TWI506393B - 適用於可變負載之負載能量控制電路以及利用此負載能量控制電路之可變負載的負載能量控制方法 - Google Patents

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適用於可變負載之負載能量控制電路以及利用此負載能量控制電路之可變 負載的負載能量控制方法
本發明係關於一種適用於可變負載之負載能量控制電路與使用此負載能量控制電路之可變負載的負載能量控制方法，特別是一種在每一市電週期藉著調整輸入至一積分電路之一比例訊號，以達到控制一負載的輸入功率或是輸出功率的目的之負載能量控制電路以及使用該負載能量控制電路的負載能量控制方法。
在現行技術中，為了達到負載能量控制的目的以至少克服因為電源輸入的變動，電子元件譬如乘法器、除法器、平方器、以及誤差放大器需要同時被採用在負載能量控制電路中。因此，整個電路設計變得相對複雜，生產成本也不容易控制。
本發明係提供一種負載能量控制電路。依據本發明之一實施例，此負載能量控制電路包含：積分電路用來接收電壓訊號並產生積分訊號，其中電壓訊號為輸入電壓訊號或是輸出電壓訊號、比例控制器連接於積分電路，用來接收輸入電壓訊號，以輸出對應之比例訊號至該積分電路來控制積分訊號的大小，其中比例訊號係對應於第一比例值，積分參考電路用來輸出積分參考訊號至比較電路，比較電路分別連接於積分電路、積分參考電路以及控制訊號產生電路，並接收積分訊號與積分參考訊號以輸出致能訊號，控制訊號產生電路係連接於比較電路以及負載，並接收致能訊號與比例訊號，以根據致能訊號以及比例訊號產生控制訊號。當積分訊號等於積分參考訊號時，致能訊號會切換至第一預定準位，以不致能(disable)控制訊號產生電路。當積分電路接收輸入電壓訊號時該控制訊號為輸入電 流控制訊號，而當積分電路接收輸出電壓訊號時控制訊號為一輸出電流控制訊號。上述第一比例值在一第一市電週期內保持不變而可在第二市電週期開始前調整完畢。除此之外，比較器所產生之致能訊號同樣會被比例控制器所接收。
本發明同樣提供一種控制負載能量之方法，應用於上述之負載能量控制電路。此方法包含：於一第一市電週期內偵測輸入電壓訊號是否等於一輸入電壓門檻、使得比例控制器調整比例訊號以調整於一第二市電週期內之積分訊號，且依據調整後之比例訊號進一步調整控制訊號、決定依據調整後之比例訊號所產生之積分訊號所對應之一輸入能量或是一輸出能量是否等於對應於積分參考訊號之一預定能量、當輸入能量或是輸出能量等於預定能量時，使得比較電路產生一該不致能控制訊號產生電路之致能訊號、以及當輸入能量或是輸出能量不等於預定能量時，使得比例控制器繼續調整比例訊號。
本發明所提供的負載能量控制電路以及使用此負載能量控制電路的負載能量控制方法毋須單獨(separated)之乘法器/除法器以及平方器之使用，可在相對較簡單的電路架構下同樣達到負載能量(輸入能量或是輸出能量)控制的目的。
102‧‧‧負載
104‧‧‧比例控制器
106‧‧‧積分電路
108‧‧‧積分參考電路
112‧‧‧控制訊號產生電路
114、304‧‧‧比較電路
116‧‧‧橋式整流器
118‧‧‧交流電源
122‧‧‧脈寬調變控制器
124、302‧‧‧電晶體
126‧‧‧電壓訊號
128‧‧‧比例訊號
129‧‧‧積分訊號
132‧‧‧積分參考訊號
134‧‧‧致能訊號
136‧‧‧電流控制訊號
142‧‧‧電流輸入
144‧‧‧參考電流訊號
202‧‧‧第一市電週期
204‧‧‧第二市電週期
206、208、214‧‧‧負載被利用時間
212‧‧‧第三市電週期
306‧‧‧等效電壓源
308‧‧‧感測電阻
400‧‧‧負載能量控制方法流程
402‧‧‧在第一市電週期內當輸出電流截止時偵測輸入電壓訊號是否等於輸入電壓門檻
