TWI470914B - 功率轉換器的輸出電流控制電路 - Google Patents

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Description

功率轉換器的輸出電流控制電路
本提案係關於一種功率轉換器的控制電路，特別是一種維持一預定輸出電荷的功率轉換器的控制電路。
功率轉換器常用於將交流電(AC,Alternating Current)轉換成直流電(DC,Direct Current)、或是將直流電轉換成直流電，功率轉換器可將輸入功率轉換到輸出並提供輸出電壓或電流的調節。
功率轉換器中有一種是開關式的功率轉換器(Switch-mode power converter)，其係藉由將暫時能量的儲存和釋放動作將輸入能量轉換到輸出，此暫時能量的儲存可以採用如電感(inductor)或變壓器(transformer)等的磁場儲能元件、或者如電容(capacitor)等的電場儲能元件來達成。開關式轉換器效率(efficiency)比線性穩壓器(linear regulator)為佳。
開關式功率轉換器通常具有一個開關，此開關控制功率轉換器能量的轉換。功率轉換器的控制器通常是用以控制該開關，相關技術例如在2012年6月14日公開的美國專利申請第2012/0146607號專利申請案及在2012年3月20日公告之第8139384號專利。
將功率轉換器的控制器應用於單級LED(發光二極體，Light Emitting Diode)驅動器的調光器時，普遍都遇到誤觸發(Misfiring)或受到電源擾動造成LED閃爍的問題。
為解決前述誤觸發或受到電源擾動而造成LED閃爍的問題，本提案提供一種功率轉換器的控制電路，此控制電路能適當地控制功率轉換器在單一線周期時間內的輸出電荷於一預定位準。
依據一實施例，功率轉換器的控制電路包含一輸入電流控制電路、一輸出電荷偵測電路、及一邏輯電路。輸入電流控制電路依據一第一參考電壓及一輸入電流而輸出一對應之脈波寬度調變訊號以控制功率轉換器之輸入電流。輸出電荷偵測電路轉換一輸出電流為一輸出電荷代表電壓，並依據該輸出電荷代表電壓與一第二參考電壓輸出一邏輯訊號。邏輯電路依據該脈波寬度調變訊號及該邏輯訊號而通過或結束輸出該脈波寬度調變訊號。
依據一實施例，功率轉換器的控制電路另包含一截止點電源電壓偵測電路，該截止點電源電壓偵測電路依據該邏輯訊號、一輸入電壓及一第三參考電壓而輸出一回授電壓，該輸入電流控制電路依據該第一參考電壓及該回授電壓對該輸入電流做預定電流控制並輸出一對應之脈波寬度調變訊號。
因此，藉由輸出電荷偵測電路偵測功率轉換器的輸出端所輸出的總電荷值(在單一線周期內)，當該總電荷值到達預定電荷值時，邏輯電路即結束輸出該脈波調變訊號，進而使該功率轉換器的輸出端停止輸出能量，達到控制功率轉換器(在單一線周期時間內)的輸出電荷於一預定位準之效果。此外，藉由該輸入電流控制電路所輸出之脈波寬度調變訊號而控制輸入電流。
以下在實施方式中詳細敘述本提案之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本提案之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本提案相關之目的及優點。
首先，請參閱「第1圖」，其為本提案第一實施範例之功率轉換器之控制電路之電路方塊示意圖。
功率轉換器之控制電路80係應用於一功率轉換器90(Power Converter)，控制電路80各別耦接於功率轉換器90的輸入端91a及輸出端91b，用以偵測該輸入端91a與輸出端91b的狀態。
