TWI435528B - 電源控制電路 - Google Patents

Description

電源控制電路

本發明係關於一種電源控制電路，特別關於一種具脈寬調變之電源控制電路。

脈寬調變(Pulse Width Modulation,PWM)為切換模式電源供應電路中的一種傳統技術，其方法為控制切換元件的導通時間以達到所需之負載需求。

請參照圖1所示，其為習知一種電源控制電路1的功能方塊圖。電源控制電路1具有一電源單元11、一轉換單元12、一電壓回授單元13、一控制單元14以及一前饋單元15。電源單元11係輸出一電源訊號PS。轉換單元12係依據電源訊號PS輸出一驅動訊號DS，以驅動一負載裝置L。電壓回授單元13係依據驅動訊號DS的變化(即負載裝置L的負載變化)輸出回授訊號V_C 以輸入控制單元14。前饋單元15係依據輸入轉換單元12之電源訊號PS的電流輸出一前饋訊號IS。而控制單元14係依據回授訊號V_C 及前饋訊號IS輸出一控制訊號CS，以控制轉換單元12之一切換開關(圖未顯示)導通或截止。其中，控制訊號CS可控制切換開關之責任週期(即控制導通時間)。藉由切換開關之不同責任週期的導通，可使轉換單元12產生之驅動訊號DS與負載裝置L達到平衡。

例如，當負載裝置L的負載降低時，驅動訊號DS的電壓值將上升，電壓回授單元13感測驅動訊號DS的變化並輸出回授訊號V_C 。另外，負載裝置L的負載降低時，驅動訊號DS的電流值亦降低，使得輸入轉換單元12之電源訊號PS的電流也相對變小，此時，前饋單元15感測輸入轉換單元12之電流變化輸出前饋訊號IS。控制單元14整合回授訊號V_C 及前饋訊號IS並輸出控制訊號CS，以降低切換開關之責任週期(即降低切換訊號的導通時間)，以減少轉換單元12的輸出功率，進而減少電源單元11之輸出功率而與負載裝置L達到平衡。

然而，上述之脈寬調變技術中，當負載變化時(例如由重載變為輕載或無載時)，輸入轉換單元12之電源訊號PS的電流也相對變化，但是控制單元14輸出之控制訊號CS控制轉換單元12之切換開關導通與截止的切換頻率卻是固定不變的。另外，為了減少電源控制電路1的元件體積及降低電路成本，切換開關的切換頻率均設計得相當高(例如可達1百萬赫兹)。因此，當負載變化時，切換頻率固定不變將造成轉換單元12的切換損失相當大，進而造成電源控制電路1的效率降低。

因此，如何提供一種電源控制電路，可依據負載的變化調整切換頻率，以降低切換損失，進而可提高電源控制電路的效率，已成為重要課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種可依據負載的變化調整切換頻率，以降低切換損失，進而可提高效率之電源控制電路。

為達上述目的，依據本發明之一種電源控制電路包括一電源單元、一轉換單元、一控制單元、一前饋單元以及一頻率線性調整單元。電源單元係輸出一電源訊號。轉換單元係依據電源訊號產生一驅動訊號。控制單元係產生一控制訊號以控制轉換單元。前饋單元係依據輸入轉換單元之電源訊號的電流產生一前饋訊號。頻率線性調整單元係依據前饋訊號產生一頻率調整訊號，頻率調整訊號輸入控制單元以控制控制單元之振盪頻率，進而使控制訊號降低轉換單元之切換頻率。

在本發明之一實施例中，轉換單元係為返馳式轉換器、或順向式轉換器、或升壓式轉換器、或降壓式轉換器、或升/降壓式轉換器、或邱克(Cuk)轉換器、或Sepic轉換器、或Zeta轉換器、或推挽式轉換器、或全橋式轉換器、或半橋式轉換器。

