CN102647087B - 用于降低输出涟波的脉宽调变控制器及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于降低抖频切换式电源供应器的输出涟波的脉宽调变控制器及方法，检测该切换式电源供应器的功率开关的电流得到电流感测信号，再根据该功率开关的切换频率调整该电流感测信号的增益或准位来改变该功率开关的工作时间，以降低该切换式电源供应器因为抖频而造成的输出涟波。

Description

用于降低输出涟波的脉宽调变控制器及方法

技术领域

本发明是有关一种切换式电源供应器，特别是关于一种用于改善具有抖频的切换式电源供应器的输出涟波的电路及方法。

背景技术

脉宽调变(Pulse Width Modulation；PWM)已经广泛地应用在多种电子设备上。例如，在切换式电源供应器中，藉PWM控制器调变功率开关的责任周期(duty cycle)或切换频率，以调节输出电压。

近年来，为了因应能源短缺与环保意识的高涨，切换式电源供应器的节能省电功能越来越受到重视，新制订的能源法规要求切换式电源供应器在轻载及待机时的电源转换效率亦越来越严苛。而切换式电源供应器在轻载及待机时，其功率开关的切换损失占整体功率消耗相当大的比例。目前市售的电源管理集成电路(Integrated Circuit；IC)提升切换式电源供应器在轻载及待机时的电源转换效率的方法之一，是降低其功率开关的切换频率以有效降低切换损失。此外，切换式电源供应器相对于传统的线性电源供应器具有小体积的优点，但是也因为切换元件而造成电磁干扰(Electric-Magnetic Interference；EMI)问题。现有的电源管理IC常利用抖频(jittering frequency)的方法来改善EMI问题。目前已有许多抖频技术提出，例如美国专利号7,701,305，其操作原理于此不再详述。

切换式电源供应器有许多类型。例如，图1的切换式电源供应器是一种具有驰返式架构的装置，其中PWM控制器10根据接脚COMP及CS的电压切换功率开关M1，以控制驰返式电源供应器的输出功率。功率开关M1串联变压器12的一次侧线圈，电流感测电阻Rcs与功率开关M1串联，检测功率开关M1的电流产生电流感测信号Vcs给PWM控制器10的接脚CS。光耦合器14及并联调节器(shunt regulator)16组成隔离式回授电路，并联调节器16检测驰返式电源供应器的输出电压Vo以控制回授电流Icomp给PWM控制器10的接脚COMP，PWM控制器10内有电路根据回授电流Icomp在接脚COMP产生回授电压Vcomp，其与输出电压Vo成比例。参照图1的电路，驰返式电源供应器的输出功率：

Po＝η×Vin²×Ton²/(2×Lp×T)

＝η×Vin²×Ton²×fs/(2×Lp)，[公式1]

其中，η为变压器12的转换效率，Vin为变压器12的一次侧输入电压，Ton为功率开关M1的工作时间(on-time)，Lp为变压器12的激磁电感，T为功率开关M1的切换周期，fs为功率开关M1的切换频率。若PWM控制器10使用抖频技术，则切换频率fs将会抖动(jitter)。从公式1可知，切换频率fs的抖动将导致输出功率Po的变动，进而在驰返式电源供应器的输出Vo产生低频涟波，造成输出涟波过大的问题。

美国专利号7,026,851根据抖频产生相对应比例的调节电流调整回授电压Vcomp，想要改善抖频造成的输出涟波过大的问题，但是在轻载及重载时回授电压Vcomp的准位不同，固定比例的调节电流反而造成轻载时过度补偿的问题。

发明内容

本发明的目的之一，在于提出一种降低切换式电源供应器因为抖频而造成的输出涟波的脉宽调变控制器及方法。

根据本发明，一种降低抖频切换式电源供应器的输出涟波的脉宽调变控制器及方法包括取得与该切换式电源供应器的功率开关的电流相关的电流感测信号，以及根据该功率开关的切换频率调整该电流感测信号的增益或准位以调整该功率开关的工作时间，进而改善该切换式电源供应器因为抖频而造成的输出涟波过大问题。

