TWI420274B - 迴授控制電路及電源轉換電路 - Google Patents

Description

迴授控制電路及電源轉換電路

本發明係關於一種迴授控制電路及電源轉換電路，尤指一種可以減少過衝現象之迴授控制電路及電源轉換電路。

請參見第一圖，為傳統之一種發光二極體驅動電路之電路示意圖。發光二極體驅動電路包含一控制器10、一轉換電路50及一發光二極體模組60。轉換電路50耦接一輸入電壓源Vin，而控制器10產生控制訊號Sc以控制轉換電路50傳送來自輸入電壓源Vin至一輸出端的電力大小。轉換電路50的輸出端耦接發光二極體模組60，以施加一輸出電壓Vout到發光二極體模組60之上，使發光二極體模組60流經一輸出電流Iout而發光。輸出電流Iout同時流經一電流偵測電阻65以產生一電流迴授訊號IFB。

控制器10包含一誤差放大器11、一三角波產生器12、一誤差補償電路13、一脈寬調變比較器18及一驅動電路19。誤差放大器11接收電流迴授訊號IFB及一參考訊號Vr，並據此產生一輸出訊號並經誤差補償電路13進行誤差補償後，成為一誤差放大訊號Vcomp。三角波產生器12產生一三角波訊號至脈寬調變比較器18。脈寬調變比較器18同時接收誤差放大訊號Vcomp以據此產生一脈寬調變訊號至驅動電路19，而驅動電路19則根據脈寬調變比較器18的脈寬調變訊號產生控制訊號Sc。

一般而言，控制器10會將輸出電流Iout穩定在一預定輸出電流Io，而此時輸出電壓Vout也會穩定在一預定輸出電壓Vo。然而，誤差放大器11係經過比較電流迴授訊號IFB及參考訊號Vr，並將兩訊號之誤差經誤差補償電路13進行誤差補償而調整誤差放大訊號Vcomp之準位。這樣的迴授控制過程會使輸出電流Iout及輸出電壓Vout會在預定輸出電流Io及預定輸出電壓Vo上下震盪並逐漸趨近(即震幅變小)。

請參見第二圖，為第一圖所示發光二極體驅動電路於調光過程的訊號波形圖。驅動電路19接收一調光訊號DIM並根據調光訊號DIM決定是否輸出控制訊號Sc。在時間點T1-T4之時間區間，調光訊號代表”ON”，此時驅動電路19輸出控制訊號Sc；在時間點T4-T1之時間區間，調光訊號代表”OFF”，此時驅動電路19停止輸出控制訊號Sc。在時間點T4-T1之時間區間，因驅動電路19停止輸出控制訊號Sc使轉換電路50停止傳送電力至發光二極體模組60，而使輸出電壓Vout於時間點T5時逐漸下降至光二極體模組60的臨界電壓Vf，此時輸出電流Iout也降至零。這會造成電流迴授訊號IFB與參考訊號Vr維持正誤差，而使誤差放大訊號Vcomp之準位上升至最大準位值。而於時間點T1，驅動電路19重新輸出控制訊號Sc時，由於誤差放大訊號Vcomp之準位在最大值，使控制訊號Sc的工作週期(Duty Cycle)也在最大值。

於時間點T2之後，輸出電流Iout高於預定輸出電流Io，使誤差放大器11開始拉低誤差放大訊號Vcomp之準位。然而，由於誤差補償電路13的誤差補償關係，誤差放大訊號Vcomp無法直接下降至一誤差穩定值Vcompo(此值為輸出電流Iout穩定預定輸出電流Io時對應的誤差放大訊號Vcomp的準位)。這導致此時的控制訊號Sc的工作週期過大，使輸出電流Iout仍繼續上升直至誤差放大訊號Vcomp低於誤差穩定值Vcompo，使控制訊號Sc的工作週期過低。於後，輸出電流Iout再度低於預定輸出電流Io，使誤差放大訊號Vcomp重新上升並超過誤差穩定值Vcompo。上述過程將持續直至時間點T3，輸出電流Iout、輸出電壓Vout、誤差放大訊號Vcomp分別收斂至對應的預定輸出電流Io、預定輸出電壓Vo及誤差穩定值Vcompo為止。

