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TWI868950B - 可限制輸入電流突波之電源轉換系統 - Google Patents

可限制輸入電流突波之電源轉換系統 Download PDF

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TWI868950B
TWI868950B TW112136691A TW112136691A TWI868950B TW I868950 B TWI868950 B TW I868950B TW 112136691 A TW112136691 A TW 112136691A TW 112136691 A TW112136691 A TW 112136691A TW I868950 B TWI868950 B TW I868950B
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陳逸群
劉國平
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立錡科技股份有限公司
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Abstract

一種電源轉換系統，用以轉換輸入電源以產生輸出電源，包括：電流限制電路，用以於電流箝位狀態下，箝位輸入電源的輸入電流使其不超過輸入電流限值；以及電量調節電路，用以於充電模式中，轉換輸出電源產生暫存電源於暫存電容器，且用以於放電模式中，轉換暫存電源以協同電流限制電路而產生輸出電源。當電量調節電路於輸入電流達到電流閾值時，進入放電模式。於放電模式中，電量調節電路用以調節輸出電源的輸出電壓至目標位準，其中目標位準低於輸入電源的輸入電壓。

Description

可限制輸入電流突波之電源轉換系統
本發明係有關一種電源轉換系統，特別是指一種可限制輸入電流突波之電源轉換系統。
與本案相關的前案有: “Power supply and power supplying method with power backup” (US10892637B2)。
圖1顯示一種先前技術之電源轉換系統。如圖1所示，電源轉換系統900用以轉換輸入電源PS以產生輸出電源VB，其中相關於輸入電源PS的輸入電流Iin流經開關90。在先前技術的電源轉換系統900中，比較器91用以比較相關於輸入電流Iin的感測訊號Ics與電流閾值Ith1，比較器92用以比較相關於輸出電源VB的回授訊號Vfb與電壓閾值Vth。於充電模式中，亦即當感測訊號Ics低於電流閾值Ith1及/或回授訊號Vfb高於電壓閾值Vth時，切換式轉換器95轉換輸出電源VB產生一電源儲存於電容器C中。於放電模式中，亦即當感測訊號Ics高於電流閾值Ith1且回授訊號Vfb低於電壓閾值Vth時，及閘93根據比較器91與比較器92之比較結果，經由脈寬調變控制電路94控制切換式轉換器95，以將電容器C儲存之能量釋放以提供至輸出電源VB，藉此補償輸入電源PS短期之不足，以維持輸出電源VB之電壓及或電流不致過低。
上述先前技術之缺點在於，由於電源轉換系統900係藉由及閘93控制切換式轉換器95操作於充電模式或放電模式，亦即需於感測訊號Ics高於電流閾值Ith1且回授訊號Vfb低於電壓閾值Vth時，始進入放電模式，因此當輸出電源VB低至一程度時，將造成電源轉換系統900不斷地於充電模式、放電模式之間反覆切換，進而造成輸入電流Iin的大幅震盪，因而導致系統的不穩定。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種可限制輸入電流突波之電源轉換系統，藉由對輸出電壓的調節，使得輸入電流可維持於被箝位狀態，進而使得電源轉換系統穩定地操作於放電模式，以達成限制輸入電流突波、電源轉換系統穩定等優點。
