CN102263507A - 开关式电源供应器与应用其中的控制方法 - Google Patents

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Abstract

开关式电源供应器与应用其中的控制方法。一开关式电源供应器具有一电感元件，耦接至一线电源输入端。该控制方法包含有：提供一电压除法器(voltage divider)，具有一电阻以及一可控制电阻，串联于一连接端，其中该可控制电阻的电阻值受一控制信号控制而可改变；依据该线电源输入端的输入电压，于该连接端产生一限制信号；以及，依据该限制信号，控制流经该电感元件的电流峰值。

Description

开关式电源供应器与应用其中的控制方法
技术领域
本发明涉及一种电源供应器以及运用其中的操作方法，尤其涉及一种开关式电源供应器与应用其中的控制方法。
背景技术
定电流控制一直是许多电源供应器所希望达到的目标。譬如说，对于照明领域的电源供应器而言，发光时电源供应器提供的就应该是一定电流输出，且这个定电流输出不应该随着输入线电压(input linevoltage)为100V或是220V而变化。
对于当今的电源供应器而言，功因(power factor)也是一个需要考虑的重点。简单的说，一个有好功因的电源供应器，其对于输入市电(input grid line)而言，等效上可以视为一个电阻，其输入线电压与输入线电流大致为同相(in phase)。好功因的电源供应器提供功因校正(power factor correction，PFC)，可以有效运用电力公司所给予的电能。
只是，要如何达到定电流控制以及功因校正，就有赖设计者的创意与技巧。
图1为一种已知的开关式电源供应器8的架构，其为一降压电源转换器(buck converter)。图1中的负载16以一发光二极管串以及一电容为例。
桥式整流器(bridge rectifier)12将交流端AC的交流市电整成直流，输出于线电压端IN。在线电压端IN的线电压VIN一般会有M形波形。转换模组10中，短路的功率开关15会使主绕组(preliminarywinding)PRM储能；开路的功率开关15会使主绕组PRM通过二极管11释能。反馈模组(feedback module)20检测负载16的电压，通过光耦合器23，来控制反馈信号(feedback signal)VFB。控制器18可以是一脉冲宽度调制器(pulse-width modulator，PWM)，其依据反馈信号VFB，来控制流经主绕组PRM的电流。操作电源供应源14，具有辅助绕组(auxiliarywinding)AUX，产生控制器18所需要的操作电压(operatingvoltage)VCC。控制器18检测电流检测电阻24的电流检测信号VCS，并提供栅信号VGATE开启或是关闭功率开关15。
图2举例了一已知的控制器18。逻辑控制82依据比较器88以及时脉产生器87的输出来产生栅信号VGATE。本领域普通技术人员可知，反馈信号VFB可以视为一种限制信号，其大约控制了电流检测信号VCS的峰值，也大约控制了流经主绕组PRM的电流峰值。
发明内容
本发明的实施例，提供一种控制方法，适用于一开关式电源供应器，其具有一电感元件，耦接至一线电源输入端。该控制方法包含有：提供一电压除法器(voltage divider)，具有一电阻以及一可控制电阻，串联于一连接端，其中该可控制电阻的电阻值受一控制信号控制而可改变；依据该线电源输入端的输入电压，于该连接端产生一限制信号；以及，依据该限制信号，控制流经该电感元件的电流峰值。
本发明的实施例，提供一种开关式电源供应器，其控制一电感元件。该开关式电源供应器包含有一电压除法器以及一峰值控制器。该电压除法器，具有一电阻以及一可控制电阻，串联于一连接端。该可控制电阻的电阻值受一控制信号控制而可改变。该电压除法器依据该开关式电源供应器的一线电源输入端的一线输入电压，于该连接端产生一限制信号。该峰值控制器，依据该限制信号，控制流经该电感元件的电流峰值。
本发明的实施例，提供一种控制方法，适用于一开关式电源供应器，其具有一电感元件，耦接至一线电源输入端。该控制方法包含有提供一限制信号；使该限制信号与该线电源输入端的一线输入电压同相；提供一反馈机制，使该限制信号的最大值大致为一定值，不随该输入电压的最大值而改变；以及，依据该限制信号，控制流经该电感元件的电流峰值。
附图说明
图1为一种已知的开关式电源供应器的架构。
