CN102545545A - 似准谐振电源控制器以及相关的控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种似准谐振(QR-similar)电源控制器以及相关的控制方法。一种控制方法适用于一开关式电源供应器，具有一功率开关，包含有：记录该功率开关的一开启时间；依据该开启时间，提供一预估关闭时间，该预估关闭时间大约与该开启时间正相关；以及，于该预估关闭时间过去后，开启该功率开关。

Description

似准谐振电源控制器以及相关的控制方法
技术领域
本发明涉及一种电源供应器，尤其涉及一种似准谐振(QR-similar)电源控制器及相关的控制方法。
背景技术
几乎每个电子产品都需要有电源供应器，来将外来电源(可能是市电也可能是电池)，转换成其中核心电路(core circuit)所需要的电源。在众多表现中，转换效能(conversion efficiency)往往是电源供应器设计上所需要考虑的重点之一。
准谐振(quadrature resonance，QR)电源供应器可以降低功率开关的开关损失，在众多的电源供应器中，其转换效率在理论上是相对性的优良，所以为广受欢迎的电源供应器的架构之一。
图1为一已知的QR电源供应器8。转换器10显示一升压转换器(boost converter)10。QR电源控制器(power controller)18切换功率开关15，来控制一次侧绕组(primary winding)PRM的储能与释能。反馈电路20检测输出端OUT的电压，产生一反馈信号VFB于QR电源控制器(power controller)18的反馈端FB。
图2为图1中的一些信号波形，其中，由上而下分别是，门信号VGATE表示门端GATE的电压；电压信号VZCD表示零交越检测端(zero crossingdetection node)ZCD的电压；电流检测信号VCS表示电流检测端CS的电压；信号VCN表示连接点CN上的电压；以及一次侧电流信号IPRM表示流经一次侧绕组PRM的电流。
QR电源控制器18可以依据反馈信号VFB来控制功率开关15的开启时间TON，其为功率开关15表现短路的时段。至于功率开关15表现为开路时的关闭时间TOFF，则是由QR电源控制器18检测零交越检测端ZCD来控制。譬如说，在零交越时间点tZCD时，QR电源控制器18检测到零交越检测端ZCD的电压信号VZCD下降交越过0伏特。所以，QR电源控制器18认定一次侧绕组PRM以及辅助绕组AUX中的电能已经释放完毕。再经过一段延迟时间后，QR电源控制器18就开启功率开关15，进入下一开关周期的开启时间TON。
一个理想的QR电源控制器18期望的是，当功率开关15被开启的瞬间，信号VCN可以位于一个波谷，如此可以降低功率开关15的开关损失。
发明内容
本发明实施例提供一种控制方法，适用于一开关式电源供应器，具有一功率开关，包含有：记录该功率开关的一开启时间；依据该开启时间，提供一预估关闭时间，该预估关闭时间大约与该开启时间正相关(positive correlation)；以及，于该预估关闭时间过去后，开启该功率开关。
本发明实施例提供一似准谐振(QR-similar)电源控制器，包含有一似准谐振时序产生器。该似准谐振时序产生器于一功率开关由一开启状态切换至一关闭状态后的一预估关闭时间后，提供一似准谐振设置信号，以开启该功率开关。该预估关闭时间由该似准谐振时序产生器依据该功率开关的一开启时间推算而产生，且该预估关闭时间大约与该开启时间正相关。
附图说明
图1为一已知的QR电源供应器。
图2为图1中的一些信号波形。
图3放大了图2中的信号VCN以及一次侧电流信号IPRM，并显示了一些信号数值上的关系。
图4为依据本发明实施的一似准谐振电源供应器。
图5为一似准谐振电源控制器的内部电路。
图6A为一时脉时序产生器。
图6B为时脉频率fCYC-C与反馈信号VFB的一种可能的关系。
图7A为一似准谐振时序产生器。
图7B为时脉频率fCYC-QRS与反馈信号VFB的一种可能的关系。
图8为时脉频率fCYC与反馈信号VFB的一种可能的关系。
图9为一延迟器。
图10为图5、图7A、以及图9中的一些信号波形。
附图标记：
8：QR电源供应器
10：升压转换器
15：功率开关
18：QR电源控制器
20：反馈电路
60：似准谐振电源供应器
61：似准谐振电源控制器
62：时脉产生器
63：电阻
64：时脉时序产生器
65：与门
66：似准谐振时序产生器
68：缓冲器
70：电压控制电流源
72：放大器
74：放大器
76：取样器
77：电容
