CN106712545B - 可补偿电感变异的电源控制方法与相关装置 - Google Patents

Abstract

实施例揭露一种电源控制方法和控制电路。所述电源控制方法可以补偿一电感元件的电感变异，适用于一电源供应器，其具有一功率开关，可控制流经该电感元件的一电感电流。该电源供应器将一输入电压，转换成一输出电压。该控制方法包含有：于该功率开关的一开启时间内，提供一采样时间，该采样时间无关于该输入电压与该电感元件的一电感值；于该采样时间结束时，采样保持一电流感测信号，产生一采样电压，该电流感测信号可代表该电感电流；以及，依据该采样电压，决定该输出电压的最大输出电流或是最大输出功率。

Description

可补偿电感变异的电源控制方法与相关装置

技术领域

本发明关于一种电源控制器以及相关的控制方法，尤指可以自动补偿电源供应器中的电感值变异的控制方法以及相关的装置。

背景技术

电子装置往往需要一个稳定的电源供应器，来提供额定的电源，像是定电流、定电压、或是定功率等。开关式电源供应器具有相当良好的转换效率、简单的架构、以及精巧的产品体积，所以广泛的被许多电子装置所采用，作为其电源供应器。

电源供应器需要配备有保护措施或是机制，来预防一些不良操作或是状况的发生，举例来说，像是过温度保护(over temperature protection，OTP)、过电压保护(overvoltage protection、OVP)、过电流保护(over current protection，OCP)、过功率保护(over power protection，OPP)、输出短路保护(output short protection，OSP)等等。OTP指的是当电源供应器温度太高时所产生的保护；OVP指的是电源供应器对负载的输出电压过高时的保护；OCP/OPP是针对电源供应器的输出电源，对负载所提供的输出电流/输出功率超过一定额时，所产生的保护机制；OSP指的是当输出电压被钳制为0V时所执行的保护。

对于开关式电源供应器而言，定电流控制、OCP、OPP等控制、往往是通过感测流经一电感元件的一电感电流来反映。图1为一开关式电源供应器中，感测一电感电流所产生的电流感测信号V_CS的波形。为了定电流控制、OCP、OPP等保护机制，电流感测信号V_CS原本希望限制在不超过一预设值V_CS-LIMIT。但信号延迟(signal propagation delay)会造成电流感测信号V_CS的峰值V_CS-PEAK远离预设值V_CS-LIMIT。换言之，当电流感测信号V_CS被感测到已经达到了预设值V_CS-LIMIT，一功率开关的开启时间T_ON结束，但是到电流感测信号V_CS真正到达峰值V_CS-PEAK的时间点会有延迟时间T_D。所以峰值V_CS-PEAK跟预设值V_CS-LIMIT会有一段差异ΔV_CS。差异ΔV_CS的大小会随着输入电压、电感的电感值、延迟时间T_D的变化而改变，容易造成定电流控制不准，或是OCP/OPP的触发点不对的问题。

发明内容

实施例揭露一种电源控制方法，可以补偿一电感元件的电感变异，适用于一电源供应器，其具有一功率开关，可控制流经该电感元件的一电感电流。该电源供应器将一输入电压，转换成一输出电压。该控制方法包含有：于该功率开关的一开启时间内，提供一采样时间，该采样时间无关于该输入电压与该电感元件的一电感值；于该采样时间结束时，采样保持一电流感测信号，产生一采样电压，该电流感测信号可代表该电感电流；以及，依据该采样电压，决定该输出电压的最大输出电流或是最大输出功率。

实施例揭露一种控制电路，适用于一电源供应器，其将一输入电压，转换成一输出电压。该电源供应器包含有一电源控制器、一功率开关、以及一电感元件。该控制电路适用于该电源控制器中，可以补偿该电感元件的电感变异。该控制电路包含有一比较器、一第一电容、一采样电路、以及一最大功率/电流控制器。该比较器具有二输入端。该第一电容连接至该二输入端其中之一。该比较器与该第一电容架构来定义一采样时间，该采样时间无关于该输入电压与该电感元件的一电感值。该采样电路于该采样时间结束时，用以采样保持一电流感测信号，产生一采样电压。该电流感测信号可代表流经该电感元件的一电感电流。该最大功率/电流控制器，用来决定该输出电压的一最大输出电流或是最大输出功率。该采样电压用来调整该最大输出电流或是最大输出功率。

