TWI446137B - 功率控制電路及其所適用之電源供應系統 - Google Patents

Description

功率控制電路及其所適用之電源供應系統

本案係關於一種控制電路，尤指一種功率控制電路及所適用之電源供應系統。

在家電、照明及工業用的產品和設備中，非線性負載的應用非常普遍，如：微波爐的磁控管、電磁爐的感應線圈、各種氣體放電燈管、感應加熱用的加熱線圈等，此類的產品在寬範圍的輸入電壓或是寬範圍的負載變動下，若使用一般電源供應器常用的定電壓或定電流的控制方法，則輸入或輸出功率常會無法有效的控制。因此，為確保系統在任何工作狀態皆能保持穩定的能量輸出，定功率控制已成為非線性負載應用產品的主要控制方向。

目前一般實現定功率控制的方式係藉由偵測電壓訊號與電流訊號，並將這兩個訊號提供給微控制器（Micro-Controller Unit, MCU）或數位訊號處理器（Digital Signal Processor, DSP）做運算，由於功率的計算常會用到乘法或更複雜的均方根（root-mean-square, RMS）運算，因此將會耗掉微控制器或數位訊號處理器許多運算資源，進而影響其他更重要的工作排程。

針對上述缺點失，目前業界採用外接一個乘法器晶片的方式來減少工作量，雖然增設一乘法器晶片確實可以達到減少工作量的目的，但是設置乘法器晶片將會增加額外的成本。

因此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失之功率控制電路及其所適用之電源供應系統，以減輕微控制器或數位訊號處理器的工作量及降低成本，實為目前迫切需要解決之問題。

本案之主要目的在於提供一種功率控制電路及其所適用之電源供應系統，俾解決習知功率控制方式係將電壓訊號與電流訊號提供給微控制器或數位訊號處理器做運算，會耗掉微控制器或數位訊號處理器許多運算資源，而影響其他更重要的工作排程，以及習知利用外接一個乘法器晶片的方式來減少工作量，雖然可以達到減少工作量的目的，但是設置乘法器晶片將會增加額外的成本等缺點。

為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種功率控制電路，適用於一電源供應系統，該電源供應系統係提供一負載所需之能量且具有一控制單元、一驅動電路以及一電源供應單元，該控制單元係接收一可調功率參考信號，該功率控制電路至少包含：一電流偵測單元，其係偵測一電流信號；一電壓偵測單元，其係偵測一電壓信號；以及一功率偵測單元，其係與該電流偵測單元、該電壓偵測單元及該控制單元連接且具有一權重比電路，該權重比電路係根據該電流信號及該電壓信號以取得一功率信號，使該控制單元將該可調功率參考信號以及該功率信號進行比對，並產生一控制信號傳送至該驅動電路，俾使該驅動電路根據該控制信號驅動該電源供應單元輸出因應該可調功率參考信號之功率至該負載。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。

本案係為揭露一種功率控制電路及其所適用之電源供應系統，其中功率控制電路係適用於電源供應系統中，且電源供應系統係提供一負載所需之能量，本案之功率控制電路可設置於電源供應系統的電源輸入端或是電源輸出端，可測得關於輸入電源之功率信號或是輸出電源之功率信號，並根據一可調功率參考信號來進行比對以調整輸出功率，以符合負載所需之能量，其中本案所適用之負載係可為但不限為一非線性負載，且該可調功率參考信號可為根據負載需求所輸入之功率準位控制信號，例如：負載為電磁爐的感應線圈時使用者可根據需求調整控制面版（未圖示）上的按鈕以進行輸出功率的調整，以下將分別說明本案之功率控制電路設置於電源供應系統的電源輸入端或電源輸出端的電路架構及運作方式。

請參閱第1A圖，其係為本案功率控制電路設置於電源供應系統的電源輸入端的電路架構示意圖，如圖所示，本實施例之電源供應系統1可包含濾波電路12、整流電路13、功率控制電路14、控制單元15、驅動電路16以及電源供應單元17，電源供應系統1係接收一輸入電源11所提供之一輸入交流電壓Vac及一可調功率參考信號Pref，以穩定提供一負載18所需之功率，即因應該可調功率參考信號而定功率輸出至負載18。

