TWI540821B - 功率輸出控制電路及其操作方法 - Google Patents

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Description

功率輸出控制電路及其操作方法
本發明與電源轉換器(power converter)有關，特別是關於一種能夠透過原有的斜波產生器產生波形斜率正比於輸出電流的斜波訊號藉以控制功率輸出的功率輸出控制電路及其操作方法。
近年來，電源供應電路已廣泛使用在不同電子產品上，例如可攜式電子產品、電腦產品等。電源供應電路可提供電壓或電流轉換或是提供具有固定電壓或電流之電力以供電子產品使用。在電源供應電路中，電源積體電路(Power integrated circuit,Power IC)為必要的主動元件之一。
目前一般的電源轉換器大多根據回授訊號改變脈寬調變控制訊號以控制其輸出訊號之工作週期(Duty cycle)的大小，藉以達到其輸出電壓或輸出電流之有效控制。
然而，若欲控制電源轉換器的輸出訊號具有固定輸出功率時，由於輸出功率等於輸出電壓與輸出電流之乘積，可能需要採用乘法器，其電路結構及實施方式相對複雜且成本較高。
因此，本發明提出一種功率輸出控制電路及其操作方法，以解決先前技術所遭遇到之上述問題。
根據本發明之一具體實施例為一種功率輸出控制電路。於此實施例中，功率輸出控制電路包括切換式調節器及功率控制器。切換式調節器具有控制端與輸出端。功率控制器耦接控制端與輸出端。功率控制 器包括斜波產生器及比較器。斜波產生器耦接切換式調節器的輸出端並依據切換式調節器的輸出端的輸出電流來產生斜波訊號。比較器具有第一輸入端與第二輸入端。第一輸入端耦接斜波產生器。第二輸入端耦接預設電壓。比較器耦接切換式調節器的控制端。比較器比較斜波訊號與預設電壓，以提供工作周期控制訊號至切換式調節器。
於一實施例中，當輸入電壓為固定值且切換式調節器的輸出端的輸出電壓上升及輸出電流下降時，功率輸出控制電路提供一定功率輸出。
於一實施例中，藉由調整預設電壓來使功率輸出控制電路提供不同的定功率輸出。
於一實施例中，當預設電壓為固定值且切換式調節器的輸出端的輸出電壓上升及輸出電流下降時，功率輸出控制電路提供定功率輸出。
於一實施例中，藉由調整輸入電壓來使功率輸出控制電路提供不同的定功率輸出。
於一實施例中，功率輸出控制電路還包括最大功率追蹤單元。最大功率追蹤單元耦接切換式調節器的輸入端與功率控制器的輸入端，以獲得切換式調節器的輸入電壓與輸入電流來提供預設電壓。
於一實施例中，斜波產生器依據切換式調節器的輸出電流與輸入電壓來產生斜波訊號。
於一實施例中，斜波訊號之波形的斜率正比於輸出電流。
根據本發明之另一具體實施例為一種功率輸出控制電路操作方法。於此實施例中，功率輸出控制電路包括切換式調節器及功率控制器。切換式調節器具有控制端與輸出端。功率控制器耦接控制端與輸出端。功率控制器包括斜波產生器及比較器。斜波產生器耦接切換式調節器的輸出端。比較器具有第一輸入端與第二輸入端。第一輸入端耦接斜波產生器。第二輸入端耦接預設電壓。比較器耦接切換式調節器的控制端。功率輸出控制電路操作方法包括下列步驟：(a)斜波產生器依據切換式調節器的輸出端的輸出電流來產生斜波訊號；以及(b)比較器比較斜波訊號與預設 電壓，以提供工作周期控制訊號至切換式調節器。
相較於先前技術，本發明所提出之功率輸出控制電路及其操作方法僅需透過電源轉換器中原有的斜波產生器產生波形斜率正比於輸出電流的斜波訊號即能有效達成電源轉換器之功率輸出的控制，不需額外設置乘法器，亦不需使用回授控制輸出電壓或輸出電流，故其電路結構及實施方式相對簡單並可有效降低成本。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
S10~S14‧‧‧流程步驟
