CN103546037A - 适用于初级侧控制的恒定电流控制单元及相关的控制方法 - Google Patents

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Abstract

适用于初级侧控制的恒定电流控制单元及相关的控制方法，适用于初级侧控制的一开关式电源供应器。该开关式电源供应器包含有一开关元件以及一电感元件。该恒定电流控制单元包含有一电压波形检测器以及一恒定电流控制器。依据一反馈电压信号以及一延迟信号，该电压波形检测器产生该电感元件于该开关元件关闭时的一放电时间。该反馈电压信号对应该电感元件的一反射电压。该延迟信号是将该反馈电压信号延迟而产生。依据该放电时间以及一电流检测信号，该恒定电流控制器产生一积分结果。该积分结果用来控制该开关元件，以稳定该开关电源供应器的最大输出电流。

Description

适用于初级侧控制的恒定电流控制单元及相关的控制方法
技术领域
本发明涉及初级侧控制的开关式电源供应器。
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。
目前开关式电源供应器中，有两种不同的控制方式：初级侧控制(primaryside control，PSC)以及次级侧控制(secondary side control，SSC)。SSC直接在一电源供应器的一次级侧绕组所输出的一输出端耦接上检测电路，然后通过光耦合器(photo coupler)，将检测结果传送到位于初级侧的电源控制器，藉以控制这电源供应器在初级侧绕组所要存储与转换的能量。相对于SSC，PSC是通过直接检测在一辅助绕组上的反射电压，来间接的检测次级侧绕组所输出的电压，也间接地完成了检测电源供应器的一输出端的输出电压。PSC的检测以及转换能量的控制，都在初级侧完成。相较于SSC，PSC可能比较节省成本，因为不需要体积与费用都较大的光耦合器；PSC转换效率可能比较高，因为没有在次级侧会固定耗能的检测电路。
图1为一种已知的开关式电源供应器10，采用PSC。桥式整流器(bridgerectifier)20把市电来的交流(alternative current)市电AC转换成直流的输入电源VIN。输入电源VIN的电压可能具有M形波形，也可能被滤波成大致不随时间变化的一定值。电源控制器26通过驱动端GATE，周期性地控制功率开关34。功率开关34开启时，变压器的初级侧绕组PRM进行储能。当功率开关34关闭时，变压器的次级侧绕组SEC以及辅助绕组AUX释能，以建立输出电源VOUT给负载24以及操作电源VCC给电源控制器26。
分压电阻28与30检测辅助绕组AUX的跨压VAUX，提供反馈电压信号VFB给电源控制器26的反馈端FB。当功率开关34关闭时，跨压VAUX也就是次级侧绕组SEC的跨压的一反射电压。依据反馈电压信号VFB，电源控制器26在补偿电容32上建立补偿电压VCOM，并据以控制功率开关34。通过电流检测端CS，电源控制器26也检测电流检测电阻36上的电流检测电压VCS，其反应流经功率开关34以及初级侧绕组PRM的流通电流IPRM。
图2显示图1中的闸信号VGATE、反馈电压信号VFB、以及次级侧输出电流ISEC。只要电源控制器26可以得知次级侧输出电流ISEC-的峰值以及次级侧绕组SEC的真实放电时间TDIS-R，电源控制器26便能推导出次级侧在一次开关周期内的输出电量跟平均输出电流，并用以判断是否超过一预设的最大输出电流。
一种已知的放电时间检测方式，是检测反馈电压信号VFB，在闸信号VGATE等于0时(也就是功率开关34关闭时)，第一次掉过约0伏特的时间点，得到预估放电时间TDIS-E，作为真实放电时间TDIS-R的预估值。事实上，如图2所示，预估放电时间TDIS-E是跟所想要的真实放电时间TDIS-R是有一段差距的。这样的差距会导致电源控制器26误判当下次级侧的平均输出电流。这样的差距也导致了开关式电源供应器10的最大输出电流不能很精确地等于那预设的最大输出电流。
