TWI595343B - 依據限流次數設定導通時間之功率控制器 - Google Patents

依據限流次數設定導通時間之功率控制器 Download PDF

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李永洲
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Description

依據限流次數設定導通時間之功率控制 器
本發明係有關於一種依據限流次數設定導通時間之功率控制器，尤其是指一種依據限流次數設定導通時間，並依據導通時間決定電流峰值之功率控制器。
隨著科技的發展與時代的進步，電子裝置的快速發展使得人們生活水準普遍提高，而現今隨著電子裝置的大量發展，功率控制器的需求因而與日俱增，例如發光二極體(Light-Emitting Diode；LED)系統或是變壓器都需要使用到功率控制器以控制。
現有之功率控制器中所採用的控制方式中，普遍係採用一次側電壓調節(Primary side regulation)與準諧振模式(Quasi Resonant)調節的方式。其中，請參閱第一圖，第一圖係顯示先前技術之功率系統之電路示意圖。
如第一圖所示，在現有的功率系統PA1中， 一般包含有電源供應模組PA11、變壓器PA12、功率開關PA13與負載PA14，其中變壓器PA12電性連接於電源供應模組PA11，功率開關PA13電性連接於變壓器PA12之一次側繞組，負載PA14電性連接於變壓器PA12之二次側繞組，而功率控制器PA2電性連接於電源供應模組PA11、變壓器PA12之一次側繞組以及功率開關PA13。
以一次側電壓調節為例，功率控制器PA2係接收變壓器PA12之二次側繞組之分壓後的訊號，取正值後的平均值，並利用此正比於輸出電壓的平均值調整功率開關的導通時間，藉以控制變壓器二次側的電流。
然而，上述控制方式無法限制峰值電流，從而導致變壓器的體積無法縮小之問題，且由於無法調整峰值電流，因此造成無法適應於各種電路拓樸架構與無法達到即時保護電路之問題。
有鑒於現有技術由於無法限制峰值電流，因而普遍具有電路體積大、無法適應各種拓樸架構以及無法即時保護電路之問題。緣此，本發明主要係提供一種依據限流次數設定導通時間之功率控制器，其主要係依據限流次數設定導通時間，並依據導通時間決定電流峰值，以達到調整電流峰值之目的。
基於上述目的，本發明所採用之主要技術手段係提供一種依據限流次數設定導通時間之功率控制 器，係應用於一功率系統，功率系統包含一電源供應模組、一分壓電路以及一功率開關，電源供應模組係用以提供一輸入電壓，分壓電路係電性連接於電源供應模組，用以接收輸入電壓而產生一分壓輸入電壓，功率開關電性連接於分壓電路。依據限流次數設定導通時間之功率控制器包含一電流峰值設定單元、一比較器、一導通時間運算模組、一計時器以及一開關控制模組。電流峰值設定單元係電性連接於分壓電路，並接收一限流導通時間值，用以依據分壓輸入電壓與限流導通時間值決定出一電流峰值。比較器係電性連接於電流峰值設定單元與功率開關，用以在功率開關之一電流值每達電流峰值一次時，就對應地傳送出一第一觸發條件信號一次。
導通時間運算模組係電性連接於電流峰值設定單元與比較器，設有一統計時間區間與一目標限流次數，用以在統計時間區間內統計接收第一觸發條件信號之次數，據以定義出一限流次數，並利用限流導通時間值、限流次數與目標限流次數進行一遞迴運算而計算出一設定導通時間值。計時器係電性連接於導通時間運算模組，藉以在計時到設定導通時間值時，傳送出一第二觸發條件信號。開關控制模組係電性連接於比較器、計時器與功率開關，藉以在接收到第一觸發條件信號與第二觸發條件信號中之一者時，將一切斷信號傳送至功率開關以切斷(turn off)功率開關，並在經歷一切斷時間後，恢復導通(turn on)功率開關。其中，導通時間運算模組係將設定導通時間值 傳送至電流峰值設定單元，藉以使設定導通時間值取代限流導通時間值。
