TWI786641B - 電源轉換器及其限流控制電路 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種電源轉換器及其限流控制電路，該限流控制電路包括一限電流電路單元電連接在一定電壓輸出單元和一定電流輸出單元之間。該限電流電路單元包括一第一運算器和一限流模組，該第一運算器接收該定電壓輸出單元所產生的一定電壓訊號和接收一輸出電流訊號經過一分壓電路單元所產生的一分壓訊號，且產生一準限流訊號；該準限流訊號受到該限流模組中一訊號上限值和一訊號下限值的限制後，產生一限流訊號，以防止突波和改善電流品質。

Description

電源轉換器及其限流控制電路

一種電源轉換器及其控制電路，尤指一種電源轉換器及其限流控制電路。

多數現今的電子用品都會對自身的電路做保護以延長電子用品自身的壽命，沒有對自身做好電路保護的電子用品就可能在遇到突發狀況時有失去儲存的資料甚至是電路燒毀的風險。常見的突發狀況為突然停電失去電力，和突然湧入電力或是出現大量電力需求而產生電網的突波。為了保護自身電路，現今的電子用品都會有一定的電感電流回授去緩衝突發狀況對電路的衝擊力道。

現今電子用品的開關電源中有一習知的電源電路，該電源電路通常會包含一定電壓輸出(Constant Voltage；CV)和一定電流輸出(Constant Current；CC)。首先該定電壓輸出CV會先定一個電壓值，再由該定電流輸出CC制定適當的輸出電流量給予一後端的負載(load)使用電力。

此外，現今電子用品的開關電源時常需要面對突波的產生，因為開和關電源時就會因電源和後端電路的電壓差而產生突波，產生一過電流的情況。

不過，習知的電源電路是以該定電流輸出CC控制電流大小，以產生穩定的電流輸出，而當突波產生時，該定電流輸出CC無法完全控制輸出電 流，導致突波影響到輸出電流，產生過大的電流輸出，而傷害到該負載中的電路元件。

有鑑於上述的問題，本發明提供一種電源轉換器之限流控制電路，包括一限電流電路單元，該限電流電路單元有一第一運算器和一限流模組。該第一運算器具有一輸出端、一反相輸入端及一非反相輸入端，該第一運算器的該反相輸入端接收一定電壓輸出(Constant Voltage)單元所產生的一定電壓訊號，該第一運算器的該非反相輸入端接收一分壓電路單元所產生的一分壓訊號，並該第一運算器的該輸出端產生一準限流訊號，其中該準限流訊號通過一第一電阻連接該反相輸入端。其中，該分壓電路單元接收一電源轉換器所產生的一輸出電流訊號以產生該分壓訊號。

該限流模組電連接該第一運算器的該輸出端和一定電流輸出(Constant Current)單元，並該限流模組從該第一運算器接收該準限流訊號且輸出一限流訊號到該定電流輸出單元。該限流模組包括一上限直流電源與一下限直流電源，該上限直流電源的一正極端連接一上限二極管的一陰極，該下限直流電源的一正極端連接一下限二極管的一陽極。該上限直流電源的一負極端接地，且該上限直流電源的一正極端連接該上限二極管一端，而該上限二極管的一陽極連接該第一運算器的輸出端，以接收該準限流訊號。該下限直流電源的一負極端接地，而該下限二極管一陰極連接該第一運算器的輸出端，以接收該準限流訊號。

本發明利用電感電流回授並透過上下限電路以達到電流峰值的限制，並使一電源訊號在經過該定電壓輸出單元後和在流入該定電流輸出單元之前就先被該限電流電路單元限制電流流量，使該定電流輸出單元在電流控制上更有效率，且更能降低突波造成的過電流對一負載(load)的傷害。

