CN104617774B - 开关式电源供应器的时钟频率控制方法及其电源控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种开关式电源供应器的时钟频率控制方法及其电源控制装置。该控制方法包含有：依据一反馈信号，产生一时钟信号，该时钟信号具有一时钟频率；依据该时钟信号周期性地控制一功率开关，使一电感组件周期性的从一输入电源储能与对一输出电源释能，其中，该反馈信号受控于该输出电源的一输出电压；以及，依据该输入电源的一输入电压，产生该时钟信号；其中，当该反馈信号大于一相对高电平时，该时钟频率随着该输入电压增加而减少；以及，当该反馈信号小于一相对低电平时，该时钟频率不随着该输入电压变化而改变。

Description

开关式电源供应器的时钟频率控制方法及其电源控制装置
技术领域
本发明涉及电源控制技术，特别是涉及开关式电源供应器的时钟频率控制方法与相关的装置。
背景技术
电源供应器除了要求能够符合精准的输出规格，像是输出电压、输出电流、输出功率等，也必须要能够提供一些防护措施，预防不正常操作状况下所可能发生的危险。电源供应器业界所熟知的防护有，举例来说，过电压保护、过电流保护、过负载保护、过高温保护等等。
随着对于环保议题的重视，电源供应器的电能转换效率不断的被要求与提升。举例来说，目前美国能源部(Department of Energy，DoE)公布的等级六(Level 6)所要求的转换效率，相较于当前国际能源效率标示协议书(International Efficiency MarkingProtocol)的第五级(level V)的转换效率，就提升了不少。而符合最新转换效率的要求，是各个电源供应器制造商当前所致力的目标。
发明内容
实施例提供一种控制方法，适用于一开关式电源供应器。该控制方法包含有：依据一反馈信号，产生一时钟信号，该时钟信号具有一时钟频率；依据该时钟信号周期性地控制一功率开关，使一电感组件周期性的从一输入电源储能与对一输出电源释能，其中，该反馈信号受控于该输出电源的一输出电压；以及，依据该输入电源的一输入电压，产生该时钟信号；其中，当该反馈信号大于一相对高电平时，该时钟频率随着该输入电压增加而减少；以及，当该反馈信号小于一相对低电平时，该时钟频率不随着该输入电压变化而改变。
实施例还提供一种电源控制器，适用于控制一功率开关，其控制流经一电感组件的一电流。该电感组件电连接至一输入电源。该电源控制器包含有一输入电源检测端、一输入电源检测电路、一回馈端、以及一时钟产生器。该输入电源检测端可用以耦接至该输入电源。该输入电源检测电路连接至该输入电源检测端，用以检测该输入电源的一输入电压，以产生一输入检测结果。该回馈端上有一反馈信号，受控于一输出电源的一输出电压。该时钟产生器依据该输入检测结果以及该反馈信号，产生一时钟信号。该时钟信号具有一时钟频率，其可使该电感组件周期性的从该输入电源储能与对该输出电源释能。当该反馈信号大于一相对高电平时，该时钟频率随着该输入电压增加而减少。当该反馈信号小于一相对低电平时，该时钟频率不随着该输入电压变化而改变。
附图说明
图1为依据本发明实施例其中之一的电源供应器。
图2示出了一电源控制器。
图3显示图2的电源控制器操作时，反馈信号VCOMP与时钟频率fCYC的关系。
图4示出了另一电源控制器。
图5显示图4的电源控制器操作时，反馈信号VCOMP与时钟频率fCYC的关系。
附图符号说明：
10 电源供应器
12 桥式整流器
14 变压器
15 负载
16 电源控制器
16a 电源控制器
16b 电源控制器
18 功率开关
19 整流器
22、20 电阻
26 误差放大器
42 峰值检测器
44 电压电流转换器
46 时钟产生器
46b 时钟产生器
48 脉冲宽度调制产生器
52 多任务器
54 电流控制震荡器
56 可变电阻
100、102、104 曲线
150、152、154 曲线
