CN103050945B - 电源控制器以及电源管理控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例公开电源控制器与电源管理控制方法，适用于一电源供应器。一公开的电源控制器包含有一时钟产生器、一低频时钟产生器、以及一保护电路。该时钟产生器提供一计时信号，具有一时钟频率，可用以周期性地开关一功率开关。该低频时钟产生器提供一低时钟信号，其具有一低频频率，小于该时钟频率。该保护电路，包含有一过功率检测电路以及一逻辑电路。该过功率检测电路依据一反馈信号，判别一过功率事件是否发生。该反馈信号大致受控于该电源供应器的一输出电压。当该过功率事件持续发生一过功率容忍时间后，该逻辑电路使该功率开关隔绝于该时钟信号，以持续关闭该功率开关。该过功率容忍时间依据该低时钟信号来计数决定。

Description

电源控制器以及电源管理控制方法
技术领域
本发明涉及用于电源供应器中的电源管理器以及相关的控制方法，尤其涉及可以提供许多不同保护的电源管理器与控制方法。
背景技术
电源供应器为大多电子产品所必备的一种电子装置，用来将电池或是市电，转换成电子产品所需求且具有特定规格的电源。在众多的电源供应器中，开关式电源供应器具有优越的电能转换效率以及小巧的产品体积，所以广受电源业界所欢迎。
图1显示一传统的开关式电源供应器，采用返驰式架构。桥式整流器20把从交流端AC来的市电，大致整流产生直流的输入电压VIN，位于输入电源端IN。功率开关34开启时，变压器中初级侧绕组PRM储能；功率开关34关闭时，变压器中次级侧绕组SEC与辅助绕组AUX释能。次级侧绕组SEC释能在输出端OUT上建立输出电压VOUT，对负载24供电。类似的，操作电源端VCC上会建立出操作电源VCC，对电源控制器26供电。反馈电路30，譬如说包含有光耦合器(photocoupler)以及LT431等，检测输出电压VOUT，据以在补偿电容32的反馈端FB上建立反馈信号VFB。电源控制器26依据反馈信号VFB来决定整个电源供应器的能量转换量。通过电阻38与36，电流检测端CS上的电流检测信号VCS，大致对应了流经初级侧电感PRM以及功率开关34的电感电流IPRM。
图1中的开关式电源供应器往往是一直接在交流端AC，因此，需要有许多安全防护措施，来预防一些不正常(fault)状况所可能导致的危险结果。一般所广为业界所熟知的保护有输出过高压保护(over-voltageprotection，OVP)、过电流保护(overcurrentprotection，OCP)、过负载保护(overloadprotection，OLP)等。
发明内容
本发明的实施例公开一种电源控制器，适用于一电源供应器，包含有一时钟产生器、一低频时钟产生器、以及一保护电路。该时钟产生器提供一计时信号，具有一时钟频率，可用以周期性地开关一功率开关。该低频时钟产生器提供一低时钟信号，其具有一低频频率，小于该时钟频率。该保护电路，包含有一过功率检测电路以及一逻辑电路。该过功率检测电路依据一反馈信号，判别一过功率事件是否发生。该反馈信号大致受控于该电源供应器的一输出电压。当该过功率事件持续发生一过功率容忍时间后，该逻辑电路使该功率开关隔绝于该时钟信号，以持续关闭该功率开关。该过功率容忍时间依据该低时钟信号来计数决定。
本发明的实施例公开一种电源管理控制方法，包含有：依据具有一时钟频率的一计时信号，周期性地开关一功率开关；提供一低时钟信号，其具有一低频频率，小于该时钟频率；依据一反馈信号，判别一过功率事件是否发生，其中，该反馈信号大致受控于一电源供应器的一输出电压；当该过功率事件发生后，以该低时钟信号计数，以产生一第一计数结果；以及，当该计数结果指出该过功率事件持续发生超过一过功率容忍时间后，使该功率开关隔绝于该时钟信号，以持续关闭该功率开关。
附图说明
图1显示一传统的开关式电源供应器。
图2为依据本发明所实施的一电源控制器。
图3举例抖频信号STB、计时信号SCLK、以及低时钟信号SSCLK。
