TWI524644B - 電力控制器以及控制光源的電力系統及方法 - Google Patents

Description

電力控制器以及控制光源的電力系統及方法

本發明係關於一種控制器以及電力系統及控制方法，特別是關於一種電力控制器以及控制光源的電力系統及方法。

返馳式轉換器是一種開關穩壓電源，可以應用於交流/直流適配器或電池充電器。圖1所示為一種傳統的返馳式轉換器100的結構示意圖。返馳式轉換器100利用一控制器120控制一變壓器。變壓器包含與一直流電源V_BB相連的一初級繞組104、與一負載112相連的一次級繞組106以及一輔助繞組108。控制器120控制與初級繞組104串聯的一開關118。當開關118導通，電流流經初級繞組104，變壓器的磁芯124儲能。當開關118斷開時，與次級繞組相連的二極體110順向偏壓，磁芯124中儲存的電力透過次級繞組106釋放至電容122和負載112。誤差放大器114將流經電流監測電阻111的電流和一個參考電流進行比較並產生一回授信號FB。回授信號FB透過光耦合器116傳送至控制器120。控制器120根據回授信號FB控制開關118以調整變壓器的一輸出電力。傳統返馳式轉換器100的缺點在於其尺寸相對較大，且變壓器的電磁感應導致電路工作過程中存在電磁干擾效應。

本發明要解決的技術問題在於提供一種控制光源電力的控制器、系統及方法，以減小電路中的電磁干擾效應。

為解決上述技術問題，本發明提供了一種電力控制器，包含：一控制端，提供一控制信號以控制一變壓器，該控制信號的一週期包含一充電階段、一放電階段和一調整階段；以及一控制電路，與該控制端耦合，其中該控制電路在該充電階段控制該變壓器的一初級繞組接收一電力、在該放電階段控制該變壓器的一次級繞組向一負載放電並透過控制該調整階段以週期性地改變該控制信號的一頻率。

本發明還提供了一種控制光源的電力的系統，包含：一變壓器，包含一初級繞組和一次級繞組，向該光源提供一電力；一控制器，控制與該初級繞組串聯耦合的一開關，以控制該變壓器工作於多個週期，該多個週期中的一週期包含一充電階段、一放電階段和一調整階段，其中，該控制器在該充電階段增加流經該初級繞組的一電流、在該放電階段降低流經該次級繞組的一電流且控制該調整階段以週期性地改變該開關的一開關頻率。

本發明還提供了一種控制光源的電力的方法，包含：透過一控制信號控制一變壓器，該控制信號的一週期包含一充電階段、一放電階段和一調整階段；在該充電階段控制該變壓器的一初級繞組接收一電力；在該放電階段控制該變壓器的一次級繞組對該光源放電；以及透過控制該調整階段，週期性地改變該控制信號的一頻率。

與現有技術相比，透過採用本發明的控制器、系統及方法，可以減小電路中的電磁干擾效應。

以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述，但應理解這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反地，本發明意在涵蓋由後附申請專利範圍所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種變化、修改和均等物。

此外，在以下對本發明的詳細描述中，為了提供針對本發明的完全的理解，提供了大量的具體細節。然而，於本技術領域中具有通常知識者將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外的一些實例中，對於大家熟知的方法、程序、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明之主旨。

本發明提供了一種電源轉換器和對電源轉換器進行控制的方法。電源轉換器包含一變壓器和控制變壓器的一控制器。控制器控制與變壓器的一初級繞組串聯的一開關。透過控制開關的導通/斷開時間，使得變壓器可以透過次級繞組輸出直流電流。透過採用本發明的電源轉換器以及對電源轉換器進行控制的方法，可以省去圖1中所示傳統的電源轉換器中所包含的光耦合器和誤差放大器等元件，進而減小電源轉換器的尺寸並提高效率。

圖2所示為根據本發明一個實施例的電源轉換器200的結構示意圖。圖4所示為電源轉換器200接收或產生的信號的波形圖。圖2將結合圖4進行描述。

在圖2的實施例中，電源轉換器200包含變壓器202及用於控制變壓器202的控制器220。在一實施例中，變壓器202包含初級繞組204、次級繞組206和輔助繞組208。初級繞組204一端與直流輸入電壓V_BB相連，另一端透過開關218和電阻230連接到地。次級繞組206透過二極體210連接至負載212。在一實施例中，輔助繞組208位於變壓器202的初級繞組204一側。輔助繞組208一端透過電阻214和電阻216連接至地，另外一端直接連接至地。

控制器220透過控制與初級繞組204串聯的開關218來控制變壓器202。在一實施例中，控制器220由輔助繞組208產生的一電壓V_DD供電。電阻230提供一回授信號FB1。回授信號FB1指示流經初級繞組204的一電流I_PR。輔助繞組208提供一回授信號FB2。回授信號FB2指示輔助繞組208的一輸出電壓，進而進一步指示次級繞組206的輸出電壓。因此，回授信號FB2能夠指示流經次級繞組206的電流I_SE是否下降到預設的電流值，例如是否下降到0。在一實施例中，回授信號FB2在電阻214和電阻216之間的節點處產生。

控制器220包含一信號產生器，例如一振盪器226。電源轉換器200更包含一箝位電路(clamp circuit)228。當開關218導通時，箝位電路228對回授信號FB2的電壓進行箝位。在一實施例中，控制器220接收一參考信號PEAK和參考信號SET。參考信號PEAK決定流經初級繞組204的電流I_PR的最大電流值I_PEAK。參考信號SET具有參考電壓值V_SET。在另一個實施例中，參考信號PEAK和參考信號SET由控制器220產生。

控制器220接收回授信號FB1和回授信號FB2，並根據回授信號FB1和回授信號FB2產生一個脈波信號(如脈波寬度調變信號PWM1)來控制開關218。控制器220透過控制與初級繞組204串聯的開關218，使得變壓器202工作於多個週期。在一實施例中，一個週期包含一充電階段T_ON、一放電階段T_DIS和一調整階段T_ADJ，如圖4中所示。在充電階段T_ON，變壓器202由輸入電壓V_BB供電，流經初級繞組204的電流I_PR增加。在放電階段T_DIS，變壓器202放電對負載212供電，流經次級繞組206的電流I_SE減小。

