TWI235621B - Control device and method for capacitance charger - Google Patents

Description

1235621 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種電容充·電器，特別是關於一種在電 容充電器中無電流感應損耗以及防止電壓激磁飽和的控 制裝置及方法。 【先前技術】 地被::了：式裝置越來越普遍 ，電容充電器也逐漸廣泛 眘k 第一圖係以 RCC(Ring Choke Converter)電路 IP轉換為充電器1〇〇之示意圖，變壓器T!從一次側電流 產斗、“、、〜次侧電流Is通過二極體D!對電容Q充電，以 流1?或丨電電髮在輸出端H2供應負載RL。為控制充電電 至變墨器$功率電晶體Ql的集極104及射極108分別連接 在輪入t T1的一次側線圈N1及接地’電阻R1及R2串聯 產生電B 102及變壓器Tl的另一個一次側線圈N3之間’以 便宜，Ql的基極偏壓。雖然電容充電器100的成本較 導致較^疋其變壓器的架構較為複雜，且功率電晶體Q1 IP的表=的切換損失（switching loss) °此外’影響電流 QJ等，k多’例如輸入電壓Vin、變壓器T!及功率電晶體 值必g 1因此無法準確地控制。再者’由於電流1p的最大 長沾:功率電晶體Q1的基極電流L，因此需要較 的充電時間。 第二圈太 Μ馬已知改良的電容充電器2〇〇之示意圖，變壓 口。il從一泠 則電流Ip轉換為二次側電流Is對電容C4充電 1235621 以產生輸出電壓V，。為控制電流L·或Is，感測電阻Rsi 連接在電晶體Qi及接地之間，另一感測電阻—連接在變 壓器1的二次側線圈N2及接地之間，運算放大器A1及A2 分別放大電阻1^及RS2兩端的跨壓以產生輸出S1及S2至 正反器206,藉以產生信號S3透過驅動器208切換電晶體 Q!。在電容充電器200中，係藉由電阻1^及RS2直接感測 變壓器Τι 一次側線圈電流Ip及二次側線圈電流Is，以決定 電流Ip的最大值及最小值，然而，為不影響充電器200的 運作，因而只能使用阻值極小的電阻，故在電阻RS1及RS2 上的壓降非常微小，導致無法準確的感測出在感測電阻Rs! 及Rs2上的電流值，同時’也導致電流Ip容易產生突波 (spike)，使得充電電流Is超過預設的上限值，此外，充 電器200的充電電流Is亦不容易設定。 第三圖係另一應用在閃光燈的電容充電器300 ,變壓 器304的一次側線圈連接輸入電壓Vbat及電晶體308之 間，藉切換電晶體308從一次側線圈電流L·轉換為二次側 線圈電流Is對電容匕充電，以供應給閃光燈裝置306。為 控制充電電流Is，電阻Rl、R2及R3被串聯在輸出端316 及接地GND1之間，以分壓方式感測電容Ci的電壓，提供 迴授信號VFB給積體電路302,在電容C!的電壓達到預設值 時停止對其充電。在電容充電器300中，係利用電晶體308 的最大工作週期決定充電電流Is，因而使得變壓器容易達 到磁飽和，再者，輸入電壓Vbat係由電池所供應，故隨時 間降低，進而使電容C!的充電時間增加。 1235621 因此，一種可方便設定充電電流可變量且與輸入電壓 無關之電容充電器控制器乃為所冀。 【發明内容】 本發明的目的之一，在於提供一種電容充電器的控制 裝置及方法。 本發明的目的之一，另在於提供一種在電容充電器中 無電流感應損耗的控制裝置及方法。 本發明的目的之一，又在於提供一種防止電容充電器 中變壓器電壓激磁飽和的控制裝置及方法。 在一電容充電器中，藉由一變壓器將一次側線圈電流 轉換為一二次側線圈電流對一電容充電，一開關連接在該 變壓器一次側線圈及接地之間，藉切換該開關以控制該一 次側線圈電流，根據本發明，一種控制裝置及方法藉由電 壓產生器供應一隨輸入電壓變化之第一電壓給一電流源 以產生一參考電流，一電流鏡電路鏡射該參考電流產生一 鏡射電流給一充放電電路以產生一充電電壓，一比較器比 較該充電電壓與一參考電壓輸出一比較信號給一工作週 期控制邏輯以決定該開關的工作週期。 由於工作週期取決於輸入電壓的大小與變壓器感 值，因此消除輸入電壓變化對變壓器中一次側線圈電流的 可變量的影響，使得充電電流的可變量可以被設定為固定 值，而且可以簡單方便的方式設定，同理，二次側線圈電 流也因非工作週期的控制而固定，因此，一次側線圈電流 1235621 的上限與二次側線圈電流的下限都可控制在一個固定的 範圍内，而不因磁通的累積造成磁飽和。另外，本發明並 非藉由感測變壓器的一次側線圈電流來決定該開關的工 作週期，因此無電流感應損耗。 【實施方式】 第四圖係本發明應用在閃光燈電容充電器400之實 施例。在電容充電器400中，變壓器416具有匝數比為仏： Ns的一次側線圈L!及二次側線圈L2，電晶體Μι連接在一次 側線圈Li及接地GND之間，一次側線圈Li的電流Ip受電 晶體沁切換控制。連接輸入電壓Vbat的電壓產生器402用 來產生隨輸入電壓Vbat變化的電壓vd，在此實施例中，電 壓產生器402係使用電阻Ri及R2串聯組成的分壓器，故

