CN112953262B - 动态调节电源控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种动态调节电源控制器，包含工作电压输入端、反馈电压输入端、驱动电压输出端、电流感测输入端以及调节电源输入端，并搭配驱动单元、输入电源处理单元、变压器、电流感测电阻、电源调节单元、输出整流单元以及输出电容，用以将输入交流电压转换成输出电源以供应负载，其中工作电压输入端、反馈电压输入端、电流感测输入端分别接收工作电压、反馈电压、电流感测信号，而驱动电压输出端输出驱动电压以驱动该驱动单元。尤其是，依据反馈电压及电流感测信号以产生并动态控制驱动电压及驱动电流，因而大幅提高电源转换效率。

Description

动态调节电源控制器
技术领域
本发明有关于一种动态调节电源控制器，尤其是利用反馈电压以进行动态调节处理，且依据反馈电压及电流感测信号而产生并动态控制动态驱动电压以及驱动电流，进而将输入交流电压转换成输出电源以供应负载，藉以提高电源转换效率以及改善电磁干扰(EMI)的效果。
背景技术
随着电子产品的普及，电源转换技术变得越来越重要，因为不同的电子产品需要不同电压或电流的电源而运作。例如，积体电路(IC)需要5V或3V，电动马达需要12V直流电，而液晶显示器中的灯管需要更高压的电源，如1150V。因此，需要不同电源转换器以满足所需。
在现有技术中，切换式(交换式)电源转换技术是目前电子业界常用的电源转换技术之一，主要是利用高频率的脉冲宽度调变(PWM)信号以驱动切换电晶体(或称驱动电晶体)的导通，进而控制与切换电晶串联连接的电感(或变压器)的电流，由于电感本身具有保持电流的作用，防止瞬间改变，所以当切换电晶体被瞬间关闭时，此时原有电流不会立即改变，而是相对缓慢的变化，使得电感被充电或放电，达到改变输出电压的目的。
然而，上述现有技术的缺点在于驱动切换电晶体的驱动电压以及流过切换电晶体的驱动电流未能依据输入电压而适当调节，使得在实际应用时，只能针对特定的单一输入电压，藉降低切换损失及导通损失以达到较佳的电源转换效率，而无法涵盖整个输入电压范围，所以在实务上，现有技术已无法再提高电源转换效率。
因此，电子/电气产业界非常需要一种新颖设计的动态调节电源控制器，利用反馈电压以进行动态调节处理，产生并控制驱动电压以及驱动电流，进而将输入交流电压转换成输出电源以供应负载，藉以提高电源转换效率以及改善电磁干扰(EMI)的效果，进而克服现有技术的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种动态调节电源控制器，包含工作电压输入端、反馈电压输入端、驱动电压输出端、电流感测输入端以及调节电源输入端，并搭配驱动单元、输入电源处理单元、变压器、电流感测电阻、电源调节单元、输出整流单元以及输出电容，用以将输入交流电压转换成输出电源以供应负载，且依据输入交流电压以及反馈电压以进行动态调节处理，产生并控制驱动电压以及驱动电流，进而将输入交流电压转换成输出电源以供应负载。
具体而言，工作电压输入端接收工作电压以供动态调节电源控制器运作，而反馈电压输入端接收反馈电压以供动态调节处理运作，且驱动电压输出端输出驱动电压至驱动单元。此外，电流感测输入端接收电流感测信号，而调节电源输入端接收输入调节电源。
进一步，输入电源处理单元接收输入交流电压，并经滤波处理而产生输入电压，且输入电压经调节而产生工作电压。电源调节单元是连接输入电源处理单元至调节电源输入端，用以将输入电压调节成输入调节电源。
上述的变压器包含一次侧电感及二次侧电感，且分别流过导通电流及感应电流，其中二次侧电感是利用导通电流经由电磁感应作用而感应产生感应电流。二次侧电感、输出整流单元以及输出电容是依序串接，且负载是并联连接输出电容。此外，感应电流是由二次侧电感流过输出整流单元而进一步流到并联连接的输出电容以及负载，且输出电容产生输出电源以供应负载。
特别的是，上述的反馈电压是由一次侧反馈电路或二次侧反馈电路所产生而对应到输入交流电压或输出电源，其中一次侧反馈电路是连接输入交流电压至反馈电压输入端，而二次侧反馈电路是连接输出电源至反馈电压输入端。输入电源处理单元、一次侧电感、驱动单元及电流感测电阻依序串在输入交流电压以及接地电位之间。
尤其，驱动电压为具有特定频率的脉冲宽度调变脉冲波。