因此，當進行發光二極體模組啟動或脈衝調光(Burst Dimming)時會造成明顯、嚴重的輸出電壓Vout及輸出電流Iout的過衝現象，而過大的電流及電壓過衝會造成發光二極體瞬間發出過高亮度的亮光影響人眼視覺，除了降低電路的穩定度之外、也縮短了發光二極體操作壽命，增加了電路或發光二極體毀損的可能性。

鑑於先前技術中因迴授控制的誤差補償造成嚴重的過衝現象降低迴授控制的穩定度並增加了電路毀損之風險，本發明針對迴授控制提供迴授控制電路中誤差放大訊號的初始值設定，以降低迴授控制造成誤差放大訊號震盪的時間及幅度。因此，本發明之迴授控制電路及電源轉換電路除了降低過衝的程度及時間，同時也達到更精確、穩定的迴授控制。

為達上述目的，本發明提供一種迴授控制電路，用以控制一轉換電路將一輸入電壓轉換成一輸出電壓以驅動一負載。迴授控制電路包含一迴授單元、一積分單元、一脈寬控制單元、一第一開關以及一準位設定單元。迴授單元接收代表負載之狀態之一迴授訊號及一參考訊號，以據此產生一誤差訊號。積分單元耦接迴授單元以根據誤差訊號產生一積分訊號。脈寬控制單元根據積分訊號以產生一控制訊號以據此控制轉換電路將輸入電壓轉換成輸出電壓。第一開關耦接於迴授單元及積分單元之間，用以控制誤差訊號傳送至積分單元。準位設定單元耦接積分單元，於第一開關導通時根據積分訊號決定一設定準位，於第一開關截止時，將積分訊號之準位調整至設定準位。

本發明也提供一種電源轉換電路，用以驅動一發光二極體模組。電源轉換電路包含一轉換電路以及一控制器。轉換電路耦接發光二極體模組，用以將一電源之電力轉換以驅動發光二極體模組。控制器係用以根據代表發光二極體模組流經之一電流之一迴授訊號進行迴授控制以產生一脈寬調變訊號以控制轉換電路使電流穩定於一預定電壓值。其中，控制器接收一調光訊號，於調光訊號為一第一狀態時停止轉換電路轉換電源之電力，於調光訊號為一第二狀態時將脈寬調變訊號之一工作週期由一預定工作週期開始進行迴授控制。

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。

請參見第三圖，為根據本發明之一第一較佳實施例之一電源轉換電路之電路示意圖。電源轉換電路包含一控制器100以及一轉換電路150，用以驅動一發光二極體模組160。控制器100接收一迴授訊號FB，據此進行迴授控制以產生一控制訊號Sc以控制轉換電路150。轉換電路150之輸入端耦接一輸入電壓源Vin，輸出端耦接發光二極體模組160，以根據控制訊號Sc調控來自輸入電壓源Vin之電力大小，並轉換成適當的一輸出電壓Vout以驅動該發光二極體模組，使流經發光二極體模組的一輸出電流Iout穩定於一預定電流值。而輸出電流Iout同時也流過一電流偵測電阻165，以產生代表輸出電流Iout大小的迴授訊號FB。

