CN103001495A

CN103001495A - 具有负载补偿的电源管理器以及控制方法

Info

Publication number: CN103001495A
Application number: CN2011102686214A
Authority: CN
Inventors: 沈逸伦; 陈仁义; 黄于芸
Original assignee: Leadtrend Technology Corp
Current assignee: Leadtrend Technology Corp
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2031-09-13
Also published as: CN103001495B

Abstract

具有负载补偿的电源管理器以及控制方法，适用于控制一电源供应器，用以对一负载供电。该电源管理器包含有一转换器以及一控制电路。该转换器具有一第一点接收一负载信号，以及一第二点输出一负载补偿信号。该转换器将该负载信号转换成该负载补偿信号。该负载信号大致对应该电源供应器对该负载所提供的一输出功率。该转换器具有一低通滤波器，耦接于该第一点与该第二点之间。该控制电路，通过一反馈点耦接至一电感元件，并依据该反馈点所提供的一反馈电压以及一预设电压，控制该输出功率，以使一电感元件的一跨压朝一目标电压逼近。该负载补偿信号越大，该目标电压越高。

Description

具有负载补偿的电源管理器以及控制方法

技术领域

本发明涉及一种开关式电源供应器以及相关的控制方法。

背景技术

一般的电源供应器需要在输出电源点提供一稳定的输出电压给一负载。输出电压的检测与比较，往往通过一些直接连接在次级侧的输出电源点的检测元件，像是分压电阻、LT431等，来实现。其比较结果，可能通过一光耦合器，传递到位于初级侧的电源控制器。这样的控制方式一般称为次级侧控制(secondary side control)。

为了节省连接在次级侧点的检测元件以及其操作所需要的电能，所以产生了初级侧控制(primary side control)。初级侧控制把检测次级侧的输出电压的工作，通过电感耦合的原理，在初级侧完成。

图1显示一种采用初级侧控制的电源供应器8。电源供应器8采用回扫式架构(flyback)10。回扫式架构10是一种隔离架构，其以变压器(具有初级侧绕组PRM、次级侧绕组SEC以及辅助绕组AUX)来隔离初级侧与次级侧。电源管理器18通过功率开关15控制变压器的充放电能。当变压器放电时，次级侧绕组SEC对输出电源点OUT供电，辅助绕组AUX对操作电源点VCC供电，且因为电感耦合，次级侧绕组SEC的跨压V_SEC会与辅助绕组AUX的跨压V_AUX大约为一定比例。电源管理器18通过反馈点FB、分压电阻13与14，来检测辅助绕组AUX的跨压V_AUX，等同检测次级侧绕组SEC的跨压V_SEC，也大致等同检测输出电源点OUT的输出电压V_OUT。依据反馈点FB上的反馈电压V_FB，电源管理器18决定补偿点COM上的补偿电压V_COM，然后据以控制功率开关的开启时间T_ON或是关闭时间T_OFF。简而言之，初级侧控制是控制辅助绕组AUX的跨压V_AUX，来达到控制输出电压V_OUT的目的。

图1的初级侧控制可能有输出电压V_OUT随负载20轻重而改变的问题。因为输出电源点OUT到次级侧绕组SEC之间的寄生电阻与压降，所以输出电压V_OUT会些许小于跨压V_SEC，其差距会随着负载电流I_OUT增大而增大。换言之，如果希望获得一个固定不随负载电流I_OUT改变的输出电压V_OUT，跨压V_SEC的目标电压，等同于跨压V_AUX的另一个目标电压，就应该随着负载20所汲取的负载电流I_OUT增加而增加。这样的控制方法，称为负载补偿。

负载补偿引入了一个正回馈回圈(positive feedback loop)。依据负载补偿，愈重的负载20，产生愈大的负载电流I_OUT，所以需要愈高的目标电压。而越高的目标电压，对于相同的负载而言，需要有更多的负载电流I_OUT来支撑。如同本领域所知，正回馈回圈容易导致震荡，这是在采用负载补偿时，应该要想办法避免的。

发明内容

本发明实施例提供一种负载补偿的控制方法，适用于一电源供应器，用以对一负载供电。该控制方法包含有：提供一负载信号，大致对应该电源供应器对该负载所提供的一输出功率；对该负载信号进行低通处理，以产生一负载补偿信号；通过一反馈点，提供一反馈电压，该反馈点耦接至该电感元件；以及，依据该反馈电压，控制该输出功率，以使该电感元件的一跨压朝该目标电压逼近。当该负载补偿信号越高时，该目标电压越高。

