CN102655374A - 用于切换式电源供应器的抖频控制电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于切换式电源供应器的抖频控制电路及方法，在该切换式电源供应器进入降频模式时，扩大该切换式电源供应器的切换频率的抖频频率变化范围，以改善该切换式电源供应器在该降频模式期间的电磁干扰问题。

Description

用于切换式电源供应器的抖频控制电路及方法

技术领域

本发明涉及一种切换式电源供应器，特别是关于一种用于切换式电源供应器的抖频控制电路及方法。

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，但也衍生出因切换元件造成电源供应器的电磁干扰(Electric-MagneticInterference；EMI)的问题。现有的电源管理IC常利用抖频(jittering frequency)的方法来改善EMI问题。

切换式电源供应器有许多类型。虽然各种切换式电源供应器有不同的回授回路及PWM回路设计，但其PWM控制器皆是据输出回授信号控制其产生的PWM信号。而输出回授信号可能是电压或电流。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需要光耦合器12及并联调节器(shunt regulator)14组成的隔离式回授电路提供输出信息。并联调节器14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产生回授电压Vcomp，其与输出电压Vo成比例。PWM控制器10从回授电压Vcomp亦可得知目前驰返式电源供应器是操作在轻载或重载。

在图1的电路中，驰返式电源供应器的输出功率：

Po＝(1/2)×Lp×(X1×Vcs/Rcs)²×fs×η

  ＝(1/2)×Lp×(X2×Vcomp/Rcs)²×fs×η，..........................公式1

其中，Lp为变压器T1的激磁电感，Rcs为电流感测电阻，Vcs为电流感测电阻Rcs的跨压，fs为功率开关M1的切换频率，η为变压器T1的转换效率，X1及X2为比例常数。

传统具有抖频的定频切换式电源供应器的切换频率不受输出回授信号的影响。例如在图1的驰返式电源供应器中，从公式1可知，若固定输出功率Po，回授电压Vcomp将随切换频率fs的抖频而改变。参照图2，波形20为切换频率fs，其具有固定的抖频频率变化范围Δfs，波形22为回授电压Vcomp。当切换频率fs上升时，回授电压Vcomp下降。然而，这种PWM控制器在轻载及待机时无法根据回授电压Vcomp降低切换频率fs以减少切换损失。

传统具有抖频的变频切换式电源供应器的切换频率受输出回授信号的调整，因此可以在轻载及待机时根据输出回授信号降低切换频率。以图1的驰返式电源供应器为例，进入轻载(降频模式)后，在固定输出功率Po下，具有抖频的变频PWM控制器10根据回授电压Vcomp降低切换频率fs，但是回授电压Vcomp又随切换频率fs的抖频而改变，因此回授电压Vcomp与切换频率fs之间存在一相互关系，一来一往之间将形成新的稳态平衡点，如图3所示，切换频率fs及回授电压Vcomp将由原本的波形30及32变为波形34及36，而切换频率fs的抖频频率变化范围也因此由原本的Δfs1缩小为Δfs2，造成降频模式期间的EMI增加。

发明内容

本发明的目的之一，在于提出一种用于切换式电源供应器的抖频控制电路及方法。

本发明的目的之一，在于提出一种调整切换式电源供应器的抖频频率变化范围的抖频控制电路及方法。

本发明的目的之一，在于提出一种改善切换式电源供应器在降频模式时的EMI问题的抖频控制电路及方法。

根据本发明，一种用于切换式电源供应器的抖频控制电路包括振荡器及抖频调变器。该振荡器提供具有抖频的时脉，其频率决定该切换式电源供应器的切换频率。该抖频调变器根据输出回授信号及一参考信号产生抖频调整信号，以调整该抖频频率变化范围。较佳者，该抖频调变器在该切换式电源转换器进入降频模式时，调整该抖频调整信号的上限及下限其中至少一个以扩大该抖频频率变化范围，进而改善该切换式电源转换器在该降压模式期间的EMI问题。

根据本发明，一种用于切换式电源供应器的抖频控制方法包括提供具有抖频的时脉以决定该切换式电源供应器的切换频率，以及根据输出回授信号及一参考信号产生抖频调整信号以调整抖频频率变化范围。较佳者，在该切换式电源转换器进入降频模式时，调整该抖频调整信号的上限及下限其中至少一个以扩大该抖频频率变化范围，进而改善该切换式电源转换器在该降压模式期间的EMI问题。