图4与图5显示可用于图2中的两种保护电路。
【主要元件符号说明】
20桥式整流器
24负载
26、26a电源控制器
30反馈电路
32补偿电容
34功率开关
36、38电阻
40补偿电阻
42、44分压电阻
60慢时钟产生器
62快时钟产生器
64SR触发器
66比较器
68可控制的电流源
70比较器
72、72a保护电路
74逻辑门
78、82、86比较器
80、84、88计数器
90SR触发器
AC交流端
AUX辅助绕组
CS电流检测端
FB反馈端
GATE门端
IBIAS偏压电流
IN输入电源端
OUT输出端
PRM初级侧绕组
SCLK计时信号
SEC次级侧绕组
SPG电源备妥信号
SPRO保护信号
SSCLK低时钟信号
STB抖频信号
VBIAS-REF参考电压
VCC操作电源端
VCC-REF过低压参考电压
VDD电压端
VOCP-REF过电流参考电压
VOPP-REF过功率参考电压
具体实施方式
图2为依据本发明所实施的电源控制器26a。以下将以电源控制器26a取代图1中的电源控制器26，作为一实施例来解释本发明，但本发明并不限于此实施例。
电源控制器26a有两个时钟产生器：快时钟产生器62以及慢时钟产生器60。快时钟产生器62提供计时信号SCLK，以时钟频率fCLK，周期性设定SR触发器64。当保护信号SPRO为禁能时，计时信号SCLK可以通过门端GATE，周期性地开启功率开关34。慢时钟产生器60提供抖频信号STB，以慢时钟频率fSCLK来周期性地调整时钟频率fCLK。举例来说，抖频信号STB使时钟频率fCLK有65～55KHz的周期变化，变化的频率，也就是慢时钟频率fSCLK，则是400Hz。慢时钟产生器60也提供低时钟信号SSCLK，具有慢时钟频率fSCLK，给予保护电路72。
由上而下，图3举例抖频信号STB、计时信号SCLK、以及低时钟信号SSCLK。从图3中可见，抖频信号STB越高，计时信号SCLK的时钟频率fCLK越高。在一实施例中，慢时钟频率fSCLK随着时钟频率fCLK上升而上升。譬如说，当时钟频率fCLK大约是60KHz时，慢时钟频率fSCLK为400Hz；当时钟频率fCLK大约是20KHz时，慢时钟频率fSCLK为133Hz。在另一个实施例中，慢时钟频率fSCLK独立于时钟频率fCLK。譬如说，不论时钟频率fCLK是20或是60KHz，慢时钟频率fSCLK都维持在400Hz。
图2中，保护电路72检测操作电源端VCC、电流检测端CS、与反馈端FB，以低时钟信号SSCLK为时钟来判别时间长短，据以产生保护信号SPRO。当保护信号SPRO被致能(asserted)时，逻辑门74隔绝了功率开关34与计时信号SCLK，持续的关闭功率开关34。所以图1中的电源供应器就停止后续的电源转换。
补偿电阻40连接在电压端VDD与反馈端FB之间。通过分压电阻42以及44，以及比较器66，反馈端FB上的反馈信号VFB可以大约限定在电流检测端CS的电流检测信号VCS的峰值。如同先前所述，反馈信号VFB通过反馈电路30，受控于输出电压VOUT。
比较器70与可控制的电流源68可以改善在保护差不多发生时，从输出端OUT所输出的功率会随输入电压VIN不同而飘移的现象。在图2中，当反馈信号VFB高于参考电压VBIAS-REF时，可控制的电流源68可以提供偏压电流IBIAS，从电流检测端CS流出电源控制器26a，然后经过电阻38与36到初级侧的接地端。偏压电流IBIAS依据功率开关34的工作比例(dutyratio)D而产生，用来调整电流检测信号VCS。工作比例一般是定义为开启时间TON除以工作周期。在一实施例中，工作比例(dutyratio)D越小，也就是功率开关34的开启时间TON越短，偏压电流IBIAS越大。偏压电流IBIAS以及电阻38，可以改善保护发生时，从输出端OUT所输出的电流或是功率会随输入电压VIN不同而改变的现象。当反馈信号VFB低于参考电压VBIAS-REF时，可控制的电流源68所提供的电流无法流到电流检测端CS，所以偏压电流IBIAS为0。如此设计，可以降低电源控制器26a在轻载或是无载时所消耗的功率。
