TWI699949B - 動態調節電源控制器 - Google Patents

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Abstract

本發明為一種動態調節電源控制器，包含工作電壓輸入端、反饋電壓輸入端、驅動電壓輸出端、電流感測輸入端以及調節電源輸入端，並搭配驅動單元、輸入電源處理單元、變壓器、電流感測電阻、電源調節單元、輸出整流單元以及輸出電容，用以將輸入交流電壓轉換成輸出電源以供應負載，其中工作電壓輸入端、反饋電壓輸入端、電流感測輸入端分別接收工作電壓、反饋電壓、電流感測信號，而驅動電壓輸出端輸出驅動電壓以驅動該驅動單元。尤其是，依據反饋電壓及電流感測信號以產生並動態控制驅動電壓及驅動電流，因而大幅提高電源轉換效率。

Description

動態調節電源控制器
本發明係有關於一種動態調節電源控制器，尤其是利用反饋電壓以進行動態調節處理，且依據反饋電壓及電流感測信號而產生並動態控制動態驅動電壓以及驅動電流，進而將輸入交流電壓轉換成輸出電源以供應負載，藉以提高電源轉換效率以及改善電磁干擾(EMI)的效果。
隨著電子產品的普及，電源轉換技術變得越來越重要，因為不同的電子產品需要不同電壓或電流的電源而運作。例如，積體電路(IC)需要5V或3V，電動馬達需要12V直流電，而液晶顯示器中的燈管需要更高壓的電源，如1150V。因此，需要不同電源轉換器以滿足所需。
在習知技術中，切換式(交換式)電源轉換技術是目前電子業界常用的電源轉換技術之一，主要是利用高頻率的脈衝寬度調變(PWM)信號以驅動切換電晶體(或稱驅動電晶體)的導通，進而控制與切換電晶串聯連接之電感(或變壓器)的電流，由於電感本身具有保持電流的作用，防止瞬間改變，所以當切換電晶體被瞬間關閉時，此時原有電流不會立即改變，而是相對緩慢的變化，使得電感被充電或放電，達到改變輸出電壓的目的。
然而，上述習用技術的缺點在於驅動切換電晶體的驅動電壓以及流過切換電晶體的驅動電流未能依據輸入電壓而適當調節，使得在實際應用時，只能針對特定的單一輸入電壓，藉降低切換損失及導通損失以達到較佳的電源轉換效率，而無法涵蓋整個輸入電壓範圍，所以在實務上，習用技術已無法再提高電源轉換效率。
因此，電子/電氣產業界非常需要一種新穎設計的動態調節電源控制器，利用反饋電壓以進行動態調節處理，產生並控制驅動電壓以及驅動電流，進而將輸入交流電壓轉換成輸出電源以供應負載，藉以提高電源轉換效率以及改善電磁干擾(EMI)的效果，進而克服習知技術的問題。
本發明之主要目的在於提供一種動態調節電源控制器，包含工作電壓輸入端、反饋電壓輸入端、驅動電壓輸出端、電流感測輸入端以及調節電源輸入端，並搭配驅動單元、輸入電源處理單元、變壓器、電流感測電阻、電源調節單元、輸出整流單元以及輸出電容，用以將輸入交流電壓轉換成輸出電源以供應負載，且依據輸入交流電壓以及反饋電壓以進行動態調節處理，產生並控制驅動電壓以及驅動電流，進而將輸入交流電壓轉換成輸出電源以供應負載。
具體而言，工作電壓輸入端接收工作電壓以供動態調節電源控制器運作，而反饋電壓輸入端接收反饋電壓以供動態調節處理運作，且驅動電壓輸出端輸出驅動電壓至驅動單元。此外，電流感測輸入端接收電流感測信號，而調節電源輸入端接收輸入調節電源。
進一步，輸入電源處理單元接收輸入交流電壓，並經濾波處理而產生輸入電壓，且輸入電壓經調節而產生工作電壓。電源調節單元是連接輸入電源處理單元至調節電源輸入端，用以將輸入電壓調節成輸入調節電源。
上述的變壓器包含一次側電感及二次側電感，且分別流過導通電流及感應電流，其中二次側電感是利用導通電流經由電磁感應作用而感應產生感應電流。二次側電感、輸出整流單元以及輸出電容是依序串接，且負載是並聯連接輸出電容。此外，感應電流是由二次側電感流過輸出整流單元而進一步流到並聯連接的輸出電容以及負載，且輸出電容產生輸出電源以供應負載。
