CN107846145B - 改善动态反应及降低开关损失的电源供应器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

改善动态反应及降低开关损失的电源供应器及其控制方法。该控制方法适用于一开关式电源供应器。该开关式电源供应器包含有一变压器以及一功率开关。该控制方法包含有：提供一PWM信号，控制该功率开关，其中，该PWM信号有一开关频率；检测该变压器的一跨压，以提供一释磁时间；依据一补偿电压，控制该开关频率，其中，该补偿电压相关于该开关式电源供应器的一输出电压；依据该释磁时间以及一电流检测信号，提供一睡眠信号，其中该电流检测信号可代表流经该变压器的一绕组电流；当该睡眠信号被致能时，使该开关频率的最小值为一第一频率值；以及，当该睡眠信号被致能时，使该开关频率为一睡眠频率值，小于该第一频率值。

Description

改善动态反应及降低开关损失的电源供应器及其控制方法

技术领域

本发明大致涉及开关式电源供应器的控制方法与电源控制器，尤其涉及采用初级侧控制的开关式电源供应器。

背景技术

电源供应器几乎是所有电子产品所必备的装置。举例来说，电源供应器可以将交流市电转换为电子产品的主要电路(core circuit)所需要的电源规格。在所有的电源供应器当中，开关式电源供应器具有转换效率佳以及产品体积小的优点，因此广受业界的普遍采用。

为了预防使用者受到不必要的雷击或是市电的高电压损害，电源供应器一般具有相隔绝的初级侧与次级侧，两者之间没有直流电流。位于初级侧的电压电平都参考市电的输入地；而位于次级侧的电压电平则是参考一个浮动的输出地。

开关式电源供应器可在初级侧产生脉冲宽度调制(PWM)信号，来控制一功率开关，藉以控制从初级侧转换到次级侧的电能，目的是使在次级侧的一输出电源可以符合规格。举例来说，可以使输出电源的输出电压大约维持在很接近5V的一个可容许范围内。

一般来说，初级侧控制是由位于初级侧的电路通过一电感元件所产生的感应电动势，来间接检测位于次级侧的输出电压。相对来说，次级侧控制是由位于次级侧的电路来直接检测输出电压，然后通过光耦合器，在初级侧建立补偿电压。

图1显示一初级侧控制的开关式电源供应器10。电源控制器12包含有电流检测端CS、电源端VCC、驱动端DRV以及反馈端FB。变压器包含有互相耦合的主绕组PRM、辅助绕组AUX与次级侧绕组SEC。在初级侧的电源控制器12，通过反馈端FB、电阻14与16、辅助绕组AUX与次级侧绕组 SEC，在变压器释磁(demagnetize)时，检测位于次级侧的输出电压V_OUT。电源控制器12提供PWM信号S_DRV，控制变压器的储能(增加磁能)与释磁。

电源供应器有一种测试条件称为动态反应(dynamic response)。图2显示开关式电源供应器10的一种动态反应测试与结果，其中分别表示负载电流 I_LOAD、PWM信号S_DRV、以及输出电压V_OUT的信号波形。如同图2中的负载电流I_LOAD所示，动态反应测试是周期性的将开关式电源供应器10的负载18 切换于重载与无载。因此，在重载时，PWM信号S_DRV的开关频率f_SW很高；无载时，开关频率f_SW很低。随着负载18的变化，输出电压V_OUT会短暂的漂移开目标电压V_TAR。飘移量越少，表示开关式电源供应器10的稳压能力 (regulation ability)越好，动态反应越好。

为了降低功率开关的开关损失(switching loss)，在无载时PWM信号S_DRV的开关频率f_SW大多会设计得非常低，如同图2所示。换句话说，无载时，开关式电源供应器10很久才会发生一次释磁，才能得知输出电压V_OUT。如果开关频率f_SW设计的太低，那开关式电源供应器10很可能在输出电压V_OUT已经掉出了容许范围外，都还没有反应过来。因此，无载时的开关频率f_SW设计就变得很两难。无载时开关频率f_SW太高，开关损失(switching loss)会太高；无载时开关频率f_SW太低，动态反应可能很差。

