专利名称：具有输出功率补偿的切换式控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型关于一种具有输出功率补偿的切换式控制装置，尤指一种在电源供应器中利用输出的周期性三段限制讯号来与取得的电流感测讯号作比较运算，作为电源供应器高、低输入电压下输出功率补偿的切换式控制装置。
背景技术：
脉宽调变PWM为一已知的技术，用来控制与稳定调整电源供应器的输出功率。电源供应器必须提供各种保护功能，如过电压、过电流与过功率保护。过电流与过功率保护用来保护电源供应器与周边电路，以避免造成永久性的伤害。而过功率保护中，设计输出功率补偿的功能作为电源供应器在高、低输入电压下有相同的过载保护点。
请参考图1，为已知的电源供应器电路示意图。电源供应器使用一PWM控制器U1来控制功率开关Q1的切换。一检测电阻RS与功率开关Q1串联连接，用来取得流过功率开关Q1之一次侧切换电流IP，该检测电阻RS的电阻值用以决定电源供应器的最大输出功率。该一次侧切换电流IP流过检测电阻RS，并在检测电阻RS上产生一电流感测讯号VCS。PWM控制器U1的一电流感测端VS连接于该检测电阻RS，接收该电流感测讯号VCS，并透过功率限制比较器130与一最大功率限制电压VM进行比较运算，假使电流感测讯号VCS大于最大功率限制电压VM，PWM控制器U1将周期性地停用驱动讯号VPWM的输出，进而限制并且决定电源供应器的最大输出功率。
复参考图1，当功率开关Q1导通时，储存于变压器T1电感上的能量ε可表示为
ϵ=12×LP×IP2=P×TS---(1)]]>流过变压器T1一次侧切换电流IP可表示为IP=VINLP×ton---(2)]]>最大输出功率P可表示为P=LP2×TS×IP2=VIN2×ton22×LP×TS---(3)]]>其中该IP与LP分别地表示为变压器T1的一次侧切换电流与一次侧电感值；ton为功率开关Q1导通时，驱动讯号VPWM的导通时间；TS为驱动讯号VPWM的切换周期。从上面公式(2)可知，输入电压VIN的大小会影响变压器T1一次侧所建立之一次侧切换电流IP，较高的输入电压则建立速度快，较低的输入电压则建立速度慢。该电流感测讯号VCS与该最大功率限制电压VM作比较运算，用以限制与决定电源供应器的最大输出功率P。
由于上述公式(3)可以得知，电源供应器输出功率P的大小与功率开关Q1的导通时间ton与输入电压VIN有关。而当考虑到安规(safety)时，电源供应器的实际输入电压VIN范围由90Vac到264Vac，且高、低输入电压之间往往有数倍的差异。然而，透过电源供应器的反馈控制回路可自动地调整导通时间ton，而使得输出功率P保持固定值。也就是说，当电流感测讯号VCS高于最大功率限制电压VM时，此时最大导通时间将受到限制，并达成限制变压器T1一次侧切换电流IP。
配合图1，请参考图2，为已知的传输延迟时间造成高、低输入电压下的输出功率限制(未进行补偿)准位差异示意图。已知所使用的功率限制通常利用最大功率限制电压VM，例如1V的电压准位来与电流感测端VS上的电流感测讯号VCS作比较，若是电流感测端VS上的电流感测讯号VCS大于1V，则该PWM控制器U1将于输出端OUT停止输出驱动讯号VPWM到该功率开关Q1，用以限制与决定电源供应器的最大输出功率P。
然而，最大输出功率也受到PWM控制器U1的传输延迟时间td所影响-。复参考图2，电源供应器在固定的最大功率限制电压VM下，于高输入电压工作时会产生斜率较陡的电流感测讯号VCS，HV与持续导通时间ton1较短的驱动讯号VPWM，HV。再者，于低输入电压工作时会产生斜率较缓的电流感测讯号VCS，LV与持续导通时间ton2较长的驱动讯号VPWM，LV。实际上，当电流感测讯号VCS高于最大功率限制电压VM的瞬间，该PWM控制器U1的驱动讯号VPWM会经过一段传输延迟时间td后才会截止。在该传输延迟时间td之内，功率开关Q1持续导通，并且将继续传递功率。因此，实际的驱动讯号VPWM的导通时间ton等于ton+td，且无论是在高、低输入电压下，于相同的电源供应器中，其传输延迟时间td的大小是相同的。