特別的是，上述的反饋電壓是由一次側反饋電路或二次側反饋電路所產生而對應到輸入交流電壓或輸出電源，其中一次側反饋電路是連接輸入交流電壓至反饋電壓輸入端，而二次側反饋電路是連接輸出電源至反饋電壓輸入端。輸入電源處理單元、一次側電感、驅動單元及電流感測電阻係依序串在輸入交流電壓以及接地電位之間。
尤其，驅動電壓為具有特定頻率的脈衝寬度調變脈衝波。
更加具體而言，動態調節處理包含步驟S10、S20、S30、S40、S50、S60、S70，是分別對應於第一時間區段第二時間區段、第三時間區段、第四時間區段、第五時間區段、第六時間區段及第七時間區段。
在步驟S10中，是於一時間區段內，將驅動電壓以線性方式由0V拉升到導通電壓，導通電壓是大於驅動單元的臨界電壓，導通電壓是接近驅動單元的米勒平台電壓，驅動單元是在驅動電壓超過臨界電壓時開始導通，流過驅動單元的驅動電流是由0A開始隨著驅動電壓的增加而逐步增加到最大驅動電流，最大驅動電流是依據反饋電壓而改變。
步驟S20，於第二時間區段內，將驅動電壓維持在導通電壓，且將驅動電流維持在最大驅動電流，接著在步驟S30中，於第三時間區段內，將驅動電壓由導通電壓拉升到高位準電壓，且將驅動電流維持在最大驅動電流，高位準電壓是設定成隨著反饋電壓的增加而逐步增加。
然後，步驟S40，於第四時間區段內，將驅動電壓維持在高位準電壓，且將驅動電流維持在最大驅動電流，而在步驟S50中，於第五時間區段內，將驅動電壓由高位準電壓下降到導通電壓，且將驅動電流維持在最大驅動電流。
在步驟S60中，於第六時間區段內，將驅動電壓由導通電壓下降到0V，驅動單元在驅動電壓低於臨界電壓時關閉，且驅動電流下降到0A。然後進入步驟S70，於第七時間區段內，將驅動電壓維持在0V以持續關閉驅動單元，且驅動電流為0A，之後，回到步驟S10，重複上述的操作以實現PWM的控制操作。
簡言之，本發明是利用反饋電壓以進行動態調節處理，產生並控制驅動電壓以及驅動電流，進而將輸入交流電壓轉換成輸出電源以供應負載，因此，可大幅提高整體的電源轉換效率以及改善電磁干擾(EMI)的效果。
以下配合圖示及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。
參閱第一圖，本發明實施例動態調節電源控制器的示意圖。如第一圖所示，本發明實施例的動態調節電源控制器10包含工作電壓輸入端T1、反饋電壓輸入端T2、驅動電壓輸出端T3、電流感測輸入端T4以及調節電源輸入端T5，並搭配驅動單元20、輸入電源處理單元30、變壓器40、電流感測電阻50、電源調節單元RST、輸出整流單元D以及輸出電容CO，用以依據反饋電壓VCOM以進行動態調節處理，並產生驅動電壓VD，進而將輸入交流電壓VAC轉換成輸出電源VOUT以供應負載RO，可大幅降低切換損失(Switching Loss)及電磁干擾(Electromagnetic Interference，EMI)。尤其是，動態調節電源控制器10可依據輸入交流電壓VAC以及對應於反饋電壓VCOM的輸出負載狀態，藉以動態改變驅動電壓VD的驅動電流IDS，具體實現定電流驅動的特性。
舉例而言，輸入交流電壓VAC可為90~264Vac，比如90Vac、115Vax、230Vax及264Vac的其中之一。
具體而言，動態調節電源控制器10的工作電壓輸入端T1及反饋電壓輸入端T2是分別接收反饋電壓VCOM及工作電壓VCC，而由驅動電壓輸出端T3輸出驅動電壓VD，且電流感測輸入端T4接收電流感測信號VCS，此外，是由調節電源輸入端T5接收輸入調節電源VH。