控制器100包含一迴授單元111、一積分單元113、一第一開關114、一準位設定單元115以及一脈寬控制單元116。迴授單元111可以為一誤差放大器，非反相輸入端接收一參考訊號Vr，反相輸入端接收迴授訊號FB，以據此產生一誤差訊號。積分單元113根據誤差訊號產生一積分訊號Vea，其一般包含電容及電阻，根據實際應用的電路調整積分單元113的電壓增益對頻率的變化關係使控制器100的迴授控制有較佳的暫態反應。第一開關114耦接於迴授單元111及積分單元113之間，用以根據一調光訊號DIM控制誤差訊號傳送至積分單元。當調光訊號DIM的狀態為代表「ON」時，第一開關114導通，迴授單元111所產生的誤差訊號透過第一開關114傳送至積分單元113；而當調光訊號DIM的狀態為代表「OFF」時，第一開關114截止，迴授單元111所產生的誤差訊號停止傳送至積分單元113。準位設定單元115耦接積分單元113，於第一開關114導通時根據積分訊號Vea決定一設定準位Vset，於第一開關114截止時，將積分訊號Vea之準位調整至設定準位Vset。

脈寬控制單元116根據積分訊號Vea以產生一控制訊號Sc以據此控制轉換電路150進行電壓轉換。脈寬控制單元116包含一三角波產生器112、一脈寬調變比較器118及一驅動電路119。三角波產生器112產生一三角波訊號至脈寬調變比較器118之反相輸入端，而脈寬調變比較器118的非反相輸入端接收誤差放大訊號Vea以據此產生一脈寬調變訊號至驅動電路119。驅動電路119同時接收調光訊號DIM。當調光訊號DIM的狀態為代表「ON」時，驅動電路119則根據脈寬調變比較器118的脈寬調變訊號產生控制訊號Sc；當調光訊號DIM的狀態為代表「OFF」時，驅動電路119停止產生控制訊號Sc。

接著，請參見第四圖，為根據本發明之準位設定單元之一較佳實施例之電路示意圖。準位設定單元包含一分壓器101、一第一放大器102、一第三開關103、一準位儲存元件104、一第二放大器105、一反相器106及一第二開關107。請同時參見第三圖，當調光訊號DIM的狀態為代表「ON」時，第一開關114導通使積分訊號Vea經分壓器101分壓後輸入第一放大器102之非反相輸入端。第一放大器102之反相輸入端與輸出端耦接，且輸出端同時耦接準位儲存元件104。準位儲存元件104可以是一電容，透過第三開關103耦接第一放大器102。此時第三開關103受調光訊號DIM控制而導通，使準位儲存元件104與第一放大器102組成一電壓隨耦器，以將積分訊號Vea經分壓器101分壓後的準位儲存在準位儲存元件104上以形成設定準位Vset。調光訊號DIM同時經反相器106反相後控制第二開關107，使第二開關107截止。

當調光訊號DIM的狀態為代表「OFF」時，第一開關114及第三開關103截止，此時準位儲存元件104已參考積分訊號Vea而儲存了設定準位Vset。而調光訊號DIM經反相器106反相後控制第二開關107使其導通。此時，第二放大器105的輸出端耦接連接點Se(即耦接至積分單元113)，且放大器105的輸出端同時耦接反相輸入端，而非反相輸入端耦接準位儲存元件104以接收設定準位Vset。因此，第二放大器105將調整積分單元113所產生的積分訊號Vea的準位至與設定準位Vset相同。

在本實施例中，準位儲存元件104係參考分壓後的積分訊號Vse之準位來決定設定準位Vset，因此設定準位Vset低於積分訊號Vse之準位。實際應用時，設定準位Vset與積分訊號Vea的準位比例關係可以是接近1的值，例如：1.2或0.8，而不影響本發明之優點。