404‧‧‧讓比例控制器去輸出比例訊號到積分電路以調整於第二市電週期內的積分訊號
406‧‧‧依據調整後的比例訊號所對應產生的積分訊號，來決定對應的輸出能量是否等於預定能量
408‧‧‧使比較電路產生的致能訊號不致能控制訊號產生電路以不輸出電流控制訊號
412‧‧‧使比例控制器調整比例訊號
414‧‧‧使比例訊號不被調整
第1圖依據本發明一實施例之負載能量控制電路用來控制一負載之輸入或是輸出能量的簡單方塊圖。
第2A圖說明第1圖的比例控制器產生比例訊號以調整輸出電流訊號之方式一實施例的示意圖。
第2B圖說明第1圖比例控制器產生比例訊號以調整輸出電流訊號之另一方式一實施例的示意圖。
第3圖為依據本發明一實施例之負載能量控制電路中用來輸出輸入電流控制訊號之控制電路之簡單示意圖。
第4圖為依據本發明之一實施例的使用第1圖之負載能量控制電路的負載能量控制方法。
以下在實施方式中詳細敘述本發明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發明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發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
請參閱第1圖，第1圖為依據本發明一實施例之負載能量控制電路用來控制一負載102之輸入或是輸出能量的簡單方塊圖。本發明一實施例的負載能量控制電路至少包含一比例控制器104、一積分電路106、一積分參考電路108、一控制訊號產生電路112以及一比較電路114。負載102係可透過一橋式整流器(bridge diode)116連接到一交流電源(AC power source)118。負載102在一實施例中可以包含一脈寬調變控制器(pulse width modulation controller,PWM controller)122以及一電晶體124。負載102在另一實施例中可為多個發光二極體模組，且每一個發光二極體模組包含多個並聯或是串接的發光二極體。
如前所述，負載能量控制電路係用來控制負載102的輸入能量或是輸出能量。為達到這樣的目的，本發明之負載能量控制電路係由積分電路106接收一電壓訊號126，此電壓訊號126可以是一輸入電壓訊號(VIN)或是一輸出電壓訊號(VOUT)。負載能量電路係依據所欲控制的標的(負載之輸入能量或是負載之輸出能量)來選擇積分電路106所接收之電壓訊號126的種類。更精確地說，當負載能量控制電路為求控制負載的輸入能量時，積分電路106所選擇接收的電壓訊號126為一輸入電壓訊號。而當負載能量控制電路為求控制負載的輸出能量時，積分電路106所選擇接收的電壓訊號126為一輸出電壓訊號。
比例控制器104係連接到積分電路106且接收輸入電壓訊號。比例控制器104係被設置用來輸出一比例訊號128到所連接的積分電路106，而積分電路再根據所接收之比例訊號128控制所輸出之一積分訊號129。比例控制器104可以產生一個具有乘法器(multiplier)效果的比例訊號128，或是一個等於衰減器(attenuator)效果的比例訊號128。
積分參考電路108係輸出一積分參考訊號132至比較電路 114。比較電路114同樣會接收積分訊號129，並比較積分參考訊號132以及積分訊號129之間的差異且輸出一致能訊號134到控制訊號產生電路112。在一實施例中，積分參考訊號132係正比於輸入電壓訊號的導通時間。
控制訊號產生電路112係輸出一電流控制訊號136到負載102。負載102可包含有一負載電流控制電路(未顯示)用來接收電流控制訊號136。其中，當欲進行負載102之輸出能量控制時，電流控制訊號136會成為負載102的輸出電流IOUT的參考訊號。輸出電流IOUT的工作週期(duty ratio)係為脈寬調變控制器122控制。
