单元的采样信号输入端之间形成高阻抗回路，防止输出滤波电容因该低温恶劣环境所产生的等效串联电阻增大而产生高涟波电压，导致电源供应器的反馈稳定度下降，造成该电源供应器的输出电压值的不稳定，特别是输出电压值的下降。

为了达成上述本发明的主要目的，本发明实施例提供一种具有温度补偿功能的反馈电路，设置于电源供应器内，其中，该电源供应器至少包括：整流滤波单元、功率开关单元、变压器单元、由整流二极管与输出滤波电容构成的输出滤波整流单元、与PWM控制单元；其特征在于，该具有温度补偿功能的反馈电路包括:

采样单元，耦接至该电源供应器的电源输出端，用以自该电源输出端取得电压信号与/或电流信号；

反馈单元，耦接至该采样单元以接收该电压信号与/或该电流信号，输出至少一个误差信号至该PWM控制单元，使得该PWM控制单元能够对应地输出脉宽调变信号以控制该功率开关单元的开关；

至少一个相位补偿电容，耦接于该电源输出端与该反馈单元的采样信号输入端之间，用以于该反馈单元的该采样信号输入端与该电源供应器的该电源输出端之间提供相位补偿功效；

至少一个温度补偿单元，与该相位补偿电容串联；

其中，当该电源供应器操作于低温恶劣环境中时，该温度补偿单元会于该相位补偿电容与该反馈单元的该采样信号输入端之间形成高阻抗回路。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1示出了现有技术中的一种切换式电源供应器的电路方块图；

图2示出了现有技术中增益与相位波德图；

图3示出了现有技术中另一增益与相位波德图；

图4示出了本发明实施例提供的具有温度补偿功能的反馈电路的电源供应器的电路方块图；

图5示出了本发明实施例提供的具有温度补偿功能的反馈电路的第一实施例的电路架构图；

图6示出了本发明实施例提供的具有温度补偿功能的反馈电路是第二实施例的电路架构图；

图7示出了本发明实施例提供的具有温度补偿功能的反馈电路是第三实施例的电路架构图；

图8示出了本发明实施例提供的增益与相位波德图。

符号说明：

1 电源供应器 10 电磁干扰滤波单元

11 整流滤波单元 12 PFC单元

13 功率开关单元 14 变压器单元

15 输出滤波整流单元 151 整流二极管

152 输出滤波电容 17 PWM控制单元

20 采样单元 21 反馈单元

22 相位补偿电容 23 温度补偿单元

Vout 电源输出端 RDV1 第一分压电阻

RDV2 第二分压电阻 211 定电压误差放大器

212 光耦反馈器 2111 第一反相输入端

2112 第一输出端 Rsen 电流侦测电阻

RSAM 信号采样电阻 213 定电流误差放大器

2131 第二反相输入端 2132 第二输出端

D1 第一二极管 D2 第二二极管

A 相位数据曲线 B 增益数据曲线

1’ 切换式电源供应器 VS’ 电压源

10’ 电磁干扰滤波单元 11’ 整流单元

12’ PFC单元 13’ 功率开关单元

14’ 变压器单元 15’ 滤波整流单元

16’ 反馈单元 17’ PWM控制单元

18’ PFC控制单元 161’ 误差放大器

162’ 光耦反馈器 Vout’ 输出端

RDV1’ 第一分压电阻 RDV1’ 第二分压电阻

DVC’ 分压电路 Ccomp’ 相位补偿电容

DR’ 整流二极管 CF’ 输出滤波电容

A’ 相位数据曲线 B’ 增益数据曲线

A” 相位数据曲线 B” 增益数据曲线

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

为了能够更清楚地描述本发明实施例提供具有温度补偿功能的反馈电路，以下将配合图式，详尽说明本发明的较佳实施例。

请参阅图4，图4示出了本发明实施例提供的具有温度补偿功能的反馈电路的电源供应器的电路方块图。如图4所示，现行的(切换式)电源供应器1通常包括：电磁干扰滤波单元10、整流滤波单元11、PFC单元12(功率因素修正单元)、功率开关单元13、变压器单元14、由整流二极管151与输出滤波电容152所构成的输出滤波整流单元15、PWM控制单元17、以及PFC控制单元18，其中，该整流滤波单元11、该功率开关单元13、与该变压器单元14、该输出滤波整流单元15为该电源供应器1的功率级电源转换电路。

