TW202201161A - 恆定功率控制電路 - Google Patents

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Abstract

一種恆定功率控制電路，用以驅動一外部裝置。外部裝置接收一輸入電壓，並產生一輸出電壓。第一轉換電路轉換輸入電壓與輸出電壓之間的一電壓差值，用以產生一充電電流。儲能電路根據充電電流而充電，用以提供一儲能電壓。控制電路產生一控制信號，並根據儲能電壓到達一預設電壓的充電時間，調整控制信號的佔空比。第二轉換電路根據控制信號，產生一計數電壓。計數電壓與電壓差值呈一反比例。第三轉換電路轉換計數電壓，用以產生限制電流。驅動電路比較一設定電流以及限制電流，用以產生一驅動信號予外部裝置。

Description

恆定功率控制電路
本發明係有關於一種恆定功率控制電路，特別是有關於一種根據一輸入電壓以及一輸出電壓之間的電壓差值，產生一限制電流的恆定功率控制電路。
一般而言，高壓功率切換裝置接收一輸入電壓，並提供一輸出電壓予一負載。當負載發生異常時，可能拉低高壓功率切換裝置所產生的輸出電壓。由於輸入電壓與輸出電壓之間的電壓差值變大，因而增加流經高壓功率切換裝置的電流，使得高壓功率切換裝置的操作功率變大，無法維持在一安全操作區(safe operating area)中。
本發明提供一種恆定功率控制電路，用以驅動一外部裝置。外部裝置接收一輸入電壓，並產生一輸出電壓。恆定功率控制電路包括一電壓產生電路以及一驅動電路。電壓產生電路根據輸入電壓與輸出電壓之間的一電壓差值，產生一限制電流，並包括一第一轉換電路、一儲能電路、一控制電路、一第二轉換電路以及一第三轉換電路。第一轉換電路轉換電壓差值，用以產生一充電電流。儲能電路根據充電電流而充電，用以提供一儲能電壓。控制電路產生一控制信號，並根據儲能電壓到達一預設電壓的充電時間，調整控制信號的佔空比。第二轉換電路根據控制信號，產生一計數電壓。計數電壓與電壓差值呈一反比例。第三轉換電路轉換計數電壓，用以產生限制電流。驅動電路比較一設定電流以及限制電流，用以產生一驅動信號予外部裝置。當限制電流大於設定電流時，驅動電路根據設定電流產生驅動信號。當限制電流小於設定電流時，驅動電路根據限制電流產生驅動信號。
本發明另提供一種電壓產生電路，包括一第一轉換電路、一儲能電路、一控制電路以及一第二轉換電路。第一轉換電路轉換一電壓差值，用以產生一充電電流。儲能電路根據充電電流而充電，用以提供一儲能電壓。控制電路產生一控制信號，並根據儲能電壓到達一預設電壓的充電時間，調整控制信號的佔空比。第二轉換電路根據控制信號，產生一計數電壓。計數電壓與電壓差值呈一反比例。
為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出實施例，並配合所附圖式，做詳細之說明。本發明說明書提供不同的實施例來說明本發明不同實施方式的技術特徵。其中，實施例中的各元件之配置係為說明之用，並非用以限制本發明。另外，實施例中圖式標號之部分重覆，係為了簡化說明，並非意指不同實施例之間的關聯性。
第1圖為本發明之操作系統的示意圖。如圖所示，操作系統100包括一外部裝置110以及一恆定功率控制電路(constant power control circuit)120。外部裝置110接收一輸入電壓VIN，並根據一控制信號SCON1產生一輸出電壓VOUT。在本實施例中，恆定功率控制電路120用以控制外部裝置110的功率，在輸出電壓VOUT發生變化時，確保外部裝置110始終操作於一安全工作區。
本發明並不限定外部裝置110的種類。在本實施例中，外部裝置110係為一高壓功率切換裝置(high voltage power switch device)，其內部具有一驅動電晶體Q1。驅動電晶體Q1的閘極接收控制信號SCON1。驅動電晶體Q1的汲極(或稱第一電極)接收輸入電壓VIN。驅動電晶體Q1的源極(或稱第二電極)提供輸出電壓VOUT。在一可能實施例中，輸出電壓VOUT係提供予一外部負載(未顯示)。外部負載接收輸出電壓VOUT，並根據輸出電壓VOUT而動作。在此例中，當外部負載異常時，輸出電壓VOUT可能會有大幅的變化。由於輸出電壓VOUT與輸入電壓VIN之間的壓差變大，因而大幅增加流經驅動電晶體Q1的電流，造成驅動電晶體Q1的功率大幅增加。
