TWI412219B - 具供電線線損補償功能之電源控制電路與補償供電線線損之方法 - Google Patents

Description

具供電線線損補償功能之電源控制電路與補償供電線線損之方法

本發明係關於一電源控制電路，尤其是一種具供電線線損補償功能之電源控制電路。

第1圖係一典型降壓功率轉換器(Buck Converter)之電路圖。此降壓功率轉換器10係透過一供電線20供電至負載30。為了穩定輸出電壓Vo的電位，降壓功率轉換器10具有一回授電路12與一控制器14。回授電路12係由二個電阻串接而成，用以偵測降壓功率轉換器10之輸出電壓Vo的電位，並產生回授訊號Vfb輸出至控制器14。控制器14係依據所接收之回授訊號Vfb，控制開關之導通狀態，以調整輸出電壓Vo的電位。

由於供電線20上存在有寄生電阻Rw，電流透過供電線20提供至負載30時，在供電線20上會產生線損Vw(Vw=2*Rw*Io)，而導致實際供應至負載30之負載電壓Vo’低於降壓功率轉換器10之輸出電壓Vo。

為了補償供電線20所造成之線損，請參照第2圖所示，一典型之解決方法是另外連接一導線22至負載30，遠端偵測(Remote Sense)供應至負載之電壓Vo’的電位來進行回授控制。圖中之導線22即是直接偵測負載30之電源供應端來進行回授控制。此補償方式可以補償供電線20所造成之線損的一半。然而，此遠端偵測之方法需要另外連接至少一導線22至負載30進行偵測，而會導致成本提高。又，隨著供電距離增加，所需使用的導線22的長度也要增加。

有鑑於上述問題，本發明之目的是提出一具有供電線線損補償功能之電源控制電路，不需使用導線偵測負載端之電壓，即可補償供電線所造成之線損以提供準確的負載電壓。

為達成上述目的，本發明提供一種具有供電線線損補償功能之電源控制電路。此電源控制電路係應用於一功率轉換器。功率轉換器之一電源輸出係透過一供電線耦接至一負載。電源控制電路包括一回授電路、一控制器與一補償電阻。其中，回授電路係用以偵測功率轉換器之一輸出電壓，以產生一回授訊號。控制器係依據回授訊號調整功率轉換器之輸出電壓之電位。補償電阻與該供電線構成一供電電路迴路，並與該回授電路構成一回授電路迴路，以墊高該回授訊號之電位。

本發明並提供一種補償供電線線損之方法。首先，提供一供電線。功率轉換器係透過此供電線供電至一遠端負載。隨後，依據供電線之電阻值，選定一補償電阻。接下來，將補償電阻耦接至供電線，並將此補償電阻耦接於功率轉換器之一回授電路，以墊高回授電路所產生之一回授訊號的電位。

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。

本發明之精神在於耦接一補償電阻至供電線，並利用此補償電阻之壓降墊高回授訊號之電位，以補償供電線之線損。

第3圖係本發明具有供電線補償功能之電源控制電路200一較佳實施例之示意圖。電源控制電路200係應用於一功率轉換器100，以控制功率轉換器100之輸出。此功率轉換器100之一輸出電壓Vo係透過一供電線20提供至一負載30。

如圖中所示，電源控制電路200包括一回授電路220、一控制器240與一補償電阻R3。其中，回授電路220係用以偵測功率轉換器100之輸出電壓Vo，以產生一回授訊號Vfb。此回授訊號Vfb係傳送至控制器240之一回授控制端FB。控制器240係依據回授訊號Vfb控制功率轉換器100之一開關(未圖示)的工作週期(duty cycle)，以調整功率轉換器100之輸出電壓Vo的電位。

補償電阻R3之一第一端N1係耦接至回授電路220，並與回授電路220構成一回授電路迴路(如圖中虛線箭頭所標示)。補償電阻R3之一第二端N2係耦接至供電線20，並與供電線20構成一供電電路迴路(如圖中實線箭頭所標示)。控制器240之一接地端GND係耦接至回授電路迴路之一終端，並且，控制器240之接地端GND同時耦接至補償電阻R3與供電線20間之供電電路迴路上。藉此，補償電阻R3可擷取或感測供電線20上之電流值，並依據此電流值墊高回授訊號Vfb的電位，以達到補償供電線20線損之目的。

在本實施例中，回授電路220係一分壓電路。此分壓電路具有一高電位端耦接至功率轉換器100之電源輸出的電源供應端OUT，一低電位端耦接補償電阻R3，以及一輸出端耦接至控制器240以輸出回授訊號Vfb。又，就一較佳實施例而言，如圖中所示，此回授電路220可由一第一電阻R1與一第二電阻R2所構成。其中，第一電阻R1之一端係連接至功率轉換器100之電源輸出的電源供應端OUT，另一端係連接至第二電阻R2。第一電阻R1與第二電阻R2之接點係輸出回授訊號Vfb。補償電阻R3係串接至第二電阻R2，以墊高回授訊號Vfb之電位。

