CN102891603A - 电源控制器与控制方法 - Google Patents

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Abstract

电源控制器与控制方法，适用于控制一功率开关。该功率开关连接至一电感元件。该电源控制器包含有一时窗产生器、一传感器、以及一逻辑控制器。该时窗产生器用以提供最短以及最长时间信号，分别指示一最短时间以及一最长时间的流逝。该传感器用以检测该电感元件的一端，以产生一触发信号。在该最短时间尚未流逝之前，该逻辑控制器用以防止该功率开关被开启，在该最长时间流逝后，强迫该功率开关被开启，以及当该触发信号被使能时，开启该功率开关。

Description

电源控制器与控制方法
技术领域
本发明涉及一种电源控制器以及运用其中的控制方法。
背景技术
电源供应器是用来将外来电源(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。对于当今的电子产品而言，一般都必须设计的节能减碳，以表示对地球尽一份心力。所以，电能转换效率(conversion efficiency)，也就是针对负载的输出电能以及从电池或是市电所抽取的输入电能，两者的比例，就变成一个很重要的指标。如果电源供应器自己本身所消耗的能量越少，这电源供应器的电能转换效率就会越高。
不论是理论或是实际操作上，准谐振(quadrature resonance，QR)电源供应器都已经被证明比其他大部分的电源供应器，工作的比较有效率。这是因为QR电源供应器中的功率开关大致上是在零电压或是零电流切换，达到了大致上无能量损耗的切换(lossless switching)。
图1显示一反激式电源供应器8，可以操作在QR模式。电路10显示了反激式架构，具有功率开关15、一变压器的主绕组(primarywinding)PRM以及二次侧绕组(secondary winding)SEC、一二极管、以及一电流检测电阻。当功率开关15开启时，功率开关15短路，主绕组PRM开始储能。当功率开关15关闭时，功率开关15开路，二次侧绕组SEC就通过二极管释能，对输出端OUT供电。反馈电路20监视了输出端OUT，据以在反馈端FB上产生反馈信号VFB。依据反馈信号VFB，电源控制器18控制了功率开关15的开启时间(ON time)TON或是关闭时间(OFF time)TOFF。当反馈信号VFB越高时，便意味着输出功率就需要更高，才得以维持在输出端OUT上的电压。操作电源供应器12在电源端VCC提供了操作电源VCC，对电源控制器18供电。电阻14把辅助绕组AUX的一端连接到电源控制器18的零电流检测端ZCD，以提供变压器的状态信息。
图2A以及图2B分别显示在不同负载时，零电流检测端ZCD上的电压信号VZCD的波形。图2A对应到一个比较重的负载；图2B对应到一比较轻的负载。从图2A与图2B中可以看出，当变压器放电完毕之后，电压信号VZCD就会开始震荡，然后依序产生电压波谷VLY1、VLY2、VLY3等。如果负载越轻，放电完毕的时间就会越早，那电压波谷出现的时间点也会越早。一个操作在QR模式下的电源供应器可以设计在任何一个电压波谷出现时，才开始进行下一开关周期中的储能。图3显示开关频率fCYC与反馈端FB上反馈信号VFB的关系，其中，开关频率fCYC是开关周期TCYC的倒数，而开关周期是开启时间TON与关闭时间TOFF的总和。开启时间TON指的是功率开关开启时的时间；关闭时间TOFF指的是功率开关关闭的时间。举例来说，图3中的曲线221显示的是，当功率开关15在电压波谷VLY1出现时就切换时，VFB跟fCYC的关系。曲线222显示的是，当功率开关15在电压波谷VLY2出现时就切换时，VFB跟fCYC的关系。以此类推。如同图3所示，如果一个电源供应器是设计在特定的电压波谷切换的话，那反馈信号VFB越低，开关频率fCYC就不幸的越高。越高的开关频率fCYC，就会需要有越多的电能来对一功率开关的控制端进行充放电，所以可能会导致一个比较低的转换效率。
发明内容
本发明的实施例提供一种电源控制器，适用于控制一功率开关。该功率开关连接至一电感元件。该电源控制器包含有一时窗产生器、一传感器、以及一逻辑控制器。该时窗产生器用以提供最短以及最长时间信号，分别指示一最短时间以及一最长时间的流逝。该传感器用以检测该电感元件的一端，以产生一触发信号。在该最短时间尚未流逝之前，该逻辑控制器用以防止该功率开关被开启，在该最长时间流逝后，强迫该功率开关被开启，以及当该触发信号被使能时，开启该功率开关。