BNO 掉电检测端
DRV 驱动端
fCYC 时钟频率
IMAX 最大电流
IMIN 最小电流
IN 直流输入电源
I-PEAK 电流
ISET 设定电流
OUT 输出电源
SCYC 时钟信号
SDBUS 数字信号
VBNO 检测电压
VCOMP 反馈信号
VDRV 驱动信号
VG 转折电压
VG1、VG2、VG3 预设电压
VH 预设电压
VIN 输入电压
VIN-AC AC输入电压
VOUT 输出电压
VPEAK 电压信号
具体实施方式
在本说明书中，有一些相同的符号，其表示具有相同或是类似的结构、功能、原理的组件，且为本领域技术人员可以依据本说明书的教导而推知。为说明书的简洁度考虑，相同的符号的组件将不再重述。
为了能够符合DoE公布的等级六所要求的转换效率，一种作法是些许增加电源供应器中的变压器的电感量。但是，电感量的增加，却可能导致在一交流输入电源的一交流输入电压偏低时(譬如说90VAC)，且过电流保护发生时，变压器可能发生磁饱和的风险。
在本发明的实施例中，一电源供应器转换一输入电源，成为一输出电源，对一负载供电。该电源供应器中的一电源控制器控制一电源开关。电源控制器中提供有一时钟信号，其可以周期性的开启该电源开关，使其为导通状态。该时钟信号的时钟频率受控于一反馈信号以及该输入电源，其中该反馈信号受控于该输出电源。当该反馈信号偏高，表示负载为重载时，该时钟频率会随着该输入电源的输入电压增加而减少。在相同负载下，该时钟频率增加，可以降低流过一变压器的电流峰值，所以可以减少磁饱和的风险。当该反馈信号偏低，表示负载为轻载或无载时，该时钟频率大约为相对低的常数，不随着该输入电源的输入电压改变而变化。低时钟频率可以减少开关损失(switching loss)，提高轻载或无载时的转换效率。
尽管本说明书以一返驰式开关式电源供应器作为一实施例，但本发明并不限于此。举例来说，本发明也可实施于降压(buck)电源供应器、升压电源供应器(booster)、或是降升压电源供应器(buck-booster)。
图1为依据本发明实施例其中之一的电源供应器10，其具有桥式整流器12、变压器14、电源控制器16、功率开关18等。桥式整流器12可以将市电来的交流输入电源，执行全波或是半波整流，而提供直流输入电源IN。在此实施例中，的直流输入电源IN的输入电压VIN大约为一定值，几乎不随时间而改变。在其它实施例中，输入电压VIN可以随着时间而周期性的变化。电源控制器16通过驱动端DRV，周期性的开关功率开关18，使变压器14从直流输入电源IN加载能量，然后输出能量给输出电源OUT。输出电源OUT对负载15供电。误差放大器26比较输出电源OUT的一输出电压VOUT与一目标电压VTAR，以提供一反馈信号VCOMP。在一实施例中，误差放大器26可能具有光耦合器(photo-coupler)，提供输出电源OUT与直流输入电源IN之间的直流隔绝(DC isolation)。在另一个实施例中，误差放大器26通过一位于初级的辅助绕组，以感应电压的原理，来检测位于次级的输出电压VOUT。
电源控制器16可以依据反馈信号VCOMP，来调控驱动端DRV上的驱动信号VDRV的工作周期(duty cycle)。工作周期一般的定义是在一开关周期(cycle time)中，功率开关18处于导通状态的开启时间(ON time)所占的比例。
电源控制器16通过掉电检测端BNO、电阻22与20、以及整流器19，来检测AC输入电压VIN-AC的绝对值。举例来说，当电源控制器16可以在发现掉电检测端BNO上的检测电压VBNO持续一段时间不高于一默认值时，便认定交流输入电源异常偏低，所以强制持续关闭功率开关18，停止电源转换。
在本发明的一实施例中，电源控制器16有一时钟产生器，可以提供一时钟信号。时钟信号的时钟频率受控于反馈信号VCOMP与检测电压VBNO。