CC:定電流輸出單元

CL:限電流電路單元

CV:定電壓輸出單元

CP:比較器

DCAC:直流轉交流電源轉換器單元

EMI:電磁干擾濾波器模組

FG:函數波產生器

LC:電感電容單元

LM:限流模組

PW:電源轉換器

PWMM:PWM模組

PWM1:第一PWM訊號

PWM2:第二PWM訊號

PWMG:PWM訊號產生器

SW:開關模組

S:電流選擇器

VD:分壓電路單元

D₁:上限二極管

D₂:下限二極管

OP₁:第一運算器

OP₂:第二運算器

OP₃:第三運算器

C₁，C₂:至少一電容

L₁，L₂:至少一電感

C₅:第五電容

C₆:第六電容

N1:非閘

R₁:第一電阻

R₂:第二電阻

R₃:第三電阻

R₄:第四電阻

R₅:第五電阻

R₆:第六電阻

R₇:第七電阻

R₈:第八電阻

S₁:上限直流電源

S₂:下限直流電源

S₃:電源供應器

I_const:定流電流訊號

I_{L_ref}:限流訊號

I_{L_sample}:限流採樣訊號

I_o:輸出電流訊號

V_o:輸出電源

V_const:定電壓訊號

V_Io:分壓訊號

V_{o_ref}:輸出電壓參考訊號

V_{o_fb}:輸出電壓訊號

V_{pre_L}:準限流訊號

圖1為本發明一電源轉換器之限流控制電路之一限電流電路單元的電路圖。

圖2為本發明一實施例中該電源轉換器之限流控制電路的示意圖。

圖3為本發明該實施例中一定電壓輸出單元附近的電路圖。

圖4為本發明該實施例中一限電流電路單元附近的電路圖。

圖5為本發明該實施例中一分壓電路單元附近的電路圖。

圖6為本發明該實施例中一比較器和一開關模組附近的電路圖。

圖7為本發明該實施例中一電源轉換器的電路圖。

圖8為本發明該實施例中一電源轉換器的另一電路圖。

圖9為本發明該實施例的訊號圖。

請參閱圖1所示，本發明為一種電源轉換器之限流控制電路，包括一限電流電路單元CL電連接在一定電壓輸出(Constant Voltage)單元CV和一定電流輸出(Constant Current)單元CC之間。該限流電路單元CL有一第一運算器OP₁和一限流模組LM，其中該第一運算器OP₁接收該定電壓輸出單元CV所產生的一定電壓訊號V_const和接收接收一分壓電路單元VD所產生的一分壓訊號V_Io，並該第一運算器OP₁產生一準限流訊號V_{pre_L}。其中該第一運算器OP₁具有一反相輸入端、一非反相輸入端及一輸出端。該輸出端通過一第一電阻R₁連接到該反相輸入端，且該定電壓訊號V_const通過一第二電阻R₂輸入到該反相輸入端。另外，該分壓訊號V_Io通過一第三電阻R₃輸入到該非反相輸入端，而該準限流訊號V_{pre_L}通過一第四電阻R₄從該輸出端輸入到該限流模組LM中。如圖2所示，其中該分壓電路單元VD接收一電源轉換器PW所產生的一輸出電流訊號I_o以產生該分壓訊號。該限流模組LM通過第四電阻R₄連接該第一運算器OP₁的該輸出端，且該限流模組LM 連接該定電流輸出單元CC。該限流模組LM從該第一運算器OP₁接收該準限流訊號V_{pre_L}且輸出一限流訊號I_{L_ref}到該定電流輸出單元CC。該限流模組LM包括一上限直流電源S₁與一下限直流電源S₂，該上限直流電源S₁連接一上限二極管D₁，而該下限直流電源S₂連接一下限二極管D₂。該上限直流電源S₁的一負極端接地，且該上限直流電源S₁的一正極端連接該上限二極管D₁的一陰極，而該上限二極管D₁的一陽極通過該第四電阻R₄連接該第一運算器OP₁的該輸出端。另外，該下限直流電源S₂的一負極端接地，且該下限直流電源S₂的一正極端連接該下限二極管D₂的一陽極，而該下限二極管D₂的一陰極也通過該第四電阻R₄連接該第一運算器OP₁的該輸出端。