本質上，驅動單元20可為金氧半(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)元件或雙載子(Bipolar)元件，不過為了清楚說明起見，圖中是顯示MOS元件以當作示範性實例，因此，動態調節電源控制器10的驅動電壓輸出端T3是連接至MOS元件的閘極(Gate)，不果如果驅動單元20是使用雙載子元件，驅動電壓輸出端T3是連接至雙載子元件的基極(Base)。
具體而言，輸入電源處理單元30接收輸入交流電壓VAC，並經濾波處理而產生輸入電壓VIN，此外，輸入電壓VIN進一步經調節而產生工作電壓VCC，藉以供動態調節電源控制器10運作。進一步，變壓器40包含一次側電感LP及二次側電感LS，且分別流過導通電流IP及感應電流IS。
更加具體而言，本發明是在輸入交流電壓VAC以及接地電位GND之間，依序串接輸入電源處理單元30、一次側電感LP、驅動單元20、電流感測電阻50，並由驅動單元20、電流感測電阻50的連接點產生電流感測信號VCS。
進一步，來自輸入電源處理單元3的輸入電壓VIN傳送至一次側電感LP，而一次側電感LP是進一步連接驅動單元20的汲極(Drain)，且驅動單元20的源極(Source)是連接至接地電位GND。此外，二次側電感LS是連接輸出電容CO以及輸出整流單元D，且負載RO是並聯連接至輸出電容CO。
再者，輸入電源處理單元30所產生的驅動電壓VD本質上是具有可改變頻率的脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)的脈衝波，比如頻率為20 KHz ~1MHz。因此，動態調節電源控制器10可利用驅動電壓VD控制的閘極(Gate)而導通(Turn on)或關閉(Turn off)驅動單元20。當驅動單元20導通時，導通電流IP會流過驅動單元20，而當驅動單元20關閉時，導通電流IP會停止。
上述的導通電流IP會經由電磁感應作用而在二次側電感LS感應出感應電流IS，且由於二次側電感LS、輸出整流單元D以及輸出電容CO是依序串接，所以感應電流IS是由二次側電感LS流過輸出整流單元D而進一步流到並聯連接的輸出電容CO以及負載RO，並由輸出電容CO產生輸出電源VOUT以供應負載RO。
上述的反饋電壓VCOM是對應到輸入交流電壓VAC或輸出電源VOUT，比如可經由一次側反饋電路或二次側反饋電路(圖中未顯示)而產生，其中一次側反饋電路是連接輸入交流電壓VAC至反饋電壓輸入端T2，而二次側反饋電路是連接輸出電源VOUT至反饋電壓輸入端T2。例如，可將變壓器40額外配置輔助電感以當作一次側反饋電路，藉感應導通電流IP而產生對應於輸入交流電壓VAC的反饋電壓VCOM，並可經計算而獲得輸出電源VOUT。或者是，額外配置由光耦合元件及發光二極體所構成的隔離式單元以當作二次側反饋電路而連接至輸出電源VOUT以及反饋電壓VCOM之間，因此，反饋電壓VCOM是對應於輸出電源VOUT，並可經計算而獲得輸入交流電壓VAC。
簡言之，本發明的動態調節電源控制器10是適用於使用一次側反饋電路或二次側反饋電路的電源轉換系統。
此外，電源調節單元RST是連接輸入電源處理單元30以及調節電源輸入端T5之間，用以將輸入電壓VIN調節成輸入調節電源VH，比如電源調節單元RST可包含利用二分壓電阻、整流二極體、濾波電容，而由於電源調節單元RST是屬於一般技術，因而不加以詳述。
進一步，動態調節電源控制器10包含電流源CC，係依據輸入交流電壓VAC以及反饋電壓VCOM，用以藉定電流驅動方式而動態控制驅動電壓VD的驅動電流IDS。舉例而言，電流源CC可包含第一電流源CC1及第二電流源CC2，且第一電流源CC1及第二電流源CC2是串接在調節電源輸入端T5以及接地電位GND之間，並經由調節電源輸入端T5接收輸入調節電源VH，而第一電流源CC1及第二電流源CC2的連接點是連接至驅動電壓輸出端T3，其中第一電流源CC1提供第一定電流ICC1，而第二電流源CC2提供第二定電流ICC2，且第一定電流ICC1是由輸入調節電源VH流向驅動單元20，而第二定電流ICC2是由驅動單元20流向接地電位GND。