所以电源供应器在高输入电压下，实际的功率限制电压VM，HV会比低输入电压时的功率限制电压VM，LV高，使得电源供应器于高、低输入电压时会造成输出功率的极大差异。而实际的输出功率P如下式所示P=VIN2×(ton+td)22×LP×T---(4)]]>比较上述方程式(3)与(4)，由于PWM控制器U1内部的传输延迟时间td将会使激磁电流比理论值多上(VIN/LP)×td，因此，在高输入电压时将会有相对于低输入电压时较大的功率限制电压。虽然该传输延迟时间td很短，通常介于200ns到350ns的范围，而较高的切换频率下，该传输延迟时间td对高、低输入电压所造成的输出功率差异会更形加剧。
发明内容
有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种使用于电源供应器中的具有输出功率补偿的切换式控制装置，在电源供应器中利用周期性三段限制讯号来与取得的电流感测讯号作比较运算，进而达到电源供应器于高、低输入电压下输出功率的补偿。
为达上述目的，本实用新型采用的技术手段如下一种具有输出功率补偿的切换式控制装置，使用于一电源供应器中，透过一检测电阻撷取流经一功率开关之一次侧切换电流，作为控制该功率开关的切换动作，切换式控制装置使用一振荡器连接一波形产生器，该振荡器输出一锯齿波讯号与一脉波讯号，并传送锯齿波讯号到该波形产生器，该波形产生器将锯齿波讯号转换成一周期性三段限制讯号输出；一比较单元，连接于该检测电阻与该波形产生器，接收一电流感测讯号与该周期性三段限制讯号，用以输出一重置讯号；及一同步讯号输出单元，连接于该比较单元、该振荡器与该功率开关，接收该重置讯号与该脉波讯号，并同步该脉波讯号以输出一驱动讯号到该功率开关，作为电源供应器高、低输入电压下输出功率的补偿。
同时，本实用新型利用波形产生器提供电压限制讯号，来限制电源供应器的最大功率。并且，本实用新型利用波形产生器提供电压下降限制讯号，来限制电源供应器于过低输入电压的最大功率，以降低电源供应器在过低输入电压下所产生驱动讯号的工作周期过大而造成输出过功率。
要注意的是，以上的概述与接下来的详细说明皆为示范性质，是为了进一步说明本实用新型的申请专利范围。而有关本实用新型的其它目的与优点，将在后续的说明与附图加以阐述。
图1为已知的电源供应器电路示意图；图2为已知的传输延迟时间造成高低输入电压下的输出功率限制准位差异示意图；图3为本实用新型使用于电源供应器的电路示意图；图4为本实用新型使用的波形产生器内部电路示意图；
图5为本实用新型使用的波形产生器内部波形示意图；图6为本实用新型使用的波形产生器另一方块示意图。
图中符号说明已知技术标号U1PWM控制器Q1功率开关T1变压器 RS检测电阻本实用新型标号Q1功率开关 T1变压器RS检测电阻 50 振荡器60 波形产生器61 第一电压对电流转换单元62 第二电压对电流转换单元601、602、603、604、605、606 晶体管608 记忆单元609 数字对模拟转换器200 比较单元270 同步讯号输出单元230功率比较器240 脉宽调变控制单元250逻辑电路具体实施方式
请参考图3，为本实用新型使用于电源供应器的电路示意图。本实用新型具有输出功率补偿的切换式控制装置，使用于一电源供应器中，电源供应器使用本实用新型的切换式控制装置来控制功率开关Q1对变压器T1的切换。同时，一检测电阻RS与功率开关Q1串联连接，用来取得流过功率开关Q1之一次侧切换电流IP，而产生一电流感测讯号VCS。本实用新型的切换式控制装置透过检测电阻RS取得电流感测讯号VCS，经运算后进而控制该功率开关Q1的切换动作。
本实用新型利用一振荡器50连接一波形产生器60，振荡器50输出一锯齿波讯号VSAW与一脉波讯号PLS，并传送锯齿波讯号VSAW到该波形产生器60。该波形产生器60接收该锯齿波讯号VSAW，用以输出一周期性三段限制讯号VLMT；同时使用一比较单元200，连接于该检测电阻RS与该波形产生器60，接收电流感测讯号VCS与该周期性三段限制讯号VLMT，用以输出一重置讯号RST；及一同步讯号输出单元270，连接于该比较单元200、该振荡器50与该功率开关Q1，接收该重置讯号RST与该脉波讯号PLS，用以同步该脉波讯号PLS而输出一驱动讯号VPWM到该功率开关Q1。