78：比较器
82：SR正反器
84：延迟器
88：比较器
89：电容
AUX：辅助绕组
CN：连接点
CS：电流检测端
fCYC：时脉频率
fCYC-C：时脉频率
fCYC-ORS：时脉频率
fCYC-QRS-MIN：最低频率值
FB：反馈端
GATE：门端
IN：输入端
IPRM：一次侧电流信号
ISET：电流
O1、O2：输出
OUT：输出端
PRM：一次侧绕组
RIN：延迟设定端
SC：时脉设置信号
SDISE：预估放电完毕信号
SQRS：似准谐振设置信号
tZCD：零交越时间点
TCYC：开关周期
TCYC-QRS：时脉周期
TDIS：放电时间
TDISE：预估放电时间
TDLY：延迟时间
TON：开启时间
TOFF：关闭时间
TOFFE：预估关闭时间
TRNG：震荡时间
VCN：信号
VCS：电流检测信号
VFB：反馈信号
VCATE：门信号
VRAMP：斜坡信号
VREF1、VREF2、VREF3：参考电压
VRMP：信号
VSAM：开启记录值
VTAR：放电目标值
VTHR：临界电压
VZCD：电压信号
ZCD：零交越检测端
具体实施方式
图3放大了图2中的信号VCN以及一次侧电流信号IPRM，并显示了一些信号数值上的关系。
如同图3所示，开关周期TCYC由开启时间TON与关闭时间TOFF所构成。关闭时间TOFF大致可以区分成两部分，放电时间TDIS以及震荡时间TRNG。放电时间TDIS大致指的是一次侧绕组PRM的放电时间，也就是一次侧电流信号IPRM从最大值放电到0所经历的时间。当一次侧绕组PRM放电完毕后，一次侧绕组PRM与连接点CN上的寄生电容形成LC共振电路，所以信号VCN开始下降。一个优良的QR电源控制器应该在信号VCN由一波峰震荡到一波谷，所需的震荡时间TRNG后，开启一功率开关。
从电路上可以推导得知，对于一理想的QR电源供应器而言，放电时间TDIS应该是跟开启时间TON成正比，震荡时间TRNG应该是跟震荡周期成正比。所以，开关周期TCYC可以用以下公式I表示。
TCLC＝TON+TOFF
    ＝TON+TDIS+TRING
    ＝TON+K1*TON+K2*sqr(LPRM*CCN)...........I
其中，K1、K2表示二常数，sqr表示开根号，LPRM表示一次绕组PRM的电感值，CCN表示在连接点CN上的等效电容值。因此，只要能够产生符合公式I的开关周期TCYC，一电源供应器便大致可以操作在准谐振模式。
已知技术中，一般只是以零交越时间点tZCD跟一段预设的延迟时间，来决定关闭时间TOFF的结束，没有真正的去产生或检测放电时间TDIS以及震荡时间TRNG，所以，不算是精准地操作在准谐振模式。
在本发明的一实施例显示了一似准谐振(QR-similar)电源控制器，其没有检测零交越时间点tZCD，便可以做到类似QR的操作模式。
图4为依据本发明实施的一似准谐振电源供应器60，其中，与图1相似或是相同的部分，为此技术领域具的普通技术人员可知悉，为简洁的缘故，不再多述。与图1不同的，似准谐振电源供应器60具有似准谐振电源控制器61，其没有零交越检测端ZCD，取而代之的是有延迟设定端RIN，连接到电阻63。似准谐振电源控制器61可以是一单芯片集成电路，其可以具有接脚：VCC、GND、GATE、CS、RIN以及FB。
图5为似准谐振电源控制器61的内部电路。在反馈端FB上的反馈信号VFB，经过缓冲器(buffer)68、电阻分压电路以及比较器88，大致决定了电流检测信号VCS的峰值，同时也大约的决定了开启时间TON。时脉产生器62则负责产生脉波信号，周期性地设置SR正反器82，决定开启时间TON的起点，等于决定了前次开关周期中的关闭时间TOFF。
时脉产生器62中主要有两个部分：似准谐振时序产生器(QR-similar timing generator)66与时脉时序产生器(clock timinggenerator)64，两个的输出O1与O2都连接到与门(AND gate)65，而与门65的输出除了连接到SR正反器82的S端之外，也连接到时脉时序产生器64的重置(reset)端。因为与门65这样的一个逻辑门的存在，似准谐振时序产生器(QR-similar timing generator)66所输出的似准谐振设置信号SQRS，与时脉时序产生器64所输出的时脉设置信号SC，两者比较晚到者，会设置(set)SR正反器82，使图4中的功率开关15开启，同时重置(reset)时脉时序产生器64。