本发明实施例提供的具有温度补偿功能的反馈电路即设置于该电源供应器1之内，以配合PWM控制单元17并利用反馈控制的方式稳定该电源供应器1的输出电压。本发明实施例提供的具有温度补偿功能的反馈电路包括：采样单元20、反馈单元21、至少一个相位补偿电容22、以及至少一个温度补偿单元23。于此，必须事先特别说明的是，本发明实施例提供的具有温度补偿功能的反馈电路对应于不同的反馈控制理论包括有3组实施例。

第一实施例:

继续地参阅图4，并请同时参阅图5，图5示出了本发明实施例具有温度补偿功能的反馈电路的第一实施例的电路架构图，其中，图5所示的反馈电路为电压模式的反馈控制电路。如图4与图5所示，该采样单元20耦接至该电源供应器1的电源输出端Vout，并包括第一分压电阻RDV1与第二分压电阻RDV2，用以自该电源输出端Vout取得电压信号。此外，该反馈单元21包括定电压误差放大器211与光耦反馈器212，其中，该定电压误差放大器211的第一反相输入端2111耦接于该第一分压电阻RDV1与该第二分压电阻RDV2之间，且该第一分压电阻RDV1与该第二分压电阻RDV2自该电源输出端Vout所取得的该电压信号输入该第一反相输入端2111。另外，该光耦反馈器212的二输入端分别耦接该电源输出端Vout与该定电压误差放大器211的第一输出端2112；其中，该定电压误差放大器211通过该光耦反馈器212输出第一误差信号至该PWM控制单元17。

承上述，所述相位补偿电容22耦接于该电源输出端Vout与该反馈单元21的采样信号输入端(该定电压误差放大器211的第一输出端2112)之间，用以于该反馈单元21的采样信号输入端与该电源供应器1的电源输出端Vout之间提供相位补偿功效。特别地，本发明实施例以具有负温度系数(Negative Temperature Coefficient,NTC)的热敏电阻作为该温度补偿单元23，且该相位补偿电容22与该温度补偿单元23相互串联之后再与该第一分压电阻RDV1并联。如此设计，当该电源供应器1操作于低温恶劣环境之中时，该温度补偿单元23(NTC热敏电阻)会于该相位补偿电容22与该反馈单元21的采样信号输入端之间形成高阻抗回路，防止该输出滤波电容152因该低温恶劣环境所产生的等效串联电阻增大而产生高涟波电压，导致电源供应器1的反馈稳定度下降，造成该电源供应器1的输出电压值的不稳定，特别是输出电压值的下降。以市售的4.7K的NTC热敏电阻为例，当环境温度下降至-55℃时，该NTC热敏电阻的电阻值会上升至150K以上，此时NTC热敏电阻便会于相位补偿电容22与反馈单元21的采样信号输入端之间形成高阻抗回路。

第二实施例:

继续地参阅图4，并请同时参阅图6，图6示出了本发明实施例提供的具有温度补偿功能的反馈电路的第二实施例的电路架构图，其中图6所示的反馈电路为电流模式的反馈控制电路。如图4与图5所示，该采样单元20包括电阻值甚低的电流侦测电阻Rsen以及信号采样电阻RSAM，其中，该电流侦测电阻Rsen耦接至该电源供应器1的电源输出端Vout，用以自该电源输出端Vout取得电流信号。此外，该信号采样电阻RSAM耦接于该电流侦测电阻Rsen与该定电流误差放大器213的第二反相输入端2131之间。再者，该反馈单元21包括定电流误差放大器213与光耦反馈器212，其中，该定电流误差放大器213的第二反相输入端2131耦接至该电流侦测电阻Rsen。于第二实施例之中，该电流侦测电阻Rsen自该电源输出端Vout取得该电流信号后接着将其转换成电压信号，然后通过该信号采样电阻RSAM将所述电压信号输入该第二反相输入端2131。另外，该光耦反馈器212的二输入端分别耦接该电源输出端Vout与该定电流误差放大器213的第二输出端2132；其中，该定电流误差放大器213通过该光耦反馈器212输出第二误差信号至该PWM控制单元17。

承上述，所述相位补偿电容22耦接于该电源输出端Vout与该定电流误差放大器213的第二输出端2132(反馈单元21的采样信号输入端)之间，用以于该反馈单元21的采样信号输入端与该电源供应器1的电源输出端Vout之间提供相位补偿功效。同样地，于第二实施例之中，所述温度补偿单元23为具有负温度系数的热敏电阻，并且，该相位补偿电容22与该温度补偿单元23相互串联之后再与该信号采样电阻RSAM并联。如此设计，当该电源供应器1操作于低温恶劣环境之中时，该温度补偿单元23(NTC热敏电阻)会于该相位补偿电容22与该反馈单元21的该采样信号输入端之间形成高阻抗回路，防止该输出滤波电容152因该低温恶劣环境所产生的一等效串联电阻透之增大而产生高涟波电压进以导致电源供应器1的反馈稳定度下降。