交流電源96提供交流電源VAC 給調光電路94，經過調光電路94之調整及橋式整流電路92之整流後形成全波整流電源(Vin ，如「第4圖」所示)，此全波整流電源Vin 即輸入至功率轉換器90的輸入端91a。功率轉換器90的開關93依據控制電路80之控制訊號而輸出對應的輸出電源Vout (容後詳述)。輸出電源Vout 可以提供給任何負載，例如但不限於發光二極體(LED,Light Emitting Diode)。
前述調光電路94可以是但不限於雙向性三極閘流體(亦可稱為三極交流開關，TRIAC,TRI-ELECTRODE AC SWITCH)，交流電源VAC 經過雙向性三極閘流體後，特定相位的交流電源96即會被切掉，之後再經過橋式整流電路92後，所得到之輸入電壓Vin 即如同「第4圖」所示。
前述功率轉換器90可以是但不限於任何電源轉換器，例如降壓型電源轉換器(Buck Converter)、升壓型電源轉換器(Boost Converter or Step-up Converter)、返馳式轉換器(Flyback Converter)、或順向式轉換器(Forward Converter)。
請搭配「第2圖」閱覽之，「第2圖」為本提案第一實施範例之功率轉換器之控制電路之細部電路方塊示意圖。控制電路80包含輸入電流控制電路10、輸出電荷偵測電路20、及邏輯電路30。
輸入電流控制電路10依據一第一參考電壓Vref1 及一輸入電流Iin 而輸出一對應之脈波寬度調變訊號PWM(Pulse-width modulation)以控制功率轉換器之輸入電流。輸出電荷偵測電路20轉換一輸出電流Iout 為一輸出電荷代表電壓VQout ，並依據該輸出電荷代表電壓VQout 與一第二參考電壓Vref2 輸出一邏輯訊號Vlogic 。邏輯電路30依據該邏輯訊號Vlogic 及該脈波寬度調變訊號PWM而輸出一控制開關訊號，更明確地說，當Vlogic 為高邏輯位準時，邏輯電路30讓該脈波寬度調變訊號PWM通過並送至開關閘34(GATE)以控制開關93之動作。
當Vlogic 為低邏輯位準時，邏輯電路30結束(停止)輸出該脈波寬度調變訊號PWM，並且停止功率轉換器90將輸入能量轉換到輸出。
邏輯電路30所輸出之訊號(即在開關閘34處的訊號)可以稱為前述的控制開關訊號，該控制開關訊號係用以控制功率轉換器90的開關93，換句話說，當Vlogic 為邏輯高位準時，該控制開關訊號 等於脈波寬度調變訊號PWM，當Vlogic 為邏輯低位準時，該控制開關訊號即為邏輯低位準(開關93將會被關閉)。
輸入電流控制電路10包含一輸入濾波電路12、一誤差訊號放大器14、一振盪電路18、一斜坡電路19、一第一比較電路16、及一閂鎖器17。
請同時參閱「第3圖」，為本提案第一實施範例之濾波電路之電路方塊示意圖。輸入濾波電路12包含一輸入電流感測電路120及一濾波器122。輸入濾波電路12依據該輸入電流Iin 而產生一對應於輸入平均電流的平均輸入電壓訊號VIin ，此平均輸入電壓訊號VIin 係正比於該輸入的平均電流。
前述輸入電流感測電路120與濾波器122之先後順序可以對調。