具體而言，在充電階段T_ON，控制器220導通開關218，進而使得變壓器202接收輸入電壓V_BB。當開關218導通，與次級繞組206相連的二極體210逆向偏壓，沒有電流流經次級繞組206。電流I_PR流經初級繞組204、開關218和電阻230到地。電流I_PR線性增加。因此，在充電階段T_ON，變壓器202的磁芯224儲能，箝位電路228對回授信號FB2的電壓進行箝位，使得回授信號FB2的電壓為0。

在放電階段T_DIS，控制器220關斷開關218，透過變壓器202放電對負載212供電。當開關218斷開，與次級繞組206相連的二極體210順向偏壓，磁芯224透過次級繞組206釋放電力至電容222和負載212。在放電階段T_DIS，流經次級繞組206的電流I_SE從一個最大電流值I_SE-MAX線性減小至一個預設的電流值(例如減小到0)。次級繞組206的最大電流值I_SE-MAX由初級繞組204的最大電流值I_PEAK和變壓器202的初級繞組204與次級繞組206的匝數比決定。

在調整階段T_ADJ，開關218保持關斷，沒有電流流經初級繞組204和次級繞組206。[29]　如圖4中流經次級繞組206的電流I_SE的波形所示，在一個週期T_S中次級繞組206輸出的平均電流I_OAVG可以由等式(1)得到。

其中，T_S=T_ON+T_DIS+T_ADJ。

充電階段T_ON的時間長度和放電階段T_DIS的時間長度可以由初級繞組204和次級繞組206的電感、輸入電壓以V_BB及負載212兩端的輸出電壓V_OUT決定。控制器220使得調整階段T_ADJ具有恰當的時間長度進而使得放電階段T_DIS的時間長度與週期T_S的時間長度的比值為常數。其中，週期T_S的時間長度是充電階段T_ON、放電階段T_DIS及調整階段T_ADJ的總的時間長度。在等式(1)中，次級繞組206的最大電流值I_SE-MAX由初級繞組204的最大電流值I_PEAK和變壓器202的匝數比決定。在一實施例中，初級繞組204的最大電流值I_PEAK和變壓器202的匝數比均為常數，進而次級繞組206的最大電流值I_SE-MAX也為常數。根據等式(1)，若放電階段T_DIS的時間長度與週期T_S的時間長度的比值為常數(即T_S=k*T_DIS，k為常數)，則次級繞組206輸出的平均電流I_OAVG也為常數。

因此，即便輸入電壓V_BB和輸出電壓V_OUT可能變化，只要放電階段T_DIS的時間長度與週期T_S的時間長度的比值為常數，則次級繞組206輸出的平均電流I_OAVG也為常數。換言之，透過一個濾波器(如與負載212相連的電容222)，電源轉換器200可以為負載212提供直流電流。

圖3所示為圖2中的控制器220的結構示意圖。圖3將結合圖2和圖4進行描述。控制器220使得調整階段T_ADJ具有恰當的時間長度進而使得放電階段T_DIS的時間長度與週期T_S的時間長度的比值為常數。因此，電源轉換器200可以為負載212提供直流電流。

在一實施例中，控制器220包含振盪器226、比較器314、比較器316和脈波信號產生器，例如脈波寬度調變信號產生器318。振盪器226根據回授信號FB2產生鋸齒波信號SAW。回授信號FB2指示次級繞組206的輸出電壓。比較器314將鋸齒波信號SAW和參考信號SET進行比較。參考信號SET具有參考電壓值V_SET。比較器316將回授信號FB1和參考信號PEAK進行比較。回授信號FB1指示流經初級繞組204的電流I_SE。參考信號PEAK決定流經初級繞組204的最大電流值I_PEAK。脈波寬度調變信號產生器318與比較器314以及比較器316相連，並產生一個脈波寬度調變信號PWM1。振盪器226產生的鋸齒波信號控制脈波寬度調變信號PWM1的責任週期。脈波寬度調變信號PWM1控制開關318的導通狀態進而控制變壓器202的輸出電力。

控制器220更包含一控制信號產生器320。控制信號產生器320根據回授信號FB2產生控制信號CTRL。控制 信號CTRL施加至振盪器226。在一實施例中，如果回授信號FB2的電壓大於預設臨界值TH(TH>0)，則控制信號CTRL為邏輯1，否則控制信號CTRL為邏輯0。在圖3的例子中，振盪器226包含電流源302和304、開關306和308以及電容310。電容310上產生的電壓信號即為鋸齒波信號SAW。根據開關306和308的導通狀態，電容310可以在電流源302的作用下充電或在電流源304的作用下放電。

如果電容310的電壓上升至參考電壓值V_SET，則控制器220產生具有第一電位準的脈波寬度調變信號PWM1(例如，PWM1為邏輯1)以導通開關218。進而使得變壓器202工作於充電階段T_ON。箝位電路228使得回授信號FB2的電壓為0，進而控制信號CTRL具有第一電位準(如邏輯0)。控制信號CTRL控制振盪器226中的開關308。控制信號CTRL透過反閘312連接至開關306。在圖3的實施例中，當控制信號CTRL為邏輯0時，開關306導通，開關308斷開。電容310由電流源302的電流充電。因此，電容310的電壓(也即鋸齒波信號SAW的電壓)從參考電壓值V_SET開始上升。同時，流經初級繞組204的電流I_PR增加。比較器316將回授信號FB1與參考信號PEAK進行比較。當回授信號FB1的電壓達到參考信號PEAK的電壓時，說明流經初級繞組204的電流I_PR增加至最大電流值I_PEAK，此時控制器220斷開開關218，進而結束充電階段T_ON並啟動放電階段T_DIS。具體而言，脈波寬度調變信號產生器318產生具有第二電位準的脈波寬度調 變信號PWM1(例如，PWM1為邏輯0)以斷開開關218。當充電階段T_ON結束時，電容310的電壓(也即鋸齒波信號SAW的電壓)上升至第一電壓值V₁，如圖4所示。換言之，電容310的電壓(也即鋸齒波信號SAW的電壓)從參考電壓值V_SET上升至第一電壓值V₁這段時間內開關218導通。