第三实施例:

继续地参阅图4，并请同时参阅图7，图7示出了本发明实施例提供的具有温度补偿功能的反馈电路的第三实施例的电路架构图，其中图7所示的反馈电路为电压/电流模式的双反馈控制电路。如图4与图7所示，该采样单元20包括电流采样器，由电流侦测电阻Rsen与信号采样电阻RSAM与所构成。于第三实施例之中，相位补偿电容22与温度补偿单元23的数量皆为2个；其中，该至少一个温度补偿单元23的其一与该相位补偿电容22的其一相互串联之后再与该信号采样电阻RSAM并联。并且，该采样单元20又包括电压采样器，包括第一分压电阻RDV1与第二分压电阻RDV2，并且另一个温度补偿单元23与另一个该相位补偿电容22相互串联后再与该第一分压电阻RDV1并联。

于双反馈控制电路之中，该反馈单元21包括：定电压误差放大器211、定电流误差放大器213与光耦反馈器212。如图7所示，定电压误差放大器211的第一反相输入端2111耦接于该第一分压电阻RDV1与该第二分压电阻RDV2之间，且该第一分压电阻RDV1与该第二分压电阻RDV2自该电源输出端Vout取得该电压信号之后并接着将之输入该第一反相输入端2111，进一步地，该定电压误差放大器211输出第一误差信号。另一方面，定电流误差放大器213的第二反相输入端2131耦接至该电流侦测电阻Rsen，且该电流侦测电阻Rsen自该电源输出端Vout取得该电流信号之后并接着将其转换成电压信号，然后通过该信号采样电阻RSAM将所述电压信号输入该第二反相输入端2131，进一步地，该定电流误差放大器213输出一第二误差信号。

承上所述，光耦反馈器212的输入端耦接该电源输出端Vout，且其另一输入端同时耦接该定电压误差放大器211的第一输出端2112与该定电流误差放大器213的第二输出端2132，使得该定电压误差放大器211与该定电流误差放大器213能够通过该光耦反馈器212分别输出该第一误差信号与该第二误差信号至该PWM控制单元17。

上述已经完整、清楚地说明本发明实施例提供的具有温度补偿功能的反馈电路的所有实施例。接着，为了证实此具有温度补偿功能的反馈电路的可行性，将本发明实施例提供的反馈电路应用于规格为187.2W/48V/3.9A的电源供应器之中，然后将该电源供应器置于低温恶劣环境(-55℃)之中以完成温度测试实验。测试结果呈现于图8所示的增益与相位波德图(Bode plot)之中。由图8中的相位数据曲线A与增益数据曲线B，可以得知该电源供应器于低温恶劣环境(-55℃)中的相位裕度(Phase Margin)为32.155°且增益裕度(GainMargin)为3.637dB；此外，该电源供应器的输出电压为48V，并且具有40dB直流增益(DCGain)可以稳定输出电压值。明显地，相较于不具有本发明实施例提供的反馈电路的电源供应器的温度结果(如图3所示)，具有本发明实施例提供的具有温度补偿功能的反馈电路的电源供应器，其能够于低温恶劣环境之中正常工作。

如此，上述已完整且清楚地说明本发明实施例提供的具有温度补偿功能的反馈电路的电路架构，经由上述，可以得知本发明具有下列的优点：

不同于现有技术的切换式电源供应器所搭载的反馈电路，本发明以采样单元20、反馈单元21、至少一个相位补偿电容22、以及至少一个温度补偿单元23构成一种具有温度补偿功能的反馈电路；其中，该温度补偿单元23为NTC热敏电阻，与该相位补偿电容22串联。如此设置，当该电源供应器1操作于低温恶劣环境之中的时候，温度补偿单元23会于该相位补偿电容22与该反馈单元21的采样信号输入端之间形成高阻抗回路，防止该输出滤波电容152因该低温恶劣环境所产生的等效串联电阻增大产生高涟波电压进以导致电源供应器1的反馈稳定度下降，造成该电源供应器1的输出电压值的不稳定。

必须加以强调的是，上述的详细说明针对本发明技术思想特点与可行实施例的具体说明，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，但该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (8)