該上限二極管D₁的順向偏壓方向為電流從該準限流訊號V_{pre_L}流向該上限直流電源S₁的方向，而該下限二極管D₂的順向偏壓方向為電流從該下限直流電源S₂流向該準限流訊號V_{pre_L}的方向。

該上限直流電源S₁設有一訊號上限值，以控制電壓的方法限制該準限流訊號V_{pre_L}的電流上限，該下限直流電源S₂設有一訊號下限值，以控制電壓的方法限制該準限流訊號V_{pre_L}的電流下限。該訊號上限值和該訊號下限值分別對應電流上限和下限的電壓值，故以電壓控制該上限二極管D₁和該下限二極管D₂的流向來限制電流的流量。

詳細來說，當該準限流訊號V_{pre_L}的電壓高於該訊號上限值的電壓時，該上限二極管D₁會形成順向偏壓而導通，該準限流訊號V_{pre_L}的部分電流會從該上限二極管D₁流出並經過該上限直流電源S₁到接地，藉此限制該準限流訊號V_{pre_L}的電壓。當該準限流訊號V_{pre_L}的電壓低於該訊號下限值的電壓時，也就是說當該下限直流電源S₂的電壓高於該準限流訊號V_{pre_L}的電壓時，該下限二極管D₂會形成順向偏壓而導通，該限流訊號I_{L_ref}會從接地端接收補償電流，且補償電流會經過該下限直流電源S₂及該下限二極管D₂流入，藉此補償該準限流訊 號V_{pre_L}的電壓。而當該準限流訊號V_{pre_L}的電壓介於該訊號下限值和該訊號上限值之間時，該上限二極管D₁和該下限二極管D₂各因逆向偏壓而不導通。如此一來，該限流模組LM可維持該限流訊號I_{L_ref}在該訊號上限值和該訊號下限值分別對應的電流上限和電流下限之間，達到本發明以電壓限制電流的目的。另外，在一較佳實施例中，該訊號上限值和該訊號下限值為可調整的數值。

請參閱圖2所示，在該較佳實施例中，本發明該電源轉換器之限流控制電路係應用於一電源設備。該電源設備包含有一該電源供應器S₃和該電源轉換器PW。而該電壓控制之限流控制電路還包含有一比較器CP，該比較器CP連接在該定電流輸出CC和該電源設備的該電源轉換器PW之間，而該電源轉換器PW連接該電源供應器S₃，且該電源轉換器PW的該輸出電流訊號I_o經過該分壓電路單元VD輸出到該限電流電路單元CL中。該電源轉換器PW用於接收該電源供應器S₃的一輸出總電源，且該電源轉換器PW將該輸出總電源轉換為一轉換電源，並將該轉換電源經過該電感電容單元LC轉換成一輸出電源V_o。此外，在本實施例中，該電源轉換器PW係一直流轉交流電源轉換器。

請一併參閱圖3所示，在該較佳實施例中，該定電壓輸出單元CV為一第二運算器OP₂。其中，來自一函數波產生器(Function Generator)FG的一輸出電壓參考訊號V_{o_ref}和來自該電源轉換器PW的一輸出電壓訊號V_{o_fb}連接該第二運算器OP₂的一反相輸入端，該接地連接第二運算器OP₂的一非反相輸入端，而該第二運算器OP₂的一輸出端產生該定電壓訊號V_const。另外，該第二運算器OP₂的該輸出端通過一第五電阻R₅和一第五電容C₅連接到該第二運算器OP₂的該反相輸入端。

該輸出電壓參考訊號V_{o_ref}為一參考電壓訊號，舉例來說，可來自該函數波產生器FG，而該輸出電壓訊號V_{o_fb}來自一NO端和一LO端，而該NO端和該LO端在本說明書後段圖7和8中電連接該電源轉換器PW。

