TWI618448B - 適用於雙向可控矽開關元件調光之控制方法以及電源轉換器 - Google Patents

適用於雙向可控矽開關元件調光之控制方法以及電源轉換器 Download PDF

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TWI618448B
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黃國建
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Abstract

實施例提供一種控制方法，適用於一電源控制器，其可受一操作電源供電。該電源控制器包含有一高壓電晶體，電連接於該操作電源以及一輸入電源之間。該控制方法包含有：偵測該操作電源之一操作電壓；控制該高壓電晶體，以從該輸入電源汲取一導通電流；當該操作電壓低於一第一預設值時，將該導通電流傳導至該操作電源，以對該操作電源充電；提供一偵測電壓，其可代表該輸入電源之一輸入電壓；比較該偵測電壓以及一第二預設值；以及，當該偵測電壓低於該第二預設值時，將該導通電流傳導至一接地線，而非對該操作電源充電。

Description

適用於雙向可控矽開關元件調光之控制方法以及電源轉換器
本發明大致係關於雙向可控矽開關元件(TRIAC)之電源控制方法與相關之裝置，尤指產生TRIAC所需之持守電流的控制方法。
TRIAC調光器是針對電阻式負載(resistive load)，像是白熾傳鎢絲燈(incandescent)或是鹵素燈(halogen)所設計，而且在全世界各地已經大量的被採用。很不幸的，這種相位控制的調光器並不一定適用於當代的LED，因為LED表現的並非電阻式負載。因此，驅動LED的電源供應器，便需要有特別的規格，才可以支援TRIAC調光器。
TRIAC調光器透過阻擋或是切除掉部分的交流電波形，來達到降低所傳輸能量。所以TRIAC調光器也稱為相位切除調光器(phase cut dimmer)。第1圖與第2圖分別顯示一種前緣觸發式(leading edge)以及後緣觸發式(trailing edge)TRIAC調光器所產生的波形。波形100表示市電的交流(alternative current，AC)電源之電壓波形，陰影部分110表示波形100中傳輸到負載的部分。TRIAC調光器所切除掉的交流電波形100的時間，以下稱為切除時間(cutoff time)TCUTOFF；其他時間，也就是AC電源之電壓幾乎完全通過TRIAC調光器的時間，則稱為導通時間(conduction time)TCONDUCTION。
儘管在切除時間TCUTOFF內，負載上的跨壓幾乎是0V，但是，負載仍然需要汲取至少一定量的電流，來維持TRIAC調光器在切除時間TCUTOFF內的正常運作。這樣的電流，業界稱為持守電流(holding current)，其會隨著不同的TRIAC調光器，而有不同的規格。
當負載為LED照明時，如何在切除時間TCUTOFF內，穩定的提供持守電流，讓TRIAC調光器可以正常操作，便成為業界所努力的目標。
實施例提供一種控制方法，適用於一電源控制器，其可受一操作電源供電。該電源控制器包含有一高壓電晶體，電連接於該操作電源以及一輸入電源之間。該控制方法包含有：偵測該操作電源之一操作電壓；控制該高壓電晶體，以從該輸入電源汲取一導通電流；當該操作電壓低於一第一預設值時，將該導通電流傳導至該操作電源，以對該操作電源充電；提供一偵測電壓，其可代表該輸入電源之一輸入電壓；比較該偵測電壓以及一第二預設值；以及，當該偵測電壓低於該第二預設值時，將該導通電流傳導至一接地線，而非對該操作電源充電。