附图说明

图1是现有的驼返式电源供应器；

图2是根据本发明的第一实施例；

图3是图2中的可编程放大器的实施例；

图4是图2中的计数值CG及切换频率fs的时序图；

图5是根据本发明的第二实施例；以及

图6是图5中的调节信号Vmod、偏移信号Vof及切换频率fs的波形图。

附图标号：

10PWM控制器

12变压器

14光耦合器

16并联调节器

20计数器

22抖频调变器

24振荡器

26电流限制电路

28脉宽调变器

30比较器

32SR正反器

34栅极驱动器

36斜率补偿器

38加法器

40可编程放大器

42前缘遮蔽电路

44电压电流转换器

46电流镜

48可变电阻

50可编程放大器

52放大器

54调节信号Vmod的波形

56偏移信号Voffset的波形

58切换频率fs的波形

具体实施方式

参照图2的PWM控制器10，如同已知的PWM回路，振荡器24提供时钟CLK，脉宽调变器28根据时钟CLK、回授电压Vcomp及电流感测信号Vcs产生PWM信号Q，经栅极驱动器34产生PWM信号Vgate，PWM信号Vgate的切换频率等于时钟CLK的频率fs，时钟CLK计数器20计数时钟CLK产生计数值CT，抖频调变器22根据计数值CT、时钟CLK及振荡器24提供的参考信号Iref提供抖频调整信号Vm给振荡器24，振荡器24根据回授电压Vcomp控制时钟CLK的频率fs使其随负载变化，并根据抖频调整信号Vm决定时钟CLK的抖频频率变化范围，在脉宽调变器28中，比较器30根据电流限制信号Vcl、回授电压Vcomp及电流感测信号Vcs产生比较信号Sc，SR正反器32由时钟CLK触发，被信号Sc重设，电流限制信号Vcl及回授电压Vcomp作为临界值与电流感测信号Vcs_S比较产生比较信号Sc，当电流感测信号Vcs_S上升到大于电流限制信号Vcl及回授电压Vcomp其中之一时，比较器30拉高比较信号Sc，因而重设SR正反器32，关闭PWM信号Q(亦即PWM信号Vgate)的工作时间Ton，电阻R11连接在参考电压源Vref1及接脚COMP之间，以产生回授电压Vcomp，电流感测信号Vcs先经前缘遮蔽电路42遮蔽其前缘成为电流感测信号Vcs_LEB，再被可编程放大器40放大为电流感测信号Vcs_m，经加法器38加上斜率补偿器36提供的补偿信号Vs成为电流感测信号Vcs_S给脉宽调变器28。虽然PWM回路有各种不同的设计，但其架构大致上就是如上所述的，脉宽调变器以时钟为基础，根据输出回授信号及电流感测信号产生PWM信号。图2的实施例只是为了说明本发明的技术思想而设计的电路，并非限定本发明为该特定电路。从公式1可知，当切换频率fs变化时，将导致输出功率Po变动，因而产生输出涟波，因此，为了降低输出涟波，可以让工作时间Ton随切换频率fs的上升或下降而减少或增加。图2的实施例是以可编程放大器40取代现有的固定增益放大器，并利用计数器20提供计数值CG改变可编程放大器40的增益，因而改变工作时间Ton的长短。计数器20是计数时钟CLK产生计数值CG，亦即根据切换频率fs改变可编程放大器40的增益，因此工作时间Ton会随着切换频率fs的变动而反向变动，于是降低返驰式电源供应器因为抖频而造成的输出涟波。更具体而言，当工作时间Ton被触发后，功率开关M1导通，因此功率开关M1的电流上升，从其取得的电流感测信号Vcs及因而产生的电流感测信号Vcs_m上升，当电流感测信号Vcs_m及固定斜率的补偿信号Vs所合成的电流感测信号Vcs_S上升到大于电流限制信号Vcl或回授电压Vcomp时，工作时间Ton被关闭，因此功率开关M1关闭(turn off)，但是因为可编程放大器40的增益是随着时钟CLK的频率而变动的，所以电流感测信号Vcs_m的增益也是随着时钟CLK的频率变动的，结果导致工作时间Ton亦随着时钟CLK的频率变动，当时钟CLK的频率上升时，可编程放大器40的增益增加，电流感测信号Vcs_m变大，因此更早达到电流限制信号Vcl或回授电压Vcomp，所以工作时间Ton缩短，反之，当时钟CLK的频率下降时，可编程放大器40的增益减少，因此工作时间Ton增长。