更加具体而言，动态调节处理包含步骤S10、S20、S30、S40、S50、S60、S70，是分别对应于第一时间区段第二时间区段、第三时间区段、第四时间区段、第五时间区段、第六时间区段及第七时间区段。
在步骤S10中，是于一时间区段内，将驱动电压以线性方式由0V拉升到导通电压，导通电压是大于驱动单元的临界电压，导通电压是接近驱动单元的米勒平台电压，驱动单元是在驱动电压超过临界电压时开始导通，流过驱动单元的驱动电流是由0A开始随着驱动电压的增加而逐步增加到最大驱动电流，最大驱动电流是依据反馈电压而改变。
步骤S20，于第二时间区段内，将驱动电压维持在导通电压，且将驱动电流维持在最大驱动电流，接着在步骤S30中，于第三时间区段内，将驱动电压由导通电压拉升到高位准电压，且将驱动电流维持在最大驱动电流，高位准电压是设定成随着反馈电压的增加而逐步增加。
然后，步骤S40，于第四时间区段内，将驱动电压维持在高位准电压，且将驱动电流维持在最大驱动电流，而在步骤S50中，于第五时间区段内，将驱动电压由高位准电压下降到导通电压，且将驱动电流维持在最大驱动电流。
在步骤S60中，于第六时间区段内，将驱动电压由导通电压下降到0V，驱动单元在驱动电压低于临界电压时关闭，且驱动电流下降到0A。然后进入步骤S70，于第七时间区段内，将驱动电压维持在0V以持续关闭驱动单元，且驱动电流为0A，之后，回到步骤S10，重复上述的操作以实现PWM的控制操作。
简言之，本发明是利用反馈电压以进行动态调节处理，产生并控制驱动电压以及驱动电流，进而将输入交流电压转换成输出电源以供应负载，因此，可大幅提高整体的电源转换效率以及改善电磁干扰(EMI)的效果。
附图说明
图1显示本发明实施例动态调节电源控制器的示意图。
图2显示本发明实施例动态调节电源控制器的操作流程示意图。
图3显示本发明实施例动态调节电源控制器的操作波形示意图。
图4显示本发明实施例动态调节电源控制器的驱动电流波形图。
其中，附图标记说明如下：
10 动态调节电源控制器
20 驱动单元
30 输入电源处理单元
40 变压器
50 电流感测电阻
CC 电流源
CC1 第一电流源
CC2 第二电流源
CO 输出电容
D 输出整流单元
GND 接地电位
ICC1 第一定电流
ICC2 第二定电流
IDRV 最大驱动电流
IDS 驱动电流
IP 导通电流
IS 感应电流
LP 一次侧电感
LS 二次侧电感
RO 负载
RST 电源调节单元
T1 工作电压输入端
T2 反馈电压输入端
T3 驱动电压输出端
T4 电流感测输入端
T5 调节电源输入端
VAC 输入交流电压
VCC 工作电压
VCOM 反馈电压
VCS 电流感测信号
VD 驱动电压
VDRV 高位准电压
VIN 输入电压
VH 输入调节电源
VOUT 输出电源
S10、S20、S30、S40 步骤
S50、S60、S70 步骤
具体实施方式
以下配合图示及附图标记对本发明的实施方式做更详细的说明，使熟悉本领域的技术人员在研读本说明书后能据以实施。
参阅图1，本发明实施例动态调节电源控制器的示意图。如图1所示，本发明实施例的动态调节电源控制器10包含工作电压输入端T1、反馈电压输入端T2、驱动电压输出端T3、电流感测输入端T4以及调节电源输入端T5，并搭配驱动单元20、输入电源处理单元30、变压器40、电流感测电阻50、电源调节单元RST、输出整流单元D以及输出电容CO，用以依据反馈电压VCOM以进行动态调节处理，并产生驱动电压VD，进而将输入交流电压VAC转换成输出电源VOUT以供应负载RO，可大幅降低切换损失(Switching Loss)及电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)。尤其是，动态调节电源控制器10可依据输入交流电压VAC以及对应于反馈电压VCOM的输出负载状态，藉以动态改变驱动电压VD的驱动电流IDS，具体实现定电流驱动的特性。
举例而言，输入交流电压VAC可为90～264Vac，比如90Vac、115Vax、230Vax及264Vac的其中之一。
具体而言，动态调节电源控制器10的工作电压输入端T1及反馈电压输入端T2是分别接收反馈电压VCOM及工作电压VCC，而由驱动电压输出端T3输出驱动电压VD，且电流感测输入端T4接收电流感测信号VCS，此外，是由调节电源输入端T5接收输入调节电源VH。