本實施例之功率轉換器100可為任何一種需要回授控制之功率轉換器，例如：降壓型(buck)功率轉換器、升壓型(boost)功率轉換器、返馳式(flyback)功率轉換器等。以下係以降壓式功率轉換器為例說明本發明。

第4圖係本發明具有供電線補償功能之電源控制電路應用於降壓式功率轉換器300一較佳實施例之示意圖。圖中之降壓式功率轉換器300係透過一供電線20耦接至一負載30。此降壓式功率轉換器300包括一開關Q、一電感L、一電容C 與一個二極體D。當輸出電壓Vo過低時，開關Q導通而產生電流對電容C充電，以提高輸出電壓Vo之電位。當輸出電壓Vo到達預設之電壓電位後，開關Q關斷。此時，電流係沿著電感L、電容C與二極體D所構成之迴路流動。

回授電路420具有一第一電阻R1與一第二電阻R2。第一電阻R1係串接至第二電阻R2以構成一分壓電路。此分壓電路420之一高電位端係連接至功率轉換器300之電源輸出的電源供應端OUT。此回授電路420之一低電位端係耦接補償電阻R3。第一電阻R1與第二電阻R2之接點係輸出回授訊號Vfb。

補償電阻R3之第一端N1係耦接第二電阻R2，第二端N2係耦接控制器440之接地端GND。對於由回授電路420與補償電阻R3所構成之一回授電路迴路而言，補償電阻R3上所產生之壓降可用以墊高回授訊號Vfb的電位。

其次，補償電阻R3之第二端N2係同時耦接至供電線20，第一端N1係同時耦接至功率轉換器300之電源輸入的接地端VG”。因此，補償電阻R3上的電流Ii與流經供電線20之電流Io會有一定之比例關係。亦即，補償電阻R3上的壓降會正比於供電線20造成之線損。

在本實施例中，補償電阻R3之第二端N2係耦接至二極體D之正端，擷取功率轉換器300之輸入電流Ii，藉以偵測供電線20上的電流Io(供電線20上之電流Io與輸入電流Ii具有一比例關係)。回授電路420係依據補償電阻R3上的壓降，提高回授訊號Vfb之電位以補償供電線20之線損。換言之，此回授電路420可依據補償電阻R3偵測到的輸出電流Io，提高回授訊號Vfb之電位以補償供電線20之線損。

同時請參照第4A圖，回授電路420與補償電阻R3係構成一感測電路410。此感測電路410除了感測功率轉換器300之輸出電壓Vo的電位，同時亦感測供電線20上的電流Io，藉以輸出回授訊號Vfb。如圖中所示，感測電路410包括第一電阻R1、第二電阻R2與補償電阻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功率轉換器300之電源輸出的電源供應端OUT，另一端係耦接至負載30之接地端VG’，而與負載30構成一電路迴路。負載30之接地端VG’與功率轉換器300之接地端VG,VG”可以是互相獨立的。

如第4圖所示，在本實施例中，補償電阻R3係擷取功率轉換器300之輸入電流Ii，電流感測信號VCS為補償電阻R3上的跨壓。此補償電阻R3之跨壓與負載電流Io具有一比例關係。其關係式為：

其中，r3是補償電阻R3的電阻值，Vi是指功率轉換器300的輸入電壓，Vo是指功率轉換器300的輸出電壓，Vg”是指功率轉換器300之電源輸入的接地端電壓，Vg’是指負載30的接地端電壓。

電壓感測信號VOS即為第二電阻R2與補償電阻R3上之跨壓合。利用電阻串所具有之分壓功能，可以使電壓感測信號VOS與負載電壓Vo’以及負載電流Io產生一定之縮放比關係。其關係式為：

其中，r1,r2分別是第一電阻R1與第二電阻R2的電阻值。

依據前述方程式(1)與(2)，適應性感測電路410可依據補償電阻R3上的跨壓(即電流感測信號VCS)，提高回授訊號Vfb的電位。

前述方程式(1)與方程式(2)是針對功率轉換器300進行降壓(buck)轉換的情況。由公式(2)可以發現，電壓感測信號VOS是負載電壓Vo’與負載電流Io之函數，電流感測信號VCS亦然。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。

就一較佳實施例而言，補償電阻R3可以使功率轉換器300之輸出電壓Vo增加V1(V1=(R1/R2)*Ii*R3)，以補償實際上提供至負載30之電壓Vo’。因此，若需完整補償供電線20的寄生電阻2*Rw，可設定補償電阻R3之電阻值為：R3=2*(R2/R1)*Rw*(Vi/Vo)。補償電阻R3之電阻值與供電線20之電阻值2*Rw具有一預設比例關係。

