TWI772215B - 應用於返馳式電源轉換器的控制器的效率追蹤方法 - Google Patents

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Abstract

應用於返馳式電源轉換器的控制器的效率追蹤方法包含在該控制器緩衝啟動前，該控制器輸出一初始降頻曲線設定偵測電流至一初始降頻曲線設定偵測電阻所產生的初始降頻曲線設定電壓可決定該返馳式電源轉換器的降頻曲線，並可利用調整初始降頻曲線設定偵測電阻阻值達到效率最佳化目的；及該控制器根據效率追蹤方法，控制該返馳式電源轉換器的操作的輸出電壓，追蹤該返馳式電源轉換器的最大功率點，用以達成效率優化目的。

Description

應用於返馳式電源轉換器的控制器的效率追蹤方法
本發明是有關於一種電源轉換器的控制器的效率追蹤方法，尤指一種可隨著電源轉換器的輸出電壓而對應地提升電源轉換器的轉換效率的效率追蹤方法。
在現有技術中，通用序列匯流排(C樣式(type C))的電力傳送適配系統(power delivery adapter system)10(如第1圖所示)可通過其所包含的電源轉換器(未繪示於第1圖)提供不同的充電條件給各式各樣的消費性電子產品。例如，如第1圖所示，電力傳送適配系統10可利用20V電壓和5A電流對一液晶顯示幕12充電，可利用5V電壓和1A電流對一智慧型手機14充電，以及可利用5V電壓和2A電流對一平板電腦16充電，也就是該電源轉換器的二次側必須輸出不同的充電條件(例如20V/5A、5V/1A和5V/2A)給各式各樣的消費性電子產品。由於用戶必須根據該電源轉換器的二次側必須輸出不同的充電條件，調整應用在該電源轉換器的一次側的電流偵測電阻以對應地改變該電源轉換器的初始降頻曲線設定偵測所對應的電流值，但該電源轉換器可能會具有效能低落的問題。因此，對於該用戶而言，如何避開調整該電流偵測電阻以因應該不同的充電條件成為一項重要課題。
本發明的一實施例提供一種應用於返馳式電源轉換器(flyback power converter)的控制器的效率追蹤方法。該效率追蹤方法包含在該控制器緩衝啟動(soft start)前，該控制器輸出一初始降頻曲線設定偵測電流至一初始降頻曲線設定偵測電阻；該控制器根據該初始降頻曲線設定偵測電流和該初始降頻曲線設定偵測電阻所決定的初始降頻曲線設定電壓偏移一目前降頻曲線(frequency variation curve)為一下一降頻曲線；及該控制器根據該下一降頻曲線，控制該返馳式電源轉換器的操作。
本發明的另一實施例提供一種應用於返馳式電源轉換器的控制器的效率追蹤方法。該效率追蹤方法包含偵測該返馳式電源轉換器的目前輸入電壓、目前輸入電流、目前輸出電壓和目前輸出電流；根據該目前輸入電壓和該目前輸入電流，得到一目前輸入功率，以及根據該目前輸出電壓和該目前輸出電流，得到一目前輸出功率；根據該目前輸出功率和該目前輸入功率，得到一目前效率比值；及根據該目前效率比值、一前一效率比值、該目前輸出電壓和一前一輸出電壓，微調該目前輸出電壓以使一下一效率比值靠近一最大功率點追蹤(Maximum power point tracking,MPPT)。
本發明提供一種應用於返馳式電源轉換器的控制器的效率追蹤方法。該效率追蹤方法是利用一初始降頻曲線設定偵測電流和一初始降頻曲線設定偵測電阻以決定一初始降頻曲線設定電壓並據以偏移一目前降頻曲線為一下一降頻曲線，然後該控制器根據該下一降頻曲線，控制該返馳式電源轉換器的操作，或利用微調一目前輸出電壓以使該返馳式電源轉換器的輸出功率和輸入 功率所決定的效率比值靠近一最大功率點追蹤。因此，相較於現有技術，因為本發明不會調整應用在該返馳式電源轉換器的一次側的電流偵測電阻，所以本發明所提供的效率追蹤方法在該返馳式電源轉換器的二次側輸出不同的充電條件時仍可使該返馳式電源轉換器的二次側的輸出功率達到最大。
10:電力傳送適配系統
12:液晶顯示幕
