TWI514709B

TWI514709B - 過電壓保護控制方法與相關之電源控制器

Info

Publication number: TWI514709B
Application number: TW103108276A
Authority: TW
Inventors: Chen Lun Yang; Ren Yi Chen; Shun Chin Chou
Original assignee: Grenergy Opto Inc
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2015-12-21
Also published as: TW201535907A

Description

過電壓保護控制方法與相關之電源控制器

本說明書所揭示的技術大致相關於電源轉換器之過電壓保護。

電源轉換器都需要有配置一些保護的功能，來預防異常事件發生時，對於人體或環境所造成的危害。舉例來說，驅動發光二極體(light emitting diode)來做為照明之電源轉換器，就需要有過電壓保護(over voltage protection，OVP)的功能，來防止過高的輸出電壓，對於人體所可能造成的衝擊。

第1圖為習知的電源轉換器10。橋式整流器12提供全波整流的功能，以市電來的交流電壓V_AC 為輸入，產生整流後直流電壓V_IN 以及一接地線。電源轉換器10屬於一降壓轉換器，其LED模組14做為負載，與變壓器的主繞組PRM串接在一起，連接在整流後直流電壓V_IN 以及接地線之間。電源控制器17具有功率開關18。當功率開關18開啟時，LED模組14發光，主繞組PRM可以儲能。當功率開關18關閉時，原先存放在主繞組PRM中的電能，可以透過飛輪二極體(wheel diode)16，繼續驅動LED模組14發光。電流偵測電阻20可以提供電源控制器17流經功率開關18的電流偵測信號V_CS 。

當LED模組14發生開路事件時，也就是其中至少有一LED不導通時，如果沒有OVP機制，驅動電壓V_LED 將會飆高。此時，萬一人接觸到LED模組14的兩個終端，會有被電擊的危險。

因此，第1圖中的電源控制器17透過VOP端、分壓器22、以及變壓器的二次繞組SEC，來偵測驅動電壓V_LED 。當變壓器釋能時，主繞組PRM的跨壓大約等於驅動電壓V_LED 與飛輪二極體16之順向偏壓(forward voltage)的合，而二次繞組SEC的跨壓比例於主繞組PRM的跨壓。因此，當變壓器釋能時，如果VOP端之電壓超過一預設標準，可以表示驅動電壓V_LED 已經過高了，電源控制器17就持續關閉功率開關18，停止電源轉換器10的電能轉換。如此，達到OVP的效果。

實施例揭示有一種過電壓保護控制方法，適用於一電源轉換器，其包含有一整流器，用以將一交流電壓，整流為一整流後直流電壓。該過電壓控制方法包含有：判斷該整流後直流電壓是否位於一局部最低值；提供一偵測電壓，其可代表該整流後直流電壓；比較該偵測電壓與一過電壓參考電壓；以及，當該整流後直流電源位於該局部最低值，且該偵測電壓低於該過電壓參考電壓時，提供一過電壓保護信號，以停止該電源轉換器之電能轉換。

實施例揭示有一種種電源控制器，適用於一電源轉換器。該電源轉換器包含有一整流器，用以將一交流市電壓，整流為一整流後直流電壓。該電源控制器包含有一波谷偵測器、一過電壓比較器、以及一邏輯電路。該波谷偵測器用以判斷該整流後直流電壓是否位於一局部最低值。該過電壓比較器用以比較一偵測電壓以及一過電壓參考電壓。該偵測電壓可代表該整流後直流電壓。當該整流後直流電壓位於該局部最低值，且該偵測電壓高於該過電壓參考電壓時，該邏輯電路用以提供一過電壓保護信號，以停止該電源轉換器之電能轉換。