本发明的实施例提供一种控制方法，用以控制一功率开关，该功率开关耦接至一电感元件。该控制方法包含有：检测该电感元件的一端，以产生一触发信号；当该触发信号被使能时，开启该功率开关；在一最短时间尚未流逝之前，防止该功率开关被开启；以及，在一最长时间流逝后，强迫该功率开关被开启。
附图说明
图1显示一反激式电源供应器。
图2A以及图2B分别显示在不同负载时，零电流检测端ZCD上的电压信号VZCD的波形。
图3显示开关频率fCYC与反馈端FB上反馈信号VFB的关系。
图4举例了适用于图1中的反激式电源供应器8的一电源控制器。
图5举例了一时窗产生器。
图6显示了图4与图5中的一些信号波形。
图7上半部显示了最短时间TMIN与最长时间TMAX对于反馈信号VFB的变化，而下半部显示了最高频率fMAX与最低频率fMIN对于反馈信号VFB的变化。
图8中的曲线50显示图4中的电源控制器30的开关频率fCYC与反馈信号VFB的关系。
图9A与图9B分别显示两种时窗产生器。
图10显示了电源控制器30的开关频率fCYC与反馈信号VFB之间的可能关系。
附图标记：
8：反激式电源供应器
10：电路
12：操作电源供应器
14：电阻
15：功率开关
18：电源控制器
20：反馈电路
221、222、223：曲线
30：电源控制器
32：比较器
33：延迟电路
34：SR记录器
36：脉冲产生器
38：逻辑控制器
40：时窗产生器
42：比较器
50：曲线
60a、60b：时窗产生器
66：计数器
70：电压控制电流源
72：数字模拟转换器
76：电容阵列
AUX：辅助绕组
CS：电流检测端
FB：反馈端
fCYC：开关频率
fMAX：最高频率
fMIN：最低频率
GATE：门端
IJIT：电流
OUT：输出端
PRM：主绕组
S0～Sn：数字输出
SDET：信号
SDLY：信号
SEC：二次侧绕组
SGATE：门信号
SMIN：最短时间信号
SMAX：最长时间信号
SPLS：触发信号
SSET：设置信号
t1～～t5：时间点
TCYC：开关周期
Tdelay：延迟时间
TMAX：最长时间
TMIN：最短时间
TOFF：关闭时间
TON：开启时间
VCC：操作电源
VCC：电源端
VCS：信号
VFB：反馈信号
VLY1、VLY2、VLY3：电压波谷
VREFH、VREFL：参考信号
VREF2、VREF3：参考电压
VRMP：斜坡信号
VTH-ZCD：参考电压
VZCD：电压信号
ZCD：零电流检测端
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，为所属领域的普通技术人员，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。
以下将以反激式电源供应器，来作为本发明的实施例。只是，本发明并不限制于反激式电源供应器。本发明也可以适用于其他架构的电源供应器，像是降压电源供应器(buck converters)、升降压电源供应器(buck-boost converter)、升压电源供应器(boost converter)等等。
图4举例了适用于图1中的反激式电源供应器8的一电源控制器30。比较器32、延迟电路(delay circuit)33以及脉冲产生器(pulse generator)36一起，等同一种传感器，检测辅助绕组AUX的一端，来产生触发信号SPLS中的脉冲(pulse)，其中每个脉冲大致对应到在零电流检测端ZCD的电压波谷所出现的时间。时窗产生器40提供了最短以及最长时间信号，SMIN与SMAX，分别指示一最短时间TMIN以及一最长时间TMAX的流逝。逻辑控制器38具有数个逻辑门，控制SR记录器34的S端，且决定何时功率开关15要被开启(ON)。只有在最短时间信号SMIN被使能时，也就是最短时间TMIN过去了之后，触发信号SPLS才有可能通过逻辑控制器38，而被使能的触发信号SPLS才能够设置(set)SR记录器34。换言之，在最短时间TMIN还没有过去之前，逻辑控制器38会防止功率开关15被开启。万一触发信号SPLS没有被使能，且最长时间TMAX也过去了，最长时间信号SMAX就会强制的设置(set)SR记录器34，而功率开关15就被强迫开启，而反激式电源供应器就进入下一个开关循环。当电流检测端CS上的信号VCS超过比较器42的反向输入端的电压时，SR记录器34就被重置(reset)，而功率开关15被关闭(OFF)。因此，在反馈端FB上的反馈信号VFB大致决定了信号VCS的电压峰值，或是大致决定了在一开关循环中传输到输出端OUT的电能。