1、6‧‧‧功率輸出控制電路
10、60‧‧‧切換式調節器
12、62‧‧‧功率控制器
VIN、VIN1~VIN3‧‧‧輸入電壓
IIN‧‧‧輸入電流
VOUT‧‧‧輸出電壓
IOUT‧‧‧輸出電流
Vp、Vp1~Vp3‧‧‧預設電壓
D‧‧‧工作周期控制訊號
120‧‧‧斜波產生器
122‧‧‧比較器
RAMP、RAMP1~RAMP4‧‧‧斜波訊號
-‧‧‧第一輸入端
+‧‧‧第一輸入端
64‧‧‧電源
66‧‧‧最大功率追蹤單元
CLOCK‧‧‧時脈訊號
圖1繪示根據本發明之一具體實施例之功率輸出控制電路的示意圖。
圖2繪示圖1中之功率控制器的一實施例。
圖3繪示當輸入電壓VIN為固定值時，分別對應於不同預設電壓Vp之輸出電壓VOUT與輸出電流IOUT之間的曲線圖。
圖4繪示當預設電壓Vp為固定值時，分別對應於不同輸入電壓VIN之輸出電壓VOUT與輸出電流IOUT之間的曲線圖。
圖5繪示圖1中之功率控制器的另一實施例。
圖6繪示功率輸出控制電路還包括最大功率追蹤單元的示意圖。
圖7繪示當輸出電流IOUT改變時，斜波產生器產生具有正比於輸出電流IOUT之斜率的斜波訊號之一實施例。
圖8繪示當輸出電流IOUT改變時，斜波產生器產生具有正比於輸出電流IOUT之斜率的斜波訊號之另一實施例。
圖9A~圖9E分別繪示時脈訊號CLOCK、斜波訊號Ramp、工作周期控制訊號D、輸入電流IIN及輸出電流IOUT的時序圖。
圖10繪示根據本發明之另一具體實施例之功率輸出控制電路操作方法的流程圖。
根據本發明之一較佳具體實施例為一種功率輸出控制電路。於此實施例中，本發明提出的功率輸出控制電路可應用於電源積體電路(Power IC)中，但不以此為限。本發明亦可適用於交流對直流轉換器或直流對交流轉換器等電源轉換電路的架構中。
在下述諸實施例中，當元件被指為「連接」或「耦接」至另一元件時，其可為直接連接或耦接至另一元件，或可能存在介於其間之元件。術語「電路」表示為至少一元件或多個元件，或者主動的且/或被動的而耦接在一起的元件以提供合適功能。術語「訊號」表示為至少一電流、電壓、負載、溫度、資料或其他訊號。斜波訊號又可為類斜波訊號、三角波訊號或鋸齒波訊號，其可以為重複-下降形式的斜波或是重複-上升形式的斜波，端視應用而決定。
請參照圖1，圖1繪示此實施例之功率輸出控制電路的示意圖。如圖1所示，功率輸出控制電路1包括切換式調節器10及功率控制器12。切換式調節器10具有接收端、控制端與輸出端，其中接收端用以接收一輸入電流IIN；控制端用以接收來自功率控制器12的工作周期控制訊號D；輸出端用以輸出一輸出電流IOUT。功率控制器12分別耦接切換式調節器10的控制端與輸出端以及一預設電壓Vp。
請參照圖2，圖2繪示圖1中之功率控制器12的一實施例。如圖2所示，功率控制器12包括斜波產生器120及比較器122。斜波產生器120耦接切換式調節器10的輸出端並依據切換式調節器10的輸出端的輸出電流IOUT來產生斜波訊號RAMP，其中斜波訊號RAMP之波形的斜率正比於輸出電流IOUT，但不以此為限。比較器122具有第一輸入端-、第二輸入端+及輸出端，其中第一輸入端-耦接斜波產生器120；第二輸入端+耦接預設電壓Vp；比較器122的輸出端耦接切換式調節器10的控制端。比較器122比較斜波訊號RAMP與預設電壓Vp，以提供工作周期控制訊號D至切換式調節器10的控制端。
接著，請參照圖3及圖4。如圖3所示，當切換式調節器10的輸入電壓VIN為固定值(例如5伏特)時，若切換式調節器10的輸出端的輸出電壓VOUT上升且輸出電流IOUT下降，則功率輸出控制電路1會提供一 定功率輸出，故功率輸出控制電路1可藉由調整預設電壓Vp的值來提供不同的定功率輸出。