就其中一個觀點言，本發明提供了一種電源轉換系統，用以轉換一輸入電源以產生一輸出電源，包含：一電流限制電路，用以於一電流箝位狀態下，箝位該輸入電源的一輸入電流使其不超過一輸入電流限值；以及一電量調節電路，用以於一充電模式中，轉換該輸出電源產生一暫存電源於一暫存電容器，且用以於一放電模式中，轉換該暫存電源以協同該電流限制電路而產生該輸出電源，其中該電量調節電路於該輸入電流達到一電流閾值時，進入該放電模式；其中於該放電模式中，該電量調節電路用以調節該輸出電源的一輸出電壓至一目標位準，其中該目標位準低於該輸入電源的一輸入電壓。
在一較佳實施例中，該目標位準低於該輸入電壓至一程度，使得該電流限制電路維持於該電流箝位狀態。
在一較佳實施例中，該電流限制電路包括一路徑開關，其中該輸入電壓與該目標位準之一預設差值大於該輸入電流限值與該路徑開關控制為導通時之一導通電阻值之乘積，使得該電流限制電路維持於該電流箝位狀態。
在一較佳實施例中，該導通電阻值係為該路徑開關於所有操作條件與所有製程變異下，控制為導通時的電阻值中之最大者。
在一較佳實施例中，進入該放電模式之條件不包括根據該輸出電壓之位準。
在一較佳實施例中，該電量調節電路係為一切換式轉換器，包括一電感器以及至少一開關，用以進行該輸出電源與該暫存電源之間的轉換。
在一較佳實施例中，該切換式轉換器更包括一誤差放大電路，用以根據一參考電壓與該輸出電壓以產生一誤差放大訊號，進而控制該至少一開關以進行該輸出電源與該暫存電源之間的轉換，其中於該放電模式中，該參考電壓相關於該目標位準。
在一較佳實施例中，該電流限制電路更包括一電流控制電路，用以感測該輸入電流，且根據該輸入電流與一參考訊號之差值，控制該路徑開關以箝位該輸入電流使其不超過該輸入電流限值。
在一較佳實施例中，該電流閾值大於該輸入電流限值。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示各電路間之耦接關係，以及各訊號波形之間之關係，至於電路、訊號波形與頻率則並未依照比例繪製。
圖2A顯示本發明之電源轉換系統之一實施例方塊圖。在一實施例中，電源轉換系統1002用以轉換輸入電源，以產生輸出電源至負載500，其中輸入電源包括輸入電流Iin與輸入電壓Vin，輸出電源包括輸出電流Ild與輸出電壓Vsrc。在一實施例中，電源轉換系統1002包含：電流限制電路100以及電量調節電路200。
在一實施例中，電流限制電路100用以於電流箝位狀態下，箝位輸入電流Iin使其不超過輸入電流限值Ilim。在一實施例中，電量調節電路200用以於充電模式中，轉換輸出電源產生暫存電源於暫存電容器Cap，且用以於放電模式中，轉換暫存電源以協同電流限制電路100而產生輸出電源。具體而言，在本實施例中，電量調節電路200用以於充電模式中，轉換輸出電壓Vsrc產生暫存電壓Vcap於暫存電容器Cap，且用以於放電模式中，轉換暫存電壓Vcap以協同電流限制電路100而產生輸出電壓Vsrc。
請同時參閱圖2A與圖2B，圖2B顯示本發明之電源轉換系統之一實施例操作波形圖。在一實施例中，電量調節電路200於輸入電流Iin達到電流閾值Ith時，如圖2B之時點t1，進入放電模式，此時電量調節電路200轉換暫存電壓Vcap而產生暫存輸出電源，以協同電流限制電路100而產生輸出電壓Vsrc，從一觀點而言，於放電模式中，輸出電源為輸入電源與暫存輸出電源之疊加，具體而言，輸出電流Ild為輸入電流Iin與暫存輸出電流Ict的疊加，其中暫存輸出電源包括暫存輸出電流Ict及暫存輸出電壓Vct，在本實施例中，暫存輸出電壓Vct對應於輸出電壓Vsrc。在一實施例中，於放電模式中，電量調節電路200用以調節輸出電壓Vsrc至目標位準Vtarg(如圖2B中短虛線所示)，藉此使得電流限制電路100箝位輸入電流Iin使其不超過輸入電流限值Ilim。
需說明的是，在一實施例中，目標位準Vtarg低於輸入電壓Vin之位準，在一具體實施例中，目標位準Vtarg低於輸入電壓Vin至一程度(例如低於一預設差值Vd)，使得電流限制電路100維持於電流箝位狀態。還需說明的是，在一實施例中，電流閾值Ith大於輸入電流限值Ilim，藉此使得當輸出電流Ild大於電流閾值Ith時，電流限制電路100可更穩定地操作於箝位模式。上述操作細節於後詳述。