在本發明之一實施例中，前饋單元具有一前饋電阻及一低通濾波電路，前饋電阻及低通濾波電路將輸入轉換單元之電源訊號的電流轉換成前饋訊號。

在本發明之一實施例中，轉換單元具有至少一切換元件，控制訊號係藉由調整切換元件之切換頻率，進而控制轉換單元之切換頻率。

在本發明之一實施例中，控制單元具有一頻率調整電容，頻率調整訊號係輸入頻率調整電容的第一端。

在本發明之一實施例中，頻率調整訊號係降低頻率調整電容之充電電流，進而降低控制單元之振盪頻率，以使控制訊號降低切換元件之切換頻率。

在本發明之一實施例中，頻率線性調整單元具有一開關元件，前饋訊號控制開關元件輸出頻率調整訊號。

在本發明之一實施例中，開關元件的第二端係與頻率調整電容的第一端電性連接，開關元件的第三端係電性接地。

在本發明之一實施例中，前饋訊號控制開關元件，進而降低頻率調整電容的充電電流。

在本發明之一實施例中，切換元件及開關元件係包含雙載子接面電晶體，或場效電晶體、或金屬氧化物半導體場效電晶體。

在本發明之一實施例中，電源控制電路更包括一電壓回授單元，其係與轉換單元及控制單元電性連接，並依據驅動訊號產生一電壓回授訊號。

在本發明之一實施例中，電壓回授單元將驅動訊號之電壓轉換，並輸出電壓回授訊號，以使控制訊號改變切換元件的責任週期。

在本發明之一實施例中，控制單元係依據頻率調整訊號、電壓回授訊號及前饋訊號產生控制訊號，以控制切換元件。

在本發明之一實施例中，當輸入轉換單元之電源訊號的電流值越小時，控制單元依據頻率調整訊號使頻率調整電容的充電電流越小，進而使控制訊號控制切換元件之切換頻率降低越多。

承上所述，因依據本發明之電源控制電路之前饋單元係依據輸入轉換單元之電源訊號的電流產生一前饋訊號，而頻率線性調整單元係依據前饋訊號產生一頻率調整訊號，且頻率調整訊號輸入控制單元，以控制控制單元之振盪頻率。藉此，可依據電源訊號的電流值控制控制單元之振盪頻率。因此，當負載裝置的負載降低時(例如由重載變為輕載或無載時)，前饋訊號可降低控制單元內之控制IC的振盪頻率，進而降低轉換單元之切換元件的切換損失。與習知相較，本發明之電源控制電路可依據輸入轉換單元之電源訊號的電流值調整(降低)轉換單元之切換元件的切換頻率，故可減少切換元件切換時之暫態損失，進而可提高電源控制電路的效率。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種電源控制電路，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請同時參照圖2A及圖2B所示，其分別為本發明較佳實施例之一種電源控制電路2的功能方塊示意圖及電路示意圖。電源控制電路2為一電源供應器，並可依據不同的負載狀況供應電力給一負載裝置L使用。其中，負載裝置L例如可為一家電產品、手機、電腦、全球定位系統(global position system,GPS)、個人行動助理(personal digital assistant,PDA)或其它電子產品。於此，並不加以限制。

電源控制電路2包括一電源單元21、一轉換單元22、一控制單元23、一前饋單元24、一頻率線性調整單元25以及一電壓回授單元26。

電源單元21係輸出一電源訊號PS。於此，電源訊號PS係為一直流訊號。其中，電源單元21可具有固定電壓準位或可變電壓準位。若為可變電壓準位，其電壓準位例如可於36伏特至75伏特之間變動。另外，若使用交流電源來驅動負載裝置L，則電源單元21內係包含有整流電路，使輸出之電源訊號PS為直流電壓訊號。

轉換單元22係與電源單元21電性連接，轉換單元22係依據電源訊號PS產生一驅動訊號DS，以供應負載裝置L所需的電力。其中，轉換單元22係為一直流轉直流轉換器(DC-DC Converter)，其例如可為返馳式轉換器、或順向式轉換器、或升壓式轉換器、或降壓式轉換器、或升/降壓式轉換器、或邱克(Cuk)轉換器、或Sepic轉換器、或Zeta轉換器、或推挽式轉換器、或全橋式轉換器、或半橋式轉換器。在本實施例中，轉換單元22係以一返馳式轉換器為例。

轉換單元22具有至少一切換元件221，而控制單元23係與轉換單元22之切換元件221電性連接。在本實施例中，轉換單元22係以具有一切換元件221為例來說明，然並不以此為限。

控制單元23係產生一控制訊號CS以控制轉換單元22之切換元件221。其中，控制訊號CS係為一脈寬調變訊號，並可控制切換元件221的導通與截止，以使轉換單元22依據電源訊號PS輸出驅動訊號DS。