而當欲進行負載102之輸入能量控制時，電流控制訊號136則是由脈寬調變控制器122所接收而調整一電流輸入142之工作週期。控制訊號產生電路112除了受到致能訊號134控制而運作外，同樣接收比例訊號128以及一個參考電流訊號(IREF)144，而上述之電流控制訊號136可以基於比例訊號128參考電流訊號144而產生。在一實施例中，電流控制訊號136係為比例訊號128與參考電流訊號144的乘積。
當積分訊號129等於積分參考訊號132時，代表目前的積分訊號129或是在此積分訊號129下所對應的輸入能量或是輸出能量已經滿足需求，比較電路114會輸出一位於第一預定位準之致能訊號134來不致能(disable)控制訊號產生電路112，使得控制訊號產生電路112不會產生電流控制訊號136。在一實施例中，第一預定位準係為一對應邏輯0的電壓位準，而上述之積分參考訊號132係對應到一預定能量。
當積分訊號129不等於積分參考訊號132時，代表目前之積分訊號所對應之輸入能量或是輸出能量仍有調整的空間。由於積分訊號129其實是經由比例訊號128調整輸入電壓訊號或是輸出電壓訊號的結果，當輸入電壓訊號或是輸出電壓訊號因為交流電源118或是電流輸入142發生改變時，在缺乏比例訊號調整積分訊號的情況下，負載的輸入能量或是輸出能量自然會因此而改變。為了大致固定輸入能量或是輸出能量，負載102的被利用時間需要因此而調整。所謂的負載102的被利用時間，在一實施例中為負載102的開啟時間。舉例來說，當輸入電壓訊號上升時，需要把負載102的被利用時間縮短，以確保輸入能量的穩定。然而，縮短後之負 載102的被利用時間在實際應用上可能不符需要，所以利用比例訊號128來調整積分訊號129，使得負載102的被利用時間可以被最大化(maximized)同時又能有穩定之輸入能量乃至於輸出能量之結果。
請參閱第2A圖，第2A圖說明第1圖的比例控制器104產生比例訊號128以調整輸出電流訊號之方式的示意圖。當交流電源118或電源輸入142發生改變而使得輸入電壓訊號有對應的變化時(譬如說輸入電壓訊號上升)，負載102將在比較短的時間內獲得所需的輸出能量(換句話說，負載102的被利用時間會縮短)。而在負載102獲得所需的輸出能量後，負載102將不再有輸出電流通過(IOUT為0)，而此時輸入電壓訊號的大小等於V1(時間點A)。假設V1大於一輸入電壓門檻(threshold,VTH)時，則比例控制器104將輸出一可以調低輸出電壓VOUT的比例訊號128。為了保持輸入能量的固定，此相同的比例訊號128同樣會被輸入到控制訊號產生電路112來調低電流控制訊號136。，用以延長負載102的被利用時間，並獲得相同的輸入或輸出能量。舉例來說，假設上述輸入電壓訊號的上升發生在第一市電週期202，則用來調低積分訊號129的比例訊號128將在第二市電週期204等比例調低輸出電流的振幅(amplitude)。而調低輸出電流的振幅，在一實施例中可以透過依據比例訊號128調低輸入到積分電路106的輸出電壓VOUT為之。此調低輸出電流振幅的動作可為一等比例調整(低)，所以在第二市電週期204中輸出電流的最大值I2會小於在第一市電週期202中輸出電流I1的最大值。同時，在第一市電週期202中負載102的被利用時間(或是輸出電流通過負載102的時間)206會短於在第二市電週期204中負載102的被利用時間(或是輸出電流通過負載102的時間)208。
然而在第二市電週期調整過後的輸入電壓不見得仍然符合需求(換句話說，V2仍不等於VTH)，所以比例控制器104會在另外產生新的比例訊號128來調整積分訊號129。