本说明书中，具有相同的符号元件或装置，为具有相同或是类似功能、结构、或特性的元件或是装置，为业界人士能以具本说明书的教导而得知或推知，但不必然完全的相同。为简洁缘故，不会重复说明。
发明内容
本发明的实施例揭示一种恒定电流控制单元，适用于初级侧控制的一开关式电源供应器。该开关式电源供应器包含有一开关元件以及一电感元件。该恒定电流控制单元包含有一电压波形检测器以及一恒定电流控制器。依据一反馈电压信号以及一延迟信号，该电压波形检测器产生该电感元件于该开关元件关闭时的一放电时间。该反馈电压信号对应该电感元件的一反射电压。该延迟信号是将该反馈电压信号延迟而产生。依据该放电时间以及一电流检测信号，该恒定电流控制器产生一积分结果。该积分结果用来控制该开关元件，以稳定该开关电源供应器的最大输出电流。
本发明的实施例揭示一种控制方法，适用于初级侧控制的一开关式电源供应器。该开关式电源供应器包含有一开关元件以及一电感元件。该控制方法包含有：检测一反馈电压信号，该反馈电压信号对应该电感元件的一反射电压；延迟该反馈电压信号，以产生一延迟信号；依据该反馈电压信号以及该延迟信号，产生该电感元件于一关闭时间内的一放电时间；以及，依据该放电时间以及一电流检测信号，稳定该开关电源供应器的一最大输出电流。该电流检测信号对应流经该电感元件的一流通电流。
附图说明
图1为一种已知的开关式电源供应器。
图2显示图1中的闸信号VGATE、反馈电压信号VFB、以及次级侧输出电流ISEC。
图3举例一依据本发明所实施的电源控制器。
图4举例图3中的恒定电流控制单元。
图5显示图1以及图4中的一些信号波形。
【主要元件符号说明】
10       开关式电源供应器
20       桥式整流器
24       负载
26、27   电源控制器
28、30   分压电阻
32       补偿电容
34       功率开关
36       电流检测电阻
38       保护单元
40       恒定电流控制单元
42       定电压控制单元
44       逻辑控制单元
60       电压波形检测器
62       恒定电流控制器
64       低通滤波器
66       比较器
68       波形逻辑控制
70           电阻
72           电容
74           积分器
76           判断电路
78           峰值检测器
80           电容
82           充电电流源
84           电压控制电流源
86           开关
AC           市电
AUX          辅助绕组
COMP         补偿端
CS           电流检测端
FB           反馈端
GATE         驱动端
GND          接地端
IPRM         流通电流
ISEC         次级侧输出电流
PRM          初级侧绕组
SDET         检测结果信号
SDIS         放电信号
SEC          次级侧绕组
TDIS-E       预估放电时间
TDIS-E-NEW   放电时间
TDIS-R       真实放电时间
TDLY         延迟时间
TOFF         关闭时间
VCC          操作电源
VCC          操作电源端
VCOM         补偿电压
VCS          电流检测电压
VCS-PEAK        峰值电压
VDLY            延迟信号
VFB             反馈电压信号
VGATE           闸信号
VIN             输入电源
VOUT            输出电源
VRESULT         积分结果电压
具体实施方式
