TW201419736A - 具有溫度控制的電力轉換器的控制電路及其方法 - Google Patents

具有溫度控制的電力轉換器的控制電路及其方法 Download PDF

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Abstract

一種用於電力轉換器的控制電路以及用於控制電力轉換器的方法。所述電力轉換器的控制電路包括切換電路以及溫度感測裝置。所述切換電路響應於回饋信號而產生切換信號，並且所述切換電路產生用於調整電力轉換器的輸出的電流感測信號。所述溫度感測裝置響應於所述溫度感測裝置的溫度而產生溫度信號。

Description

具有溫度控制的電力轉換器的控制電路及其方法
本發明是有關於一種調整電力轉換器的輸出的技術，且特別是有關於一種具有溫度控制以用於調整電力轉換器的輸出電流/電力的電路和方法。
在電池充電應用中，電力配接器(power adaptor)的輸出電力通常受到電力配接器的溫度所限制。為了實現電池的快速充電，可以在溫度較低時通過電力配接器將大的充電電流施加到電池。在電力配接器的溫度升高時，電力配接器的輸出電流將會回應于溫度升高而逐漸減小。必須將溫度的極限值應用於電力配接器以便確保電力配接器的安全。這種通過溫度來控制電力配接器的輸出電流或電力的技術可以提供一種有效的電池充電方式。
本發明提供一種具有溫度控制的電力轉換器的控制電 路，此控制電路用於調整所述電力轉換器的輸出電流。所述電力轉換器的控制電路包括切換電路以及溫度感測裝置。所述切換電路響應於回饋信號而產生切換信號，並且所述切換電路產生用於調整電力轉換器的輸出的電流感測信號。所述溫度感測裝置響應於所述溫度感測裝置的溫度而產生溫度信號。在所述溫度信號的值高於溫度極限值時，所述溫度信號經配置以用於對所述切換信號進行線性調變。
從另一觀點來看，本發明提出一種用於控制電力轉換器的方法。所述方法包括以下步驟：響應於回饋信號而產生切換信號；以及產生用於調整電力轉換器的輸出的電流感測信號；響應於溫度感測裝置的溫度而產生溫度信號；當所述溫度信號的值高於溫度極限值時，根據所述溫度信號對所述切換信號進行線性調變。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100‧‧‧電子裝置
10、15‧‧‧變壓器
20、151、156、157、158‧‧‧電晶體
30、82、215、216、61、62、352‧‧‧電阻器
40‧‧‧整流器
45、371、381‧‧‧電容器
50‧‧‧控制電路
70‧‧‧溫度感測裝置
81‧‧‧緩衝放大器
83、85‧‧‧比較器
87‧‧‧及閘
90‧‧‧振盪器
95‧‧‧觸發器
100‧‧‧輸入電路
110、161‧‧‧電流源
120‧‧‧緩衝器
130‧‧‧單位增益緩衝器
165‧‧‧反相器
170‧‧‧計時器
200‧‧‧斜坡電路
210、230‧‧‧緩衝器
300‧‧‧一次側調整控制器
310‧‧‧電壓回饋電路(V-DET)
320‧‧‧電流回饋電路(I-DET)
351‧‧‧緩衝放大器
370、380‧‧‧誤差放大器
395‧‧‧PWM切換電路
S710~S740‧‧‧步驟
SW‧‧‧切換信號
SENB‧‧‧信號
VFB‧‧‧回饋信號
VCS‧‧‧電流感測信號
VIN‧‧‧輸入信號
IP‧‧‧一次側電流
IO‧‧‧輸出電流
IT‧‧‧電流信號
IB‧‧‧電流源110的電流
I151、I157、I161、ICS‧‧‧電流
VO‧‧‧輸出電壓
VT‧‧‧溫度信號
VLMT‧‧‧極限溫度電壓
PLS‧‧‧時脈信號
RMP‧‧‧斜坡信號
VCC‧‧‧電壓
VSAW‧‧‧鋸齒信號
SV‧‧‧電壓環路信號
SI‧‧‧電流環路信號
SDS‧‧‧退磁時間信號
SC、VM‧‧‧經調變信號
VRI、VRV‧‧‧參考
圖1繪示根據本發明之一實施例的電力轉換器的電路圖。
圖2繪示根據本發明之一實施例的電力轉換器的控制電路的電路圖。
圖3繪示根據本發明之一實施例的控制電路的輸入電路的電 路圖。
圖4繪示根據本發明之一實施例的控制電路的斜坡電路的電路圖。
圖5繪示根據本發明之另一實施例的電力轉換器的電路圖。
圖6繪示根據本發明之另一實施例的電力轉換器的一次側調整控制器的電路圖。
圖7繪示根據本發明之一實施例用於控制電力轉換器的方法的流程圖。
圖1繪示根據本發明之一實施例的電力轉換器的電路圖。電力轉換器包括控制電路50、溫度感測裝置70、電阻器30、變壓器10、電晶體20、整流器40、以及電容器45。控制電路50根據回饋信號VFB而產生切換信號SW。切換信號SW經配置以通過電晶體20對變壓器10進行切換，並且變壓器10通過整流器40和電容器45來產生輸出VO。當電晶體20被導通(turn on)時，變壓器10的一次側電流(primary current)IP將會在電流感測電阻器30處通過輸入信號VIN而產生電流感測信號VCS。電流感測信號VCS進一步耦合到控制電路50，以用於產生切換信號SW。溫度感測裝置70，例如熱敏電阻，產生溫度信號VT到控制電路50，以用於進行溫度控制和保護。溫度信號VT經配置以對溫度感測裝置70的溫度作出回應。當電力轉換器的溫度升高並且達到溫度極 限值時，控制電路50便控制切換信號SW以減小電力轉換器的輸出電流IO。輸出電流IO與溫度的升高成反比。換句話說，在電力轉換器的溫度高於溫度極限值時，溫度信號經配置以用於對切換信號進行線性調變。
