TWI444806B - 適應性溫度補償電路及方法 - Google Patents

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Description

適應性溫度補償電路及方法
本發明係有關一種溫度補償電路及方法，特別是關於一種更精確地感測功率元件的操作溫度的溫度補償電路及方法。
如圖1所示，電源轉換器10藉控制器12切換電晶體M1及M2以提供電壓Vo及電流Io給負載14。為了調節輸出電壓Vo，需要感測電感電流IL，通常係藉內部無損失電流感測方法來達成，此法係利用電感L的線圈等效電阻或電晶體M1或M2的導通電阻來實現。然而，線圈等效電阻及導通電阻皆會隨操作溫度的變化而改變，如果沒有溫度補償機制，感測到的信號將無法與電感電流IL具有線性的比例關係，因而導致適應電壓位置(Adaptive Voltage Positioning;AVP)控制及過電流保護(Over Current Protection;OCP)等功能的效能變差。
參照圖2，以電感的線圈等效電阻來感測電感電流為例，傳統的溫度補償方法係使用負溫度係數(Negative Temperature Coefficient;NTC)熱敏電阻(thermistor)16感測電感L的操作溫度，NTC熱敏電阻16必須儘可能的靠近電感L才能達到較準確的溫度補償效果。美國專利號6,833,690及6,998,827各揭露使用熱敏電阻感測元件的環境溫度和部分的操作溫度來實現溫度補償的方法。圖3係圖2的電感L及NTC熱敏電阻16的溫度量測結果，其中曲線18為電感L的溫度，曲線20為NTC熱敏電阻16的溫度。從圖3可知，NTC熱敏電阻16不能精確地感測到電感L的操作溫度，這是因為造成電感L的操作溫度變化的原因有二個，一個是電感L的外部環境溫度的變化，另一個是電感L內部功率損失所造成的溫度變化。電感L的功率損失會造成電感L的內部溫度上升，進而導致電感L的內部溫度高於外部環境溫度，而NTC熱敏電阻16只能感測到電感L的外部環境溫度和部分的內部操作溫度，不能精確的感測及補償因功率損失而造成的溫度變化。
電感L、電晶體M1及M2皆是功率元件，其因為功率損失造成的溫度變化不能忽略，因此一種可以預測元件因功率損失所造成的溫度變化的溫度補償電路及方法，乃為所冀。
本發明的目的之一，在於提出一種更精確感測元件溫度變化的適應性溫度補償電路。
本發明的目的之一，在於提出一種可以預測元件的功率損失所造成的溫度變化的適應性溫度補償電路。
根據本發明，一種適應性溫度補償電路及方法，除了感測元件的外部環境溫度變化外，還可以根據該元件的電流預測該元件因功率損失所造成的溫度變化，因而能較準確的感測該元件的操作溫度，達成較佳的溫度補償。
如圖4所示，根據本發明的適應性溫度補償電路22感測電源轉換器10中元件的溫度並產生精確的適應性溫度感測值VT(Ics)供溫度補償或供判斷溫度大小。適應性溫度補償電路22包括具溫度感測電路24感測該元件的外部環境溫度產生一外部環境溫度感測值VT、電流感測器26感測流過該元件的電流產生電流感測信號Ics、溫度補償修正器28根據電流感測信號Ics決定溫度修正值K(Ics)、運算電路30根據外部環境溫度感測值VT及溫度修正值K(Ics)產生精確的適應性溫度感測值VT(Ics)。在適應性溫度補償電路22中，溫度補償修正器28係根據電流感測信號Ics預測該元件因功率損失所造成的內部溫度變化，進而提供溫度修正值K(Ics)。目前，已經有許多可以實現溫度補償修正器28的方案，例如根據如圖3所示的量測結果設計對應表(lookup table)，供溫度補償修正器28根據電流感測信號Ics檢索對應表而決定相對應的溫度修正值K(Ics)，或者根據如圖3所示的量測結果設計公式，供溫度補償修正器28根據電流感測信號Ics計算產生相對應的溫度修正值K(Ics)。
因為適應性溫度補償電路22能預測元件因功率損失所造成的內部溫度變化，所以能較精確的感測元件的溫度變化以及增加內部電流感測方法的準確度，進而改善AVP的精確度以及增加OCP的準確度。
