CN104734507A - 检测掉电与复电的电源控制器、电源供应器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
检测掉电与复电的电源控制器、电源供应器及控制方法，用来提供调节后的输出。该供应器包含有输入电源线、接地线、电感元件、功率开关、电源控制器、以及电阻。该电感元件及该功率开关串接于输入电源线及接地线之间。该控制器形成于集成电路。该集成电路具有多功能引脚，该控制器架构来控制该功率开关。该电阻连接在多功能引脚与输入电源线之间。在开机程序中，该控制器架构来提供第一导电路径，该第一导电路径从多功能引脚电传导至接地线。在正常操作中，该控制器架构来断开该第一导电路径，且使得多功能引脚成为误差放大器的输出端。该误差放大器比较该输出与目标值，该控制器依据多功能引脚的电压，来产生脉冲宽度调制信号，以控制该功率开关。
Description
技术领域
本发明涉及开关式电源供应器(switched mode power supply)，尤其涉及开关式电源供应器中，具有一多功能引脚的电源控制器。
背景技术
开关式电源供应器一般使用一功率开关来控制流经一电感元件的电流。跟一些其他的电源供应器相比，开关式电源供应器多半享有比较精巧的尺寸，并且有比较高的转换效率，因此广受业界的欢迎。
图1显示一已知的开关式电源供应器10，其具有返驰式(flyback)架构。桥式整流器20以全波整流的方式，将从电源插座来的交流电(AC)转换成直流(DC)的输入电源，以在一输入电源线IN上提供一输入电压VIN，以及在一接地线GND上提供一接地电压。输入电压VIN可能是一个定值，或是具有M状的波形。电源控制器26是一个集成电路，其具有引脚VCC、QRD、COMP、BNO/BOI以及GATE，用来跟周边的元件相连接。通过引脚GATE，电源控制器26提供脉冲宽度调制信号VGATE，来周期地开关功率开关34。当功率开关34开启时，变压器中的初级侧绕组PRM储能。当功率开关34关闭时，变压器通过次级侧绕组SEC以及辅助绕组AUX释放能量，来建立一输出电源VOUT给负载24，以及建立一操作电源VCC给电源控制器26。
电阻28与30构成一电压除法器，用来检测在辅助绕组AUX上的跨压VAUX，并据以在引脚QRD上提供一准谐振(quasi-resonance，QR)信号VQRD，电源控制器26可以据以执行波谷切换(valley switching)，来降低功率开关34的切换损失(switch loss)。
输出电源VOUT的调控(regulation)可以通过累积输出电源VOUT跟一所期望的目标电压的差异，然后来调制(modulate)脉冲宽度调制信号VGATE的工作周期(duty cycle)，而达成。电阻44与46对输出电源VOUT进行除法，所产生的结果被LT431用来跟一内部参考电压(举例来说，2.5V)做比较，来产生误差信号。光耦合器42将误差信号从次级侧传递到初级侧，然后随时间累积在连接至引脚COMP的补偿电容50上。电阻52连接至电源控制器26内部中的一操作电源线VDD，可用来拉高补偿电压VCOMP，而光耦合器42则相反的可用来拉低补偿电压VCOMP。依据补偿电压VCOMP，PWM产生器40产生脉冲宽度调制信号VGATE。
电阻53与54连接在输入电源线IN与接地线GND之间，用来提供掉电(brownout)与复电(brownin)检测。如同业界所知的，所谓掉电指的是电源供应系统中电压上的不足，不论是故意地或是非故意。举例来说，这样电压的不足，可能是因为市区电力系统供电中断所导致的一种结果。如果没有适当的防护，掉电很可能导致开关式电源供应器误动作。电源控制器26通过引脚BNO/BNI来检测输入电压VIN。如果发现了掉电，那电源控制器26就持续地关闭功率开关34，停止电源转换来保护开关式电源供应器10。在此说明书中，复电指的是输入电压VIN增加回复到一定程度，所以电源控制器26可以恢复周期性的开关功率开关34。举例来说，当输入电压VIN低于60V的一掉电电压时，开关式电源供应器10停止电源转换；当输入电压VIN恢复到超过70V的一复电电压时，开关式电源供应器10恢复开始开关功率开关34。