再來，請參見第五圖，為第三圖及第四圖所示電路於調光過程的訊號波形圖。在本實施例中，以設定準位Vset小於積分訊號Vea的準位為例進行說明。於時間點t1，調光訊號DIM剛由代表「OFF」的低準位轉為代表「ON」的高準位。此時，輸出電壓Vout由臨界電壓Vf上升，輸出電流Iout從零準位開始上升，而積分訊號Vea設定準位Vset處開始上升。因此，控制訊號Sc的工作週期由一預定工作週期(對應於設定準位Vset)開始進行迴授控制。於時間點t2，輸出電流Iout到達預定輸出電流Io，此時積分訊號Vea到達一峰值。而由於積分訊號Vea係由一設定準位Vset開始上升，而非如先前技術般由積分訊號Vea的最大值開始，故此峰值不易到達積分訊號Vea的最大值。因此，輸出電壓Vout、輸出電流Iout及積分訊號Vea相較於先前技術更快達到穩定。於時間點t3，調光訊號DIM剛由代表「ON」的高準位轉為代表「OFF」的低準位。積分訊號Vea被調整為與設定準位Vset相同，且控制訊號Sc停止產生，使轉換電路停止傳送電力。此時，輸出電壓Vout及輸出電流Iout開始下降。於時間點t4時，輸出電壓Vout下降至臨界電壓Vf，此時輸出電流Iout也下降至零。

請參見第六圖，為根據本發明之一第二較佳實施例之一電源轉換電路之電路示意圖。相較於第三圖所示之實施例，在本實施例中的電源轉換電路額外增加一驅動開關170耦接發光二極體模組160。請同時參見第七圖，為第六圖所示電源轉換電路於調光過程的訊號波形圖。當調光訊號DIM代表「ON」時，驅動開關170導通，此時電源轉換電路的操作與第三圖所示之電路相同。而當調光訊號DIM代表「OFF」時，驅動開關170截止，使輸出電流Iout無法流經電流偵測電阻165至地，也就是中斷轉換電路150提供電力至發光二極體模組160之路徑。如此，輸出電壓Vout的準位能繼續維持於預定輸出電壓Vo。於下一週期調光訊號DIM轉為代表「ON」時，更快達到平衡。

如上所述，本發明完全符合專利三要件：新穎性、進步性和產業上的利用性。本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以下文之申請專利範圍所界定者為準。