由於第一電流源CC1及第二電流源CC2的具體實施方式或電路是屬於一般習知技術領域，因而不再詳述。要注意的是，本發明電流源CC的範圍實質上是涵蓋任何的電流源。
此外，同時參考第二圖及第三圖，分別為本發明實施例動態調節電源控制器10中動態調節處理的操作流程示意圖及操作波形示意圖，其中動態調節處理是包含步驟S10、S20、S30、S40、S50、S60、S70，其分別對應於第一時間區段P1、第二時間區段P2、第三時間區段P3、第四時間區段P4、第五時間區段P5、第六時間區段P6及第七時間區段P7。
首先，本發明動態調節電源控制器10的動態調節處理執行步驟S10，主要是在第一時間區段P1內，將驅動電壓VD以線性方式由0V拉升到導通電壓VGS，且導通電壓VGS是大於驅動單元20的臨界電壓(Threshold Voltage)VTH，其中導通電壓VGS是接近驅動單元20的米勒平台電壓(Miller plateau voltage)。尤其是，當驅動電壓VD超過臨界電壓VTH時，驅動單元20開始導通，而且流過驅動單元20的驅動電流IDS也由0A開始隨著驅動電壓VD的增加而逐步增加到最大驅動電流IDRV，而最大驅動電流IDRV是依據反饋電壓VCOM而改變，其中反饋電壓VCOM是對應於輸入交流電壓VAC以及輸出電源VOUT，而輸出電源VOUT 是對應輸出負載狀態。例如，最大驅動電流IDRV是隨輸入交流電壓VAC的增加而增加，亦即加強驅動單元20的導通，而且最大驅動電流IDRV是隨反饋電壓VCOM的增加而減少，亦即降低驅動單元20的導通。
接著，進入步驟S20，在第二時間區段P2內，將驅動電壓VD維持在導通電壓VGS，且將驅動電流IDS維持在最大驅動電流IDRV。然後執行步驟S30，在第三時間區段P3內，將驅動電壓VD由導通電壓VGS拉升到高位準電壓VDRV，而且驅動電流IDS是仍維持在最大驅動電流IDRV。
要注意的是，動態調節處理是將高位準電壓VDRV設定成隨著反饋電壓VCOM的增加而逐步增加，亦即，高位準電壓VDRV是隨著輸入交流電壓VAC的增加而逐步增加，而同樣的，動態調節處理是控制最大驅動電流IDRV成隨輸入交流電壓VAC的增加而增加，因此可增加對負載RO的驅動力，提升電源轉換效率。
換言之，本發明不只可根據負載而調整最大驅動電流IDRV及高位準電壓VDRV，也可根據輸入電壓VAC的不同而調整，比如90~264Vac的不同輸入電壓都各有不同的最大驅動電流IDRV及高位準電壓VDRV。
之後，進入步驟S40，在第四時間區段P4內，將驅動電壓VD維持在高位準電壓VDRV，且將驅動電流IDS維持在最大驅動電流IDRV。然後執行步驟S50，在第五時間區段P5內，將驅動電壓VD由高位準電壓VDRV下降到導通電壓VGS，而且驅動電流IDS是仍維持在最大驅動電流IDRV。
接著，進入步驟S60，在第六時間區段P6內，將驅動電壓VD由導通電壓VGS下降到0V，而在驅動電壓VD低於臨界電壓VTH時，關閉驅動單元20，且驅動電流IDS在驅動電壓VD時開始下降，並在驅動電壓VD低於臨界電壓VTH時，下降到0A。之後，進入步驟S70，在第七時間區段P7內，將驅動電壓VD維持在0V以持續關閉驅動單元20，同時驅動電流IDS為0A，接著，回到步驟S10，重複上述操作，藉以實現PWM的控制操作。
為進一步說明第一電流源CC1及第二電流源CC2的操作，可參考第四圖，驅動電流IDS的波形。如第四圖所示，驅動電壓VD是簡化成表示導通及關閉驅動單元20的波形，亦即時間T1及時間T2分別表示驅動單元20在開始導通及開始關閉時的時間，且驅動電流IDS包含第一定電流ICC1及第二定電流ICC2，其中第一定電流ICC1只發生在驅動單元20開始導通的暫態期間，而第二定電流ICC2只發生在驅動單元20開始關閉的暫態期間。特別的是，本發明的動態調節處理是依據反饋電壓VCOM而調整第一定電流ICC1及第二定電流ICC2的大小，進而改善電源轉換效率。