14:智慧型手機
16:平板電腦
100:電源轉換器
102:功率開關
104:一次側繞組
200:控制器
203:電流源
CS:電流偵測接腳
E:效率比值
E(n):目前效率比值
E(n-1):前一效率比值
FB:回授接腳
F:頻率
GCS:閘極控制信號
GND1、GND2:地電位
HV:高壓接腳
ISET:初始降頻曲線設定偵測電流
IOUT:輸出電流
IIN:輸入電流
L:目前降頻曲線
LR、LF:降頻曲線
MPPT:最大功率點追蹤
NAUX:輔助繞組
PRI:一次側
RCS:電流偵測電阻
RSET:初始降頻曲線設定偵測電阻
SEC:二次側
VCC:供電電壓接腳
VAUX:輔助電壓
VOUT:輸出電壓
VOUT(n):目前輸出電壓
VOUT(n-1):前一輸出電壓
VCOMP:補償電壓
VIN:輸入電壓
VSET:初始降頻曲線設定電壓
VFB、VMPPT:電壓
300-308、500-508:步驟
第1圖是說明通用序列匯流排的電力傳送適配系統提供不同的充電條件給各式各樣的消費性電子產品的示意圖。
第2圖是本發明的第一實施例說明一種應用於電源轉換器的控制器的示意圖。
第3圖是本發明的第二實施例說明一種應用於電源轉換器的控制器的效率追蹤方法的流程圖。
第4圖是說明閘極控制信號的頻率與補償電壓之間的關係的示意圖。
第5圖是本發明的第三實施例說明一種應用於電源轉換器的控制器的效率追蹤方法的流程圖。
第6-9圖是說明效率比值和輸出電壓的關係示意圖。
請參照第2圖，第2圖是本發明的第一實施例說明一種應用於電源轉換器100的控制器200的示意圖，其中如第2圖所示，電源轉換器100是應用於一通用序列匯流排(C樣式(type C))的電力傳送(power delivery)適配系統(其中該通用序列匯流排C樣式的電力傳送適配系統未繪示於第2圖)，電源轉換器100是一 返馳式電源轉換器(flyback power converter)，控制器200應用於電源轉換器100的一次側PRI，且控制器200為一脈波寬度調變(pulse width modulation,PWM)控制器。另外，第2圖僅示出與本發明相關的元件，且電源轉換器100的一次側PRI的地電位GND1和電源轉換器100的二次側SEC的地電位GND2可相同或不同。
請參照第3圖，第3圖是本發明的第二實施例說明一種應用於電源轉換器的控制器的效率追蹤方法的流程圖。第3圖的效率追蹤方法是利用第2圖的電源轉換器100和控制器200說明，詳細步驟如下：步驟300：開始；步驟302：在控制器200緩衝啟動(soft start)前，控制器200輸出一初始降頻曲線設定偵測電流ISET至一初始降頻曲線設定偵測電阻RSET；步驟304：控制器200根據初始降頻曲線設定偵測電流ISET和初始降頻曲線設定偵測電阻RSET所決定的初始降頻曲線設定電壓VSET偏移一目前降頻曲線(frequency variation curve)L為一下一降頻曲線；步驟306：控制器200根據該下一降頻曲線，控制電源轉換器100的操作；步驟308：結束。
在步驟302中，如第2圖所示，控制器200僅在控制器200緩衝啟動前，通過一電流偵測接腳CS輸出初始降頻曲線設定偵測電流ISET至控制器200外的初始降頻曲線設定偵測電阻RSET，其中初始降頻曲線設定偵測電流ISET是由控制器200內一電流源203所提供，初始降頻曲線設定偵測電流ISET是一定電流，且初始降頻曲線設定偵測電阻RSET可被用戶調整。