舉例而言，假設預設電壓Vp分別為Vp1~Vp3，則切換式調節器10的輸出電壓VOUT與輸出電流IOUT之間的關係分別為三條不同的曲線，並且每條曲線上之輸出電壓VOUT與輸出電流IOUT的乘積均分別維持固定值，亦即在同一預設電壓Vp下，切換式調節器10的輸出功率會維持固定，故功率輸出控制電路1可藉由調整預設電壓Vp的值來提供不同的定功率輸出。
同理，如圖4所示，當預設電壓Vp為固定值時，若切換式調節器10的輸出端的輸出電壓VOUT上升且輸出電流IOUT下降，則功率輸出控制電路1會提供一定功率輸出，故可藉由調整輸入電壓VIN的方式來使功率輸出控制電路1提供不同的定功率輸出。
舉例而言，假設輸入電壓VIN分別為VIN1~VIN3，則切換式調節器10的輸出電壓VOUT與輸出電流IOUT之間的關係分別為三條不同的曲線，並且每條曲線上之輸出電壓VOUT與輸出電流IOUT之乘積均分別維持固定值，亦即在同一輸入電壓VIN下，切換式調節器10的輸出功率會維持固定，故功率輸出控制電路1可藉由調整輸入電壓VIN的方式來提供不同的定功率輸出。
由上述可知：本實施例之功率輸出控制電路1僅需透過原有之斜波產生器120產生波形斜率正比於輸出電流IOUT的斜波訊號RAMP即能有效將切換式調節器10的輸出功率維持固定，不需額外設置乘法器，亦不需使用回授控制輸出電壓或輸出電流，故其電路結構及實施方式相對簡單並可有效降低成本。
請參照圖5，圖5繪示圖1中之功率控制器12的另一實施例。如圖5所示，斜波產生器120除了耦接切換式調節器10的輸出端之外，還耦接切換式調節器10的輸入端，所以斜波產生器120是依據切換式調節器10的輸出端的輸出電流IOUT以及切換式調節器10的輸入端的輸入電壓VIN來產生斜波訊號RAMP，藉以透過加入輸入電壓VIN之方式來實現前饋補償(Feedforward compensation)。其中，斜波訊號RAMP之波形的斜率正比於 輸出電流IOUT，但不以此為限。接著，比較器122比較斜波訊號RAMP與預設電壓Vp，以提供工作周期控制訊號D至切換式調節器10的控制端。
請參照圖6，如圖6所示，功率輸出控制電路6包括切換式調節器60、功率控制器62、電源64及最大功率追蹤單元66。切換式調節器60之輸入端接收來自電源64的輸入電流IIN；切換式調節器60之控制端接收來自功率控制器62的工作周期控制訊號D；切換式調節器60之輸出端輸出一輸入電流IOUT。功率控制器62分別耦接切換式調節器60之控制端與輸出端以及最大功率追蹤單元66。最大功率追蹤單元66分別耦接切換式調節器60的輸入端與功率控制器62的輸入端，藉以獲得切換式調節器60的輸入電壓VIN與輸入電流IIN並提供預設電壓Vp給功率控制器62。
接著，請參照圖7及圖8。圖7及圖8分別繪示當輸出電流IOUT改變時，斜波產生器產生具有正比於輸出電流IOUT之斜率的斜波訊號之不同實施例。
如圖7所示，由於第一斜波訊號RAMP1與第二斜波訊號RAMP2具有相同的週期但振幅不同，且其斜率正比於輸出電流IOUT，很明顯地，第一斜波訊號RAMP1之斜率比第二斜波訊號RAMP2之斜率大，故第一斜波訊號RAMP1相對應的輸出電流亦大於第二斜波訊號RAMP2相對應的輸出電流。
如圖8所示，由於第三斜波訊號RAMP3與第四斜波訊號RAMP4具有相同的振幅但週期不同，且其斜率正比於輸出電流IOUT，很明顯地，第三斜波訊號RAMP3之斜率比第四斜波訊號RAMP4之斜率大，故第三斜波訊號RAMP3相對應的輸出電流亦大於第四斜波訊號RAMP4相對應的輸出電流。
請參照圖9A~圖9E，圖9A~圖9E分別繪示時脈訊號CLOCK、斜波訊號Ramp、工作周期控制訊號D、輸入電流IIN及輸出電流IOUT之時序圖。如圖9A~圖9E所示，假設輸入電流IIN為固定值，當工作周期控制訊號D處於高準位時，輸出電流IOUT會隨時間線性增加，此時斜波訊號Ramp的波形斜率正比於輸出電流IOUT；但當工作周期控制訊號D處於低準位時，輸出電流IOUT會隨時間線性減少，此時斜波訊號Ramp的波形斜率即 不會正比於輸出電流IOUT。