附图说明

图1为一开关式电源供应器中，感测一电感电流所产生的电流感测信号V_CS的波形。

图2显示依据本发明实施的一开关式电源供应器。

图3显示了在一采样时间T_SA结束时，对电流感测信号V_CS采样保持可以产生采样电压V_CS-SA。

图4显示了依据本发明所实施例一种控制方法，可以适用于图2中的电源供应器。

图5显示一控制电路，位于电源控制器14内，可以执行图4中的控制方法。

图6A显示部分的图5，在开启时间T_ON时的连接状态代表。

图6B显示部分的图5，在关闭时间T_OFF时的连接状态代表图。

图7显示在端点G、INI、CLK、CLK-SA上的信号波形示意图。

图8A与图8B分别举例两个定电流控制单元64A与64B中的部分电路示意图。

【附图符号说明】

10 开关式电源供应器

12 桥式整流器

14 电源控制器

32、34、36、38 步骤

50 控制电路

52 比较器

54、56 多工器

58 电压电流转换器

60 采样电路

61 与门

62 驱动器

64 定电流控制单元

64A、64B 定电流控制单元

66 OCP/OPP单元

80 装置

82、84 与门

C_A 电容

C_ACU 电容

CLK 端点

CLK-SA 端点

C_M 电容

CS 电流感测端

D_A 二极管

DRV 驱动端

FB 反馈端

G 端点

HV 高压输入端

INI 端点

I_DN 电压控制电流源

I_PRM 电感电流

I_REF 定电流源

I_SA 定电流

I_TUNE 定电流

I_TSA 采样代表电流

L_A 辅助绕组

L_P 初级绕组

L_S 次级绕组

R_A、R_B 电阻

R_D1、R_D2 电阻

R_CS 电流感测电阻

SW 功率开关

SW_R 重置开关

T_D 延迟时间

TF 变压器

T_LEB 前缘遮蔽时间

T_LC 微调时间

T_OFF 关闭时间

T_ON 开启时间

T_SA 采样时间

V_AC 市电交流电

V_CC 操作电压

V_CS 电流感测信号

V_CS-LIMIT 预设值

V_CS-PEAK 峰值

V_CS-SA 采样电压

V_DRV 驱动信号

V-_IN 输入电压

V_OUT 输出电压

V_REF 参考电压

V_SA 预设电压

ΔV_CS 差异

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、原理的元件，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量，相同的符号的元件将不再重述。

图2显示依据本发明实施的一开关式电源供应器10，其可以自动补偿变压器中的电感变异量，使得OCP/OPP或CC可以比较准确。开关式电源供应器10具有回扫式架构，但本发明并不限于此。举例来说，本发明的实施例可以是升压转换器(booster)、降压转换器(buck converter)、或是升降压转换器(buck booster)。

开关式电源供应器10以市电交流电V_AC为主要输入电源。桥式整流器(bridgerectifier)12将市电交流电V_AC整流产生直流输入电压V-_IN，其可能是大约稳定于一个定值或是随着市电交流电V_AC变化而具有类似字母M的电压波形。一变压器TF为一电感元件，包含有相电感耦合的初级绕组L_P、次级绕组L_S、以及辅助绕组L_A。初级绕组L_P、功率开关SW、与电流感测电阻R_CS依序串联在输入电压V-_IN与初级地之间。电源控制器14通过电流感测电阻R_CS所产生的电流感测信号V_CS，来感测流经初级绕组L_P的电感电流I_PRM。电源控制器14提供驱动信号V_DRV于驱动端DRV上，来开启或是关闭功率开关SW。电源控制器14具有一高压输入端HV，连接至输入电压V-_IN。辅助绕组L_A放电时，通过二极管D_A可以在电容C_A上建立操作电压V_CC，作为电源控制器14的操作电源。电阻R_A与R_B串联，其连接点连接到电源控制器14的反馈端FB。

图3显示了在一采样时间T_SA结束时，对电流感测信号V_CS采样保持可以产生采样电压V_CS-SA。图3中也显示了一前缘遮蔽时间(leading edge blankingtime)T_LEB。在前缘遮蔽时间T_LEB内，图2中的电源控制器14会维持功率开关SW维持开启，且不受电流感测信号V_CS所影响。采样时间T_SA与前缘遮蔽时间T_LEB大约同时开始，但是采样时间T_SA比较长。