在本實施例中，恆定功率控制電路120根據輸入電壓VIN與輸出電壓VOUT的電壓差值(VIN-VOUT)，產生一限制電流I_limit，並比較限制電流I_limit與一設定電流Iocset，用以產生一驅動信號SDR。在一可能實施例中，驅動信號SDR作為控制信號SCON1。本發明並不限定恆定功率控制電路120的架構。在一可能實施例中，恆定功率控制電路120係為一類比電路。在此例中，恆定功率控制電路120包括一電壓產生電路121以及一驅動電路122。
電壓產生電路121根據輸入電壓VIN與輸出電壓VOUT的電壓差值(VIN-VOUT)，產生電壓差(VIN-VOUT)的倒數(
Figure 02_image001
)，其中K為電壓產生電路121裡的元件參數。在此例中，電壓產生電路121再根據倒數(
Figure 02_image001
)，產生一限制電流I_limit。在本實施例中，電壓差值(VIN-VOUT)和限制電流I_limit呈一反比例。換句話說，當電壓差值(VIN-VOUT)愈大時，限制電流I_limit愈小。當電壓差值(VIN-VOUT)愈小時，限制電流I_limit愈大。
驅動電路122比較限制電流I_limit與設定電流Iocset，並產生驅動信號SDR。在一可能實施例中，當限制電流I_limit大於設定電流Iocset時，驅動電路122根據設定電流Iocset產生驅動信號SDR。然而，當限制電流I_limit小於設定電流Iocset時，驅動電路122根據限制電流I_limit產生驅動信號SDR。由於驅動電路122係根據較小的電流產生驅動信號SDR，故可避免外部裝置110因輸出電壓VOUT發生大變化時，而離開了安全工作區(SOA)。
在其它實施例中，操作系統100更包括一設定電路130，用以產生設定電流Iocset。本發明並不限定設定電路130的架構。在一可能實施例中，設定電路130包括一運算放大器131以及一電阻Rocset。運算放大器131的非反相輸入端接收一設定電壓Vocset。在一可能實施例中，設定電壓Vocset係由使用者設定。
設定電壓Vocset通常代表外部裝置110可操作的最大電壓，故設定電壓Vocset可稱為一過壓設定值(over voltage set)。此外，設定電流Iocset通常代表外部裝置110可操作的最大電流，故設定電流Iocset可稱為一過壓設定值(over current set)。
電阻Rocset耦接於運算放大器131的一反相輸入端與一接地節點101之間。接地節點101接收一接地電壓GND。在此例中，流經電阻Rocset的電流作為設定電流Iocset。在一些實施例中，使用者調整設定電阻Rocset的阻值，用以改變設定電流Iocset。在此例中，當設定電壓Vocset維持不變時，如果設定電阻Rocset的阻值愈大時，設定電流Iocset愈小。相反地，如果設定電阻Rocset的阻值愈小時，設定電流Iocset愈大。
在其它實施例中，操作系統100更包括一偵測電路140以及一比較電路150。偵測電路140用以偵測外部裝置110的輸入電流，並根據偵測結果，產生一偵測信號SDET。本發明並不限定偵測電路140的架構。在一可能實施例中，偵測電路140係為一電流至電壓轉換器(current-to-voltage converter)。在此例中，偵測信號SDET係為一電壓信號。