在步驟304中，如第2圖所示，初始降頻曲線設定偵測電流ISET、初始降頻曲線設定偵測電阻RSET和應用在電源轉換器100的一次側PRI的電流偵測電阻RCS可決定一初始降頻曲線設定電壓VSET，其中因為初始降頻曲線設定偵測電流ISET是定電流且電流偵測電阻RCS是固定的，所以初始降頻曲線設定電壓VSET會隨著初始降頻曲線設定偵測電阻RSET而改變。另外，如第4圖所示，控制器200可根據初始降頻曲線設定電壓VSET偏移目前降頻曲線L為該下一降頻曲線，其中目前降頻曲線L是說明用於控制功率開關102的閘極控制信號GCS的頻率F(也就是電源轉換器100的操作頻率)與一補償電壓VCOMP之間的關係的示意圖，且補償電壓VCOMP和電源轉換器100的二次側SEC的輸出電壓VOUT有關。另外，如果電源轉換器100的用戶增加初始降頻曲線設定偵測電阻RSET，則初始降頻曲線設定電壓VSET增加，導致控制器200向右偏移目前降頻曲線L為一降頻曲線LR；如果電源轉換器100的用戶減少初始降頻曲線設定偵測電阻RSET，則初始降頻曲線設定電壓VSET減少，導致控制器200向左偏移目前降頻曲線L為一降頻曲線LF。另外，每一個初始降頻曲線設定電壓VSET可對應一初始降頻曲線設定偵測倍率，也就是說控制器200可利用初始降頻曲線設定偵測電阻RSET改變初始降頻曲線設定電壓VSET，進一步改變電源轉換器100的初始降頻曲線設定偵測所對應的電流值，其中當初始降頻曲線設定電壓VSET增加時，該初始降頻曲線設定偵測倍率減少；當初始降頻曲線設定電壓VSET減少時，該初始降頻曲線設定偵測倍率增加。
在步驟306中，控制器200可根據該下一降頻曲線(例如降頻曲線LR和降頻曲線LF)，控制電源轉換器100的操作使電源轉換器100的輸出效率最佳化以符合該用戶的需求。也就是說該用戶可通過改變初始降頻曲線設定偵測電阻 RSET控制電源轉換器100的操作使電源轉換器100的輸出效率最佳化。
請參照第5圖，第5圖是本發明的第三實施例說明一種應用於電源轉換器的控制器的效率追蹤方法的流程圖。第5圖的效率追蹤方法是利用第2圖的電源轉換器100和控制器200說明，詳細步驟如下：步驟500：開始；步驟502：控制器200偵測電源轉換器100的目前輸入電壓VIN(n)、目前輸入電流IIN(n)、目前輸出電壓VOUT(n)和目前輸出電流IOUT(n)；步驟504：控制器200根據目前輸入電壓VIN(n)和目前輸入電流IIN(n)，得到一目前輸入功率PIN(n)，以及根據目前輸出電壓VOUT(n)和目前輸出電流IOUT(n)，得到一目前輸出功率POUT(n)；步驟506：根據目前輸出功率POUT(n)和目前輸入功率PIN(n)，得到一目前效率比值E(n)；步驟508：根據目前效率比值E(n)、一前一效率比值E(n-1)、目前輸出電壓VOUT(n)和一前一輸出電壓VOUT(n-1)，微調目前輸出電壓VOUT(n)以使一下一效率比值E(n+1)靠近一最大功率點追蹤(Maximum power point tracking)MPPT，跳回步驟502。
在步驟502中，如第2圖所示(在本發明的第三實施例中，控制器200不包含電流源203，但在本發明的另一實施例中，控制器200可包含電流源203)，控制器200可通過一輔助繞組NAUX和一回授接腳FB偵測目前輸出電壓VOUT(n)和前一輸出電壓VOUT(n-1)，也就是說因為回授接腳FB上的電壓VFB是有關於電源轉換器100的一次側PRI的輔助繞組NAUX的輔助電壓VAUX，以及 輔助電壓VAUX是有關於電源轉換器100的二次側SEC的輸出電壓VOUT，所以控制器200是通過一輔助繞組NAUX和一回授接腳FB偵測目前輸出電壓VOUT(n)和前一輸出電壓VOUT(n-1)，其中(n)是代表一目前時間，(n-1)是代表一前一時間，以及該前一時間是在該目前時間之前。另外，如第2圖所示，控制器200可通過一電流偵測接腳CS偵測目前輸入電流IIN(n)，以及通過一高壓接腳HV偵測目前輸入電壓VIN(n)，其中本發明領域具有熟知技藝者應當知曉目前輸出電流IOUT(n)可通過目前輸入電流IIN(n)和閘極控制信號GCS的工作週期(duty cycle)計算得到。另外，如第2圖所示，控制器200還可通過一供電電壓接腳VCC接收一供電電壓，其中該供電電壓和輔助電壓VAUX有關。