類似的道理，比例訊號128同樣可以來調整輸入到積分電路106的輸入電壓VIN，來進一步調整輸入電流的振幅以維持輸入能量的穩定。
第2B圖則是說明第1圖比例控制器104產生比例訊號128以調整輸出電流訊號之另一方式的示意圖。假設在第2A圖中負載不再有輸 出電流通過時(時間點B)對應的輸入電壓訊號(V2)小於輸入電壓門檻(VTH)，則可調高輸入電壓的比例訊號128會從比例控制器104輸出到積分電路106。藉此比例訊號128，積分電路106可以調整輸出電壓VOUT以在第三市電週期212調高輸出電流，使得I3>I2，最終造成在第三市電週期212中負載102的被利用時間214短於在第二市電週期204中負載102的被利用時間208。
比例訊號128係對應於一第一比例值與一第二比例值。其中，第一比例值可以用來調整如第2A圖與第2B圖中輸出電流的振幅，且此第一比例值在某一特定市電週期中(如第二市電週期204)保持不變。也就是說，當第一市電週期202的輸入電壓訊號與輸出電壓門檻存在差異而需要進行比例訊號128的調整時，此調整會在第二市電週期204開始前完成，使得第二市電週期204中的輸出電流已經是相較於第一市電週期202內的輸出電流已經調整完成之結果。
而第二比例值基本上至少會調整輸出電流的形狀。以輸出電流為多個階梯波(step wave)的組合為例(如第2A圖與第2B圖所示)，在一實施例中第二比例值的數目係與階梯波的數目相同，且每一個第二比例值都相關於調整每一個對應階梯波的振幅，最終得以使輸出電流的形狀得以調整。值得注意的是，第一比例值將會在市電週期中整個放大或縮小輸出電流(放大/縮小每一個階梯波的振幅)，然而第二比例值通常是維持不變(也就是說，輸出電流的形狀不變)。而為求較佳的功率因數(power factor)，可以先行利用第二比例值調整每一個輸出電流之階梯波的振幅，進而降低電流諧波的影響。
請參閱第3圖，第3圖為依據本發明一實施例之負載能量控制電路中用來輸出電流控制訊號之控制電路300之簡單示意圖。此控制電路300可為第1圖所示之負載102的一種實施方式。控制電路300可以是電壓轉電流電路(voltage-to-current circuit)，也就是說控制電路300的輸出(舉例來說，就是第1圖的IOUT)。控制電路300包含一個電晶體302、一比較電路304、一等效電壓源306還有一感測電阻(RSEN)308。等效電壓源306可等同於如第1圖之參考電流訊號IREF144跟比例訊號128的乘積。該乘積以 及控制電路300的輸出跟感測電阻308的乘積都會被比較電路304所接收，如此一來控制電路300的輸出將等於參考電流訊號IREF144跟比例訊號128的乘積除以感測電阻的結果。
請參閱第4圖，第4圖為依據本發明之一實施例的使用第1圖之負載能量控制電路的負載能量控制方法400。負載能量控制方法400包含在第一市電週期(如第2A圖之202)內當輸出電流截止時(舉例來說，負載不再有輸出電流通過時)偵測對應之輸入電壓訊號是否等於輸入電壓門檻(步驟402)。當步驟402的結果為否定時，負載能量控制方法進入步驟404讓比例控制器104去輸出比例訊號128到積分電路106以調整於第二市電週期(如第2A圖之204)內的積分訊號129。之後控制方法400會依據調整後的比例訊號128所對應產生的積分訊號129，來決定對應的輸出能量是否等於預定能量(步驟406)。
當輸出能量等於對應的預定能量時，比較電路114所產生之預定位準的致能訊號將不致能控制訊號產生電路112，使得控制訊號產生電路112即便是有接收到比例訊號128也不會輸出電流控制訊號136(步驟408)。