比較電路150根據偵測信號SDET及驅動信號SDR，產生控制信號SCON1。在一可能實施例中，當偵測信號SDET小於驅動信號SDR時，表示流經外部裝置110的電流正常。因此，控制信號SCON1為一第一位準。當偵測信號SDET大於驅動信號SDR時，表示外部裝置110的輸入電流可能因輸出電壓VOUT發生大幅變化而發生異常。因此，控制信號SCON1為一第二位準。在此例中，外部裝置110根據控制信號SCON1的位準，決定流經本身的電流大小。舉例而言，當控制信號SCON1的位準愈大時，外部裝置110讓更多的電流流過。相反地，當控制信號SCON1的位準愈小時，外部裝置110讓較少的電流流過。由於控制信號SCON1限制了流經外部裝置110的電流，故可控制外部裝置110的功率，使其維持於安全工作區中。
第2A圖為本發明之電壓產生電路的示意圖。如圖所示，電壓產生電路200包括轉換電路210、240、一儲能電路220以及一控制電路230。轉換電路210轉換輸入電壓VIN與輸出電壓VOUT之間的一電壓差值(VIN-VOUT)，用以產生一充電電流Ich。本發明並不限定轉換電路210的架構。在一可能實施例中，轉換電路210係為一電壓電流轉換器(voltage-to-current converter)。
在本實施例中，轉換電路210包括一比較器211、一電流鏡212以及一電阻Rt。電阻Rt的一端接收輸入電壓VIN，電阻Rt的另一端耦接比較器211的非反相輸入端。比較器211的反相輸入端接收輸出電壓VOUT。電流鏡212根據流經電阻Rt的電流，產生充電電流Ich。在本實施例中，當輸出電壓VOUT與輸入電壓VIN之間的電壓差值愈大時，充電電流Ich愈大。在一些實施例中，充電電流Ich等於流經電阻Rt的電流。
儲能電路220根據充電電流Ich而充電，用以提供一儲能電壓Vct。在本實施例中，儲能電路220係為一電容Ct。電容Ct根據充電電流Ich而充電。在此例中，電容Ct的電壓作為儲能電壓Vct。如圖所示，電容Ct的一端接收充電電流Ich，另一端接收接地電壓GND。
當充電電流Ich愈大時，儲能電壓Vct愈快到達一預設電壓VT。當充電電流Ich愈小時，儲能電壓Vct愈慢到達預設電壓VT。因此，藉由判斷儲能電壓Vct的充電時間(充電至預設電壓VT)，便可得知電壓差值(VIN-VOUT)的改變。
控制電路230產生一控制信號SCON2，並根據儲能電壓Vct到達預設電壓VT的充電時間，調整控制信號SCON2的佔空比(duty cycle)。在本實施例中，當儲能電壓Vct到達預設電壓VT的充電時間愈短時，控制信號SCON2的脈衝寬度(pulse width)愈短。當儲能電壓Vct到達預設電壓VT的充電時間愈長時，控制信號SCON2的脈衝寬度愈長。因此，控制信號SCON2的脈衝寬度和儲能電壓Vct的充電時間呈正比例，但和電壓差值(VIN-VOUT)呈反比例。換句話說，當輸出電壓VOUT與輸入電壓VIN之間的電壓差值(VIN-VOUT)愈大時，控制信號SCON2的脈衝寬度愈小。當電壓差值(VIN-VOUT)愈小時，控制信號SCON2的脈衝寬度愈大。在此例中，控制信號SCON2的脈衝係為一正脈衝。
在一可能實施例中，控制電路230包括一比較器231以及一放電電路232。比較器231比較儲能電壓Vct與預設電壓VT，用以產生一比較信號SCM。在本實施例中，比較器231的反相輸入端接收預設電壓VT，其非反相輸入端接收儲能電壓Vct，其輸出端提供比較信號SCM。
放電電路232根據比較信號SCM以及一重置信號CLK，產生控制信號SCON2。在一可能實例中，當重置信號CLK被致能時(如為一高位準)，放電電路232重置儲能電路220，使得儲能電壓Vct等於一初始值(如0V)。在此例中，當儲能電路220接收到充電電流Ich時，儲能電壓Vct由初始值(如0V)開始增加。當儲能電壓Vct到達預設電壓VT時，放電電路232再次重置儲能電路220，使得儲能電壓Vct回到初始值，直到儲能電路220再次接收到充電電流Ich。
在一可能實施例中，當儲能電路220根據充電電流Ich而充電時，控制信號SCON2為一第一位準。當儲能電路220被重置時，控制信號SCON2為一第二位準。第一位準相對於第二位準。舉例而言，當第一位準為一高位準時，第二位準為一低位準。當第一位準為一低位準時，第二位準為一高位準。