本质上，驱动单元20可为金氧半(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)元件或双载子(Bipolar)元件，不过为了清楚说明起见，图中是显示MOS元件以当作示范性实例，因此，动态调节电源控制器10的驱动电压输出端T3是连接至MOS元件的闸极(Gate)，不果如果驱动单元20是使用双载子元件，驱动电压输出端T3是连接至双载子元件的基极(Base)。
具体而言，输入电源处理单元30接收输入交流电压VAC，并经滤波处理而产生输入电压VIN，此外，输入电压VIN进一步经调节而产生工作电压VCC，藉以供动态调节电源控制器10运作。进一步，变压器40包含一次侧电感LP及二次侧电感LS，且分别流过导通电流IP及感应电流IS。
更加具体而言，本发明是在输入交流电压VAC以及接地电位GND之间，依序串接输入电源处理单元30、一次侧电感LP、驱动单元20、电流感测电阻50，并由驱动单元20、电流感测电阻50的连接点产生电流感测信号VCS。
进一步，来自输入电源处理单元3的输入电压VIN传送至一次侧电感LP，而一次侧电感LP是进一步连接驱动单元20的汲极(Drain)，且驱动单元20的源极(Source)是连接至接地电位GND。此外，二次侧电感LS是连接输出电容CO以及输出整流单元D，且负载RO是并联连接至输出电容CO。
再者，输入电源处理单元30所产生的驱动电压VD本质上是具有可改变频率的脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation，PWM)的脉冲波，比如频率为20KHz～1MHz。因此，动态调节电源控制器10可利用驱动电压VD控制的闸极(Gate)而导通(Turn on)或关闭(Turnoff)驱动单元20。当驱动单元20导通时，导通电流IP会流过驱动单元20，而当驱动单元20关闭时，导通电流IP会停止。
上述的导通电流IP会经由电磁感应作用而在二次侧电感LS感应出感应电流IS，且由于二次侧电感LS、输出整流单元D以及输出电容CO是依序串接，所以感应电流IS是由二次侧电感LS流过输出整流单元D而进一步流到并联连接的输出电容CO以及负载RO，并由输出电容CO产生输出电源VOUT以供应负载RO。
上述的反馈电压VCOM是对应到输入交流电压VAC或输出电源VOUT，比如可经由一次侧反馈电路或二次侧反馈电路(图中未显示)而产生，其中一次侧反馈电路是连接输入交流电压VAC至反馈电压输入端T2，而二次侧反馈电路是连接输出电源VOUT至反馈电压输入端T2。例如，可将变压器40额外配置辅助电感以当作一次侧反馈电路，藉感应导通电流IP而产生对应于输入交流电压VAC的反馈电压VCOM，并可经计算而获得输出电源VOUT。或者是，额外配置由光耦合元件及发光二极体所构成的隔离式单元以当作二次侧反馈电路而连接至输出电源VOUT以及反馈电压VCOM之间，因此，反馈电压VCOM是对应于输出电源VOUT，并可经计算而获得输入交流电压VAC。
简言之，本发明的动态调节电源控制器10是适用于使用一次侧反馈电路或二次侧反馈电路的电源转换系统。
此外，电源调节单元RST是连接输入电源处理单元30以及调节电源输入端T5之间，用以将输入电压VIN调节成输入调节电源VH，比如电源调节单元RST可包含利用二分压电阻、整流二极体、滤波电容，而由于电源调节单元RST是属于一般技术，因而不加以详述。
进一步，动态调节电源控制器10包含电流源CC，依据输入交流电压VAC以及反馈电压VCOM，用以藉定电流驱动方式而动态控制驱动电压VD的驱动电流IDS。举例而言，电流源CC可包含第一电流源CC1及第二电流源CC2，且第一电流源CC1及第二电流源CC2是串接在调节电源输入端T5以及接地电位GND之间，并经由调节电源输入端T5接收输入调节电源VH，而第一电流源CC1及第二电流源CC2的连接点是连接至驱动电压输出端T3，其中第一电流源CC1提供第一定电流ICC1，而第二电流源CC2提供第二定电流ICC2，且第一定电流ICC1是由输入调节电源VH流向驱动单元20，而第二定电流ICC2是由驱动单元20流向接地电位GND。
由于第一电流源CC1及第二电流源CC2的具体实施方式或电路是属于一般现有技术领域，因而不再详述。要注意的是，本发明电流源CC的范围实质上是涵盖任何的电流源。