於本實施例中，濾波電路12係與輸入電源11及整流電路13連接，主要係接收輸入電源11所提供之一輸入交流電壓Vac並進行濾波處理，濾波後之該輸入交流電壓Vac則傳送至整流電路13，以將該濾波後之該輸入交流電壓Vac轉換成一直流鏈電壓Vdc；至於該功率控制電路14係與整流電路13、控制單元15以及電源供應單元17連接，其係包含一電流偵測單元141、一電壓偵測單元142以及功率偵測單元143，功率偵測單元143係與電流偵測單元141及電壓偵測單元142連接，電流偵測單元141及電壓偵測單元142則與整流電路13連接，該電流偵測單元141係偵測關於電源供應系統1之電源輸入端的一輸入電流信號Iin(如第2A圖所示)，而電壓偵測單元142則偵測關於電源供應系統1之電源輸入端的一輸入電壓信號Vdc_in(如第2A圖所示)，並根據該輸入電流信號Iin及該輸入電壓信號Vdc_in取得一功率信號Pin，即代表目前輸入電源11所輸入之功率。

請再參閱第1A圖，控制單元15係與驅動電路16及功率控制電路14連接，其係接收功率信號Pin以及可調功率參考信號Pref並進行比對，且根據比對結果產生一控制信號Cs，該控制信號Cs將被輸入驅動電路16，使驅動電路16因應該控制信號Cs來調控該電源供應單元17內部之開關元件之運作頻率或責任週期比，以因應該可調功率參考信號Pref而定功率輸出至負載18。

舉例而言，當可調功率參考信號所代表之功率準位係為1100W，而功率信號Pin所代表之功率為1000，則經控制單元15比對後，控制單元15將輸出表示輸出功率過低之控制信號Cs，以使驅動電路16調整該電源供應單元17內部之開關元件之運作頻率或責任週期比，以將電源供應單元17所輸出之功率由1000W調昇到1100W，以使電源供應單元17所輸出之功率可維持在1100W，即定功率輸出至負載18；反之，當可調功率參考信號所代表之功率準位係為1100W，而功率信號Pin所代表之功率為1200，則經控制單元15比對後，控制單元15將輸出表示輸出功率過高之控制信號Cs，以使驅動電路16調整該電源供應單元17內部之開關元件之運作頻率或責任週期比，以將電源供應單元17所輸出之功率由1200W調降到1100W，使電源供應單元17所輸出之功率可維持在1100W，即定功率輸出至負載18。

請參閱第1B圖，其係為本案功率控制電路設置於電源供應系統的電源輸出端的電路架構示意圖，如圖所示，本實施例之電源供應系統2可包含濾波電路12、整流電路13、功率控制電路21、控制單元15、驅動電路16以及電源供應單元17，電源供應系統2係接收一可調功率參考信號Pref，於本實施例中濾波電路12、整流電路13、控制單元15、驅動電路16以及電源供應單元17之間的連接關係跟運作功效係與第1A圖相同，於此不再重複提出說明，至於本實施例之功率控制電路21同樣具有電流偵測單元211、電壓偵測單元212以及功率偵測單元213，所述組成構件的內部組成元件及運作功效與第1A圖所示之電流偵測單元141、電壓偵測單元142以及功率偵測單元143係相同。

本實施例與第1A圖所示之實施例的差異點在於本案之功率控制電路21係設置於電源供應系統2的電源輸出端，使得電流偵測單元211係偵測關於電源供應系統1之電源輸出端的一輸出電流信號，而電壓偵測單元212則偵測關於電源供應系統2之電源輸出端的一輸出電壓信號，並根據該輸出電流信號及該輸出電壓信號取得一功率信號Pout，即代表目前電源供應單元17之輸出功率。

