TWI395080B - 適應性定電壓控制電路與適應性功率轉換控制器 - Google Patents

Description

適應性定電壓控制電路與適應性功率轉換控制器

本發明係關於一定電壓控制電路與一功率轉換控制器，特別是關於一適應性定電壓控制電路與一適應性功率轉換控制器。

定電壓定電流之轉換控制常應用於鋰電池充電模組以及限流穩壓模組(current-limiting constant-voltage regulator)等。就鋰電池充電模組而言，在鋰電池的充電過程中，鋰電池充電模組首先透過定電流控制之方式，使得鋰電池於此定電流控制週期內快速充電。隨後，當鋰電池電壓準位到達一預設保護值時，鋰電池充電模組再轉換為定電壓控制，以確實箝制鋰電池電壓準位，達成鋰電池保護之目的。就限流穩壓模組而言，限流穩壓模組利用定電壓控制，以確實控制輸出負載電壓。當輸出負載電流到達一預設保護值時，限流穩壓模組轉換為定電流控制，以確實箝制輸出負載電流，實現輸出負載限流保護的目的。

第1圖係一先前技術之定電壓定電流轉換控制器10之示意圖。如圖中所示，定電壓定電流轉換控制器10係耦接至一電源轉換電路11，此電源轉換電路11係用以供應電力至一負載12。此定電壓定電流轉換控制器10具有一電壓感測電路13、一電流感測電路14、一直流電壓準位轉換電路151與一誤差放大電路152。其中，電壓感測電路13偵測輸出負載之電壓，以輸出一電壓感測信號VOS。電流感測電路14偵測輸出負載之電流，以輸出一電流檢測信號VCS。直流電壓準位轉換電路151係接收此電流感測信號VCS，並依據一第一參考電壓信號VR1調整電流感測信號VCS之準位，以輸出一電流檢測參考信號VCI。誤差放大電路152係接收前述電壓感測信號VOS、前述電流檢測參考信號VCI以及一第二參考電壓 信號VR2，以輸出一誤差放大信號VFB。

當電壓感測信號VOS之準位高於電流檢測參考信號VCI時，誤差放大電路152依據電壓感測信號VOS與第二參考電壓信號VR2產生誤差放大信號VFB。此時，誤差放大級為電壓迴路控制，定電壓定電流轉換控制器10為定電壓回授控制。當電壓感測信號VOS之準位低於電流檢測參考信號VCI時，誤差放大電路152依據電流檢測參考信號VCI與第二參考電壓信號VR2產生誤差放大信號VFB。此時，誤差放大級為電流迴路控制，定電壓定電流轉換控制器10為定電流回授控制。藉此，即可實現定電壓定電流轉換控制的目標。

第2圖係採用第1圖所示之定電壓定電流轉換控制器10輸出之電壓與電流的關係圖。如圖中所示，在定電壓模式下，輸出電流接近定電流控制所設定之電流上限時，定電壓回授控制的電壓穩壓特性會受到定電流回授控制的干擾，使得負載電壓下降，而造成回授控制的誤差值增高，影響定電壓定電流轉換控制器10的輸出穩壓特性。

有鑑於上述問題，本發明之目的是提出一適應性功率轉換控制器，感測負載電壓及負載電流或輸入電流以產生一電壓感測信號，再透過比較此電壓感測信號與一對應於負載電流之電流感測信號，決定依據電流感測信號或是依據電壓感測信號控制，以實現適應性定電壓定電流轉換控制的目的。

為達成上述目的，本發明提供一種適應性功率轉換控制器，耦接至一負載與一電源轉換電路。此適應性功率轉換控制器包括一適應性電壓感測單元與一轉換控制電路。其中，適應性電壓感測單元係依據來自負載之一負載電流與一負載電壓輸出一電壓感測信號。轉換控制電路係用以接收前述電壓感測信號，並透過比較電壓感測信號與一對應於負載電流之電流感測信號，以決定依據電流感測信號或是依據電壓感測信號控制 該電源轉換電路提供電力至該負載。

本發明提供一種適應性功率轉換控制器，耦接至一負載與一電源轉換電路。此適應性功率轉換控制器包括一適應性電壓感測單元與一轉換控制電路。適應性電壓感測單元依據電源轉換電路之一輸入電流與來自負載之一負載電壓輸出一電壓感測信號。轉換控制電路係用以接收前述電壓感測信號，並透過比較電壓感測信號與一對應於輸入電流之電流感測信號，以決定依據電流感測信號或是電壓感測信號控制電源轉換電路提供電力至負載。