尽管电源供应器10可以准确地执行复电与掉电检测，但就是需要引脚BNO/BNI这多增加的引脚。引脚数目(pin count)可以决定了相当程度的集成电路成本，所以是非常重要的。一般业界都希望能够在不牺牲任何功能的条件下，尽量减少集成电路的引脚数目。
发明内容
实施例公开一种开关式电源供应器，用来提供调节后之一输出。该开关式电源供应器包含有一输入电源线、一接地线、一电感元件、一功率开关、一电源控制器、以及一电阻。该电感元件以及该功率开关串接在该输入电源线以及该接地线之间。该电源控制器形成于一集成电路。该集成电路具有一多功能引脚，该电源控制器架构来控制该功率开关。该电阻连接于该多功能引脚与该输入电源线之间。在一开机程序中，该电源控制器架构来提供一第一导电路径，该第一导电路径从该多功能引脚电传导至该接地线。在正常操作中，该电源控制器架构来断开该第一导电路径，且使得该多功能引脚成为一误差放大器的一输出端。该误差放大器比较该输出与一目标值，该电源控制器依据该多功能引脚的一电压，来产生一脉冲宽度调制信号，来控制该功率开关。
实施例公开一种电源控制器，形成于一集成电路，适用于一开关式电源供应器，其具有串接的一电感元件以及一功率开关。该电源控制器包含有一多功能引脚、一线电压检测器、以及一充电路径控制器。该多功能引脚可以通过一电阻，电连接到一输入电源线。在一开机程序中，该线电压检测器架构来提供一第一导电路径。该第一导电路径从该多功能引脚电传导至该接地线，用来对该多功能引脚放电。该充电路径控制器电连接在一操作电源线以及该多功能引脚之间，且在正常操作时，架构来提供一第二导电路径，对该多功能引脚充电。该第一导电路径在该正常操作时被断开，且在该第一导电路被提供时，该第二导电路径被断开。
实施例提供一种控制方法，适用于一开关式电源供应器，其包含有一电感元件以及一功率开关，串接在一输入电源线以及一接地线之间，该控制方法包含有：提供一电源控制器一多功能引脚，该电源控制器形成于一集成电路中；在该电源控制器中，提供一第一导电路径，其从该多功能引脚电传导至该接地线，且依据流经该第一导电路径的一电流，提供一输入电源良好信号，用以表示该输入电源线的一输入电压已经超过了预设的一复电电压；断开该第一导电路径，提供一第二导电路径，其从一操作电源线电传导至该多功能引脚，并依据该多功能引脚上的一电压，来产生一脉冲宽度调制信号，以控制该功率开关；以及，当该第一导电路径被提供时，断开该第二导电路径。
附图说明
图1显示一已知的开关式电源供应器。
图2显示了依据本发明所实施的开关式电源供应器。
图3A显示在一开机程序(startup procedure)时，图2中用来实现复电检测的一些电路。
图3B显示在正常操作(normal operation)时，图2中用来实现输出调节的一些电路。
图4显示一些电路，其在正常操作时连接到图2中的引脚QRD，作为掉电检测。
【符号说明】
10 开关式电源供应器
20 桥式整流器
24 负载
26 电源控制器
28 电阻
30 电阻
34 功率开关
40 PWM产生器
41 开关式电源供应器
42 光耦合器
44 电阻
46 电阻
50 补偿电容
52 电阻
53 电阻
54 电阻
66 电源控制器
68 电阻
70 补偿电阻
72 检测电阻
74 路径开关
76 路径开关
90 比较器
96 NMOS
98 掉电检测电路
99 电流源
AUX 辅助绕组
BNO/BOI 引脚
COMP 引脚
GATE 引脚
GND 接地线
IN 输入电源线
IQRD 箝制电流
ISENSE 电流
P1 导电路径
P2 导电路径