在上述必要技術手段的基礎下，上述依據限流次數設定導通時間之功率控制器還包含以下所述的較佳附屬技術手段。導通時間運算模組包含一限流統計單元、一減法器、一增益器以及一加法器。限流統計單元係設有統計時間區間，並電性連接於比較器，用以將在統計時間區間內所接收第一觸發條件信號的次數定義為限流次數。減法器係電性連接於限流統計單元，用以將目標限流次數與限流次數相減而產生一限流次數差。增益器係電性連接於減法器，設有一增益值，用以將限流次數差與增益值相乘而產生一增益時間值。加法器係電性連接於增益器，用以接收限流導通時間值，並將限流導通時間值與增益時間值相加而產生設定導通時間值。
在上述必要技術手段的基礎下，上述依據限流次數設定導通時間之功率控制器還包含以下所述的較佳附屬技術手段。導通時間運算模組更包含一延遲單元，延遲單元之一輸入端與一輸出端電性連接於加法器，用以延遲設定導通時間值，且延遲單元為一單位延遲器(Unit Delay)。
在上述必要技術手段的基礎下，上述依據限流次數設定導通時間之功率控制器還包含以下所述的較佳附屬技術手段。開關控制模組包含一或閘以及一SR正反器，或閘係電性連接於比較器與計時器，用以在接收到第 一觸發條件信號與第二觸發條件信號中之一者時傳送出一或閘信號，SR正反器係電性連接於或閘與功率開關，用以在接收到或閘信號時傳送出切斷信號。
在採用本發明所提供之依據限流次數設定導通時間之功率控制器之主要技術手段後，由於依據限流次數設定導通時間，並依據導通時間決定電流峰值，因而可有效地調整電流峰值，因而可達到降低變壓器之體積、可調整功率開關之耐壓、可調整變壓器之二次側之蕭基二極體之耐壓、可調整功率因數(Power Factor；PF)以及應用於如高功率因數系統、無高功率因數系統、單級架構與多級架構等多種電路拓架構之功效，進而提升使用上之方便性。
本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及圖式作進一步之說明。
PA1‧‧‧功率系統
PA11‧‧‧電源供應模組
PA12‧‧‧變壓器
PA13‧‧‧功率開關
PA14‧‧‧負載
PA2‧‧‧功率控制器
1‧‧‧依據限流次數設定導通時間之功率控制器
11‧‧‧電流峰值設定單元
12‧‧‧比較器
13‧‧‧導通時間運算模組
131‧‧‧限流統計單元
132‧‧‧減法器
133‧‧‧增益器
134‧‧‧加法器
135‧‧‧延遲單元
1351‧‧‧輸入端
1352‧‧‧輸出端
14‧‧‧計時器
15‧‧‧開關控制模組
151‧‧‧或閘
152‧‧‧SR正反器
2‧‧‧功率系統
21‧‧‧電源供應模組
22‧‧‧分壓電路
23‧‧‧功率開關
24‧‧‧變壓器
25‧‧‧負載
S1‧‧‧第一觸發條件信號
S2‧‧‧第二觸發條件信號
S3‧‧‧切斷信號
Ipeak‧‧‧電流峰值
T‧‧‧統計時間區間
第一圖係顯示先前技術之功率系統之電路示意圖。
第二圖係顯示本發明較佳實施例之功率系統之電路示意圖。
第三圖係顯示本發明較佳實施例之依據限流次數設定導通時間之功率控制器之方塊示意圖。
第四圖係顯示本發明較佳實施例之電流峰值之第一波形示意圖。
第五圖係顯示本發明較佳實施例之電流峰值之第二波形示意圖。
由於本發明所提供之依據限流次數設定導通時間之功率控制器中，其組合實施方式不勝枚舉，故在此不再一一贅述，僅列舉一個較佳實施例加以具體說明。
請一併參閱第二圖與第三圖，第二圖係顯示本發明較佳實施例之功率系統之電路示意圖，第三圖係顯示本發明較佳實施例之依據限流次數設定導通時間之功率控制器之方塊示意圖。