圖3顯示本發明之電源轉換系統之一實施例方塊圖。在一實施例中，於圖3之電源轉換系統1003中，電流限制電路103包括一路徑開關130，電量調節電路203配置為切換式轉換器。在一實施例中，電量調節電路203包括一電感器L以及至少一開關SW1，用以進行輸出電源(例如輸出電壓Vsrc)與暫存電源(例如暫存電壓Vcap)之間的轉換。
圖4顯示本發明之電源轉換系統之一實施例方塊圖。圖4之電源轉換系統1004相似於圖3之電源轉換系統1003，在一實施例中，圖4之電流限制電路104更包括電流控制電路150，用以感測輸入電流Iin，且根據輸入電流Iin與一參考訊號之差值，產生一路徑控制訊號Scp，控制路徑開關130以箝位輸入電流Iin使其不超過輸入電流限值Ilim。
圖5顯示本發明之電源轉換系統之一具體實施例示意圖。圖5之電源轉換系統1005為對應於圖4之電源轉換系統1004之具體實施例。在一具體實施例中，如圖5所示，路徑開關135配置為兩個互相串聯耦接的金屬氧化半導體(metal oxide semiconductor, MOS)電晶體M1及M2，且MOS電晶體M1及M2之本體極反接，以避免本體二極體導通。在一具體實施例中，電流限制電路105中的電流控制電路155配置為誤差放大電路，用以根據相關於輸入電流Iin的感測訊號VIin與參考訊號VIlim之差值產生一路徑控制訊號Scp，以控制路徑開關135之閘極，藉此箝位輸入電流Iin使其不超過輸入電流限值Ilim，在本實施例中，參考訊號VIlim相關於輸入電流限值Ilim。
在一具體實施例中，如圖5所示，電量調節電路205配置為切換式轉換器，包括電感器L、開關SW1及開關SW2。在一實施例中，於充電模式中，電量調節電路205用以作為升壓(boost)轉換器，藉由開關SW1與開關SW2週期性切換電感器L，以轉換輸出電壓Vsrc產生暫存電壓Vcap於暫存電容器Cap，換言之，於充電模式中，電量調節電路205用以升壓轉換輸出電壓Vsrc，以對電容器Cap充電。在一實施例中，於放電模式中，電量調節電路205用以作為降壓(buck)轉換器，藉由開關SW1與開關SW2週期性切換電感器L，以轉換暫存電壓Vcap並協同電流限制電路105而產生輸出電壓Vsrc，換言之，於放電模式中，電量調節電路205用以降壓轉換電容器Cap所儲存的暫存電壓Vcap，使電容器Cap放電。其中於充電模式中或於放電模式中，暫存電壓Vcap大於等於輸出電壓Vsrc。
圖6顯示本發明之電源轉換系統之一具體實施例示意圖。圖6之電源轉換系統1006相似於圖5之電源轉換系統1005，在一具體實施例中，圖6之電量調節電路206(即切換式轉換器)更包括誤差放大電路236以及調變控制電路250。在一具體實施例中，誤差放大電路236用以根據一參考電壓Vref與輸出電壓Vsrc之相關訊號的差值以產生誤差放大訊號Ea，調變控制電路250用以根據誤差放大訊號Ea產生切換控制訊號Sc1、Sc2分別控制開關SW1與開關SW2，以進行輸出電源(如輸出電壓Vsrc)與暫存電源(如暫存電壓Vcap)之間的轉換。在一實施例中，調變控制電路250根據誤差放大訊號Ea以脈寬調變方式產生切換控制訊號Sc1、Sc2。於放電模式中，上述參考電壓Vref相關於目標位準Vtarg，在本實施例中，於放電模式中，上述參考電壓Vref等於目標位準Vtarg，且輸出電壓Vsrc之相關訊號即為輸出電壓Vsrc本身。
在一具體實施例中，如圖6所示，電源轉換系統1006更包含比較器300，用以比較感測訊號VIin與閾值電壓VIth以產生致能訊號EN，致能訊號EN用以於感測訊號VIin之位準高於閾值電壓VIth之位準時，示意調變控制電路250控制開關SW1與開關SW2進入放電模式，使電容器Cap放電。在一實施例中，感測訊號VIin相關於輸入電流Iin，閾值電壓VIth相關於所述的電流閾值Ith。