发明内容

本发明的一实施例提供一种控制方法，适用于一开关式电源供应器。该开关式电源供应器包含有一变压器以及一功率开关。该控制方法包含有：提供一PWM信号，控制该功率开关，其中，该PWM信号有一开关频率；检测该变压器的一跨压，以提供一释磁时间；依据一补偿电压，控制该开关频率，其中，该补偿电压相关于该开关式电源供应器的一输出电压；依据该释磁时间以及一电流检测信号，提供一睡眠信号，其中该电流检测信号可代表流经该变压器的一绕组电流；当该睡眠信号被禁能时，使该开关频率的最小值为一第一频率值；以及，当该睡眠信号被致能时，使该开关频率为一睡眠频率值，小于该第一频率值。

本发明的一实施例提供一种电源控制器，适用于一开关式电源供应器，其包含有一变压器以及一功率开关。依据一补偿电压，一PWM控制器提供一PWM信号，控制该功率开关。该PWM信号有一开关频率。一释磁检测器，用以检测该变压器的一跨压，以提供一释磁时间。一频率控制器，受控于该补偿电压，大约用以控制该开关频率。依据该释磁时间以及一电流检测信号，一输出电流比较器提供一睡眠信号至该频率控制器。该电流检测信号可代表流经该变压器的一绕组电流。当该睡眠信号为禁能时，该频率控制器使该开关频率的最小值为一第一频率值，当该睡眠信号为致能时，该频率控制器使该开关频率为一睡眠频率值，小于该第一频率值。

附图说明

图1显示一初级侧控制的开关式电源供应器。

图2显示图1的开关式电源供应器10的一种动态反应测试结果。

图3为依据本发明的实施例所产生的一开关式电源供应器。

图4举例说明图3中的电源控制器。

图5则显示一些图4中的信号波形。

图6显示了补偿电压V_COMP对开关频率f_SW的关系。

图7举例图4中的输出电流比较器。

图8显示当负载18由重变成无载后的一些信号波形。

图9显示图3的开关式电源供应器在动态反应下的测试结果。

图10显示依据本发明所实施的另一输出电流比较器。

【符号说明】

10 开关式电源供应器

12 电源控制器

14、16 电阻

18 负载

30 开关式电源供应器

32 电源控制器

62 采样保持电路

64 跨导器

65 释磁检测器

66 PWM控制器

68 电平移位器

70 比较器

72SR 触发器

74 频率控制器

76、76a 输出电流比较器

80 恒流源

82 开关

84 采样器

86 电压电流转换器

90 电容

92 延迟器

94 比较器

96 电容

98 开关式电容电路

AUX 辅助绕组

C_COM 补偿电容

COM 补偿端

C_OUT 输出电容

CRV_NOR、CRV_SLEEP 转换曲线

CS 电流检测端

DRV 驱动端

FB 反馈端

f_MIN-NOR 最小值

f_MIN-SLEEP 最小值

f_SW 开关频率

I_DN 下拉电流

I_CS 绕组电流

I_LOAD 负载电流

IN 输入电源线

I_SEC 次级侧电流

I_SET 预设电流

I_SEC-PEAK 次级侧电流峰值

I_SET-REF 定电流

GND 接地线

PRM 主绕组

R_CS 电流检测电阻

S_DMG 释磁信号

S_DRV PWM信号

SEC 次级侧绕组

S_SLEEP 睡眠信号

T_CYC 周期时间

T_DELAY 时间延迟

T_DMG 释磁时间

T_NO-LOAD 无载时间

T_{OF F}关闭时间

T_ON 开启时间

t₁、t₂ 时间点

t_S/H 时间点

V_AUX 跨压

VCC 电源端

V_COMP 补偿电压

V_CS 电流检测电压

V_CS-MED 中间值

V_CS-PEAK 峰值

V_CS-SAM 采样结果

V_D-LIGHT 电容电压

V_LIGHT 电容电压

V_REF 参考电压

V_S/H 采样电压

V_TAR 目标电压

V_TH 临界电压

V_OUT 输出电压

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虑，相同的符号的元件将不再重述。

图3为依据本发明的实施例所产生的一开关式电源供应器30，其中与图 1相同或是相似之处，为简洁的缘故，不再累述。电源控制器32有一补偿端 COM，连接到一补偿电容C_COM。电流检测电阻R_CS、功率开关20、与主绕组 PRM串联于输入电源线(input power line)IN与接地线GND之间。电流检测电阻R_CS提供电流检测电压V_CS给电源控制器32，电流检测电压V_CS可以代表流经功率开关20与主绕组PRM的绕组电流I_CS。