控制單元15係接收功率信號Pout以及可調功率參考信號Pref並進行比對，且根據比對結果產生一控制信號Cs，該控制信號Cs將被輸入驅動電路16，使驅動電路16因應該控制信號Cs來調控該電源供應單元17內部之開關元件之運作頻率或責任週期比，以因應該可調功率參考信號Pref而定功率輸出至負載18。

請再參閱第1A及1B圖，由於第1A圖所示之功率控制電路與第1B圖所示之功率控制電路之組成構件及運作方式係相同，因此後續將以功率控制電路設置於電源供應系統的電源輸入端的架構(如第1A圖所示)提出細部說明。

請參閱第2A圖，其係為第1A圖所示之功率控制電路之電路方塊示意圖，如圖所示，本案之功率控制電路14係包含電流偵測單元141、電壓偵測單元142以及功率偵測單元143，功率偵測單元143係與電流偵測單元141及電壓偵測單元142連接，其中電壓偵測單元142可包含一分壓電路1421、一濾波電路1422以及一信號緩衝電路1423，濾波電路1422係與分壓電路1421及信號緩衝電路1423連接，請參閱第2B圖，其係為第2A圖所示之分壓電路及濾波電路之電路組成元件示意圖，如圖所示，分壓電路1421可為但不限為由3個電阻所構成，分別為電阻R1、電阻R2及電阻R3所組成，且電阻R1、電阻R2及電阻R3彼此係串聯連接，而濾波電路1422則由電容C1所構成，由整流電路13（如第1A圖所示）所輸出之直流鏈電壓Vdc將經由分壓電路1421之電阻R1、電阻R2及電阻R3分壓之後再傳送至電容C1進行濾波，並經由後續之信號緩衝電路1423進行緩衝處理後輸出一輸入電壓信號Vdc_in。

請參閱第1A、2A及2C圖，其中第2C圖係為第2A圖所示之電流感測電路、放大電路以及濾波電路之電路組成元件示意圖，如第2A圖所示，本案之電流偵測單元141係包含一電流感測電路1411、一放大電路1412、一濾波電路1413以及一信號緩衝電路1414，電流感測電路1411係與整流電路13及放大電路1412連接，濾波電路1413係與放大電路1412及信號緩衝電路1414連接，如第2C圖所示，電流感測電路1411可為但不限為由一電阻R4所構成，放大電路1412可為但不限為一差動放大器，可由電阻R5、R6、R7、R8以及放大器OP1所組成，而濾波電路1413則可由電容C2及電容C3所組成，電流偵測單元141主要利用電阻R4的電阻特性來取得關於電源供應系統1之電源輸入端的一輸入電流信號，所取得之輸入電流信號後續則經放大電路1412進行放大以及濾波電路1413濾波後，再經由後續之信號緩衝電路1414進行緩衝處理後輸出一輸入電流信號Iin。

請參閱第1A及2A圖，本案之功率偵測單元143係包含一權重比電路1431以及一信號緩衝電路1432，權重比電路1431係與電流偵測單元141及電壓偵測單元142連接，其係根據輸入電流信號Iin及輸入電壓信號Vdc_in以取得一功率信號Pin，且如第3及4圖所示權重比電路1431係由2個電阻所組成，分別為電阻R12及電阻R13且兩者之間係串聯連接，其中電阻R12係與電壓偵測電路142之信號緩衝電路1423連接，用以接收該輸入電壓信號Vdc_in，而電阻R13則與電流偵測電路141之信號緩衝電路1414連接，用以接收該輸入電流信號Iin，待輸入電壓信號Vdc_in及該輸入電流信號Iin分別流經電阻R12及電阻R13後將於電阻R12與電阻R13的共接點14311相接，即將該輸入電壓信號Vdc_in及該輸入電流信號Iin加權，後續再經由信號緩衝電路1432進行緩衝處理後即可輸出該功率信號Pin。