1.一种具有温度补偿功能的反馈电路，设置于电源供应器内，其中，该电源供应器至少包括：整流滤波单元、功率开关单元、变压器单元、由整流二极管与输出滤波电容构成的输出滤波整流单元、与PWM控制单元；其特征在于，该具有温度补偿功能的反馈电路包括:

采样单元，耦接至该电源供应器的电源输出端，用以自该电源输出端取得电压信号与/或电流信号；

反馈单元，耦接至该采样单元以接收该电压信号与/或该电流信号，输出至少一个误差信号至该PWM控制单元，使得该PWM控制单元能够对应地输出脉宽调变信号以控制该功率开关单元的开关；

至少一个相位补偿电容，耦接于该电源输出端与该反馈单元的采样信号输入端之间，用以于该反馈单元的该采样信号输入端与该电源供应器的该电源输出端之间提供相位补偿功效；

至少一个温度补偿单元，与该相位补偿电容串联；其中，当该电源供应器操作于低温恶劣环境中时，该温度补偿单元会于该相位补偿电容与该反馈单元的该采样信号输入端之间形成高阻抗回路，所述低温恶劣环境最低温可达-55℃。

2.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的反馈电路，其特征在于，该电源供应器包括：电磁干扰滤波单元、功率因素修正单元与用以控制该功率因素修正单元的控制单元。

3.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的反馈电路，其特征在于，该整流滤波单元、该功率开关单元与该变压器单元、该输出滤波整流单元为该电源供应器的功率级电源转换电路。

4.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的反馈电路，其特征在于，该温度补偿单元为具有负温度系数的热敏电阻。

5.根据权利要求4所述的具有温度补偿功能的反馈电路，其特征在于，该采样单元至少包括第一分压电阻与第二分压电阻，且该温度补偿单元与该相位补偿电容串联之后再与该第一分压电阻并联；并且，该反馈单元包括：

定电压误差放大器，其反相输入端耦接于该第一分压电阻与该第二分压电阻之间，且该第一分压电阻与该第二分压电阻自该电源输出端取得该电压信号之后并接着将其输入该反相输入端；

光耦反馈器，其二输入端分别耦接该电源输出端与该定电压误差放大器的输出端；其中，该定电压误差放大器该光耦反馈器输出该误差信号至该PWM控制单元。

6.根据权利要求4所述的具有温度补偿功能的反馈电路，其特征在于，该采样单元至少包括电流侦测电阻以及信号采样电阻，且该相位补偿电容与该温度补偿单元串联之后再与该信号采样电阻并联；其中，该反馈单元包括：

定电流误差放大器，其反相输入端耦接至该信号采样电阻；其中，该电流侦测电阻自该电源输出端取得该电流信号之后接着将其转换成该电压信号，并通过该信号采样电阻将所述电压信号输入该反相输入端；

光耦反馈器，其二输入端分别耦接该电源输出端与该定电流误差放大器的输出端；其中，该定电流误差放大器通过该光耦反馈器输出该误差信号至该PWM控制单元。

7.根据权利要求4所述的具有温度补偿功能的反馈电路，其特征在于，该采样单元包括：

电压采样器，包括第一分压电阻与第二分压电阻；其中，该至少一个相位补偿电容的其一与该至少一个相位补偿电容的其一相互串联后再与该第一分压电阻并联；

电流采样器，包括电流侦测电阻与信号采样电阻；其中，另一个温度补偿单元与另一个相位补偿电容相互串联后再与该信号采样电阻并联。

8.根据权利要求7所述的具有温度补偿功能的反馈电路，其特征在于，该反馈单元包括：

定电压误差放大器，其第一反相输入端耦接于该第一分压电阻与该第二分压电阻之间，且该第一分压电阻与该第二分压电阻自该电源输出端取得该电压信号之后并接着将其输入该第一反相输入端，该定电压误差放大器输出第一误差信号；

定电流误差放大器，其第二反相输入端耦接至该信号采样电阻；其中，该电流侦测电阻自该电源输出端取得该电流信号之后将其转换成该电压信号，并通过该信号采样电阻将所述电压信号输入该第二反相输入端，进一步地该定电流误差放大器输出第二误差信号；

光耦反馈器，其输入端耦接该电源输出端，且其另一输入端同时耦接该定电压误差放大器的第一输出端与该定电流误差放大器的第二输出端；其中，该定电压误差放大器与该定电流误差放大器通过该光耦反馈器分别输出该第一误差信号与该第二误差信号至该PWM控制单元。