TWI542129B - 具效率計算功率轉換器及其操作方法 - Google Patents

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Description

具效率計算功率轉換器及其操作方法
本揭露內容與具有效率計算之功率轉換器及其相關方法有關。
功率轉換器的效率通常是經由輸入電壓Vin、輸出電壓Vout與輸出電流Iout之一般操作點的測量值來報告。對於任何靜態操作點而言，這個方法很適合用於計算效率。
可惜的是，在現實狀操作中，操作條件變化極大，且在大部分情況下都是無法預測的。因此，無法利用假設靜態行為的計算來簡單計算出切換模式功率管理控制器的效率。
由於現今功率管理控制器的趨勢是整合遙測功能，因此高度需要一種工作效率的晶片上計算。
本發明的目的在於提供一種針對改變的操作條件的可靠功率轉換器效率確定。
此目的可以根據獨立裝置請求項的功率轉換器以及根據獨立方法請求項的方法來實現。附屬請求項則與本發明的進一步構想有關。
本發明與包括功率級以利用切換元件根據切換訊號與輸入 電壓產生輸出電壓的切換功率轉換器有關。功率級包括用於感測輸出電流以獲得感測輸出電流之裝置、用於感測輸出電壓以獲得感測輸出電壓之裝置、用於感測輸入電壓以獲得感測輸入電壓之裝置。功率轉換器更包括用於藉由使特定時間週期的負載所耗能量與輸入電壓遞送的能量相關以從感測輸入電壓、感測輸出電壓與感測輸出電流得到該功率轉換器的效率測量值之裝置。
用於得到效率測量值之裝置被配置以計算負載所耗能量與輸入電壓遞送的能量的比例，且其中效率測量值由該比例確定，特別是根據下式：，其中eta(T)是特定時間週期之效率測量值。Vout(t)Iout(t)為輸出功率、且可從在時間t的感測輸出電壓Vout(t)與感測輸出電流Iout(t)確定。Vin(t)Iin(t)為輸入功率、且可從感測輸入電壓Vin(t)與感測輸入電流Iin(t)確定。這接著允許隨時間來進行實際效率計算。
可利用查找表或預先計算之數學關係式來確定輸入電流Iin(t)，其將輸出電壓Vout(t)、輸出電流Iout(t)與輸入電壓Vin(t)映射至時間t之輸入電流Iin(t)值。
因此，用於得到效率測量值之裝置被配置為將從偵測輸出電壓Vout(t)與輸出電流Iout(t)計算出的輸出功率Vout(t)Iout(t)對特定時間週期T進行積分來確定負載所耗能量、並將從偵測輸入電壓Vin(t)與所確定的輸入電流Iin(t)計算出的輸入功率Vin(t)Iin(t)進行積分來確定輸入電壓遞送的能量。
或者，可測量輸入電流Iin(t)。因此，功率轉換器可包括用於感測輸入電流之裝置。
預先計算之數學關係式或查找表可被設計以將輸出電壓Vout(t)、輸出電流Iout(t)與輸入電壓Vin(t)直接映射至輸入功率。
因此，用於得到效率測量值之裝置被配置為將從感測輸出電壓與感測輸出電流計算出的輸出功率對特定時間週期進行積分來確定負載所耗能量、並將從預先計算的數學關係式或查找表確定之輸入功率對特定時間週期進行積分來確定輸入電壓遞傳的能量。
查找表或預先確定之數學關係式可由在不同功率級之開發階段中(因此是在功率轉換器運作之前)的測量值得到。測量值包含輸入電壓、輸出電壓與輸出電流之複數個組合，以將複數個組合中的每一個組合映射至輸入電流或輸入功率。
本發明進一步與一種操作切換功率轉換器的方法有關。該方法包括：感測輸出電流以獲得感測輸出電流；感測輸出電壓以獲得感測輸出電壓；感測輸入電壓以獲得感測輸出電壓；藉由使特定時間週期的負載所耗能量與輸入電壓遞傳的能量相關以從感測輸入電壓、感測輸出電壓與感測輸出電流得到功率轉換器的效率測量值。
該方法可包括提供查找表或預先計算之數學關係式，以將輸入電壓、輸出電壓與輸出電流映射至輸入功率；使用查找表或預先計算之數學關係式，以從感測輸出電流、感測輸出電壓與感測輸入電壓確定輸入功率。接著，得到功率轉換器的效率測量值可包括：將從該感測輸出電壓與感測輸出電流計算出的輸出功率對特定時間週期進行積分來確定負載所耗能量；以及將輸入功率對特定時間週期進行積分來確定輸入電壓遞送的能量。
或者，該方法可包括提供查找表或預先計算之數學關係式，以將輸入電壓、輸出電壓與輸出電流映射至輸入電流；以及使用查找表或預先計算之數學關係式，以從該感測輸出電流、感測輸出電壓與感測輸入電壓確定輸入電流。其次，得到功率轉換器的效率測量值可包括：將從感 測輸出電壓與感測輸出電流計算出的輸出功率對特定時間週期進行積分來確定負載所耗能量、以及將從感測輸入電壓與所確定的輸入電流計算出的輸入功率對特定時間週期進行積分來確定輸入電壓遞送的能量。