此外，同时参考图2及图3，分别为本发明实施例动态调节电源控制器10中动态调节处理的操作流程示意图及操作波形示意图，其中动态调节处理是包含步骤S10、S20、S30、S40、S50、S60、S70，其分别对应于第一时间区段P1、第二时间区段P2、第三时间区段P3、第四时间区段P4、第五时间区段P5、第六时间区段P6及第七时间区段P7。
首先，本发明动态调节电源控制器10的动态调节处理执行步骤S10，主要是在第一时间区段P1内，将驱动电压VD以线性方式由0V拉升到导通电压VGS，且导通电压VGS是大于驱动单元20的临界电压(Threshold Voltage)VTH，其中导通电压VGS是接近驱动单元20的米勒平台电压(Miller plateau voltage)。尤其是，当驱动电压VD超过临界电压VTH时，驱动单元20开始导通，而且流过驱动单元20的驱动电流IDS也由0A开始随着驱动电压VD的增加而逐步增加到最大驱动电流IDRV，而最大驱动电流IDRV是依据反馈电压VCOM而改变，其中反馈电压VCOM是对应于输入交流电压VAC以及输出电源VOUT，而输出电源VOUT是对应输出负载状态。例如，最大驱动电流IDRV是随输入交流电压VAC的增加而增加，亦即加强驱动单元20的导通，而且最大驱动电流IDRV是随反馈电压VCOM的增加而减少，亦即降低驱动单元20的导通。
接着，进入步骤S20，在第二时间区段P2内，将驱动电压VD维持在导通电压VGS，且将驱动电流IDS维持在最大驱动电流IDRV。然后执行步骤S30，在第三时间区段P3内，将驱动电压VD由导通电压VGS拉升到高位准电压VDRV，而且驱动电流IDS是仍维持在最大驱动电流IDRV。
要注意的是，动态调节处理是将高位准电压VDRV设定成随着反馈电压VCOM的增加而逐步增加，亦即，高位准电压VDRV是随着输入交流电压VAC的增加而逐步增加，而同样的，动态调节处理是控制最大驱动电流IDRV成随输入交流电压VAC的增加而增加，因此可增加对负载RO的驱动力，提升电源转换效率。
换言之，本发明不只可根据负载而调整最大驱动电流IDRV及高位准电压VDRV，也可根据输入电压VAC的不同而调整，比如90～264Vac的不同输入电压都各有不同的最大驱动电流IDRV及高位准电压VDRV。
之后，进入步骤S40，在第四时间区段P4内，将驱动电压VD维持在高位准电压VDRV，且将驱动电流IDS维持在最大驱动电流IDRV。然后执行步骤S50，在第五时间区段P5内，将驱动电压VD由高位准电压VDRV下降到导通电压VGS，而且驱动电流IDS是仍维持在最大驱动电流IDRV。
接着，进入步骤S60，在第六时间区段P6内，将驱动电压VD由导通电压VGS下降到0V，而在驱动电压VD低于临界电压VTH时，关闭驱动单元20，且驱动电流IDS在驱动电压VD时开始下降，并在驱动电压VD低于临界电压VTH时，下降到0A。之后，进入步骤S70，在第七时间区段P7内，将驱动电压VD维持在0V以持续关闭驱动单元20，同时驱动电流IDS为0A，接着，回到步骤S10，重复上述操作，藉以实现PWM的控制操作。
为进一步说明第一电流源CC1及第二电流源CC2的操作，可参考图4，驱动电流IDS的波形。如图4所示，驱动电压VD是简化成表示导通及关闭驱动单元20的波形，亦即时间T1及时间T2分别表示驱动单元20在开始导通及开始关闭时的时间，且驱动电流IDS包含第一定电流ICC1及第二定电流ICC2，其中第一定电流ICC1只发生在驱动单元20开始导通的暂态期间，而第二定电流ICC2只发生在驱动单元20开始关闭的暂态期间。特别的是，本发明的动态调节处理是依据反馈电压VCOM而调整第一定电流ICC1及第二定电流ICC2的大小，进而改善电源转换效率。
综合而言，本发明的特点主要在于搭配驱动单元、输入电源处理单元、变压器、电流感测电阻、电源调节单元、输出整流单元以及输出电容，并由工作电压输入端、反馈电压输入端、电流感测输入端分别接收工作电压、反馈电压、电流感测信号，而由驱动电压输出端输出驱动电压，用以驱动连接至驱动电压输出端的驱动单元，而将输入交流电压转换成输出电源以供应负载。尤其是，依据反馈电压及电流感测信号以进行动态调节处理，产生并控制驱动电压流，而且是依据反馈电压及输入交流电压以动态改变驱动电流，因而大幅提高电源转换效率，并改善电磁干扰(EMI)的效果。
以上所述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)