電壓回授單元26係與轉換單元22及控制單元23電性連接。電壓回授單元26係依據驅動訊號DS輸出一電壓回授訊號V_C 。在本實施例中，電壓回授單元26具有兩串聯的電阻R1、R2，使得電壓回授訊號V_C 為驅動訊號DS的分壓。換言之，電壓回授單元26係將驅動訊號DS之電壓進行分壓轉換，以輸出電壓回授訊號V_C 。於此，電壓回授訊號V_C 的電壓係等於R2×DS/(R1+R2)。

若驅動訊號DS因負載產生變化而使其電壓準位改變時，電壓回授訊號V_C 的電壓準位亦相同比例改變。換言之，當驅動訊號DS之電壓值因負載裝置L的負載變化時，電壓回授單元26可依據變化之驅動訊號DS的電壓準位輸出一電壓回授訊號V_C ，並輸入控制單元23。

前饋單元24係依據輸入轉換單元22之電源訊號PS的電流產生一前饋訊號IS。在本實施例中，前饋單元24具有一電阻241及一低通濾波電路242。前饋電阻241及低通濾波電路242係將輸入轉換單元22之電源訊號PS的電流轉換成前饋訊號IS。於此，輸入轉換單元22之電源訊號PS的電流係流入轉換單元22之一變壓元件222的一次側線圈，並流經切換元件221及流入前饋單元24之電阻241，因此，前饋單元24之節點A的電壓V_A 係與電源訊號PS的電流值成正比。電壓V_A 可建立流經低通濾波電路242的電流，而低通濾波電路242濾除其高頻雜訊後輸出前饋訊號IS。前饋訊號IS係輸入控制單元23及頻率線性調整單元25。

控制單元23係與轉換單元22、前饋單元24、頻率線性調整單元25及電壓回授單元26電性連接。其中，控制單元23係依據電壓回授訊號V_C 、前饋訊號IS及頻率線性調整單元25產生之一頻率調整訊號FS輸出控制訊號CS，以控制切換元件221。於此，控制單元23係整合電壓回授訊號V_C 、前饋訊號IS及頻率調整訊號FS並輸出控制訊號CS，以控制切換元件221。其中，控制單元23係依據電壓回授訊號V_C 及前饋訊號IS輸出控制訊號CS，以改變切換元件221的導通時間(即改變切換元件221的責任週期)，進而改變轉換單元22的輸出功率，進而使電源單元21的輸出功率與負載裝置L的電力需求達到平衡。

其中，控制單元23具有一頻率調整電容C1、一頻率調整電阻R3及一控制器231。其中，控制器231內具有控制IC及驅動切換元件221作動的電路(圖未顯示)。而頻率調整電容C1及頻率調整電阻R3決定控制器231內之控制IC的振盪頻率。

頻率線性調整單元25係與前饋單元24及控制單元23電性連接。頻率線性調整單元25係依據前饋訊號IS產生頻率調整訊號FS，而頻率調整訊號FS係輸入控制單元23以控制控制單元23。於此，頻率調整訊號FS係輸入控制單元23之頻率調整電容231的第一端C11。

在本實施例中，頻率線性調整單元25係具有一穩壓電路251、一限流電阻252及一開關元件S1。其中，前饋訊號IS經穩壓電路251穩壓，並藉由限流電阻252與開關元件S1的第一端S11電性連接。另外，開關元件S1的第二端S12係電性連接頻率調整電容C1之第一端C11，而開關元件S1的第三端S13係電性接地。其中，開關元件S1的第二端S12係輸出頻率調整訊號FS，而開關元件S1的第二端S12係電性連接頻率調整電容C1的第一端C11。因此，前饋訊號IS係可控制頻率線性調整單元25輸出頻率調整訊號FS，以控制頻率調整電容C1的充電電流，使控制器231內之控制IC的振盪頻率改變，進而使控制訊號CS控制轉換單元22之切換元件221的切換頻率。

其中，切換元件221及開關元件S1係可分別為雙載子接面電晶體(Bipolar Junction Transistor,BJT)，或場效電晶體(Field Effect Transistor,FET)、或金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)。在本實施例中，切換元件221係以金屬氧化物半導體場效電晶體為例，而開關元件S1係以PNP型之雙載子接面電晶體為例。然並不以此為限制。