图2举例了一已知的控制器。
图3为依据本发明实施的一开关式电源供应器。
图4举例一反馈模组的内部电路。
图5为图4中的一些信号波形。
图6为可以取代图4的右电路的电路。
图7为可以取代图4的左电路的电路。
图8为依据本发明实施的一开关式电源供应器。
图9为图8中的控制器。
图10为一控制器，其可替换图2或是图9的控制器。
附图标记：
8：开关式电源供应器
10：转换模组
11：二极管
12：桥式整流器
14：操作电源供应源
15：功率开关
16：负载
18、18a：控制器
20：反馈模组
23：光耦合器
24：电流检测电阻
25：平均电流检测器
27：分压器
29：电阻
30：放大器
32：放大器
34：N型MOSFET
36：开关式电源供应器
37、37a：电压除法器
38：基纳二极管
42：比较器
44：或门
60：反馈模组
70：开关式电源供应器
80：控制器
82：逻辑控制
87：时脉产生器
88：比较器
92：计数器
94：比较器
98：限制信号产生器
AC：交流端
AUX：辅助绕组
AV：端
CS：电流检测端
D0-D3：数字信号
DIN：连接点
FB：反馈端
GATE：栅端
GND：接地端
ICA：电流信号
IN：线电压端
IOUT：输出电流
OG：端
OG1：端
PRM：主绕组
VAV：控制信号
VCC：操作电压
VCC：操作电源端
VCO：电压信号
VCS：电流检测信号
VDIN：限制信号
VFB：反馈信号
VFB-DIV：分压信号
VGATE：栅信号
VIN：线电压
VREF-CC：定电流参考电压
VREF-CV：定电压参考电压
VREF-LIM：限制参考电压
VREF-OVER：参考电压
VREF-VLY：参考电压
RDS：通道电阻
具体实施方式
在以下实施例中，相同或是类似符号所代表的元件或是信号，表示相同或是类似的元件或是信号，其可能的变化，为本领域普通技术人员，可以依据本说明书的教导，所能推知。为精简的缘故，本说明书将不再累述。
以下的实施例虽然是以降压电源转换器(buck converter)为例，但是这些实施例并不限制本发明。一般具有电源供应器常识者，在阅读本说明书后，也能将本发明应用于其他种类的转换器，譬如升压转换器(boost converter)、升降压转换器(buck-boost converter)、反激式转换器(flyback converter)等等。
图3为依据本发明实施的一开关式电源供应器36。图3中与图1相异处有反馈模组(feedback module)60。反馈模组(feedback module)60不只是从线电压端IN以及端OG检测负载16的电压，也通过端OG1与端OG，来检测流经负载16的电流，据以控制反馈端FB上的反馈信号VFB，以达到定输出电流与电压的目的。同时，反馈模组60也可使反馈信号VFB与在线电压端IN的线电压VIN大致为同相，达到功因校正的功能。
图4举例反馈模组60的内部电路。光耦合器(photo coupler)23区隔(isolate)了左电路与右电路。左电路的最低电压为端OG的电压，右电路的最低电压为接地线的电压。
在左电路中，定电压参考电压VREF-CV以及定电流参考电压VREF-CC都是相对于端OG的定电压。放大器32以及分压器(voltage divider)27大致放大负载16的电压(从端IN到端OG)与一定电压参考电压VREF-CV所对应的一目标电压的差。电阻29可以视为一个输出电流检测器，其电压正比于输出电流IOUT的值。平均电流检测器25还包含有一电阻与一电容所构成的低通滤波器(low-pass filter)。放大器30以及平均电流检测器25大致放大输出电流IOUT的平均值与一定电流参考电压VREF-CC所对应的一目标电流的差。光耦合器23把放大器30或是放大器32的结果转换到右电路。
在右电路中，光耦合器23的输出被一电容以及一电阻所低通滤波，于端AV产生控制信号VAV。电压除法器37耦接于线电压端IN与接地端GND之间，具有两个电阻以及一个N型MOSFET 34。电压除法器37在反馈端FB上产生反馈信号VFB，其与线电压VIN的关系大致如下公式I所示：
VFB＝VIN/K    -----------(I)。