實施例提供一種電源轉換器，用以將一輸入電源，轉換為一輸出電源，該電源轉換器包含有一電源控制器，受一操作電源所供電。該電源控制器包含有一高壓接腳、一高壓電晶體、一高壓啟動控制電路、以及一切除時間偵測電路。該高壓電晶體，可從該輸入電源，透過該高壓接腳，汲取一導通電流。該高壓啟動控制電路偵測該操作電壓，且當該操作電壓低於一第一預設值時，將該導通電流傳導至該操作電源，以對該操作電源充電。該切除時間偵測電路偵測該輸入電源之一輸入電壓，且當該輸 入電壓低於一第二預設值時，將該導通電流傳導至一接地線，而非對該操作電源充電。
100‧‧‧波形
110‧‧‧陰影部分
600‧‧‧電源轉換器
602‧‧‧TRIAC調光器
604‧‧‧橋式整流器
606‧‧‧變壓器
608‧‧‧電源控制器
610‧‧‧功率開關
612‧‧‧負載
614‧‧‧限流電阻
616‧‧‧放電電路
618‧‧‧BJT電晶體
619‧‧‧電阻
620‧‧‧電阻
621‧‧‧電阻
802‧‧‧高壓調節器
804‧‧‧高壓電晶體
806‧‧‧電阻偵測器
807‧‧‧分壓電阻
808‧‧‧相位偵測器
809‧‧‧分壓電阻
810‧‧‧傳輸開關
900‧‧‧電源轉換器
AUX‧‧‧輔助繞組
DRV‧‧‧驅動接腳
EN‧‧‧致能信號
HV‧‧‧高壓接腳
IC‧‧‧集極電流
ICON‧‧‧導通電流
IPRM‧‧‧主繞組電流
LINE‧‧‧電源線
PRM‧‧‧主繞組
SEC‧‧‧二次繞組
TCONDUCTION‧‧‧導通時間
TCUTOFF‧‧‧切除時間
VAC‧‧‧交流市電
VCC‧‧‧操作電源
VDRV‧‧‧PWM信號
VJOINT‧‧‧接點電壓
VLINE‧‧‧直流線電源
VSET‧‧‧設定信號
VTRIAC‧‧‧交流輸入電源
VTRIAC-PEAK‧‧‧峰值
ZCD‧‧‧零電流偵測接腳
第1圖與第2圖分別顯示一種前緣觸發式以及後緣觸發式TRIAC調光器所產生的波形。
第3圖顯示依據本發明所實施的一電源轉換器900。
第4圖顯示一些相關於高壓接腳HV的電路。
第5圖顯示依據本發明所實施的另一個電源轉換器600。
在本說明書中，有一些相同的符號，其表示具有相同或是類似之結構、功能、原理的元件，且為業界具有一般知識能力者可以依據本說明書之教導而推知。為說明書之簡潔度考量，相同之符號的元件將不再重述。
在本發明的一實施例提供一電源轉換器，其受控於一電源控制器，用來轉換一輸入電源，而產生一輸出電源。一交流市電經過TRIAC調光器處理後，產生該輸入電源。該電源控制器具有高壓啟動機制，可以用一內建的高壓電晶體，在開機時，直接從該輸入電源，汲取一導通電流，來建立一操作電源，對該電源控制器供電。該電源控制器可以偵測輸入電源之一輸入電壓。當該輸入電壓偏低時，可以判定TRIAC調光器阻擋了交流市電的波形，此時應為切除時間TCUTOFF，因此使該導通電流不再對操作電源充電，而是直接釋放到一接地線。該導通電流便可能可以作為切除時 間TCUTOFF內所需要的持守電流，讓TRIAC調光器正常操作。
當一TRIAC調光器所需的持守電流大於高壓電晶體所能提供的導通電流時，本發明的一實施例，在該電源控制器之外，另提供了一放電電路。當該導通電流出現時，該放電電路可以被觸發，提供從該輸入電源流到該接地線的一放電電流。該導通電流與放電電流一起，可以作為切除時間TCUTOFF內所需要的持守電流。
第3圖顯示依據本發明所實施的一電源轉換器900。儘管電源轉換器900具有返馳式架構，但本發明不限於此。舉例來說，本發明也可以實施於降壓轉換器、昇壓轉換器、昇降壓轉換器等等。