如圖所示，本發明較佳實施例之依據限流次數設定導通時間之功率控制器1，係應用於一功率系統2，功率系統2包含一電源供應模組21、一分壓電路22、一功率開關23、一變壓器24以及一負載25。
電源供應模組21一般包含有交流電源以及濾波器，其為現有技術，不再贅述。分壓電路22係電性連接於電源供應模組21，一般係由兩個電阻所組成以進行分壓。功率開關23電性連接於分壓電路22，具體來說，功率開關23是經由變壓器24之一次側而電性連接於分壓電路22，且變壓器24之二次側是電性連接於負載25，其中，負載25例如是包含有二極體、電容、光耦合器與發光二極體之元件，但其他實施例中不限於此。
依據限流次數設定導通時間之功率控制器 1包含一電流峰值設定單元11、一比較器12、一導通時間運算模組13、一計時器14以及一開關控制模組15。
電流峰值設定單元11係電性連接於分壓電路22(電流峰值設定單元11之一端為第二圖中所示之「AS」端)，並接收一限流導通時間值，其中，電流峰值設定單元11也可於內部即設有限流導通時間值，此限流導通時間值可為限流週期(duty)比例，例如40%則為開關時間之40%而得，但其他實施例中不限於此。
比較器12係電性連接於電流峰值設定單元11與功率開關23，其中，比較器12之一端為第二圖所示之「CS」端。導通時間運算模組13係電性連接於電流峰值設定單元11與比較器12，設有一統計時間區間與一目標限流次數，統計時間區間與目標限流次數一般可由人工設定而得。
具體來說，導通時間運算模組13包含一限流統計單元131、一減法器132、一增益器133、一加法器134以及一延遲單元135，限流統計單元131係設有上述之統計時間區間，並電性連接於比較器12，減法器132係電性連接於限流統計單元131。增益器133係電性連接於減法器132，設有一增益值(例如定義為k，增益值的大小係用於調整追蹤導通時間之速度)。加法器134係電性連接於增益器133，延遲單元135之一輸入端1351與一輸出端1352電性連接於加法器134，並可為一單位延遲器(Unit Delay)。
計時器(timer)14係電性連接於導通時間 運算模組13之延遲單元135之輸出端1352。開關控制模組15係電性連接於比較器12、計時器14與功率開關23，具體來說，開關控制模組15包含一或閘151以及一SR正反器152，或閘151係電性連接於比較器12與計時器14，SR正反器152係電性連接於或閘151與功率開關23，即SR正反器152的「Q」端為第二圖所示之「DRV」端。
另外，本發明較佳實施例中，依據限流次數設定導通時間之功率控制器1還包含一零電流比較器(位於圖中左上角，未標示)，零電流比較器之一端即為第二圖所示之「ZCD」端，另一端則電性連接於一電壓源。
請一併參閱第二圖至第五圖，第四圖係顯示本發明較佳實施例之電流峰值之第一波形示意圖。第五圖係顯示本發明較佳實施例之電流峰值之第二波形示意圖。如圖所示，電源供應模組21係用以提供一輸入電壓，分壓電路22用以接收輸入電壓而產生一分壓輸入電壓，電流峰值設定單元11用以依據分壓輸入電壓與限流導通時間值決定出一電流峰值。其中，例如可預先模擬分壓輸入電壓與限流導通時間值與電流峰值之關係，並存入電流峰值設定單元11，以供電流峰值設定單元11以查表的方式決定出電流峰值，或是透過運算的方式運算出電流峰值，但其他實施例中不限於此。另外，本發明較佳實施例之電流峰值例如為門檻值。
舉例來說，若是以運算的方式運算出電流峰值，可由Ipeak=(Vin/Lp)×Ton得知，其中Ipeak為電流峰值， Vin為分壓輸入電壓，Lp為變壓器24之一次側電感的電感值(一般來說為定值)，Ton為限流導通時間，透過上述之運算即可獲得電流峰值。