一种具有负载补偿的电源管理器，适用于控制一电源供应器，用以对一负载供电，该电源管理器包含有一转换器以及一控制电路。该转换器具有一第一点接收一负载信号，以及一第二点输出一负载补偿信号。该转换器将该负载信号转换成该负载补偿信号。该负载信号大致对应该电源供应器对该负载所提供的一输出功率。该转换器具有一低通滤波器，耦接于该第一点与该第二点之间。该控制电路，通过一反馈点耦接至一电感元件，并依据该反馈点所提供的一反馈电压以及一预设电压，控制该输出功率，以使一电感元件的一跨压朝一目标电压逼近。该负载补偿信号越大，该目标电压越高。

附图说明

图1显示一种采用初级侧控制的电源供应器。

图2显示依据本发明实施的一电源管理器。

图3显示图2中的一峰值检测器以及一电压电流转换器。

图4举例图2中的一低通滤波器。

图5，由上而下，依序显示图2中的反馈电压V_FBIN、信号S_EN、斜坡信号S_SC、峰值信号V_CS-P、以及负载补偿电流I-_OffSet。

附图符号说明

8 电源供应器

10 回扫式架构

13、14 分压电阻

15 功率开关

18 电源管理器

20 负载

30 电源管理器

32 SR寄存器

34 电路

36 分压电路

38 电路

40 取样器

42 峰值检测器

44 转换器

60 低通滤波器

62 负载补偿控制电路

63 电流镜

64 电压电流转换器

66、68 NMOS

70 比较器

AUX 辅助绕组

COM 补偿点

COMI 限制点

CS 电流检测点

FB 反馈点

FBIN 点

GATE 闸点

I-_OffSet 负载补偿电流

I_OS 电流

I_OUT 负载电流

I_PRM 电流

OUT 电源点

PRM 初级侧绕组

SEC 次级侧绕组

S_EN 信号

S_SC 斜坡信号

S_SH 取样信号

t_E、t_S 时间点

T_OFF 关闭时间

T_ON 开启时间

T_SC 缓补偿时间

V_AUX 跨压

V_AUX-TAR 目标电压

V_COM 补偿电压

V_COMI 限制电压

V_CS 电流检测信号

V_CS-P 峰值信号

V_FB 反馈电压

V_FBIN 反馈电压

V_OUT 输出电压

V_REF 预设值

V_SEC 跨压

V_SEC-TAR 目标电压

V_TAR0 预设电压

具体实施方式

以下将以使用于图1中的电源供应器8的电源管理器做为实施例。但是，本发明并不局限于适用于如同图1的隔离架构，也可以适用于非隔离架构。举例来说，在阅读过本说明书之后，本领域的技术人员也可以推知本发明也可以适用于一升压器(booster)。

图2显示依据本发明实施的电源管理器30，可以使用于图1中的电源管理器18。

电路34决定一开启时间T_ON的起点。举例来说，电路34通过反馈点FB可以检测到变压器的放电完毕时间点，进而设置(set)SR寄存器(SRregister)32，开启功率开关15，使之短路(short circuit)。

电路38大致决定一关闭时间T_OFF的起点。举例来说，补偿点COM上的补偿电压V_COM，经过分压电路36后，在限制点COMI上产生限制电压V_COMI。当电流检测点CS上的电流检测信号V_CS高过限制电压V_COMI时，电路38重设(reset)SR寄存器32，关闭功率开关15，使之开路(open circuit)。所以，限制电压V_COMI大约决定了电流检测信号V_CS的峰值。

峰值检测器42检测电流检测信号V_CS的峰值，以产生峰值信号V_CS-P。峰值信号V_CS-P对应的是流过初级侧绕组PRM的电流I_PRM的电流峰值。因此，峰值信号V_CS-P大约对应图1的电源供应器8对负载20的输出功率，也就是对应到当时的负载程度。

变压器的一放电时间(discharge time)中，短脉冲(short pulse)的取样信号S_SH可以使取样器40对反馈点FB上的反馈电压V_FB进行取样，在点FBIN上产生反馈电压V_FBIN。而反馈电压V_FBIN与预设电压V_TAR0比较后，控制补偿电压V_COM的增加或是减少。在电源管理器30到达输出电压V_OUT大致稳定时，补偿电压V_COM应该维持不变，反馈电压V_FBIN与预设电压V_TAR0相等。

转换器44将峰值信号V_CS-P转换成负载补偿电流I-_OffSet。转换器44中有电压电流转换器64以及低通滤波器60。电压电流转换器把峰值信号V_CS-P转换成相对应的电流I_OS。低通滤波器60执行低通滤波，产生负载补偿电流I-_OffSet。稍后将举例说明电压电流转换器64以及低通滤波器60。