附图说明

图1为现有的驰返式电源供应器；

图2为具有抖频的定频切换式电源供应器的切换频率对及回授电压的关系图；

图3为具有抖频的变频切换式电源供应器的切换频率对及回授电压的关系图；

图4为使用本发明的抖频控制电路的PWM控制器；

图5为抖频调整信号及抖频频率变化范围的示意图；

图6为抖频调变器的第一实施例；以及

图7为抖频调变器的第二实施例。

附图标号：

10  PWM控制器

12  光耦合器

14  并联调节器

20  切换频率fs的波形

22  回授电压Vcomp的波形

30  切换频率fs的波形

32  回授电压Vcomp的波形

34  切换频率fs的波形

36  回授电压Vcomp的波形

38  脉宽调变器

40  抖频控制电路

42  电流限制电路

44  前缘遮蔽电路

46  乘法器

48  斜率补偿器

50  加法器

52  比较器

54  SR正反器

56  栅极驱动器

58  计数器

60  抖频调变器

62  振荡器

64  切换频率fs的波形

66  抖频调整信号Vm的波形

68  振荡信号Vosc的波形

70  比较器

72  与门

74  与门

76  电流镜电路

78  选择器

80  选择器

82  比较器

84  比较器

86  SR正反器

88  与非门

90  与非门

92  电流源

94  开关

96  电流电压转换器

98  电压电流转换器

100 电压电流转换器

102 电压电流转换器

104 电压电流转换器

106 电压电流转换器

108 开关

110 开关

112 开关

114 开关

116 开关

118 电流电压转换器

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参照图4的实施例，在PWM控制器10中，脉宽调变器38需要的时脉CLK由本发明的抖频控制电路40提供，以调整PWM信号Vgate的切换频率的抖频频率变化范围。此PWM控制器10可以应用在例如图1的驰返式电源供应器，以改善该驰返式电源供应器在降频模式期间的EMI问题。如同已熟知的PWM回路，电流限制电路42根据时脉CLK产生电流限制信号Vc1，前缘遮蔽电路44根据接脚CS接受到的电压Vcs产生信号Vcs_LEB，乘法器46根据信号Vcs_LEB产生信号Vcs_m，斜率补偿器48根据时脉产生补偿信号Vs，加法器50根据信号Vcs_m及补偿信号Vs产生信号Vcs_s，比较器52根据电流限制信号Vc1、接脚COMP的回授电压Vcomp及信号Vcs_s产生信号Sc，SR正反器54根据时脉CLK及信号Sc产生输出Q，栅极驱动器56根据SR正反器54的输出Q产生PWM信号Vgate给接脚GATE以切换功率开关M1。SR正反器54由时脉CLK触发，被信号Sc重设，PWM信号Vgate及功率开关M1的切换频率等于时脉CLK的频率fs。

在抖频控制电路40中，计数器58计算时脉CLK产生计数值CT，抖频调变器60接收计数值CT、回授电压Vcomp及振荡器62提供的参考信号Iref，并提供抖频调整信号Vm给振荡器62，振荡器62根据抖频调整信号Vm及回授电压Vcomp决定时脉CLK的频率fs，而抖频调整信号Vm控制时脉CLK的抖频频率变化范围。

参照图4及图5，驰返式电源供应器在正常操作模式期间，抖频调变器60提供的抖频调整信号Vm具有上限Vref3及下限Vref5，如波形66所示，振荡器62将其内部产生的振荡信号Vosc与抖频调整信号Vm比较而产生时脉CLK，如波形68所示，振荡信号Vosc的上升斜率固定，因此随着抖频调整信号Vm的上升或下降，时脉CLK的频率fs会跟着减少或增加，因而产生抖频。抖频调整信号Vm的上限Vref3及下限Vref5决定频率fs的抖频频率变化范围Δfs1，如波形64所示。当驰返式电源供应器进入降频模式时，抖频调变器60将抖频调整信号Vm的上限由Vref3增加到Vref4，下限由Vref5减少到Vref6，因此抖频频率变化范围由Δfs1扩大到Δfs3；同时振荡器62也根据回授电压Vcomp降低时脉CLK的频率fs，例如根据回授电压Vcomp改变振荡信号Vosc的上升斜率或起始准位。参照图3，在进入降频模式后，由于回授电压Vcomp与频率fs之间的相互关系，频率fs的抖频频率变化范围Δfs3将缩小，但是Δfs3大于Δfs1，因此抖频频率变化范围Δfs3缩小后的范围将大于Δfs2，因而改善EMI问题。较佳者，抖频频率变化范围Δfs3缩小后的范围大于或等于Δfs1。