PRM 初级侧绕组
QRD 引脚
SBNO 掉电信号
SEC 次级侧绕组
SIPG 输入电源良好信号
VAUX 跨压
VCC 操作电源
VCC 引脚
VCOMP 补偿电压
VDD 操作电源线
VGATE 脉冲宽度调制信号
VIN 输入电压
VOUT 输出电源
VQRD 准谐振信号
VREF 参考电压
具体实施方式
在此说明书中，将以返驰式(flyback)电源转换器为例来解说本发明，但本发明并不限于此。图2显示了依据本发明所实施的开关式电源供应器41，其可以实现复电与掉电检测，而且并没有增加任何的引脚，因此，可以节省成本。在一实施例中，电源控制器66是一单晶集成电路，其封装成具有数个引脚。电源控制器66可以通过引脚QRD来实现掉电检测，通过引脚COMP来实现复电检测。引脚COMP也可以架构来作为一误差放大器的一输出，所以是一多功能引脚。
开关式电源供应器41中有许多元件的符号标示跟图1中的开关式电源供应器10相同。这些具有相同符号标示的元件，可以是，但不一定要是，具有相同的功能或是架构。开关式电源供应器41并没有图1中的电阻53与54，也没有引脚BNO/BNI，但是有连接在输入电源线IN与引脚COMP之间的电阻68。与图1的电源控制器26相比，图2中的电源控制器66少了一个引脚，因此，电源控制器66成本上会比较有优势。而且，因为开关式电源供应器41有较少的电阻数量，与较便宜的电源控制器66，所以图2的物料清单(bill ofmaterial，BOM)成本也可能会比较低。
在电源控制器66中，路径开关76与补偿电阻70串接在一起，可以选择性地提供从操作电源线VDD传导至引脚COMP的一导电路径P2，用来对补偿电容50充电。操作电源线VDD可以是由从引脚VCC所供电之一低压差线性稳压器(low dropout，LDO)的一调节后电源输出。路径开关74与检测电阻72也串接在一起，可以选择性地提供从引脚COMP传导至接地线GND的一导电路径P1，用来对补偿电容50放电。在本发明的一实施例中，在任何时间，路径开关74与76两者最多只能开启一个(短路)。换句话说，当其中一个开启(短路)时，另一个必须关闭(开路)。换句话说，当导电路径P1与P2其中之一被提供时，另一个就被断开。
图3A显示在一开机程序(startup procedure)时，图2中用来实现复电检测的一些电路。举例来说，开机程序在开关式电源供应器41刚刚连接到市电插座开始。在开机程序一开始的时候，电源控制器66固定地关闭功率开关34，关闭路径开关76，开启路径开关74，如同图3A所示的。图3A中的电阻68与检测电阻72构成了一分压器，而此时流经其间的电流ISENSE决定了补偿电压VCOM。当补偿电压VCOM超过一预设参考电压VREF时，电源控制器66中的比较器90可以致能输入电源良好信号(input power good signal)SIPG，来告知PWM产生器40，此时，输入电压VIN已经超过了对应预设参考电压VREF的一复电电压(brownin voltage)。在一实施例中，只有在输入电压VIN持续超过复电电压一段预设时间之后，输入电压VIN才会被认为够高也够稳定来作为正常操作所要的电源，电源控制器66才会开始执行缓启动(soft start)或是正常操作。在输入电压VIN被认为够高也够稳定之前，电源控制器66持续地维持功率开关34关闭着，禁止电能转换。
图3B显示在正常操作(normal operation)时，图2中用来实现输出调节的一些电路。在此说明书中，正常操作指的是供应给负载24的输出电压或是电流被正确的稳定调节时，电源控制器66的操作。如同图3B所示，路径开关76开启，而路径开关74关闭，因此，导电路径P2被提供，而导电路径P1断开。电阻68的电阻值最好是比补偿电阻70的电阻值大很多，因此，流过电阻68的电流，相较于流过导电路径P2的电流，几乎可以忽略。举例来说，电阻68是数十百万欧姆，而补偿电阻70只有数万欧姆。