綜合而言，本發明的特點主要在於搭配驅動單元、輸入電源處理單元、變壓器、電流感測電阻、電源調節單元、輸出整流單元以及輸出電容，並由工作電壓輸入端、反饋電壓輸入端、電流感測輸入端分別接收工作電壓、反饋電壓、電流感測信號，而由驅動電壓輸出端輸出驅動電壓，用以驅動連接至驅動電壓輸出端的驅動單元，而將輸入交流電壓轉換成輸出電源以供應負載。尤其是，依據反饋電壓及電流感測信號以進行動態調節處理，產生並控制驅動電壓流，而且是依據反饋電壓及輸入交流電壓以動態改變驅動電流，因而大幅提高電源轉換效率，並改善電磁干擾(EMI)的效果。
以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。
10:動態調節電源控制器 20:驅動單元 30:輸入電源處理單元 40:變壓器 50:電流感測電阻 CC:電流源 CC1:第一電流源 CC2:第二電流源 CO:輸出電容 D:輸出整流單元 GND:接地電位 ICC1:第一定電流 ICC2:第二定電流 IDRV:最大驅動電流 IDS:驅動電流 IP:導通電流 IS:感應電流 LP:一次側電感 LS:二次側電感 RO:負載 RST:電源調節單元 T1:工作電壓輸入端 T2:反饋電壓輸入端 T3:驅動電壓輸出端 T4:電流感測輸入端 T5:調節電源輸入端 VAC:輸入交流電壓 VCC:工作電壓 VCOM:反饋電壓 VCS:電流感測信號 VD:驅動電壓 VDRV:高位準電壓 VIN:輸入電壓 VH:輸入調節電源 VOUT:輸出電源 S10、S20、S30、S40:步驟 S50、S60、S70:步驟
第一圖顯示本發明實施例動態調節電源控制器的示意圖。 第二圖顯示本發明實施例動態調節電源控制器的操作流程示意圖。 第三圖顯示本發明實施例動態調節電源控制器的操作波形示意圖。 第四圖顯示本發明實施例動態調節電源控制器的驅動電流波形圖。
10:動態調節電源控制器
20:驅動單元
30:輸入電源處理單元
40:變壓器
50:電流感測電阻
CC:電流源
CC1:第一電流源
CC2:第二電流源
CO:輸出電容
D:輸出整流單元
GND:接地電位
ICC1:第一定電流
ICC2:第二定電流
IDS:驅動電流
IP:導通電流
IS:感應電流
LP:一次側電感
LS:二次側電感
RO:負載
RST:電源調節單元
T1:工作電壓輸入端
T2:反饋電壓輸入端
T3:驅動電壓輸出端
T4:電流感測輸入端
T5:調節電源輸入端
VAC:輸入交流電壓
VCC:工作電壓
VCOM:反饋電壓
VCS:電流感測信號
VD:驅動電壓
VIN:輸入電壓
VH:輸入調節電源
VOUT:輸出電源

Claims (5)

  1. 一種動態調節電源控制器，係用以搭配一驅動單元、一輸入電源處理單元、一變壓器、一電流感測電阻、一電源調節單元、一輸出整流單元以及一輸出電容，且依據一輸入交流電壓以及一反饋電壓，以進行一動態調節處理而產生一驅動電壓，並控制一驅動電流，該動態調節電源控制器包括： 一工作電壓輸入端，係用以接收一工作電壓，供該動態調節電源控制器運作； 一反饋電壓輸入端，係用以接收該反饋電壓，供該動態調節處理運作； 一驅動電壓輸出端，係用以輸出該驅動電壓至該驅動單元； 一電流感測輸入端，係用以接收一電流感測信號；以及 一調節電源輸入端，係用以接收一輸入調節電源， 