图6为抖频调变器60的实施例。在此实施例中，抖频调整信号Vm是由电容Cm提供的电压，参考信号Iref是电流，电流镜电路76镜射此电流Iref产生充电电流I1及放电电流I2；与门72根据计数值CT及信号S2产生信号S3；与门74根据计数值CT及信号S1产生信号S4；开关SW1连接在电流镜电路76及电容Cm之间，因应信号S3使充电电流I1对电容Cm充电；开关SW2连接在电流镜电路76及电容Cm之间，因应信号S4使放电电流I2对电容Cm放电；比较器70比较回授电压Vcomp及临界值Vref2产生比较信号VFR；选择器78根据比较信号VFR从正常上限Vref3及降频上限Vref4中选择其中一个提供给比较器82的正输入端，比较器82的负输入端连接电容Cm，比较器82比较其二输入端的电压产生信号S5；选择器80根据比较信号VFR从正常下限Vref5及降频下限Vref6中选择其中一个提供给比较器84的负输入端，比较器84的正输入端连接电容Cm，比较器84比较其二输入端的电压产生信号S6；SR正反器86包括与非门88及90，与非门88根据信号S2及S5产生信号S1，与非门90根据信号S1及S6产生信号S2。

计数器为现有技术，产生具有抖频的时脉以及根据输出回授信号将时脉降频亦为现有技术，因此不再详述计数器58及振荡器62的内部电路及操作。

参照图5及图6，当驰返式电源供应器操作在正常操作模式时，回授电压Vcomp大于临界值Vref2，故比较器70产生的比较信号VFR为高准位，因此选择器78选择正常上限Vref3给比较器82的正输入端作为抖频调整信号Vm的上限，而选择器80选择正常下限Vref5给比较器84的负输入端作为抖频调整信号Vm的下限。当驰返式电源供应器进入降频模式时，回授电压Vcomp小于临界值Vref2，故比较器70产生的比较信号VFR为低准位，因而使选择器78及80分别选择降频上限Vref4及降频下限Vref6作为抖频调整信号Vm的上限及下限。

在图6的实施例中，抖频调变器60藉调整抖频调整信号Vm的上限及下限来扩大时脉CLK的抖频频率变化范围，在其他实施例中，也可以仅调整抖频调整信号Vm的上限或下限来扩大时脉CLK的抖频频率变化范围。

参照图7的实施例，和图6的电路一样，比较器70比较回授电压Vcomp及临界值Vref2产生比较信号VFR，电流电压转换器96的输入端接受参考电流Iref，电流源92提供调整电流IFR，开关94连接在电流源92及电流电压转换器96的输入端之间，受比较信号VFR控制，电压电流转换器98、100、102、104及106分别将电流电压转换器96输出的电压Vcv转换为电流I3、I4、I5、I6及I7，开关108连接在电压电流转换器98的输出端及电流电压转换器118的输入端之间，开关110连接在电压电流转换器100的输出端及电流电压转换器118的输入端之间，开关112连接在电压电流转换器102的输出端及电流电压转换器118的输入端之间，开关114连接在电压电流转换器104的输出端及电流电压转换器118的输入端之间，开关116连接在电压电流转换器106的输出端及电流电压转换器118的输入端之间，来自计数器58的计数值CT包括位B0、B1、B2、B3及B4分别控制开关108、110、112、114及116以启动或关闭电压电流转换器98、100、102、104及106，因而决定总电流Isum给电流电压转换器118的输入端，电流电压转换器118将其转换为抖频调整信号Vm。当驰返式电源供应器进入降频模式时，比较信号VFR导通开关94，因而启动电流源92以提供调整电流IFR到电流电压转换器96的输入端，进而使电流电压转换器96的输出端的电压Vcv上升，随着电压Vcv的上升，电压电流转换器98、100、102、104及106提供的电流I3、I4、I5、I6及I7也跟着上升，因此总电流Isum的最大值上升，进而使抖频调整信号Vm的上限提高，因而使时脉CLK的频率fs的抖频频率变化范围增加。图7的实施例藉调整抖频调整信号Vm的上限来扩大时脉CLK的抖频频率变化范围，在其他实施例中，也可以改由调整抖频调整信号Vm的下限来扩大时脉CLK的抖频频率变化范围。

图4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。如图4的实施例所展示的，本发明以抖频控制电路40取代现有的时脉产生器，而且抖频控制电路40根据回授电压Vcomp控制时脉CLK的抖频频率变化范围，即可达到目的，因此PWM控制器10的其他电路皆不需要因为使用抖频控制电路40而改变，也由此可知，其他类型的切换式电源供应器及各种不同的PWM控制器，皆可适用本发明的解决方案。在不同的实施例中，抖频控制电路40使用的输出回授信号可为电压或电流，参考信号亦可为电压或电流。