本案之功率偵測單元143所包含之信號緩衝電路1414、1423及1432主要係用來對將輸出之信號進行緩衝保護，以避免不同信號同時輸出會造成信號之間互相干擾而發生信號失真的問題，如第2A圖所示，信號緩衝電路1423可用來保護輸入電壓信號Vdc_in，而信號緩衝電路1414則用來保護輸入電流信號Iin，以避免輸入電壓信號Vdc_in及輸入電流信號Iin同時輸出至權重比電路1431會造成輸入電壓信號Vdc_in及輸入電流信號Iin之間互相干擾而發生信號失真的問題，至於信號緩衝電路1432則用來保護功率信號Pin，以避免功率信號Pin與可調功率參考信號Pref輸入至控制單元15時互相干擾。

另外，本案之功率控制電路14所包含之信號緩衝電路1414、1423及1432除了用來對將輸出之信號進行緩衝保護之外更可因應需求將信號放大輸出，因此可依照不同的需求來選擇設置組成架構不同之信號緩衝電路，請參閱第2D、2E及2F圖，其係分別為第2A圖所示之信號緩衝電路之可實施態樣，其中第2D圖所示之信號緩衝電路係單純作為信號的緩衝及濾波功效，可由一電阻R9以及電容C4所組成，電阻R9係提供信號之緩衝保護，而電容C4則係對輸出信號進行濾波處理，而第2E圖所示之信號緩衝電路可為一放大器OP2，除了可將輸出之信號進行緩衝保護之外更可提供一倍的信號放大輸出功效，至於第2F圖所示之信號緩衝電路可由電阻R10、電阻R11以及一放大器OP3所組成，除了可將輸出之信號進行緩衝保護之外更可提供信號放大輸出的功效，第2F圖所揭露之信號緩衝電路主要根據電阻R10及R11的電阻值來決定輸出信號放大的倍率。

請參閱第1A及3圖，其中第3圖係為第1A圖所示之功率控制電路與控制單元之第一較佳實施例之電路示意圖，如圖所示，於本實施例中，信號緩衝電路1414及1423係使用如第2E圖所示之電路架構，而信號緩衝電路1432則使用如第2F圖所示之電路架構，且於本實施例中，控制單元可為一數位控制器31，例如：微控制器（MCU）或是數位信號處理器（DSP），數位控制器31可直接取用信號緩衝電路1432所輸出之功率信號Pin與可調功率參考信號Pref進行功率控制；反之，當控制單元係包含一類比控制器42時，例如：脈衝頻率調變（Pulse Frequency Modulation, PFM）或脈衝寬度調變（Pulse Width Modulation, PWM）控制器，則控制單元內部需再設置一迴授補償器41，該迴授補償器41可由電容C5、C6、電阻R14以及比較器411所構成，且該迴授補償電路41係與功率偵測單元143之信號緩衝電路1432及類比控制器42連接，其係接收該可調功率參考信號Pref以及功率信號Pin並藉由比較器411進行比對，使比較器411根據比對結果產生一功率誤差信號Perror，以使類比控制器42因應功率誤差信號Perror產生控制信號Cs至驅動電路16（如第1A圖所示）。

綜上所述，本案之功率控制電路及其所示用之電源供應系統，其係藉由電流偵測單元偵測一電流信號，電壓偵測單元偵測一電壓信號，以使功率偵測單元之權重比電路根據該電流信號及該電壓信號以取得一功率信號，使該控制單元將可調功率參考信號以及功率信號進行比對，並產生一控制信號傳送至驅動電路，俾使驅動電路根據控制信號驅動電源供應單元輸出因應該可調功率參考信號之功率，以定功率輸出至負載，本案之功率控制電路可設置於電源供應系統的電源輸入端或是電源輸出端，即可用於輸入功率控制或輸出功率控制；

本案利用簡單又便宜的被動元件，如：電阻、電容，及運算放大器即可達成功率控制的效果，以解決習知使用昂貴的乘法器或數位訊號處理器的缺點，可確實降低成本；

另外，本案之功率控制電路若與數位控制器連接，所產生的功率信號無須再經過繁複的乘法或均方根計算即可使用，反之，當使用類比控制器，僅需再加一迴授補償電路以產生功率誤差訊號即可使用，實現方法簡單。