在第3圖內的實施例中，室內插座來的交流市電VAC可以是100VAC、110VAC或是220VAC，其頻率可能是50Hz或是60Hz。TRIAC調光器602可以切除交流市電VAC中的部分波形，而產生交流輸入電源VTRIAC。舉例來說，交流市電VAC為第1圖與第2圖中的波形100，而交流輸入電源VTRIAC是陰影部分110所示的部分。橋式整流器604對交流輸入電源VTRIAC提供全波整流，而在電源線LINE上，提供直流線電源VLINE，並提供一接地線。
變壓器606具有主繞組PRM、二次繞組SEC、以及輔助繞組AUX。在一實施例中，電源控制器608是一脈波寬度調變(pulse-width modulation，PWM)控制器，由一單晶片所構成。在正常供電程序中，電源控制器608可以在驅動接腳DRV上提供PWM信號VDRV，藉由開關功率開關610，來控制流經主繞組PRM之一主繞組電流IPRM。功率開關610可以控制變壓器606的儲能或是釋能。在釋能時，二次繞組SEC所釋放的電流，可以建立輸出電源VOUT，對負載612供電。同時，輔助繞組AUX所釋放的電流，可 以建立操作電源VCC，對電源控制器608供電。
電源控制器608具有零電流偵測接腳ZCD。當功率開關610導通時，零電流偵測接腳ZCD所流出到輔助繞組AUX的電流，可以大約比例於直流線電源VLINE的線電壓。在一實施例中，線電壓大約是交流輸入電源VTRIAC的峰值VTRIAC-PEAK。因此，電源控制器608可透過零電流偵測接腳ZCD，偵測峰值VTRIAC-PEAK。當輔助繞組AUX釋能時，零電流偵測接腳ZCD的電壓大約比例於輸出電源VOUT的輸出電壓。在一實施例中，電源控制器608透過零電流偵測接腳ZCD，可偵測輸出電源VOUT的輸出電壓、以及/或偵測輔助繞組AUX的釋能完畢。
電源控制器608具有高壓接腳HV。串接於高壓接腳HV與交流輸入電源VTRIAC之間有兩個整流二極體以及一限流電阻614。在一開機啟動程序中，操作電源VCC的操作電壓還太低時，電源控制器608，可以透過高壓接腳HV以及限流電阻614，從交流輸入電源VTRIAC汲取一導通電流ICON，來對操作電源VCC充電，以拉高操作電壓。這樣的充電過程，在操作電壓超過一個下限時，就可以停止，也可以同時結束了開機啟動程序，進入正常供電程序。之後，操作電源VCC的操作電壓維持，就可以透過輔助繞組AUX的釋能而完成。在開機啟動程序中，PWM信號VDRV持續關閉功率開關610。
在開機啟動程序中，電阻偵測器806可從零電流偵測接腳ZCD吐出一預設定電流，此時偵測電阻619與621中間的連接點電壓，大約對應偵測電阻619與621的並聯電阻值。依據此連接點電壓，電阻偵測器806可以產生相對的紀錄，並在正常供電程序中，據以提供一設定信號VSET。在 正常供電程序中，透過高壓接腳HV，電源控制器608可以偵測當下交流輸入電源VTRIAC的絕對值。如果交流輸入電源VTRIAC的絕對值偏低，譬如說低於設定信號VSET，可以判定TRIAC調光器602阻擋了交流市電VAC的波形，此時應為切除時間TCUTOFF。因此，電源控制器608一樣透過高壓接腳HV、限流電阻614以及二整流二極體，從交流輸入電源VTRIAC汲取導通電流ICON。但此時導通電流ICON並不對操作電源VCC充電，而是釋放到接地線。如此，導通電流ICON可以作為TRIAC調光器602維持切除時間TCUTOFF所需的持守電流。
電阻619以及621的並聯電阻值可以決定設定信號VSET，等同決定了電源控制器608用來區別切除時間TCUTOFF與導通時間TCONDUCTION的預設值。