图4举例说明电源控制器32。图5则显示一些图4中的信号波形。

采样保持电路62连接至反馈端FB，通过电阻14与16、辅助绕组AUX、次级侧绕组SEC，在变压器释磁时，检测位于次级侧的输出电压V_OUT。举例来说，采样保持电路62在图5中的时间点t_S/H进行采样，产生并保持采样电压V_S/H。采样电压V_S/H可以代表或对应到输出电压V_OUT。

跨导器(transconductor，又称为“转导器”)64比较采样电压V_S/H与一参考电压V_REF，据以对补偿电容C_COM充电或放电，产生补偿电压V_COMP。当采样电压V_S/H偏离参考电压V_REF了，表示当下输出电压V_OUT不等于目标电压 V_TAR，开关式电源供应器30应该相对应地增加或是减少电源功率转换，因此改变补偿电压V_COMP。越低的补偿电压V_COMP，表示负载18越轻。

在图4中，补偿电压V_COMP通过PWM控制器66，控制PWM信号S_DRV的开启时间T_ON。如同图5所示，开启时间T_ON时，电流检测信号V_CS大致线性地上升。当电流检测信号V_CS超过补偿电压V_COMP经过电平移位器68所产生的一对应电压后，比较器70重置SR触发器72，使PWM信号S_DRV成为逻辑上的0，结束了开启时间T_ON，开始关闭时间T_OFF。简单地说，补偿电压 V_COMP可以决定电流检测信号V_CS的峰值V_CS-PEAK，也决定了开启时间T_ON的长度。比较高的补偿电压V_COMP，表示比较高的峰值V_CS-PEAK，以及比较长的开启时间T_ON。

释磁检测器65，通过反馈端FB、电阻14与16，检测辅助绕组AUX的跨压V_AUX，以提供释磁时间T_DMG。举例来说，释磁检测器65可以检测在反馈端FB上的反馈电压V_FB大约等于或大于采样电压V_S/H的时间，来产生释磁信号S_DMG，其可以指示出释磁时间T_DMG，如同图5所示。释磁时间T_DMG内，次级侧绕组SEC产生次级侧电流I_SEC，对输出电容C_OUT充电或是对负载 18供电。释磁时间T_DMG大约就是次级侧电流I_SEC大于0A的时间。

输出电流比较器76，依据释磁时间T_DMG以及电流检测信号V_CS，提供睡眠信号S_SLEEP至频率控制器74。从释磁时间T_DMG与电流检测信号V_CS，输出电流比较器76可以大略地得知当下开关周期内从次级侧绕组SEC所输出的总电荷量。如此，输出电流比较器76可以从初级侧，辨识出当下次级侧的负载电流I_LOAD是否稳定的低于一定值。如果是，就使睡眠信号S_SLEEP致能；相反的，如果不是，就使睡眠信号S_SLEEP禁能。输出电流比较器76的细部电路，将稍后解释。

补偿电压V_COMP与睡眠信号S_SLEEP一起决定了PWM信号S_DRV的开关频率f_SW，其为周期时间T_CYC的倒数，而周期时间T_CYC为开启时间T_ON与关闭时间T_OFF的合。补偿电压V_COMP控制频率控制器74，其可以大略地决定在何时设置(set)SR触发器72，使PWM信号S_DRV成为逻辑上的1，结束了关闭时间T_OFF，开始开启时间T_ON。当补偿电压V_COMP越高，周期时间T_CYC越短，开关频率f_SW就越大。在一实施例中，频率控制器74可以提供了图6中的补偿电压V_COMP对开关频率f_SW的两条转换曲线CRV_NOR与CRV_SLEEP。当睡眠信号S_SLEEP为禁能时，频率控制器74提供转换曲线CRV_NOR，其对应的开关频率f_SW具有一最小值f_MIN-NOR；当睡眠信号S_SLEEP为致能时，频率控制器74提供转换曲线CRV_SLEEP，其对应的开关频率f_SW具有一最小值f_MIN-SLEEP。如同图6所示的，最小值f_MIN-SLEEP小于最小值f_MIN-NOR。