續，請同時參考「第1圖」及「第2圖」。誤差訊號放大器14依據該平均輸入電壓訊號VIin 與該第一參考電壓Vref1 而輸出一誤差訊號EAout ，換句話說，誤差訊號放大器14比較該平均輸入電壓訊號VIin 與該第一參考電壓Vref1 並取得一差值後，將此差值放大後輸出該誤差訊號EAout ，此誤差訊號EAout 的波形時序圖可見於「第4圖」。誤差訊號放大器14的正相輸入端係耦於該第一參考電壓Vref1 ，而反相輸入端則耦接於該平均輸入電壓訊號VIin 。前述第一參考電壓Vref1 係與所欲輸入給功率轉換器90的電流相關，意即第一參考電壓Vref1 正比於欲提供給功率轉換器90的輸入電流的值。
振盪電路18產生一時脈訊號Clock，時脈訊號Clock的波形時序圖請見於「第4圖」。時脈訊號Clock的周期所代表的即是對功率轉換器90的切換周期(Switching cycle,Tsw )，如「第2圖」與「第4圖」所示，此切換周期即為脈波寬度調變訊號PWM的切換周期。
斜坡電路19依據該時脈訊號Clock產生一斜坡訊號Ramp，斜坡訊號Ramp的波形時序圖請見於「第4圖」。第一比較電路16比較該斜坡訊號Ramp及該誤差訊號EAout 而產生一比較結果訊號Comp_out，比較結果訊號Comp_out的波形時序圖請見於「第4圖」，從圖中可以得知，當斜坡訊號Ramp大於誤差訊號EAout 時，第一比較電路16即輸出邏輯高位準，反之，第一比較電路16則輸出邏輯低位準。第一比較電路16的反相輸入端係耦接於誤差訊號EAout ，而正相輸入端則耦接於該斜坡訊號Ramp。
閂鎖器17依據該比較結果訊號Comp_out及該時脈訊號Clock產生脈波寬度調變訊號PWM，此閂鎖器17可以是但不限於RS閂鎖器(RS latch)，其中RS閂鎖器的設定端(SET)係耦接於該時脈訊號Clock，而RS閂鎖器的重置端(RESET)則耦接於該比較結果訊號Comp_out，因此，從「第4圖」即可得知，脈波寬度調變訊號PWM的工作責任周期(Duty，或稱switching duty)開始於該時脈訊號Clock的上緣(Rising Edge)，而終止於該比較結果訊號Comp_out上緣。
從上述說明可知，輸入電流控制電路10所輸出的脈波寬度調 變訊號PWM係與第一參考電壓Vref1 及輸入電流Iin 有關，輸入電流控制電路10讓輸入電流Iin (也就是功率轉換器90所接收的電流)能維持在第一參考電壓Vref1 所對應的電流值，因此，輸入電流控制電路10可以控制輸入電流Iin 都能夠大於(維持於)一預定電流值，此預定電流值可以對應於調光電路94的保持電流(holding current,Iholding )，例如，若調光電路94係採用三極交流開關(TRIAC)，前述的保持電流可設定為三極交流開關的最低保持電流值，也就是說讓該預定電流值大於該保持電流值。
接著，請同時參考「第2圖」及「第4圖」。輸出電荷偵測電路20包含一輸出濾波電路22、一積分電路24、及一第二比較電路26。其中，輸出濾波電路22亦可以合併入積分電路24。
輸出濾波電路22依據一輸出電流Iout 而輸出一平均輸出電壓訊號VIout 。此輸出濾波電路22類似於前述之輸入濾波電路12，因此，不再贅述。
積分電路24對該平均輸出電壓訊號VIout 積分後輸出該輸出電荷代表電壓VQout 。輸出電荷代表電壓VQout 的波形時序圖請見於「第4圖」中的虛線。輸出電荷代表電壓VQout 係正比與在單一線周期內功率轉換器所累積輸出的總電荷量。
