CN101562392A - 用于电源供应器的电流电平控制装置及其相关电源供应器 - Google Patents

用于电源供应器的电流电平控制装置及其相关电源供应器 Download PDF

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Abstract

用于电源供应器的电流电平控制装置，其包含有接收端，用来接收电流感测信号；参考电压产生单元，用来产生参考电压；适应性参考电压产生单元，耦接于该参考电压产生单元及该接收端，用来根据该电流感测信号的峰值变化，调整该参考电压，以产生适应性参考电压；比较器，耦接于该接收端及该适应性参考电压产生单元，用来比较该电流感测信号及该适应性参考电压，以产生比较结果；以及控制单元，耦接于该比较器，用来根据该比较结果，控制该电源供应器的开关晶体管的导通状态。

Description

用于电源供应器的电流电平控制装置及其相关电源供应器
技术领域
本发明提供一种用于电源供应器的电流电平控制装置及其相关电源供应器，尤指一种根据电流感测信号的峰值变化，调整参考电压，使得实际启动过电流保护的电压与预期启动过电流保护的电压相同，以改善传递延迟时间的问题及保护点电压差异的电流电平控制装置及其相关电源供应器。
背景技术
电源供应器是用来提供电子装置操作所需的电源，依其电路结构，通常可分为线性电源供应器(Linear Power Supply)及切换式电源供应器(Switching Power Supply)等两种。其中，切换式电源供应器具有体积小、重量轻及转换效率高的优点，使其已被广泛地运用至各领域，例如移动通讯装置、个人数字助理、计算机与接口设备、服务器以及网络设备等电子装置中。
为求电源供应器正常稳定的运作，电源供应器的控制电路中的保护机制是非常重要的部分，例如过电压、过电流、过功率等保护功能，一旦遇有过载或短路的情况发生，备有周全保护机制的电源供应器便可避免内部元件或相关设备遭受损害。
请参考图1，图1为已知交换式电源供应器10的示意图。交换式电源供应器10具过电流保护功能，用来将输入电压信号VIN转换成适当大小的输出电压信号VOUT，其主要是由变压器100、控制单元102、比较器104、开关晶体管Q1及电流感测电阻Rs所组成，运作方式如下。首先，电流感测电阻Rs根据变压器100的一次侧电流Id的大小，产生电流感测信号VCS。接着，比较器104比较电流感测信号VCS与参考电压VREF，以输出指示信号SOC至控制单元102，使得控制单元102可据以判断是否已达过电流保护范围。例如，当电流感测信号VCS高于参考电压VREF时，比较器104可通过指示信号SOC指示过电流情形发生，则控制单元102可控制开关晶体管Q1关闭，以降低一次侧电流Id的大小。
简单来说，上述的保护机制是比较电流感测信号VCS与参考电压VREF，据以将一次侧电流Id控制在适当的范围内，以达到保护的目的。然而，当电流感测信号VCS高于参考电压VREF时，由于电路中必定存在非理想因子，使得开关晶体管Q1并非实时关闭，尚需一段时间后，控制单元102才能关闭开关晶体管Q1。亦即，自检测出过电流发生到开关晶体管Q1实际停止导通间，存在着传递延迟时间T_D，因而实际停止导通的电流大小会略高于设定值。换句话说，开始进行过电流保护时的电压(以下简称保护点电压)会较过电流发生时的电压大，且在不同输入电压VIN的情况下，保护点电压亦会不同。
详细来说，请参考图2，图2为传递延迟时间对不同输入电压的保护点电压差异的示意图。交换式电源供应器10的输入电压信号VIN与电流感测信号VCS电压值上升斜率是呈正比。亦即，当参考电压VREF的大小相同时，高输入电压VH会产生斜率较大的电流感测信号，而低输入电压VL则产生斜率较小的电流感测信号；其中，同一电源供应器中有相同的传递延迟时间T_D，传递延迟时间T_D与输入电压大小无关。如图2所示，当电流感测信号VCS上升至参考电压VREF的功率限制电平时，亦即电流感测信号VCS大于或等于参考电压VREF时，比较器104传送指示信号SOC至控制单元102，以将开关晶体管Q1关闭。由于电路中存在非理想因子，因此，经传递延迟时间T_D后，开关晶体管Q1始关闭，则一次侧电流Id随之切断。自检测出过电流发生至开关晶体管Q1实际停止导通的时间，输入电压会持续传递功率，使得对应于高输入电压VH的保护点电压为VOPPH，而对应于低输入电压VL的保护点电压为VOPPL。换句话说，保护点电压会高于参考电压VREF，且输入电压越高，差异状况越明显。在此情形下，当输入电压在大范围内变化，保护点会严重漂移，使得高低输入电压的输出功率的落差极大。