請再參照圖2B所示，以進一步說明頻率線性調整單元25係如何控制頻率調整電容C1的充電電流。

當負載裝置L的負載改變時，例如由重載變為輕載，驅動訊號DS的電流降低，進而使輸入轉換單元22之電源訊號PS的電流降低，因此，流經轉換單元22之變壓元件222一次側線圈的電流亦降低，造成前饋單元24之節點A的電壓V_A 亦降低。於此，節點A的電壓V_A 與輸入轉換單元22之電源訊號PS的電流值係成正比例降低。反之亦然。

當負載變低而使節點A的電壓V_A 降低時，輸入頻率線性調整單元25之前饋訊號IS的電壓亦降低，而前饋訊號IS輸入頻率線性調整單元25之開關元件S1的第一端S11之電流亦相對降低。由開關元件S1(本實施例為PNP電晶體)之特性可知，流入開關元件S1的第一端S11之電流降低時，將使由開關元件S1之第二端S12流入第三端S13的電流I升高。於此，輸入開關元件S1第一端S11之電流可控制開關元件S1的導通比例，使電流I經由開關元件S1的第二端S12流向第三端S13。因此，原本流入頻率調整電容C1的第一端C11之充電電流的一部分將被分流，並由開關元件S1的第二端S12流向第三端S13，使得流入頻率調整電容C1的充電電流減少。流入頻率調整電容C1的充電電流減少時，將使頻率調整電容C1的充電時間增加，進而可降低控制器231內之控制IC的振盪頻率。藉此，可透過控制單元23輸出之控制訊號CS控制切換元件221的切換頻率。若降低切換元件221的切換頻率，即可降低切換元件221導通與截止的切換次數，故可減少切換元件221切換時之暫態損失，進而降低電源控制電路2的損耗並提升效率。

因此，電源控制電路2可依據輸入轉換單元22之電源訊號PS的電流控制轉換單元22之切換元件221的切換頻率。另外，當負載裝置L由重載變為輕載或無載時，前饋訊號IS可藉由頻率線性調整單元25大幅降低控制單元內之控制IC的振盪頻率，進而降低轉換單元22之切換元件221的切換損失。

特別說明的是，因節點A的電壓V_A 係與電源訊號PS之電流成正比，且輸入開關元件S1第一端S11之電流可控制開關元件S1的導通比例。因此，本發明之頻率線性調整單元25係可線性地調整切換元件221的切換頻率。另外，本發明之電源控制電路2之初始元件參數的設計係適用於負載裝置L為重載情況下。因此，當負載裝置L為滿載時，電源訊號PS之電流越高，前饋單元24之節點A的電壓V_A 亦越高，使得輸入開關元件S1的第一端S11的電流越低。

但是，當負載裝置L由重載變為輕載或無載時，輸入轉換單元22之電源訊號PS的電流值越小，使得前饋單元24之節點A的電壓V_A 亦越小，造成流入開關元件S1之第一端S11的電流亦越大，使得開關元件S1導通比例越高，故由開關元件S1之第二端S12流入第三端S13的電流I越大。因此，流入頻率調整電容C1的充電電流越小，其充電時間越長，進而使控制訊號23控制切換元件221之切換頻率降低越多，因此，電源控制電路2的切換的損耗將更低。當負載越低時，與習知電路相較，電源控制電路2的效率將可提升更多。

綜上所述，因依據本發明之電源控制電路之前饋單元係依據輸入轉換單元之電源訊號的電流產生一前饋訊號，而頻率線性調整單元係依據前饋訊號產生一頻率調整訊號，且頻率調整訊號輸入控制單元，以控制控制單元之振盪頻率。藉此，可依據電源訊號的電流值控制控制單元之振盪頻率。因此，當負載裝置的負載降低時(例如由重載變為輕載或無載時)，前饋訊號可大幅降低控制單元內之控制IC的振盪頻率，進而降低轉換單元之切換元件的切換損失。與習知相較，本發明之電源控制電路可依據輸入轉換單元之電源訊號的電流值調整(降低)轉換單元之切換元件的切換頻率，故可減少切換元件切換時之暫態損失，進而可提高電源控制電路的效率。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1、2．．．電源控制電路