第二比較電路26的正相輸入端耦接於第二參考電壓Vref2 ，而反相輸入端則耦接於輸出電荷代表電壓VQout ，第二比較電路26比較該第二參考電壓Vref2 及該輸出電荷代表電壓VQout 而輸出該邏輯訊號Vlogic ，其中輸出電荷代表電壓VQout 係代表此控制電路80 對功率轉換器90的輸出端在每一線周期內所預定的輸出總電荷的值。此處的線周期與輸入電壓Vin 的線周期一致，以「第1圖」為例，若電源單元96所輸出的交流訊號為60赫茲(Hz)，則經過橋式整流電路92後，輸入電壓Vin 的周期即為120赫茲(如「第4圖」Vin 的線周期(line cycle))。也就是說，前述第二參考電壓Vref2 所設定的值即為本提案實施時，對功率轉換器90在每一線周期內所輸出的總電荷量。
因此，當第二參考電壓Vref2 大於輸出電荷代表電壓VQout 時，第二比較電路26輸出為邏輯高位準，而當第二參考電壓Vref2 小於輸出電荷代表電壓VQout 時，第二比較電路26輸出為邏輯低位準，此即為前述邏輯訊號Vlogic 。
邏輯電路30依據Vlogic 及脈波寬度調變訊號PWM而輸出一控制開關訊號，以控制功率轉換器90的開關93。邏輯電路30在Vlogic 為邏輯高位準時，讓該脈波寬度調變訊號PWM通過(意即輸出脈波寬度調變訊號PWM)；當Vlogic 為邏輯低位準時，邏輯電路30則停止(結束)輸出脈波寬度調變訊號PWM。也就是說，當Vlogic 為邏輯高位準時，該控制開關訊號等於脈波寬度調變訊號PWM，當Vlogic 為邏輯低位準時，該控制開關訊號即為邏輯低位準。此邏輯電路30可以是但不限於一及閘32(AND Gate)。此及閘32電性耦接於該脈波寬度調變訊號PWM與該邏輯訊號Vlogic 。任何以使得邏輯電路30依據該邏輯訊號Vlogic 而控制通過或結束輸出該脈波寬度調變訊號PWM的數位電路皆可做為該邏輯電路30。
接著，請同時參考「第5圖」、「第6圖」及「第7圖」，「第5圖」為本提案第二實施範例之功率轉換器之控制電路之電路方塊示意圖，而「第6圖」為本提案第二實施範例之功率轉換器之控制電路之細部電路方塊示意圖。「第7圖」為本提案第二實施範例之功率轉換器的截止點電源電壓偵測電路(亦可稱為調光截止點電源電壓偵測電路)之訊號波型的時序圖。
控制電路82包含輸入電流控制電路10’、輸出電荷偵測電路20、邏輯電路30、及截止點電源電壓偵測電路40(Cut-Off Line-Voltage Detector，亦可簡稱為截止點偵測電路)。
輸出電荷偵測電路20轉換一輸出電流Iout 為一輸出電荷代表電壓VQout ，並依據該輸出電荷代表電壓VQout 與一第二參考電壓Vref2 輸出一邏輯訊號Vlogic 。截止點電源電壓偵測電路40依據邏輯訊號Vlogic 、輸入電壓Vin 及第三參考電壓Vref3 而輸出一回授電壓VERROR 。輸入電流控制電路10’依據第一參考電壓Vref1 、該回授電壓VERROR 及該輸入電流Iin 而輸出一對應之脈波寬度調變的訊號。輸入電流控制電路10’藉脈波寬度調變訊號對輸入電流Iin 做做控制。邏輯電路30依據該邏輯訊號Vlogic 及該脈波寬度調變訊號PWM而通過或停止(結束)輸出該脈波寬度調變訊號PWM。
截止點電源電壓偵測電路40包含一取樣維持電路42(Sample and Hold Circuit)、及一誤差放大器44。
取樣維持電路42依據邏輯訊號Vlogic 對該輸入電壓Vin (在「第7圖」上係以輸入電壓Vin 的倍數為例(K×Vin )進行說明，此處之倍 數可以為小於1之倍數)取樣與維持並輸出一取樣維持訊號VS/H 。從「第7圖」可以得知，當邏輯訊號Vlogic 在為正時，取樣維持電路42的輸出VS/H 則維持原本狀態的位準，而當邏輯訊號Vlogic 在下降緣時，取樣維持電路42的輸出VS/H 則等於輸入電壓Vin 的位準。