图6A为时脉时序产生器64。电压控制电流源70依据反馈信号VFB决定其电流值，也大约决定了斜坡信号VRAMP的斜率。当斜坡信号VRAMP高过参考电压VREF1时，比较器从输出O1送出时脉设置信号SC。时脉时序产生器64中的重置端reset，如果为逻辑上的“1”，则电容放电，所以斜坡信号VRAMP会被重置到电压为0V。
当时脉设置信号SC直接送到重置端reset时，时脉时序产生器64可以视为一时脉产生器，其时脉频率fCYC-C与反馈信号VFB的一种可能的关系，显示于图6B。在图6B中，如果反馈信号VFB低于参考电压VREF2时，时脉频率fCYC-C大致固定在一最低操作频率；反馈信号VFB高于参考电压VREF3时，时脉频率fCYC-C大致固定在一最高操作频率；反馈信号VFB介于参考电压VREF3与VREF2之间时，时脉频率fCYC-C随反馈信号VFB线性变化。
图7A为似准谐振时序产生器66。取样器76中，放大器72的电压增益为1，所以在其输出端复制斜坡信号VRAMP。当门信号VGATE使功率开关15从开启状态切换到关闭状态时，取样器76取样了斜坡信号VRAMP，记录在电容77，产生开启记录值VSAM。放大器74的电压增益为K，放大开启记录值VSAM，在输出端产生放电目标值VTAR(＝K*VSAM)。比较器78在斜坡信号VRAMP高过放电目标值VTAR时，触发预估放电完毕信号SDISE。斜坡信号VRAMP从0V爬升到开启记录值VSAM时，耗费了开启时间TON。斜坡信号VRAMP从开启记录值VSAM爬升到放电目标值VTAR，所需要的预估放电时间TDISE，可以用以下公式表示。
TDISE＝(VTAR-VSAM)/VSAM*TON
     ＝(K-1)*TON    .............II
所以，取样器76、放大器74、与比较器78一起可以视为一放电时序产生器，在预估放电时间TDISE后，触发预估放电完毕信号SDISE。如公式II所示，预估放电时间TDISE等比例于开启时间TON。
延迟器(delay device)84内部提供一延迟时间TDLY。延迟器(delaydevice)84接收到预估放电完毕信号SDISE，经过延迟时间TDLY后，就送出似准谐振设置信号SQRS。延迟时间TDLY可以通过延迟设定端RIN接一电阻63来设定。
如果似准谐振设置信号SQRS直接送到时脉时序产生器64重置端reset，时脉时序产生器64以及似准谐振时序产生器66一起可以视为一时脉产生器，其时脉频率fCYC-QRS与反馈信号VFB的一种可能的关系，显示于图6B。反馈信号VFB越高，开启时间TON越久，预估放电时间TDISE也越久，所以时脉频率fCYC-QRS就越小。时脉频率fCYC-QRS相对应的时脉周期TCYC-QRS可以用以下公式III表示。
TCYC-QRS＝TON+TOFFE
        ＝TON+TDISE+TDLY
        ＝TON+(K-1)*TON+TDLY    ................III
其中，在此实施例中，预估关闭时间TOFFE可以是延迟时间TDLY与预估放电时间TDISE的和，与开启时间TON为正相关。也就是说，开启时间TON越长，预估关闭时间TOFFE就越长。只要适当的设计K以及延迟时间TDLY，公式III就会等于公式I。换言之，似准谐振时序产生器66可以产生类似准谐振所需要的时序。
必要时，可以在似准谐振时序产生器66中提供一个装置(未显示)，限制时脉频率fCYC-QRS的最低值。也就是，时脉频率fCYC-QRS不可以低于一预定的最低频率值fCYC-QRS-MIN。
因为与门65的限制，所以图5的时脉产生器62，在反馈信号VFB所对应产生的时脉频率fCYC，会是图7B的时脉频率fCYC-QRS与图6B的时脉频率fCYC-C，两者比较低的那一个，如同图8所示。当反馈信号VFB偏高时，时脉产生器62所产生的时序就会类似准谐振模式所需要的时序。
图9为延迟器(delay device)84，其可以对输入端IN所接收的预估放电完毕信号SDISE，提供延迟时间TDLY。在一实施例中，图4中的似准谐振电源控制器61以一单芯片的集成电路实现，而通过延迟设定端RIN外接的电阻63的电阻值，可以决定电流ISET，也相对地决定延迟时间TDLY。图9中的延迟器84的操作原理可由本领域的普通技术人员所推知，故不再重述。
图10为图5、图7A、以及图9中的一些信号波形，其中，信号VRMP为图9中，电容89上的电压信号。VTHR为一预设的临界电压。图10的信号波形的相对关系，可由图5、图7A、以及图9的电路所了解或是推知，为简洁的缘故，不再重述。
虽然以上以升压器作为实施例，但是本发明不限于此，本发明也可实施于降压器(buck converter)、反激式转换器(flyback converter)等其他种类的转换器。