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供一种用于电源供应器的电流电平控制装置及其相关电源供应器。
本发明揭露一种用于电源供应器的电流电平控制装置，其包含有接收端，用来接收电流感测信号；参考电压产生单元，用来产生参考电压；适应性参考电压产生单元，耦接于该参考电压产生单元及该接收端，用来根据该电流感测信号的峰值变化，调整该参考电压，以产生适应性参考电压；比较器，耦接于该接收端及该适应性参考电压产生单元，用来比较该电流感测信号及该适应性参考电压，以产生比较结果；以及控制单元，耦接于该比较器，用来根据该比较结果，控制该电源供应器的开关晶体管的导通状态。
本发明还揭露一种可防止过电流损害的电源供应器，包含有变压装置，包含有一次侧电路及二次侧电路；开关晶体管，耦接于该一次侧电路；电流感测单元，耦接于该开关晶体管，用来根据流经该开关晶体管的该一次侧电路的电流，产生电流感测信号；以及电流电平控制装置，耦接于该电流感测单元及该开关晶体管。该电流电平控制装置包含有接收端，耦接于该电流感测单元，用来接收该电流感测信号；参考电压产生单元，用来产生参考电压；适应性参考电压产生单元，耦接于该参考电压产生单元及该接收端，用来根据该电流感测信号的峰值变化，调整该参考电压，以产生适应性参考电压；比较器，耦接于该接收端及该适应性参考电压产生单元，用来比较该电流感测信号及该适应性参考电压，以产生比较结果；以及控制单元，耦接于该比较器及该开关晶体管，用来根据该比较结果，控制该开关晶体管的导通状态。
附图说明
图1为已知交换式电源供应器的示意图。
图2为传递延迟时间对不同输入电压的保护点电压差异的示意图。
图3为本发明实施例一电源供应器的示意图。
图4为图3中电流电平控制装置的示意图。
图5A至图5C为图4中电流电平控制装置的运作示意图。
图6为图4中适应性参考电压产生单元的一实施例示意图。
图7为图6中峰值电流检测单元的示意图。
图8为图6中参考电压校正单元的示意图。
[主要元件标号说明]
10          交换式电源供应器
100         变压器
102、408    控制单元
104、406    比较器
Q1          开关晶体管
Rs         电流感测电阻
30         电源供应器
300        变压装置
302        电流电平控制装置
400        接收端
402        参考电压产生单元
404        适应性参考电压产生单元
600        峰值电流检测单元
602        参考电压校正单元
Q2         晶体管
700、802   运算放大器
702、806   电容
800        误差放大器
804        电阻
CMP        比较结果
VIN        输入电压信号
VOUT       输出电压信号
Id         一次侧电流
VCS        电流感测信号
VREF       参考电压
VREF_ADP   适应性参考电压
SOC        指示信号
T_D        传递延迟时间
VH、VL     输入电压
VOPPH、VOPPL、OCP_P1、OCP_P2、OCP_P3、OCP_P4、OCP_P5、OCP_P6保护点电压
具体实施方式
请参考图3，图3为本发明实施例一电源供应器30的示意图。电源供应器30较佳地为切换式电源供应器，其包含有变压装置300、开关晶体管Q1、电流感测电阻Rs及电流电平控制装置302。变压装置300包含有一次侧电路及二次侧电路，用来将输入电压信号VIN转换成输出电压信号VOUT。开关晶体管Q1耦接于变压装置300的一次侧电路，用来切换变压装置300的运作。电流感测电阻Rs耦接于开关晶体管306，用来实现电流感测单元，以根据流经开关晶体管Q1的一次侧电流Id，产生电流感测信号VCS。电流电平控制装置302耦接于开关晶体管Q1及电流感测电阻Rs，用来实时监控一次侧电流Id是否在适当的保护范围内，一旦超出安全保护范围时，会将开关晶体管Q1关闭，以达过电流保护的目的。