1.一种动态调节电源控制器，其特征在于，用以搭配一驱动单元、一输入电源处理单元、一变压器、一电流感测电阻、一电源调节单元、一输出整流单元以及一输出电容，且依据一输入交流电压以及一反馈电压，以进行一动态调节处理而产生一驱动电压，并控制一驱动电流，该动态调节电源控制器包括：
一工作电压输入端，用以接收一工作电压，供该动态调节电源控制器运作；
一反馈电压输入端，用以接收该反馈电压，供该动态调节处理运作；
一驱动电压输出端，用以输出该驱动电压至该驱动单元；
一电流感测输入端，用以接收一电流感测信号；以及
一调节电源输入端，用以接收一输入调节电源，
其中该输入电源处理单元接收该输入交流电压，并经一滤波处理而产生一输入电压，该输入电压经调节而产生该工作电压，该电源调节单元是连接该输入电源处理单元至该调节电源输入端，用以将该输入电压调节成一输入调节电源，该变压器包含一一次侧电感及一二次侧电感，该一次侧电感及该二次侧电感分别流过一导通电流及一感应电流，该二次侧电感是利用该导通电流经由电磁感应作用而感应产生该感应电流，该二次侧电感、该输出整流单元以及该输出电容是依序串接，一负载是并联连接该输出电容，该感应电流是由该二次侧电感流过该输出整流单元而进一步流到并联连接的该输出电容以及该负载，该输出电容产生一输出电源以供应该负载，该反馈电压是由一一次侧反馈电路或一二次侧反馈电路所产生而对应到该输入交流电压或该输出电源，该一次侧反馈电路是连接该输入交流电压至该反馈电压输入端，该二次侧反馈电路是连接该输出电源至该反馈电压输入端，该输入电源处理单元、该一次侧电感、该驱动单元及该电流感测电阻依序串在该输入交流电压以及一接地电位之间，该驱动电压为具有一频率的一脉冲宽度调变(Pulse WidthModulation，PWM)脉冲波，
而且该动态调节处理包含：
一步骤S10，于一第一时间区段内，将该驱动电压以线性方式由0V拉升到一导通电压，该导通电压是大于该驱动单元的一临界电压，该导通电压是接近该驱动单元的一米勒平台电压，该驱动单元是在该驱动电压超过该临界电压时开始导通，流过该驱动单元的一驱动电流是由0A开始随着该驱动电压的增加而逐步增加到一最大驱动电流，该最大驱动电流是随反馈电压增加而减少；
一步骤S20，于一第二时间区段内，将该驱动电压维持在该导通电压，且将该驱动电流维持在该最大驱动电流；
一步骤S30，于一第三时间区段内，将该驱动电压由该导通电压拉升到一高位准电压，且将该驱动电流维持在该最大驱动电流，该高位准电压是设定成随着该反馈电压的增加而逐步增加；
一步骤S40，于一第四时间区段内，将该驱动电压维持在该高位准电压，且将该驱动电流维持在该最大驱动电流；
一步骤S50，于一第五时间区段内，将该驱动电压由该高位准电压下降到该导通电压，且将该驱动电流维持在该最大驱动电流；
一步骤S60，于一第六时间区段内，将该驱动电压由该导通电压下降到0V，该驱动单元在该驱动电压低于该临界电压时关闭，且该驱动电流下降到0A；以及
一步骤S70，于一第七时间区段内，将该驱动电压维持在0V以持续关闭该驱动单元，且该驱动电流为0A，之后，回到该步骤S10，重复上述的操作以实现PWM的控制操作。
2.根据权利要求1所述的动态调节电源控制器，其特征在于，该驱动单元包含一为金氧半(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)元件或一双载子(Bipolar)元件。
3.根据权利要求1所述的动态调节电源控制器，其特征在于，该驱动电压的频率为20KHz ~1MHz。
4.根据权利要求1所述的动态调节电源控制器，其特征在于，该输入交流电压为90~264Vac。
5.根据权利要求1所述的动态调节电源控制器，其特征在于，进一步包含一电流源，依据该输入交流电压以及该反馈电压，用以藉一定电流驱动方式而动态控制该驱动电压的驱动电流，该电流源包含一第一电流源及一第二电流源，该第一电流源及该第二电流源是串接在该调节电源输入端以及该接地电位之间，并经由该调节电源输入端接收该输入调节电源，而该第一电流源及该第二电流源的一连接点是连接至该驱动电压输出端，该第一电流源提供一第一定电流，该第二电流源提供一第二定电流，该第一定电流是由该输入调节电源流向该驱动单元，而该第二定电流是由该驱动单元流向该接地电位。
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