在放電階段T_DIS，開關218斷開，流經次級繞組206的電流I_SE從最大電流值I_SE-MAX減小。在放電階段T_DIS，輔助繞組208產生直流輸出電壓。該輸出電壓被電阻214和216分壓。在放電階段T_DIS，回授信號FB2的電壓(即電阻216兩端的電壓)與輔助繞組208的輸出電壓成正比，因此，回授信號FB2也是一個直流電壓。在一實施例中，適當選擇電阻214和電阻216的阻值，使得在放電階段T_DIS，回授信號FB2的電壓大於預設臨界值TH。當回授信號FB2的電壓大於預設臨界值TH，控制信號CTRL為邏輯1，使開關306斷開而開關308導通。電容310以電流源304的電流放電，電容310的電壓從第一電壓值V1下降。

當回授信號FB2的電壓下降至臨界值TH，也即流經次級繞組206的電流I_SE減小到預設的電流值時，控制器220結束放電階段T_DIS並啟動調整階段T_ADJ。在一實施例中，當流經次級繞組206的電流I_SE減小到0時，控制器220結束放電階段T_DIS並啟動調整階段T_ADJ。當放電階段T_DIS結束時，電容310的電壓(也即鋸齒波信號SAW的電壓)下降至第二電壓值V₂，如圖4所示。

在調整階段T_ADJ，因為回授信號FB2的電壓下降至臨界值TH，控制信號CTRL變為邏輯0。開關306導通，開關308斷開。電容310再次由電流源302的電流充電。電容310的電壓從第二電壓值V₂上升。在調整階段T_ADJ，開關218保持斷開，沒有電流流經初級繞組204或次級繞組206。當鋸齒波信號SAW的電壓上升至參考電壓值V_SET，則控制器220結束調整階段T_ADJ並導通開關218以啟動下一個週期T_S中的充電階段T_ON。具體來說，脈波寬度調變信號產生器318產生具有第一電位準的脈波寬度調變信號PWM1(例如，PWM1為邏輯1)以導通開關218。

假設電容310的電容值為C₁，電流源302的電流為I₁，電流源304的電流為I₂。在充電階段T_ON結束時，鋸齒波信號SAW的電壓(電容310的電壓)可以表示為：

在放電階段T_DIS結束時，鋸齒波信號SAW的電壓可以表示為：

在調整階段T_ADJ結束時，鋸齒波信號SAW的電壓可以表示為：

因此，調整階段T_ADJ的時間長度可以由等式(2)~(4)推出，即：

由等式(5)，調整階段T_ADJ的時間長度和週期T_S的時間長度之間的關係可以表示為：

根據等式(6)可以得到，放電階段T_DIS的時間長度與充電階段T_ON、放電階段T_DIS及調整階段T_ADJ的總的時間長度的比值由電流I₁、I₂決定。如果電流I₁、I₂的大小固定，則放電階段T_DIS的時間長度與週期T_S的時間長度成比例。因此，參考等式(1)，次級繞組206的平均輸出電流I_OAVG為常數。

圖5所示為根據本發明一個實施例的控制電源轉換器中變壓器的方法流程圖500。圖5將結合圖2、圖3以及圖4進行描述。

在步驟502中，控制變壓器202工作於多個週期。一個週期包含充電階段T_ON、放電階段T_DIS和調整階段T_ADJ。

在步驟504中，在充電階段T_ON，對變壓器202供電。在充電階段T_ON，與變壓器202的初級繞組204串聯的開關218導通。在一實施例中，透過監測流經初級繞組204的電流來控制充電階段T_ON的時間長度。當流經初級繞組204的電流增加至一個預設的最大電流值時，結束充電階段T_ON並啟動放電階段T_DIS。在充電階段結束時，斷開開關218。

在步驟506，在放電階段T_DIS，利用變壓器202對負載供電。在一實施例中，透過監測變壓器202輔助繞組208的輸出電壓來控制放電階段T_DIS的時間長度。輔助繞組208的輸出電壓可以指示流經變壓器202次級繞組206的電流是否下降到一個預設的電流值。具體而言，當流經次級繞組206的電流減小到預設的電流值(如減小到0)時，結束放電階段T_DIS並啟動調整階段T_ADJ。在一實施例中，當輔助繞組208的輸出電壓減小至一個預設的電壓值時，流經次級繞組206的電流減小至預設的電流值。

在步驟508中，決定調整階段T_ADJ的時間長度，使得放電階段T_DIS的時間長度與充電階段T_ON、放電階段T_DIS及調整階段T_ADJ的總的時間長度之間的比值為常數。在一實施例中，調整階段T_ADJ的時間長度由振盪器226決定。振盪器226產生鋸齒波信號SAW。在充電階段T_ON，鋸齒波信號SAW的電壓從預設的參考電壓值V_SET上升至第一電壓值V₁。在放電階段T_DIS，鋸齒波信號SAW的電壓從第一電壓值V₁下降至第二電壓值V₂。在調整階段T_ADJ，鋸齒波信號SAW的電壓從第二電壓值V₂上升至預設的參考電壓值V_SET。當鋸齒波信號SAW的電壓上升至預設的參考電壓值V_SET時，結束調整階段T_ADJ並啟動一個新的週期T_S。