請參一併閱圖4和5所示，輸入到該限電流電路單元CL的該分壓訊號V_Io來自經過該分壓電路單元VD的該輸出電流訊號I_o。詳細來說，該輸出電流訊號I_o在經過該分壓電路單元VD前先經過一電流選擇器S。該電流選擇器S選擇僅少數的電流量通過到該分壓電路單元VD，而該分壓電路單元VD利用一第七電阻R₇和一第八電阻R₈分壓通過該電流選擇器S的少部份分該輸出電流訊號I_o，且輸出電壓訊號V_{o_fb}。如此，該限電流電路單元CL無須承受該輸出電流訊號I_o相對龐大的電流量，而得以使用該輸出電壓訊號V_{o_fb}以電壓來控制該限流訊號I_{L_ref}的電流流量。

當該輸出電壓參考訊號V_{o_ref}和該輸出電壓訊號V_{o_fb}結合並一起輸入該定電壓輸出單元CV時，其波形唯一正弦波(sinusoidal wave)。而當該定電壓輸出單元CV所產生的該定電壓訊號V_const和該分壓訊號V_Io輸入到該限電流電路單元CL後，該限電流電路單元CL產出的該限流訊號I_{L_ref}為一截平波峰與波谷的波，也就是一受到該訊號上限值和該訊號下限值限制的一正弦波於該電流上限和該電流下限時無法更加增加幅度而成了截平波峰與波谷的波。換句話說，當該限流訊號I_{L_ref}低於該訊號下限值時，該限流訊號I_{L_ref}會從接地端接收補償電流，使該限流訊號I_{L_ref}維持該訊號下限值的幅度。而當該限流訊號I_{L_ref}高於該訊號上限值時，該限流訊號I_{L_ref}會從該上限二極管D₁流失到接地，使該限流訊號I_{L_ref}維持該訊號上限值的幅度。

在該較佳實施例中，該定電流輸出單元CC為一第三運算器OP₃。該限流訊號I_{L_ref}和一限流採樣訊號I_{L_sample}連接該第三運算器OP₃的一反相輸入端，該接地連接該第三運算器OP₃的一非反相輸入端，而該第三運算器OP₃的一輸出端產生一定流電流訊號I_const。該第三運算器OP₃的該輸出端通過一第六電阻R₆及一第六電容C₆連接該第三運算器OP₃的該反相輸入端。

請參一併閱圖6所示，在該較佳實施例中該比較器CP該具有一輸出端、一反相輸入端及一非反相輸入端，該比較器CP的該反相輸入端連接連接一脈衝寬度調變(Pulse-width modulation；PWM)訊號產生器PWMG並接收一第一PWM訊號PWM1，該比較器CP的該非反相輸入端連接該定電流輸出單元CC並接收該定流電流訊號I_const，而該比較器CP的該輸出端連接該電源轉換器PW且產生一第二PWM訊號PWM2。該第一PWM訊號PWM1為一三角波，而該第二PWM訊號PWM2為一方形波。

請參閱圖7和8所示，該直流轉交流電源轉換器單元DCAC包括一開關模組SW和一PWM模組PWMM。該電源轉換器PW電連接該電源供應器S₃，且該電源供應器S₃為一直流電源。該PWM模組PWMM接收該第二PWM訊號PWM2，使該第二PWM訊號PWM2通過一非閘N1連接和控制該開關模組SW，而該開關模組SW受到控制而改變該電源供應器S₃輸出的該輸出總電源成為該轉換電源。在該較佳實施例中該輸出總電源為一直流電，將而該轉換電源為一交流電。

在本發明的另一實施例中，該開關模組SW可因該第二PWM訊號PWM2的不同而成為一升壓變換器(Boost Converter)、一降壓變換器(Buck Converter)或一降壓升壓變換器(Buck-Boost Converter)。

該電感電容單元LC連接該直流轉交流電源轉換器DCAC的該開關模組SW，且該電感電容單元LC含有至少一電感和至少一電容。在該較佳實施例中倘若該電源供應器S₃突然失去了電力，該電感電容單元LC的該至少一電感L₁，L₂和該至少一電容C₁，C₂能夠將各自儲備的磁場和電場轉換為電力一段時間，緩衝失去電力的時間。