图3举例一依据本发明所实施的电源控制器27之内部结构。以下以电源控制器27取代图1的电源控制器26，做为本发明的一实施例。图1的开关式电源供应器10并不用来限制本发明的实施。
电源控制器27中有保护单元38、恒定电流控制单元40、定电压控制单元42、以及逻辑控制单元44。逻辑控制单元44依据保护单元38、恒定电流控制单元40、与定电压控制单元42的输出结果，通过驱动端GATE，来开关功率开关34。
尽管保护单元38、恒定电流控制单元40、定电压控制单元42分别都耦接到反馈端FB以及电流检测端CS，但是它们分别执行不同的功能。保护单元38负责检测异常事件，譬如过电压、输出短路等事件等，的发生，以提供整个开关式电源供应器的保护机制。恒定电流控制单元40则使开关式电源供应器10流入负载24的电流，也就是次级侧的平均输出电流不大于一最大值。换句话说，恒定电流控制单元40稳定开关式电源供应器10的最大平均输出电流。在平均输出电流小于最大平均输出电流时，定电压控制单元42用来稳定输出电源VOUT的电压。
图4举例图3中的恒定电流控制单元40，其包含有电压波形检测器60以及恒定电流控制器62。电压波形检测器60产生放电信号SDIS，或是放电时间TDIS-E-NEW。恒定电流控制器62依据放电时间TDIS-E-NEW执行最高平均输出电流控制。
电压波形检测器60有低通滤波器64、比较器66以及波形逻辑控制68。低通滤波器64以电阻70以及电容72，对反馈电压信号VFB进行低通滤波，以产生延迟信号VDLY。低通滤波器64等效上，是大约把反馈电压信号VFB延迟了一电阻电容固定时间，而得到了延迟信号VDLY。比较器66比较反馈电压信号VFB以及延迟信号VDLY。当反馈电压信号VFB低于延迟信号VDLY达一定程度时，比较器66提供检测结果信号SDET。此时可以视为反馈电压信号VFB已经开始急遽转折向下，次级侧应该是刚刚放电完毕。波形逻辑控制68可以依据闸信号VGATE以及检测结果信号SDET，产生放电信号SDIS，估算出功率开关34关闭时的放电时间TDIS-E-NEW。
恒定电流控制器62中有积分器74、峰值检测器78、以及判断电路76。峰值检测器78用来检测电流检测电压VCS，在功率开关34开启时的峰值电压(peak voltage)VCS-PEAK。积分器74有充电电流源82、开关86、电压控制电流源84以及电容80。开关86受放电信号SDIS所控制，只有在放电时间TDIS-E-NEW时才导通，其他时间为关闭。电压控制电流源84依据峰值电压VCS-PEAK，来产生下拉电流IDN，只有在放电时间TDIS-E-NEW内对电容80放电。因此，电容80记忆了下拉电流IDN跟放电时间TDIS-EST-NEW的积分结果。类似的，充电电流源82提供充电电流IUP，对电容80持续充电。所以，电容80也记忆了充电电流IUP在整个开关周期中的积分结果。视电容80的积分结果电压VRESULT随着开关周期的增加而上升或是下降，就可以判断出当下次级侧的平均输出电流是否超过充电电流IUP所对应的一预设的最大平均输出电流。因此判断电路76可以依据积分结果电压VRESULT是否落于一定的范围，来稳定开关式电源供应器10的最大输出电流。
图5显示图1以及图4中的一些信号波形。除了显示跟图2中一样的闸信号VGATE、反馈电压信号VFB、以及次级侧输出电流ISEC之外，图5还额外显示了延迟信号VDLY、放电信号SDIS以及积分结果电压VRESULT。延迟信号VDLY旁也以虚线重复了反馈电压信号VFB，以方便作为比较。延迟信号VDLY大约延迟了反馈电压信号VFB约一延迟时间TDLY。如图5所示，几乎所有延迟信号VDLY的上升沿与下降沿都晚了反馈电压信号VFB约延迟时间TDLY。这延迟时间TDLY大约比例于低通滤波器64中的RC固定时间。闸信号VGATE开始将功率开关34关闭时，为关闭时间TOFF的开始。此时，放电信号SDIS转态为1，表示放电时间TDIS-E-NEW的开始。如同图5所示，当反馈电压信号VFB因为变压器放电结束而快速下降时，延迟信号VDLY因为延迟的效果，所以依然大致平稳地维持在一定的高电压。一旦反馈电压信号VFB低过延迟信号VDLY一定程度时，放电信号SDIS转态为0，宣告放电时间TDIS-E-NEW的结束。