本案得由熟知此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

1、2．．．電源供應系統

11．．．輸入電源

12．．．濾波電路

13．．．整流電路

14、21．．．功率控制電路

141、211．．．電流偵測單元

1411．．．電流感測電路

1412．．．放大電路

1413．．．濾波電路

1414．．．信號緩衝電路

142、212．．．電壓偵測單元

1421．．．分壓電路

1422．．．濾波電路

1414、1423、1432．．．信號緩衝電路

143、213．．．功率偵測單元

1431．．．權重比電路

15．．．控制單元

16．．．驅動電路

17．．．電源供應單元

18．．．負載

14311．．．共接點

31．．．數位控制器

41．．．迴授補償器

411．．．比較器

42．．．類比控制器

Vac．．．輸入交流電壓

Vdc．．．直流鏈電壓

Pref．．．可調功率參考信號

Pin、Pout．．．功率信號

Iin．．．輸入電流信號

Vdc_in．．．輸入電壓信號

Cs．．．控制信號

Vout．．．輸出電壓

R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14．．．電阻

C1、C2、C3、C4、C5、C6．．．電容

OP1、OP2、OP3．．．放大器

Perror．．．功率誤差信號

第1A圖係為本案功率控制電路設置於電源供應系統的電源輸入端的電路架構示意圖。

第1B圖係為本案功率控制電路設置於電源供應系統的電源輸出端的電路架構示意圖。

第2A圖係為第1A圖所示之功率控制電路之電路方塊示意圖。

第2B圖係為第2A圖所示之分壓電路及濾波電路之電路組成元件示意圖。

第2C圖係為第2A圖所示之電流感測電路、放大電路以及濾波電路之電路組成元件示意圖。

第2D圖係為第2A圖所示之信號緩衝電路之第一實施態樣之電路示意圖。

第2E圖係為第2A圖所示之信號緩衝電路之第二實施態樣之電路示意圖。

第2F圖係為第2A圖所示之信號緩衝電路之第三實施態樣之電路示意圖。

第3圖係為第1A圖所示之功率控制電路與控制單元之第一較佳實施例之電路示意圖。

第4圖係為第1A圖所示之功率控制電路與控制單元之第二佳實施例之電路示意圖。

14．．．功率控制電路

141．．．電流偵測單元

1411．．．電流感測電路

1412．．．放大電路

1413．．．濾波電路

1414．．．信號緩衝電路

142．．．電壓偵測單元

1421．．．分壓電路

1422．．．濾波電路

1414、1423、1432．．．信號緩衝電路

143．．．功率偵測單元

1431．．．權重比電路

Pin．．．功率信號

Iin．．．輸入電流信號

Vdc_in．．．輸入電壓信號

Claims (14)