请继续参考图4，图4为图3中电流电平控制装置302的示意图。电流电平控制装置302包含有接收端400、参考电压产生单元402、适应性参考电压产生单元404、比较器406及控制单元408。接收端400耦接于电流感测电阻Rs，用来接收电流感测信号VCS，以将电流感测信号VCS传送至适应性参考电压产生单元404及比较器406。参考电压产生单元402耦接于适应性参考电压产生单元，用来产生参考电压VREF。适应性参考电压产生单元404接收到电流感测信号VCS及参考电压VREF后，可根据电流感测信号VCS的峰值变化，调整参考电压VREF，以产生适应性参考电压VREF_ADP。接着，比较器404比较电流感测信号VCS及适应性参考电压VREF_ADP，以产生比较结果CMP至控制单元408，则控制单元408可根据比较结果CMP，控制开关晶体管Q1的导通状态。简单来说，电流电平控制装置302可根据电流感测信号VCS的峰值变化，调整参考电压VREF，使得适应性参考电压VREF_ADP能符合不同系统的要求，其运作方式请参考以下说明。
请参考图5A至图5C，图5A至图5C为图4中电流电平控制装置302的运作示意图。首先，在图5A中，当电流电平控制装置302启始运作时，适应性参考电压VREF_ADP与参考电压VREF相等(故显示参考电压VREF)，当电流感测信号VCS达到参考电压VREF时，控制单元408可判断发生过电流而将关晶体管Q1关闭。然而，由于电路中必定存在非理想因子，使得开关晶体管Q1并非实时关闭，尚需传递延迟时间T_D后，控制单元408才能关闭开关晶体管Q1。因此，实际启动过电流保护的电压OCP_P2会较预期启动过电流保护的电压OCP_P1来得高。接下来，在图5B中，由于电流感测信号VCS的峰值超过参考电压VREF，因此，适应性参考电压产生单元404将参考电压VREF调降，成为适应性参考电压VREF_ADP1。在此情形下，检测到过电流的电压OCP_P3会降低，使得启动过电流保护的电压OCP_P4亦随之降低，但仍高于OCP_P1。仿此步骤，最后，在图5C中，适应性参考电压产生单元404会将参考电压VREF调降至适应性参考电压VREF_ADP2，以调降检测到过电流的电压OCP_P3，使得实际启动过电流保护的电压OCP_P4降低到与预期启动过电流保护的电压OCP_P1相同。换句话说，通过检测电流感测信号VCS的峰值变化，适应性参考电压产生单元404可将参考电压VREF调整至适应性参考电压VREF_ADP，使得实际启动过电流保护的电压与预期启动过电流保护的电压相同。如此一来，传递延迟时间的问题得以解决，更重要的是，电流电平控制装置302能符合不同系统的要求，适应性地调整参考电压，避免保护点漂移的问题发生。
因此，通过电流电平控制装置302，电源供应器30可适应性地调整参考电压，以解决传递延迟时间的问题，避免保护点漂移的问题发生。特别注意的是，图3及图4所示为本发明的实施例示意图，本领域技术人员当可据以做不同的修饰。举例来说，请参考图6，图6为图4中适应性参考电压产生单元404的一实施例示意图。在图6中，适应性参考电压产生单元404包含有峰值电流检测单元600及参考电压校正单元602。峰值电流检测单元600耦接于接收端400，用来检测电流感测信号VCS的峰值变化，据以输出峰值检测结果VP。参考电压校正单元602耦接于峰值电流检测单元600、参考电压产生单元402及比较器406，用来根据峰值电流检测单元600的检测结果峰值检测结果VP，调整参考电压VREF，以输出适应性参考电压VREF_ADP至比较器406。请继续参考图7及图8，图7为图6中峰值电流检测单元600的示意图，图8为图6中参考电压校正单元602的示意图。峰值电流检测单元600包含有晶体管Q2、运算放大器700及电容702。晶体管Q2较佳地是n型金属氧化物半导体晶体管，受控运算放大器700所输出的信号。运算放大器700的正输入端耦接于接收端400，负输入端耦接于晶体管Q2的源极与电容702之间，因此形成负反馈架构，以根据电流感测信号VCS的峰值变化，适时输出峰值检测结果VP。参考电压校正单元602包含有误差放大器800、运算放大器802、电阻804及电容806。误差放大器800用来比较及放大峰值检测结果VP与参考电压VREF之差，再通过运算放大器802、电阻804及电容，输出适应性参考电压VREF_ADP。
综上所述，本发明可根据电流感测信号的峰值变化，调整参考电压，使得实际启动过电流保护的电压与预期启动过电流保护的电压相同，以改善传递延迟时间的问题及保护点电压差异的情况。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种用于电源供应器的电流电平控制装置，包含有：
接收端，用来接收电流感测信号；
参考电压产生单元，用来产生参考电压；