或者，該方法可包括感測輸入電流以獲得感測輸入電流。其次，得到功率轉換器的效率測量值包括：將從感測輸出電壓與感測輸出電流計算出的輸出功率對特定時間週期進行積分來確定負載所耗能量、以及將從感測輸入電壓與感測輸入電流計算出的輸入功率對特定時間週期進行積分來確定輸入電壓遞送的能量。
11、21‧‧‧功率級
12、13、22、23‧‧‧切換元件
14、24‧‧‧電感
15、25‧‧‧電容器
16、26‧‧‧負載
17、27‧‧‧驅動器
18、28‧‧‧功率轉換器
19‧‧‧輸出電流
29‧‧‧查找表
參照所附圖式進行說明，其中：第1圖顯示從感測輸入電流、輸入電壓、輸出電流與輸出電壓得到效率測量值的直流對直流(DC-DC)轉換器的方塊圖；以及第2圖顯示DC-DC轉換器的方塊圖，其從習知數學關係式導出的感測輸入電壓、輸出電流、輸出電壓與輸入電流得到效率測量值。
第1圖顯示由控制器控制、包括功率級11的功率轉換器的具體實施例。功率級11包括第一切換元件12與第二切換元件13、電感14與電容器15。切換元件12與13是由驅動器17以零電流偵測來驅動。驅動器17根據控制定律而產生切換訊號。在充電相中，電容器15是經由電感14充電。在放電相中，電容器15是經由負載16放電。
在操作期間需要確定功率轉換器的效率測量值。效率測量值可從輸入電壓、輸出電壓與輸出電流及其他輸入電流得到。
為此目的，功率轉換器包括用於感測輸出電流19以獲得感測輸出電流Iout之裝置、用於感測輸出電壓以獲得感測輸出電壓Vout之裝 置、用於感測輸入電壓以獲得感測輸入電壓之裝置Vin、以及用於感測輸入電流110以獲得感測輸入電流之其他裝置。
功率轉換器更包括用於從感測輸入電壓、感測輸出電壓、感測輸出電流與感測輸入電流得到功率轉換器18的效率測量值之裝置。用於得到效率測量值之裝置包括用於計算感測輸入電壓與感測輸入電流遞送的能量、及感測輸出功率與感測輸出電流所耗能量之裝置，如式(1)所示。
在如第2圖中所示的替代具體實施例中，並不測量輸入電流，而是從感測輸入電壓、感測輸出電壓與感測輸出電流得到輸入電流。因此，功率轉換器包括用於得到輸入電流之裝置。該用於得到輸入電流之裝置可包括查找表29，其儲存複數個輸入電流值，該複數個效率測量值中的每一個效率測量值對應於輸入電壓、輸出電壓與輸出電流的特定理想值。用於得到輸入電流之該查找表可從操作切換功率轉換器之前的測量值獲得。
21‧‧‧功率級
22、23‧‧‧切換元件
24‧‧‧電感
25‧‧‧電容器
26‧‧‧負載
27‧‧‧驅動器
28‧‧‧功率轉換器
29‧‧‧查找表

Claims (15)

  1. 一種切換功率轉換器，包括：一功率級，用於利用一切換元件以根據一切換訊號與一輸入電壓產生一輸出電壓，該功率級包括用於感測一輸出電流以獲得一感測輸出電流之裝置、用於感測一輸出電壓以獲得一感測輸出電壓之裝置、用於感測一輸入電壓以獲得一感測輸入電壓之裝置；該功率轉換器更包括用於藉由使一特定時間週期的一負載所耗的一能量與該輸入電壓遞送的一能量相關以從一感測輸入電壓、一感測輸出電壓與一感測輸出電流得到該功率轉換器的一效率測量值之裝置，其中該用於得到一效率測量值之裝置包括一查找表，該查找表儲存用於一輸入功率或一輸入電流的複數個值，用於該輸入功率或該輸入電流的該複數個值中的每一個值對應於感測輸入電壓、感測輸出電壓與感測輸出電流的一理想值；以及其中該用於得到一效率測量值之裝置被配置為：將從該感測輸出電壓與該感測輸出電流計算出的一輸出功率對該特定時間週期進行積分來確定該負載所耗的該能量；以及將該輸入功率對該特定時間週期進行積分來確定該輸入電壓遞送的該能量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之切換功率轉換器，其中該用於得到一效率測量值之裝置更被配置為：將從該感測輸入電壓與該確定的輸入電流計算出的該輸入功率對該特定時間週期進行積分來確定該輸入電壓遞送的該能量。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之切換功率轉換器，其中該查找表是得自在操作該切換功率轉換器之前的複數個測量值，該複數個測量值包括輸入電壓、輸出電壓與輸出電流的複數個組合，以將該複數個組合中的每一個組合映射至一輸入功率值或一輸入電流值。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之切換功率轉換器，其中該用於得到一效率測量值之裝置更被配置為計算一負載所耗的能量與該輸入電壓所遞送的該能量的一比例，且其中該效率測量值是由該比例所定義。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之切換功率轉換器，其中該用於得到一效率測量值之裝置更被配置為計算一負載所耗的能量與該輸入電壓所遞送的該能量的一比例，且其中該效率測量值是由該比例所定義。