图5举例了时窗产生器40，其接收设置信号SSET，输出最短以及最长时间信号，SMIN与SMAX。当设置信号SSET被使能时，斜坡信号VRMP就是接地，电压为0V。当设置信号SSET被禁能时，斜坡信号VRMP就开始上升，其斜率是被电压控制电流源70的输出电流所决定，而电压控制电流源70则是被反馈端FB上的反馈信号VFB所控制。反馈信号VFB-大致代表了在输出端OUT上的负载所需求的电功率。当斜坡信号VRMP超过参考信号VREFL与VREFH时，就会分别使能最短以及最长时间信号SMIN与SMAX，也分别表示最短时间TMIN以及最长时间TMAX已经过去了。参考信号VREFL应该要比参考信号VREFH低，所以最短时间信号SMIN会被比较早使能。如果电压控制电流源70所输出的电流减小了，斜坡信号VRMP的斜率就变小，因此斜坡信号VRMP就需要花比较久的时间才会到达参考信号VREFL与VREFH，所以最短时间TMIN以及最长时间TMAX都会变长。业界具有一般技术者可以从以上说明与图示中得知，最短时间TMIN以及最长时间TMAX大概是等比例。
图6显示了图4与图5中的一些信号波形。从上到下，图6中的波形有零电流检测端ZCD上的电压信号VZCD、比较器32所输出的信号SDET、延迟电路33所输出的信号SDLY、脉冲产生器36所输出的触发信号SPLS、在SR记录器34的S端上的设置信号SSET、门端GATE上的门信号SGATE、图5中的斜坡信号VRMP、以及从比较器42所输出的最短时间信号SMIN。在时间点t1时，设置信号SSET上的脉冲开启了功率开关15，且把斜坡信号VRMP接地。开启时间TON大致上是由反馈信号VFB所决定，因此，门信号SGATE在时间点t2时改变，这导致了电压信号VZCD的上升，信号SDET的逻辑值改变，以及之后信号SDLY的逻辑值的改变。信号SDLY可以设计在信号SDET变化后一段延迟时间Tdelay才切换其逻辑值。在时间点t3时，因为放电完毕，电压信号VZCD第一次掉到低于接近0伏特的参考电压VTH-ZCD，所以再经过延迟时间Tdelay后，信号SDLY出现了上升缘，然后也导致了脉冲产生器36所输出的触发信号SPLS出现了一个脉冲。在时间点t4之前，斜坡信号VRMP一直是低于参考信号VREFL，所以最短时间信号SMIN的逻辑值也都是维持在0，因此，触发信号SPLS上的任何脉冲都会被挡住，而无法到达SR记录器34的S端，所以SR记录器34的S端的逻辑值维持在0。时间点t4时，最短时间TMIN已经过去了，斜坡信号VRMP超过参考信号VREFL，所以最短时间信号SMIN转态变成逻辑上的1。因此，在时间点t5时，触发信号SPLS的脉冲就可以通过而变成设置信号SSET，来开启功率开关15，而进入下一个开关循环。如同图6所示，只要延迟时间Tdelay设计的好，每一个触发信号SPLS中的脉冲就可以代表电压信号VZCD中相对应的一个电压波谷的出现时间。也因此，在时间点t5时，电压波谷VLY3出现，而功率开关15被开启，所以大致上实现了QR模式的操作。
图7中有两张图，上半部显示了最短时间TMIN与最长时间TMAX对于反馈信号VFB的变化，而下半部显示了最高频率fMAX与最低频率fMIN对于反馈信号VFB的变化。如同最短时间TMIN指的是图4中电源控制器30可以开启功率开关的最早时间，最短时间TMIN的倒数，1/TMIN，就定义了电源控制器30可以操作的最高频率fMAX。一样的道理，最长时间TMAX的倒数，1/TMAX，定义了电源控制器30可以操作的最低频率fMIN。
只要适当的设计，电压控制电流源70可以实现图7中的曲线。举例来说，当反馈信号VFB低于参考电压VREF2时，电压控制电流源70所输出的电流大约是在一个相对来说比较低的定值；当反馈信号VFB从参考电压VREF2往参考电压VREF3接近时，电压控制电流源70所输出的电流随之线性地增加；当反馈信号VFB高过参考电压VREF3时，电压控制电流源70所输出的电流大约是在一个相对来说比较高的定值。从图7中可以发现，当反馈信号VFB介于参考电压VREF2与参考电压VREF3之间时，最短时间TMIN会随着反馈信号VFB增加而降低。
图8中的曲线50显示图4中的电源控制器30的开关频率fCYC与反馈信号VFB的关系。图8中的虚线，大致上重现了图7中的最低频率fMIN以及最高频率fMAX，以及图3中开关频率fCYC与反馈信号VFB的关系。从以上的教导中可以推导出，电源控制器30开启功率开关15的时间点，大概会在最短时间TMIN之后的最早电压波谷所出现的时间，而不可以晚于最长时间TMAX。所以，曲线50的所在位置，就被限制在最高频率fMAX与最低频率fMIN之间，且大致跟随了曲线221、222、223等中最高的那一个。从图8中可以发现，在轻载时，反馈信号比较低，而开关频率fCYC也比较低，因为功率开关的切换时间点，可能移到了比较晚发生的电压波谷出现的时间点。在每一次的开关循环中，功率开关15的控制端就被充放电一次，也就需要一定的能量。比较低的开关频率fCYC，意味着用比较少的能量来对功率开关15的控制端充放电，所以可以增加在轻载时的转换效率。