根據本發明之另一具體實施例為一種功率輸出控制電路操作方法。於此實施例中，功率輸出控制電路包括切換式調節器、功率控制器及最大功率追蹤單元。切換式調節器具有控制端與輸出端。功率控制器耦接控制端與輸出端。功率控制器包括斜波產生器及比較器。斜波產生器耦接切換式調節器的輸出端。比較器具有第一輸入端與第二輸入端。第一輸入端耦接斜波產生器。第二輸入端耦接預設電壓。比較器耦接切換式調節器的控制端。最大功率追蹤單元耦接切換式調節器的輸入端與功率控制器的輸入端。
請參照圖10)，圖10)繪示此實施例之功率輸出控制電路操作方法的流程圖。如圖10所示，於步驟S10中，斜波產生器依據切換式調節器的輸出端的輸出電流來產生斜波訊號，並且斜波訊號之波形的斜率正比於輸出電流。於實際應用中，斜波產生器亦可同時耦接切換式調節器的輸入端，並依據切換式調節器的輸出電流與輸入電壓來產生斜波訊號，但不以此為限。
於步驟S12中，最大功率追蹤單元獲得切換式調節器的輸入電壓與輸入電流來提供預設電壓。於步驟S14中，比較器比較斜波訊號與預設電壓，以提供工作周期控制訊號至切換式調節器。
於一實施例中，當輸入電壓為固定值且切換式調節器的輸出端的輸出電壓上升及輸出電流下降時，功率輸出控制電路提供一定功率輸出。因此，此實施例的功率輸出控制電路操作方法可透過調整預設電壓的方式來使功率輸出控制電路提供不同的定功率輸出。
於另一實施例中，當預設電壓為固定值且切換式調節器的輸出端的輸出電壓上升及輸出電流下降時，功率輸出控制電路提供定功率輸出。因此，此實施例的功率輸出控制電路操作方法可透過調整輸入電壓的方式來使功率輸出控制電路提供不同的定功率輸出。
相較於先前技術，本發明所提出之功率輸出控制電路及其操作方法僅需透過電源轉換器中原有的斜波產生器產生波形斜率正比於輸出電流的斜波訊號即能有效達成電源轉換器之功率輸出的控制，不需 額外設置乘法器，亦不需使用回授控制輸出電壓或輸出電流，故其電路結構及實施方式相對簡單並可有效降低成本
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
1‧‧‧功率輸出控制電路
10‧‧‧切換式調節器
12‧‧‧功率控制器
VIN‧‧‧輸入電壓
IIN‧‧‧輸入電流
VOUT‧‧‧輸出電壓
IOUT‧‧‧輸出電流
Vp‧‧‧預設電壓
D‧‧‧工作周期控制訊號

Claims (16)

  1. 一種功率輸出控制電路，包括：一切換式調節器，具有一控制端與一輸出端；以及一功率控制器，耦接該切換式調節器的該控制端與該輸出端，且該功率控制器包括：一斜波產生器，耦接該切換式調節器的該輸出端，以依據該切換式調節器的該輸出端的一輸出電流來產生一斜波訊號；以及一比較器，具有一第一輸入端與一第二輸入端，該第一輸入端耦接該斜波產生器，該第二輸入端耦接一預設電壓，且該比較器耦接該切換式調節器的該控制端，其中，該比較器比較該斜波訊號與該預設電壓，以提供一工作周期控制訊號至該切換式調節器，其中，該功率輸出控制電路提供一定功率輸出，且該定功率輸出隨該預設電壓的改變而變化。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之功率輸出控制電路，其中當一輸入電壓為一固定值且該切換式調節器的該輸出端的一輸出電壓上升及該輸出電流下降時，該功率輸出控制電路提供該定功率輸出。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之功率輸出控制電路，其中藉由調整該預設電壓來使該功率輸出控制電路提供不同的該定功率輸出。