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TWI429174B - 主動式線端補償電路及其控制器 - Google Patents

主動式線端補償電路及其控制器 Download PDF

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TWI429174B TW099131116A TW99131116A TWI429174B TW I429174 B TWI429174 B TW I429174B TW 099131116 A TW099131116 A TW 099131116A TW 99131116 A TW99131116 A TW 99131116A TW I429174 B TWI429174 B TW I429174B
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Description

主動式線端補償電路及其控制器
本發明係關於一種主動式線端補償電路及其控制器，尤指一種以補償電流調整迴授訊號之主動式線端補償電路及其控制器。
第一圖係典型之直流轉直流降壓轉換電路(Buck Converter)之電路示意圖。直流轉直流降壓轉換電路包含了一轉換電路10、一控制器20、一負載30以及一輸出電壓偵測電路12。輸出電壓偵測電路12偵測轉換電路10的一輸出電壓Vo以產生一輸出電壓偵測訊號Vfb。控制器20則根據此輸出電壓偵測訊號Vfb控制轉換電路10將一輸入電壓Vin之電力轉換成輸出電壓Vo，使輸出電壓Vo維持在一預定輸出電壓值。然而，直流轉直流降壓轉換電路係透過一供電線14提供電力至負載30，而供電線14上存在有寄生電阻Rw，電流透過供電線14提供至負載30時，在供電線14上會產生線損Vw(Vw=2*Rw*IL，其中IL為流經負載30之電流)，而導致實際供應至負載30之負載電壓Vo’低於轉換電路10之輸出電壓Vo。
為了補償供電線14所造成之線損，請參照第二圖所示，一典型之解決方法是將輸出電壓偵測電路12另外連接一導線16至負載30，以遠端偵測(Remote Sense)供應至負載30之負載電壓Vo’的電位來進行回授控制。圖中之導線16即是直接偵測負載30之電源供應端來進行回授控制。此補償方式可以補償供電線14所造成之線損的一半，即線損Vw=Rw*IL。然而，此遠端偵測之方法需要另外連接至少一導線16至負載30進行偵測，而會導致成本提高。又，隨著供電距離增加，所需使用的導線16的長度也要增加。
有鑑於上述問題，本發明利用偵測負載之電流以補償輸出電壓偵測訊號之準位以補償供電線之線損，使負載電壓可穩定在一預定電壓值，如此不需使用導線偵測負載端之電壓，即可補償供電線所造成之線損以提供準確的負載電壓。
為達上述目的，本發明提供了一種主動式線端補償電路，用以補償一輸出電壓偵測訊號之準位，其中一迴授控制器根據補償後輸出電壓偵測訊號控制一轉換電路使施加於該負載之一負載電壓穩定於一預定電壓值。主動式線端補償電路包含一補償單元及一迴授補償單元。補償單元偵測負載電流以產生一補償電流。迴授補償單元根據補償電流調整輸出電壓偵測訊號之準位以輸出補償後輸出電壓偵測訊號。
本發明也同時提供了一種具主動式線端補償之控制器，用以控制一轉換電路將一輸入電壓轉換成一輸出電壓以驅動一負載。具主動式線端補償之控制器包含一主動式線端補償電路以及一迴授控制電路。主動式線端補償電路接收代表輸出電壓之輸出電壓偵測訊號並根據流經負載之一負載電流產生一補償電流以補償輸出電壓偵測訊號而產生一補償後輸出電壓偵測訊號。迴授控制電路根據補償後輸出電壓偵測訊號以產生至少一脈寬調變控制訊號，以控制轉換電路進行電壓轉換。
以上的概述與接下來的詳細說明皆為示範性質，是為了進一步說明本發明的申請專利範圍。而有關本發明的其他目的與優點，將在後續的說明與圖示加以闡述。
請參見第三圖，為根據本發明之一較佳實施例之主動式線端補償電路之電路示意圖。主動式線端補償電路包含一補償單元122及一迴授補償單元123，用以補償一輸出電壓偵測訊號 Vfb之準位。在本實施例中，補償單元122包含一電流源，且電流源根據負載電流IL產生一補償電流IY。迴授補償單元123包含一放大器124以及一補償電阻RY。放大器124之一非反相輸入端接收一輸出電壓偵測訊號Vfb、一反相輸入端耦接補償單元122，且補償電阻RY耦接於放大器124之一輸出端與反相輸入端。如此，補償電流IY將流經補償電阻RY。使該放大器124之輸出端產生補償後輸出電壓偵測訊號Vfbc。由於放大器124的反相輸入端及非反相輸入端會等電位，因此，補償後輸出電壓偵測訊號Vfbc與輸出電壓偵測訊號Vfb的關係如下：Vfbc=Vfb-IY*RY=Vfb-C*IL*RY....(1)
其中，C為補償單元122根據負載電流產生補償電流IY的比例值。
另外，輸出電壓偵測訊號Vfb與輸出電壓Vo的關係如下：Vfb=Vo/Rd....(2)
其中，Rd為偵測輸出電壓偵測電路的一分壓比例。
上述兩式可推導出如下的關係式Vfbc=Vo/Rd-C*IL*RY → Vo=Vfbc*Rd+C*IL*RY*Rd....(3)
