TWI721593B - 功率偵測電源控制器 - Google Patents

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Abstract

本發明係一種功率偵測電源控制器，具有工作電壓接腳、接地接腳、脈衝寬度調變驅動接腳、電流感測接腳以及負載反饋接腳，用以將外部輸入的輸入交流電壓轉換成輸出電壓，並由輸出電壓供應負載。尤其是，功率偵測電源控制器還同時進行負載功率偵測處理，利用比較負載反饋信號及代表負載臨界功率的負載臨界電壓值，而對功率計數值加一、減一或維持不變，並藉比較功率計數值及功率判斷計數值，進而判斷是否發生過載異常以提供過載保護。

Description

功率偵測電源控制器
本發明係有關於一種功率偵測電源控制器，尤其是利用比較負載反饋信號及代表負載臨界功率的負載臨界電壓值，而對功率計數值加一、減一或維持不變，並藉比較功率計數值及功率判斷計數值而判斷是否發生過載異常而提供過載保護，同時將外部輸入的輸入交流電壓轉換成輸出電壓以供應負載。
不同的電器產品需要特定的電源供應，比如直流電電源或交流電電源，此外，電壓電流的要求也相當不同。例如，一般積體電路需要較低電壓的直流電源，比如1.8V，而電動馬達可能需要較高的驅動電壓及驅動電流，此外，液晶顯示器的燈管則需要相當高工作電壓的交流電電源。
因此，必須配置適當的電源轉換器，將原始輸入電源轉換成所需的電源，以確保正常運作。
在習用技術中，電源轉換效高且方便控制的切換式(Switching)電源轉換器已發展得相當成熟，並廣泛應用於許多電子產品。這類的切換式電源轉換器主要是利用控制器產生具較高切換頻率的驅動控制信號，用以驅動當作切換開關的功率電晶體，並藉快速切換功率電晶體為導通或關閉而將輸入電源經變壓器轉換成具所需電壓的輸出電源。
眾所周知，電子產品對於操作中所產生的蓄熱以及升溫效應是很敏感，因為過高的溫度會導致電子元件誤動作、失效，甚至是永久性毀損，因此，需要能防止發生過度負載的機制。最常用的方法是使用溫度感測元件，比如熱敏電阻，當溫度過高時，熱敏電阻的電阻值會大幅改變，使得控制器可藉偵測電阻值的變化而判斷是否過載，進而採取必要處理，比如停止供電給負載。不過熱敏電阻價格較高，且配置在電路板上會佔用相當面積而影響整體的電路佈局。
另一方式是利用電子電路的溫度偵測技術，但是電路設計較為複雜，需要配置非常穩定的能隙電路(Bang gap)，而且通常需要晶圓廠(Fundry)提供適當的製程相互配合，再者，實際所達成的功效卻相當有限。
因此，電子/電氣產業界非常需要一種新穎設計的功率偵測電源控制器，利用比較負載反饋信號及代表負載臨界功率的負載臨界電壓值，而對功率計數值加一、減一或維持不變，並藉比較功率計數值及功率判斷計數值而判斷是否發生過載異常而提供過載保護，同時將外部輸入的輸入交流電壓轉換成輸出電壓以供應負載，藉以克服習知技術的問題。
本發明之主要目的在於提供一種功率偵測電源控制器，具有工作電壓接腳、接地接腳、脈衝寬度調變(PWM)驅動接腳、電流感測接腳以及負載反饋接腳，用以將外部輸入的輸入交流電壓轉換成輸出電壓，並由輸出電壓供應負載，同時，功率偵測電源控制器還進行負載功率偵測處理，進而提供過載保護。
具體而言，功率偵測電源控制器是搭配整流單元、變壓器、切換單元、電流感測電阻、輸出整流單元以及輸出電容而運作。
進一步，變壓器包含初級側電感以及次級側電感，且整流單元、初級側電感、切換單元以及電流感測電阻是依序串接在輸入交流電壓以及接地電位之間，而次級側電感、輸出整流單元以及輸出電容是依序串接。此外，負載是並聯連接至輸出電容。
再者，流過初級側電感的初級側電流也流過切換單元，並當作切換單元被打開而導通時的導通電流。初級側電流經電磁感應作用而在次級側電感產生次級側電流，並流過輸出整流單元及負載，而在次級側電感及輸出電容的連接點產生輸出電壓。另外，切換單元以及電流感測電阻的連接點可產生電流感測信號。