第3圖中可以選擇性的包含有一放電電路616，可以提供一較高的持守電流。放電電路616包含有一BJT電晶體618以及電阻620。BJT電晶體618的基極與射極分別連接到高壓接腳HV以及交流輸入電源VTRIAC，BJT電晶體618的集極則透過電阻620，連接到接地線。當導通電流ICON出現時，透過BJT電晶體618的電流放大效果，BJT電晶體618可以產生集極電流IC，也就是一種放電電流。導通電流ICON與集極電流IC一起可以做為持守電流。當導通電流ICON為0時，BJT電晶體618關閉，所以集極電流IC也為0，因此，持守電流提供電路616呈現高阻抗，隔絕交流輸入電源VTRIAC與接地線。
第4圖顯示一些相關於高壓接腳HV的電路。高壓調節器(regulator)802作為一高壓啟動控制電路，偵測操作電源VCC，並據以控制高壓電晶體804，以決定是否提供導通電流ICON。高壓電晶體804可視為一可控 制之電流源，其必須可以耐受高壓接腳HV出現有240V以上的高電壓。舉例來說，當操作電源VCC之操作電壓低於10V時，高壓電晶體804被開啟，導通電流ICON為4微安培(mA)；當操作電源VCC之操作電壓高於16V時，高壓電晶體804被關閉，導通電流ICON為0微安培(mA)。
電阻偵測器806透過零電流偵測接腳ZCD，在一開機啟動程序中，偵測電阻619與621的連接點電壓，以產生設定信號VSET。在正常供電程序中，分壓電阻807與809之間的接點電壓VJOINT，大約比例於當下交流輸入電源VTRIAC之絕對值。相位偵測器808比較設定信號VSET與接點電壓VJOINT，來判別當下是否屬於切除時間TCUTOFF。舉例來說，當接點電壓VJOINT高於設定信號VSET時，認定此時位於導通時間TCONDUCTION內，所以相位偵測器808以致能信號EN，控制傳輸開關810，導引任何可能的導通電流ICON，對操作電源VCC充電。當接點電壓VJOINT低於設定信號VSET時，認定此時位於切除時間TCUTOFF內，相位偵測器808使高壓電晶體804產生導通電流ICON，並使傳輸開關810，導引導通電流ICON至接地線。因此，分壓電阻807與809，以及相位偵測器808，一起可以視為一切除時間偵測電路。
在此實施例中，高壓電晶體804可以扮演兩個功能，一個是提供開機啟動程序時，對操作電源VCC的充電電流；另一個是在切除時間TCUTOFF內，提供TRIAC調光器602所需的持守電流。
在一實施例中，只有在相位偵測器808認定當下為切除時間TCUTOFF，或是操作電源VCC之操作電壓低於16V時，高壓電晶體804才可能提供4mA的導通電流ICON。否則，導通電流ICON都為0。
第5圖顯示依據本發明所實施的另一個電源轉換器600。跟第 3圖之電源轉換器900不同的，電源轉換器600中的限流電阻614以及放電電路616，是連接到直流線電源VLINE。在此實施例中，直流線電源VLINE的線電壓最好能快速的追隨交流輸入電源VTRIAC當下的絕對值。電源轉換器600的操作原理可參考第3圖之電源轉換器900以及相關說明得知，為簡潔故，不再累述。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
608‧‧‧電源控制器
614‧‧‧限流電阻
616‧‧‧放電電路
618‧‧‧BJT電晶體
620‧‧‧電阻
802‧‧‧高壓調節器
804‧‧‧高壓電晶體
806‧‧‧電阻偵測器
807‧‧‧分壓電阻
808‧‧‧相位偵測器
809‧‧‧分壓電阻
810‧‧‧傳輸開關
EN‧‧‧致能信號
HV‧‧‧高壓接腳
ICON‧‧‧導通電流
VCC‧‧‧操作電源
VJOINT‧‧‧接點電壓
VSET‧‧‧設定信號
VTRIAC‧‧‧交流輸入電源
ZCD‧‧‧零電流偵測接腳