而當輸出能量不等於預定能量時，接收到比例訊號128的控制訊號產生電路112會產生電流控制訊號136到負載102。而當控制訊號產生電路112有輸出上述之電流控制訊號136時，控制方法400會使比例控制器104調整比例訊號128(步驟412)，且控制方法400回到步驟402。值得注意的是，步驟412所提及之調整後的比例訊號最快會在下一個市電週期(舉例來說，如第2B圖之第三市電週期212)開始之前對輸出電流有所調整。更精確地說，比例訊號128調整輸入到積分電路106的輸出電壓將可同時調整輸出電流訊號，而此調整過後的輸出電流將於下一個市電週期中被反映出來。調整後的輸出電流將會影響負載的被利用時間之調整。
當控制訊號產生電路112不輸出電流控制訊號136時，也就是輸出能量等於預定能量時負載能量控制方法400的流程將使得比例訊號128不被繼續調整(步驟414)。而當步驟402在第一市電週期內所偵測之輸入電壓訊號等於輸入電壓門檻時，控制方法400也會直接進入步驟414。
藉著比例訊號128調整輸入電壓訊號或是輸出電壓訊號，負載102的輸入能量或是輸出能量可因此得到適當地控制。本發明係透過比例控制器輸出比例訊號的使用，來調整積分電路的輸出，此積分電路的輸出將與積分參考電路的輸出進行比較，而比較的結果將決定是否繼續有進行比例訊號調整的必要。同時，負載被導通的時間長度也可有所調整，如此一來輸入能量或是輸出能量可得有效控制之外，負載同樣能得到有效的利用。除此之外，整個電路設計不需要乘法器/除法器乃至於平方器，整體電路設計上相對簡單。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
400‧‧‧負載能量控制方法流程
402‧‧‧在第一市電週期內當輸出電流截止時偵測輸入電壓訊號是否等於輸入電壓門檻
404‧‧‧讓比例控制器去輸出比例訊號到積分電路以調整於第二市電週期內的積分訊號
406‧‧‧依據調整後的比例訊號所對應產生的積分訊號，來決定對應的輸出能量是否等於預定能量
408‧‧‧使得比較電路產生之致能訊號不致能控制訊號產生電路
412‧‧‧使比例訊號繼續由比例控制器調整
414‧‧‧使比例訊號不被調整

Claims (18)

  1. 一種負載能量控制電路，包含：一積分電路用來接收一電壓訊號並產生一積分訊號，其中電壓訊號為一輸入電壓訊號或是一輸出電壓訊號；一比例控制器，連接於該積分電路，用來接收該輸入電壓訊號，以輸出一比例訊號至該積分電路來控制該積分訊號的大小，其中該比例訊號係對應於一第一比例值，且該第一比例值用以調整一負載之一輸出電流或一輸入電流的振幅；一積分參考電路用來輸出一積分參考訊號；一比較電路，分別連接於該積分電路與該積分參考電路，接收該積分訊號與該積分參考訊號以輸出一致能訊號；以及一控制訊號產生電路，連接於該比較電路以及該負載，並接收該致能訊號與該比例訊號，以根據該致能訊號以及該比例訊號產生一控制訊號至該負載，以產生該負載之該輸出電流或該輸入電流，其中該致能訊號亦為該比例控制器所接收；其中，當該積分訊號等於該積分參考訊號時，該致能訊號會切換至一第一預定準位，以不致能(disable)該控制訊號產生電路；該控制訊號為一電流控制訊號；且該第一比例值在一第一市電週期內保持不變而可在第二市電週期開始前調整完畢。
  2. 如請求項第1項之負載能量控制電路，其中該比例控制器係控制該負載的一輸入能量，或是該負載的一輸出能量。
  3. 如請求項第2項之負載能量控制電路，其中該電流控制訊號係輸出至一 負載電流控制電路。
  4. 如請求項第3項之負載能量控制電路，其中當該致能訊號不致能該控制訊號產生電路時，該控制訊號產生電路係可停止輸出該電流控制訊號。
  5. 如請求項第2項之負載能量控制電路，其中該第一市電週期內的該輸入能量或是該輸出能量係由該積分電路對該輸入電壓訊號或是該輸出電壓訊號與該第一比例值進行一積分運算的結果。