先前技術：

10．．．控制器

11．．．誤差放大器

12．．．三角波產生器

13．．．誤差補償電路

18．．．脈寬調變比較器

19．．．驅動電路

50．．．轉換電路

60．．．發光二極體模組

Vin．．．輸入電壓源

Sc．．．控制訊號

Vout．．．輸出電壓

Iout．．．輸出電流

65．．．電流偵測電阻

IFB．．．電流迴授訊號

Vr．．．參考訊號

Vcomp．．．誤差放大訊號

Vcompo．．．誤差穩定值

Io．．．預定輸出電流

Vo．．．預定輸出電壓

Vf．．．臨界電壓

T1、T2、T3、T4、T5．．．時間點

DIM．．．調光訊號

本發明：

100．．．控制器

111．．．迴授單元

112．．．三角波產生器

113．．．積分單元

114．．．第一開關

115．．．準位設定單元

116．．．脈寬控制單元

118．．．脈寬調變比較器

119．．．驅動電路

150．．．轉換電路

160．．．發光二極體模組

165．．．電流偵測電阻

170．．．驅動開關

FB．．．迴授訊號

Sc．．．控制訊號

Vin．．．輸入電壓源

Vout．．．輸出電壓

Iout．．．輸出電流

Vr．．．參考訊號

Vea．．．積分訊號

DIM．．．調光訊號

Vset．．．設定準位

101．．．分壓器

102．．．第一放大器

103．．．第三開關

104．．．準位儲存元件

105．．．第二放大器

106．．．反相器

107．．．第二開關

Se．．．連接點

t1、t2、t3、t4．．．時間點

Io．．．預定輸出電流

Vo．．．預定輸出電壓

第一圖為傳統之一種發光二極體驅動電路之電路示意圖。

第二圖為第一圖所示發光二極體驅動電路於調光過程的訊號波形圖。

第三圖為根據本發明之一第一較佳實施例之一電源轉換電路之電路示意圖。

第四圖為根據本發明之準位設定單元之一較佳實施例之電路示意圖。

第五圖為第三圖及第四圖所示電路於調光過程的訊號波形圖。

第六圖為根據本發明之一第二較佳實施例之一電源轉換電路之電路示意圖。

第七圖為第六圖所示電源轉換電路於調光過程的訊號波形圖。

100．．．控制器

111．．．迴授單元

112．．．三角波產生器

113．．．積分單元

114．．．第一開關

115．．．準位設定單元

116．．．脈寬控制單元

118．．．脈寬調變比較器

119．．．驅動電路

150．．．轉換電路

160．．．發光二極體模組

165．．．電流偵測電阻

FB．．．迴授訊號

Sc．．．控制訊號

Vin．．．輸入電壓源

Vout．．．輸出電壓

Iout．．．輸出電流

Vr．．．參考訊號

Vea．．．積分訊號

DIM．．．調光訊號

Vset．．．設定準位

Claims (9)

1. 一種迴授控制電路，用以控制一轉換電路將一輸入電壓轉換成一輸出電壓以驅動一負載，該迴授控制電路包含：一迴授單元，接收代表該負載之狀態之一迴授訊號及一參考訊號，以據此產生一誤差訊號；一積分單元，耦接該迴授單元以根據該誤差訊號產生一積分訊號；一脈寬控制單元，根據該積分訊號以產生一控制訊號以據此控制該轉換電路將該輸入電壓轉換成該輸出電壓；一第一開關，耦接於該迴授單元及該積分單元之間，用以控制該誤差訊號傳送至該積分單元；以及一準位設定單元，耦接該積分單元，於該第一開關導通時根據該積分訊號決定一設定準位，於該第一開關截止時，將該積分訊號之準位調整至該設定準位。
2. 如申請專利範圍第1項所述之迴授控制電路，其中該負載為一發光電路，而該第一開關根據一調光訊號切換。
3. 如申請專利範圍第1項所述之迴授控制電路，其中該設定準位小於該開關導通時的該積分訊號之準位。
4. 如申請專利範圍第1項所述之迴授控制電路，其中該準位設定單元包含一準位儲存元件及一第二開關，該準位儲存元件儲存該設定準位，該第二開關於該第一開關導通時截止，於該第一開關截止時導通。
5. 一種電源轉換電路，用以驅動一發光二極體模組，包含：一轉換電路，耦接該發光二極體模組，用以將一電源之電力轉換以驅動該發光二極體模組；以及一控制器，用以根據代表該發光二極體模組流經之一電流之一迴授訊號進行迴授控制以產生一脈寬調變訊號以控制該轉換電路使該電流穩定於一預定電流值；其中，該控制器接收一調光訊號，於該調光訊號為一第一狀態時停止該轉換電路轉換該電源之電力，於該調光訊號為一第二狀態時將該脈寬調變訊號之一工作週期由一預定工作週期開始進行迴授控制。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電源轉換電路，更包含一驅動開關耦接該發光二極體模組，用以於該調光訊號為該第一狀態時，中斷該轉換電路提供電力至該發光二極體模組。
7. 如申請專利範圍第5項或第6項所述之電源轉換電路，其中該控制器包含：一誤差放大器，該誤差放大器根據該迴授訊號及一參考訊號產生一誤差訊號；一積分單元，耦接該誤差放大器以根據該誤差訊號產生一積分訊號；一第一開關，耦接於該誤差放大器及該積分單元之間，用以控制該誤差訊號傳送至該積分單元；以及一準位設定電路，耦接該積分單元，於該第一開關導通時，根據該積分訊號決定一設定準位，於該開關截止時，將該積分訊號之準位調整至該設定準位。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電源轉換電路，其中該設定準位小於該調光訊號為該第二狀態時的該積分訊號之準位。
9. 如申請專利範圍第7項所述之電源轉換電路，其中該準位設定電路包含一準位儲存元件及一第二開關，該準位儲存元件用以儲存該設定準位，該第二開關於該調光訊號為該第一狀態導通，於該調光訊號為該第二狀態時截止。