跟图1中的开关式电源供应器10相类似的，在正常操作时，图3B中的引脚COMP实质上等同于一个误差放大器的一输出端。此误差放大器使用补偿电容50，通过LT431与一些相关电子元件，来收集输出电源VOUT与一期望的目标电压的差异。在正常操作时，输入电源良好信号SIPG会被忽略，而PWM产生器40依据补偿电压VCOMP，调制脉冲宽度调制信号VGATE的工作周期(duty cycle)，藉以调节输出电源VOUT的电压或是电流。
在一实施例中，图3A与图3B中的补偿电阻70可以被一定电流取代，此定电流可以用来对补偿电容50充电，此定电流所提供的电流最好比电阻68所提供的电流大。
在一些本发明的实施例中，控制器使用引脚QRD来检测掉电。图4显示一些电路，其在正常操作时连接到图2中的引脚QRD，作为掉电检测。在电源控制器66中的掉电检测电路98电连接到引脚QRD，其连接到电阻30与28之间的接点。请同时参阅图2与图4。当功率开关34在正常操作开启时，在辅助绕组AUX上的跨压VAUX是一个负值，而且跟输入电压VIN成比例。当跨压VAUX为负时，NMOS96用来将引脚QRD上的准谐振信号VQRD箝制在大约0V，因此箝制电流IQRD会跟跨压V-AUX与输入电压VIN成比例。当输入电压VIN偏低，掉到一预设的掉电电压时，箝制电流IQRD变得太小，所以导致无法拉起电流源99的输入端，因此掉电信号SBNO就被致能，指出掉电的发生。一旦掉电发生，电源控制器66可以据以停止开关式电源供应器41的电能转换。
依据以上的说明，引脚COMP实质上就是一多功能引脚。通过引脚COMP，在一开机程序中，可以检测到复电。也通过引脚COMP，在正常操作时，调制脉冲宽度调制信号VGATE的工作周期(duty cycle)可以被调制。相较于图1中的电源供应器，图2中的开关式电源供应器41依然可以提供复电与掉电检测，但是却有比较少的引脚数目以及较少的电阻数量。因此，开关式电源供应器41可以在成本上比较有利。
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 (17)
1.一种开关式电源供应器，用来提供调节后的一输出，该开关式电源供应器包含有：
一输入电源线以及一接地线；
一电感元件以及一功率开关，串接在该输入电源线以及该接地线之间；
一电源控制器，形成于一集成电路，该集成电路具有一多功能引脚，该电源控制器架构来控制该功率开关；以及
一电阻，连接在该多功能引脚与该输入电源线之间；
其中，在一开机程序中，该电源控制器架构来提供一第一导电路径，该第一导电路径从该多功能引脚电传导至该接地线；
在正常操作中，该电源控制器被架构来断开该第一导电路径，且使得该多功能引脚成为一误差放大器的一输出端，该误差放大器比较该输出与一目标值，该电源控制器依据该多功能引脚的一电压，来产生一脉冲宽度调制信号，来控制该功率开关。
2.如权利要求1所述的该开关式电源供应器，其中，在该正常操作时，该电源控制器架构来提供一第二导电路径，其从一操作电源线传导至该多功能引脚，且当该第一导电路径被提供时，该第二导电路径被断开。
3.如权利要求2所述的该开关式电源供应器，其中，该电源控制器包含有：
一补偿电阻以及一路径开关，串接在该操作电源线与该多功能引脚之间，用以选择性地提供或断开该第二导电路径。
4.如权利要求2所述的该开关式电源供应器，其中，当该第二导电路径被断开时，该电源控制器另架构来依据流经该第一导电路径的一电流，产生一输入电源良好信号。
5.如权利要求1所述的该开关式电源供应器，其中，该电源控制器包含有：
一检测电阻以及一路径开关，串接在该多功能引脚与该接地线之间；以及
一比较器，架构来比较该多功能引脚上的一电压与一预设参考电压，以产生一输入电源良好信号。
6.如权利要求5所述的该开关式电源供应器，其中，该输入电源良好信号指出该输入电源线的一输入电压大于预设的一复电电压。