图4显示图2中的保护电路72，包含有三个比较器78、82、以及86，三个计数器80、84以及88，与SR触发器90。当电源控制器26a的操作电压VCC达一定程度时，电源备妥(powergood)信号SPG会使SR触发器90所输出的保护信号SPRO的初使状态为禁能。
比较器78可以视为一过功率检测电路，其比较反馈信号VFB与一过功率参考电压VOPP-REF，用以判别过功率事件是否发生。当反馈信号VFB低于过功率参考电压VOPP-REF时，过功率事件视为没有发生，计数器80被清空或是重置，回复到0。反馈信号VFB会随着负载24的增大而上升。当反馈信号VFB高过过功率参考电压VOPP-REF时，过功率事件发生，计数器80依据低时钟信号SSCLK，开始计数。当计数器80的计数结果达一预定数目时，意味着过功率事件持续发生了一过功率容忍时间，计数器80就通过SR触发器90，致能保护信号SPRO，进而使持续关闭了功率开关34。如此，过功率容忍时间依据低时钟信号SSCLK来计数决定。
类似的，比较器82可以视为一过电流检测电路，其比较电流检测信号VCS与过电流参考电压VOCP-REF，用以判别过电流事件是否发生。当负载24增大而反馈信号VFB上升时，电流检测信号VCS的峰值也会一起上升。一旦电流检测信号VCS高过过电流参考电压VOCP-REF时，判定过电流事件发生，计数器84开始计数。当计数器84的计数结果达一预定数目时，意味着过电流事件持续发生一过电流容忍时间，计数器84致能保护信号SPRO，进而持续关闭了功率开关34。过电流容忍时间依据低时钟信号SSCLK来计数决定。
在一实施例中，在过电流事件大约发生时，时钟频率fCLK约是60KHz；在过功率事件大约发生时，时钟频率fCLK约是120KHz。
比较器86可以视为一过低压检测电路，其比较操作电压VCC与过低压参考电压VCC-REF，用以判别过低压事件是否发生。当负载24突然呈现短路时，变压器所存储的能量几乎都无法释放。因为缺乏电压器释放能量来支撑，操作电压VCC将会随时间而下降。操作电压VCC便可以被视为一指标，来触发相关的保护机制。当操作电压VCC低过过低压参考电压VCC-REF时，判别过低压事件发生，计数器88开始计数。当计数器88的计数结果达一预定数目时，意味着过低压事件持续发生一过低压容忍时间，计数器88致能保护信号SPRO，进而持续关闭了功率开关34。过低压容忍时间依据低时钟信号SSCLK来计数决定。
在图4中，只要过负载、过电流、或是过低压容忍时间任何一个一超过，保护信号SPRO就被致能。但是，保护机制的逻辑判断并不限于图4中的实施例。在另一个实施例中，过负载、过电流、或是过低压容忍时间全部超过了，保护信号SPRO才被致能。图5显示另一个保护电路72a，在一实施例中，可以取代保护电路72。在图5中，计数器88只有在过低压事件以及过负载事件都发生后，才开始计数。在本发明的一实施例中，也可使计数器88只有在过低压事件以及过电流事件都发生后，才开始计数，其实施方式与图5相似，将图4中比较器82与比较器86的输出以与门(AND)连接后再连接至计数器88即可。
使用低时钟信号SSCLK作为时钟，可能可以有效减少电路成本。OLP、OCP与过低压保护机制，一般都是要在不正常状况发生持续超过数个毫秒后，才能够确认而触发。举例来说，如果过负载保护是在过负载事件发生持续10毫秒后才触发，那以400Hz的低时钟信号SSCLK作为时钟，就只要计数4次，大约两个D触发器(Dflip-flop)就够了。如果以60KHz的计时信号SCLK为时钟，那就要计数600次，需要高达9个D触发器。因此，相比较下，使用低时钟信号SSCLK作为时钟，确实可以相当的减少电路成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (14)

1.一种电源控制器，适用于一电源供应器，包含有：