复参考图3，在本实用新型之一实施例中，该比较单元200为一功率比较器230，其一正端连接于该波形产生器60，一负端连接于该检测电阻RS，一输出端连接于该同步讯号输出单元270。在此实施例中，本实用新型利用该功率比较器230接收周期性三段限制讯号VLMT与该电流感测讯号VCS，并将进行比较运算，输出该控制致能讯号VOC(即为重置讯号RST)到该同步讯号输出单元270。
复参考图3，在本实用新型的另一实施例中，该比较单元200更进一步连接到电源供应器的一电压反馈端FB，用以撷取一反馈电压讯号VFB。其中该比较单元200除了具有前面实施例中所述的功率比较器230外，更包括有一脉宽调变控制单元240连接于该功率比较器230的负端、该检测电阻RS及该电压反馈端FB，接收该电流感测讯号VCS与该反馈电压讯号VFB，经内部比较运算后输出一调变讯号VOP；一逻辑电路250连接到该功率比较器230、该脉宽调变控制单元240及该同步讯号输出单元270，接收该控制致能讯号VOC与该调变讯号VOP，用以输出重置讯号RST到该同步讯号输出单元270。在此实施例中，本实用新型利用逻辑电路250输出重置讯号RST到该同步讯号输出单元270，该同步讯号输出单元270即可同步该脉波讯号PLS，而输出驱动讯号VPWM到该功率开关Q1，以进行开关切换控制。
配合图3，请参考图4，为本实用新型波形产生器内部电路示意图。波形产生器60包括有一第一电压对电流转换单元61连接到该振荡器50，接收锯齿波讯号VSAW，并将锯齿波讯号VSAW的电压值等比例转换成一锯齿波电流ISAW，可以表示为|SAW=VSAWRA---(5)]]>其中RA为第一电压对电流转换单元61的电阻值。一第一电流镜连接到第一电压对电流转换单元61，接收该锯齿波电流ISAW，该第一电流镜由一第一晶体管601与一第二晶体管602所组成。第一晶体管601与第二晶体管602的栅极相连接，第一晶体管601的漏极连接至其栅极。第一电压对电流转换单元61输出锯齿波电流ISAW流入第一晶体管601的漏极，并且在第二晶体管602的漏极映像产生一第一映像电流I1，其值可由下面算式得到。
I1＝N1×ISAW(6)其中N1为第一电流镜的映像比例。第一晶体管601与第二晶体管602的源极也相连接，并且又连接到一限制电流源IT。因此，第一电流镜输出的第一映像电流I1的最大电流值由限制电流源IT所限制。
N1×ISAW≤IT(7)波形产生器60更包括有一第二电压对电流转换单元62，接收一参考电压VREF，并将参考电压VREF的电压值等比例转换成一参考电流IREF，可以表示为IREF＝VREF/RB(8)其中RB为第二电压对电流转换单元62的电阻值。一第二电流镜连接到第二电压对电流转换单元62，接收该参考电流IREF，第二电流镜由一第三晶体管603与一第四晶体管604所组成。第三晶体管603与第四晶体管604的源极连接到接地端GND，第三晶体管603与第四晶体管604的栅极相连接。该第三晶体管603的漏极连接至其栅极。第二电压对电流转换单元62输出的参考电流IREF流入第三晶体管603的漏极，并且在第四晶体管604的漏极映像产生一第二映像电流I2，其值可由下面算式得到。
I2＝N2×IREF(9)其中N2为第二电流镜的映像比例。
一第五晶体管605与一第六晶体管606组成一第三电流镜。第五晶体管605与第六晶体管606的源极连接到一供应电压VCC。第五晶体管605与第六晶体管606的栅极相连接，第五晶体管605的漏极连接至其栅极。第一映像电流I1与第二映像电流I2流入第五晶体管605的漏极，并且在第六晶体管606的漏极映像产生一功率限制电流ILMT。该功率限制电流ILMT其值可由下面算式得到。
ILMT＝N3×(I1+I2)(10)其中N3为第三电流镜的映像比例。该功率限制电流ILMT流过一功率限制电阻RLMT，以产生该周期性三段限制讯号VLMT，如方程式(11)所示VLMT＝ILMT×RLMT(11)请参考图5，为本实用新型波形产生器内部电路波形示意图。配合前述算式(5)到算式(7)，可以知道第一映像电流I1由锯齿波电流ISAW依据第一电流镜的映像比例N1所映像产生，因此在时间T0-T1期间，第一映像电流I1与锯齿波电流ISAW的波形与斜率相同。但是在时间T1-T2期间，锯齿波电流ISAW继续增长，而第一映像电流I1受限于限制电流源IT，使得第一映像电流I1被稳定在一固定的电位值Ith。等到时间T2时，第一映像电流I1才又恢复随着锯齿波电流ISAW与第一电流镜的映像比例N1映像产生。如此，第一映像电流I1的周期性输出波形形成三段式的波形输出型态。