请参照图1与图2，负载补偿电流I-_OffSet从反馈点FB汲取一偏差电流。电源管理器30会使图1中的电源供应器8中，在放电时的辅助绕组AUX跨压V_AUX，朝一目标电压V_AUX-TAR逼近；相对的，也是使在放电时的次级侧绕组SEC跨压V_SEC朝另一个目标电压V_SEC-TAR逼近。目标电压V_AUX-TAR与目标电压V_SEC-TAR的比例会是辅助绕组AUX与次级侧绕组SEC的圈数比。目标电压V_AUX-TAR以及负载补偿电流I-_OffSet需要符合以下公式(I)。

V_FB＝V_AUX-TAR*R₁₃/(R₁₃+R₁₄)-I-_OffSet*R₁₃*R₁₄/(R₁₃+R₁₄)

V_FB＝V_FBIN＝V_TAR0

V_AUX-TAR＝I-_OffSet*R₁₄+V_TAR0*(R₁₃+R₁₄)/R₁₃ ......(I)

R₁₃与R₁₄分别表示电阻13与14的阻值。从公式(1)中可以发现，当负载补偿电流I-_OffSet越高时，目标电压V_AUX-TAR也就越高，目标电压V_SEC-TAR也越高。

在输出电压V_OUT大致稳定时，电源供应器8提供一稳定的输出功率，所以峰值信号V_CS-P大约维持固定。此时，峰值信号V_CS-P也对应到电流I_OS以及负载补偿电流I-_OffSet。而负载补偿电流I-_OffSet越高，目标电压V_SEC-TAR也越高。所以在输出电压V_OUT大致稳定时，输出功率越高，目标电压V_SEC-TAR也越高，达到了负载补偿的目的。

当输出电压V_OUT还没有稳定时，峰值信号V_CS-P也许变化很快，而图2中的低通滤波器60可以限制负载补偿电流I-_OffSet的变化速度。只要一正回馈回圈中的一信号的变化速度被限制了，就可能可以减少或是消灭正回馈回圈可能导致的震荡的可能性。因此，低通滤波器60可能减小或是消灭负载补偿所导致的震荡的可能性。

图3显示图2中的峰值检测器42以及电压电流转换器64。当功率开关15被从导通变成关闭时，峰值检测器42中的开关也从导通变成关闭，所以电容上的峰值信号V_CS-P，将大约会是电流检测信号V_CS的峰值。电压电流转换器64中具有一运算放大器、一NMOS晶体管、以及电流镜(currentmirror)63，其操作原理为本领域技术人员可推知，不再重述。电压电流转换器64可以使电流I_OS大约与峰值信号V_CS-P等比例。

图4举例图2中的低通滤波器60。随着在闸点GATE上信号V_GATE的切换，开关式低通滤波器61会使NMOS 66的栅极电压，慢慢的追随NMOS68的栅极电压。当两栅极电压相同时，NMOS 66与68就构成了一个电流镜(current mirror)。

在图2的实施例中，峰值信号V_CS-P作为输出功率的指标，来产生负载补偿电流I-_OffSet。在另一个实施例中，可以以补偿电压V_COM作为输出功率的指标，据以产生电流I_OS以及负载补偿电流I-_OffSet。

在轻载或是无载开机的过程中，电源管理器一开始会认定当下的负载为重载。如果此时负载补偿马上就实施，目标电压V_SEC-TAR以及目标电压V_AUX-TAR都会非常的高。如此，很容易就会使得输出电压V_OUT过冲(overshoot)，而延后了输出电压V_OUT达到稳定的时间点。

图2中的比较器70以及负载补偿控制电路62可以解决开机时输出电压V_OUT可能过冲的问题。基本上来说，在开机一开始时，比较器70以及负载补偿控制电路62没有实施负载补偿。直等到输出电压V_OUT到一定程度时，或是快到所希望的稳定电压时，才渐渐地引入负载补偿的效果。

请看图5，由上而下，依序显示图2中的反馈电压V_FBIN、信号S_EN、斜坡信号S_SC、峰值信号V_CS-P、以及负载补偿电流I-_OffSet。反馈电压V_FBIN等于变压器放电时的反馈电压V_FB，也大致可以视为对应到输出电压V_OUT。在时间点t_S之前，峰值信号V_CS-P大致维持在一最大值，反馈电压V_FBIN随着输出电压V_OUT上升而上升。此时，因为反馈电压V_FBIN小于预设值V_REF，所以信号S_EN为逻辑上的0，斜坡信号S_SC维持在0V，而负载补偿电流I-_OffSet被强制为0，没有实施负载补偿。