請同時參閱圖6與圖2B。在一實施例中，於圖2B的時點t1之前，電量調節電路206操作於充電模式，此時電感電流IL之位準為正值。在一實施例中，當感測訊號VIin之位準高於閾值電壓VIth之位準時，示意輸入電流Iin(如圖2B第二波形之實線所示)之位準高於電流閾值Ith之位準，於圖2B所示之時點t1，電量調節電路206進入放電模式，且電流限制電路105進入電流箝位狀態。於時點t1至時點t2之放電模式中，電感電流IL之位準為負值，其中電感電流IL對應於前述的暫存輸出電流Ict(彼此反相)，另一方面，輸入電流Iin持續被箝位於不超過輸入電流限值Ilim，因此，於時點t1至時點t2之放電模式中，輸出電流Ild為輸入電流Iin與電感電流IL之絕對值的疊加，此外，暫存電壓Vcap之位準於放電模式中則逐漸下降。
在一實施例中，當輸出電流Ild又再度低於輸入電流限值Ilim時，如圖2B之時點t2，電量調節電路206回到充電模式。需說明的是，上述進入放電模式或者進入充電模式之條件，皆不包括根據輸出電壓Vsrc之位準。
在一實施例中，電流閾值Ith大於輸入電流限值Ilim，且電流閾值Ith與輸入電流限值Ilim具有電流差值Id，其中電流差值Id大至一程度，使得當輸入電流Iin之位準高於電流閾值Ith之位準而進入放電模式時，確保輸入電流Iin可持續地被箝位於不超過輸入電流限值Ilim，以避免輸入電流Iin之突波而造成電量調節電路206不斷地切換於充電模式與放電模式之間，藉此，本發明之電源轉換系統，於輸出電流Ild大於電流閾值Ith時，電流限制電路100可更穩定地操作於箝位模式。
在一實施例中，於圖2B之時點t1至時點t2之放電模式中，電量調節電路206藉由誤差放大電路236調節輸出電壓Vsrc至目標位準Vtarg，輸入電壓Vin與目標位準Vtarg之預設差值Vd大於輸入電流限值Ilim與路徑開關135控制為導通時之導通電阻值之乘積，使得電流限制電路105維持於電流箝位狀態。換言之，在本實施例中，輸入電流限值Ilim與路徑開關135控制為導通時之導通電阻值之乘積即為路徑開關135之汲源極電壓，輸入電壓Vin與目標位準Vtarg之預設差值Vd即為所欲調節的路徑開關135之目標汲源極電壓，從另一觀點言，電流限制電路100係相當於用以限制路徑開關135之汲源極電壓不大於其目標汲源極電壓，亦即，路徑開關135之汲源極電壓被箝位於目標汲源極電壓，進而使得輸入電流Iin被箝位於不超過輸入電流限值Ilim。
需說明的是，上述導通電阻值係為路徑開關135於所有操作條件與所有製程變異下，控制為導通時的電阻值中之最大者，以確保輸入電壓Vin與目標位準Vtarg之預設差值Vd大於輸入電流限值Ilim與路徑開關135控制為導通時之導通電阻值之乘積。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。所說明之各個實施例，並不限於單獨應用，亦可以組合應用，舉例而言，兩個或以上之實施例可以組合運用，而一實施例中之部分組成亦可用以取代另一實施例中對應之組成部件。此外，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，舉例而言，本發明所稱「根據某訊號進行處理或運算或產生某輸出結果」，不限於根據該訊號的本身，亦包含於必要時，將該訊號進行電壓電流轉換、電流電壓轉換、及／或比例轉換等，之後根據轉換後的訊號進行處理或運算產生某輸出結果。由此可知，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，其組合方式甚多，在此不一一列舉說明。因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