1. 一種功率控制電路，適用於一電源供應系統，該電源供應系統係提供一負載所需之能量且具有一控制單元、一驅動電路以及一電源供應單元，該控制單元係接收一可調功率參考信號，該功率控制電路至少包含：
   一電流偵測單元，其係偵測一電流信號；
   一電壓偵測單元，其係偵測一電壓信號；以及
   一功率偵測單元，其係與該電流偵測單元 、該電壓偵測單元及該控制單元連接且具有一權重比電路，該權重比電路係根據該電流信號及該電壓信號以取得一功率信號，使該控制單元將該可調功率參考信號以及該功率信號進行比對，並產生一控制信號傳送至該驅動電路，俾使該驅動電路根據該控制信號驅動該電源供應單元輸出因應該可調功率參考信號之功率至該負載。
2. 如申請專利範圍第1項所述之功率控制電路，其中該功率控制電路係與該電源供應單元之電源輸入端連接，且該電流信號係為一輸入電流信號，該電壓信號係為一輸入電壓信號，該功率信號係關於該電源供應系統之輸入功率。
3. 如申請專利範圍第1項所述之功率控制電路，其中該功率控制電路係與該電源供應單元之電源輸出端連接，且該電流信號係為一輸出電流信號，該電壓信號係為一輸出電壓信號，該功率信號係關於該電源供應系統之輸出功率。
4. 如申請專利範圍第1項所述之功率控制電路，其中該電壓偵測單元係包含一分壓電路、一濾波電路以及一信號緩衝電路，該濾波電路係與該分壓電路及該信號緩衝電路連接。
5. 如申請專利範圍第4項所述之功率控制電路，其中該分壓電路係包含複數個電阻，且該複數個電阻係串聯連接。
6. 如申請專利範圍第1項所述之功率控制電路，其中該電流偵測單元係包含一電流感測電路、一放大電路、一濾波電路以及一信號緩衝電路，該電流感測電路係與該放大電路連接，該濾波電路係與該放大電路及該信號緩衝電路連接。
7. 如申請專利範圍第6項所述之功率控制電路，其中該電流感測電路係為一電阻，其係藉由電阻特性取得該電流信號。
8. 如申請專利範圍第1項所述之功率控制電路，其中該功率控制單元更包含一信號緩衝電路，該權重比電路係與該電流偵測單元、該電壓偵測單元及該信號緩衝電路連接。
9. 如申請專利範圍第1項所述之功率控制電路，其中該權重比電路係包含一第一電阻及一第二電阻，該第一電阻係與該第二電阻串聯連接，該第一電阻係與該電壓偵測單元連接並接受該電壓信號，該第二電阻係與該電流偵測單元連接並接受該電流信號，以取得該功率信號。
10. 如申請專利範圍第1項所述之功率控制電路，其中該負載為一非線性負載。
11. 一種電源供應系統，其係接收一輸入交流電壓及一可調功率參考信號，以提供一負載所需之能量，至少包含：
    一電源供應單元，與該負載連接；
    一濾波電路，其係對該輸入交流電壓進行濾波；
    一整流電路，其係將濾波後之該輸入交流電壓整流成一直流電壓；
    一功率控制電路，與該整流電路連接，至少包含：
       一電流偵測單元，與該整流電路連接，以測得一輸入電流信號；
       一電壓偵測單元，與該整流電路連接，以測得一輸入電壓信號；
       一功率偵測單元，與該電流偵測單元及該電壓偵測單元連接且具有一權重比電路，該權重比電路係根據該輸入電流信號及該輸入電壓信號取得一功率信號；
    一控制單元，其係接收該可調功率參考信號以及該功率信號並進行比對，根據比對結果產生一控制信號；以及
    一驅動電路，與該控制單元及該電源供應單元連接，其係因應該控制信號驅動該電源供應單元輸出因應該可調功率參考信號之功率至該負載。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電源供應系統，其中該控制單元係為一數位控制器。
13. 如申請專利範圍第11項所述之電源供應系統，其中該控制單元係包含一類比控制器以及一迴授補償電路，該迴授補償電路係與該功率偵測單元及該類比控制器連接，其係接收該可調功率參考信號以及該功率信號並進行比對，根據比對結果產生一功率誤差信號，以使該類比控制器因應該功率誤差信號產生該控制信號。
14. 一種電源供應系統，其係接收一輸入電壓及一可調功率參考信號，以提供一負載所需之能量，至少包含：
    一電源供應單元，與該負載連接；
    一濾波電路，其係對該輸入電壓進行濾波；
    一整流電路，其係將濾波後之該輸入電壓整流成一直流電壓；
    一功率控制電路，與該整流電路連接，至少包含：
       一電流偵測單元，與該整流電路連接，以測得一輸入電流信號；
       一電壓偵測單元，與該整流電路連接，以測得一輸入電壓信號；
       一功率偵測單元，與該電流偵測單元及該電壓偵測單元連接，以根據該輸入電流信號及該輸入電壓信號取得一功率信號；
    一控制單元，其係接收該可調功率參考信號以及該功率信號並進行比對，根據比對結果產生一控制信號；以及
    一驅動電路，與該控制單元及該電源控制單元連接，其係因應該控制信號驅動該電源供應單元輸出因應該可調功率參考信號之功率至該負載。