在一可能實施例中，放電電路322包括邏輯閘G1、G2及一放電元件233。邏輯閘G1具有輸入端I1、I2以及一輸出端O1。邏輯閘G2具有輸入端I3、I4以及一輸出端O2。輸入端I1接收比較信號SCM。輸入端I2耦接電晶體Q2的閘極及輸出端O2。輸出端O1輸出控制信號SCON2並耦接輸入端I3。輸入端I4接收重置信號CLK。在本實施例中，邏輯閘G1及G2均為反或閘(NOR gate)。
放電元件233根據輸出端O2的位準，釋放儲能元件220所儲存的電壓Vct至一初始值。在本實施例中，放電元件233係為一電晶體Q2。電晶體Q2的閘極耦接輸出端O2，其汲極耦接儲能電路220，其源極接收接地電壓GND。當輸出端O2的位準為一高位準時，電晶體Q2導通，用以設定儲能電壓Vct等於接地電壓GND(或稱一初始值)。當輸出端O2的位準為一低位準時，電晶體Q2不導通。因此，儲能電路220繼續根據充電電流Ich而充電。
轉換電路240根據控制信號SCON2的佔空比，產生一計數電壓Vcont。由於控制信號SCON2的佔空比與電壓差值(VIN-VOUT)呈反比例，故計數電壓Vcont也與電壓差值(VIN-VOUT)呈反比例。本發明並不限定轉換電路240的架構。在一可能實施例中，轉換電路240係為一濾波電路。在本實施例中，轉換電路240包括一電阻Rc及一電容Cc。電阻Rc耦接於輸出端O1與節點241之間。電容Cc的一端耦接節點241，其另一端接收接地電壓GND。在此例中，節點241的電壓作為計數電壓Vcont。
在本實施例中，電壓產生電路200作為一反比電壓產生電路，其所產生的計數電壓Vcont與電壓差值(VIN-VOUT)呈一反比例。另外，在第2A圖中，電阻Rt的阻值、電容Ct的容值以及預設電壓VT的大小，都會影響反比例的程度。舉例而言，計數電壓Vcont與電壓差值(VIN-VOUT)之間的關係如下式所示：
Figure 02_image003
其中符號K與電阻Rt的阻值和電容Ct的容值有關。
使用者可藉由控制電阻Rt的阻值及/或電容Ct的容值，控制計數電壓Vcont與輸出電壓VOUT和輸入電壓VIN的電壓差值(VIN-VOUT)的反比例程度。
轉換電路250轉換計數電壓Vcont，用以產生限制電流I_limit。本發明並不限定轉換電路250的架構。在一可能實施例中，轉換電路250係為一電壓至電流轉換器(voltage-to-current converter)。
第2B圖為本發明之電壓產生電路的另一示意圖。第2B圖相似第2A圖，不同之處在於，第2B圖多了一緩衝器260。在本實施例中，緩衝器260根據一參考電壓Vref及接地電壓GND，設定控制信號SCON2的位準。在此例中，控制信號SCON2的最大位準值等於參考電壓Vref，其最小位準值等於接地電壓GND。
在此例中，參考電壓Vref也會影響計數電壓Vcont和電壓差值(VIN-VOUT)間的反比例程度。舉例而言，當參考電壓Vref愈大時，計數電壓Vcont和電壓差值(VIN-VOUT)之間的反比例程度愈大。當參考電壓Vref愈小時，計數電壓Vcont和電壓差值(VIN-VOUT)之間的反比例程度愈小。換句話說，參考電壓Vref與計數電壓Vcont呈一正比例。
第3圖為本發明之放電電路的控制時序圖。請搭配第2A圖，在期間311，由於儲能電路220接收到充電電流Ich，故儲能電壓Vct逐漸上升。在時間點320，儲能電壓Vct達預設電壓VT，故比較信號SCM由低位準變化至高位準。因此，控制信號SCON2為低位準。由於重置信號CLK也為低位準，故輸出端O2為高位準。因此，在期間312，電晶體Q2導通，用以將儲能電壓Vct釋放至一初始值，如0V。在本實施例中，期間311稱為儲能電路220的充電時間。當輸出電壓VOUT與輸入電壓VIN之間的電壓差愈大時，充電電流Ich愈大，故儲能電路220的充電時間愈短(即期間311愈小)。當輸出電壓VOUT與輸入電壓VIN之間的電壓差愈小時，充電電流Ich愈小，故儲能電路220的充電時間愈長(即期間311愈大)。