在步驟504和步驟506中，控制器200在得到目前輸入功率PIN(n)以及目前輸出功率POUT(n)後，控制器200可根據目前輸出功率POUT(n)、目前輸入功率PIN(n)和式(1)，得到目前效率比值E(n)：
Figure 110140287-A0305-02-0009-1
在步驟508中，控制器200可根據目前效率比值E(n)、前一效率比值E(n-1)、目前輸出電壓VOUT(n)和前一輸出電壓VOUT(n-1)，微調(擾動)目前輸出電壓VOUT(n)以使下一效率比值E(n+1)靠近最大功率點追蹤MPPT，其中前一效率比值E(n-1)是根據一前一輸出功率POUT(n-1)和一前一輸入功率PIN(n-1)所得到，下一效率比值E(n+1)是根據一下一輸出功率POUT(n+1)和一下一輸入功率PIN(n+1)所得到，(n+1)是代表一下一時間，以及該目前時間是在該下一時間之前。另外，目前輸入功率PIN(n)也可用式(2)表示：
Figure 110140287-A0305-02-0010-2
在式(2)中，F(n)是電源轉換器100的目前操作頻率，以及L電源轉換器100的一次側PRI的一次側繞組104的電感值。把式(2)代入式(1)可得式(3)：
Figure 110140287-A0305-02-0010-3
如式(3)所示，因為擾動電源轉換器100的目前操作頻率F(n)可改變目前效率比值E(n)，但同樣會使目前輸出電壓VOUT(n)改變，所以在本發明的第三實施例中，控制器200可改由擾動目前輸出電壓VOUT(n)以改變目前效率比值E(n)成為下一效率比值E(n+1)。
請參照第6-9圖，第6-9圖是說明效率比值和輸出電壓的關係示意圖。如第6圖所示，當目前效率比值E(n)大於前一效率比值E(n-1)且目前輸出電壓VOUT(n)大於前一輸出電壓VOUT(n-1)時，意味著目前輸出電壓VOUT(n)和前一輸出電壓VOUT(n-1)位於最大功率點追蹤MPPT所對應的電壓VMPPT的左邊，所以控制器200可增加目前輸出電壓VOUT(n)將使下一效率比值E(n+1)靠近最大功率點追蹤MPPT。
如第7圖所示，當目前效率比值E(n)大於前一效率比值E(n-1)且目前輸出電壓VOUT(n)小於前一輸出電壓VOUT(n-1)時，意味著目前輸出電壓VOUT(n)和前一輸出電壓VOUT(n-1)位於電壓VMPPT的右邊，所以控制器200可 減少目前輸出電壓VOUT(n)將使下一效率比值E(n+1)靠近最大功率點追蹤MPPT。
如第8圖所示，當目前效率比值E(n)小於前一效率比值E(n-1)且目前輸出電壓VOUT(n)大於前一輸出電壓VOUT(n-1)時，意味著目前輸出電壓VOUT(n)位於電壓VMPPT的右邊和前一輸出電壓VOUT(n-1)位於電壓VMPPT的左邊，所以控制器200可減少目前輸出電壓VOUT(n)將使下一效率比值E(n+1)靠近最大功率點追蹤MPPT。
如第9圖所示，當目前效率比值E(n)小於前一效率比值E(n-1)且目前輸出電壓VOUT(n)小於前一輸出電壓VOUT(n-1)時，意味著目前輸出電壓VOUT(n)位於電壓VMPPT的左邊和前一輸出電壓VOUT(n-1)位於電壓VMPPT的右邊，所以控制器200可增加目前輸出電壓VOUT(n)將使下一效率比值E(n+1)靠近最大功率點追蹤MPPT。
綜上所述，本發明所提供的效率追蹤方法是利用該初始降頻曲線設定偵測電流和該初始降頻曲線設定偵測電阻以決定該初始降頻曲線設定電壓並據以偏移該目前降頻曲線為該下一降頻曲線，然後該控制器根據該下一降頻曲線，控制該電源轉換器的操作，或利用微調該目前輸出電壓以使該電源轉換器的輸出功率和輸入功率所決定的效率比值靠近該最大功率點追蹤。因此，相較於現有技術，因為本發明不會調整應用在該電源轉換器的一次側的電流偵測電阻，所以本發明所提供的效率追蹤方法在該電源轉換器的二次側輸出不同的充電條件時仍可使該電源轉換器的二次側的輸出功率達到最大。