更加具體而言，工作電壓接腳是接收工作電壓而工作，且穩壓單元及整流電路是連接至工作電壓接腳，其中穩壓單元接收輸入交流電壓以進行穩壓，而整流電路是連接至耦合到次級側電感的輔助電感，用以接收輔助電感藉感應次級側電流而產生的輔助電壓，同時，工作電壓是由穩壓單元及整流電路所產生。
接地接腳是連接至接地電位，PWM驅動接腳是連接至切換單元，用以傳送PWM驅動信號而驅動切換單元為打開導通或關閉不導通，且PWM驅動信號具有週期，同時，電流感測接腳接收電流感測信號，而負載反饋接腳接收由連接至負載的負載反饋電路所產生的負載反饋信號。此外，負載反饋信號是對應於負載的電壓(亦即輸出電壓)、電流或功率。
此外，本發明功率偵測電源控制器的負載功率偵測處理是包含以下步驟。
在步驟S10中，每隔預設的功率計數時間，比較負載反饋信號及代表負載臨界功率的負載臨界電壓值。在步驟S20中，如果負載反饋信號大於負載臨界電壓值，則功率計數值加一；在步驟S30中，如果負載反饋信號等於負載臨界電壓值，則功率計數值不變；在步驟S40中，如果負載反饋信號小於負載臨界電壓值，則功率計數值減一。
在步驟S50中，每隔預設的功率判斷時間，比較功率計數值及預設的功率判斷計數值；在步驟S60中，如果功率計數值大於功率判斷計數值，則啟動過載保護處理，停止輸出PWM驅動信號而關閉切換單元；在步驟S70中，如果功率計數值不大於功率判斷計數值，則不啟動過載保護處理，並回到步驟S10，重覆所有步驟。
因此，本發明是利用比較負載反饋信號及代表負載臨界功率的負載臨界電壓值，而對功率計數值加一、減一或維持不變，並藉比較功率計數值及功率判斷計數值而判斷是否發生過載異常而提供過載保護，同時將外部輸入的輸入交流電壓轉換成輸出電壓以供應負載。
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。
請同時參閱第一圖及第二圖，其中第一圖為本發明實施例功率偵測電源控制器的操作流程示意圖，而第二圖為本發明實施例功率偵測電源控制器的應用實例示意圖。如第一圖及第二圖所示，本發明實施例的功率偵測電源控制器10具有工作電壓接腳T1、接地接腳T2、脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)驅動接腳T3、電流感測接腳T4以及負載反饋接腳T5，用以將外部輸入的輸入交流電壓VAC轉換成輸出電壓VOUT，並由輸出電壓VOUT供應負載RL，同時，進行包含步驟S10、S20、S30、S40、S50、S60、S70的負載功率偵測處理，進而提供過載保護(Overload Protection，OLP)，而且功率偵測電源控制器10是搭配整流單元20、變壓器30、切換單元40、電流感測電阻50、輸出整流單元60以及輸出電容70而運作。
舉例而言，切換元件40可包含金氧半(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)元件或雙載子(Biploar)元件，不過為方便說明，圖式中是以MOS元件為示範性實例。
具體而言，變壓器30包含初級側電感LP以及次級側電感LS，而且整流單元20、初級側電感LP、切換單元40、電流感測電阻50是依序串接在輸入交流電壓VAC以及接地電位GND之間，同時，次級側電感LS、輸出整流單元60以及輸出電容70是依序串接，再者，負載RL是並聯連接至輸出電容70。
進一步，流過初級側電感LP的初級側電流IP，也流過切換單元40，並當作切換單元40被打開而導通時的導通電流IDS。此外，初級側電流IP經電磁感應作用而在次級側電感LS產生次級側電流IS，其中次級側電流IS流過輸出整流單元60及負載RL，並在次級側電感LS及輸出電容70的連接點產生輸出電壓VOUT。切換單元40以及電流感測電阻50的連接點產生電流感測信號VCS。