第5圖係本發明具有供電線補償功能之電源控制電路應用於降壓式功率轉換器300另一較佳實施例之示意圖。不同於第4圖之實施例，在本實施例中，補償電阻R3之第一端N1係耦接至二極體D，第二端N2係耦接至電容C，以擷取功率轉換器300之輸出電流Io。

同時請參照第4A圖，在本實施例中，補償電阻R3擷取功率轉換器300之輸出電流Io。此時，補償電阻R3之跨壓與負載電流Io具有一比例關係。其關係式為：

VCS =r 3×Io ......(3)

其中，r3是補償電阻R3的電阻值。

利用電阻串所具有之分壓功能，可以使電壓感測信號VOS與負載電壓Vo’以及負載電流Io產生一定之縮放比關係。其關係式為：

其中，r1,r2分別是第一電阻R1與第二電阻R2的電阻值。

依據前述方程式(1)與(2)，適應性感測電路410可依據補償電阻R3上的跨壓(即電流感測信號VCS)，提高回授訊號Vfb的電位。

透過補償電阻R3之設置，可使功率轉換器300輸出電壓Vo增加V2(V2=(R1/R2)*Io*R3)，以補償實際上提供至負載30之電壓Vo’。因此，若需完整補償供電線20的寄生電阻2*Rw，可設定補償電阻R3之電阻值為：R3=2*(R2/R1)*Rw。補償電阻R3之電阻值與供電線20之電阻值2*Rw具有一預設比例關係。

第5A圖係本發明具有供電線補償功能之電源控制電路應用於降壓式功率轉換器300又一較佳實施例之示意圖。如同第5圖之實施例，在本實施例中，補償電阻R3之第一端N1係耦接至二極體D。不過，補償電路R3的第二端N2則是耦接至供電線20與控制器540之接地端GND，以擷取功率轉換器300之輸出電流Io。也就是說，控制器540之接地端GND係耦接供電線20，補償電阻R3係耦接於控制器540之接地端GND與電源輸出之接地端VG之間。本實施例之補償電阻R3與供電線20之電阻值的比例與第5圖之實施例具有相同的比例關係。

第6圖係本發明補償供電線線損之方法一較佳實施例之流程圖。同時請參照第3圖，首先，如步驟S10所示，提供一供電線20，隨後，如步驟S20所示，依據供電線20之電阻值，選定一補償電阻R3。補償電阻R3之大小係正比於供電線20之電阻。接下來，如步驟S30所示，將補償電阻R3耦接至供電線20，以感測供電線20上之電流。然後，如步驟S40所示，將補償電阻R3耦接於功率轉換器100之一回授電路220上，以墊高回授電路220所產生之一回授訊號Vfb之電位。

同時請參照第4圖與第5圖，透過改變補償電阻R3之連接位置，補償電阻R3可用以偵測功率轉換器300之輸出電流Io或是輸入電流Ii，而同樣可以達到補償供電線20線損之目的。進一步來說，若是將補償電阻R3耦接至功率轉換器300之電源輸出之接地端VG，則可用以偵測功率轉換器300之輸出電流Io。反之，若是將補償電阻R3耦接功率轉換器300之一電源輸入之接地端VG”，則可用以偵測功率轉換器300之輸入電流Ii。

如第2圖所示，傳統上補償供電線20線損之方法必須另外連接至少一導線22至負載30進行遠端偵測，而會導致裝置成本提高。又，隨著供電距離增大，導線22的長度也需要同步增長而造成導線22成本提高。相較之下，如第3圖所示，本發明之電源控制電路200只需使用一補償電阻R3，即可補償供電線20之線損。又，此補償電阻R3不需連接至遠端之負載30，因此可以有效降低裝置成本。