以上对于本发明的较佳实施例所作的叙述为阐明的目的，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范围及其均等来决定。

Claims (14)

1.一种用于切换式电源供应器的抖频控制电路，其特征在于，所述抖频控制电路包括：

振荡器，提供具有抖频的时脉以决定所述切换式电源供应器的切换频率；以及

抖频调变器，连接所述振荡器，根据所述切换式电源供应器的输出回授信号以及一参考信号产生抖频调整信号给所述振荡器，以控制所述切换频率的抖频频率变化范围。

2.如权利要求1所述的抖频控制电路，其特征在于，所述抖频调变器根据所述输出回授信号决定所述抖频调整信号的上限及下限。

3.如权利要求1所述的抖频控制电路，其特征在于，所述抖频调变器根据所述参考信号决定所述抖频调整信号的上升斜率及下降斜率。

4.如权利要求1所述的抖频控制电路，其特征在于，所述抖频调变器在所述输出回授信号小于一临界值时，增加所述抖频调整信号的上限以扩大所述抖频频率变化范围。

5.如权利要求1所述的抖频控制电路，其特征在于，所述抖频调变器在所述输出回授信号小于一临界值时，减少所述抖频调整信号的下限以扩大所述抖频频率变化范围。

6.如权利要求1所述的抖频控制电路，其特征在于，所述抖频调变器在所述输出回授信号小于一临界值时，增加所述抖频调整信号的上限且降低所述抖频调整信号的下限，以扩大所述抖频频率变化范围。

7.如权利要求1所述的抖频控制电路，其特征在于，所述抖频调变器包括：

电容，提供一电压作为所述抖频调整信号；

电流镜电路，根据所述参考信号产生充电电流及放电电流；

第一开关，连接在所述电容及电流镜电路之间，因应第一信号使所述充电电流对所述电容充电；

第二开关，连接在所述电容及电流镜电路之间，因应第二信号使所述放电电流对所述电容放电；

第一比较器，连接所述电容，具有负输入端接收所述抖频调整信号；

第二比较器，连接所述电容，具有正输入端接收所述抖频调整信号；

第三比较器，比较所述输出回授信号及一临界值而产生比较信号；

第一选择器，连接所述第一及第三比较器，根据所述比较信号选择正常上限及降频上限其中一个提供给所述第一比较器的正输入端；

第二选择器，连接所述第二及第三比较器，根据所述比较信号选择正常下限及降频下限其中一个提供给所述第二比较器的负输入端；以及

正反器，连接所述第一及第二比较器，根据所述第一及第二比较器的输出决定所述第一及第二信号。

8.如权利要求1所述的抖频控制电路，其特征在于，所述抖频调变器包括：

第一电流电压转换器，具有输入端接受所述参考信号，将所述输入端的电流转换为电压；

电流源，连接所述第一电流电压转换器的输入端，提供调节电流给所述第一电流电压转换器的输入端；

比较器，比较所述输出回授信号及一临界值产生比较信号，以启动或关闭所述电流源；

多个电压电流转换器，每一所述电压电流转换器的输入端连接所述第一电流电压转换器的输出端，将所述第一电流电压转换器输出端的电压转换为电流；以及

第二电流电压转换器，具有输入端连接所述多个电压电流转换器的输出端，将其输入端的电流转换为所述抖频调整信号；

其中，通过控制所述多个电压电流转换器的启动数量以控制给所述第二电流电压转换器的输入端的电流。

9.一种用于切换式电源供应器的抖频控制方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

(A)提供具有抖频的时脉用以决定所述切换式电源供应器的切换频率；

(B)根据所述切换式电源供应器的输出回授信号以及一参考信号产生抖频调整信号；以及

(C)根据所述抖频调整信号控制所述切换频率的抖频频率变化范围。

10.如权利要求9所述的抖频控制方法，其特征在于，所述步骤(B)包括根据所述输出回授信号决定所述抖频调整信号的上限及下限。

11.如权利要求9所述的抖频控制方法，其特征在于，所述步骤(B)包括根据所述参考信号决定所述抖频调整信号的上升斜率及下降斜率。

12.如权利要求9所述的抖频控制方法，其特征在于，所述步骤(C)包括在所述输出回授信号小于一临界值时，增加所述抖频调整信号的上限。

13.如权利要求9所述的抖频控制方法，其特征在于，所述步骤(C)包括在所述输出回授信号小于一临界值时，减少所述抖频调整信号的下限。

14.如权利要求9所述的抖频控制方法，其特征在于，所述步骤(C)包括在所述输出回授信号小于一临界值时，增加所述抖频调整信号的上限且降低所述抖频调整信号的下限。

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