更加具體而言，功率偵測電源控制器10的工作電壓接腳T1是用以接收工作電壓VCC而工作，而且穩壓單元80及整流電路90是個別連接至工作電壓接腳T1，其中穩壓單元80接收輸入交流電壓VAC以進行穩壓，而整流電路90是連接至耦合到次級側電感LS的輔助電感LA，用以接收並整流由輔助電感LA藉感應次級側電流IS所產生的輔助電壓。進一步，由穩壓單元80及整流電路90產生工作電壓VCC。
舉例而言，穩壓單元80可包含第一分壓電阻、第二分壓電阻及輸入電容(圖中未顯示)，其中第一分壓電阻連接第二分壓電阻，輸入電容是連接至第一分壓電阻及第二分壓電阻的連接點以及接地電位GND之間，且第一分壓電阻及第二分壓電阻的連接點進一步連接至工作電壓接腳T1。另外，整流電路90可包含串接的電阻及二極體(圖中未顯示)，其中電阻是連接至輔助電感LA，而二極體是連接至工作電壓接腳T1。
接地接腳T2是連接至接地電位GND。
PWM驅動接腳T3是連接至切換單元40，用以傳送PWM驅動信號VGS而驅動切換單元40為打開導通或關閉不導通，其中PWM驅動信號VGS是具有特定的週期。
電流感測接腳T4接收電流感測信號VCS，而負載反饋接腳T5是接收由負載反饋電路FB所產生的負載反饋信號VCOM，且負載反饋電路FB是連接至負載RL，而負載反饋信號VCOM是對應於負載RL的電流、電壓或功率。舉例而言，如果負載反饋信號VCOM是代表負載RL的電壓，亦即輸出電壓VOUT，則負載反饋電路FB可由未實體接觸而相互隔離開的發光二極體及光耦合元件構成，其中發光二極體接收的輸出電壓VOUT而發射光訊號並投射至光耦合元件，再由光耦合元件將光訊號轉換成所需的負載反饋信號VCOM，因而以隔離方式達成將輸出電壓VOUT轉換成負載反饋信號VCOM的目的，不過本發明的範圍並未以此為限。然而，為了方便說明起見，下文中是以負載反饋信號VCOM為對應到負載RL的電壓(亦即輸出電壓VOUT)當作示範性實例。
整體而言，本發明的功率偵測電源控制器10是依據電流感測信號VCS以及負載反饋信號VCOM而產生PWM驅動信號VGS，並利用負載反饋信號VCOM進行負載功率偵測處理而產生代表平均負載功率的功率計數值。
由於依據電流感測信號VCS以及負載反饋信號VCOM產生PWM驅動信號VGS的方式為一般習知技術所常用，因而下文中不再詳述。
以下將逐步說明負載功率偵測處理所執行的處理步驟，而為清楚解釋本發明的特點，可參考第三圖及第四圖，分別顯示負載功率偵測處理的二示範性操作波形圖。
首先，在步驟S10中，每隔預設的功率計數時間，如第三圖及第四圖所示，比較負載反饋信號VCOM及代表負載臨界功率的負載臨界電壓值VTH，其中，負載反饋信號VCOM的波形為相同的上下變動曲線，包含連續的線性上升段落及線性下降段落，當然本發明可涵蓋其他曲線，比如波浪狀，所以在此所舉的實例僅為示範性而已。
接著，在步驟S20中，如果負載反饋信號VCOM大於負載臨界電壓值VTH，則功率計數值加一。在步驟S30中，如果負載反饋信號VCOM等於負載臨界電壓值VTH，則功率計數值維持不變。在步驟S40中，如果負載反饋信號VCOM小於負載臨界電壓值VTH，則功率計數值減一。
換言之，上述的負載臨界電壓值VTH是用以判斷系統是否發生過載的參數，而功率計數值是用以代表平均負載功率的參數。比較第三圖及第四圖的負載臨界電壓值VTH，其中第三圖的負載臨界電壓值VTH是大於第四圖的負載臨界電壓值VTH，而由於負載臨界電壓值VTH是用以判斷是否發生過載的參數，所以使用較低負載臨界電壓值VTH的系統對於過載的要求是較為嚴格。