11、21．．．電源單元

12、22．．．轉換單元

13、26．．．電壓回授單元

14、23．．．控制單元

15、24．．．前饋單元

221．．．切換元件

222．．．變壓元件

231．．．控制器

241、252、R1、R2、R3．．．電阻

242．．．低通濾波電路

25．．．頻率線性調整單元

251．．．穩壓電路

A．．．節點

C1．．．頻率調整電容

C11、S11、S12、S13．．．端

CS．．．控制訊號

DS．．．驅動訊號

FS．．．頻率調整訊號

I．．．電流

IS．．．前饋訊號

L．．．負載裝置

PS．．．電源訊號

S1．．．開關元件

V、V_A ．．．電壓

V_C ．．．電壓回授訊號

圖1習知一種電源控制電路的功能方塊圖；

圖2A為本發明較佳實施例之一種電源控制電路的功能方塊示意圖；以及

圖2B為本發明較佳實施例之一種電源控制電路的電路示意圖。

2．．．電源控制電路

21．．．電源單元

22．．．轉換單元

23．．．控制單元

24．．．前饋單元

25．．．頻率線性調整單元

26．．．電壓回授單元

CS．．．控制訊號

DS．．．驅動訊號

FS．．．頻率調整訊號

IS．．．前饋訊號

L．．．負載裝置

PS．．．電源訊號

V_C ．．．電壓回授訊號

Claims (13)

1. 一種電源控制電路，包括：一電源單元，係輸出一電源訊號；一轉換單元，係依據該電源訊號產生一驅動訊號；一控制單元，係產生一控制訊號以控制該轉換單元，該控制單元具有一頻率調整電容；一前饋單元，係依據輸入該轉換單元之電源訊號的電流產生一前饋訊號；以及一頻率線性調整單元，係依據該前饋訊號產生一頻率調整訊號，該頻率調整訊號輸入該控制單元以控制該控制單元之振盪頻率，進而使該控制訊號降低該轉換單元之切換頻率，其中，該頻率調整訊號輸入該頻率調整電容的第一端，且該頻率調整訊號係降低該頻率調整電容之充電電流。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電源控制電路，其中該轉換單元係為返馳式轉換器、或順向式轉換器、或升壓式轉換器、或降壓式轉換器、或升/降壓式轉換器、或邱克(Cuk)轉換器、或Sepic轉換器、或Zeta轉換器、或推挽式轉換器、或全橋式轉換器、或半橋式轉換器。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電源控制電路，其中該前饋單元具有一前饋電阻及一低通濾波電路，該前饋電阻及該低通濾波電路將輸入該轉換單元之電源訊號 的電流轉換成該前饋訊號。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電源控制電路，其中該轉換單元具有至少一切換元件，該控制訊號係藉由調整該切換元件之切換頻率，進而控制該轉換單元之切換頻率。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電源控制電路，其中該頻率調整訊號更降低該控制單元之振盪頻率，以使該控制訊號降低該切換元件之切換頻率。
6. 如申請專利範圍第4項所述之電源控制電路，其中該頻率線性調整單元具有一開關元件，該前饋訊號控制該開關元件輸出該頻率調整訊號。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電源控制電路，其中該開關元件的第二端係與該頻率調整電容的第一端電性連接，該開關元件的第三端係電性接地。
8. 如申請專利範圍第6項所述之電源控制電路，其中該前饋訊號控制該開關元件，進而降低該頻率調整電容的充電電流。
9. 如申請專利範圍第6項所述之電源控制電路，其中該切換元件及該開關元件係包含雙載子接面電晶體，或場效電晶體、或金屬氧化物半導體場效電晶體。
10. 如申請專利範圍第4項所述之電源控制電路，更包括：一電壓回授單元，係與該轉換單元及該控制單元電性連接，並依據該驅動訊號產生一電壓回授訊號。
11. 如申請專利範圍第10項所述之電源控制電路，其中 該電壓回授單元將該驅動訊號之電壓轉換，並輸出該電壓回授訊號，以使該控制訊號改變該切換元件的責任週期。
12. 如申請專利範圍第10項所述之電源控制電路，其中該控制單元係依據該頻率調整訊號、該電壓回授訊號及該前饋訊號產生該控制訊號，以控制該切換元件。
13. 如申請專利範圍第4項所述之電源控制電路，其中當輸入該轉換單元之電源訊號的電流值越小時，該控制單元依據該頻率調整訊號使該頻率調整電容的充電電流越小，進而使該控制訊號控制該切換元件之切換頻率降低越多。