在本發明之一實施例中，前述適應性電壓感測單元包括一第一電阻、一第二電阻與一第三電阻。此三個電阻係連接成一電阻串。此電阻串之兩端分別耦接至電源轉換電路之輸出端與負載之接地端，並與負載構成一電路迴路。其中，第二電阻與第三電阻之跨壓合即為電壓感測信號，第三電阻之跨壓即為電流感測信號。

在本發明之另一實施例中，此適應性功率轉換控制器更包括一電流感測單元。此電流感測單元具有一第四電阻，串接於負載與接地端之間或是負載與電源轉換電路之輸出端之間。第四電阻之跨壓即為電流感測信號。

本發明並提供一種適應性定電壓控制電路。此適應性定電壓控制電路係耦接至一電源轉換電路，而此電源轉換電路之輸出端係耦接至一負載以提供電力。此適應性定電壓控制電路包括一適應性電壓感測單元與一控制單元。其中，適應性電壓感測單元係耦接至負載，並依據來自負載之一負載電流與一負載電壓輸出一電壓感測信號。控制單元係接收前述電壓感測信號與一參考電壓信號，並依據電壓感測信號與參考電壓信號控制電源轉換電路提供電力至負載。

本發明並提供一種適應性定電壓控制電路。此適應性定電壓控制電路係耦接至一電源轉換電路，而此電源轉換電路之輸出端係耦接至一負載。此適應性定電壓控制電路包括一適應性 電壓感測單元與一控制單元。其中，適應性電壓感測單元係耦接至負載，並依據電源轉換電路之一輸入電流與來自負載之一負載電壓輸出一電壓感測信號。控制單元係接收電壓感測信號與一參考電壓信號，並依據電壓感測信號與參考電壓信號控制電源轉換電路之電力輸出。

以上的概述與接下來的詳細說明皆為示範性質，是為了進一步說明本發明的申請專利範圍。而有關本發明的其他目的與優點，將在後續的說明與圖示加以闡述。

本發明之精神在於感測負載電壓與負載電流以產生電壓感測信號。透過比較電壓感測信號與一對應於負載電流之電流感測信號，決定依據電流感測信號或是依據電壓感測信號控制，以達到定電流控制及定電壓控制功能之切換。在本發明之一實施例中，還可利用一準位轉換電路來縮放、調整電流感測信號之準位，以達到適應性定電壓定電流控制點之調整。以下參考圖示係詳細說明本發明之適應性功率轉換控制器。

第3圖為本發明之適應性功率轉換控制器一較佳實施例之電路示意圖。如圖中所示，此適應性功率轉換控制器30包含一適應性電壓感測單元33以及一轉換控制電路35。適應性電壓感測單元33係耦接至負載22，並依據來自負載22之一負載電流ILOAD與一負載電壓VLOAD輸出一電壓感測信號VOS。前述負載電壓VLOAD即為負載22兩端之跨壓，負載電流ILOAD即為流經負載22之電流。

轉換控制電路35係用以接收前述電壓感測信號VOS，並透過比較電壓感測信號VOS與一對應於負載電流ILOAD之電流感測信號VCS，以決定依據電流感測信號VCS或是依據電壓感測信號VOS輸出一誤差放大信號VFB至電源轉換電路20以控制電源轉換電路20提供電力至負載22。

在本實施例中，轉換控制電路35直接透過適應性電壓感測單元33擷取對應於負載電流ILOAD之電流感測信號VCS。轉換控制電路35依據所接收之電壓感測信號VOS、電流感測信號VCS與一參考電壓信號VR輸出至少一誤差放大信號VFB。其中，當電流感測信號VCS之準位大於電壓感測信號VOS之準位時，轉換控制電路35依據電流感測信號VCS與參考電壓信號VR輸出誤差放大信號VFB。當電流感測信號VCS之準位小於電壓感測信號VOS之準位時，轉換控制電路35依據電壓感測信號VOS與參考電壓信號VR輸出誤差放大信號VFB。藉此，即可達到定電壓定電流轉換的目的。

其次，在本實施例中，轉換控制器35具有一準位轉換電路351及一誤差放大電路352。準位轉換電路351係接收電流檢測信號VCS，經直流電壓準位轉換後，輸出一電流檢測參考信號VCI。透過準位轉換電路351改變電流感測信號VCS的準位，即可調整定電壓定電流之控制點。