为了比较上的方便，图2也重复地显示于图3中。其中，差异ΔV_CS与采样电压V_CS-SA的值可以以以下公式(1A)与(1B)推算得知。

ΔV_CS＝V_IN/LP×T_D×R_CS …(1A)

V_CS-SA＝V_IN/LP×T_SA×R_CS …(1B)

其中，LP为初级绕组L_P的电感值。

采样电压V_CS-SA等于带有直流输入电压V-_IN与电感值LP的信息。只要把采样电压V_CS-SA中的直流输入电压V-_IN部分去除，就可以产生仅仅相关于电感值LP的信息，这可以用来对OCP/OPP或是定电流控制进行微调，使得它们的触发点更为准确。

图4显示了依据本发明所实施例一种控制方法，可以适用于图2中的电源供应器10。步骤32先提供采样时间T_SA，其跟输入电压V-_IN与初级绕组L_P的电感值LP无关。步骤34在采样时间T_SA结束时，对电流感测信号V_CS采样保持，产生采样电压V_CS-SA。步骤36可以在关闭时间T_OFF开始时执行，依据输入电压V-_IN与采样电压V_CS-SA，来决定微调时间T_LC。关闭时间T_OFF指的是功率开关SW处于一关闭状态(开路)的时间。步骤36等同把采样电压V_CS-SA中的直流输入电压V-_IN部分去除，所产生的微调时间T_LC就跟输入电压V-_IN无关。延迟时间T_D大约是一个定值，不太会变化，所以微调时间T_LC就只剩下跟电感值LP相关。步骤38以微调时间T_LC来调整OCP/OPP或是定电流控制的触发点，可以用来修正电感值LP变异所导致触发点不准的问题。

图5显示一控制电路50，位于电源控制器14内，可以执行图4中的控制方法。图5中有比较器52、电容C_M、重置开关SW_R、多工器54与56、电阻R_D1与R_D2、电压电流转换器58、采样电路60、与门61、以及驱动器62。定电流控制单元64可以控制输出电压V_OUT的最大输出电流，OCP/OPP单元66可以提供当输出电压V_OUT的输出电流/功率超过定额时的保护。

端点G上的门信号经过驱动器62放大后，变成驱动信号V_DRV，所以端点G上的门信号等同于驱动信号V_DRV。依据端点G上的门信号，多工器54选择性的将参考电压V_REF或是预设电压V_SA提供给比较器52的正输入端。换言之，在开启时间T_ON时，预设电压V_SA连接到比较器52的正输入端；在关闭时间T_OFF时，参考电压V_REF连接到比较器52的正输入端。参考电压V_REF是电阻R_D1与R_D2对直流输入电压V-_IN的分压结果，可以代表输入电压V-_IN。

类似的，在开启时间T_ON时，多工器56使定电流源所产生的定电流I_SA流到比较器52的负输入端，可对电容C_M充电；在关闭时间T_OFF时，多工器56使电压电流转换器58所产生的采样代表电流I_TSA，流到比较器52的负输入端，可对电容C_M充电。

比较器52以端点CLK作为输出。与门61的二输入端分别连接至端点G与CLK，端点CLK-SA作为与门61的输出，控制采样电路60。端点CLK也连接来控制定电流控制单元64与OCP/OPP单元66。

图6A显示部分的图5，在开启时间T_ON时的连接状态代表图；图6B显示部分的图5，在关闭时间T_OFF时的连接状态代表图；图7显示在端点G、INI、CLK、CLK-SA上的信号波形示意图。

请同时参考图5、图6A以及图7。在开启时间T_ON一开始时，端点INI上的一短脉冲重置电容C_M的电容电压，使其归零。所以端点CLK上的信号逻辑值变为“1”。之后定电流I_SA对电容C_M充电。电容C_M的电容电压到达预设电压V_SA时，端点CLK与CLK-SA上的信号逻辑值才都转变为“0”。如同图7所示，采样时间T_SA为端点CLK-SA上逻辑值为“1”的时间。在采样时间T_SA结束时，采样电路60断开了电压电流转换器58与电流感测端CS之间的连接，因此采样电路60采样保持电流感测信号V_CS，产生采样电压V_CS-SA。采样时间T_SA与采样电压V_CS-SA可以分别依据下列公式(2)与(3)推导而得知。