再者，配合前述算式(10)，功率限制电流ILMT由第一映像电流I1与第二映像电流I2总和，并以第三电流镜的映像比例N3映像产生。第二映像电流I2将第一映像电流I1的电位拉高，拉高电位后的第一映像电流I1再以第三电流镜的映像比例N3映像产生功率限制电流ILMT，所以功率限制电流ILMT其波形也是呈现三段式波形输出的型态。并配合前述算式(11)，该功率限制电流ILMT流过功率限制电阻RLMT，以产生该周期性三段限制讯号VLMT。
本实用新型特别利用波形产生器60输出周期性三段限制讯号VLMT，用来与电流感测讯号VCS作比较运算。在周期性三段限制讯号VLMT的一讯号周期中，周期性三段限制讯号VLMT由一电压上升限制讯号、一电压限制讯号及一电压下降限制讯号组成。
电源供应器于高输入电压下可反馈取得斜率较高的电流感测讯号VCS，HV，于低输入电压下则反馈取得斜率较低的电流感测讯号VCS，LV。不论电源供应器于高或低输入电压(实际输入电压VIN范围由90Vac到264Vac)，电流感测讯号皆会与周期性三段限制讯号VLMT的电压上升限制讯号作比较运算。电源供应器于高输入电压下所产生斜率较高的电流感测讯号VCS，HV会很快顶到周期性三段限制讯号VLMT的电压上升限制讯号而与的作比较运算，而较低输入电压下所产生斜率较低的电流感测讯号VCS，LV会较缓顶到周期性三段限制讯号VLMT的电压上升限制讯号而与的作比较运算。
实际上，当高输入电压下所产生斜率较高的电流感测讯号VCS，HV或低输入电压下所产生斜率较低的电流感测讯号VCS，LV高于周期性三段限制讯号VLMT的电压上升限制讯号的瞬间，电源供应器使用的PWM控制器U2的驱动讯号VPWM会经过一段传输延迟时间td后才会截止。在该传输延迟时间td内，功率开关Q1持续导通，并且将继续传递功率。同时，在相同的电源供应器中，其传输延迟时间td的大小是相同的。
上述说明中，由于斜率较高的电流感测讯号VCS，HV先顶到周期性三段限制讯号VLMT的电压上升限制讯号，且驱动讯号VPWM，HV会经过一段传输延迟时间td后才会截止，而斜率较低的电流感测讯号VCS，LV较缓顶到周期性三段限制讯号VLMT的电压上升限制讯号，且驱动讯号VPWM，LV会相对张大，并经过一段传输延迟时间td后才会截止。
使用周期性三段限制讯号VLMT的电压上升限制讯号作为限制电源供应器于高、低输入电压下的输出功率，可以让斜率较高的电流感测讯号VCS，HV或斜率较低的电流感测讯号VCS，LV在实际考虑到传输延迟时间td时，具有相同的实际功率限制点Va。如此即可补偿电源供应器在高、低输入电压下所造成的输出功率差异，让电源供应器工作于高、低压不同的输入电源电压情况下，可以得到相同的输出功率。
复配合图3，参考图5，当电源供应器输入电压过低时(持续维持输入电压低于70Vac以下)，其通过功率开关Q1之一次侧切换电流IP建立速度慢，使得电流反馈讯号VCS，BO缓慢的建立。所以当电源供应器输入电压过低时所产生的电流反馈讯号VCS，BO，会受到周期性三段限制讯号VLMT的电压下降限制讯号所限制，进而提早使功率开关Q1截止。
请参考图6，为本实用新型波形产生器的另一方块示意图。其中该波形产生器60包括有一记忆单元608，储存多组数字资料；及一数字对模拟转换器609，连接于该记忆单元608，依据该脉波讯号PLS用以将该记忆单元608中的数字资料转换成为模拟的该周期性三段限制讯号VLMT。记忆单元608可为一只读存储器(ROM)，可预先烧录好多组数字资料，并透过数字对模拟转换器609在每个该脉波讯号PLS进入时，产生一组数字资料提供给数字对模拟转换器609转换为模拟的该周期性三段限制讯号VLMT输出。