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 (14)

1.一种控制方法，适用于一开关式电源供应器，具有一功率开关，包含有：
记录该功率开关的一开启时间；
依据该开启时间，提供一预估关闭时间，该预估关闭时间与该开启时间正相关(positive correlation)；以及
于该预估关闭时间过去后，开启该功率开关。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其中，记录该开启时间的步骤包含有：
提供一斜坡信号(ramp signal)；以及
记录于该斜坡信号于该功率开关由一开启状态切换至一关闭状态时的一开启记录值。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其中还包含有：
以一预定的倍数，放大该开启记录值，作为一放电目标值；以及
比较该斜坡信号与该放电目标值；以及
当该斜坡信号高于该放电目标值时，触发一预估放电完毕信号。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其中包含有：
于该预估关闭时间过去后，提供一第一设置信号；
比较该斜坡信号以及一参考电压；
当该斜坡信号高于该参考电压时，产生一第二设置信号；以及
以该第一与第二设置信号中，比较晚到的，来开启该功率开关。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其中，提供该预估关闭时间的该步骤，包含有：
依据该开启时间，产生一预估放电时间，该预估放电时间与该开启时间成正比；
提供一延迟时间；以及
于该预估放电时间以及该延迟时间之后，开启该功率开关。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其中包含有：
于该预估放电时间后，触发一预估放电完毕信号；以及
于该预估放电完毕信号被触发后的该延迟时间后，提供一似准谐振设置(set)信号，以开启该功率开关。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其中包含有：
于该预估关闭时间过去后，提供一似准谐振设置信号；
依据一反馈信号，产生一时脉设置信号；以及
以该似准谐振与时脉设置信号中，比较晚到的，来开启该功率开关。
8.一种似准谐振(QR-similar)电源控制器，包含有：
一似准谐振时序产生器(QR-similar timing generator)，于一功率开关由一开启状态切换至一关闭状态后的一预估关闭时间，提供一似准谐振设置信号，以开启该功率开关；
其中，该预估关闭时间由该似准谐振时序产生器依据该功率开关的一开启时间推算而产生，且该预估关闭时间与该开启时间正相关(positive correlation)。
9.根据权利要求8所述的似准谐振电源控制器，其中包含有：
一时脉产生器(clock generator)，包含有：
该似准谐振时序产生器；
一时脉时序产生器，提供一时脉设置信号；以及
一逻辑门，以该时脉设置信号以及该似准谐振设置信号中，比较晚到的作为一设置信号，来开启该功率开关。
10.根据权利要求8所述的似准谐振电源控制器，其中，该似准谐振时序产生器包含有：
一放电时序产生器，于该开启时间后的一预估放电时间后，触发一预估放电完毕信号；以及
一延迟器，接收该预估放电完毕信号，提供一延迟时间后，以触发一似准谐振设置信号；
其中，该预估放电时间等比例于该开启时间。
11.根据权利要求8所述的似准谐振电源控制器，其中，该似准谐振时序产生器包含有：
一取样器，于该功率开关由一开启状态切换至一关闭状态时，取样一斜坡信号，以产生一开启记录值。
12.根据权利要求11所述的似准谐振电源控制器，其中，该似准谐振时序产生器包含有：
一放大器，将该开启记录值放大，产生一放电目标值。
13.根据权利要求12所述的似准谐振电源控制器，其中，该似准谐振时序产生器包含有：
一比较器，比较该斜坡信号与该放电目标值，以产生一预估放电完毕信号。
14.根据权利要求8所述的似准谐振电源控制器，其中包含有：
一延迟器，接收一预估放电完毕信号，于一延迟时间后，以触发该似准谐振设置信号；
其中，
该似准谐振电源控制器形成于一单芯片集成电路，其具有一外接接脚，该延迟器通过该外接接脚，连接一延迟设定电阻。
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