該電感電容單元LC另使該限流採樣訊號I_{L_sample}經過該電感電容單元才能到達定電流輸出單元，即該限流採樣訊號I_{L_sample}經過該電感電容單元 LC後流到的該定電流輸出單元的該第三運算器OP₃，以加強本發明限流的效果。其中，該限流採樣訊號I_{L_sample}是通過採樣該轉換電源所產生的。

如圖8所示，該LO端和該NO端接出並電連接到該第二運算器OP₂，提供該第二運算器OP₂電力和該輸出電壓訊號V_{o_fb}。在該較佳實施例中，一電磁干擾濾波器(Electromagnetic Interference Filter)模組EMI連接該電感電容單元LC。該電磁干擾濾波器模組EMI將該限流採樣訊號I_{L_sample}濾波後產生該輸出電流訊號I_o，使經濾波後的該輸出電流訊號I_o流向該第一運算器OP₁做電流的回授，以有效的使該定電流輸出單元CC限制電流。該電磁干擾濾波器模組EMI可以過濾掉電路中的突波，防止突波在輸出時對一負載造(load)成傷害，也保護自身電路在回授該輸出電流訊號I_o時減少受到突波的衝擊。

請參閱圖9所示，在該較佳實施例中，該負載為滿載的狀態下，設定100Vrms、1kHz、該訊號上限值為5A和訊號下限值為-5A的條件。該輸出電流訊號I_o如圖所示被限制在-5A和5A之間，且呈該截平波峰與波谷的波，這重點驗證了本發明確實能有效的限制住電流於制定的該訊號上限值和訊號下限值之間。可以看的出來，剛受到該開關模組SW產生的該限流採樣訊號I_{L_sample}有一些波動，而受到該限電流電路單元CL限流的該限流訊號I_{L_ref}較為穩定，這是本發明的另一重點，因為其驗證了本發明的該限電流電路單元CL實質的改善了一般電路中所有的該限流採樣訊號I_{L_sample}的電流波動。該限流訊號I_{L_ref}、該限流採樣訊號I_{L_sample}、該輸出電壓訊號V_{o_fb}、該輸出電壓參考訊號V_{o_ref}和該輸出電流訊號I_o在時間上同步的於圖9中所記錄。該限流訊號I_{L_ref}、該限流採樣訊號I_{L_sample}、該輸出電壓訊號V_{o_fb}和該輸出電壓參考訊號V_{o_ref}隨著該輸出電流訊號I_o的變化而同步改動，說明了本發明整體運作上的同步一致性。

本發明使該輸出電流訊號I_o在受到該定電流輸出單元CC限制電流前先回授到一限電流電路單元CL做初步的限流，能夠減少突波的產生並更有效的對電流做出流量限制。

以上所述僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。

CC:定電流輸出單元 CL:限電流電路單元 CV:定電壓輸出單元 LM:限流模組 VD:分壓電路單元 D ₁:上限二極管 D ₂:下限二極管 OP ₁:第一運算器 R ₁:第一電阻 R ₂:第二電阻 R ₃:第三電阻 R ₄:第四電阻 S ₁:上限直流電源 S ₂:下限直流電源 I _{L_ref}:限流訊號 I _o:輸出電流訊號 V _const:定電壓訊號 V _Io:分壓訊號 V _{pre_L}:準限流訊號

Claims (10)