其中，K为除数，受控于控制信号VAV。如本领域普通技术人员所知，N型MOSFET 34可以视为一可控制的电阻，其通道电阻(channelresistance)RDS会受其栅端电压(gate voltage)所控制。所以，控制信号VAV控制了N型MOSFET 34的通道电阻RDS，也等同的控制了除数K。栅电压越高，通道电阻RDS越小，K就越小。而且，电压除法器37会使反馈信号VFB与线电压VIN大约同相。
图5为图4中的一些信号波形；其中，线电压VIN表示线电压端IN的电压信号；反馈信号VFB表示反馈端FB上的信号；电流检测信号VCS表示在电流检测端CS上的电压信号；输出电流IOUT表示流经端OG1到OG之间的电流，也是流经负载16的电流；电流信号ICA表示放大器30所汲取的电流；控制信号VAV为N型MOSFET 34上的栅电压信号。
从图5中可以发现，反馈信号VFB与线电压VIN几乎是同相。此外，当线电压VIN的最大值变小时，譬如从220V变成110V时，反馈信号VFB一开始会随着线电压VIN而下降，但是，因为输出电流IOUT变小的原因，所以控制信号VAV会渐渐下降，使得N型MOSFET 34的通道电阻RDS渐渐增加，进而渐渐地增加了反馈信号VFB的最大值，最后会大约回到线电压VIN的最大值改变前的值。从图4中的信号反馈路径可以推知，不论是线电压VIN的最大值是220V、100V或是90V，在稳态定电流输出时，因为反馈机制的原因，反馈信号VFB的最大值大约都会是一个定值，而这个定值，也可以使得电流检测信号VCS峰值的最大值大约是一个常数，不会随着线电压VIN而改变。
图6所显示的电路，可以取代图4的右电路。电压除法器37a中，光耦合器23中的发光器的亮度等同控制了接收器的等效电阻，所以等同控制了电压除法器37a的除数K(＝VIN/VFB)。
图7所显示的电路，可以取代图4的左电路。当输出电流IOUT过高，使得平均电流检测器25所输出的电压信号VCO超过2.5V时，LT431使得光耦合器23中的发光器发光；当负载16的电压(从端IN到端OG)超过基纳二极管38所设定的相对应电压时，基纳二极管38导通使光耦合器23中的发光器发光。而光耦合器23可以影响电压除法器37或37a的可控制电阻的电阻值。
在一实施例中，图4的右电路以图6取代，图4的左电路以图7所取代。
图8为依据本发明实施的一开关式电源供应器70。与图1不同的，图8中的实施例可以没有操作电源供应器14以及反馈模组(feedbackmodule)20，且控制器80可以不需要有反馈端FB，就可以达到PFC以及定电流输出控制。
图9为图8中的控制器80，其包含有限制信号产生器98以及控制器18。图9中的控制器18与图2中的控制器18可以具有完全相同的内部元件，因此其操作原理不再重述。不同是，图2中的控制器18接收反馈信号VFB，而图9中的控制器18接收连接点DIN上的限制信号VDIN。与图2类似的，限制信号VDIN控制电流检测信号VCS的峰值，也等于控制了流经主绕组PRM的电流峰值。
限制信号产生器98提供一反馈机制，可以使限制信号VDIN的最大值，大约维持在一个定值。以图9为例，就算限制信号VDIN随着线电压VIN有M状的波形(M-like wave form)，在稳态时，限制信号产生器98可以使限制信号VDIN的最大值大约等于位于比较器94的一输入端的参考电压VREF-OVER。以下以参考电压VREF-OVER等于2V，而参考电压VREF-VLY等于0.1V，来举例说明。
当限制信号VDIN超过2V时，SR正反器(SR flip-flop)就会维持输出端Q为逻辑上的1。之后一段时间，限制信号VDIN将随着线电压VIN下降而下降。当限制信号VDIN低于0.1V时，计数器92下数(count down)，其输出的数字信号D0-D3成为控制信号，使得连接点DIN到接地端GND的等效电阻降低。同时，SR正反器的输出会被比较器96重置成逻辑上的0。因此，之后的限制信号VDIN的最大值，将会比之前的限制信号VDIN的最大值来的低。
相反的，当限制信号VDIN一直没有超过2V，SR正反器的输出就会一直维持在逻辑上的0。如此，当限制信号VDIN低于0.1V时，计数器92上数(count up)，使得连接点DIN到接地端GND的等效电阻升高。因此，之后的限制信号VDIN的最大值将会变高。
因此，比较器94与96、SR正反器以及计数器92一起，可以视为一最大值控制器。其提供一反馈机制，使限制信号VDIN的最大值大约为2V。
如此，在稳态时，限制信号VDIN的最大值虽然不会完全等于2V，但大约会在2V左右徘回(ripple)，将不会随着线电压VIN的最大值变化而改变。也因为限制信号VDIN的最大值大约就是2V，所以电流检测信号VCS的峰值的最大值也大约是一个固定值，所以可以达到定电流输出的功能。