在期間313，重置信號CLK為高位準。因此，輸出端O2為低位準，不導通電晶體Q2。此時，由於儲能電壓Vct未達預設電壓VT，故比較信號SCM為低位準。因此，控制信號SCON2為高位準。在期間314，重置信號CLK為低位準。由於控制信號SCON2為高位準，故輸出端O2維持在低位準，不導通電晶體Q2。此時，當儲能電路220接收到充電電流Ich時，儲能電壓Vct逐漸上升。
在時間點330，儲能電壓Vct達預設電壓VT，故比較信號SCM由低位準變化至高位準。因此，控制信號SCON2為低位準。由於重置信號CLK也為低位準，故輸出端O2為高位準。因此，在時間點330後，儲能電壓Vct被釋放至初始值。
在本實施例中，控制信號SCON2的脈衝寬度與儲能電壓Vct達預設電壓VT的充電時間有關，而儲能電壓Vct達預設電壓VT的充電時間又與充電電流Ich有關。由於充電電流Ich與電壓差值(VIN-VOUT)有關，故控制信號SCON2的脈衝寬度與電壓差值(VIN-VOUT)有關。當電壓差值(VIN-VOUT)愈大時，充電電流Ich愈大，故儲能電壓Vct到達預設電壓VT的充電時間愈短，使得控制信號SCON2的脈衝寬度愈小。因此，控制信號SCON2的脈衝寬度與電壓差值(VIN-VOUT)呈反比例。換句話說，當電壓差值(VIN-VOUT)愈大時，控制信號SCON2的脈衝寬度愈小。當電壓差值(VIN-VOUT)愈小時，控制信號SCON2的脈衝寬度愈大。
由於計數電壓Vcont和電壓差值(VIN-VOUT)呈反比例，故當輸出電壓VOUT與輸入電壓VIN的電壓差值(VIN-VOUT)愈大時，計數電壓Vcont愈小。在第2A圖中，計數電壓Vcont愈小時，限制電流I_limit愈小，故可避免第1圖的外部裝置110因輸出電壓VOUT大幅變化時，離開安全工作區。
除非另作定義，在此所有詞彙(包含技術與科學詞彙)均屬本發明所屬技術領域中具有通常知識者之一般理解。此外，除非明白表示，詞彙於一般字典中之定義應解釋為與其相關技術領域之文章中意義一致，而不應解釋為理想狀態或過分正式之語態。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，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，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾。舉例來，本發明實施例所系統、裝置或是方法可以硬體、軟體或硬體以及軟體的組合的實體實施例加以實現。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:操作系統 101:接地節點 110:外部裝置 120:恆定功率控制電路 121,200:電壓產生電路 122:驅動電路 130:設定電路 131:運算放大器 140:偵測電路 150:比較電路 210,240,250:轉換電路 Q1,Q2:電晶體 212:電流鏡 211,231:比較器 220:儲能電路 230:控制電路 232:放電電路 233:放電元件 241:節點 260:緩衝器 320,330:時間點 311~314:期間 VIN:輸入電壓 I_limit:限制電流 VOUT:輸出電壓 Iocset:設定電流 SDR:驅動信號 SDET:偵測信號 Rocset,Rt,Rc:電阻 Vocset:設定電壓 GND:接地電壓 Vcont:計數電壓 Ct,Cc:電容 Ich:充電電流 Vct:儲能電壓 SCON1,SCON2:控制信號 VT:預設電壓 SCM:比較信號 CLK:重置信號 G1、G2:邏輯閘 I1~I4:輸入端 O1,O2:輸出端 Vref:參考電壓
第1圖為本發明之操作系統的示意圖。 第2A圖為本發明之電壓產生電路的示意圖。 第2B圖為本發明之電壓產生電路的另一示意圖。 第3圖為本發明之放電電路的控制時序圖。
200:電壓產生電路
210,240,250:轉換電路