10‧‧‧電源轉換器

12‧‧‧橋式整流器

14‧‧‧LED模組

16‧‧‧飛輪二極體

17‧‧‧電源控制器

18‧‧‧功率開關

20‧‧‧電流偵測電阻

22‧‧‧分壓器

60‧‧‧電源轉換器

62‧‧‧電源控制器

64、66‧‧‧分壓電阻

79‧‧‧波谷偵測器

80‧‧‧波谷比較器

81‧‧‧延遲時間產生器

82‧‧‧過電壓比較器

83‧‧‧邏輯電路

84‧‧‧斜坡信號產生器

86‧‧‧比較器

88‧‧‧邏輯電路

CS‧‧‧電流偵測端

I_CS ‧‧‧電流

I_CS-PEAK ‧‧‧電流I_CS 的峰值

L‧‧‧電感

PRM‧‧‧主繞組

SEC‧‧‧二次繞組

S_Protection ‧‧‧過電壓保護信號

t_LED-OPEN ‧‧‧時間

t_OVP ‧‧‧時間

T_OVP-DELAY ‧‧‧預設時間

V_AC ‧‧‧交流電壓

V_COMP ‧‧‧補償信號

V_CS ‧‧‧電流偵測信號

V_CS-REF ‧‧‧預設值

V_IN ‧‧‧整流後直流電壓

VL₁ 、VL₂ ‧‧‧波谷

V_LED ‧‧‧驅動電壓

VOP‧‧‧端

V_OVP-REF ‧‧‧過電壓參考電壓

V_PF ‧‧‧偵測電壓

V_RAMP ‧‧‧斜坡信號

第1圖為習知的電源轉換器。

第2圖舉例依據本發明所實施的一電源轉換器。

第3圖舉例電源控制器以及一些周邊元件。

第4圖顯示關於第2圖與第3圖的一些信號波形。

儘管第1圖中的電源轉換器10可以提供OVP機制，但是電源轉換器10需要有主繞組PRM與二次繞組SEC所構成的變壓器。相對於一般的電感，變壓器是比較大且貴。

在本說明書中，相同符號之元件表示具有相同或是類似功能之元件，其細節與變化，因為可被此業界具有一般技術者依據本說明書所推知，因此不一定在此說明書中細細說明。

第2圖舉例依據本發明所實施的一電源轉換器60，其具有一電感L，取代了第1圖中的變壓器。電源轉換器60不需要變壓器就可以達到OVP的功能。但是，這並非限制本發明之實施例不可以有變壓器。舉例來說，在一些實施例中，電感L可以屬於一變壓器之數個繞組中的一繞組。

分壓電阻64與66串接於整流後直流電壓V_IN 與接地線GND之間，用以提供一偵測電壓V_PF ，其大致比例於整流後直流電壓V_IN 。

在第2圖之實施例中，電源控制器62使電源轉換器60大約操作在臨界模式(boundary mode)。一般而言，在每次開關週期開始時，電感L都沒有存放任何電能，如此的操作模式稱為非連續導通模式(dis-continuous conduction mode，DCM)；而在開關週期開始時，電感L還有一些電能沒有釋放完畢，如此的操作模式一般稱為連續導通模式(continuous conduction mode，CCM)。臨界模式介於DCM與CCM之間，一般指的是當電感L剛剛放完電能，就立刻開始下一開關週期的操作模式。

當電源控制器62中的功率開關導通時，電感L可以開始儲能，其電壓電流應符合以下公式(I)：V_L * T_ON =L_L * I_L

(V_IN -V_LED )* T_ON =L_L * I_CS-PEAK ....(I)

其中，V_L 與I_L 分別表示電感L的跨壓與電流；L_L 為電感L的感量；T_ON 為電源控制器62中之功率開關的導通時間；I_CS-PEAK 為流經電流偵測電阻20之電流I_CS 的峰值。

從公式(I)可以發現，當整流後直流電壓V_IN 小於等於驅動電壓V_LED 時，峰值I_CS-PEAK 大約會為0，電感L停止儲能。此時，如果交流電壓V_AC 的絕對值小於整流後直流電壓V_IN ，因為電感L沒有消耗能量，所以整流後直流電壓V_IN 大會停在一個定值，大約就是驅動電壓V_LED 。當交流電壓V_AC 的絕對值大於整流後直流電壓V_IN ，橋式整流器12會使整流後直流電壓V_IN 追隨交流電壓V_AC 的絕對值。換言之，整流後直流電壓V_IN 的局部最低值，大約會等於驅動電壓V_LED 。