因此，C*IL*RY*Rd即為一補償值，透過此補償值將使迴授控制器修正輸出電壓Vo之準位，使負載電壓Vo’穩定於一預定電壓值上。接著，以下將本發明之主動式線端補償電路與迴授控制之轉換電路結合進行說明，以更瞭解主動式線端補償電路如何達到穩定負載電壓Vo’之效果。
請參見第四圖，為根據本發明之一較佳實施例之主動式線端補償轉換電路之電路示意圖。主動式線端補償轉換電路包含 一具主動式線端補償之控制器120、一轉換電路110、一負載130、一輸出電壓偵測電路112以及一負載電流偵測電路RCS。控制器120控制轉換電路110將一輸入電壓Vin轉換成一輸出電壓Vo以驅動一負載130，而經線損後施加於負載130上之電壓為負載電壓Vo’與輸出電壓Vo之關係如下：Vo’=Vo-2*Rw*IL...(4)
其中Rw為供電線114的寄生電阻，IL則為負載電流。
控制器120包含一主動式線端補償電路以及一迴授控制電路126，其中主動式線端補償電路包含一補償單元122及一迴授補償單元123。補償單元122接收負載電流偵測電路RCS所產生的兩電流偵測訊號Vcs+、Vcs-並據此產生一補償電流IY。其中，Vcs+-Vcs-=IL *Rcs，Rcs為負載電流偵測電路RCS之電阻值，因此補償電流IY係根據負載電流IL而產生。迴授補償單元123接收輸出電壓偵測訊號Vfb及補償電流IY，以產生一補償後輸出電壓偵測訊號Vfbc至迴授控制電路126。
迴授控制電路126包含一誤差放大器127以及一脈寬調變器128。誤差放大器127接收一參考電壓訊號Vref及補償後輸出電壓偵測訊號Vfbc以產生一脈寬調變訊號。脈寬調變器128接收一斜坡訊號及誤差放大器127所產生的脈寬調變訊號，並產生一脈寬調變控制訊號Gate以控制轉換電路110進行電力轉換。由於誤差放大器127的兩輸入端訊號之準位將會等電位，因此Vref=Vfbc，再結合第3式及第4式，可推導出如下關係式：Vfbc*Rd+C*IL*RY*Rd=2*Rw*IL+Vo’
Vo’=Vref*Rd+IL*(C*RY*Rd-2*Rw)
由於電路中的Vref及Rd為固定值，因此藉由適當地調整C及RY，使C*RY*Rd=2*Rw，即可補償線損而使Vo’=Vref*Rd 為一穩定值。
接著詳細說明補償單元122的電路架構。補償單元122包含一運算放大器1222、一電壓轉電流轉換器1224以及一電流鏡1226。運算放大器1222接收負載電流偵測電路RCS所產生的電流偵測訊號Vcs+、Vcs-，並根據電流偵測訊號Vcs+、Vcs-之差產生一增益訊號VX。電壓轉電流轉換器1224接收增益訊號VX並同時根據電阻RX而產生一增益電流IX以作為上述之放大偵測訊號。電流鏡1226具有一電流增益M：1，以根據增益電流IX產生一補償電流IY。由於電流偵測訊號Vcs+、Vcs-之差代表流經負載130之負載電流IL，因此補償電流IY與負載電流IL之間具有一比例關係。另外，值得一提的是，補償單元122的增益值(即補償電流IY與電流偵測訊號Vcs+、Vcs-之差的放大比例)可根據實際應用設定，使負載電流偵測電路RCS的選用上更具彈性。因此，負載電流偵測電路RCS可以選用適當的阻抗值，以減少進行負載電流偵測時造成太大的功耗。
如上所述，本發明完全符合專利三要件：新穎性、進步性和產業上的利用性。本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以下文之申請專利範圍所界定者為準。
先前技術：
10‧‧‧轉換電路
12‧‧‧輸出電壓偵測電路
14‧‧‧供電線
16‧‧‧導線
20‧‧‧控制器
30‧‧‧負載
Vo‧‧‧輸出電壓
Vfb‧‧‧輸出電壓偵測訊號
Vin‧‧‧輸入電壓
Rw‧‧‧寄生電阻
IL‧‧‧負載電流
Vo’‧‧‧負載電壓
本發明：
110‧‧‧轉換電路
112‧‧‧輸出電壓偵測電路
120‧‧‧控制器
122‧‧‧補償單元
1222‧‧‧運算放大器
1224‧‧‧電壓轉電流轉換器
1226‧‧‧電流鏡
123‧‧‧迴授補償單元
124‧‧‧放大器
126‧‧‧迴授控制電路
127‧‧‧誤差放大器
130‧‧‧負載
Vfb‧‧‧輸出電壓偵測訊號
VX‧‧‧增益訊號
IX‧‧‧增益電流
IL‧‧‧負載電流
IY‧‧‧補償電流
RY‧‧‧補償電阻
Vfb‧‧‧輸出電壓偵測訊號
Vfbc‧‧‧補償後輸出電壓偵測訊號
Vo‧‧‧輸出電壓
Vo’‧‧‧負載電壓
RCS‧‧‧負載電流偵測電路
Rw‧‧‧寄生電阻
Vcs+,Vcs-‧‧‧電流偵測訊號
Vref‧‧‧參考電壓訊號
RX‧‧‧電阻
第一圖為典型之直流轉直流降壓轉換電路之電路示意圖。
第二圖為典型以遠端偵測補償線損之直流轉直流降壓轉換電路之電路示意圖。
第三圖為根據本發明之一較佳實施例之主動式線端補償電路之電路示意圖。
第四圖為根據本發明之一較佳實施例之主動式線端補償轉換 電路之電路示意圖。
122‧‧‧補償單元
123‧‧‧迴授補償單元
124‧‧‧放大器
IL‧‧‧負載電流
IY‧‧‧補償電流
Vfb‧‧‧輸出電壓偵測訊號
Vfbc‧‧‧補償後輸出電壓偵測訊號
RY‧‧‧補償電阻