誤差放大電路352係接收電流檢測參考信號VCI、電壓感測信號VOS、以及一參考電壓信號VR，以輸出誤差放大信號VFB。進一步來說，當電壓感測信號VOS之準位高於電流檢測參考信號VCI之準位時，誤差放大電路352係依據電壓感測信號VOS與參考電壓信號VR輸出誤差放大信號VFB。此時誤差放大電路352為電壓迴路控制，功率轉換控制器30為定電壓回授控制。反之，當電壓感測信號VOS之準位低於電流檢測參考信號VCI之準位時，誤差放大電路352係依據電流檢測參考信號VCI與參考電壓信號VR輸出誤差放大信號VFB。此時，誤差放大電路352為電流迴路控制，功率轉換控制器30為定電流回授控制。如此，即可實現適應性定電壓定電流轉換控制的目標。

第4圖顯示第3圖之適應性電壓感測單元33一實施例之電路示意圖。如圖中所示，適應性電壓感測單元33具有一第一電阻R1、一第二電阻R2與一第三電阻R3。這三個電阻 R1,R2,R3係連接成一電阻串。此電阻串之一端係耦接於電源轉換電路20之輸出端OUT，另一端係耦接至負載22之接地端G，而與負載22構成一電路迴路。負載22之接地端G與電源轉換電路20之接地端(未圖示)不同。電壓感測信號VOS即為第二電阻R2與第三電阻R3上之跨壓合。第二電阻R2與第三電阻R3之接點係耦接至電源轉換電路20之輸入電壓的接地端。適當調整電源轉換電路20之輸入電流與輸出電流的電流迴路，可使電源轉換電路20之輸入電流IIN或是來自負載之負載電流ILOAD流經第三電阻R3。

在電源轉換電路20之輸入電流IIN流經第三電阻R3的情況下，電流感測信號VCS即為前述適應性電壓感測單元33之第三電阻R3上的跨壓。此第三電阻R3之跨壓VCS與負載電流ILOAD具有一比例關係。其關係式為：

其中，r3是第三電阻R3的電阻值，VIN是指電源轉換電路20的輸入電壓，VSS_IN是指電源轉換電路20的接地端電壓，VSS是指負載22的接地端電壓。

利用此電阻串所具有之分壓功能，可以使電壓感測信號VOS(VOS=VOSP-VOSN)與負載電壓VLOAD以及負載電流ILOAD產生一定之縮放比關係。其關係式為：

其中，r1與r2分別是第一電阻R1與第二電阻R2的電阻值。

前述方程式(1)與方程式(2)是針對電源轉換電路20進行降壓(buck)轉換的情況。由公式可以發現，電壓感測信號VOS是負載電壓VLOAD與負載電流ILOAD之函數，電流感測信 號VCS是負載電流ILOAD的函數。此函數關係在升壓(boost)轉換、升降壓(buck-boost)轉換等情況下依然成立。因此，本發明之概念亦可適用於其他種類之功率轉換，如升壓轉換、升降壓轉換等。

在來自負載之負載電流ILOAD流經第三電阻R3的情況下，電流感測信號VCS即為前述適應性電壓感測單元33之第三電阻R3上的跨壓。此第三電阻R3之跨壓VCS與負載電流ILOAD具有一比例關係。其關係式為：VCS =r 3×ILOAD ......(3)

其中，r3是第三電阻R3的電阻值。

利用此電阻串所具有之分壓功能，可以使電壓感測信號VOS(VOS=VOSP-VOSN)與負載電壓VLOAD以及負載電流ILOAD產生一定之縮放比關係。其關係式為：

其中，r1與r2分別是第一電阻R1與第二電阻R2的電阻值。

前述方程式(3)與方程式(4)是針對電源轉換電路20進行降壓(buck)轉換的情況。由公式中可以發現，電壓感測信號VOS是負載電壓VLOAD與負載電流ILOAD之函數，電流感測信號VCS是負載電流ILOAD的函數。此函數關係在升壓(boost)轉換、升降壓(buck-boost)轉換等情況下依然成立。因此，本發明之概念亦可適用於其他種類之功率轉換，如升壓轉換、升降壓轉換等。