7.如权利要求1所述的该开关式电源供应器，其中，该电感元件包含有一辅助绕组以及一初级侧绕组，该功率开关可连接该初级侧绕组至该接地线，该电源控制器包含有：
一准谐振引脚，通过一检测电阻连接至该辅助绕组；以及
一掉电检测电路，当该功率开关被开启时，架构来通过该准谐振引脚，检测跨在该辅助绕组上的一负反射电压，来决定一掉电事件是否发生。
8.一种电源控制器，形成于一集成电路，适用于一开关式电源供应器，其具有串接的一电感元件以及一功率开关，该电源控制器包含有：
一多功能引脚，可以通过一电阻，电连接到一输入电源线；
一线电压检测器，在一开机程序中，架构来提供一第一导电路径，该第一导电路径从该多功能引脚电传导至该接地线，用来对该多功能引脚放电；以及
一充电路径控制器，电连接在一操作电源线以及该多功能引脚之间，且在正常操作时，架构来提供一第二导电路径，对该多功能引脚充电；
其中，该第一导电路径在该正常操作时被断开，且在该第一导电路被提供时，该第二导电路径被断开。
9.如权利要求8所述的该电源控制器，还包含有一脉冲宽度调制产生器，架构来依据在该多功能引脚上的一补偿电压，提供该功率开关一脉冲宽度调制信号。
10.如权利要求8所述的该电源控制器，其中，该充电路径控制器包含有一补偿电阻以及一路径开关，两者串接在该操作电源线与该多功能引脚之间。
11.如权利要求8所述的该电源控制器，其中，该线电压检测器包含有一检测电阻以及一路径开关，串接在该多功能引脚以及该接地线之间，该电源控制器包含有一比较器，其架构来比较该多功能引脚上的一电压与一预设参考电压，以产生一输入电源良好信号。
12.如权利要求8所述的该电源控制器，其中，依据流经该第一导电路径的一电流，该电源控制器产生一输入电源良好信号，用以表示该输入电源线的一输入电压已经超过了预设的一复电电压。
13.如权利要求8所述的该电源控制器，其中，该电感元件包含有一辅助绕组以及一初级侧绕组，该功率开关连接该初级侧绕组至该接地线，该电源控制器包含有：
一准谐振引脚，可通过一检测电阻电连接到该辅助绕组；以及
一掉电检测电路，架构来通过该准谐振引脚以及该检测电阻，检测跨在该辅助绕组上的一负反射电压，来决定一掉电事件是否发生。
14.一种控制方法，适用于一开关式电源供应器，其包含有一电感元件以及一功率开关，串接于一输入电源线以及一接地线之间，该控制方法包含有：
提供一电源控制器一多功能引脚，该电源控制器形成于一集成电路中；
在该电源控制器中，提供一第一导电路径，其从该多功能引脚电传导至该接地线，且依据流经该第一导电路径的一电流，提供一输入电源良好信号，用以表示该输入电源线的一输入电压已经超过了预设的一复电电压；
断开该第一导电路径，提供一第二导电路径，其从一操作电源线电传导至该多功能引脚，并依据该多功能引脚上的一电压，来产生一脉冲宽度调制信号，以控制该功率开关；以及
当该第一导电路径被提供时，断开该第二导电路径。
15.如权利要求14所述的该控制方法，还包含有：
提供一补偿电阻以及一路径开关，串接在该操作电源线与该多功能引脚之间；以及
关闭该路径开关，以断开该第二导电路径。
16.如权利要求14所述的该控制方法，还包含有：
提供一检测电阻以及一路径开关，串接在该多功能引脚与该接地线之间；
关闭该路径开关，以断开该第一导电路径；以及
比较一预设参考电压与该多功能引脚上的一电压，以产生该输入电源良好信号。
17.如权利要求14所述的该控制方法，其中，该电感元件包含有一辅助绕组以及一初级侧绕组，该功率开关连接该初级侧绕组至该接地线，该控制方法还包含有：
提供一箝制电路，用以在该功率开关开启时，提供一箝制电流，来箝制一准谐振引脚上的一电压；以及
当该箝制电流低于一预设值时，决定一掉电事件已经发生。
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