一时钟产生器，用以提供一计时信号，具有一时钟频率，可用以周期性地开关一功率开关；
一低频时钟产生器，提供一低时钟信号，其具有一低频频率，小于该时钟频率；
一保护电路，包含有：
一过功率检测电路，依据一反馈信号，判别一过功率事件是否发生，其中，该反馈信号受控于该电源供应器的一输出电压；以及
一逻辑电路，当该过功率事件持续发生一过功率容忍时间后，使该功率开关隔绝于该计时信号，以持续关闭该功率开关；
其中，该过功率容忍时间依据该低时钟信号来计数决定。
2.如权利要求1所述的电源控制器，其中，该电源供应器包含有一电感元件，该保护电路包含有：
一过电流保护电路，依据一电流检测信号，判别一过电流事件是否发生，其中，该电流检测信号对应流经该电感元件的一电感电流；
其中，当该过电流事件持续发生超过一过电流容忍时间后，该逻辑电路使该功率开关隔绝于该计时信号，以持续关闭该功率开关，该过电流容忍时间依据该低时钟信号来计数决定。
3.如权利要求2所述的电源控制器，其中，当该过功率事件发生时，该时钟频率为一第一时钟频率，当该过电流事件发生时，该时钟频率为一第二时钟频率，其中，该第一时钟频率为该第二时钟频率的两倍。
4.如权利要求1所述的电源控制器，其中，该电源控制器被一操作电源所供电，该保护电路包含有：
一过低压检测电路，依据该操作电源的一操作电压，判别一过低压事件是否发生；
其中，当该过低压事件持续发生超过一过低压容忍时间后，该逻辑电路使该功率开关隔绝于该计时信号，以持续关闭该功率开关，该过低压容忍时间依据该低时钟信号来计数决定。
5.如权利要求1所述的电源控制器，其中，该电源供应器包含有一电感元件，该电源控制器还包含有：
一电流检测端，耦接以检测流经该电感元件的电感电流；以及
一可控制的电流源，依据该功率开关的一工作比例(dutyratio)，提供一偏压电流从该电流检测端流出该电源控制器。
6.如权利要求5所述的电源控制器，其中，当该反馈信号低于一预设值时，该偏压电流固定为0。
7.如权利要求1所述的电源控制器，其中，该低频时钟产生器为一抖频控制器，用以周期性地调整该时钟频率。
8.如权利要求7所述的电源控制器，其中，该低频频率随该时钟频率增大而增大。
9.如权利要求7所述的电源控制器，其中，该低频频率独立于该时钟频率。
10.一种电源管理控制方法，包含有：
依据具有一时钟频率的一计时信号，周期性地开关一功率开关；
提供一低时钟信号，其具有一低频频率，小于该时钟频率；
依据一反馈信号，判别一过功率事件是否发生，其中，该反馈信号受控于一电源供应器的一输出电压；
当该过功率事件发生后，以该低时钟信号计数，以产生一第一计数结果；以及
当该计数结果指出该过功率事件持续发生超过一过功率容忍时间后，使该功率开关隔绝于该计时信号，以持续关闭该功率开关。
11.如权利要求10所述的电源管理控制方法，包含有：
检测流经一电感元件的一电感电流，以产生一电流检测信号；
依据该电流检测信号，判别一过电流事件是否发生；
当该过电流事件发生后，以该低时钟信号计数，以产生一第二计数结果；以及
当该第二计数结果指出该过电流事件持续发生一过电流容忍时间后，使该功率开关隔绝于该计时信号，以持续关闭该功率开关。
12.如权利要求10所述的电源管理控制方法，包含有：
提供一操作电源，对一电源控制器供电；
依据该操作电源的一操作电压，判别一过低压事件是否发生；
当该过低压事件发生后，以该低时钟信号计数，以产生一第二计数结果；以及
当该第二计数结果指出该过低压事件持续发生该过低压容忍时间后，使该功率开关隔绝于该计时信号，以持续关闭该功率开关。
13.如权利要求10所述的电源管理控制方法，还包含有：
检测流经一电感元件的一电感电流，以产生一电流检测信号；以及
依据该功率开关的一工作比例(dutyratio)，调整该电流检测信号。
14.如权利要求10所述的电源管理控制方法，还包含有：
依据该低频频率，周期性地调整该时钟频率。
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