圖5係使用適應性溫度補償電路22在電流迴路的電源轉換器，其中脈寬調變器34根據電壓誤差信號Vcomp及電流感測信號Vcs3產生脈寬調變信號PWM。驅動器32根據脈寬調變信號PWM切換電晶體M1及M2以控制電感電流IL對電容Co充電，進而產生輸出電壓Vo。電阻RDC表示電感L的線圈等效電阻。電壓補償器36偵測輸出電壓Vo產生電壓誤差信號Vcomp給脈寬調變器34。由具溫度感測電路24、溫度補償修正器28及運算電路30組成的適應性溫度補償電路22感測電感L的外部環境溫度並預測電感L因功率損失所造成的溫度變化，產生具適應性溫度補償的電流感測信號Vcs3，以使該電源轉換器提供準確的輸出電壓Vo及輸出電流Io。在適應性溫度補償電路22中，具溫度感測電路24感測電感L的電感電流IL產生電流感測信號Vcs2並根據電感L的外部環境溫度對電流感測信號Vcs2進行調整，在此實施例中，具溫度感測電路24係感測電感L的電感電流IL，故可以代替圖4中的電流感測器26提供電流感測信號Ics給溫度補償修正器28，其中電流感測信號Ics可以等於電流感測信號Vcs2。溫度補償修正器28根據電流感測信號Ics預測電感L因功率損失所造成的溫度變化，進而決定溫度修正值Kcs。運算電路30根據溫度修正值Kcs補償調整後的電流感測信號Vcs2產生具適應性溫度補償之電流感測信號Vcs3。在具溫度感測電路24中，由NTC熱敏電阻RNTC、電阻Rcs及電容Ccs組成的電流感測器40感測電感電流IL產生電流感測信號Vcs1，當電感L的外部環境溫度變化時，NTC熱敏電阻RNTC的阻值也跟著變化，因而提供外部環境溫度感測值VT調整電流感測信號Vcs1，電流轉換器42根據調整後的電流感測信號Vcs1產生電流感測信號Vcs2及Ics。
圖6係使用適應性溫度補償電路22在電壓迴路的電源轉換器，該電源轉換器與圖5的電路同樣包括電晶體M1及M2、電感L、驅動器32以及脈寬調變器34，但適應性溫度補償電路22偵測電感電流IL及輸出電壓Vo產生無溫度補償的電流感測信號Vcs4及具適應性溫度補償的電壓誤差信號Vcomp2，脈寬調變器34根據電流感測信號Vcs4及電壓誤差信號Vcomp2產生脈寬調變信號PWM給驅動器32，以使該電源轉換器提供準確的輸出電壓Vo及輸出電流Io。在適應性溫度補償電路22中，無溫度補償的電流感測器26感測電感電流IL產生電流感測信號Vcs4，溫度補償修正器28根據電流感測信號Vcs4產生溫度修正值Kcs，具溫度感測電路24偵測輸出電壓Vo產生電壓誤差信號Vcomp1並感測電感L的外部環境溫度產生外部環境溫度感測值來調整電壓誤差信號Vcomp1，運算電路30根據溫度修正值Kcs補償調整後的電壓誤差信號Vcomp1產生具適應性溫度補償之電壓誤差信號Vcomp2。在電流感測器26中，由電阻Rcs及電容Ccs組成的偵測電路44偵測電感電流IL產生電流感測信號Vcs1給電流轉換器42，以產生電流感測信號Vcs4。在具溫度感測電路24中，誤差放大器46的正輸入端接收參考電壓Vref，電阻R1連接在誤差放大器46的負輸入端及電源轉換器的輸出端Vo之間，電阻R2連接在誤差放大器46的負輸入端及輸出端之間，NTC熱敏電阻RNTC與電阻R1並聯，用以感測電感L的外部環境溫度以提供外部環境溫度感測值來調整電壓誤差信號Vcomp1。
圖7係使用適應性溫度補償電路22在元件溫度感測迴路的電源轉換器，此電源轉換器與圖5的電路同樣包括電晶體M1及M2、電感L、驅動器32、脈寬調變器34以及電壓補償器36，但適應性溫度補償電路22提供無溫度補償的電流感測信號Vcs4以及精確的適應性溫度感測值T2，適應性溫度感測值T2可以用來對電流感測信號Vcs4或電壓誤差信號Vcomp進行溫度補償，也可以供其他電路來判斷溫度大小，例如過溫度保護電路。在適應性溫度補償電路22中，由偵測電路44及電流轉換器42組成的電流感測器26偵測電感電流IL產生電流感測信號Vcs4，溫度補償修正器28根據電流感測信號Vcs4產生溫度修正值Kcs，具溫度感測電路24利用NTC熱敏電阻RNTC感測電感L的外部環境溫度產生外部環境溫度感測值T1，運算電路30根據外部環境溫度感測值T1及溫度修正值Kcs產生適應性溫度感測值T2。
參照圖5、圖6及圖7，在適應性溫度補償電路22中，除了溫度補償修正器28以外，具溫度感測電路24及電流感測器26都是傳統溫度補償方法所使用的電路，因此，本發明的適應性溫度補償電路22在成本上幾乎與傳統的溫度補償電路相同。
在圖5、圖6及圖7中，適應性溫度補償電路22皆感測電感L的電感電流IL及外部溫度，但在其他實施例中，適應性溫度補償電路22也可以感測其他功率元件的電流及外部溫度，例如電晶體M1及M2。
以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。
10．．．電源轉換器
12．．．控制器
14．．．負載
16．．．NTC熱敏電阻
18．．．電感L的溫度-電流特性曲線
20．．．NTC熱敏電阻的溫度-電流特性曲線
22．．．適應性溫度補償電路
24．．．具溫度感測電路
26．．．電流感測器
28．．．溫度補償修正器
30．．．運算電路
32．．．驅動器
34．．．脈寬調變器
36．．．電壓補償器