图2示出了一电源控制器16a，其中有峰值检测器42、电压电流转换器44、时钟产生器46、以及脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)产生器48。
峰值检测器42检测掉电检测端BNO上的检测电压VBNO，而产生电压信号VPEAK，其大约是检测电压VBNO的峰值。峰值检测器42中的定电流，可以每一段很长的时间周期，譬如16ms，些许的减少电压信号VPEAK，以使电压信号VPEAK可以忠实的追踪或是代表AC输入电压VIN-AC绝对值的峰值。
电压电流转换器44先将电压信号VPEAK等比例的转换成电流I-PEAK，电压电流转换器44所输出的最大电流IMAX会等于设定电流ISET扣掉电流I-PEAK。因此，当电压信号VPEAK愈高，最大电流IMAX越低。
模拟数字转换器50将电压信号VPEAK转换为数个数字信号SDBUS。多任务器52依据数字信号SDBUS，从数个预设电压VG1、VG2、与VG3中，择一输出作为转折电压VG。
时钟产生器46依据最大电流IMAX、反馈信号VCOMP、以及转折电压VG，产生时钟信号SCYC，其具有时钟频率fCYC。从电路分析可知，当反馈信号VCOMP低于转折电压VG时，电流控制震荡器54的输入电流，将只有最小电流IMIN，所以时钟频率fCYC将会不随着最大电流IMAX或是电压信号VPEAK而变化。当反馈信号VCOMP超过一个默认值时，电流控制震荡器54所收到的输入电流会达到一最大值，而此最大值会受限于最大电流IMAX与最小电流IMIN。因此，当反馈信号VCOMP超过一个默认值时，电压信号VPEAK增加，最大电流IMAX就减少，所以时钟频率fCYC减少。
在一实施例中，依据时钟信号SCYC，PWM产生器48每个周期时间(switch cycle)(等于时钟频率fCYC的倒数)，通过驱动端DRV，使功率开关18开启导通一次。在一实施例中，功率开关18维持开启状态的开启时间则由反馈信号VCOMP所控制。举例来说，反馈信号VCOMP越大，开启时间越长。
图3显示图2的电源控制器16a操作时，反馈信号VCOMP与时钟频率fCYC的关系。图3中有三条曲线100、102、104，分别对应AC输入电压VIN-AC为264VAC、115VAC、90VAC。以曲线100为例，因为AC输入电压VIN-AC为264VAC，所以多任务器52选择预设电压VG1作为转折电压VG，因此，反馈信号VCOMP比预设电压VG1低时，时钟频率fCYC就独立于反馈信号VCOMP。曲线100也显示，当反馈信号VCOMP高于预设电压VH时，时钟频率fCYC会成为一个固定值。
图3也显示了，反馈信号VCOMP足够低(低于预设电压VG1)时，时钟频率fCYC将与AC输入电压VIN-AC无关。当反馈信号VCOMP足够高(高于预设电压VH)时，时钟频率fCYC将会随着AC输入电压VIN-AC增大而减少。
图4示出了另一电源控制器16b，其中与电源控制器16a相同的部分，不再累述。跟电源控制器16a中模拟数字转换器50不同的是电源控制器16b中的模拟数字转换器50控制的是时钟产生器46b中的可变电阻56。举例来说，AC输入电压VIN-AC为90VAC时可变电阻56的电阻值，不同于AC输入电压VIN-AC为264VAC时可变电阻56的电阻值。
图5显示图4的电源控制器16b操作时，反馈信号VCOMP与时钟频率fCYC的关系。图3中有三条曲线154、152、150，分别对应AC输入电压VIN-AC为264VAC、115VAC、90VAC。以曲线150为例，因为AC输入电压VIN-AC为90VAC，所以多任务器52使可变电阻56的电阻值为一较低的值，所以曲线150斜坡部分比较陡峭。
图5也显示了，反馈信号VCOMP足够低(低于转折电压VG)时，时钟频率fCYC将与AC输入电压VIN-AC无关。当反馈信号VCOMP足够高时，时钟频率fCYC将会随着AC输入电压VIN-AC增大而减少。