  6. 一種切換功率轉換器，包括：一功率級，用於利用一切換元件以根據一切換訊號與一輸入電壓產生一輸出電壓，該功率級包括用於感測一輸出電流以獲得一感測輸出電流之裝置、用於感測一輸出電壓以獲得一感測輸出電壓之裝置、用於感測一輸入電壓以獲得一感測輸入電壓之裝置；該功率轉換器更包括用於藉由使一特定時間週期的一負載所耗的一能量與該輸入電壓遞送的一能量相關以從一感測輸入電壓、一感測輸出電壓與一感測輸出電流得到該功率轉換器的一效率測量值之裝置，其中該用於得到一效率測量值之裝置包括使感測輸入電壓、感測輸出電壓及感測輸出電流與一輸入功率或一輸入電流的一值相關的一預先計算的數學關係式；且其中該用於得到一效率測量值之裝置被配置為：將從該感測輸出電壓與感測輸 出功率或輸出電流計算出的一輸出功率對該特定時間週期進行積分來確定該負載所耗的該能量；以及將該輸入功率對該特定時間週期進行積分來確定該輸入電壓遞送的該能量。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之切換功率轉換器，其中該用於得到一效率測量值之裝置更被配置為：將從該感測輸入電壓與該確定的輸入電流計算出的該輸入功率對該特定時間週期進行積分來確定該輸入電壓遞送的該能量。
  8. 如申請專利範圍第6項或第7項所述之切換功率轉換器，其中該切換功率轉換器的該預先計算的數學關係式，該複數個測量值包括輸入電壓、輸出電壓與輸出電流的複數個組合，以將該複數個組合中的每一個組合映射至一輸入功率值或一輸入電流值。
  9. 如申請專利範圍第6項或第7項所述之切換功率轉換器，其中該用於得到一效率測量值之裝置被配置為計算一負載所耗能量與該輸入電壓遞送的該能量之一比例，且其中該效率測量值是由該比例定義。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之切換功率轉換器，其中該用於得到一效率測量值之裝置被配置為：計算一負載所耗能量與該輸入電壓遞送的該能量之一比例，且其中該效率測量值是由該比例定義。
  11. 一種用於操作一切換功率轉換器的方法，該方法包括：感測一輸出電流以獲得一感測輸出電流；感測一輸出電壓以獲得一感測輸出電壓；感測一輸入電壓以獲得一感測輸入電壓； 藉由使一特定時間週期的一負載所耗的一能量與該輸入電壓遞送的一能量相關以從一感測輸入電壓、一感測輸出電壓與一感測輸出電流得到該功率轉換器的一效率測量值。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，該方法更包括：提供一查找表或一預先計算的數學關係式，以將輸入電壓、輸出電壓與輸出電流映射至一輸入功率；使用該查找表或該預先計算的數學關係式，以從該感測輸出電流、感測輸出電壓與感測輸入電壓確定一輸入功率；且其中得到該功率轉換器的一效率測量包括：將從該感測輸出電壓與該感測輸出電流計算出的一輸出功率對該特定時間週期進行積分來確定該負載所耗的該能量；以及將該輸入功率對該特定時間週期進行積分來確定該輸入電壓遞送的該能量。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之方法，該方法更包括：提供將輸入電壓、輸出電壓與輸出電流映射至一輸入電流的一預先計算的數學關係式或一查找表；使用該查找表或該預先計算的數學關係式，以從該感測輸出電流、該感測輸出電壓與該感測輸入電壓確定一輸入電流，且其中得到該功率轉換器的一效率測量值包括：將從該感測輸出電壓與該感測輸出電流計算出的一輸出功率對該特定時間週期進行積分來確定該負載所耗的該能量；以及將從該感測輸入電壓與該確定的輸入電流計算出的該輸入功率對該特定時 間週期進行積分來確定該輸入電壓遞送的該能量。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中得到一效率測量值包括計算一負載所耗能量與該輸入電壓遞送的該能量的一比例，且其中該效率測量值是由該比例定義。
  15. 如申請專利範圍第11項至第14項中任一項所述之方法，其中該查找表或該預先計算的數學關係式是藉由在不同功率級的開發階段期間、且因此在操作該功率之前的複數個測量值得到，且其中該複數個測量值包括輸入電壓、輸出電壓與輸出電流的複數個組合，以將該複數個組合中的每一個組合映射至一輸入電流或輸入功率。
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