綜上所述，本發明提供了一種電源轉換器和對電源轉換器進行控制的方法。電源轉換器包含工作於多個週期的變壓器。至少一個週期包含充電階段T_ON、放電階段T_DIS和調整階段T_ADJ。電源轉換器可以使得調整階段T_ADJ具有 合適的時間長度，進而使放電階段T_DIS的時間長度與週期T_S的時間長度的比值為常數。週期T_S的時間長度是充電階段T_ON、放電階段T_DIS和調整階段T_ADJ總的時間長度。因此，在一個週期中，變壓器輸出的電流的平均值為常數。

本發明提供的電源轉換器可以應用於多種場合。例如，該電源轉換器可以提供直流電流輸出以驅動發光二極體光源，也可以提供直流電流輸出以對電池充電。

與包含光耦合器和誤差放大器的傳統的返馳式轉換器相比，本發明提供的電源轉換器的尺寸相對較小。

此外，即便電源轉換器的輸入電壓和輸出電壓的變化可能導致充電階段T_ON和放電階段T_DIS的時間長度產生變化，該電源轉換器能自動調節調整階段T_ADJ的時間長度以保持放電階段T_DIS的時間長度與週期T_S的時間長度的比值為常數。因此，該電源轉換器能夠自動調節而輸出平均值固定的電流。而且從等式(1)可以看到，該電源轉換器的輸出電流的平均值不受變壓器繞組電感值的影響，進而能夠更加精確的控制輸出電流。

進一步地，在一實施例中，本發明提供控制發光二極體光源的電力的控制器。具體而言，該控制器可透過控制開關控制電源轉換器，以使得該電源轉換器提供指定的輸出電流以為該發光二極體光源供電。有利地，在這樣的實施例中，該控制器可實現抖動功能，例如，改變開關的開關頻率，進而降低該電源轉換器的電磁干擾效應(EMI)。

圖6所示為根據本發明一實施例的電源轉換器600的結構示意圖。與圖2中標號相同的元件具有相似功能。圖 8A和圖8B所示為根據本發明一實施例的電源轉換器600的信號波形示例圖。圖6將結合圖2、圖8A和圖8B進行描述。

如圖6所示，電源轉換器600包含控制器620、變壓器202和箝位電路228。基於箝位電路228的功能，控制器620控制變壓器202的操作。在一實施例中，變壓器202包含初級繞組204、次級繞組206和輔助繞組208。

在一實施例中，控制器620包含透過開關218與變壓器202耦合的控制端。該控制端提供控制信號，如脈波寬度調變信號PWM2，以透過控制開關218控制變壓器202。在另一實施例中，開關218和控制器620均被集成入晶片內。在這樣的實施例中，晶片包含控制端，如開關218的汲極端，以提供控制信號OD，進而控制變壓器202。控制器620更包含與電阻230耦合的第一回授端，接收回授信號FB1。回授信號FB1指示流經初級繞組204的電流I_PR是否增加到峰值IPEAK。此外，控制器620包含與電阻214和電阻216耦合的第二回授端，接收回授信號FB2。回授信號FB2指示流經次級繞組206的電流I_SE是否降低到谷值，如0安培。

當開關218導通時，箝位電路228對回授信號FB2的電壓進行箝位。在一實施例中，控制器620接收參考信號PEAK和參考信號SET。參考信號PEAK決定流經初級繞組204的電流I_PR的最大電流值I_PEAK。參考信號SET具有參考電壓值V_SET。在另一個實施例中，參考信號PEAK和參考信號SET由控制器620產生。

控制器620接收回授信號FB1和回授信號FB2，並根據回授信號FB1和回授信號FB2產生一個脈波信號，如脈波寬度調變信號PWM2，來控制開關218。控制器620透過控制與初級繞組204串聯的開關218，使得變壓器202工作於多個開關週期。在一實施例中，一個開關週期包含充電階段T_ON、放電階段T_DIS和調整階段T_ADJi(i=1,2,3等)，如圖8A中所示。在充電階段T_ON，控制器620控制開關218持續導通，變壓器202由輸入電壓V_BB供電，流經初級繞組204的電流I_PR增加。在放電階段T_DIS，控制器620控制開關218持續關斷，變壓器202放電以對負載212，如至少包含一個發光二極體或發光二極體串的發光二極體光源，供電，流經次級繞組206的電流I_SE減小。在調整階段T_ADJi，控制器620控制開關218持續關斷。電源轉換器600在開關週期T_Si的操作與圖2所示電源轉換器200在開關週期T_S的操作類似，此處不再贅述。

此外，控制器620可透過控制調整階段T_ADJi週期性地改變控制信號，如脈波寬度調變信號PWM2或信號OD的頻率f_SW。在一實施例中，控制器620週期性地改變調整階段T_ADJi，進而週期性地改變控制信號和開關218的開關頻率f_SW。具體而言，變壓器202可工作於多個週期組。在一實施例中，每個週期組包含相同數目的開關218的開關週期。調整階段T_ADJi以預設的方式在每個週期組變化，該變化過程在每個週期組實質上相同。

如圖8A所示，開關週期T_S1~T_S6構成一個週期組。但 本發明並不僅限於此，一個週期組可包含其他數目的開關週期。在開關週期T_S1~T_S6期間，控制器620控制充電階段T_ON和放電階段T_DIS實質上固定。例如，充電階段T_ON由電流I_PR的峰值I_PEAK和施加於初級繞組204的電壓V_BB決定。在一實施例中，峰值I_PEAK和電壓V_BB實質上固定，因而開關週期T_S1~T_S6期間內的充電階段T_ON實質上相同。此外，放電階段T_DIS由電流I_SE的峰值I_SE-MAX和次級繞組206上的電壓V_OUT’決定。在一實施例中，峰值I_SE-MAX和電壓V_OUT’實質上固定，因而開關週期T_S1~T_S6期間內的放電階段T_DIS實質上相同。在不同的開關週期中，調整階段T_ADJ1、T_ADJ2、T_ADJ3可變化。