Claims (13)

  1. 一種控制方法，適用於一電源控制器，其可受一操作電源供電，該電源控制器包含有一高壓電晶體，電連接於該操作電源以及一輸入電源之間，該控制方法包含有：偵測該操作電源之一操作電壓；控制該高壓電晶體，以從該輸入電源汲取一導通電流，流經該高壓電晶體；於一開機啟動程序中，當該操作電壓低於一第一預設值時，將該導通電流流經該高壓電晶體，而傳導至該操作電源，以對該操作電源充電；提供一偵測電壓，其可代表該輸入電源之一輸入電壓；比較該偵測電壓以及一第二預設值；以及於一正常供電程序中，當該偵測電壓低於該第二預設值時，將該導通電流流經該高壓電晶體，傳導至一接地線，而非對該操作電源充電。
  2. 如申請專利範圍第1項之該控制方法，另包含有：提供一變壓器，具有一主繞組、一二次側繞組、以及一輔助繞組；電耦接該主繞組至該輸入電源；以串聯二電阻與該輔助繞組並聯；以及依據該串聯二電阻之一連接點電壓，產生該第二預設值。
  3. 如申請專利範圍第2項之該控制方法，其中，該電源控制器係為一脈波寬度調變控制器，可產生一脈波寬度調變信號，用以控制流經該主繞組之一主繞組電流。
  4. 如申請專利範圍第1項之該控制方法，另包含有：產生大於該導通電流之一放電電流，從該輸入電源流到該接地線。
  5. 如申請專利範圍第4項之該控制方法，其中，該放電電流係受一雙載子接面電晶體(bipolar junction transistor，BJT)所控制，且該導通電流流經該BJT的一基極。
  6. 一種電源轉換器，用以將一輸入電源，轉換為一輸出電源，該電源轉換器包含有：一電源控制器，受一操作電源所供電，該操作電源具有一操作電壓，該電源控制器包含有：一高壓接腳；一高壓電晶體，可從該輸入電源，透過該高壓接腳，汲取一導通電流，流經該高壓電晶體；一高壓啟動控制電路，於一開機啟動程序中，偵測該操作電壓，且當該操作電壓低於一第一預設值時，將該導通電流流經該高壓電晶體，而傳導至該操作電源，以對該操作電源充電；以及一切除時間偵測電路，於一正常供電程序中，用以偵測該輸入電源之一輸入電壓，且當該輸入電壓低於一第二預設值時，將該導通電流流經該高壓電晶體，傳導至一接地線，而非對該操作電源充電。
  7. 如申請專利範圍第6項之該電源轉換器，其中，該切除時間偵測電路包含有二分壓電阻，串聯於該高壓接腳與該接地線之間。
  8. 如申請專利範圍第6項之該電源轉換器，另包含有： 一變壓器，具有一主繞組、一二次側繞組、以及一輔助繞組；以及二串聯電阻，並聯於該輔助繞組，具有一串聯連接點；該電阻偵測器另包含有一電阻偵測器，連接至該串聯連接點，用來提供該第二預設值。
  9. 如申請專利範圍第8項之該電源轉換器，其中，該電源控制器係為一脈波寬度調變控制器，可產生一脈波寬度調變信號，用以控制流經該主繞組之一主繞組電流。
  10. 如申請專利範圍第8項之該電源轉換器，其中，該輸入電源係為一交流輸入電源，該電源轉換器另包含有：一橋式整流器，用以將該輸入電源整流為一直流線電源，連接至該主繞組。
  11. 如申請專利範圍第6項之該電源轉換器，另包含有：一限流電阻，連接於該輸入電源與該高壓電晶體之間。
  12. 如申請專利範圍第11項之該電源轉換器，另包含有：一雙載子接面電晶體，具有一射極、一基極、以及一集極；其中，該基極與該集極分別連接至該限流電阻之兩端；以及該集極電耦接至該接地線。
  13. 如申請專利範圍第6項之該電源轉換器，另包含有：一雙向可控矽開關元件(TRIAC)，連接至一交流市電，用以產生該輸入電源。
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