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之功率輸出控制電路，其中當該預設電壓為一固定值且該切換式調節器的該輸出端的一輸出電壓上升及該輸出電流下降時，該功率輸出控制電路提供該定功率輸出。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之功率輸出控制電路，其中藉由調整一輸入電壓來使該功率輸出控制電路提供不同的該定功率輸出。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之功率輸出控制電路，還包括：一最大功率追蹤單元，耦接該切換式調節器的輸入端與該功率控制器的輸入端，以獲得該切換式調節器的一輸入電壓與一輸入電流來提供該預設電壓。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之功率輸出控制電路，其中該斜波產生器依據該切換式調節器的該輸出電流與一輸入電壓來產生該斜波訊號。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之功率輸出控制電路，其中該斜波訊號之波形的斜率正比於該輸出電流。
  9. 一種操作一功率輸出控制電路的方法，該功率輸出控制電路包括一切換式調節器及一功率控制器，該切換式調節器具有一控制端與一輸出端，該功率控制器耦接該控制端與該輸出端，該功率控制器包括一斜波產生器及一比較器，該斜波產生器耦接該切換式調節器的該輸出端，該比較器具有一第一輸入端與一第二輸入端，該第一輸入端耦接該斜波產生器，該第二輸入端耦接一預設電壓，該比較器耦接該切換式調節器的該控制端，該方法包括下列步驟：(a)該斜波產生器依據該切換式調節器的該輸出端的一輸出電流來產生一斜波訊號；以及(b)該比較器比較該斜波訊號與該預設電壓，以提供一工作周期控制訊號至該切換式調節器，其中，該功率輸出控制電路提供一定功率輸出，且該定功率輸出隨該預設電壓的改變而變化。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中當一輸入電壓為一固定值且該切換式調節器的該輸出端的一輸出電壓上升及該輸出電流下降時，該功率輸出控制電路提供該定功率輸出。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中藉由調整該預設電壓來使該功率輸出控制電路提供不同的該定功率輸出。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中當該預設電壓為一固定值且該切換式調節器的該輸出端的一輸出電壓上升及該輸出電流下降時，該功率輸出控制電路提供該定功率輸出。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中藉由調整一輸入電壓來使該功率輸出控制電路提供不同的該定功率輸出。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該功率輸出控制電路還包括一最大功率追蹤單元，該最大功率追蹤單元耦接該切換式調節器的輸入端與該功率控制器的輸入端，該方法還包括下列步驟：該最大功率追蹤單元獲得該切換式調節器的一輸入電壓與一輸入電流來提供該預設電壓。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該斜波產生器依據該切換式調節器的該輸出電流與一輸入電壓來產生該斜波訊號。
  16. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該斜波訊號之波形的斜率正比於該輸出電流。
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