其中該輸入電源處理單元接收該輸入交流電壓，並經一濾波處理而產生一輸入電壓，該輸入電壓經調節而產生該工作電壓，該電源調節單元是連接該輸入電源處理單元至該調節電源輸入端，用以將該輸入電壓調節成一輸入調節電源，該變壓器包含一一次側電感及一二次側電感，該一次側電感及該二次側電感係分別流過一導通電流及一感應電流，該二次側電感是利用該導通電流經由電磁感應作用而感應產生該感應電流，該二次側電感、該輸出整流單元以及該輸出電容是依序串接，一負載是並聯連接該輸出電容，該感應電流是由該二次側電感流過該輸出整流單元而進一步流到並聯連接的該輸出電容以及該負載，該輸出電容產生一輸出電源以供應該負載，該反饋電壓是由一一次側反饋電路或一二次側反饋電路所產生而對應到該輸入交流電壓或該輸出電源，該一次側反饋電路是連接該輸入交流電壓至該反饋電壓輸入端，該二次側反饋電路是連接該輸出電源至該反饋電壓輸入端，該輸入電源處理單元、該一次側電感、該驅動單元及該電流感測電阻係依序串在該輸入交流電壓以及一接地電位之間，該驅動電壓為具有一頻率的一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)脈衝波， 而且該動態調節處理包含： 一步驟S10，於一第一時間區段內，將該驅動電壓以線性方式由0V拉升到一導通電壓，該導通電壓是大於該驅動單元的一臨界電壓，該導通電壓是接近該驅動單元的一米勒平台電壓，該驅動單元是在該驅動電壓超過該臨界電壓時開始導通，流過該驅動單元的一驅動電流是由0A開始隨著該驅動電壓的增加而逐步增加到一最大驅動電流，該最大驅動電流是依據該反饋電壓而改變； 一步驟S20，於一第二時間區段內，將該驅動電壓維持在該導通電壓，且將該驅動電流維持在該最大驅動電流； 一步驟S30，於一第三時間區段內，將該驅動電壓由該導通電壓拉升到一高位準電壓，且將該驅動電流維持在該最大驅動電流，該高位準電壓是設定成隨著該反饋電壓的增加而逐步增加； 一步驟S40，於一第四時間區段內，將該驅動電壓維持在該高位準電壓，且將該驅動電流維持在該最大驅動電流； 一步驟S50，於一第五時間區段內，將該驅動電壓由該高位準電壓下降到該導通電壓，且將該驅動電流維持在該最大驅動電流； 一步驟S60，於一第六時間區段內，將該驅動電壓由該導通電壓下降到0V，該驅動單元在該驅動電壓低於該臨界電壓時關閉，且該驅動電流下降到0A；以及 一步驟S70，於一第七時間區段內，將該驅動電壓維持在0V以持續關閉該驅動單元，且該驅動電流為0A，之後，回到該步驟S10，重複上述的操作以實現PWM的控制操作。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之動態調節電源控制器，其中該驅動單元包含一為金氧半(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)元件或一雙載子(Bipolar)元件。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之動態調節電源控制器，其中該驅動電壓的頻率為20 KHz ~1MHz。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之動態調節電源控制器，其中該輸入交流電壓為90~264Vac。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之動態調節電源控制器，進一步包含一電流源，係依據該輸入交流電壓以及該反饋電壓，用以藉一定電流驅動方式而動態控制該驅動電壓的驅動電流，該電流源包含一第一電流源及一第二電流源，該第一電流源及該第二電流源是串接在該調節電源輸入端以及該接地電位之間，並經由該調節電源輸入端接收該輸入調節電源，而該第一電流源及該第二電流源的一連接點是連接至該驅動電壓輸出端，該第一電流源提供一第一定電流，該第二電流源提供一第二定電流，該第一定電流是由該輸入調節電源流向該驅動單元，而該第二定電流是由該驅動單元流向該接地電位。
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