根據等式(1)，次級繞組206在一個週期組內的提供的輸出電流的平均值I_OAVG’可表示為：

其中，T_Si=T_ON+T_DIS+T_ADJi。換言之，流經次級繞組206的電流I_SE在開關週期T_S1~T_S6間的平均值取決於比值R。比值R是開關週期T_S1~T_S6內放電階段時間長度的總和與開關週期T_S1~T_S6內充電階段、放電階段和調整階段時間長度的總和的比值。

有利地，透過在多個開關週期內改變調整階段T_ADJ，控制器620可改變信號PWM2和OD的頻率f_SW，進而減小電源轉換器600的電磁干擾效應。進一步地，在一實施例中，透過週期性地改變調整階段T_ADJ，控制器620可週 期性地改變信號PWM2和OD的頻率。因比例R實質上固定，由次級繞組206在每個週期組提供的輸出電流的平均值I_OAVG’也實質上固定。此處“實質上固定”指平均電流I_OAVG’僅在一定範圍內變化，在該範圍內，由電路元件的非理想性引起的電流大小波動可忽略。在一實施例中，控制器620週期性地重複調整階段T_ADJi的變化過程。例如，在包含開關週期T_S1~T_S6的週期組內，控制器620將調整階段T_ADJi以如圖8A所示方式從T_ADJ1調整至T_ADJ6，之後在新的週期組內重複這一調整過程。圖8B所示為緊隨圖8A所示週期組後的下一週期組的信號波形示例圖。圖8B所示開關週期T_S1~T_S6期間的調整階段T_ADiJ與圖8A所示開關週期T_S1~T_S6期間對應的調整階段T_ADJi分別相同。

本發明提供的電源轉換器可以應用於多種場合。在一實施例中，該電源轉換器可以提供直流電流輸出以驅動發光二極體光源。在另一實施例中，該電源轉換器可以提供直流電流輸出以對電池充電。

圖7所示為根據本發明一實施例的圖6中控制器620的電路示意圖。與圖3和圖6中標號相同的元件具有相似功能。圖7將結合圖3、圖6、圖8A和圖8B進行描述。控制器620可週期性地改變調整階段T_ADJi，進而減小電源轉換器600的電磁干擾效應，並為負載212提供平均值實質上不變的輸出電流。

在一實施例中，控制器620包含信號產生器726，例如振盪器726、比較器314、比較器316和脈波信號產生器318，例如脈波寬度調變信號產生器318。振盪器726根據 回授信號FB1和回授信號FB2產生信號，例如鋸齒波信號SAW’。比較器314將鋸齒波信號SAW’和參考信號SET進行比較。參考信號SET具有參考電壓值V_SET。比較器316將回授信號FB1和參考信號PEAK進行比較。回授信號FB1指示流經初級繞組204的電流I_PR。參考信號PEAK決定流經初級繞組204的最大電流值IPEAK。脈波寬度調變信號產生器318與比較器314以及比較器316耦合，並根據鋸齒波信號SAW’產生一個信號，如脈波信號PWM2。振盪器726產生的鋸齒波信號控制脈波寬度調變信號PWM2的責任週期。脈波寬度調變信號PWM2控制開關218的導通狀態進而控制變壓器202的輸出電力。

控制器620更包含控制信號產生器320。控制信號產生器320根據回授信號FB2產生控制信號CTRL。控制信號CTRL施加至信號產生器726。在一實施例中，如果回授信號FB2的電壓大於預設臨界值TH(TH>0)，則控制信號CTRL為邏輯1，否則控制信號CTRL為邏輯0。

在圖7的實施例中，信號產生器726包含電流源302、電流源722、電流源724和電流源728、開關306、開關308、開關S1和開關S2，以及電力儲存元件，如電容310。開關S1和開關S2分別與電流源724和電流源728串聯耦合。電容310上產生的電壓信號即為鋸齒波信號SAW’。根據開關306和開關308的導通狀態，電容310可被充電或放電。電容310的放電電流I_DIS根據開關S1和開關S2的導通狀態而變化。例如，當開關S1導通，開關S2關斷時，在放電階段T_DIS，電容310的放電電流I_DIS包含來自 電流源722和電流源724的電流。當開關S1和開關S2均關斷時，在放電階段T_DIS，電容310的放電電流I_DIS包含來自電流源722的電流。在一實施例中，開關S1和開關S2的導通時間被控制為週期性地變化，因此放電電流I_DIS也週期性地變化。

在工作過程中，如果電容310的電壓上升至參考電壓值V_SET，則控制器620產生具有第一電位準的脈波寬度調變信號PWM2，例如，PWM2為邏輯1，以導通開關218，進而使得變壓器202工作於充電階段T_ON。在充電階段T_ON，開關218導通，流經初級繞組204的電流I_PR從谷值，如0安培開始增加至峰值I_PEAK。此外，電容310的電壓(也即鋸齒波信號SAW’的電壓)從參考電壓值V_SET開始增加至第一電位準V₁。

具體而言，在一實施例中，箝位電路228使得回授信號FB2的電壓為0，進而控制信號CTRL具有第一電位準，如邏輯0。如圖7所示，當控制信號CTRL為邏輯0時，開關306導通而開關308關斷。因此，在充電階段T_ON，來自電流源302的電流對電容310充電，且電容310的電壓(也即鋸齒波信號SAW’的電壓)從參考電壓值VSET開始增加。同時，流經初級繞組204的電流I_PR增加。比較器316將回授信號FB1與參考信號PEAK進行比較。當回授信號FB1的電壓達到參考信號PEAK的電壓時，說明流經初級繞組204的電流I_PR增加至最大電流值IPEAK，此時控制器620斷開開關218，進而結束充電階段T_ON並啟動放電階段T_DIS。具體而言，脈波寬度調變信號產生器 318產生具有第二電位準的脈波寬度調變信號PWM2，例如PWM2為邏輯0，以斷開開關218。當充電階段T_ON結束時，電容310的電壓(也即鋸齒波信號SAW’的電壓)上升至第一電壓值V₁，如圖8所示。