誤差放大器44的反相輸入端耦接於第三參考電壓Vref3 ，而誤差放大器44的正相輸入端則耦接於取樣維持訊號VS/H ，誤差放大器44比較該取樣維持訊號VS/H 與第三參考電壓Vref3 並輸出一回授電壓VERROR (亦可稱為誤差訊號)。
以將本提案的輸入控制電路10’應用於具有調光電路94之功率轉換器為例，此回授電壓VERROR 用來回授調整輸入預定電流的位準，以使調光截止接近線電壓的零位準谷底，此谷底位準由第三參考電壓Vref3 所定義。例如調光截止點的電源電壓若高於第三參考電壓Vref3 ，輸入電流將會被調降。藉此回授調光截止點電壓將會下拉至第三參考電壓Vref3 。反之亦然。
輸入電流控制電路10’包含一輸入濾波電路12、一加法電路13、一誤差訊號放大器14、一振盪電路18、一斜坡電路19、一第一比較電路16、及一閂鎖器17。
輸入濾波電路12依據該輸入電流Iin 而輸出一平均輸入電壓訊號VIin ，此平均輸入電壓訊號VIin 係正比於該輸入的平均電流。
加法電路13將該平均輸入電壓訊號VIin 與該回授電壓VERROR 相加後輸出一調制電壓訊號Vadj 。
調制電壓訊號Vadj 耦接於誤差訊號放大器14的反相輸入端，而第一參考電壓Vref1 耦於誤差訊號放大器14的正相輸入端。誤差訊號放大器14依據該調制電壓訊號Vadj 與該第一參考電壓Vref1 而輸出一誤差訊號EAout ，換句話說，誤差訊號放大器14比較該調制電壓訊號Vadj 與該第一參考電壓Vref1 並取得一差值後，將此差值放大後輸出誤差訊號EAout ，此誤差訊號EAout 的波形時序圖可見於「第4圖」。因此，第二實施例藉由增加配置加法電路13及截止點電源電壓偵測電路40，即可確保在每一線周期的期間內，讓功率轉換器90的輸出總電荷量達得到預定值。
綜上所述，藉由輸出電荷偵測電路20偵測功率轉換器90的輸出端所輸出的總電荷值(在單一線周期內)，當該總電荷值到達預定總電荷值時，邏輯電路30將結束輸出脈波調變訊號PWM，進而使該功率轉換器90的輸出端停止輸出能量，達到控制功率轉換器(在單一線周期時間內)的輸出電荷於一預定位準之效果。若是將功率轉換器應用於成組、成串的發光二極體，則可以達到定電流輸出之效果。此外，藉由輸入電流控制電路10,10’所輸出的脈波寬度調變訊號而能控制功率轉換器90的輸入電流，能維持調光電路94的調光元件(如TRIAC)運作於其截止電流之上。
以上較佳具體實施範例之詳述，是希望藉此更加清楚描述本提案之特徵與精神，並非以上述揭露的較佳具體實施範例對本提案之範疇加以限制。相反地，其目的是希望將各種改變及具相等性的安排涵蓋於本提案所欲申請之專利範圍的範疇內。
10,10’‧‧‧輸入電流控制電路
12‧‧‧輸入濾波電路
120‧‧‧輸入電流感測電路
122‧‧‧濾波器
13‧‧‧加法電路
14‧‧‧誤差訊號放大器
16‧‧‧第一比較電路
17‧‧‧閂鎖器
18‧‧‧振盪電路
19‧‧‧斜坡電路
20‧‧‧輸出電荷偵測電路
22‧‧‧輸出濾波電路
24‧‧‧積分電路
26‧‧‧第二比較電路
30‧‧‧邏輯電路
32‧‧‧及閘
34‧‧‧開關閘
40‧‧‧截止點電源電壓偵測電路
42‧‧‧取樣維持電路
44‧‧‧誤差放大器
80,82‧‧‧控制電路
90‧‧‧功率轉換器
91a‧‧‧輸入端
91b‧‧‧輸出端
92‧‧‧橋式整流電路
93‧‧‧開關
94‧‧‧調光電路
96‧‧‧交流電源
第1圖為本提案第一實施範例之功率轉換器之控制電路之電路方塊示意圖。