图3是图2中可编程放大器40的实施例，其包括电压电流转换器44将电流感测信号Vcs_LEB转换为电流I1，电流镜46镜射电流I1产生电流I2，以及可变电阻48根据电流I2产生电流感测信号Vcs_m。可变电阻48包括串联的电阻Ra0、Ra1、Ra2、Ra3及Ra4以及开关SW0、SW1、SW2及SW3，开关SW0与电阻Ra0并联，开关SW1与电阻Ra1并联，开关SW2与电阻Ra2并联，开关SW3与电阻Ra3并联。计数值CG包括位元B0、B1、B2及B3分别控制开关SW0、SW1、SW2及SW3，以控制可变电阻48的电阻值。电流感测信号Vcs_m＝(n×Ra/Rr)×Vcs_LEB，其中n为电流镜46中晶体管Q1及Q2的尺寸比，Ra为可变电阻48的电阻值，n×Ra/Rr即为可编程放大器40的增益，改变可变电阻48的电阻值Ra即改变可编程放大器40的增益。

图4是位元B0、B1、B2及B3以及切换频率fs的时序图，当切换频率fs在最小值时，如时间t1所示，信号B0、B1、B2及B3皆为低准位，故图3中的开关SW0、SW1、SW2及SW3皆为闭路(on)，可变电阻48的电阻值Ra＝Ra4为最小值，因此可编程放大器40的增益为最小值；随着切换频率fs的增加，可变电阻48的电阻值Ra增加，因此可编程放大器40的增益也增加；当切换频率fs到达最大值时，如时间t2所示，信号B0、B1、B2及B3皆为高准位，故图3中的开关SW0、SW1、SW2及SW3皆为开路(off)，可变电阻48的电阻值Ra＝Ra0+Ra1+Ra2+Ra3+Ra4为最大值，因此可编程放大器40的增益亦为最大值；之后，随着切换频率fs的下降，可变电阻48的电阻值Ra下降，可编程放大器40的增益也跟着减少。

在图2的实施例中，是藉改变电流感测信号的增益来改变工作时间，图5的实施例则是藉改变电流感测信号的准位来改变工作时间。为了展示此特点，图5的实施例还是在相同的基础上设计而成，除了抖频调变器22及可编程放大器50以外，其他部分沿用既有的电路。电流感测信号Vcs_LEB是使用固定增益的放大器52放大为电流感测信号Vcs_m。参照图5及图6，抖频调变器22计数时钟CLK产生正比于切换频率fs的调节信号Vmod给可编程放大器50，如波形54及58所示，可编程放大器50将调节信号Vmod转换为正比于切换频率fs的偏移信号Voffset，如波形56所示，偏移信号Voffset将电流感测信号Vcs_m及补偿信号Vs的和上下平移，因而改变工作时间Ton。当切换频率fs上升时，偏移信号Voffset上升，电流感测信号Vcs_S的准位向上平移，因此更早达到电流限制信号Vcl或回授电压Vcomp，所以工作时间Ton缩短；当切换频率fs下降时，偏移信号Vof下降，电流感测信号Vcs_S的准位向下平移，因此工作时间Ton增长。

如以上的实施例所展示的，仅利用计数器、抖频调变器及可编程放大器即可降低输出涟波，PWM控制回路不必修改设计，因此各种PWM控制器皆可适用本发明的解决方案。

以上对于本发明的较佳实施例所作的叙述是为阐明的目的，而无意限定本发明精确地为所揭露的形式，基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能的，实施例是为解说本发明的原理以及让本领域技术人员以各种实施例利用本发明在实际应用上而选择及叙述，本发明的技术思想企图由权利要求及其均等来决定。

Claims (3)

1.一种降低抖频切换式电源供应器的输出涟波的脉宽调变控制器，用以提供一脉宽调变信号切换所述切换式电源供应器的功率开关，其特征在于，所述的脉宽调变控制器包括：

振荡器，提供具有抖频的时钟，其决定所述脉宽调变信号的切换频率；

可编程放大器，放大从所述功率开关的电流萃取的电流感测信号；以及

计数器，连接所述振荡器及可编程放大器，计数所述时钟产生计数值调整所述可编程放大器的增益，以调整所述脉宽调变信号的工作时间。

2.如权利要求1所述的脉宽调变控制器，其特征在于，所述可编程放大器包括：

电压电流转换器，将所述电流感测信号转换为第一电流；

可变电阻，因应所述计数值调整一电阻值；以及

电流镜，连接所述电压电流转换器及可变电阻，镜射所述第一电流产生第二电流给所述可变电阻，以产生所述放大后的电流感测信号。

3.一种降低抖频切换式电源供应器的输出涟波的方法，用以提供一脉宽调变信号切换所述切换式电源供应器的功率开关，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

以具有抖频的时钟为基础，根据从所述功率开关的电流萃取的电流感测信号产生所述脉宽调变信号；

计数所述时钟产生计数值；以及

根据所述计数值调整所述电流感测信号的增益，以调整所述脉宽调变信号的工作时间。