在放電階段T_DIS，開關218斷開，流經次級繞組206的電流I_SE從最大電流值I_SE-MAX減小至谷值，且鋸齒波信號SAW’的電壓，如電容310上的電壓，從第一電位準V₁降到第二電位準V_2i。

具體而言，在一實施例中，在放電階段T_DIS，輔助繞組208產生實質上固定的輸出電壓。包含電阻214和電阻216的分壓器提供與輔助繞組208的輸出電壓成正比的回授信號FB2，如電阻216上的電壓。因此，回授信號FB2也可實質上固定。在一實施例中，適當選擇電阻214和電阻216的阻值，使得在放電階段T_DIS，回授信號FB2的電壓大於預設臨界值TH。如圖7所示，因回授信號FB2的電壓大於預設臨界值TH，控制信號CTRL為邏輯1，因此，開關306斷開而開關308導通。電容310以放電電流I_DIS放電，放電電流I_DIS的大小取決於開關S₁和開關S₂的導通狀態。相應地，電容310的電壓從第一電壓值V₁下降。

當回授信號FB2的電壓下降至臨界值TH，也即流經次級繞組206的電流I_SE減小到谷值(如0安培)時，控制器620結束放電階段T_DIS並啟動調整階段T_ADJi。當放電階段T_DIS結束時，電容310的電壓(也即鋸齒波信號SAW’的電壓)下降至第二電壓值V_2i(i=1,2,3等)，如圖8A所示。

在調整階段T_ADJi，因為回授信號FB2的電壓下降至臨界值TH，控制信號CTRL變為邏輯0。開關306導通，開關308斷開。電容310由電流源302的電流充電。電容310的電壓從第二電壓值V_2i上升。在一實施例中，在調整階段T_ADJi，開關218保持斷開，沒有電流流經初級繞組204或次級繞組206。當鋸齒波信號SAW’的電壓上升至參考電壓值V_SET，則控制器620結束調整階段T_ADJi並導通開關218以啟動下一個開關週期中的充電階段T_ON。具體而言，脈波寬度調變信號產生器318產生具有第一電位準的脈波寬度調變信號PWM2(例如，PWM2為邏輯1)以導通開關218。因此，在調整階段T_ADJi，鋸齒波信號SAW’的電壓，即電容310的電壓，從第二電位準V_2i增加至參考電壓V_SET。

如圖8A所示，控制器620在多個開關週期內控制開關S1和開關S2的導通時間，進而改變多個開關週期內的放電電流I_DIS。因此，等於V₁-I_DIST_DIS/C310的鋸齒波信號SAW’的第二電位V2i，相應地在多個開關週期內變化。參數C310代表電容310的電容值。因此，等於(V_2i-V_SET)/I_CHGC310的調整階段T_ADJi的時間長度在多個開關週期內變化(I_CHG代表電容C310的充電電流的電流值)，進而使得控制信號，如PWM2或OD，的頻率f_SW在多個開關週期內變化。換言之，放電電流I_DIS在多個開關週期內變化，進而導致控制信號PWM2或OD的頻率f_SW在多個開關週期內變化。

在一實施例中，流經電流源302的電流為I₁，流經電 流源722的電流為I₂，流經電流源724的電流為I₀，流經電流源728的電流為2I₀。如圖8A所示，開關S1和開關S2被選擇導通，以使放電電流I_DIS在開關週期T_S1~T_S6間分別為I₂，I₂+I₀，I₂+2I₀，I₂+2I₀，I₂+I₀，I₂。儘管圖7揭露了三個可被選擇以用於提供放電電流的電流源，本發明並不僅限於此。控制器620可包含其他數目的電流源。在一實施例中，控制器620可包含N+1個電流源以分別提供電流I₂，I₀，2I₀，2(N-1)I₀。控制器620可包含N個開關，以與圖7所述相似的方式，與相應的電流源耦合。

圖9所示為根據本發明一個實施例的控制發光二極體光源的電力的方法900流程圖。圖9將結合圖6、圖7、圖8A和圖8B進行描述。

在步驟902中，透過來自控制器620的控制信號，如信號PWM2或OD，控制變壓器202工作於該控制信號的多個開關週期內。在一實施例中，一個開關週期包含充電階段T_ON、放電階段T_DIS和調整階段T_ADJi。

在步驟904中，在充電階段T_ON，變壓器202的初級繞組204被控制用來接收電力。具體而言，在一實施例中，在充電階段T_ON，與初級繞組204串聯耦合的開關218導通，變壓器202由輸入電源供電。在一實施例中，充電階段T_ON透過監控流經初級繞組204的電流來控制。例如，當流經初級繞組204的電流增加至峰值I_PEAK時，充電階段結束，放電階段開始。

在步驟906中，在放電階段T_DIS，變壓器202的次級繞組206被控制用來向發光二極體，如發光二極體212放 電。在一實施例中，開關218在放電階段T_DIS內關斷。放電階段T_DIS可透過監控變壓器202的輔助繞組208的輸出電壓來控制。輔助繞組208的輸出電壓可指示流經次級繞組206的電流是否降到谷值。例如，當流經次級繞組206的電流降到谷值，如0安培時，放電階段T_DIS結束，調整階段T_ADJi開啟。在一實施例中，如輔助繞組208的輸出電壓降到預設值，則流經次級繞組206的電流降到谷值。

在步驟908中，透過控制開關週期內的調整階段T_ADJi，控制器620週期性地改變控制信號的頻率f_SW。在調整階段T_ADJi內，開關218關斷。在一實施例中，調整階段T_ADJi週期性地變化，進而使得控制信號的頻率f_SW也週期性地變化。在一實施例中，調整階段T_ADJi由信號產生器726決定。信號產生器726可透過對電容310充電或放電以產生鋸齒波信號，如鋸齒波信號SAW’。在充電階段T_ON，第一電流對電容310充電，以使電容310上的電壓，如鋸齒波信號SAW’從參考電位V_SET上升至第一電位V1。在放電階段T_DIS，電容310透過第二電流放電，以使鋸齒波信號SAW’的電壓從第一電位降至第二電位V2i。第二電流在控制信號的多個開關週期內變化以改變控制信號的頻率f_SW。在調整階段T_ADJi，第一電流對電容310充電，以使鋸齒波信號SAW’從第二電位V2i上升至參考電位V_SET。當鋸齒波信號SAW’的電壓上升至參考電位V_SET時，調整階段T_ADJi結束，一個新的開關週期開始。