在放电时间TDIS-E-NEW内，因为下拉电流IDN大于充电电流IUP，所以积分结果电压VRESULT渐渐下降。其他时间内，只有充电电流IUP对电容80充电，所以积分结果电压VRESULT渐渐上升。如果积分结果电压VRESULT过低，可能表示当下次级侧的平均输出电流超过预设的最大输出电流。
图5中也显示了图2中以已知的方法所得到的预估放电时间TDIS-E。本发明的实施例不用等到反馈电压信号VFB低到0伏特，就可以比较早地推知放电时间TDIS-E-NEW的结束。从预估放电时间TDIS-E与放电时间TDIS-E-NEW的比较也可以知道，依据本发明所推知的放电时间TDIS-E-NEW，会比较接近真实放电时间TDIS-R，所以能够达到比较精准的最大输出电流控制。
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 (12)

1.一种恒定电流控制单元，适用于初级侧控制的一开关式电源供应器，该开关式电源供应器包含有一开关元件以及一电感元件，该恒定电流控制单元包含有：
一电压波形检测器，依据一反馈电压信号以及一延迟信号，来产生该电感元件于该开关元件关闭时的一放电时间，其中该反馈电压信号对应该电感元件的一反射电压，该延迟信号是将该反馈电压信号延迟而产生；以及
一恒定电流控制器，依据该放电时间以及一电流检测信号来产生一积分结果；
其中，该积分结果用来控制该开关元件，以稳定该开关电源供应器的最大输出电流。
2.如权利要求1所述的恒定电流控制单元，其中，该电压波形检测器包含有：
一低通滤波器，低通滤波该反馈电压信号，以产生该延迟信号。
3.如权利要求1所述的恒定电流控制单元，其中，波形检测器包含有：
一比较器，用以比较该反馈电压信号以及该延迟信号，并据以产生一检测结果；以及
一低通滤波器，具有一电阻以及一电容，依据该反馈电压信号，以产生该延迟信号。
4.如权利要求1所述的恒定电流控制单元，其中，该恒定电流控制器包含有：
一积分器，包含有：
一可控制的电流源，依据该电流检测信号来产生一下拉电流；以及
一电容，用来存放该下拉电流于该放电时间内的该积分结果。
5.如权利要求4所述的恒定电流控制单元，其中，该积分器还包含有：
一充电电流源，用以提供一充电电流，对该电容充电。
6.一种控制方法，适用于初级侧控制的一开关式电源供应器，该开关式电源供应器包含有一开关元件以及一电感元件，该控制方法包含有：
检测一反馈电压信号，该反馈电压信号对应该电感元件的一反射电压；
延迟该反馈电压信号，以产生一延迟信号；
依据该反馈电压信号以及该延迟信号，产生该电感元件于一关闭时间内的一放电时间；以及
依据该放电时间以及一电流检测信号，稳定该开关电源供应器的一最大输出电流；
其中，该电流检测信号对应流经该电感元件的一流通电流。
7.如权利要求6所述的控制方法，其中，延迟该反馈电压信号的该步骤，包含有：
低通滤波该反馈电压信号，以产生该延迟信号。
8.如权利要求6所述的控制方法，其中，产生该放电时间的该步骤，包含有：
比较该反馈电压信号以及该延迟信号，以决定该放电时间的结束。
9.如权利要求6所述的控制方法，其中，稳定该最大输出电流的该步骤，包含有：
积分该放电时间以及该电流检测信号，来产生一积分结果；以及
依据该积分结果，来稳定该最大输出电流。
10.如权利要求9所述的控制方法，其中，该积分步骤包含有：
依据该电流检测信号产生一下拉电流；
在该放电时间内，以该下拉电流放电一电容；以及
以该电容的电压，作为该积分结果。
11.如权利要求10所述的控制方法，其中，该积分步骤还包含有：
固定以一充电电流，对该电容充电。
12.如权利要求6所述的控制方法，其中，该电感元件为一变压器，具有一初级侧绕组以及一辅助绕组，该反射电压为该辅助绕组的一跨压。
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