100, 103, 104, 105:電流限制電路 1002, 1003, 1004, 1005, 1006:電源轉換系統 130, 135:路徑開關 150, 155:電流控制電路 200, 203, 205, 206:電量調節電路 236:誤差放大電路 250:調變控制電路 300:比較器 500:負載 90:開關 900:電源轉換系統 91, 92:比較器 93:及閘 94:脈寬調變控制電路 95:切換式轉換器 C:電容器 Cap:暫存電容器 Ea:誤差放大訊號 EN:致能訊號 Ics:感測訊號 Ict:暫存輸出電流 Id:電流差值 Iin:輸入電流 IL:電感電流 Ild:輸出電流 Ilim:輸入電流限值 Ith, Ith1:電流閾值 L:電感器 M1, M2:電晶體 PS:輸入電源 Sc1、Sc2:切換控制訊號 Scp:路徑控制訊號 SW1, SW2:開關 t1, t2:時點 VB:輸出電源 Vcap:暫存電壓 Vct:暫存輸出電壓 Vd:預設差值 Vfb:回授訊號 VIin:感測訊號 VIlim:參考訊號 Vin:輸入電壓 VIth:閾值電壓 Vref:參考電壓 Vsrc:輸出電壓 Vtarg:目標位準 Vth:電壓閾值
圖1顯示一種先前技術之電源轉換系統。
圖2A顯示本發明之電源轉換系統之一實施例方塊圖。
圖2B顯示本發明之電源轉換系統之一實施例操作波形圖。
圖3顯示本發明之電源轉換系統之一實施例方塊圖。
圖4顯示本發明之電源轉換系統之一實施例方塊圖。
圖5顯示本發明之電源轉換系統之一具體實施例示意圖。
圖6顯示本發明之電源轉換系統之一具體實施例示意圖。
無
1005:電源轉換系統
105:電流限制電路
135:路徑開關
155:電流控制電路
205:電量調節電路
500:負載
Cap:暫存電容器
Ict:暫存輸出電流
Iin:輸入電流
IL:電感電流
Ild:輸出電流
L:電感器
M1,M2:電晶體
Scp:路徑控制訊號
SW1,SW2:開關
Vcap:暫存電壓
Vct:暫存輸出電壓
VIin:感測訊號
VIlim:參考訊號
Vin:輸入電壓
Vsrc:輸出電壓

Claims (8)

  1. 一種電源轉換系統，用以轉換一輸入電源以產生一輸出電源，包含：一電流限制電路，用以於一電流箝位狀態下，箝位該輸入電源的一輸入電流使其不超過一輸入電流限值；以及一電量調節電路，用以於一充電模式中，轉換該輸出電源產生一暫存電源於一暫存電容器，且用以於一放電模式中，轉換該暫存電源，藉此該輸入電源與該暫存電源共同供電而產生該輸出電源，使得該輸出電源相關於該暫存電源與該輸入電源之疊加，其中該電量調節電路於該輸入電流達到一電流閾值時，進入該放電模式；其中於該放電模式中，該電量調節電路用以調節該輸出電源的一輸出電壓至一目標位準，其中該目標位準低於該輸入電源的一輸入電壓至一程度，藉此強制該電流限制電路維持於該電流箝位狀態。
  2. 如請求項1所述之電源轉換系統，其中該電流限制電路包括一路徑開關，其中該輸入電壓與該目標位準之一預設差值大於該輸入電流限值與該路徑開關控制為導通時之一導通電阻值之乘積，使得該電流限制電路維持於該電流箝位狀態。
  3. 如請求項2所述之電源轉換系統，其中該導通電阻值係為該路徑開關於所有操作條件與所有製程變異下，控制為導通時的電阻值中之最大者。
  4. 如請求項1所述之電源轉換系統，其中該電源轉換系統根據該輸入電流之位準進入該放電模式，且進入該放電模式之條件獨立於該輸出電壓之位準。
  5. 如請求項2所述之電源轉換系統，其中該電量調節電路係為一切換式轉換器，包括一電感器以及至少一開關，用以進行該輸出電源與該暫存電源之間的轉換。
  6. 如請求項5所述之電源轉換系統，其中該切換式轉換器更包括一誤差放大電路，用以根據一參考電壓與該輸出電壓以產生一誤差放大訊號，進而控制該至少一開關以進行該輸出電源與該暫存電源之間的轉換，其中於該放電模式中，該參考電壓相關於該目標位準。
  7. 如請求項2所述之電源轉換系統，其中該電流限制電路更包括一電流控制電路，用以感測該輸入電流，且根據該輸入電流與一參考訊號之差值，控制該路徑開關以箝位該輸入電流使其不超過該輸入電流限值。
  8. 如請求項1所述之電源轉換系統，其中該電流閾值大於該輸入電流限值。
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