第5圖顯示本發明之適應性功率轉換控制器30之另一較佳實施例。圖中省略與第3圖所示之適應性功率轉換控制器30相同的部分。如圖中所示，此適應性功率轉換控制器30除了適應性電壓感測單元33之外，還具有一電流感測電路34。此電流感測電路34具有一第四電阻R4，串接於電源轉換電路20之輸出端OUT與負載22間。也就是說，負載電流ILOAD 是先流經電流感測電路34後再流經負載22。電流感測信號VCS即為此第四電阻R4之跨壓。電流感測信號VCS與負載電流ILOAD之關係式為：VCS =r 4×ILOAD 。其中，r4是指第四電阻R4之電阻值。在實際電路配置上，為了避免電流感測信號VCS之準位超過轉換控制器35之可處理範圍，亦可以採用電流先流經負載22後再流經電流感測電路34到地之串聯關係，也就是將電流感測電路34串接於負載22與接地端G之間。

第6圖顯示利用本發明之適應性功率轉換控制器30進行定電壓定電流轉換所輸出之電壓與電流的關係圖。由於本發明之適應性功率轉換控制器30係透過感測負載電壓與負載電流以產生電壓感測信號VOS。因此，在定電壓控制下，電壓感測信號VOS會因為負載電流ILOAD的升高而受到補償。此時，誤差放大電路352所輸出之誤差放大信號VFB則會傾向提高輸出電壓VOUT。因而可以克服第2圖所示，在定電壓定電流控制點附近，定電壓回授控制的電壓穩壓特性會受到定電流回授控制的干擾之問題。此外，如第3圖所示，在實際應用上，電源轉換電路20是透過一電纜線供電至負載22。請同時參照第4圖，第三電阻R3係耦接於負載22之接地端G與電源轉換電路20之接地端(未圖示)之間，第三電阻R3之電阻值與電纜線之電阻值會具有一比例關係。因應電纜線之電阻值來調整第三電阻R3之電阻值，即可補償電傳遞過程中因為電纜線造成之壓降，以提供準確的負載電壓。

第7a與7b圖係本發明適應性定電壓控制電路40一較佳實施例之示意圖。如圖中所示，此適應性定電壓控制電路40耦接至一電源轉換電路20。此電源轉換電路20之輸出端OUT係耦接至一負載22。此適應性定電壓控制電路40具有一適應性電壓感測單元43與一控制單元45。其中，適應性電壓感測單元43係耦接至負載22，並依據來自負載22之一負載電流ILOAD與一負載電壓VLOAD輸出一電壓感測信號VOS，藉 以回授控制電源轉換電路22提供至負載22之電壓準位(即電源轉換電路20之輸出電壓VOUT的準位)。控制單元45具有一誤差放大電路452。此控制單元45係接收電壓感測信號VOS與一參考電壓信號VR，並依據電壓感測信號VOS與參考電壓信號VR輸出至少一誤差放大信號VFB至電源轉換電路20。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