1. 一種電源轉換器之限流控制電路，連接至一電源轉換器，包括：一分壓電路單元，接收該電源轉換器所產生的一輸出電流訊號，並根據該輸出電流訊號產生一分壓訊號；一定電壓輸出單元，產生一定電壓訊號；一限電流電路單元，電連接該分壓電路單元和該定電壓輸出單元，且接收該定電壓訊號和該分壓訊號，並輸出一限流訊號；其中，該限電流電路單元進一步包括：一第一運算器，具有一輸出端、一反相輸入端及一非反相輸入端；其中該反相輸入端接收該定電壓輸出單元的該定電壓訊號，該非反相輸入端接收該分壓電路單元的該分壓訊號，並且該輸出端產生一準限流訊號，而該輸出端通過一第一電阻連接該反相輸入端；和一限流模組，電連接該第一運算器的該輸出端，並接收該準限流訊號，且輸出該限流訊號；其中，該限流模組進一步包括：一上限直流電源，連接一上限二極管，其中該上限直流電源的一負極端接地，且該上限直流電源的一正極端連接該上限二極管的一陰極，而該上限二極管的一陽極連接該第一運算器的該輸出端；和一下限直流電源，連接一下限二極管，其中該下限直流電源的一負極端接地，且該下限直流電源的一正極端連接該下限二極管的一陽極，而該下限二極管的一陰極連接該第一運算器的該輸出端。
2. 如請求項1所述之該電源轉換器之限流控制電路，其中該輸出電流訊號在經過該分壓電路單元產生該分壓訊號之前，該輸出電流訊號先經過一電流選擇器，再輸出至該分壓電路單元。
3. 如請求項1所述之該電源轉換器之限流控制電路，其中該限電流電路單元的第一運算器的輸出端電連接一定電流輸出單元；其中該定電流輸出單元接收該限流訊號和一限流採樣訊號，且該定電流輸出單元輸出一定流電流訊號。
4. 如請求項1所述之該電源轉換器之限流控制電路，其中該定電壓輸出單元為一第二運算器；其中，該第二運算器的一反相輸入端接收一輸出電壓參考訊號和該電源轉換器產生的一輸出電壓訊號，且該第二運算器的一非反相輸入端接地；其中，該第二運算器的一輸出端通過一第五電阻及一第五電容連接該第二運算器的該反相輸入端，且輸出該定電壓訊號。
5. 如請求項3所述之該電源轉換器之限流控制電路，其中該定電流輸出單元為一第三運算器；其中，該第三運算器的一反相輸入端接收該限流訊號和一限流採樣訊號，且該第三運算器的一非反相輸入端接地；其中，該第三運算器的輸出端通過一第六電阻及一第六電容連接該第三運算器的該反相輸入端，且輸出該定流電流訊號。
6. 如請求項3所述之該電源轉換器之限流控制電路，進一步包含有：一比較器，具有一輸出端、一反相輸入端及一非反相輸入端；其中該比較器的反相輸入端接收一第一脈衝寬度調變(Pulse-width modulation；PWM)訊號，該比較器的非反相輸入端連接該定電流輸出單元並接收該定流電流訊號，且該比較器的該輸出端產生一第二PWM訊號。
7. 一種電源轉換器，其包含有如請求項6所述的該電源轉換器之限流控制電路； 其中該電源轉換器電連接一電源供應器，以接收該電源供應器輸出的一輸出總電源，且該電源轉換器包括一開關模組；其中該比較器的輸出端通過一非閘連接該開關模組，以輸出該第二PWM訊號到該開關模組；其中該開關模組根據該第二PWM訊號進行控制，以使該開關模組轉換該輸出總電源成一轉換電源；其中，該限流採樣訊號是通過採樣該轉換電源產生的。
8. 如請求項7所述之該電源轉換器，其中該開關模組為一升壓變換器、一降壓變換器或一降壓升壓變換器。
9. 如請求項7所述之該電源轉換器，進一步包含有：一電感電容單元，連接該開關模組，以接收該轉換電源；其中該轉換電源經過該電感電容單元產生一輸出電源。
10. 如請求項9所述之該電源轉換器，進一步包含有：一電磁干擾濾波器模組，連接該電感電容單元；其中該電感電容單元通過該電磁干擾濾波器模組連接至該電源轉換器的一電源輸出端，以將輸出電源濾波後輸出；其中，該輸出電流訊號是根據濾波後的該輸出電源產生的。

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