  6. 如請求項第1項之負載能量控制電路，其中比例訊號另外對應於一第二比例值且該第二比例值在該第一市電週期與該第二市電週期內維持不變。
  7. 如請求項第1項之負載能量控制電路，該輸入電壓訊號係在截止時分別與一輸入電壓門檻進行比較以決定是否調整該比例訊號。
  8. 如請求項第7項之負載能量控制電路，其中當該輸入電壓訊號小於對應之輸入電壓門檻時，該比例訊號可以被調高，而當該輸入電壓訊號大於對應之輸入電壓門檻時，該比例訊號可以被調低。
  9. 如請求項第8項之負載能量控制電路，其當該比例訊號需要被調高時，該第一比例值被調高，而當該比例訊號需要被調低時，該第一比例值被調低。
  10. 如請求項第1項之負載能量控制電路，其中該積分參考訊號係對應到一預定能量。
  11. 一種控制負載能量之方法，應用於一負載能量控制電路，其中該負載能量控制電路包含一積分電路用來接收一電壓訊號並產生一積分訊號，其中該積分訊號對應一輸入能量或一輸出能量，以分別對應於該電壓訊號 為一輸入電壓訊號或是一輸出電壓訊號，一比例控制器連接於該積分電路，用來接收該輸入電壓訊號，以輸出一比例訊號至該積分電路來控制該積分訊號的大小，其中該比例訊號係對應於一第一比例值，且該第一比例值用以調整一負載之一輸出電流或一輸入電流的振幅，一積分參考電路，用來輸出一積分參考訊號，一比較電路，分別連接於該積分電路與該積分參考電路，接收該積分訊號與該積分參考訊號以輸出一致能訊號，以及一控制訊號產生電路，連接於該比較電路以及該負載，並接收該致能訊號、該比例訊號以及一參考電流訊號，以根據該致能訊號、該比例訊號以及該參考電流訊號產生一控制訊號至該負載，以產生該負載之該輸出電流或該輸入電流，且該致能訊號為該比例控制器所接收，該方法包含：當該輸入能量或是該輸出能量小於該預定能量時，該比較電路產生一致能(enable)該控制訊號產生電路之該致能訊號；當該輸入能量或是該輸出能量等於該預定能量時，該比較電路產生一不致能(disable)該控制訊號產生電路之該致能訊號；以及於一第一市電週期內當該輸入電流或該輸出電流在不致能而截止時，偵測該輸入電壓訊號是否等於一輸入電壓門檻；其中，藉由該比較電路的輸出來調整該比例控制器該比例訊號的大小，以在第二市電週期中該輸入或輸出電流截止時，藉以使所偵測到的該輸入電壓訊號能更趨近於該輸入電壓門檻。
  12. 如請求項第11項之控制負載能量方法，其中當該輸入電壓訊號大於對應之該輸入電壓門檻，另外包含有調高該比例訊號，而當該輸入電壓訊 號小於對應之該輸入電壓門檻，包含有調低該比例訊號。
  13. 如請求項第12項之控制負載能量方法，其中調高該比例訊號包含調高該第一比例值，而調低該比例訊號包含調低該第一比例值。
  14. 如請求項第13項之控制負載能量方法，其中調高或是調低該第一比例值係在該第二市電週期開始前完成。
  15. 如請求項第11項之控制負載能量方法，另外包含以該控制信號之形式產生一電流控制訊號至一負載電流控制電路。
  16. 如請求項第11項之控制負載能量方法，其中當該致能訊號不致能該控制訊號產生電路時，停止該控制訊號產生電路輸出該控制訊號至一負載電流控制電路。
  17. 如請求項第11項之控制負載能量方法，另外包含有於市電週期內維持對應於該比例訊號之一第二比例值不變。
  18. 如請求項第11項之控制負載能量方法，另外包含由該積分電路對該輸入電壓訊號或是該輸出電壓訊號與該第一比例值進行一積分運算以得到該輸入能量或是該輸出能量。
TW102117612A 2013-05-17 2013-05-17 適用於可變負載之負載能量控制電路以及利用此負載能量控制電路之可變負載的負載能量控制方法 TWI506393B (zh)

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