先詳細說明第三圖的波形，其中時間間隔P1、P2、P3、P4分別代表負載反饋信號VCOM與負載臨界電壓值VTH之相鄰二交叉點間的時間長短。進一步而言，時間間隔P1、P3是指負載反饋信號VCOM大於負載臨界電壓值VTH時的時間長短，所以在時間間隔P1、P3內，代表平均負載功率的功率計數值是每隔功率計數時間持續增加一。另外，時間間隔P2、P4是指負載反饋信號VCOM小於負載臨界電壓值VTH時的時間長短，所以在時間間隔P2、P4內，功率計數值是每隔功率計數時間持續減少一。
相對而言，時間間隔P1、P3的累計時間是明顯比時間間隔P2、P4的累計時間還短，所以功率計數值的上升累計數值是小於下降累計數值，表示平均負載功率是在下降的趨勢中。
再觀察第四圖的波形，其中時間間隔Q1、Q21、Q22、Q23、Q24、Q3、Q4分別代表負載反饋信號VCOM與負載臨界電壓值VTH之相鄰二交叉點間的時間長短。在時間間隔Q1、Q22、Q3內，負載反饋信號VCOM大於負載臨界電壓值VTH，所以每隔功率計數時間下功率計數值即增加一，而在時間間隔Q21、Q23、Q4內，功率計數值是每隔功率計數時間減少一。顯而易見的是，時間間隔Q1、Q22、Q3的累計時間是明顯比時間間隔Q21、Q23、Q4的累計時間還長，所以功率計數值的上升累計數值是大於下降累計數值，表示平均負載功率是在上升的趨勢中。
換言之，對於相同波形的負載反饋信號VCOM，如果選用愈低的負載臨界電壓值VTH，則功率計數值愈容易上升，亦即過載的標準愈嚴格。
在步驟S40之後，進入步驟S50，每隔預設的功率判斷時間，比較功率計數值及預設的功率判斷計數值。
在步驟S60中，如果功率計數值是大於功率判斷計數值，即表示發生過載異常，則立刻啟動過載保護處理，停止輸出PWM驅動信號VGS，進而關閉切換單元40，亦即，初級側電流IP為零，且次級側電流IS也為零，系統停止提供輸出電壓VOUT給負載RL，具體實現過載保護，避免相關元件受損。
在步驟S70中，如果功率計數值是不大於功率判斷計數值，表示整體的系統操作正常而未發生過載異常，則不啟動過載保護處理，而是回到步驟S10，重覆進行以上所述的所有步驟。
因此，以大於功率計數時間的時間尺度來看，亦即功率判斷時間，功率計數值的下降或上升可代表平均負載功率為下降或上升。舉例而言，上述的功率計數時間可為PWM驅動信號的週期的10至1000倍之間，而功率判斷時間可為功率計數時間的20至2000倍之間。
再舉一實例，如第五圖所示，本發明負載功率偵測處理的再一操作波形圖，其中負載反饋信號VCO M的波形是不同於第四圖，不過負載臨界電壓值VTH是相同。
在第五圖中，時間間隔R1、R3是表示負載反饋信號VCOM小於負載臨界電壓值VTH，所以每隔功率計數時間下功率計數值即減少一，亦即遞減，而時間間隔R2是表示負載反饋信號VCOM大於負載臨界電壓值VTH，所以每隔功率計數時間下功率計數值即增加一，亦即遞增。由於這類時間間隔R1、R3的累計時間明顯遠大於這類時間間隔R2的累計時間，所以平均負載功率是在持續下降中。換言之，第五圖的操作不會導致過載發生。
更加具體而言，本發明的功率偵測電源控制器10是包含第一類比至數位轉換(Analog-to-digital conversion，ADC)單元、第二ADC單元以及數位處理核心單元(圖中未顯示)，其中第一ADC單元是用以接收電流感測信號VCS而產生數位電流感測信號，而第二ADC單元是用以接收負載反饋信號VCOM而產生數位負載反饋信號，此外，由數位處理核心單元接收數位電流感測信號及數位負載反饋信號而產生PWM驅動信號VGS，並同時進行上述的負載功率偵測處理。
特別一提，數位處理核心單元可為由執行韌體程式的微處理器(Microcontroller，MCU)而實現，尤其，微處理器不具有任何類比電路而是由多個數位邏輯(Digital Logic Gate)閘所構成。較佳的，包含第一ADC單元、第二ADC單元以及數位處理核心單元的功率偵測電源控制器10是高度整合的單一晶片。因此，可依據實際需要，藉更新韌體程式而達到變更功率計數時間及功率判斷時間而實現最佳的過載保護。