比較器12用以在功率開關23之一電流值(一般也為電感的電流值)每達電流峰值(Ipeak)一次時，就對應地傳送出一第一觸發條件信號S1一次。導通時間運算模組13用以在統計時間區間(例如定義為T)內統計接收第一觸發條件信號S1之次數，據以定義出一限流次數，並利用限流導通時間值、限流次數與目標限流次數進行一遞迴運算而計算出一設定導通時間值。
舉例來說，如第四圖所示，在統計時間區間中，在三個完整的波形(例如為變壓器24之一次側的電流波形)中，導通時間運算模組13之限流統計單元131係接收第一觸發條件信號S1三次，使得限流統計單元131將限流次數定義為三次(例如定義為N1)，減法器132用以將目標限流次數(例如定義為N2)與限流次數相減而產生一限流次數差，例如目標限流次數為15，則限流次數差可為15減3而為12。
增益器133用以將限流次數差與增益值相乘而產生一增益時間值。加法器134用以接收限流導通時間值(例如定義為T(n))，並將限流導通時間值與增益時間值相加而產生設定導通時間值(例如定義為T(n+1))。延遲單元135用以延遲設定導通時間值，並且再將設定導通時間值傳送為加法器134。也就是說，本發明較佳實施例所定義之 遞迴運算為T(n+1)=T(n)+k(N2-N1)，藉以反覆運算直到T(n+1)=T(n)，使得最後限流次數變更為目標限流次數而有15次(如第五圖所示)。
此外，導通時間運算模組13係將設定導通時間值傳送至電流峰值設定單元11，藉以使設定導通時間值取代限流導通時間值，進而達到即時追蹤導通時間並調整電流峰值之目的，也就是說，在設定導通時間值取代限流導通時間值後，電流峰值設定單元11會再依據設定導通時間值與分壓輸入電壓決定出新的電流峰值，藉以反覆地調整電流峰值，並且導通時間運算模組13可利用新的電流峰值與統計區間再次定義出新的限流次數，並再運算出新的設定導通時間值。
計時器14在計時到設定導通時間值時，傳送出一第二觸發條件信號S2，開關控制模組15之或閘151在接收到第一觸發條件信號S1與第二觸發條件信號S2中之一者時，將一切斷信號S3傳送至功率開關23以切斷(turn off)功率開關23，並在經歷一切斷時間後，恢復導通(turn on)功率開關23。
其中，切斷時間的設定例如是可由上述之零電流比較器所決定，例如是在偵測到電感電流為0時則觸發導通功率開關23，其他實施例中不限於此，以透過反覆切斷與導通功率開關23達到運算限流次數之目的。另外，如第五圖所示，每個完整的波形中皆有2個未接觸到電流峰值之三角波，此兩三角波的意義例如為計時器14傳送出第 二觸發條件信號S2而使功率開關23被關閉之狀況，但其他實施例中不限於此。
此外，在運算出設定導通時間值後，會使得電流峰值下降，使得電流值達到電流峰值的次數增加，進而使限流次數達到目標限流次數，因此，電流峰值愈大，目標限流次數愈小，電流峰值愈小，目標限流次數愈大，且分壓輸入電壓愈高，電流峰值愈低。
綜合以上所述，在採用本發明所提供之依據限流次數設定導通時間之功率控制器後，由於依據限流次數設定導通時間，並依據導通時間決定電流峰值，因而可有效地調整電流峰值，因而可達到降低變壓器之體積、可調整功率開關之耐壓、可調整變壓器之二次側之蕭基二極體之耐壓、可調整功率因數以及應用於如高功率因數系統、無高功率因數系統、單級架構與多級架構等多種電路拓架構之功效，進而提升使用上之方便性。
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‧‧‧依據限流次數設定導通 時間之功率控制器
11‧‧‧電流峰值設定單元
12‧‧‧比較器
13‧‧‧導通時間運算模組
131‧‧‧限流統計單元
132‧‧‧減法器