10‧‧‧定電壓定電流轉換控制器

11‧‧‧電源轉換電路

12‧‧‧負載

13‧‧‧電壓感測電路

14‧‧‧電流感測電路

151‧‧‧直流電壓準位轉換電路

152‧‧‧誤差放大電路

22‧‧‧負載

20‧‧‧電源轉換電路

30‧‧‧適應性功率轉換控制器

33‧‧‧適應性電壓感測單元

34‧‧‧電流感測電路

35‧‧‧轉換控制電路

351‧‧‧準位轉換電路

352‧‧‧誤差放大電路

40‧‧‧適應性定電壓控制電路

43‧‧‧適應性電壓感測單元

45‧‧‧控制單元

452‧‧‧誤差放大電路

VOS‧‧‧電壓感測信號

VCS‧‧‧電流檢測信號

VR1‧‧‧第一參考電壓信號

VCI‧‧‧電流檢測參考信號

VR2‧‧‧第二參考電壓信號

VFB‧‧‧誤差放大信號

ILOAD‧‧‧負載電流

VLOAD‧‧‧負載電壓

VR‧‧‧參考電壓信號

R1‧‧‧第一電阻

R2‧‧‧第二電阻

R3‧‧‧第三電阻

R4‧‧‧第四電阻

OUT‧‧‧電源轉換電路之輸出端

G‧‧‧負載之接地端

VIN‧‧‧電源轉換電路的輸入電壓

VOUT‧‧‧電源轉換電路的輸出電壓

VSS_IN‧‧‧電源轉換電路的接地端電壓

VSS‧‧‧負載的接地端電壓

IIN‧‧‧電源轉換電路的輸入電流

第1圖係一先前技術定電壓定電流轉換控制器之示意圖。

第2圖顯示第1圖之定電壓定電流轉換控制器所控制輸出之電壓與電流之關係圖。

第3圖係本發明適應性功率轉換控制器一較佳實施例之示意圖。

第4圖係第3圖之適應性電壓感測單元一較佳實施例之示意圖。

第5圖係本發明適應性功率轉換控制器另一實施例之示意圖。

第6圖顯示本發明適應性功率轉換控制器所控制輸出之電壓與電流之關係圖。

第7a與7b圖係本發明適應性定電壓控制電路一較佳實施例之示意圖。

22‧‧‧負載

20‧‧‧電源轉換電路

30‧‧‧適應性功率轉換控制器

33‧‧‧適應性電壓感測單元

35‧‧‧轉換控制電路

351‧‧‧準位轉換電路

352‧‧‧誤差放大電路

VOS‧‧‧電壓感測信號

VCS‧‧‧電流檢測信號

VCI‧‧‧電流檢測參考信號

VFB‧‧‧誤差放大信號

ILOAD‧‧‧負載電流

VLOAD‧‧‧負載電壓

VR‧‧‧參考電壓信號

G‧‧‧負載之接地端

VIN‧‧‧電源轉換電路的輸入電壓

VOUT‧‧‧電源轉換電路的輸出電壓

VSS‧‧‧負載的接地端電壓

Claims (10)

1. 一種適應性功率轉換控制器，耦接至一負載與一電源轉換電路，該適應性功率轉換控制器包括：一適應性電壓感測單元，依據該電源轉換電路之一輸入電流與來自該負載之一負載電壓輸出一電壓感測信號，其中，該適應性電壓感測單元包括一第一電阻、一第二電阻與一第三電阻，該第一電阻、該第二電阻與該第三電阻係構成一電阻串，該電阻串之兩端分別連接至該電源轉換電路之一輸出端與該負載之一接地端，該第二電阻與該第三電阻之接點係連接至該電源轉換電路之一輸入電壓之接地端，該輸入電流係流經該第三電阻，並且該負載之該接地端與該輸入電壓之接地端不同；以及一轉換控制電路，接收該電壓感測信號，透過比較該電壓感測信號與一對應於該輸入電流之電流感測信號，以決定依據該電流感測信號或是該電壓感測信號控制該電源轉換電路提供電力至該負載。
2. 如申請專利範圍第1項之適應性功率轉換控制器，其中，該電壓感測信號等於該第二電阻與該第三電阻之跨壓合。
3. 如申請專利範圍第1項之適應性功率轉換控制器，其中，該電流感測信號等於該第三電阻之跨壓。
4. 如申請專利範圍第3項之適應性功率轉換控制器，其中，該第三電阻之跨壓與來自該負載之一負載電流具有一比例關係。
5. 如申請專利範圍第1項之適應性功率轉換控制器，其中，該第一電阻之一端係電連接至該電源轉換電路之輸出端，另一端係電連接該第二電阻。
6. 如申請專利範圍第1項之適應性功率轉換控制器，其中，該轉換控制電路具有一準位轉換電路，用以調整該電流感測信號之準位，並且，該轉換控制電路係比較調整後之該電流感測信號之準位與該電壓感測信號之準位，以輸出該誤差放大信號。
7. 如申請專利範圍第1項之適應性功率轉換控制器，更包括一電流感測單元，該電流感測單元具有一第四電阻，串接於該負載與一接地端之間。
8. 如申請專利範圍第1項之適應性功率轉換控制器，更包括一電流感測單元，該電流感測單元具有一第四電阻，串接於該電源轉換電路之該輸出端與該負載之間。
9. 一種適應性定電壓控制電路，耦接至一電源轉換電路，該電源轉換電路之輸出端係耦接至一負載，該適應性定電壓控制電路包括：一適應性電壓感測單元，該適應性電壓感測單元耦接至該負載，並依據該電源轉換電路之一輸入電流與來自該負載之一負載電壓輸出一電壓感測信號，其中，該適應性電壓感測單元具有一第一電阻、一第二電阻與一第三電阻，串接成一電阻串，該電阻串之兩端分別連接至該電源轉換電路之該輸出端與該負載之一接地端，該電壓感測信號係對應於該第二電阻與第三電阻之跨壓合，該第二電阻與該第三電阻之接點係連接至該電源轉換電路之一輸入電壓之接地端，該輸入電流係流經該第三電阻，並且該負載之該接地端與該輸入電壓之接地端不同；以及一控制單元，接收該電壓感測信號與一參考電壓信號，並依據該電壓感測信號與該參考電壓信號控制該電源轉換電路之電力輸出。
10. 如申請專利範圍第9項之適應性定電壓控制電路，其中，該第三電阻之跨壓與來自該負載之一負載電流具有一比例關係。