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．．．降壓功率轉換器

20．．．供電線

30．．．負載

Vi．．．輸入電壓

Vo．．．輸出電壓

12．．．回授電路

14．．．控制器

Vfb．．．回授訊號

Rw．．．供電線之寄生電阻

Vo’．．．負載電壓

22．．．導線

100．．．功率轉換器

200．．．電源控制電路

220．．．回授電路

R3．．．補償電阻

240．．．控制器

FB．．．回授控制端

GND．．．接地端

N1．．．補償電阻之第一端

N2．．．補償電阻之第二端

OUT．．．功率轉換器電源輸出之電源供應端

R1．．．第一電阻

R2．．．第二電阻

300．．．降壓式功率轉換器

Q．．．開關

L．．．電感

C．．．電容

D．．．二極體

410．．．感測電路

420,520．．．回授電路

440,540．．．控制器

VG”．．．功率轉換器電源輸入之接地端

VG．．．功率轉換器電源輸出之接地端

VG’．．．負載之接地端

Ii．．．功率轉換器之輸入電流

Io．．．功率轉換器之輸出電流

第1圖係一典型降壓功率轉換器(Buck Converter)之電路圖。

第2圖係另一典型降壓功率轉換器之電路圖。

第3圖係本發明具有供電線線損補償功能之電源控制電路一較佳實施例之示意圖。

第4與4A圖係本發明具有供電線線損補償功能之電源控制電路應用於降壓式功率轉換器一較佳實施例之示意圖。

第5圖係本發明具有供電線線損補償功能之電源控制電路應用於降壓式功率轉換器另一較佳實施例之示意圖。

第5A圖係本發明具有供電線線損補償功能之電源控制電路應用於降壓式功率轉換器又一較佳實施例之示意圖。

第6圖係本發明補償供電線線損之方法一較佳實施例之流程圖。

20．．．供電線

30．．．負載

100．．．功率轉換器

200．．．電源控制電路

220．．．回授電路

R3．．．補償電阻

240．．．控制器

FB．．．回授控制端

GND．．．接地端

N1．．．補償電阻之第一端

N2．．．補償電阻之第二端

OUT．．．功率轉換器電源輸出之電源供應端

R1．．．第一電阻

R2．．．第二電阻

VG．．．功率轉換器電源輸出之接地端

Vo．．．輸出電壓

Vo’．．．負載電壓

Claims (16)

1. 一種具有供電線補償功能之電源控制電路，應用於一功率轉換器，該功率轉換器之一電源輸出係透過一供電線耦接至一負載，該電源控制電路包括：一回授電路，偵測該功率轉換器之一輸出電壓，以產生一回授訊號；一控制器，依據該回授訊號調整該功率轉換器之該輸出電壓之電位；以及一補償電阻，該補償電阻與該供電線構成一供電電路迴路，以感測該供電線上之電流，並與該回授電路構成一回授電路迴路，以墊高該回授訊號之電位。
2. 如申請專利範圍第1項之電源控制電路，其中，該補償電阻之電阻值係正比於該供電線之電阻值。
3. 如申請專利範圍第1項之電源控制電路，其中，該補償電阻與之一第一端係耦接該回授電路，該補償電阻之一第二端耦接該供電線。
4. 如申請專利範圍第1項之電源控制電路，其中，該回授電路係一分壓電路，該分壓電路具有一高電位端耦接該功率轉換器之該電源輸出之電源供應端，一低電位端耦接該功率轉換器之一電源輸入之接地端與該補償電阻，與一輸出端用以輸出該回授訊號。
5. 如申請專利範圍第3項之電源控制電路，其中，該補償電阻之該第二端係耦接該控制器之一接地端。
6. 如申請專利範圍第5項之電源控制電路，其中，該補償電阻係耦接該功率轉換器之該電源輸出之接地端，該功率轉換器 之一輸出電流係流經該補償電阻。
7. 如申請專利範圍第5項之電源控制電路，其中，該補償電阻係耦接該功率轉換器之一電源輸入之接地端，該功率轉換器之一輸入電流係流經該補償電阻。
8. 如申請專利範圍第5項之電源控制電路，其中，該控制器之該接地端係耦接該供電線。
9. 如申請專利範圍第6項之電源控制電路，其中，該補償電阻係耦接於該控制器之該接地端與該電源輸出之該接地端間。
10. 如申請專利範圍第1項之電源控制電路，其中，該控制器之一接地端係耦接至該回授電路迴路之一終端，並且，該控制器之該接地端係耦接至該補償電阻與該供電線間之該供電電路迴路上。
11. 如申請專利範圍第1項之電源控制電路，其中，該補償電路係偵測該功率轉換器一輸出電流。
12. 如申請專利範圍第1項之電源控制電路，其中，該補償電路係偵測該功率轉換器一輸入電流。
13. 一種補償供電線線損之方法，包括：提供一供電線，一功率轉換器係透過該供電線供電至一遠端負載；依據該供電線之電阻值，選定一補償電阻；將該補償電阻耦接至該供電線；以及將該補償電阻耦接於該功率轉換器之一回授電路，以墊高該回授電路所產生之一回授訊號的電位。
14. 如申請專利範圍第13項之補償供電線線損之方法，其中，該補償電阻係用以偵測該功率轉換器之一輸出電流或是一輸入電流。
15. 如申請專利範圍第14項之補償供電線線損之方法，其中，該補償電阻係耦接該功率轉換器之一電源輸出之接地端，以偵測該功率轉換器之該輸出電流。
16. 如申請專利範圍第14項之補償供電線線損之方法，其中，該補償電阻係耦接該功率轉換器之一電源輸入之接地端，以偵測該功率轉換器之該輸入電流。