其中，CM为电容C_M的电容值。

请同时参考图5、图6B以及图7。在开启时间T_OFF一开始时，端点INI上另一个短脉冲重置电容C_M的电容电压，使其归零。所以端点CLK上的信号逻辑值转变为“1”。之后电压电流转换器58所产生的采样代表电流I_TSA对电容C_M充电。电容C_M的电容电压到达参考电压V_REF时，端点CLK上的信号逻辑值才转变为“0”。如同图7所示，微调时间T_LC为在关闭时间T_OFF内端点CLK上逻辑值为“1”的时间。微调时间T_LC可以依据下列公式(4)推导而得知。

其中，GM为电压电流转换器58的转换系数或是转导率(transconductance)；K2为参考设电压V_REF对直流输入电压V-_IN的比例。

从公式(4)的推导过程可以发现，电容C_M的电容值CM，就算有任何加工过程而产生变异，对微调时间T_LC并没有影响。这是采用单一个电容C_M来提供采样时间T_SA与微调时间T_LC所获得的好处。此外，也可以发现微调时间T_LC跟直流输入电压V-_IN也无关，因为参考电压V_REF跟直流输入电压V-_IN成一定的比例。在公式(4)的结果中，因为GM、K2、I_SA、V_SA大致都是预设的定值，所以微调时间T_LC大致单单正比于初级绕组L_P的电感值LP。

如同图5所示的，端点CLK也连接到定电流控制单元64与OCP/OPP单元66。定电流控制单元64与OCP/OPP单元66可以采用端点CLK上的信号所定义出的微调时间T_LC，来调整OCP/OPP或是定电流控制的触发点。举例来说，经过实际量测可知，在没有对电感值LP的变异进行补偿前，定电流控制下输出电压V_OUT所产生的最大电流，会随着电感值LP变大而减小。此时，图3中的定电流控制单元64就可以将其中对应控制输出电压V_OUT所产生的最大电流的控制参数，随着微调时间T_LC变大而些许的放大，或是随着微调时间T_LC变小而些许的缩小。这样就可以让图5的控制电路50控制下的开关式电源供应器10，于定电流控制下所达到的最大电流，大致不会随着电感值LP变异而改变。

图8A与图8B分别举例两个定电流控制单元64A与64B中的部分电路示意图。图8A与图8B都具有一装置80，大致由一定电流源I_REF、电压控制电流源I_DN、一开关以及电容C_ACU所构成。装置80已经于美国专利申请公告号2014/0009977中的图4内的元件74所举例说明。从美国专利申请公告号2014/0009977的教导可知，没有电感变异补偿时，定电流源I_REF的电流值大约对应到输出电压V_OUT所产生的最大输出电流。因此，图8A中的与门82使得定电流I_TUNE只有在微调时间T_LC内对电容C_ACU充电。当微调时间T_LC些许增大时，电容C_ACU在一开关周期被充电的总充电电量也些许增大，仿佛定电流源I_REF的电流值些许增大了，所以输出电压V_OUT所产生的最大输出电流也些许的放大。反之亦然。因此，可以理解的是，只要适当地设定定电流I_TUNE的电流值，就可能可以让定电流控制单元64A控制下的电源供应器对负载所产生的输出电流，可以有近乎与电感值LP无关的最大输出电流。

类似的，在图8B中，与门84控制电压控制电流源I_DN对电容C_ACU的放电时间。当微调时间T_LC增大时，电容C_ACU在一开关周期被放电的总放电电量会些许缩小，所以仿佛相对地定电流源I_REF的电流值些许增大了，因此输出电压V_OUT所产生的最大输出电流也些许的放大。反之亦然。因此，可以理解的是，就可能可以让定电流控制单元64B控制下的电源供应器所产生的输出电压，可以有近乎与电感值LP无关的最大输出电流。