上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離權利要求書所界定的本發明精神和發 明範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本領域技術人員應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元素、元件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅用於說明而非限制，本發明之範圍由後附權利要求及其合法等同物界定，而不限於此前之描述。

100‧‧‧返馳式轉換器

104‧‧‧初級繞組

106‧‧‧次級繞組

108‧‧‧輔助繞組

110‧‧‧二極體

111‧‧‧電流監測電阻

112‧‧‧負載

114‧‧‧誤差放大器

116‧‧‧光耦合器

118‧‧‧開關

120‧‧‧控制器

122‧‧‧電容

124‧‧‧磁芯

200‧‧‧電源轉換器

202‧‧‧變壓器

204‧‧‧初級繞組

206‧‧‧次級繞組

208‧‧‧輔助繞組

210‧‧‧二極體

212‧‧‧負載

214‧‧‧電阻

216‧‧‧電阻

218‧‧‧開關

220‧‧‧控制器

222‧‧‧電容

224‧‧‧磁芯

226‧‧‧振盪器

228‧‧‧箝位電路

230‧‧‧電阻

302‧‧‧電流源

304‧‧‧電流源

306‧‧‧電流源

308‧‧‧電流源

310‧‧‧電流源

312‧‧‧反閘

314‧‧‧比較器

316‧‧‧比較器

318‧‧‧脈波寬度調變信號產生器

320‧‧‧控制信號產生器

500‧‧‧控制電源轉換器中變壓器的方法

502~508‧‧‧步驟

600‧‧‧電源轉換器

620‧‧‧控制器

726‧‧‧信號產生器(振盪器)

722‧‧‧電流源

724‧‧‧電流源

728‧‧‧電流源

900‧‧‧控制發光二極體光源的電力的方法

902~908‧‧‧步驟

I_PR‧‧‧電流

PWM1‧‧‧脈波寬度調變信號

V_DD‧‧‧電壓

SET‧‧‧參考信號

PEAK‧‧‧參考信號

I_SE‧‧‧電流

V_OUT‧‧‧輸出電壓

FB1‧‧‧回授信號

FB2‧‧‧回授信號

FB‧‧‧回授信號

V_BB‧‧‧直流輸入電壓

SAW‧‧‧鋸齒波信號

I_PEAK‧‧‧峰值

I_PR‧‧‧電流

I_SE‧‧‧電流

CTRL‧‧‧控制信號

TH‧‧‧預設臨界值

I_SE-MAX‧‧‧最大電流值

I_OAVG‧‧‧平均輸出電流

I_OAVG’‧‧‧平均輸出電流

V_SET‧‧‧參考電壓值

SAW’‧‧‧鋸齒波信號

V₁‧‧‧第一電壓值

V₂‧‧‧第二電壓值

T_ON‧‧‧充電階段

T_DIS‧‧‧放電階段

T_ADJ‧‧‧調整階段

T_ADJ1~T_ADJ6‧‧‧調整階段

T_S‧‧‧週期

OD‧‧‧控制信號

V_OUT’‧‧‧電壓

V₁‧‧‧第一電位準

V₂‧‧‧第二電位準

V₂₁~V₂₆‧‧‧第二電位準

T_S1~T_S6‧‧‧開關週期

I_CHG‧‧‧充電電流

I_DIS‧‧‧放電電流

S1‧‧‧開關

S2‧‧‧開關

PWM2‧‧‧脈波寬度調變信號

以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方法進行詳細的描述，以使本發明的特徵和優點更為明顯。其中：圖1所示為一種傳統返馳式轉換器的結構示意圖；圖2所示為根據本發明一個實施例的電源轉換器的結構示意圖；圖3所示為圖2中的控制器的結構示意圖；圖4所示為根據本發明一個實施例的電源轉換器接收或產生的信號的波形圖；圖5所示為根據本發明一個實施例的控制電源轉換器中變壓器的方法流程圖；圖6所示為根據本發明一個實施例的電源轉換器的結構示意圖；圖7所示為根據本發明一個實施例的圖6中的控制器的電路示意圖；圖8A和圖8B所示為根據本發明一個實施例的圖6中電源轉換器的信號波形示例圖；以及 圖9所示為根據本發明一個實施例的控制發光二極體電力的方法流程圖。

200‧‧‧電源轉換器

202‧‧‧變壓器

204‧‧‧初級繞組

206‧‧‧次級繞組

208‧‧‧輔助繞組

210‧‧‧二極體

212‧‧‧負載

214‧‧‧電阻

216‧‧‧電阻

218‧‧‧開關

220‧‧‧控制器

222‧‧‧電容

224‧‧‧磁芯

226‧‧‧振盪器

228‧‧‧箝位電路

230‧‧‧電阻

PWM1‧‧‧脈波寬度調變信號

PEAK‧‧‧參考信號

SET‧‧‧參考信號

FB1‧‧‧回授信號

FB2‧‧‧回授信號

V_OUT‧‧‧輸出電壓

V_BB‧‧‧直流輸入電壓

V_DD．．．電壓

I_PR．．．電流

I_SE．．．電流

Claims (20)