Vd==Vbal xr1+r^ 公式 1 電流源404根據電壓Vd決定電流ιΑ。在此實施例中，電流 源404使用電壓對電流轉換器，包括運算放大器4〇42及 電晶體4044組成的傳導放大器以及電阻R3連接在電晶體 4044及接地GND之間’運异放大器4042的非反相輸入連 接電壓Vd，反相輸入連接至電阻R3，以及輸出連接電晶體 4044的閘極。由於運异放大器4042，電阻匕的跨壓為vd,, 因此決定電流

I 1235621 A Rs 公式2 將公式1代入公式2可得 lA=\^ X' M +R2

公式3 電流源404供應的電流^作為電流鏡電路4〇6的參考電 机，被鏡射產生電流ιΒ給充放電電路408。由於參考電流 Ια和鏡射電流Ib的大小相等，故

=ja = vbat X r】+r2

公式4 充放電電路408包括電容Cl及作為充放電開關之電晶體 m2跨接在電容g的兩端。電流Ib對電容Ci充電產生電壓 Vc L比車乂态410與參考電壓ytf比較而決定其輸出&給工 作週期控制邏輯412，進而決定工作週期 T -C1X% 0n 公式5 1235621 將公式4代入公式5中，可得 T 二 X Vtf X R3 X (R| + R2) 公式 6

VbalxR2 其中，由電壓產生器402、電流源404、電流鏡電路406、 充放電電路408以及比較器410組成的工作週期產生電路 與工作週期控制邏輯412形成工作週期決定電路。 另一方面，非工作週期產生電路418根據二次側線圈 電流Is，產生一非工作週期信號Ss給非工作週期決定電路 420，以提供非工作週期Tw給系統控制邏輯414。系統控 制邏輯414根據工作週期Ton及非工作週期Td，藉驅動器 424切換電晶體沁。同時，系統控制邏輯414亦根據工作 週期Ton及非工作週期Τ〇π開啟充放電電路408中的電晶體 M2，進而重設電容C1。 根據法拉弟定律（Faraday Law)及安培定律（Ampere Law)可推得 ν^χτοη=^χΔΐρ 公式 7 其中ΔΙΡ為電流Ip的可變量。由此可得到工作週期Τ。^ 的另一表示 1235621 公式8 L, χΔΙρ οη~^Γ 由公式6及公式8可得 公式9 一 Τ _ Li xAIp _ C1 x Vtf xR3 x(R! +R2) 〇n= V,, x R2 進而得到 公式10 M xVtf xR3x(R14-R2) P— Lx xR2 由公式10可知，變壓器416的一次側線圈電流的可變量διρ 與輸入電壓Vbat無關，其係由Rl、R2、R3、Cl、Vtf及Li決 定。 一次側線圈電流Ip的最大值Ipmax及最小值Ipinin的關 係為 Ιρπ^^ΔΙρ+Ιρ^ 公式 11

公式12 丹中T . ^ ^係變壓器416 ! …1及公式12可得

公式13 果電",L Is的最小值ISBin係固定的，那麼只要設定ΔΙΡ便可 設定電流Ip的最大值Ipnax ’以防止磁通飽和。在公式1〇 中，電流可變量ΔΙΡ可由電阻R,、匕及&、電容Ci、電感Li 及參考電壓Vu來設定，例如，藉由選擇電阻匕來設定電 流可變量ΔΙΡ，公式1 〇可改變為 aipxLix^ v .