定电流控制单元64A与64B中的定电流控制也可以适用于OCP/OPP单元66中。举例来说，当OCP/OPP单元66可以采用定电流控制单元64A与64B中的定电流控制，来检查输出电压V_OUT对一负载所提供的输出电流是否到达OCP/OPP单元66所预设的一内定额定值。当时输出电流到达该内定额定值时，就完全停止开关式电源供应器10所提供的能量转换(使功率开关SW维持关闭)，达到保护的目的。而这个OCP/OPP触发的内定额定值，会受到微调时间T_LC而影响。目的是使得OCP/OPP触发时输出电压V_OUT对负载提供的实际输出电流，大致不随着电感值LP的变异而有所变化。

在图5中，高压输入端HV提供输入电压V_IN，给控制电路50。但本发明不限于此。在另一个实施例中，输入电压V_IN可以通过图2中的反馈端FB获得。举例来说，一个电源控制器可以在开启时间T_ON时，记录要将反馈端FB钳制于0V时，从反馈端FB所流出的电流大小，而这个记录就可以代表输入电压V_IN。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明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 (11)

1.一种电源控制方法，可以补偿一电感元件的电感变异，适用于一电源供应器，其具有一功率开关，可控制流经该电感元件的一电感电流，该电源供应器将一输入电压，转换成一输出电压，该控制方法包含有：

于该功率开关的一开启时间内，提供一采样时间，该采样时间无关于该输入电压与该电感元件的一电感值；

于该采样时间结束时，采样保持一电流感测信号，产生一采样电压，该电流感测信号可代表该电感电流；以及

依据该采样电压，决定该输出电压的最大输出电流或是最大输出功率。

2.如权利要求1的该电源控制方法，其中，决定该最大输出电流或是该最大输出功率的步骤包含有：

依据该采样电压，于该功率开关的一关闭时间内，提供一微调时间，该微调时间正比于该电感值，且无关于该输入电压。

3.如权利要求2的该电源控制方法，包含有：

使用一第一电容，来提供一采样时间；以及

使用该第一电容，来提供该微调时间；

其中，该微调时间无关于该第一电容的一电容值。

4.如权利要求3的该电源控制方法，包含有：

将该采样电压转换为一采样代表电流，对该第一电容充电，以产生一第一电容电压；

其中，该微调时间为该采样代表电流对该第一电容充电到一参考电压的一充电时间，且该参考电压正比于该输入电压。

5.如权利要求1的该电源控制方法，还包含有：

提供一前缘遮蔽时间，于该前缘遮蔽时间内，该功率开关维持开启，且不受该电流感测信号所影响；

其中，前缘遮蔽时间短于该采样时间。

6.一种控制电路，适用于一电源供应器，其将一输入电压，转换成一输出电压，该电源供应器包含有一电源控制器、一功率开关、以及一电感元件，该控制电路适用于该电源控制器中，可以补偿该电感元件的电感变异，包含有：

一比较器，具有二输入端；

一第一电容，连接至该二输入端其中之一，其中，该比较器与该第一电容架构来定义一采样时间，该采样时间处于该功率开关的一开启时间内，且无关于该输入电压与该电感元件的一电感值；

一采样电路，于该采样时间结束时，用以采样保持一电流感测信号，产生一采样电压，其中，该电流感测信号可代表流经该电感元件的一电感电流；以及

一最大功率/电流控制器，用来决定该输出电压的一最大输出电流或是最大输出功率；

其中，该采样电压用来调整该最大输出电流或是最大输出功率。

7.如权利要求6的该控制电路，还包含有：

一电压电流转换器，依据该采样电压，产生一采样代表电流，对该第一电容充电；

其中，于该功率开关关闭时，该比较器与该第一电容也架构来定义一微调时间，其用以调整该最大输出电流或是最大输出功率。

8.如权利要求7的该控制电路，其中，该二输入端其中之一可选择性的连接至一预设电压或是一参考电压，其中该参考电压正比于该输入电压。

9.如权利要求7的该控制电路，其中，该第一电容可以选择性的由一预设电流或是该采样代表电流充电。

10.如权利要求7的该控制电路，其中，于该功率开关切换时，该第一电容的一第一电容电压被重设为一预设值。

11.如权利要求7的该控制电路，其中，该最大功率/电流控制器包含有一第二电容，其可选择性的被一电流源充放电，该微调时间决定该电流源对该第二电容的一充放电时间。