综上所述，本实用新型使用于电源供应器中的输出功率补偿的切换式控制装置，在电源供应器中利用输出的周期性三段限制讯号来与取得的电流感测讯号作比较运算，进而达到电源供应器于高、低输入电压下输出功率的补偿，用来改善已知在电源供应器高、低输入电压不同情况下，所造成的输出功率差异及输出功率的消耗。
以上所述，仅为本实用新型最佳的一具体实施例的详细说明与附图，本实用新型的特征并不局限于此，并非用以限制本实用新型，本实用新型的所有范围应以所述的权利要求范围为准，凡合于本实用新型申请专利范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本实用新型的范畴中，任何熟悉该项技艺者在本实用新型的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在本案的专利范围内。
权利要求1.一种具有输出功率补偿的切换式控制装置，使用于一电源供应器中，透过一检测电阻撷取流经一功率开关之一次侧切换电流，其特征是，包括有一振荡器，输出一锯齿波讯号与一脉波讯号；一波形产生器，连接于该振荡器，接收该锯齿波讯号，用以输出一周期性三段限制讯号；一比较单元，连接于该检测电阻与该波形产生器，接收一电流感测讯号与该周期性三段限制讯号，用以输出一重置讯号；及一同步讯号输出单元，连接于该比较单元、该振荡器与该功率开关，接收该重置讯号与该脉波讯号，用以同步于该脉波讯号，输出一驱动讯号到该功率开关。
2.如权利要求1所述的具有输出功率补偿的切换式控制装置，其特征是，该比较单元为一功率比较器，其一正端连接于该波形产生器，一负端连接于该检测电阻，一输出端连接于该同步讯号输出单元。
3.如权利要求1所述的具有输出功率补偿的切换式控制装置，其特征是，该比较单元更进一步连接到电源供应器的一电压反馈端，包括有一功率比较器，连接于该波形产生器与该检测电阻，接收该电流感测讯号与该周期性三段限制讯号，用以输出一控制致能讯号；一脉宽调变控制单元，连接于该检测电阻与该电压反馈端，接收该电流感测讯号与一反馈电压讯号，输出一调变讯号；及一逻辑电路，连接到该功率比较器、该脉宽调变控制单元及该同步讯号输出单元，接收该控制致能讯号与该调变讯号，用以输出该重置讯号到该同步讯号输出单元。
4.如权利要求1所述的具有输出功率补偿的切换式控制装置，其特征是，该波形产生器，包括有一第一电压对电流转换单元，连接到该振荡器，接收该锯齿波讯号，并将该锯齿波讯号的电压值比例转成一锯齿波电流；一第一电流镜，连接到该第一电压对电流转换单元与一限制电流源，依据该锯齿波电流映像产生一第一映像电流，且该第一映像电流受限于该限制电流源；一第二电压对电流转换单元，将一参考电压转换成为一参考电流输出；一第二电流镜，连接到该第一电流镜与该第二电压对电流转换单元，依据该参考电流产生一第二映像电流；一第三电流镜，连接于该第一电流镜与该第二电流镜，依据该第一映像电流与该第二映像电流的总和，以产生一功率限制电流；及一功率限制电阻，连接于该第三电流镜，接收该功率限制电流，用以产生该周期性三段限制讯号。
5.如权利要求1所述的具有输出功率补偿的切换式控制装置，其特征是，该周期性三段限制讯号于一讯号周期中，包括有一电压上升限制讯号、一电压限制讯号及一电压下降限制讯号。
6.如权利要求1所述的具有输出功率补偿的切换式控制装置，其特征是，该波形产生器包括有一记忆单元，储存多组数字资料；及一数字对模拟转换器，连接于该记忆单元与该振荡器，依据该脉波讯号，用以将该记忆单元中的数字资料转换成为模拟的该周期性三段限制讯号。
专利摘要一种具有输出功率补偿的切换式控制装置，使用一波形产生器连接到振荡器，接收一锯齿波讯号，用以输出一周期性三段限制讯号；该周期性三段限制讯号被传送到一比较单元。该比较单元接收一电流感测讯号与该周期性限制讯号，用以输出一重置讯号；一同步讯号输出单元，连接于该比较单元、该振荡器与一功率开关，接收该重置讯号与一脉波讯号，同步于该脉波讯号以输出一驱动讯号到该功率开关，进而达到电源供应器于高、低输入电压下输出功率补偿。
文档编号H02M3/338GK2794030SQ20052001772
公开日2006年7月5日 申请日期2005年5月10日 优先权日2005年5月10日
发明者杨大勇 申请人:崇贸科技股份有限公司