CixVtf x(Rl+R2) 公式 14 或者，藉由選擇電容G來設定電流可變量ΔΙΡ，如下式所示 公式15 C 一 ΔΙρ X X R2 1 = VtfxR3x(R 丨+R2) 同理，變壓器416的二次側電流Is的最大值

12 1235621

Smax 公式16 由公式13及公式16可知 公式17 同樣地，如果Is—被固定，則可藉由改變ΔΙΡ來設定Ι^χ。 由上實施例可知，在本發明中影響變壓器一次侧線圈 電流變化量ΔΙΡ的參數有電阻R!、h及R3、電容C!、電感 及參考電壓Vtf，因此，藉由改變這些參數的值可輕易地設 定διρ的值，進而改變通過變壓器一次側線圈電流If>的最大 值I Pnax，以防止磁通飽和。 第五圖係本發明另一應用在閃光燈電容充電器之實 施例，在電容充電器500中，同樣包括電壓產生器402、 電流源404、電流鏡電路406、充放電電路408、比較器 410、工作週期控制邏輯412、系統控制邏輯414、變壓器 416、電晶體…、非工作週期決定電路420以及閃光燈模 •組422。為了產生非工作週期信號Ss，一電壓產生器502 連接在二次側線圈電壓VL2及接地GND之間，用來產生隨 輸入電壓VL2變化的電壓Vd2,其中電阻R4及R5組成分壓器， 故 13 1235621 R4 + R5 公式18

電流源504根據電壓Vd2決定雷、、☆ T &包机I”。在電流源5〇4中係 使用電壓對電流轉換器，其包括遁嘗 σσ 八匕枯運异放大器5042及電晶 體5044組成的傳導放大器以及電阻Re連接在電晶體5〇44 及接地GND之間’運异放大器5()42的非反相輸入連接電 壓Vd”反相輸入連接至電阻R6,以及輸出連接電晶體5044 的閘極。由於運算放大器5042，故電阻R6的跨壓為vd2， 因此決定電流

Ia2 = R6 公式19 將公式18代入公式19可得 = VL2x R5 1 -X — r4+r5 r6 公式20 電流源504供應的電流1^經電流鏡電路506鏡射後產生 電流Ib2給充放電電路508。由於參考電流IA2和鏡射電流 IB2的大小相等，故 1235621 Μ充路5〇S包括電容匕及作為充放電開贿之電晶體 3 5財Μ &的_ ’其係受控於非工作週期決定電 L電Γ &對電容C3充電產生電麼Vc2，經比較器510與 多H Vtf2比較而決定其輸出Ss給非工作週期決定電路 420，進而決定非工作週期 k 公式22 將公式21代入公式22中，可得

Toff =^^AiL(R4 + R5) 公式23 公式24 ^L2 X R5 又工作週期t。”的另一表示

Toff 根據公式23及公式24可得 15 1235621

C,xVtf,xR6X(R4+R5) Vl2 X 化5 公式25 進而得到 由公式26可知，變壓器416的二次側線圈電流的可變量μ s 與電阻R6具有一正比關係，由此可藉由設定電阻Re的值來 決定變壓器416的二次側要送出多少電流。 【圖式簡單說明】 對於熟習本技藝之人士而言，從以下所作的詳細敘述 配合伴隨的圖式，本發明將能夠更清楚地被瞭解，其上述 及其他目的及優點將會變得更明顯，其中·· 第一圖係以RCC電路實踐的電容充電器之示意圖； 弋,圖係另一習知電容充電器之示意圖；

電器之實施 一應用在閃光燈電容充電器 第三圖係又一習知電容充電器之示意圖； 之實 施例。 1235621 【主要元件符號說明】 100 電容充電器 102 輸入端 104 功率電晶體Q1的集極 106 功率電晶體Q1的基極 108 功率電晶體Q1的射極 110 節點 112 輸出端 200 電容充電器 202 輸入端 204 節點 206 正反器 208 驅動器 300 閃光燈電容充電器 302 積體電路 304 變壓器 306 閃光燈裝置 308 電晶體 316 輸出端 318 迴授端 400 閃光燈電容充電器 402 電壓產生器 404 電流源

17 1235621 4042 運算放大器 4044 電晶體 406 電流鏡電路 408 充放電電路 ^ 410 比較器 412 工作週期控制邏輯 414 系統控制邏輯 416 變壓器 418 非工作週期產生電路 420 非工作週期決定電路 422 閃光燈模組 424 驅動器 500 閃光燈電容充電器 502 電壓產生器 504 電流源 5042 運算放大器 5044 電晶體 506 電流鏡電路 508 充放電電路 510 比較器 18