133‧‧‧增益器
134‧‧‧加法器
135‧‧‧延遲單元
1351‧‧‧輸入端
1352‧‧‧輸出端
14‧‧‧計時器
15‧‧‧開關控制模組
151‧‧‧或閘
152‧‧‧SR正反器
S1‧‧‧第一觸發條件信號
S2‧‧‧第二觸發條件信號
S3‧‧‧切斷信號

Claims (5)

  1. 一種依據限流次數設定導通時間之功率控制器，係應用於一功率系統，該功率系統包含一電源供應模組、一分壓電路以及一功率開關，該電源供應模組係用以提供一輸入電壓，該分壓電路係電性連接於該電源供應模組，用以接收該輸入電壓而產生一分壓輸入電壓，該功率開關電性連接於該分壓電路，該依據限流次數設定導通時間之功率控制器包含：一電流峰值設定單元，係電性連接於該分壓電路，並接收一限流導通時間值，用以依據該分壓輸入電壓與該限流導通時間值決定出一電流峰值；一比較器，係電性連接於該電流峰值設定單元與該功率開關，用以在該功率開關之一電流值每達該電流峰值一次時，就對應地傳送出一第一觸發條件信號一次；一導通時間運算模組，係電性連接於該電流峰值設定單元與該比較器，設有一統計時間區間與一目標限流次數，用以在該統計時間區間內統計接收該第一觸發條件信號之次數，據以定義出一限流次數，並利用該限流導通時間值、該限流次數與該目標限流次數進行一遞迴運算而計算出一設定導通時間值；一計時器，係電性連接於該導通時間運算模組，藉以在計時到該設定導通時間值時，傳送出一第二觸發條件信號；以及一開關控制模組，係電性連接於該比較器、該計時器與 該功率開關，藉以在接收到該第一觸發條件信號與該第二觸發條件信號中之一者時，將一切斷信號傳送至該功率開關以切斷(turn off)該功率開關，並在經歷一切斷時間後，恢復導通(turn on)該功率開關；其中，該導通時間運算模組係將該設定導通時間值傳送至該電流峰值設定單元，藉以使該設定導通時間值取代該限流導通時間值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之依據限流次數設定導通時間之功率控制器，其中，該導通時間運算模組包含：一限流統計單元，係設有該統計時間區間，並電性連接於該比較器，用以將在該統計時間區間內所接收該第一觸發條件信號的次數定義為該限流次數；一減法器，係電性連接於該限流統計單元，用以將該目標限流次數與該限流次數相減而產生一限流次數差；一增益器，係電性連接於該減法器，設有一增益值，用以將該限流次數差與該增益值相乘而產生一增益時間值；以及一加法器，係電性連接於該增益器，用以接收該限流導通時間值，並將該限流導通時間值與該增益時間值相加而產生該設定導通時間值。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之依據限流次數 設定導通時間之功率控制器，其中，該導通時間運算模組更包含一延遲單元，該延遲單元之一輸入端與一輸出端電性連接於該加法器，用以延遲該設定導通時間值。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之依據限流次數設定導通時間之功率控制器，其中，該延遲單元為一單位延遲器(Unit Delay)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之依據限流次數設定導通時間之功率控制器，其中，該開關控制模組包含：一或閘，係電性連接於該比較器與該計時器，用以在接收到該第一觸發條件信號與該第二觸發條件信號中之一者時傳送出一或閘信號；以及一SR正反器，係電性連接於該或閘與該功率開關，用以在接收到該或閘信號時傳送出該切斷信號。
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