40．．．電流感測器
42．．．電流轉換器
44．．．偵測電路
46．．．誤差放大器
圖1係電源轉換器；
圖2係使用NTC熱敏電阻來達成溫度補償的示意圖；
圖3係電感L及NTC熱敏電阻的溫度-電流特性曲線；
圖4係根據本發明的適應性溫度補償電路的功能方塊圖；
圖5係使用適應性溫度補償電路在電流迴路的電源轉換器；
圖6係使用適應性溫度補償電路在電壓迴路的電源轉換器；以及
圖7係使用適應性溫度補償電路在元件溫度感測迴路的電源轉換器。
10．．．電源轉換器
22．．．適應性溫度補償電路
24．．．具溫度感測電路
26．．．電流感測器
28．．．溫度補償修正器
30．．．運算電路

Claims (15)

  1. 一種適應性溫度補償電路，用以提供適應性溫度感測值，該適應性溫度補償電路包括：具溫度感測電路，感測元件的外部環境溫度產生外部環境溫度感測值；電流感測器，感測該元件的電流產生電流感測信號；以及溫度補償修正器，連接該電流感測器，根據該電流感測信號預測該元件因功率損失所產生的溫度變化以送出溫度修正值用以調整該外部環境溫度感測值產生該適應性溫度感測值。
  2. 如請求項1之適應性溫度補償電路，其中該具溫度感測電路包括熱敏電阻。
  3. 如請求項1之適應性溫度補償電路，其中該溫度補償修正器根據該電流感測信號檢索對應表以決定該溫度修正值。
  4. 一種適應性溫度補償方法，用以提供適應性溫度感測值，該適應性溫度補償方法包括下列步驟：(A)感測元件的外部環境溫度產生外部環境溫度感測值；(B)偵測該元件的電流產生電流感測信號；(C)根據該電流感測信號預測該元件因功率損失所產生的溫度變化以產生溫度修正值；以及(D)根據該溫度修正值調整該外部環境溫度感測值產生該適應性溫度感測值。
  5. 如請求項4之適應性溫度補償方法，其中該步驟C包括根據該電流感測信號檢索對應表以決定該溫度修正值。
  6. 一種適應性溫度補償電路，用以提供具適應性溫度補償的信號，該適應性溫度補償電路包括：具溫度感測電路，感測元件的電流產生第一及第二電流感測信號，並感測該元件的外部環境溫度產生外部環境溫度感測值調整該第一及第二電流感測信號；以及溫度補償修正器，連接該具溫度感測電路，根據調整後的第二電流感測信號決定溫度修正值供補償調整後的第一電流感測信號產生該具適應性溫度補償的信號；其中，該溫度補償修正器根據該調整後的第二電流感測信號檢索對應表以決定該溫度修正值。
  7. 如請求6之適應性溫度補償電路，其中該具溫度感測電路包括熱敏電阻。
  8. 如請求項6之適應性溫度補償電路，其中該第一電流感測信號等於該第二電流感測信號。
  9. 一種適應性溫度補償方法，用以提供具適應性溫度補償的信號，該適應性溫度補償方法包括下列步驟：(A)感測元件的電流產生第一及第二電流感測信號；(B)感測該元件的外部環境溫度產生外部環境溫度感測值調整該第一及第二電流感測信號；(C)根據調整後的第二電流感測信號決定溫度修正值；以及(D)根據該溫度修正值補償調整後的第一電流感測信號產生該具適應性溫度補償的信號；其中，該步驟C包括根據該調整後的第二電流感測信號 檢索對應表以決定該溫度修正值。
  10. 如請求項9之適應性溫度補償方法，其中該第一電流感測信號等於該第二電流感信號。
  11. 一種適應性溫度補償電路，用以提供具適應性溫度補償的信號，該適應性溫度補償電路包括：具溫度感測電路，感測一系統的輸出電壓產生電壓誤差信號，並感測該系統的元件的外部環境溫度產生外部環境溫度感測值調整該電壓誤差信號；電流感測器，感測該元件的電流產生電流感測信號；以及溫度補償修正器，連接該電流感測器，根據該電流感測信號決定溫度修正值用以補償調整後的電壓誤差信號產生該具適應性溫度補償的信號。
  12. 如請求11之適應性溫度補償電路，其中該具溫度感測電路包括熱敏電阻。
  13. 如請求11之適應性溫度補償電路，其中該溫度補償修正器根據該調整後的電流感測信號檢索對應表以決定該溫度修正值。
  14. 一種適應性溫度補償方法，用以提供具適應性溫度補償的信號，該適應性溫度補償方法包括下列步驟：(A)感測一系統的輸出電壓產生電壓誤差信號；(B)感測該系統的元件的外部環境溫度產生外部環境溫度感測值調整該電壓誤差信號；(C)感測該元件的電流產生電流感測信號；(D)根據該電流感測信號決定溫度修正值；以及 (E)根據該溫度修正值補償調整後的電壓誤差信號產生該具適應性溫度補償的信號。
  15. 如請求項14之適應性溫度補償方法，其中該步驟D包括根據該電流感測信號檢索對應表以決定該溫度修正值。
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