圖2繪示根據本發明之一實施例的電力轉換器的控制電路50的部分電路圖。所述控制電路50包括切換電路以及圖1中的溫度感測裝置70。所述切換電路包括振盪器(oscillator；OSC)90、觸發器(flip-flop)95、斜坡電路200、及閘(AND gatc)87、以及比較器83和85，切換電路用於產生切換信號SW。振盪器90產生時脈信號PLS以開啟觸發器95，並且如果信號SENB被啟用，那麼觸發器95便產生切換信號SW。在熱敏電阻70的溫度達到溫度極限值時，信號SENB被停用(disable)。振盪器90還產生斜坡信號(ramp signal)RMP到斜坡電路200，以用於產生鋸齒信號VSAW。一旦開啟(turn on)切換信號SW，圖1中變壓器10的電流便會產生耦合到緩衝放大器81的電流感測信號VCS。緩衝放大器81的輸出通過電阻器82耦合到斜坡電路200，以用於通過緩衝放大器81產生經調變信號SC以及通過斜坡電路200產生鋸齒信號VSAW。鋸齒信號VSAW是響應於斜坡信號RMP和經調變信號SC而產生。經調變信號SC是根據電流感測信號VCS和電流信號IT而產生。電流信號IT是根據在溫度感測裝置70的溫度高於溫度極限值時輸入電路100中的溫度信號VT而產生。輸入電路100進一步產生信號SENB，所述信號SENB耦合到觸發器95。
比較器83經配置以在鋸齒信號VSAW高於回饋信號VFB時，通過及閘87來重置觸發器95並且停用切換信號SW。並且，在經調變信號SC高於閾值/極限溫度電壓VLMT時，比較器85經配置以關掉切換信號SW。
圖3繪示根據本發明之一實施例的控制電路50的輸入電路100的電路圖。輸入電路100包括電流源110和161、緩衝器120、單位增益緩衝器130、電晶體151、156、157和158、反相器165以及計時器170。電流源110以及溫度感測裝置70產生耦合到單位增益緩衝器130的溫度信號VT。電晶體151根據分別通過緩衝器120、單位增益緩衝器130以及電晶體151的極限溫度電壓VLMT、溫度信號VT以及電阻器125而產生電流I151。電流I151可以表達成公式(1)。
在公式(1)中，電流I151進一步耦合到由電晶體156、157和158形成的電流反射鏡(current mirror)，並且產生電流I157以及電流信號IT。電晶體156、157和158的共同節點耦合到電壓VCC。電流I157以及電流信號IT是在極限溫度電壓VLMT高於溫度信號VT時根據電流I151產生的。溫度信號VT回應於溫度感測裝置70的溫度升高而減小。
溫度信號VT經配置以用於產生電流信號(例如，電流I151)，所述電流信號用於調變切換信號SW以及電流感測信號 VCS。由電流源161產生的電流I161來決定溫度的高極限值。當電流I157高於電流I161時，溫度感測裝置的溫度信號的值高於溫度的高極限值，並且反相器165將輸出邏輯低值，以便在計時器170的延遲時間TD之後產生信號SENB。延遲時間TD由計時器170決定。當溫度感測裝置70的溫度低於溫度的高極限值(由電流I161決定)並且高於溫度極限值(由極限溫度電壓VLMT決定)時，將根據電流信號IT對切換信號SW進行調變。將回應於溫度感測裝置70的溫度來對切換信號SW、電力轉換器的輸出電力PO以及輸出電流IO進行調變和限制，如表達成公式(2)到(7)。
E=0.5×L P ×I P 2………(2)
P O =0.5×L P ×I P 2×F req ………(3)
在公式(2)到(7)中，LP是變壓器10的一次側繞組(primary winding)的電感；IP是變壓器10的一次側繞組的切換電流；Freq是切換信號SW的頻率；M0是常數；IB是電流源110的電流；VO是電力轉換器的輸出電壓；E是輸出電動勢；RT是溫度感測裝置70的電阻，並且RT具有負的溫度係數。因此，當溫度 感測裝置的溫度高於溫度極限值時，電力轉換器的輸出電流IO與輸出電力PO回應於圖1中的溫度感測裝置70的溫度升高而線性地減小。
圖4繪示根據本發明之一實施例的控制電路50的斜坡電路200的電路圖。所述斜坡電路200包括緩衝器210和230以及電阻器215和216。緩衝器210的正輸入節點耦合到斜坡信號RMP，而緩衝器210的負輸入節點耦接到緩衝器210的輸出節點。緩衝器210的輸出節點還耦接到電阻器215的一個節點。緩衝器230的正輸入節點耦合到經調變信號SC，而緩衝器230的負輸入節點耦接到緩衝器230的輸出節點。緩衝器230的輸出節點還耦接到電阻器216的一個節點。電阻器215的另一個節點耦接到電阻器216的另一個節點，用於產生鋸齒信號VSAW。鋸齒信號VSAW、斜坡信號RMP以及經調變信號SC的關係可以表達成下文所示的公式(8)。