图7举例图4中的输出电流比较器76，其包含有一恒流源80、开关82、采样器84、电压电流转换器86、延迟器92、以及比较器94。采样器84对电流检测信号V_CS采样，用以产生一采样结果V_CS-SAM。在此实施例中，采样结果V_CS-SAM代表了峰值V_CS-PEAK。但本发明不限于此。在另一实施例中，采样结果V_CS-SAM代表了中间值V_CS-MED，也就是大约在二分之一开启时间T_ON时，电流检测信号V_CS的值。电压电流转换器86将采样结果V_CS-SAM转换为下拉电流I_DN，在释磁信号S_DMG所指示的释磁时间T_DMG内，对电容90放电。恒流源80提供定电流I_SET-REF，对电容90充电。一个开关周期后，电容90上的电容电压V_LIGHT上的电压变化dV_LIGHT，可以以以下公式表示

dV_LIGHT＝dQ₉₀/C₉₀

＝(I_SET-REF×T_SW-I_DN×T_DMG)/C₉₀

＝(I_SET-REF×T_SW-K₁×I_CS-PEAK×T_DMG)/C₉₀

＝(I_SET-REF×T_SW-K₂×I_SEC-PEAK×T_DMG)/C₉₀

＝(I_SET-REF×T_SW-K₂×I_LOAD×T_SW)/C₉₀

＝K₃×(I_SET-I_LOAD)×T_SW/C₉₀

其中，dQ₉₀为电容90存储的电荷变化量，K₁、K₂、K₃都为常数，I_SEC-PEAK为相对应峰值V_CS-PEAK的次级侧电流峰值，显示于图5，I_SET为对应定电流 I_SET-REF的一预设电流，C₉₀为电容90的电容值。从以上公式中可以发现，当负载电流I_LOAD小于预设电流I_SET时，电容电压V_LIGHT会随着开关周期次数的增加而上升；相反的，如果负载电流I_LOAD大于预设电流I_SET时，电容电压 V_LIGHT会随着开关周期次数的增加而下降。简单地说，恒流源80、开关82、采样器84、以及电压电流转换器86一起，从初级侧来检测次级侧的负载电流I_LOAD，并用以跟预设电流I_SET相比较。

延迟器92大致上为一RC电路，包含有电容96以及开关式电容电路98。开关式电容电路98作为一个电阻，其中的两个开关分别受到反相与非反相的 PWM信号S_DRV所控制。延迟器92可以提供一时间延迟T_DELAY给电容电压 V_LIGHT，而产生电容电压V_D-LIGHT。

比较器94比较电容电压V_D-LIGHT与一临界电压(threshold voltage)V_TH，并据以产生睡眠信号S_SLEEP。当电容电压V_D-LIGHT高于临界电压V_TH时，睡眠信号S_SLEEP被致能；反之，睡眠信号S_SLEEP被禁能。

图8显示当负载18由重变成无载后的一些信号波形。在起始状态，负载 18为重载，负载电流I_LOAD为一很大的值，开关频率f_SW很高，电容电压V_LIGHT与V_D-LIGHT都维持在一最低值，睡眠信号S_SLEEP为禁能。在时间点t₁，负载18 由重变成无载，负载电流I_LOAD为0。随着补偿电压V_COMP的掉落，依据图6 中的转换曲线CRV_NOR，开关频率f_SW在时间t₁之后很快降至最小值f_MIN-NOR。同时，因为反应负载电流I_LOAD为0，小于预设电流I_SET，所以电容电压V_LIGHT上升到其最大值。在时间t₁的时间延迟T_DELAY后的时间t₂，电容电压V_D-LIGHT才爬到超过临界电压V_TH，因而致能睡眠信号S_SLEEP。所以，在时间t₂之后，依据图6中的转换曲线CRV_SLEEP，开关频率f_SW变为比最小值f_MIN-NOR更小的最小值f_MIN-SLEEP。从图8可以发现，当负载18一直保持为无载下，开关频率 f_SW最后会是最小值f_MIN-SLEEP，如此，可以降低开关损失，节省电源。