适应性参考电压产生单元，耦接于该参考电压产生单元及该接收端，用来根据该电流感测信号的峰值变化，调整该参考电压，以产生适应性参考电压；
比较器，耦接于该接收端及该适应性参考电压产生单元，用来比较该电流感测信号及该适应性参考电压，以产生比较结果；以及
控制单元，耦接于该比较器，用来根据该比较结果，控制该电源供应器的开关晶体管的导通状态。
2.根据权利要求1所述的电流电平控制装置，其中该适应性参考电压产生单元包含有：
峰值电流检测单元，耦接于该接收端，用来检测该电流感测信号的峰值变化；以及
参考电压校正单元，耦接于该峰值电流检测单元、该参考电压产生单元及该比较器，用来根据该峰值电流检测单元的检测结果，调整该参考电压，以输出该适应性参考电压至该比较器。
3.根据权利要求2所述的电流电平控制装置，其中该峰值电流检测单元包含有：
晶体管，包含有第一端、第二端及第三端，该第一端耦接于电压源，该晶体管用来根据该第二端所接收的信号，导通该第一端至该第三端的信号连结；
运算放大器，包含有第一输入端耦接于该接收端，第二输入端耦接于该晶体管的该第三端，及输出端耦接于该晶体管的该第二端；以及
电容，其一端耦接于该晶体管的该第三端与该运算放大器的该第二输入端之间，另一端耦接于地端。
4.根据权利要求3所述的电流电平控制装置，其中该晶体管是n型金属氧化物半导体晶体管，该第一端是漏极，该第二端是栅极，以及该第三端是源极。
5.根据权利要求2所述的电流电平控制装置，其中该峰值电流检测单元包含有：
误差放大器，包含有第一输入端耦接于该峰值电流检测单元，第二输入端耦接于该参考电压产生单元，及输出端；
运算放大器，包含有第一输入端耦接于该参考电压产生单元，第二输入端耦接于该误差放大器的该输出端，及输出端耦接于该比较器；
电阻，其一端耦接于该比较器与该运算放大器的该第二输入端之间，另一端耦接于该运算放大器的该第二输入端与该误差放大器的该输出端之间；以及
电容，其一端耦接于该运算放大器的该第二输入端与该误差放大器的该输出端之间，另一端耦接于地端。
6.一种可防止过电流损害的电源供应器，包含有：
变压装置，包含有一次侧电路及二次侧电路；
开关晶体管，耦接于该一次侧电路；
电流感测单元，耦接于该开关晶体管，用来根据流经该开关晶体管的该一次侧电路的电流，产生电流感测信号；以及
电流电平控制装置，耦接于该电流感测单元及该开关晶体管，包含有：
接收端，耦接于该电流感测单元，用来接收该电流感测信号；
参考电压产生单元，用来产生参考电压；
适应性参考电压产生单元，耦接于该参考电压产生单元及该接收端，用来根据该电流感测信号的峰值变化，调整该参考电压，以产生适应性参考电压；
比较器，耦接于该接收端及该适应性参考电压产生单元，用来比较该电流感测信号及该适应性参考电压，以产生比较结果；以及
控制单元，耦接于该比较器及该开关晶体管，用来根据该比较结果，控制该开关晶体管的导通状态。
7.根据权利要求6所述的电源供应器，其中该适应性参考电压产生单元包含有：
峰值电流检测单元，耦接于该接收端，用来检测该电流感测信号的峰值变化；以及
参考电压校正单元，耦接于该峰值电流检测单元、该参考电压产生单元及该比较器，用来根据该峰值电流检测单元的检测结果，调整该参考电压，以输出该适应性参考电压至该比较器。
8.根据权利要求7所述的电源供应器，其中该峰值电流检测单元包含有：
晶体管，包含有第一端、第二端及第三端，该第一端耦接于电压源，该晶体管用来根据该第二端所接收的信号，导通该第一端至该第三端的信号连结；
运算放大器，包含有第一输入端耦接于该接收端，第二输入端耦接于该晶体管的该第三端，及输出端耦接于该晶体管的该第二端；以及
电容，其一端耦接于该晶体管的该第三端与该运算放大器的该第二输入端之间，另一端耦接于地端。
9.根据权利要求8所述的电源供应器，其中该晶体管是n型金属氧化物半导体晶体管，该第一端是漏极，该第二端是栅极，以及该第三端是源极。
10.根据权利要求7所述的电源供应器，其中该峰值电流检测单元包含有：
误差放大器，包含有第一输入端耦接于该峰值电流检测单元，第二输入端耦接于该参考电压产生单元，及输出端；
运算放大器，包含有第一输入端耦接于该参考电压产生单元，第二输入端耦接于该误差放大器的该输出端，及输出端耦接于该比较器；
电阻，其一端耦接于该比较器与该运算放大器的该第二输入端之间，另一端耦接于该运算放大器的该第二输入端与该误差放大器的该输出端之间；以及
电容，其一端耦接于该运算放大器的该第二输入端与该误差放大器的该输出端之间，另一端耦接于地端。
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