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。
500-508:步驟

Claims (11)

  1. 一種應用於返馳式電源轉換器(flyback power converter)的控制器的效率追蹤方法，該效率追蹤方法包含：在該控制器緩衝啟動(soft start)前，該控制器通過一電流偵測接腳輸出一初始降頻曲線設定偵測電流至一初始降頻曲線設定偵測電阻；該控制器根據該初始降頻曲線設定偵測電流和該初始降頻曲線設定偵測電阻所決定的初始降頻曲線設定電壓偏移一目前降頻曲線(frequency variation curve)為一下一降頻曲線；及該控制器根據該下一降頻曲線，控制該返馳式電源轉換器的操作。
  2. 如請求項1所述的效率追蹤方法，其中該控制器應用於該返馳式電源轉換器的一次側，且該控制器為一脈波寬度調變(pulse width modulation,PWM)控制器。
  3. 如請求項1所述的效率追蹤方法，其中該初始降頻曲線設定電壓另對應一初始降頻曲線設定偵測倍率。
  4. 一種應用於返馳式電源轉換器(flyback power converter)的控制器的效率追蹤方法，該效率追蹤方法包含：在該控制器緩衝啟動(soft start)前，該控制器輸出一初始降頻曲線設定偵測電流至一初始降頻曲線設定偵測電阻；該控制器根據該初始降頻曲線設定偵測電流和該初始降頻曲線設定偵測電阻所決定的初始降頻曲線設定電壓偏移一目前降頻曲線(frequency variation curve)為一下一降頻曲線，其中該目前降頻曲線是和該返馳 式電源轉換器的操作頻率和一補償電壓有關，且該補償電壓和該返馳式電源轉換器的二次側的輸出電壓有關；及該控制器根據該下一降頻曲線，控制該返馳式電源轉換器的操作。
  5. 一種應用於返馳式電源轉換器的控制器的效率追蹤方法，該效率追蹤方法包含：偵測該返馳式電源轉換器的目前輸入電壓、目前輸入電流、目前輸出電壓和目前輸出電流；根據該目前輸入電壓和該目前輸入電流，得到一目前輸入功率，以及根據該目前輸出電壓和該目前輸出電流，得到一目前輸出功率；根據該目前輸出功率和該目前輸入功率，得到一目前效率比值；及根據該目前效率比值、一前一效率比值、該目前輸出電壓和一前一輸出電壓，微調該目前輸出電壓以使一下一效率比值靠近一最大功率點追蹤(Maximum power point tracking,MPPT)。
  6. 如請求項5所述的效率追蹤方法，其中該前一效率比值是根據一前一輸出功率和一前一輸入功率所得到，該下一效率比值是根據一下一輸出功率和一下一輸入功率所得到，該前一效率比值、該前一輸出功率和該前一輸入功率對應一前一時間，該目前效率比值、該目前輸出功率和該目前輸入功率對應一目前時間，該下一效率比值、該下一輸出功率和該下一輸入功率對應一下一時間，該前一時間是在該目前時間之前，以及該目前時間是在該下一時間之前。
  7. 如請求項5所述的效率追蹤方法，其中當該目前效率比值大於該 前一效率比值且該目前輸出電壓大於該前一輸出電壓時，增加該目前輸出電壓。
  8. 如請求項5所述的效率追蹤方法，其中當該目前效率比值大於該前一效率比值且該目前輸出電壓小於該前一輸出電壓時，減少該目前輸出電壓。
  9. 如請求項5所述的效率追蹤方法，其中當該目前效率比值小於該前一效率比值且該目前輸出電壓大於該前一輸出電壓時，減少該目前輸出電壓。
  10. 如請求項5所述的效率追蹤方法，其中當該目前效率比值小於該前一效率比值且該目前輸出電壓小於該前一輸出電壓時，增加該目前輸出電壓。
  11. 如請求項5所述的效率追蹤方法，其中該控制器是通過一輔助繞組和一回授接腳偵測該目前輸出電壓和該前一輸出電壓，該控制器是通過一電流偵測接腳偵測該目前輸入電流，以及該控制器是通過一高壓接腳偵測該目前輸入電壓。
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