图9显示图3的开关式电源供应器30在动态反应下的测试结果。在图9 的动态反应测试中，每次的负载18位于无载的时间为无载时间T_NO-LOAD，都小于时间延迟T_DELAY。因此，电容电压V_D-LIGHT一直都无法到达临界电压V_TH，就被拉下来了。所以睡眠信号S_SLEEP一直是禁能。频率控制器74提供了转换曲线CRV_NOR，使得开关频率f_SW在无载时间T_NO-LOAD内，为最小值f_MIN-NOR，如同图9所示。因为在图9中的动态反应测试下，开关频率f_SW为最小值 f_MIN-NOR，比最小值f_MIN-SLEEP高。因此，开关式电源供应器30可以比较快去检测次级侧的负载18变化，初级侧的电源控制器32可以快速地反应，避免输出电压V_OUT过度掉落。

图7仅仅是举例说明输出电流比较器76，本发明并不限于此。图10显示另一输出电流比较器76a，可以取代图4中的输出电流比较器76。图10中的输出电流比较器76a可以参考先前的解说而了解，不再累述。

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 (10)

1.一种控制方法，适用于开关式电源供应器，该开关式电源供应器包含有变压器以及功率开关，该控制方法包含有：

提供PWM信号，控制该功率开关，其中，该PWM信号有开关频率；

检测该变压器的跨压，以提供释磁时间；

依据补偿电压，控制该开关频率，其中，该补偿电压相关于该开关式电源供应器的输出电压；

依据该释磁时间以及电流检测信号，提供睡眠信号，其中该电流检测信号代表流经该变压器的绕组电流；

当该睡眠信号被禁能时，使该开关频率的最小值为第一频率值；以及

当该睡眠信号被致能时，使该开关频率为睡眠频率值，小于该第一频率值。

2.如权利要求1所述的控制方法，包含有：

将该电流检测信号转换为第一电流；

以该第一电流在该释磁时间，对电容进行第一动作；

以第二电流对该电容进行第二动作，该第二动作相反于该第一动作；以及

依据该电容上的第一电容电压，产生该睡眠信号。

3.如权利要求2所述的控制方法，包含有：

延迟该第一电容电压，以产生第二电容电压；以及

比较该第二电容电压与临界电压，以产生该睡眠信号。

4.如权利要求1所述的控制方法，包含有：

采样该跨压，以产生采样电压；以及

比较该采样电压与参考电压，以产生该补偿电压。

5.如权利要求4所述的控制方法，包含有：

在该释磁时间内采样该跨压，以产生该采样电压。

6.一种电源控制器，适用于开关式电源供应器，其包含有变压器以及功率开关，该电源控制器包含有：

PWM控制器，依据补偿电压，提供PWM信号，控制该功率开关，其中，该PWM信号有开关频率；

释磁检测器，用以检测该变压器的跨压，以提供释磁时间；

频率控制器，受控于该补偿电压与睡眠信号，控制该开关频率；以及

输出电流比较器，依据该释磁时间以及电流检测信号，提供该睡眠信号至该频率控制器，其中该电流检测信号代表流经该变压器的绕组电流；

其中，当该睡眠信号为禁能时，该频率控制器使该开关频率的最小值为第一频率值，当该睡眠信号为致能时，该频率控制器使该开关频率为睡眠频率值，小于该第一频率值。

7.如权利要求6所述的电源控制器，其中，该输出电流比较器包含有：

第一电流源，提供第一电流，对第一电容进行第一动作；以及

电压电流转换器，用以将该电流检测信号转换为第二电流，在该释磁时间，对该第一电容进行第二动作，其相反于该第一动作。

8.如权利要求7所述的电源控制器，其中，该输出电流比较器包含有：

延迟器(delay circuit)，连接至该第一电容，用以延迟该第一电容上的第一电容电压，以产生第二电容电压。

9.如权利要求8所述的电源控制器，其中，该延迟器包含有开关式电容电路(switched-capacitor circuit)。

10.如权利要求8所述的电源控制器，其中，该输出电流比较器还包含有：

比较器，用以比较该第二电容电压以及临界电压，以产生该睡眠信号。

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