第2圖為本提案第一實施範例之功率轉換器之控制電路之細部電路方塊示意圖。
第3圖為本提案第一實施範例之濾波電路之電路方塊示意圖。
第4圖為本提案第一實施範例之功率轉換器控制電路之訊號波型的時序圖。
第5圖為本提案第二實施範例之功率轉換器之控制電路之電路方塊示意圖。
第6圖為本提案第二實施範例之功率轉換器之控制電路之細部電路方塊示意圖。
第7圖為本提案第二實施範例之功率轉換器截止點電源電壓偵測電路之訊號波型的時序圖。
10‧‧‧輸入電流控制電路
12‧‧‧輸入濾波電路
14‧‧‧誤差訊號放大器
16‧‧‧第一比較電路
17‧‧‧閂鎖器
18‧‧‧振盪電路
19‧‧‧斜坡電路
20‧‧‧輸出電荷偵測電路
22‧‧‧輸出濾波電路
24‧‧‧積分電路
26‧‧‧第二比較電路
30‧‧‧邏輯電路
32‧‧‧及閘
34‧‧‧開關閘
80‧‧‧控制電路

Claims (6)

  1. 一種功率轉換器的控制電路，包含：一輸入電流控制電路，依據一第一參考電壓及一輸入電流而輸出一對應之脈波寬度調變訊號以控制功率轉換器之輸入電流；一輸出電荷偵測電路，轉換一輸出電流為一輸出電荷代表電壓，並依據該輸出電荷代表電壓與一第二參考電壓輸出一邏輯訊號；一邏輯電路，依據該脈波寬度調變訊號及該邏輯訊號而通過或結束輸出該脈波寬度調變訊號；以及一截止點電源電壓偵測電路，該截止點電源電壓偵測電路依據該邏輯訊號、一輸入電壓及一第三參考電壓而輸出一回授電壓，該輸入電流控制電路依據該第一參考電壓及該回授電壓對該輸入電流做控制並輸出一對應之脈波寬度調變訊號。
  2. 如請求項1所述之功率轉換器的控制電路，其中該輸入電流控制電路包含：一輸入濾波電路，依據該輸入電流而輸出一平均輸入電壓訊號；一誤差訊號放大器，依據該平均輸入電壓訊號與該第一參考電壓而輸出一誤差訊號；一振盪電路，產生一時脈訊號；一斜坡電路，依據該時脈訊號產生一斜坡訊號； 一第一比較電路，比較該斜坡訊號及該誤差訊號而產生一比較結果訊號；以及一閂鎖器，依據該比較結果訊號及該時脈訊號產生該脈波寬度調變訊號。
  3. 如請求項2所述之功率轉換器的控制電路，其中該輸入濾波電路包含：一輸入電流感測電路，依據該輸入電流而輸出一電壓訊號；以及一濾波器，對應該電壓訊號而輸出該平均輸入電壓訊號。
  4. 如請求項1所述之功率轉換器的控制電路，其中該輸出電荷偵測電路包含：一輸出濾波電路，依據該輸出電流而輸出一平均輸出電壓訊號；一積分電路，對該平均輸出電壓訊號積分後輸出該輸出電荷代表電壓；以及一第二比較電路，比較該第二參考電壓及該輸出電荷代表電壓而輸出該邏輯訊號。
  5. 如請求項4所述之功率轉換器的控制電路，其中該截止點電源電壓偵測電路包含：一取樣維持電路，依據該邏輯訊號對該輸入電壓取樣與維持並輸出一取樣維持訊號；以及一誤差放大器，比較該取樣維持訊號與該第三參考電壓並 輸出該回授電壓。
  6. 如請求項5所述之功率轉換器的控制電路，其中該輸入電流控制電路包含：一輸入濾波電路，依據該輸入電流而輸出一平均輸入電壓訊號；一加法電路，將該平均輸入電壓訊號與該回授電壓相加後輸出一調制電壓訊號；一誤差訊號放大器，依據該調制電壓訊號與該第一參考電壓而輸出一誤差訊號；一振盪電路，產生一時脈訊號；一斜坡電路，依據該時脈訊號產生一斜坡訊號；一第一比較電路，比較該斜坡訊號及該誤差訊號而產生一比較結果訊號；以及一閂鎖器，依據該比較結果訊號及該時脈訊號產生該脈波寬度調變訊號。
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