綜合而言，本發明的特點主要在於利用比較負載反饋信號及代表負載臨界功率的負載臨界電壓值，而對功率計數值加一、減一或維持不變，並藉比較功率計數值及功率判斷計數值而判斷是否發生過載異常而提供過載保護，同時將外部輸入的輸入交流電壓轉換成輸出電壓以供應負載。
本發明的另一特點主要在於只用單一的功率計數值即可達成對過載的判斷，所以整體架構非常簡單，非常易於實施，尤其是使用具微處理器的功率偵測電源控制器，提供數位處理功能，因而能快速且精確的監控平均負載功率，並判斷是否發生過載異常，且在過載異常時，立即啟動過載保護處理，停止輸出PWM驅動信號而關閉切換單元，避免相關元件受損，改善操作安全性。
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:功率偵測電源控制器 20:整流單元 30:變壓器 40:切換單元 50:電流感測電阻 60:輸出整流單元 70:輸出電容 80:穩壓單元 90:整流電路 FB:負載反饋電路 GND:接地電位 IP:初級側電流 IS:次級側電流 IDS:導通電流 LA:輔助電感 LP:初級側電感 LS:次級側電感 P1、P2、P3、P4:時間間隔 Q1、Q21、Q22、Q23、Q24、Q3、Q4:時間間隔 R1、R2、R3:時間間隔 RL:負載 S10、S20、S30、S40:步驟 S50、S60、S70:步驟 T1:工作電壓接腳 T2:接地接腳 T3:PWM驅動接腳 T4:電流感測接腳 T5:負載反饋接腳 VAC:輸入交流電壓 VCS:電流感測信號 VGS:PWM驅動信號 VOUT:輸出電壓 VTH:負載臨界電壓值
第一圖顯示本發明實施例功率偵測電源控制器的操作流程示意圖。 第二圖顯示本發明實施例功率偵測電源控制器的應用實例示意圖。 第三圖顯示本發明實施例功率偵測電源控制器中負載功率偵測處理的操作波形圖。 第四圖顯示本發明實施例功率偵測電源控制器中負載功率偵測處理的另一操作波形圖。 第五圖顯示本發明實施例功率偵測電源控制器中負載功率偵測處理的再一操作波形圖。
S10、S20、S30、S40:步驟
S50、S60、S70:步驟

Claims (9)

  1. 一種功率偵測電源控制器，係搭配一整流單元、一變壓器、一切換單元、一電流感測電阻、一輸出整流單元以及一輸出電容，用以將外部輸入的一輸入交流電壓轉換成一輸出電壓，並由該輸出電壓供應一負載，該變壓器包含一初級側電感以及一次級側電感，該整流單元、該初級側電感、該切換單元以及該電流感測電阻是依序串接在該輸入交流電壓以及一接地電位之間，該次級側電感、該輸出整流單元以及該輸出電容是依序串接，該負載是並聯連接至該輸出電容，流過該初級側電感的一初級側電流，也流過該切換單元，並當作該切換單元被打開而導通時的一導通電流，該初級側電流經一電磁感應作用而在該次級側電感產生一次級側電流，該次級側電流流過該輸出整流單元及該負載，並在該次級側電感及該輸出電容的一連接點產生該輸出電壓，該切換單元以及該電流感測電阻的一連接點產生一電流感測信號，該功率偵測電源控制器具有： 一工作電壓接腳，係用以接收一工作電壓而工作； 一接地接腳，係連接至該接地電位； 一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)驅動接腳，係連接至該切換單元，用以傳送一PWM驅動信號而驅動該切換單元為打開導通或關閉不導通，該PWM驅動信號具有一週期； 一電流感測接腳，係接收該電流感測信號；以及 一負載反饋接腳，係接收由連接至該負載的一負載反饋電路所產生的一負載反饋信號，且該負載反饋信號是對應於該輸出電壓、該負載的一電流或一功率， 