此外，因为限制信号VDIN是分压线电压VIN而产生，所以限制信号VDIN会线电压VIN同相，所以，可以预期的是电流检测信号VCS的平均值大约也会与线电压VIN同相，可以达到PFC的功能。
图10为一控制器18a，其可替换图2或是图9的控制器18，可以适用于本发明的实施例中。与控制器18相异的，控制器18a增加了比较器42以及或门(OR gate)44，用来大概限制电流检测信号VCS的峰值不会超过限制参考电压VREF-LIM。如果以图9，但是其中的控制器18以图10的控制器18a取代，这样的一个实施例来解说。如果限制信号产生器98使限制信号VDIN的最大值大约就是2V的结果，导致了分压信号VFB-DIV有最大值约250mV，而限制参考电压VREF-LEM的值假定为200mV。那么，当分压信号VFB-DIV小于200mV时，电流检测信号VCS的峰值就会着分压信号VFB-DIV改变而改变。当分压信号VFB-DIV大于200mV时，电流检测信号VCS的峰值顶多就会只有约200mV。尽管这样的例子PF可能降低，但具有的好处是预防负载16瞬间承受过高的电流而烧毁。在另一个实施例中，限制参考电压VREF-LIM可以高过分压信号VFB-DIV的最大值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利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)

1.一种控制方法，适用于一开关式电源供应器，其具有一电感元件，耦接至一线电源输入端，该控制方法包含有：
提供一电压除法器(voltage divider)，具有一电阻以及一可控制电阻，串联于一连接端，其中该可控制电阻的电阻值受一控制信号控制而可改变；
依据该线电源输入端的输入电压，于该连接端产生一限制信号；以及
依据该限制信号，控制流经该电感元件的电流峰值。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其中，该开关式电源供应器驱动一发光二极管串，该方法还包含有：
依据该发光二极管串的电压或依据流经该发光二极管的电流，来改变该控制信号。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其中包含有：
依据该发光二极管串的电压或依据流经该发光二极管的电流，通过一光耦合器，来改变该控制信号。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其中包含有：
依据该限制信号的最大值，来改变该控制信号，以使该最大值为一固定值。
5.一种开关式电源供应器，控制一电感元件，包含有：
一电压除法器，具有一电阻以及一可控制电阻，串联于一连接端，其中该可控制电阻的电阻值受一控制信号控制而可改变，该电压除法器依据该开关式电源供应器的一线电源输入端的一线输入电压，于该连接端产生一限制信号；以及
一峰值控制器，依据该限制信号，控制流经该电感元件的电流峰值。
6.根据权利要求5所述的开关式电源供应器，其中还包含有：
一输出电压检测器，用以检测一输出负载的电压；
一输出电流检测器，用以检测流经该输出负载的电流；以及
至少一放大器，依据该输出电压检测器或该输出电流检测器的结果，来控制该控制信号。
7.根据权利要求5所述的开关式电源供应器，其中，该可控制电阻包含有一金氧半场效晶体管(MOS FET)，该控制信号送至该金氧半场效晶体管，线性的改变该金氧半场效晶体管的通道等效电阻。
8.根据权利要求5所述的开关式电源供应器，其中还包含有一上下数计数器(up/down counter)，其输出的数个数字信号作为该控制信号。
9.根据权利要求5所述的开关式电源供应器，其中包含有一最大值控制器，其提供一反馈机制，使该限制信号的最大值为一固定值。
10.一种控制方法，适用于一开关式电源供应器，其具有一电感元件，耦接至一线电源输入端，该控制方法包含有：
提供一限制信号；
使该限制信号与该线电源输入端的一线输入电压同相；
提供一反馈机制，使该限制信号的最大值为一定值，不随该线输入电压的最大值而改变；以及
依据该限制信号，控制流经该电感元件的电流峰值。
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