Claims (1)

1235621 十、申請專利範圍： 1. 一種在電容充電器中的控制裝置，該電容充電器含 有一變壓器，其一次側線圈連接在一輸入電壓與一開關之 間，藉切換該開關以產生一第一電流經該一次側線圈，因 而在一二次側線圈產生一第二電流以及一二次側線圈電 壓，其特徵在於：該控制裝置隨該輸入電壓的變北，改變 該開關的工作週期。 2. 如申請專利範圍第1項之裝置，包括： 一電壓產生器，以產生隨該輸入電壓變化的第一電 壓； 一電流源’根據該第一^電壓產生^一参考電流， 一電流鏡電路，以鏡射該參考電流產生一鏡射電流； 一充放電電路，以藉由該鏡射電流產生一第二電壓； 以及 一比較器，以比較該第二電壓與一參考電壓，因而產 生一比較信號以決定該開關的工作週期。 3. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中該電壓產生器 包括一分壓器將該輸入電壓分壓以產生該第一電壓。 4. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中該電流源包括： 一電晶體，具有一沒極導出該參考電流，一源極及一閘極； 一運算放大器，具有一非反相輸入連接該第一電壓， 一反相輸入連接該源極，以及一輸出連接該閘 極；以及 一電阻，連接在該反相輸入及接地之間。 1235621 其中該電阻具有一 5·如申請專利範圍第4項之裝置， 尼阻值與該第—電流的可變量成一比例 包括 6.如申請專利範圍第2項之裝置，其中該充放電電路 電谷’被該鏡射電流充電以產生該 电縻；以石 開關，跨接談電容，以重設該第二電壓。 7.如申請專利範圍第6項之裝置，其中該 電谷值與該第一電流的可變量成-比例。

8·如中請專利範圍第6項之裝置，更包括—系統控^ 邏軏以開啟該第二開關而重設該第二電壓。 9. 如申請專利範圍第2項之裝置，更包括—工 控制邏輯連接該比較信號，據以決定該工作週期…- 10. 如申讀專利範圍第2項之裝置，更包括一非工 期產生電路則貞測該第二電流產生—非工作週期信號。 11. 如申請專利範圍第10項之裝置，更包括一非工

”電路連接該非工作週期信號，據以決 非工作週期。 ^ 12二如申請專利範圍第2項之裝置，更包括： -第二電壓產生器，以產生隨該二次側線圈電壓變化 的第三電壓；一第二電流源，根據該第三電應產 生一第一參考電流； -第二電流鏡電路，以鏡射該參考電流產生一第二 射電流； —1 第-充放電電路，以藉由該鏡射電流產生_第四電 20 1235621 壓·， 一第二比較器，以比較該第四電壓與一第二參考電 壓，因而產生一非工作週期信號；以及 一非工作週期決定電路，根據該非工作週期信號以決 定該開關的非工作週期。 13·—種在電容充電器中的控制方法，該電容充電器 3有一變壓裔，其一次側線圈連接在一輸入電壓與一開關 之間，藉切換該開關以產生一第一電流經該一次側線圈， 因而在一二次側線圈產生一第二電流以及一二次側線圈 電壓，其特徵在於：隨該輸入電壓的變化，改變該開關的 工作週期。 14·如申請專利範圍第13項之方法，包括下列步驟： 產生一隨該輸入電壓變化的第一電壓； 從該第一電壓產生一參考電流； 鏡射該參考電流以產生一鏡射電流； 藉該鏡射電流對一電容充電，以產生一第二電壓；以 及 比較该第二電壓與一參考電壓以決定該開關的工作 週期。 15·如申請專利範圍第14項之方法，更包括選取該電 容的電容值與該第一電流的可變量具有一比例。 16·如申請專利範圍第14項之方法，其中該產生一隨 該輸入電屋變化的第一電壓的步驟包括分壓該輪入電壓 以產生該第一電壓：〇 21 1235621 i7.如申請專利範圍第W 考電流的步驟心吝η 4項之方法，其中該產生-參 考電流。’ 〃戎輪入電壓具有一比例的該參 容 18.如申請專圍第_之方法，更包括重設該電 申切專利範圍第14項之方法，更包括下列步驟： 產生奴5亥二次側線圈電壓變化的第三電壓； 從該第三電難生—第二參考電流； ，射=第二參考電流以產生一第二鏡射電流； 藉該第二鏡射電流對一第二電容充電，以產生一第四 電壓；以及 比軏忒第四電壓與一第二參考電壓以決定該開關的 非工作週期。 22