因此，本發明的一些實施例偵測整流後直流電壓V_IN 的最小值，來判斷是否應該觸發過電壓保護。

第2圖中的電源控制器62可以透過電流偵測端CS上的電流偵測信號V_CS ，來判斷整流後直流電壓V_IN 是否位於一局部最低值，換言之，判斷整流後直流電壓V_IN 是否到達一個波谷。舉例來說，當電流偵測信號V_CS 小於一定預設值V_CS-REF 時，且持續一預設時間後，電源控制器62認定整流後直流電壓V_IN 位於一局部最低值。此時，整流後直流電壓V_IN 應該等於驅動電壓V_LED 。

電源控制器62可以比較偵測電壓V_PF 以及一過電壓參考電壓V_OVP-REF 。在整流後直流電壓V_IN 位於一局部最低值時，如果偵測電壓V_PF 超過了過電壓參考電壓V_OVP-REF ，那意味著驅動電壓V_LED 已經過高了。此時，電源控制器62可以據以提供一過電壓保護信號S_Protection ，以停止電源轉換器60之電能轉換。

第3圖舉例電源控制器62以及一些周邊元件。電源控制器62包含有波谷偵測器79、過電壓比較器82、斜坡信號產生器84、邏輯電路83與88等。

波谷偵測器79包含有波谷比較器80以及延遲時間產生器81。波谷比較器80比較電流偵測信號V_CS 以及預設值V_CS-REF ，預設值V_CS-REF 在一實施例中為50mV。當波谷比較器80持續一段預設時間T_OVP-DELAY 都認定電流偵測信號V_CS 小於預設值V_CS-REF 時，延遲時間產生器81使其輸出為邏輯上的1，做為一確認信號，表示此時整流後直流電壓V_IN 位於一局部最低值。

當整流後直流電壓V_IN 位於一局部最低值，且過電壓比較器82判定偵測電壓V_PF 高於過電壓參考電壓V_OVP-REF 時，邏輯電路83提供過電壓保護信號S_Protection ，使邏輯電路88持續關閉功率開關18，以停止電源轉換器60之電能轉換，達成過電壓保護的目的。

斜坡信號產生器84提供斜坡信號V_RAMP ，其信號斜率是依據偵測電壓V_PF 的峰值而決定。舉例來說，偵測電壓V_PF 的峰值可以被電源控制器62偵測並記錄，其可以代表交流電壓V_AC 的振幅。在一實施例中，偵測電壓V_PF 的峰值越高，斜坡信號V_RAMP 的信號斜率越大。斜坡信號V_RAMP 與補償信號V_COMP 分別送至比較器86的二輸入端。舉例來說，當功率開關18開始導通時，斜坡信號V_RAMP 從0V開始上升。當斜坡信號V_RAMP 超過補償信號V_COMP 時，比較器86使得邏輯電路88關閉功率開關18。因此，斜坡信號產生器84與比較器86可以決定功率開關18的開啟時間(ON time)。

第4圖顯示關於第2圖與第3圖的一些信號波形。交流電壓V_AC 是一正弦波，舉例來說，其振幅為110V，頻率為60Hz。如同第4圖所示，整流後直流電壓V_IN 在每個波谷中的局部最低值，大概等於驅動電壓V_LED 。偵測電壓V_PF 大致比例於整流後直流電壓V_IN 。

第4圖中，假設第2圖中的LED模組14從時間t_LED-OPEN ，開始錯誤地開路(open)。因此，隨著功率開關18的開開關關，驅動電壓V_LED 漸漸的上升。

在時間t_LED-OPEN 之後，整流後直流電壓V_IN 的波形出現了第一個波谷VL₁ 。此時，過電壓保護還沒有被觸發，因為偵測電壓V_PF 還沒有高於過電壓參考電壓V_OVP-REF 。

在第一個波谷VL₁ 之後，整流後直流電壓V_IN 的波形出現了第二個波谷VL₂ 。此時，偵測電壓V_PF 已經高於過電壓參考電壓V_OVP-REF 。因此，在電流偵測信號V_CS 持續大約等於0(小於預設值V_CS-REF )有預設時間T_OVP-DELAY 之後的時間t_OVP ，就觸發了過電壓保護。因此，在時間t_OVP 之後，電流偵測信號V_CS 一直為0，因為功率開關18持續關閉。

不同於第1圖需要有變壓器，第2圖中電源轉換器60可以用一電感取而代之，一樣可以具有過電壓防護之功能。因此，第2圖中電源轉換器60可以在產品大小以及成本上，都比較有競爭力。

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。