Claims (9)

  1. 一種主動式線端補償電路，用以補償一輸出電壓偵測訊號之準位，其中一迴授控制器根據補償後輸出電壓偵測訊號控制一轉換電路使施加於一負載之一負載電壓穩定於一預定電壓值，其中，該轉換電路輸出一輸出電壓，並透過一供電線提供電力至該負載以產生該負載電壓，該主動式線端補償電路包含：一補償單元，經由一負載電流偵測電路偵測該負載電流以產生一補償電流；以及一迴授補償單元，根據該補償電流調整該輸出電壓偵測訊號之準位以輸出該補償後輸出電壓偵測訊號；其中，該輸出電壓偵測訊號直接來自於該輸出電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之主動式線端補償電路，其中該補償單元包含一電流源，並該電流源根據該負載電流產生該補償電流。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之主動式線端補償電路，其中該迴授補償單元包含一放大器，該放大器之一非反相輸入端接收該輸出電壓偵測訊號、一反相輸入端接收該補償電流，且一補償電阻耦接於該放大器之一輸出端與該反相輸入端，使該放大器之該輸出端產生該補償後輸出電壓偵測訊號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之主動式線端補償電路，其中該補償單元包含一電流源及一偵測放大器，該偵測放大器偵測該負載電流以產生一放大偵測訊號，該電流源根據該放大偵測訊號產生該補償電流。
  5. 一種具主動式線端補償之控制器，用以控制一轉換電路將一輸入電壓轉換成一輸出電壓以驅動一負載，其中，該轉換電路 輸出該輸出電壓，並透過一供電線提供電力至該負載以產生一負載電壓，該具主動式線端補償之控制器包含：一主動式線端補償電路，接收代表該輸出電壓之輸出電壓偵測訊號並根據流經該負載之一負載電流產生一補償電流以補償該輸出電壓偵測訊號而產生一補償後輸出電壓偵測訊號；以及一迴授控制電路，根據該補償後輸出電壓偵測訊號以產生至少一脈寬調變控制訊號，以控制該轉換電路進行電壓轉換。其中，該輸出電壓偵測訊號直接來自於該輸出電壓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之具主動式線端補償之控制器，其中該主動式線端補償電路包含：一補償單元，偵測該負載電流以產生該補償電流；以及一迴授補償單元，根據該補償電流調整該輸出電壓偵測訊號之準位以輸出該補償後輸出電壓偵測訊號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之具主動式線端補償之控制器，該補償單元包含一電流源，並該電流源根據該負載電流產生該補償電流。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之具主動式線端補償之控制器，其中該迴授補償單元包含一放大器，該放大器之一非反相輸入端接收該輸出電壓偵測訊號、一反相輸入端接收該補償電流，且一補償電阻耦接於該放大器之一輸出端與該反相輸入端，使該放大器之該輸出端產生該補償後輸出電壓偵測訊號。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之具主動式線端補償之控制器，其中該補償單元包含一電流源及一偵測放大器，該偵測放大器偵測該負載電流以產生一放大偵測訊號，該電流源根據該放大偵測訊號產生該補償電流。
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