在另一实施例中，模拟数字转换器50可以同时决定转折电压VG以及可变电阻56的电阻值。
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 (12)

1.一种控制方法，适用于一开关式电源供应器，包含有：
依据一反馈信号，产生一时钟信号，该时钟信号具有一时钟频率；
依据该时钟信号周期性地控制一功率开关，使一电感组件周期性的从一输入电源储能与对一输出电源释能，其中，该反馈信号受控于该输出电源的一输出电压；以及
依据该输入电源的一输入电压，产生该时钟信号；
其中，当该反馈信号大于一相对高电平时，该时钟频率随着该输入电压增加而减少；以及
当该反馈信号小于一相对低电平时，该时钟频率不随着该输入电压变化而改变。
2.如权利要求1所述的控制方法，还包含：
依据一转折点电压以及该反馈信号，产生该时钟信号；
其中，当该反馈信号低于该转折点电压时，该时钟频率不随该反馈信号而改变。
3.如权利要求1所述的控制方法，还包含：
检测该输入电压的一电压峰值；以及
依据该电压峰值，产生该时钟信号；
其中，当该反馈信号大于一相对高电平时，该时钟频率随着该电压峰值增加而减少；以及
当该反馈信号小于一相对低电平时，该时钟频率不随着该电压峰值变化而改变。
4.如权利要求3所述的控制方法，还包含：
依据该电压峰值，从数个预设电压中，择一做为一转折点电压；以及
依据该转折点电压以及该反馈信号，产生该时钟信号；
其中，当该反馈信号低于该转折点电压时，该时钟频率不随该反馈信号而改变。
5.如权利要求3所述的控制方法，还包含：
依据该电压峰值，决定一可变电阻的电阻值；以及
依据该可变电阻、一转折点电压以及该反馈信号，产生该时钟信号；
其中，当该反馈信号低于该转折点电压时，该时钟频率为一固定值，不随该反馈信号而改变。
6.如权利要求5所述的控制方法，还包含：
转换该电压峰值，以产生数字选择信号；以及
依据该数字选择信号，决定该电阻值。
7.如权利要求3所述的控制方法，还包含：
转换该电压峰值为一控制电流；
其中，该控制电流决定该时钟频率的一最大值。
8.一种电源控制器，适用于控制一功率开关，其控制流经一电感组件的一电流，该电感组件电连接至一输入电源，该电源控制器包含有：
一输入电源检测端，用以耦接至该输入电源；
一输入电源检测电路，连接至该输入电源检测端，用以检测该输入电源的一输入电压，以产生一输入检测结果；
一回馈端，其上有一反馈信号，受控于一输出电源的一输出电压；以及
一时钟产生器，依据该输入检测结果以及该反馈信号，产生一时钟信号，该时钟信号具有一时钟频率，其使该电感组件周期性的从该输入电源储能与对该输出电源释能；
其中，当该反馈信号大于一相对高电平时，该时钟频率随着该输入电压增加而减少；以及
当该反馈信号小于一相对低电平时，该时钟频率不随着该输入电压变化而改变。
9.如权利要求8所述的电源控制器，其中，该输入电源检测电路为一峰值检测器，该输入检测结果对应该输入电压的一电压峰值。
10.如权利要求9所述的电源控制器，还包含：
一电压电流转换器，依据该电压峰值，产生一第一电流，用以决定一最大电流，其中该最大电流对应该时钟频率的一最大值。
11.如权利要求9所述的电源控制器，还包含：
一模拟数字转换器，用以将该电压峰值转换成数字选择信号；以及
一多任务器，依据该数字选择信号，从数个预设电压中，择一做为一转折点电压；
其中，当该反馈信号低于该转折点电压时，该时钟频率不随该反馈信号而改变。
12.如权利要求9所述的电源控制器，还包含：
一模拟数字转换器，用以将该电压峰值转换成数字选择信号；
其中，该时钟产生器包含一可变电阻，其电阻值受控于该数字选择信号；该时钟产生器依据该可变电阻、一转折点电压以及该反馈信号，产生该时钟信号；以及，当该反馈信号低于该转折点电压时，该时钟频率不随该反馈信号而改变。
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