圖5繪示根據本發明的另一個實施例的電力轉換器的電路圖，所述電力轉換器為一次側調整電力轉換器(primary-side regulation power converter)。所述一次側調整電力轉換器包括一次側調整(primary-side regulation；PSR)控制器300、溫度感測裝置70、電阻器61、62和30、變壓器15、電晶體20、整流器40以及電容器45。一次側調整控制器300根據變壓器信號VS而產生 切換信號SW，用於調整輸出電壓VO以及輸出電流IO。變壓器信號VS與輸出電壓VO相關。輸出電流IO跟變壓器信號VS以及電流感測信號VCS相關。溫度感測裝置70產生溫度信號VT到一次側調整控制器300，用於進行溫度控制和保護。
圖6繪示根據本發明之一實施例的電力轉換器的一次側調整控制器300的電路圖。所述一次側控制器包括電壓回饋電路(V-DET)310、電流回饋電路(I-DET)320、輸入電路100、緩衝放大器351、誤差放大器(error amplifier)370和380、PWM切換電路395，以及電容器371和381。電壓回饋電路310根據變壓器信號VS而產生電壓回饋信號VV以及退磁(demagnetizing)時間信號SDS。電壓回饋信號VV耦合到誤差放大器370，以用於根據參考VRV而產生電壓環路信號SV。電容器371經配置以用於環路補償。
電流回饋電路320根據電流感測信號VCS以及退磁時間信號SDS而產生電流回饋信號VI。根據電流回饋信號VI通過緩衝放大器351以及電阻器352來產生經調變信號(modulated signal)VM。經調變信號VM耦合到誤差放大器380，用於根據參考VR1而產生電流環路信號SI。電容器381經配置以用於環路補償(loop compensation)。電壓環路信號(voltage loop signal)SV以及電流環路信號(current loop signal)SI耦合到PWM切換電路395以產生切換信號SW。電流感測信號VCS與電流回饋信號VI之間的關係可以表達成下述的公式(9)。
輸出電流IO與ICS之間的關係可以表達成下述的公式(10)。
在公式(9)和(10)中，TDS是退磁時間信號SDS的週期；T是切換信號SW的切換週期；K1是常數；N是變壓器15的匝數比，即，一次側繞組的匝數與二次側繞組的匝數的比例；ICS是圖5中所示的變壓器15的一次側切換電流，並且ICS經配置以用於產生電流感測信號VCS。
電流回饋信號VI以及輸出電流IO可以表達成公式(11)和(12)。
在公式(11)和(12)中，RS是電流感測電阻器30的電阻；K0是常數。
當溫度感測裝置70的溫度低於極限溫度電壓時，輸出電流IO是由參考VRI以及電流感測電阻器30的電阻決定。一次側控制器300將控制切換信號SW，以調整電力轉換器的輸出電流IO。換句話說，一次側調整控制器300經配置以用於從電力轉換器的一次側來調整輸出電力。
經調變信號VM是根據電流感測信號VCS和電流信號IT而產生。電流信號IT是在溫度感測裝置70的溫度高於溫度極限值時，根據輸入電路100中的溫度信號VT而產生。切換信號SW將回應於溫度感測裝置70的溫度來進行調變。在溫度升高時，輸出電流IO將線性地減小，並且輸出電流IO的公式(13)如下所示。
在公式(13)中，M0是常數；IB是電流源110的電流；RT是溫度感測裝置70的電阻並且具有負的溫度係數。
輸入電路100進一步產生信號SENB，所述信號SENB耦合到PWM電路，以便在溫度高於溫度的高極限值時停用切換信號SW。
圖7繪示根據本發明之一實施例的用於控制電力轉換器的方法的流程圖。針對圖1和圖5中的電力轉換器來配置所述用於控制電力轉換器的方法。在此描述了所述用於控制電力轉換器的方法中的每個步驟。參考圖1和圖7，在步驟S710，控制電路50和/或PSR控制器300響應於回饋信號(例如，電流感測信號VCS或變壓器信號VS)而產生切換信號SW，並且控制電路50/PSR控制器300產生用於調整電力轉換器的輸出電流/電力的電流感測信號VCS。在步驟S720中，溫度感測裝置70響應於溫度感測裝置70的溫度而產生溫度信號VT。在步驟S730中，控制電路50和/或PSR控制器300判定溫度信號的值高於溫度極限值。當溫度信 號的值高於溫度極限值時，從步驟S730到步驟S740，控制電路50和/或PSR控制器300根據溫度信號VT對切換信號SW進行線性調變。本發明的上述實施例中對所述步驟進行了詳細描述。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
50‧‧‧控制電路
81‧‧‧緩衝放大器
82‧‧‧電阻器
83、85‧‧‧比較器
87‧‧‧及閘
90‧‧‧振盪器(OSC)
95‧‧‧觸發器
100‧‧‧輸入電路
200‧‧‧斜坡電路
SW‧‧‧切換信號
SENB‧‧‧信號
VFB‧‧‧回饋信號
VCS‧‧‧電流感測信號
VT‧‧‧溫度信號
IT‧‧‧電流信號
SC‧‧‧經調變信號
VSAW‧‧‧鋸齒信號
VLMT‧‧‧極限溫度電壓
PLS‧‧‧時脈信號
RMP‧‧‧斜坡信號