其中該功率偵測電源控制器依據該電流感測信號以及該負載反饋信號而產生該PWM驅動信號，並利用該負載反饋信號進行一負載功率偵測處理而產生代表一平均負載功率的一功率計數值，該負載功率偵測處理包含以下的多個步驟： 每隔預設的一功率計數時間，比較該負載反饋信號及代表一負載臨界功率的一負載臨界電壓值； 如果該負載反饋信號大於該負載臨界電壓值，則該功率計數值加一； 如果該負載反饋信號等於該負載臨界電壓值，則該功率計數值不變； 如果該負載反饋信號小於該負載臨界電壓值，則該功率計數值減一； 每隔預設的一功率判斷時間，比較該功率計數值及預設的一功率判斷計數值； 如果該功率計數值大於該功率判斷計數值，則啟動一過載保護處理，停止輸出該PWM驅動信號而關閉該切換單元；以及 如果該功率計數值不大於該功率判斷計數值，則不啟動該過載保護處理，並重覆進行以上的所有步驟。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之功率偵測電源控制器，其中該功率偵測電源控制器包含： 一第一類比至數位轉換(Analog-to-digital conversion，ADC)單元，用以接收該電流感測信號而產生一數位電流感測信號； 一第二ADC單元，用以接收該負載反饋信號而產生一數位負載反饋信號；以及 一數位處理核心單元，用以接收該數位電流感測信號及該數位負載反饋信號而產生該PWM驅動信號，並進行該負載功率偵測處理。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述之功率偵測電源控制器，其中該數位處理核心單元是由執行一韌體程式的一微處理器(Microcontroller，MCU)而實現，且該微處理器不具類比電路而是由多個數位邏輯(Digital Logic Gate)閘構成。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之功率偵測電源控制器，其中該功率計數時間為該PWM驅動信號的週期的10至1000倍之間，而該功率判斷時間為該功率計數時間的20至2000倍之間。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之功率偵測電源控制器，其中該切換元件包含一金氧半(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)元件或一雙載子(Biploar)元件。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述之功率偵測電源控制器，其中該穩壓單元包含一第一分壓電阻、一第二分壓電阻及一輸入電容，該第一分壓電阻連接該第二分壓電阻，該輸入電容是連接至該第一分壓電阻及該第二分壓電阻的一連接點以及該接地電位之間，且該第一分壓電阻及該第二分壓電阻的連接點進一步連接至該工作電壓接腳。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述之功率偵測電源控制器，其中該整流電路包含串接的一電阻及一二極體，且該電阻連接至該輔助電感，而該二極體連接至該工作電壓接腳。
  8. 依據申請專利範圍第1項所述之功率偵測電源控制器，其中該負載反饋電路是由一發光二極體及一光耦合元件所構成。
  9. 依據申請專利範圍第1項所述之功率偵測電源控制器，進一步包含一穩壓單元及一整流電，該穩壓單元及該整流電路是連接至該工作電壓接腳，該穩壓單元接收該輸入交流電壓以進行穩壓，而該整流電路是連接至耦合到該次級側電感的一輔助電感，用以接收該輔助電感藉感應該次級側電流而產生的一輔助電壓，該工作電壓是由該穩壓單元及該整流電路所產生。
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