1. 一種電力控制器，包含：一控制端，提供一控制信號以控制一變壓器，該控制信號的一週期包含一充電階段、一放電階段和一調整階段；以及一控制電路，與該控制端耦合，其中該控制電路在該充電階段控制該變壓器的一初級繞組接收一電力、在該放電階段控制該變壓器的一次級繞組一負載放電並透過控制該調整階段以週期性地改變該控制信號的一頻率。
2. 如申請專利範圍第1項的電力控制器，其中，該控制電路透過該控制信號控制該變壓器，其中，在該充電階段，控制流經該初級繞組的一電流從一第一谷值增加至一第一峰值、在該放電階段控制流經該次級繞組的一電流從一第二峰值降至一第二谷值且控制該調整階段在該控制信號的多個週期內變化以改變該控制信號的該頻率。
3. 如申請專利範圍第1項的電力控制器，其中，在該控制信號的多個週期內，該控制電路將該調整階段從一第一數值調整至一第二數值，並重複該調整階段的一調整過程，以使該控制信號的該頻率產生週期性地變化。
4. 如申請專利範圍第1項的電力控制器，更包含：一開關，與該初級繞組串聯耦合，其中，該開關在該充電階段導通，在該放電階段和該調整階段關斷。
5. 如申請專利範圍第1項的電力控制器，更包含：一第一回授端，接收指示流經該初級繞組的一電流是否增至一峰值的一第一回授信號；一第二回授端，接收指示流經該次級繞組的一電流是否降至一谷值的一第二回授信號。
6. 如申請專利範圍第1項的電力控制器，更包含：一信號產生器，產生一鋸齒波信號，在該充電階段，該鋸齒波信號的一電壓從一參考電壓值上升至一第一電壓值、在該放電階段該鋸齒波信號的該電壓從該第一電壓值下降至一第二電壓值並在該調整階段該鋸齒波信號的該電壓從該第二電壓值上升至該參考電壓值。
7. 如申請專利範圍第6項的電力控制器，其中，該鋸齒波信號根據一第一回授信號和一第二回授信號而產生，該第一回授信號指示流經該初級繞組的一電流是否增至一峰值，該第二回授信號指示流經該次級繞組的一電流是否降至一谷值。
8. 如申請專利範圍第6項的電力控制器，更包含：一開關，與該初級繞組串聯耦合，該開關由根據該鋸齒波信號產生的一脈波信號所控制，該開關在該充電階段導通，在該放電階段和該調整階段關斷。
9. 如申請專利範圍第1項的電力控制器，更包含：一電力儲存元件，在該充電階段，該電力儲存元件以一第一電流充電，該電力儲存元件的一電壓從一參考電壓值上升至一第一電壓值；在該放電階段，該電力儲存元件以一第二電流放電，該電力儲存元件的一電壓從該第一電壓值下降至一第二電壓值；在該調整階段，該電力儲存元件的一電壓從該第二電壓值上升至該參考電壓值，其中，該第二電流在該控制信號的多個週期內變化以改變該控制信號的該頻率。
10. 如申請專利範圍第1項的電力控制器，其中，流經該次級繞組的一電流在該控制信號的多個週期內的一平均值取決於該週期內該放電階段的一時間長度的一總和與該週期內該充電階段、該放電階段以及該調整階段的一時間長度的一總和的一比值。
11. 如申請專利範圍第1項的電力控制器，其中，流經該次級繞組的一電流的一平均值為一常數。
12. 一種控制光源的電力系統，包含：一變壓器，包含一初級繞組和一次級繞組，向該光源提供一電力；一控制器，控制與該初級繞組串聯耦合的一開關，以控制該變壓器工作於多個週期，該多個週期中的一週期包含一充電階段、一放電階段和一調整階段，其中，該控制器在該充電階段增加流經該初級繞組的一電流、在該放電階段降低流經該次級繞組的一電流且控制該調整階段以週期性地改變該開關的一開關頻率。
13. 如申請專利範圍第12項的電力系統，其中，該週期內該放電階段的一時間長度的一總和與該週期內該充電階段、該放電階段以及該調整階段的一時間長度的一總和的一比值為一常數。
14. 如申請專利範圍第12項的電力系統，其中，該開關由一脈波信號控制，該脈波信號根據指示流經該次級繞組的一電流是否降至一谷值的一回授信號所產生。
15. 如申請專利範圍第14項的電力系統，更包含：一信號產生器，根據該回授信號產生一鋸齒波信號，在該充電階段，該鋸齒波信號的一電壓從一參考電壓值上升至一第一電壓值；在該放電階段，該鋸齒波信號的一電壓從該第一電壓值下降至一第二電壓值；並在該調整階段該鋸齒波信號的一電壓從該第二電壓值上升至該參考電壓值。
16. 如申請專利範圍第12項的電力系統，更包含：一電力儲存元件，在該充電階段和該調整階段，該電力儲存元件以一第二電流放電，該第二電流在該週期內變化以改變該開關的一開關頻率。
17. 一種控制光源的電力的方法，包含：透過一控制信號控制一變壓器，該控制信號的一週期包含一充電階段、一放電階段和一調整階段；在該充電階段控制該變壓器的一初級繞組接收一電力；在該放電階段控制該變壓器的一次級繞組對該光源放電；以及透過控制該調整階段，週期性地改變該控制信號的一頻率。
18. 如申請專利範圍第17項的方法，更包含：控制一比值實質不變，該比值為該控制信號的多個週期內該放電階段的一時間長度的一總和與該週期內該充電階段、該放電階段以及該調整階段的一時間長度的一總和的一比值。
19. 如申請專利範圍第17項的方法，更包含：在該充電階段導通與該初級繞組串聯耦合的一開關；在該放電階段和該調整階段關斷該開關。
20. 如申請專利範圍第17項的方法，更包含：在該充電階段，以一第一電流對一電力儲存元件充電以將該電力儲存元件上的一電壓從一參考電壓值增至一第一電壓值；在該放電階段，以一第二電流對該電力儲存元件放電以將該電壓從該第一電壓值下降至一第二電壓值；在該調整階段，以該第一電流對該電力儲存元件充電以將該電壓從該第二電壓值開始增加；以及透過在該控制信號的多個週期內改變該第二電流，以改變該控制信號的該頻率。