Claims (12)

  1. 一種用於一電力轉換器的一控制電路，包括：一切換電路，所述切換電路響應於一回饋信號而產生一切換信號，並且產生用於調整所述電力轉換器的輸出的一電流感測信號；以及一溫度感測裝置，所述溫度感測裝置回應於所述溫度感測裝置的溫度而產生一溫度信號，其中在所述溫度信號的值高於一溫度極限值時，所述溫度信號經配置以用於對所述切換信號進行線性調變。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，在所述溫度感測裝置的所述溫度高於所述溫度極限值時，所述電力轉換器的一輸出電流回應於所述溫度感測裝置的溫度升高而線性地減小。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，在所述溫度感測裝置的所述溫度高於所述溫度極限值時，所述電力轉換器的一輸出電力回應於所述溫度感測裝置的溫度升高而線性地減小。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中所述控制電路經配置以用於從所述電力轉換器的一次側來調整一輸出電力。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中所述溫度信號經配置以用於產生一電流信號，所述電流信號用於調變所述切換信號以及所述電流感測信號。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，在所述溫度感測裝置的所述溫度信號的值高於溫度的高極限值時，所述溫度信號 經配置以用於在一延遲時間之後切斷所述切換信號。
  7. 一種用於控制一電力轉換器的方法，包括：響應於一回饋信號而產生一切換信號，並且產生用於調整所述電力轉換器的輸出的一電流感測信號；響應於一溫度感測裝置的溫度而產生一溫度信號；以及在所述溫度信號的值高於一溫度極限值時，根據所述溫度信號對所述切換信號進行線性調變。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的方法，在所述溫度感測裝置的所述溫度高於所述溫度極限值時，所述電力轉換器的一輸出電流回應於所述溫度感測裝置的溫度升高而線性地減小。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的方法，在所述溫度感測裝置的所述溫度高於所述溫度極限值時，所述電力轉換器的一輸出電力回應於所述溫度感測裝置的溫度升高而線性地減小。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中從所述電力轉換器的一次側來調整所述電力轉換器。
  11. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中所述溫度信號經配置以用於產生一電流信號，所述電流信號用於調變所述切換信號以及所述電流感測信號。
  12. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中所述溫度信號經配置以用於在所述溫度感測裝置的所述溫度高於溫度的高極限值時，在一延遲時間之後切斷所述切換信號。
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