在时间点t_S时，反馈电压V_FBIN高过预设值V_REF，信号S_EN逻辑值转为1，斜坡信号S_SC开始缓缓的上升，也导致了负载补偿电流I-_OffSet缓缓的增加。换言之，负载补偿渐渐地被引入。这一段斜坡信号S_SC的时间，称为缓补偿时间T_SC。

在时间点t_E之后，斜坡信号S_SC到达最高点，负载补偿就完整的被引入，负载补偿电流I-_OffSet受控于峰值信号V_CS-P。

在图2中，负载补偿控制电路62是通过电压电流转换器64以及低通滤波器60，才影响到负载补偿电流I-_OffSet。在另一个实施例中，负载补偿控制电路62直接控制低通滤波器60，也就是他们之间没有电压电流转换器64。

在一实施例中，预设值V_REF很接近，但是低于预设电压V_TAR0，如同图5所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明的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

1.一种负载补偿的控制方法，适用于一电源供应器，用以对一负载供电，该控制方法包含有：

提供一负载信号，大致对应该电源供应器对该负载所提供的一输出功率；

对该负载信号进行低通处理，以产生一负载补偿信号；

通过一反馈点，提供一反馈电压，该反馈点耦接至该电感元件；以及

依据该反馈电压，控制该输出功率，以使该电感元件的一跨压朝该目标电压逼近；

其中，当该负载补偿信号越高时，该目标电压越高。

2.如权利要求1所述的控制方法，其中，该电源供应器具有一初级侧绕组，该控制方法包含有：

检测流经该初级侧绕组的电流；以及

检测流经该初级侧绕组的电流峰值，作为该负载信号。

3.如权利要求1所述的控制方法，其中，该负载补偿信号为从该反馈点汲取的一偏差电流，该反馈点通过一电阻耦接至该电感元件，控制该输出功率的方法包含有：

比较该反馈电压以及一固定的参考电压，以控制该输出功率。

4.如权利要求1所述的控制方法，其中，对该负载信号进行低通处理的步骤，包含有：

提供一开关式低通滤波器，来进行低通处理。

5.如权利要求1所述的控制方法，该控制方法还包含有：

比较该反馈电压以及一预设值；以及

当该反馈电压低于该预设值时，强制使该负载补偿信号为0。

6.如权利要求5所述的控制方法，还包含有：

于该跨压高于该预设值后的一缓补偿时间内，使该负载补偿信号渐渐地增加。

7.一种具有负载补偿的电源管理器，适用于控制一电源供应器，用以对一负载供电，该电源管理器包含有：

一转换器，具有一第一点接收一负载信号，以及一第二点输出一负载补偿信号，用以将该负载信号转换成该负载补偿信号，其中，该负载信号大致对应该电源供应器对该负载所提供的一输出功率，该转换器具有一低通滤波器，耦接于该第一点与该第二点之间；以及

一控制电路，通过一反馈点耦接至一电感元件，并依据该反馈点所提供的一反馈电压以及一预设电压，控制该输出功率，以使一电感元件的一跨压朝一目标电压逼近；

其中，该负载补偿信号越大，该目标电压越高。

8.如权利要求7所述的电源管理器，其中，该转换器包含有：

一电压电流转换器，耦接于该第一点与该低通滤波器之间，用以将该负载信号转换成一第一电流信号；

其中，该低通滤波器接收该第一电流信号，产生一被低通滤波过后的一第二电流信号，作为该负载补偿信号。

9.如权利要求7所述的电源管理器，其中，该负载补偿信号从该反馈点汲取一偏差电流，该反馈点通过一电阻耦接至一电感元件，该控制电路包含有：

一取样器，用以取样于该反馈点上的一反馈电压，以产生一输入电压；以及

一比较器，比较该输入电压以及一第一参考电压，用以调整一补偿电压。

10.如权利要求7所述的电源管理器，其中，该低通滤波器为一开关式低通滤波器。

11.如权利要求7所述的电源管理器，其中，该电源管理器还包含有：

一比较器，比较该反馈电压以及一预设值；以及

一负载补偿控制电路，耦接至该转换器，当该反馈电压低于该预设值时，强制使该负载补偿信号为0。

12.如权利要求11所述的电源管理器，其中，在该反馈电压高于该预设值后的一缓补偿时间内，该负载补偿控制电路使该负载补偿信号渐渐地增加。