如同图8所示，对于反馈信号VFB非常高时的高重载而言，开关频率fCYC有可能大致上停留在由最低频率fMIN所定义的一个定值，这可能引发有电磁干扰(EMI)的风险。图9A与图9B分别显示两种时窗产生器60a与60b。时窗产生器60a与60b可以取代时窗产生器40，其采用了抖频(jitting)的技术，可能可以避免EMI的风险。除了图5中所示的时窗产生器40中的架构之外，时窗产生器60a与60b，每个都有一个计数器66。举例来说，计数器66大约以数百毫秒(millisecond)为周期，循环的变化他的数字输出S0～Sn，而开关频率fCYC的每个开关周期大概是数个微秒(microsecond)。在时窗产生器60a中，数字模拟转换器72接收数字输出S0～Sn，而产生相对应且非常小的电流IJIT，因此，对电容充电的总电流，就会随着时间而抖动。在时窗产生器60b中，因为数字输出S0～Sn随着时间在改变，所以电容阵列76的等效电容值也随着时间改变或是抖动。因为充电电流或是等效电容值在抖动，所以，对于一固定的反馈信号VFB而言，最高频率fMAX与最低频率fMIN就不再是两个固定不变的常数，而是会跟着抖动。如果图4中的电源控制器30中的时窗产生器40以时窗产生器60a或60b实施的话，图10显示了电源控制器30的开关频率fCYC与反馈信号VFB之间的可能关系。在图10中，代表最高频率fMAX与最低频率fMIN的曲线是用三条线的虚线来表示，代表最高频率fMAX与最低频率fMIN会随着时间抖动。因此，对于反馈信号VFB非常高时的高重载而言，开关频率fCYC不会停留在一个定值，而是随着最低频率fMIN而抖动。
依据本发明所实施的一电源控制器，可以在功率开关上的电压大约到达一电压波谷时，才开启功率开关，所以大致上可以实现无能量损耗的切换。对于重载状况而言，这个电压波谷可以是第一电压波谷。对于轻载或是无载而言，因为开关频率fCYC被限制在最高频率fMAX与最低频率fMIN之间，所以这个电压波谷可以是第二、第三、甚至是更后面的电压波谷。对于轻载或是无载而言，因为最高频率fMAX与最低频率fMIN都会变低，所以开关频率fCYC也会变低，可以节省一些对于功率开关的控制门充放电所需要的能量。对于非常重的重载来说，抖动最低频率fMIN可以降低或是防止电磁干扰(EMI)的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种电源控制器，适用于控制一功率开关，该功率开关连接至一电感元件，该电源控制器包含有：
一时窗产生器，用以提供最短以及最长时间信号，分别指示一最短时间以及一最长时间的流逝；
一传感器，用以检测该电感元件的一端，以产生一触发信号；以及
一逻辑控制器，在该最短时间尚未流逝之前，用以防止该功率开关被开启，在该最长时间流逝后，强迫该功率开关被开启，以及当该触发信号被使能时，开启该功率开关。
2.根据权利要求1所述的电源控制器，其中，一反馈信号被提供来代表一负载所需要的功率，且当该反馈信号增加时，该最短时间减少。
3.根据权利要求1所述的电源控制器，其中，该最短时间与该最长时间随时间而抖动变化。
4.根据权利要求1所述的电源控制器，其中，该最短以及最长时间信号依据一斜坡信号而产生。
5.根据权利要求1所述的电源控制器，其中，该电感元件为一变压器，具有一主绕组以及一辅助绕组，该传感器检测该辅助绕组的一端。
6.一种控制方法，用以控制一功率开关，该功率开关耦接至一电感元件，该控制方法包含有：
检测该电感元件的一端，以产生一触发信号；
当该触发信号被使能时，开启该功率开关；
在一最短时间尚未流逝之前，防止该功率开关被开启；以及
在一最长时间流逝后，强迫该功率开关被开启。
7.根据权利要求6所述的控制方法，还包含有：
提供一反馈信号，其代表一负载所需要的功率；以及
当该反馈信号增加时，减少该最短时间。
8.根据权利要求6所述的控制方法，其中，该最长时间大致与该最短时间成比例。
9.根据权利要求6所述的控制方法，其中还包含有：
使该最短时间与该最长时间随时间而抖动变化。
10.根据权利要求6所述的控制方法，其中还包含有：
提供一斜坡信号；以及
依据该斜坡信号来产生一最短时间信号，用以指示该最短时间的流逝。
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