Q2:電晶體
212:電流鏡
211,231:比較器
220:儲能電路
230:控制電路
232:放電電路
233:放電元件
241:節點
VIN:輸入電壓
I_limit:限制電流
VOUT:輸出電壓
Rt,Rc:電阻
GND:接地電壓
Vcont:計數電壓
Ct,Cc:電容
Ich:充電電流
Vct:儲能電壓
SCON2:控制信號
VT:預設電壓
SCM:比較信號
CLK:重置信號
G1、G2:邏輯閘
I1~I4:輸入端
O1,O2:輸出端

Claims (10)

  1. 一種恆定功率控制電路，用以驅動一外部裝置，其中該外部裝置接收一輸入電壓，並產生一輸出電壓，該恆定功率控制電路包括： 一電壓產生電路，根據該輸入電壓與該輸出電壓之間的一電壓差值，產生一限制電流，並包括： 一第一轉換電路，轉換該電壓差值，用以產生一充電電流； 一儲能電路，根據該充電電流而充電，用以提供一儲能電壓； 一控制電路，產生一控制信號，並根據該儲能電壓到達一預設電壓的充電時間，調整該控制信號的佔空比； 一第二轉換電路，根據該控制信號，產生一計數電壓，該計數電壓與該電壓差值呈一反比例；以及 一第三轉換電路，轉換該計數電壓，用以產生該限制電流；以及 一驅動電路，比較一設定電流以及該限制電流，用以產生一驅動信號予該外部裝置； 其中，當該限制電流大於該設定電流時，該驅動電路根據該設定電流產生該驅動信號，當該限制電流小於該設定電流時，該驅動電路根據該限制電流產生該驅動信號。
  2. 如請求項1之恆定功率控制電路，其中該第一轉換電路包括： 一第一電阻，具有一第一端以及一第二端，該第一端接收該輸入電壓； 一第一比較器，其非反相輸入端耦接該第二端，其反相輸入端接收該輸出電壓； 一電流鏡，根據流經該第一電阻的電流，產生該充電電流。
  3. 如請求項2之恆定功率控制電路，其中該計數電壓與該電壓差值之間的關係如下：
    Figure 03_image005
    ； 其中Y為該計數電壓，X為該電壓差值，K與該第一電阻的阻值有關。
  4. 如請求項1之恆定功率控制電路，其中該控制電路包括： 一第二比較器，比較該儲能電壓與該預設電壓，用以產生一比較信號；以及 一放電電路，根據該比較信號，重置該儲能電路； 其中當該儲能電路接收該充電電流時，該儲能電壓由一初始值開始增加，當該儲能電壓到達該預設電壓時，該放電電路重置該儲能電路，使得該儲能電壓等於該初始值，直到該儲能電路接收該充電電流。
  5. 如請求項4之恆定功率控制電路，其中當該儲能電路根據該充電電流而充電時，該放電電路令該控制信號為一第一位準，當該儲能電路被重置時，該放電電路令該控制信號為一第二位準，該第一位準相對於該第二位準。
  6. 如請求項5之恆定功率控制電路，其中放電電路包括： 一第一邏輯閘，具有一第一輸入端、一第二輸入端以及一第一輸出端，該第一輸入端接收該比較信號，該第一輸出端的位準作為該控制信號； 一第二邏輯閘，具有一第三輸入端、一第四輸入端以及一第二輸出端，該第三輸入端耦接該第一輸出端，該第四輸入端接收一重置信號，該第二輸出端耦接該第二輸入端；以及 一放電元件，根據該第二輸出端的位準，釋放該儲能電壓。
  7. 如請求項5之恆定功率控制電路，更包括： 一緩衝器，根據一參考電壓，設定該控制信號的位準。
  8. 如請求項7之恆定功率控制電路，其中該計數電壓與該電壓差值之間的關係如下：
    Figure 03_image005
    ； 其中Y為該計數電壓，X為該電壓差值，K與該參考電壓有關。
  9. 如請求項1之恆定功率控制電路，其中該第二轉換電路係為一濾波電路。
  10. 如請求項1之恆定功率控制電路，其中該儲能電路包括一電容，該電容的電壓作為該儲能電壓，該計數電壓與該電壓差值之間的關係如下：
    Figure 03_image005
    ； 其中Y為該計數電壓，X為該電壓差值，K與該電容的容值有關。
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